CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

Tôi xin cảm ơn gia đình, anh chị em và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, việc nghiên cứu các mạng có chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng, đa chức năng, dễ vận hành đang được tiến hành. Nhờ đó việc nghiên cứu mạng cảm biến đang được phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là mạng cảm biến không dây.

Đó là các ứng dụng phát hiện, tự động hóa, y tế, quân sự và an ninh, v.v. Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của con người nếu chúng ta phát huy được hết những điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến. Tuy nhiên, mạng cảm biến phải đối mặt với nhiều thách thức, đó là vấn đề năng lượng hạn chế. Để duy trì tuổi thọ của mạng có nhiều cách khác nhau trong đó vị trí chính xác của nút mạng là cả một vấn đề.

Vì vậy, luận văn “Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí nút mạng không dây” sẽ đi đến tổng quan về mạng WSN, tìm hiểu phương pháp xác định vị trí nút mạng. Tìm hiểu về một số hệ thống định vị được sử dụng và các hệ thống định vị được sử dụng trong WSN.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

Giới thiệu về mạng không dây
Cấu trúc của mạng cảm biến

Nút cảm biến
Mạng cảm biến
Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

Thách thức đặt ra đối với mạng cảm biến
Các ứng dụng của mạng cảm biến

Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên
Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan
Ứng dụng cho việc điều khiển các thiết bị trong nhà
Ứng dụng các tòa nhà tự động
Ứng dụng trong quá trình quản lý tự động trong công nghiệp
Ứng dụng trong y học

Sự khác biệt giữa mạng WSN và mạng truyền thống
Kết luận

Một trong những thành phần chính của nút cảm biến là phần cung cấp khả năng quản lý năng lượng. Nút cảm biến cũng có thể có các thành phần nhỏ khác tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể. Do kích thước hạn chế của nó, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một nguồn tài nguyên khan hiếm.

Như trong Hình 1.1, một mạng cảm biến bao gồm nhiều nút cảm biến được phân bổ trong một trường cảm biến. Tiêu thụ năng lượng: Mỗi nút cảm biến được trang bị một nguồn năng lượng hạn chế. Lớp quản lý năng lượng: Kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng của nút cảm biến.

Kiến trúc theo tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng cách đặt các tài nguyên ở nơi chúng hoạt động hiệu quả nhất. Số lượng nút cảm biến trong mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với mạng ad-hoc. Các mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá trong khi hầu hết các mạng ad hoc là điểm-điểm.

Các nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, tính toán và bộ nhớ.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỊNH VỊ NÚT MẠNG

Pha Phân khoảng
Pha định vị
Một số các hệ thống định vị

GPS
Active Badge
Active Bat
Cricket
Radar

Một số hệ thống định vị được sử dụng trong mạng cảm biến

Hệ thống định vị Beacon-based
SpotON
Calamari

Xác định vị trí các nút trong mạng
Kết luận

Hầu hết các hệ thống định vị xác định vị trí khi biết vị trí và khoảng cách cụ thể. Trong phần này, tôi sẽ mô tả một số hệ thống định vị được sử dụng như GPS, Active Badge, Active Bat, Cricket và Radar. Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) bao gồm 24 vệ tinh (quay quanh Trái đất) quay quanh Trái đất cách bề mặt khoảng 12.000 dặm.

Active Badge, được giới thiệu vào năm 1992, là hệ thống định vị trong nhà được nghiên cứu và phát triển đầu tiên. Được giới thiệu bởi AT&T Research vào năm 2000 như một phần bổ sung cho hệ thống Active Bat, hệ thống định vị Cricket sử dụng tín hiệu siêu âm. Hệ thống định vị Beacon được giới thiệu và phát triển bởi các nhà nghiên cứu từ UCLA và USC vào năm 2000.

Hệ thống định vị SpotON được Đại học Washington và Intel nghiên cứu và phát triển vào năm 2001. Hệ thống SpotON được tạo ra với mục đích theo dõi vị trí mạng đặc biệt. Các thẻ SpotON được gắn vào mọi thứ trong hệ thống định vị.

Hệ thống định vị được phát triển như một dự án lớn tại Đại học California, Berkeley vào năm 2002. Trong số ba hệ thống định vị được sử dụng trong mạng cảm biến không dây, mỗi hệ thống đều có điểm mạnh và hạn chế riêng. Trong Chương III, chúng tôi trình bày hệ thống định vị Ferret, sử dụng hai kỹ thuật RSSI khác nhau và công suất truyền tải nâng cao.

Hệ thống AHLoS (Hệ thống Định vị Ad-Hoc) giả định rằng các nút báo hiệu biết vị trí của chúng. Các nút còn lại trong hệ thống được coi là ẩn số và nó sẽ cố gắng xác định vị trí của các nút còn lại. Một kỹ thuật lặp lại là phép đo đa giác được sử dụng để xử lý vị trí của tất cả các nút trong hệ thống.

