Cấu trúc mạng cảm biến không dây \ Khi c ảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và đi vào các ứng dụng thực tế, thì mạng cảm biến cũng bắt đầu mở rộng hơn. Một câu hỏi đặt ra là: Làm th ế nào để thích nghi các cấu trúc mạng truyền thống với các phương tiện liên lạc mới hiện nay? Trong bài này chúng ta sẽ tìm hiểu về một số cấu trúc mạng đã, đang và sẽ được sử dụng cho mạng cảm biến. Sự phát triển của các loại công nghệ mạng đã mau chóng thúc ép cảm biến đi t ìm những giải pháp thay thế mới có giá thành thấp, độ phức tạp giảm và độ tin cậy tăng. Những kiến trúc mạng cảm biến trước đây sử dụng loại dây đôi xoắn bọc kim đơn giản cho mỗi cảm biến. Tiếp đến, các bus đa điểm (như Ethernet) được sử dụng. V à giờ đây chúng ta bắt đầu nhìn thấy tiềm năng thực sự của kiến trúc mạng dựa tr ên nền tảng web (như World Wide Web) sẽ được đưa vào nhà máy. Khi cảm biến không dây trở thành thương phẩm quen thuộc trên thị trường thì việc lựa chọn giữa các loại cảm biến và kiểu mạng mới và cũ làm đau đầu các chuy ên gia và làm cho họ phải xem xét lại những chiến lược xây dựng kiến trúc mạng mà trước đây đã từng bị gạt sang một bên. Sau đây, chúng ta cùng tìm hi ểu về 3 kiểu mạng cơ bản sử dụng cho cảm biến (kiểu mạng điểm - điểm, đa điểm và mạng web - một kiểu mạng của tương lai), đánh giá sức mạnh và điểm yếu của mỗi kiểu mạng v à quy luật bị xoay chuyển như thế nào khi hệ thống không dây đi vào ứng dụng. Bên cạnh đó, để xây dựng được một mạng cảm biến khả dụng, cũng phải xét đến việc tích hợp phần cứng v à phần mềm từ nhiều nhà cung cấp thiết bị. Đi kèm theo đó là những vấn đề về giao thức v à các chuẩn đã có và sẽ có cho cảm biến. Chúng là yếu tố đảm bảo sự tương thông trong nhà máy. Cấu trúc mạng điểm-điểm Trên lý thuyết, kiểu mạng này là an toàn nhất vì chỉ có 1 điểm trong mạng có khả năng xảy ra sự cố, đó là điểm mạng chủ hay còn gọi là host (hình 1). Để nâng cao khả năng của hệ thống mạng chỉ cần bổ sung thêm 1 host dự phòng. Tuy nhiên, việc nối dây 2 host lại là vấn đề đáng bàn. Một số cấu trúc mạng này hỗ trợ tín hiệu điều biến tần (FM - frequency modulated) cho dây d ẫn để truyền tải tín hiệu của nhiều cảm biến trên các kênh FM riêng bi ệt. Một số chuẩn (như HART bus) hỗ trợ đường truyền tín hiệu số song công cho những đường truyền tín hiệu analog sẵn có trong một số nhà máy công ngh ệ cũ. Kiểu kiến trúc như vậy xóa nhòa danh giới khác biệt giữa cấu trúc mạng điểm-điểm và cấu trúc mạng đa điểm. Những kiểu mạng không dây đầu tiên sử dụng tín hiệu tần số radio (RF - Radio Frequency) đơn giản cho cấu trúc mạng điểm-điểm. Cấu trúc mạng nảy sử dụng modem RF ở 2 đầu mạng. Một cái đặt tại đầu phát làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu RS-232 thành tín hiệu radio và cái còn lại đặt tại đầu nhận làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu về trạng thái vốn dĩ của nó. Fluke (Everett, Washington) đ ã phát triển một loại vôn kế số có thể nhận tín hiệu điện áp v à truyền đi qua một kênh tần số radio chuyên biệt. Tuy nhiên, cách này b ị nghi ngờ về độ tin cậy vì thiết bị này được thiết kế cho những tín hiệu FM mã hóa đơn giản. Còn trong môi trường nhà máy, các yếu tố gây nhiễu có thể làm giảm đáng kể chất lượng của tín hiệu, do vậy mạng trở nên không đáng tin cậy, trừ khi nó được chăm sóc rất chu đáo. Kiểu mạng LAN không dây cũng được sử dụng trong cấu trúc mạng này nhưng nó chỉ tỏ ra hợp với môi trường văn phòng hơn là sàn máy. Những nhà thiết kế sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu từ xa kết hợp với cấu trúc mạng này bằng cách dùng bộ gom dữ liệu và đẩy dữ liệu này tới bộ truyền tín hiệu radio để truyền tới host, tại đây, tín hiệu sẽ được đưa trở về hình hài ban đầu vốn có của nó. Cấu trúc mạng đa điểm