WSN, viết tắt của Mạng cảm biến không dây, phát hiện và phản hồi các điều kiện vật lý và môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, v.v. thông qua mạng cảm biến của nó.
Những tiến bộ trong công nghệ không dây và cảm biến hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) đã cho phép các cảm biến năng lượng thấp được triển khai một cách thông minh trên một khu vực rộng lớn, tạo ra WSN chi phí thấp cho các ứng dụng quân sự và dân sự.
Trong phần sau, chúng ta sẽ thảo luận về các loại WSN, các thành phần và ứng dụng của chúng cũng như những ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng của chúng.
Tầm quan trọng của mạng là gì?
Mạng kết nối các thiết bị cho phép trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên. Các thiết bị tích hợp này sử dụng các giao thức truyền thông như TCP/IP, UDP, FTP, HTTP, SMTP, v.v., là một bộ quy tắc để truyền dữ liệu trong mạng không dây hoặc có dây.
Về cơ bản, có hai loại mạng: có dây và không dây. Mạng có dây và không dây khác nhau về tốc độ truyền dữ liệu, bảo mật dữ liệu, phạm vi liên lạc và chi phí.
Mạng có dây được phân loại dựa trên sự kết nối của các thiết bị bằng cáp vật lý, trong khi mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến để kết nối các thiết bị. Có nhiều công nghệ không dây khác nhau như Wi-Fi, Bluetooth, v.v.
Mạng cảm biến không dây (WSN), như tên cho thấy, là một công nghệ không dây và việc liên lạc được thực hiện bằng tín hiệu vô tuyến.
Mạng cảm biến không dây (WSN) là gì?
Mạng cảm biến không dây, còn được gọi là WSN, là tập hợp các cảm biến chuyên dụng được triển khai tại nhiều vị trí khác nhau trong các cấu trúc cụ thể để ghi lại và giám sát các thông số môi trường vật lý cũng như sắp xếp dữ liệu thu được ở một vị trí tập trung.
Các thông số vật lý này bao gồm nhiệt độ, áp suất, gió và độ ẩm, cùng nhiều thông số khác.
Nguồn hình ảnh: Electronicsshub
WSN bao gồm các trạm cơ sở và các nút nằm ở các vị trí khác nhau tương tác không dây. Cấu trúc WSN có thể được triển khai bằng bốn cách tiếp cận khác nhau, đó là các kiểu điểm-điểm, hình sao, cây và lưới.
Hệ thống WSN có thể được chia thành 5 loại tùy thuộc vào môi trường vật lý: WSN ngầm, trên mặt đất, dưới nước, đa phương tiện và di động.
Các thiết kế cảm biến mới tận dụng tiến bộ kỹ thuật và công nghệ để kết hợp các lĩnh vực vật lý và kỹ thuật số nhằm mang lại kết quả hiệu quả.
WSN bao gồm các nút có cảm biến phát hiện các thay đổi vật lý và môi trường truyền dữ liệu đến trạm cơ sở để phân tích và báo cáo đầu ra.
Việc tích hợp mạng cảm biến không dây với GPS hoặc RFID có thể mở rộng phạm vi phủ sóng và tạo ra các hệ thống theo dõi hoặc giám sát tiên tiến.
WSN được thiết kế để thu thập thông tin môi trường nhằm tăng cường độ an toàn, năng suất và ngăn ngừa tai nạn đồng thời bảo vệ môi trường.
thành phần WSN
Chúng ta hãy xem danh sách các thành phần tạo nên WSN. Về cơ bản, WSN bao gồm hai phần: Nút cảm biến và Kiến trúc mạng.
Nút cảm biến
Nút cảm biến bao gồm các thành phần sau:
- Nguồn điện: Để cấp nguồn cho tất cả các thành phần mạng.
- Bộ cảm biến: bao gồm một cảm biến và một bộ ADC (bộ chuyển đổi tương tự sang số). Cảm biến thu thập dữ liệu tương tự và ADC chuyển đổi nó sang định dạng kỹ thuật số. Các nút cảm biến không chỉ có chức năng cảm biến mà còn xử lý, giao tiếp và lưu trữ các thành phần. Nút cảm biến thu thập và phân tích dữ liệu vật lý, đồng thời liên kết và kết hợp dữ liệu đó với dữ liệu từ các cảm biến khác.
- Bộ xử lý: bao gồm bộ nhớ và bộ vi xử lý. Nó xử lý và thao tác dữ liệu một cách thông minh.
- Hệ thống thông tin liên lạc: Một hệ thống vô tuyến để truyền và nhận dữ liệu.
- Trạm cơ sở: Đây là một nút đặc biệt có khả năng tính toán và xử lý cao.