ĐỊNH VỊ NÚT MẠNG TRONG WSN

Tìm kiếm đối tượng đơn

Kỹ thuật điện kế
Kỹ thuật RSSI
Hệ thống Ferret
Kết quả đạt được

Định vị toàn mạng
Thuật toán xác định vị trí
Kết luận

Nó tìm kiếm một khu vực giao lộ và áp dụng định vị bằng công cụ dự đoán vị trí (điểm x). Thời gian trung bình đến vị trí cho mỗi kỹ thuật được thể hiện trong Hình 3.9. Do kỹ thuật RSSI luôn lấy năm mẫu nên thời gian xác định vị trí liên tục với hệ thống con này là khoảng chín giây.

Trong phần trước, chúng tôi đã trình bày phương pháp xác định vị trí của một đối tượng. Bây giờ chúng ta sẽ trình bày một phương pháp xác định vị trí của tất cả các nút trong mạng cảm biến không dây. Một số phương pháp được sử dụng là tính toán lặp để đưa ra vị trí của các nút trong mạng cảm biến.

Do đó, chúng tôi sẽ trình bày cách định vị các nút trong mạng cảm biến tiết kiệm năng lượng. Mục tiêu là xác định vị trí của các nút trong mạng dựa trên một tập hợp con của các nút. Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày một phương pháp tiết kiệm năng lượng để định vị các nút trong mạng với số lượng nút đã biết.

Trong các chương trình trước, chúng tôi đã phát triển hệ thống Ferret[1] sử dụng sóng radio để xác định vị trí của một vật thể trong phạm vi 1 mét. LESS được ước tính trên tất cả các nút trong mạng cho một nhóm nhỏ các nút. Nó ước tính vị trí của một số nút đã biết.

Hệ thống giả định một tập hợp con các nút neo biết vị trí của chúng. Sự khác biệt là 0 nếu khoảng cách không gian giữa vị trí thực tế và vị trí tính toán. Nếu khoảng cách distP,N là chính xác, độ chính xác của vị trí P sẽ là hoàn hảo.

Trong WSN, việc xác định vị trí của các nút trong mạng là điều cần thiết. Trong Chương 3 này, chúng ta đã tìm hiểu về nhiều kỹ thuật định vị điện kế, kỹ thuật RSSI và sử dụng các chiến lược tiến hóa để định vị các nút trong mạng bằng cách hiểu hai hệ thống: hệ thống Ferret và LESS.

GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ HÌNH HỌC

Định vị không ước lượng khoảng cách
Xác định vị trí tương đối bằng ước lượng khoảng cách
Xác định trục tọa độ thông qua khoảng cách
Kết luận

Nếu vị trí không chính xác, những người hàng xóm sẽ không biết vị trí của nó nữa. Mỗi nút sẽ không bao giờ mở rộng thêm lỗi này, nhưng nó có thể sẽ làm giảm diện tích hợp lệ của nút khi nó không được định vị như trong các sơ đồ bên dưới. Lưu ý: + Đúng, nhưng vị trí của nút không cục bộ là không xác định × Vị trí của nút lân cận.

Mỗi nút được thêm vào đều biết vị trí của nút k nhưng không biết vị trí của nút i. Chỉ có thể chọn biểu thức hệ tọa độ hoặc một số tham chiếu toàn cục khác. Không cần thay đổi vị trí nếu các nút i và k ở cùng một vị trí.

Nút C được xác định là trục tọa độ cục bộ, hãy chọn nút E trên trục X và nút G trên trục Y, xác định trục tọa độ tổng thể tại vị trí (1,1) được xác định cho nút C. Xảy ra khi đặt nút B một nút, một nút có thể được tìm thấy trong các điều kiện giới hạn. G hoặc F có thể được sử dụng làm trục x vì chúng được kết nối với tất cả các nút khác ngoại trừ B.

Nút B là nút ít phù hợp nhất để khởi tạo vì D chỉ có thể nghe và ước tính khoảng cách đến B. Cả hai trường hợp (đối với C ở trên hoặc ở dưới) đều dễ phân biệt nếu tính khoảng cách giữa các khoảng đến nút F. Khi nút C chỉ có một láng giềng trong một vùng hợp lệ, vị trí có thể bị giới hạn ở một số độ nhất định.

Qua đó chúng ta đã thấy quá trình xác định vị trí của nút mạng. Từ đó ta thấy được tầm quan trọng của việc đặt nút mạng trong mạng cảm biến. Và đã biết cách xác định vị trí của nút mạng và biết cách tính vị trí của nút mạng thông qua một loạt bài toán.