Mục tiêu chính của bài viết này là cung cấp cách nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc của mạng cảm biến không dây, kĩ thuật truyền dẫn không dây, ứng dụng của mạng cảm biến không dây đặc biệt là ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc tự động hóa dây chuyền sản xuất công nghiệp!
I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây ( tên tiếng anh là Wireless Sensor Network) gồm một tập hợp những thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây ( như vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) được phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và vị trí địa lý nào.
Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát ( hay còn gọi là Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hoặc vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; thực hiện chính xác các hoạt động của động cơ điện tử…
Ngày nay, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát các thiết bị trong công nghiệp và cả trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng
II. Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai dày đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò và thu thập thông tin dữ liệu. Vị trí các cảm biến không cần phải định vị trước vì vậy chúng dê dàng triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa.
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến về Sink theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển.
Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là
- bộ cảm biến
- bộ xử lý
- bộ thu phát không dây
- nguồn điện.
Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC).
III. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
1. Kích thước vật lý nhỏ gọn
Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả Unăng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực. Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý – lưu trữ – chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất). Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp.
Hình mô phỏng mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong các văn phòng
có thể bạn quan tâm: dây chuyền sản xuất khẩu trang y tế 3M-3D , khẩu trang y tế 4 lớp,..
4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.
5. Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
6. Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 3. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). IV. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận.
7. Giám sát và điều khiển công nghiệp – tự động hóa quá trình sản xuất
Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong linh vực này chủ yêu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu được lưu trữ, …
Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó.
Trong quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây (máy bay, vật thể bay …). Với ứng dụng khác trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây là hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí (HVAC) của các toà nhà. Một hệ thống HVAC được trang bị với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây sẽ mang lại hiệu quả bảo vệ con người tốt hơn nếu cũng hệ thống HVAC đấy mà chỉ được trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có dây.
Giải pháp không dây WISE giúp các nhà sản xuất bảng điều khiển nhanh chóng thiết lập hệ thống giám sát
Giải pháp tự động hóa dây chuyền sản xuất công nghiệp: máy làm tinh bột nghệ, máy ép rau củ quả công nghiệp, máy làm bún công nghiệp,…
8. Tự động hoá gia đình và điện dân dụng
Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây. SmartHome là thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà thông minh với sự ứng dụng toàn diện của các thiết bị cảm biến không dây. Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa, một PDA có thể điều khiển TV, máy nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây. Với điều khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế.
9. Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự
Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai dày đặc với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá huỷ một số nút không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học – sinh học – hạt nhân.
10. Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khoẻ
Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng giao tiếp cho người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
11. Hệ thống chăm sóc sức khoẻ BSN dựa trên công nghệ IoT
12. Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp
Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký sinh. Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí. Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn.
Bạn hãy đăng kí kênh Youtube của Uniduc để xem được tin tức những robot mới nhất của Uniduc nghiên cứu phát triển TẠI ĐÂY
Chúc bạn thành đạt trong công việc và hạnh phúc trong cuộc sống!
UNIDUC – Chuyên Dây Chuyền Sản Xuất Khẩu Trang Y tế, Robot.
Địa chỉ: 22 Đường 54, Thảo Điền, Quận 2, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam
Hotline Tư Vấn Miễn Phí: 089 6688 629 (Mr Đức)
Email: [email protected]