Nguồn hình ảnh: Electronicsshub
Cluster head: Đây là nút cảm biến băng thông cao được sử dụng để thực hiện các chức năng tổng hợp dữ liệu và tổng hợp dữ liệu trong WSN. Tùy thuộc vào yêu cầu hệ thống và ứng dụng, sẽ có nhiều hơn một nút chủ trong một cụm.
Trong mạng cảm biến không dây (WSN), nút cảm biến giao tiếp với các nút cảm biến khác trải rộng trên các khu vực rộng lớn để giám sát môi trường vật lý và trạm gốc (BS) thông qua giao tiếp không dây. Các nút cảm biến thu thập dữ liệu và gửi đến trạm gốc. Các trạm cơ sở xử lý dữ liệu và cung cấp thông tin cập nhật cho người dùng trực tuyến.
Kiến trúc mạng
Khi tất cả các nút cảm biến được kết nối với một trạm cơ sở, nó được gọi là kiến trúc mạng một bước nhảy. Khi dữ liệu được gửi qua khoảng cách xa, nó sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với việc thu thập và tính toán dữ liệu, do đó, kiến trúc mạng nhiều bước nhảy thường được sử dụng trong những trường hợp như vậy, sử dụng các nút trung gian thay vì một liên kết duy nhất kết nối nút cảm biến với trạm gốc.
Nguồn hình ảnh: Electronicsshub
Có hai cách để triển khai các cấu trúc này: Kiến trúc mạng phẳng và Kiến trúc mạng phân cấp.
Trong kiến trúc phẳng, trạm gốc phát lệnh tới tất cả các nút cảm biến và các nút cảm biến phản hồi thông qua các nút ngang hàng bằng cách sử dụng đường dẫn nhiều chặng.
Trong kiến trúc mạng phân cấp, cụm trưởng nhận thông tin từ một nhóm nút cảm biến và chuyển tiếp dữ liệu đến trạm gốc.
Các thành phần WSN khác
- Nút chuyển tiếp: Nút trung gian được sử dụng để liên lạc với nút lân cận. Nó làm tăng độ tin cậy của mạng và không đi kèm với cảm biến xử lý hoặc phần cứng điều khiển.
- Nút diễn viên: Nút nâng cao được sử dụng để thực thi và xây dựng các quyết định tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng. Thông thường, các nút này là các thiết bị giàu tài nguyên với khả năng xử lý chất lượng cao, công suất truyền cao và thời lượng pin.
- Cổng: Cổng là giao diện giữa mạng cảm biến và mạng bên ngoài. So với nút cảm biến và nút trưởng cụm, nút cổng có khả năng cao nhất về bộ nhớ chương trình và dữ liệu, bộ xử lý được sử dụng, phạm vi thu phát và khả năng mở rộng thông qua bộ nhớ ngoài.
Các loại mạng cảm biến không dây (WSN)
Có năm loại WSN khác nhau:
- Dưới nước: Mạng cảm biến không dây dưới nước sử dụng các nút cảm biến và phương tiện dưới nước để thu thập dữ liệu. Nó có độ trễ cao và lỗi cảm biến, đồng thời có số lượng pin không thể sạc lại hạn chế.
- Ngầm: Loại này giám sát các điều kiện dưới lòng đất khi chúng hoạt động hoàn toàn dưới lòng đất và các nút Sink nằm trên mặt đất truyền dữ liệu đến trạm gốc. Chi phí cao hơn mạng mặt đất do thiết bị và bảo trì đắt tiền.
- Mạng mặt đất: Loại mạng này được sử dụng trên đất liền để theo dõi điều kiện môi trường của các khu vực khác nhau. Hàng nghìn nút cảm biến không dây trong WSN mặt đất được triển khai theo cấu trúc đặc biệt hoặc được lập kế hoạch trước để liên lạc hiệu quả với các trạm gốc.
- Đa phương tiện: WSN có thể theo dõi và giám sát các sự kiện đa phương tiện như video, hình ảnh và âm thanh. Họ có các nút cảm biến rẻ tiền với máy ảnh và micrô kết hợp, tải xuống, nén và tương quan dữ liệu không dây.
- Di động: WSN di động bao gồm các nút cảm biến có thể di chuyển và liên lạc trong khi thực hiện các chức năng khám phá. Mạng cảm biến không dây di động mang lại tính linh hoạt cao hơn, phạm vi rộng hơn, dung lượng kênh tốt hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với mạng cảm biến cố định.
Việc triển khai WSN dựa trên các yêu cầu về ứng dụng và chất nền.
Các cấu trúc WSN khác nhau
Có bốn loại cấu trúc mạng, nhưng việc triển khai chúng ảnh hưởng đến độ trễ, công suất và độ tin cậy vì việc định tuyến và xử lý dữ liệu thay đổi tùy theo cấu trúc mạng khác nhau. Vì vậy, việc đánh giá các yêu cầu và bản chất của ứng dụng cần được biết trước khi triển khai khung WSN.
Các nút cũng có thể được kết nối với Internet và tải lên nền tảng đám mây để phân tích thêm.
Tín dụng hình ảnh: Researchgate
- Cấu trúc điểm-điểm hoặc bus: Các cảm biến trong mạng này có thể giao tiếp trực tiếp với nhau mà không cần trung tâm. Cấu trúc này được sử dụng rộng rãi và cung cấp thông tin liên lạc an toàn.
- Cấu trúc hình sao: Mạng hình sao sử dụng trạm gốc làm trung tâm trung tâm để liên lạc với tất cả các cảm biến, thực hiện đơn giản và cần ít năng lượng. Một trong những nhược điểm của cấu trúc này là sự phụ thuộc của truyền thông vào một trạm gốc duy nhất.
- Cấu trúc cây hoặc cấu trúc lai: bao gồm cấu trúc điểm-điểm và cấu trúc sao. Trong cấu trúc này, các cảm biến được sắp xếp theo cấu hình cây và việc truyền dữ liệu diễn ra thông qua các nhánh giữa chúng. Tiêu thụ ít năng lượng hơn các thiết kế khác.
- Cấu trúc lưới: Trong cấu trúc này, việc truyền dữ liệu xảy ra giữa các cảm biến trong phạm vi truyền dẫn của chúng để liên lạc nhiều bước mà không cần trạm gốc trung tâm. Cảm biến có thể sử dụng cảm biến trung gian để truyền dữ liệu đến cảm biến bên ngoài vùng phủ sóng vô tuyến của chúng. Do đó nó được biết đến với khả năng mở rộng và dự phòng. Nó được coi là đáng tin cậy nhất vì nó không có một điểm hỏng hóc nào nhưng đòi hỏi nhiều năng lượng hơn.
Ứng dụng WSN
WSN được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực yêu cầu đo lường, theo dõi hoặc giám sát. Chúng trải rộng khắp khu vực, đo nhiệt độ, âm thanh và các thông số khác trong nhiều ứng dụng khác nhau.
- Chúng được sử dụng để giám sát các khu vực bằng cách triển khai các cảm biến nhằm phát hiện các nỗ lực xâm nhập, vì vậy chúng được sử dụng rộng rãi trong quân đội để phát hiện các xâm nhập thù địch.
- Chúng phổ biến với các ứng dụng dân sự như khai thác mỏ, chăm sóc sức khỏe, giám sát, nông nghiệp và các điều kiện giám sát khác.
- Các nút cảm biến không dây phát hiện các phương tiện đang đỗ bằng từ kế và có thể sử dụng radar vi mô và từ kế để theo dõi.
- WSN rất phổ biến trong giám sát và phát hiện môi trường/Trái đất, như phòng chống thiên tai, phát hiện lở đất, giám sát chất lượng nước, phát hiện cháy rừng và giám sát môi trường sống. Nó cũng được sử dụng rộng rãi trong các giải pháp giám sát công nghiệp như tình trạng máy, nước thải, tình trạng kết cấu, v.v.
Ưu điểm và nhược điểm của mạng cảm biến không dây
Trong phần này, chúng ta sẽ xem xét những ưu và nhược điểm của WSN:
Thuận lợi
- WSN được ưu tiên hơn các hệ thống giám sát có dây vì sự thuận tiện, độ tin cậy, giá cả phải chăng và dễ triển khai.
- WSN loại bỏ sự cần thiết của dây cáp hoặc dây điện.
- Mức độ thành thạo của WSN đến từ nhiều yếu tố: độ chính xác của việc phát hiện, phạm vi phủ sóng, khả năng chịu lỗi, khả năng kết nối, mức độ tham gia của con người thấp, chức năng trong môi trường khắc nghiệt và quy hoạch cảm biến động.
- Cho phép giám sát tập trung tất cả các nút trong WSN.
- Thích ứng với các phân vùng vật lý mà không gặp vấn đề gì.
- Các giao thức định tuyến để liên lạc trong môi trường có dung lượng và băng thông hạn chế, tạo ra các mạng ad hoc tự tổ chức bằng cách sử dụng giao tiếp nhiều bước nhảy.
- Nó sử dụng các thuật toán bảo mật dựa trên công nghệ không dây để tạo ra một mạng lưới đáng tin cậy cho người dùng.
- Cho phép tích hợp dễ dàng các nút hoặc thiết bị mới để tăng khả năng mở rộng.
Bất tiện
- WSN phải đối mặt với những thách thức như băng thông hạn chế, mức tiêu thụ điện năng cao, chi phí nút cao, mô hình triển khai và các hạn chế về thiết kế phần cứng/phần mềm.
- Mạng cảm biến không dây dễ bị tấn công.
- WSN được thiết kế cho các ứng dụng tốc độ thấp và không phù hợp với truyền thông tốc độ cao.
- Đắt tiền để xây dựng một WSN.
- Toàn bộ mạng có thể bị tắt trong WSN dựa trên hình sao nếu nút trung tâm bị lỗi.
Phương pháp giáo dục
# 1. Xây dựng mạng cảm biến không dây với Arduino
Cuốn sách về xây dựng mạng không dây năng lượng thấp bằng phần cứng Arduino và XBee. Nó giải thích cách phát triển các dự án phức tạp với các ví dụ minh họa. Cuốn sách bao gồm các bức ảnh và ảnh chụp màn hình chi tiết, đồng thời giải thích dự án tự động hóa ngôi nhà mà bạn có thể theo dõi nguyên trạng hoặc tùy chỉnh.
Bạn sẽ tìm hiểu cách kết nối không dây bo mạch Arduino với mô-đun XBee và kiểm soát môi trường của bạn dựa trên phản hồi từ các cảm biến mạng. Sử dụng phần mềm XCTU trên hệ thống Windows, OS X hoặc Linux để thu thập và lưu trữ dữ liệu cảm biến trên nền tảng đám mây hoặc trong cơ sở dữ liệu cá nhân. Cũng sử dụng các thiết bị tự động hóa nhà ZigBee.
Cuốn sách này có thể được các nhà phát triển hệ thống nhúng và những người đam mê Arduino sử dụng để mở rộng các dự án của họ bằng công nghệ không dây.
#2. Xây dựng mạng cảm biến không dây: với ZigBee, XBee, Arduino và xử lý
Cuốn sách này nhấn mạnh việc xây dựng mạng ZigBee bằng radio XBee và Arduino có giá dưới 100 USD. Tạo các hệ thống cảm biến và truyền động có thể điều chỉnh cũng như tìm hiểu về những điểm phức tạp của XBee, chẳng hạn như quản lý nguồn và định tuyến nguồn. Phát triển các cổng kết nối với các mạng lân cận, trong đó có Internet.
Cuốn sách này sẽ giúp nhiều người có được kiến thức và kỹ năng cần thiết để hoàn thành dự án của mình bằng cách làm theo các ví dụ trong mỗi chương, bao gồm các nhà phát minh, tin tặc, nghệ nhân, sinh viên, người có sở thích và nhà khoa học.
Đây là một nguồn tài nguyên tuyệt vời để tạo ra các tiện ích thông minh, tương tác và hệ thống cảm biến có sẵn bằng cách sử dụng giao thức mạng không dây ZigBee và radio Series 2 XBee.
#3. Mạng cảm biến không dây công nghiệp (IWSN): Giao thức và ứng dụng
Ấn phẩm này trình bày các kết quả nghiên cứu mới về mạng cảm biến không dây công nghiệp. Các bài viết trong số đặc biệt góp phần thúc đẩy nghiên cứu IWSN và được kỳ vọng sẽ truyền cảm hứng cho nghiên cứu và triển khai sâu hơn.
IWSN rất quan trọng do việc sử dụng mạng cảm biến không dây ngày càng tăng trong cuộc sống hàng ngày và công nghiệp, được đặc trưng bởi các tiêu chuẩn cao về độ tin cậy, độ tin cậy và tính kịp thời ở mọi lớp của mạng.
#4. Xây dựng mạng cảm biến không dây với ESP32 LoRa
Hướng dẫn này nhằm triển khai mạng cảm biến không dây cơ bản (WSN) với ESP32 trong mạng LoRa.
Nó bao gồm nhiều chủ đề khác nhau như chuẩn bị môi trường phát triển, định cấu hình ESP32 LoRa, gửi và nhận dữ liệu, xử lý các ngắt của bộ thu LoRa, truyền phát tin nhắn trên mạng LoRa và tạo ứng dụng WSN với ESP32 LoRa.
những từ cuối
Mạng cảm biến không dây (WSN) đã trở nên cần thiết cho nhiều ứng dụng giám sát và theo dõi. WSN đã chuyển từ giám sát cảm biến cơ bản sang phát hiện, xử lý và phân tích nâng cao.
Công nghệ WSN đã thay đổi đáng kể để thu thập những kiến thức có giá trị và mang lại kết quả mong muốn.
Sau đó kiểm tra hoạt động của mô hình kiến trúc TCP/IP.