Những cấu trúc mạng đa điểm bắt đấu xuất hiện vào cuối những năm 70, đầu 80 (thế kỷ XX). Một trong số đó là Modbus của Modicon (Cty Schneider) đã m ở đường vào môi trường công nghiệp. Modbus ra đời tiếp sau một số bus mở và bus độc quyền như Qbus và VMEbus. Sự ra đời của cảm biến thông minh và vi máy tính chịu được môi trường công nghiệp đã làm thay đổi mạnh mẽ bối cảnh của mạng cảm biến. Cấu trúc mạng đa điểm đã giảm đáng kế lượng dây dẫn nối các thiết bị hiện trường với host. Nhưng vẫn còn một điểm dễ bị tổn thương đối với kiểu mạng này đó là cáp nối. Nhiều nhà cung cấp giới thiệu các giải pháp nối dây dự phòng, nhưng rốt cuộc chúng chỉ làm phức tạp thêm (hình 2). Khi c ấu trúc mạng đa điểm được chấp nhận, thì lại nảy sinh vấn đề số hóa dữ liệu. Với cấu trúc mạng điểm-điểm thì số hóa dữ liệu được thực thi ngay tại host, mỗi host có một đồng hồ đo thời gian thu thập tín hiệu analog từ các cảm biến. Còn với kiểu mạng đa điểm được trang bị trí tuệ nhân tạo phân tán thì vấn đề đồng bộ hóa các đồng hồ trở nên rất quan trọng trong một số ứng dụng. Sự ra đời của Ethernet vào giữa những năm 80 là cột mốc của sự chuẩn hóa. Nhiều công ty đồng thuận rằng, tương lai của của mạng phụ thuộc vào một chuẩn kết nối mở cho phép nhiều nhà thiết kế hệ thống hợp tác cùng nhau, giảm thiểu rào cản khó khăn ngăn cách. Giờ đây, hầu hết các nhà máy đ ã chuyển sang dùng Ethernet vì cả giá thành và khả năng của nó mang lại. Hệ thống mạng không dây sử dụng chung những giao thức cho cấu trúc mạng đa điểm, tức là mô phỏng kiểu mạng nối dây cứng với các điểm truyền RF. Chuẩn IEEE-802.11 là chuẩn không dây đầu tiên hứa hẹn đưa tính kết nối tương thông của Ethernet và mạng không dây. Tuy nhiên, vẫn có nhiều vấn đề về tương thích nếu đưa tín hiệu truyền qua không khí. Cấu trúc mạng web Sự hứa hẹn của cấu trúc mạng web (khi tất cả các nút luôn trong trạng thái kết nối) vẫn phải đợi đến khi các nhà cung cấp phát triển một giải pháp kết nối các nút mạng mà không cần dây dẫn. Đối với một mạng nối dây, nếu mạng quá lớn thì việc nối dây dường như trở nên bất khả thi (hình 3). Còn ki ểu mạng nối dây theo đường dây điện thoại luôn có tính kết nối cao ở mọi nơi, mọi lúc, nhưng tốc độ của nó thì lại quá chậm. Còn đối với kiểu mạng với web thì mọi thứ đều có thể. Lợi ích của việc kết nối mạng cảm biến với web càng trở nên rõ ràng hơn khi mà mức độ thông minh trong mỗi cảm biến đang tăng lên. Những dãy cảm biến hoạt hoạt động phối hợp với nhau có thể tạo nên những cấu hình tạm thời có những tính năng thay thế cho host. Một kiểu mạng tự host, rồi tiến đến tự cấu h ình và cu ối cùng, sau nhiều năm nữa, có thể chúng ta sẽ được thấy một kiểu mạng tự nhận biết. Tuy nhiên, để làm được điều này thì còn nhiều vấn đề tồn tại như kích cỡ của pin và lượng điện năng mạng ti êu thụ, sự ổn định trong quá trình truyền dữ liệu và thuật toán ưu tiên truyền dữ liệu. Trong một mạng kết nối web không dây, từng nút mạng luôn trong trạng thái kết nối (xét về mặt vật lý) với các nút mạng khác trong cùng mạng. Mạng sẽ được cấu h ình ra sao ở những khoảng cách khác nhau sẽ phụ thuộc vào vấn đề phần mềm được cấu h ình như thế nào. Trong kiểu mạng CDMA, tín hiệu radio có thể nhận từ tất cả mọi kênh cùng lúc. Hình 4 và 5 miêu tả 2 giải pháp đơn giản nhất sử dụng bộ nhận dữ liệu dựa tr ên dựa trên mạng CDMA. Kiểu kiến trúc theo như hình 4 đòi hỏi một bộ mã hóa riêng cho mỗi kênh. Và c ũng đòi hỏi phần cứng dành riêng cho mỗi kênh, mặc dù trong thời điểm n ày là không quan trọng nhưng sẽ cần thiết vào một thời điểm nào đó. Mô hình trong hình 5 đưa ra có thể giảm lượng phần cứng cho mỗi kênh nhưng lại nảy sinh vấn đề đồng bộ hóa phân tích mẫu dữ liệu. Một vấn đề khác cũng được quan tâm nhiều trong cấu trúc mạng cảm biến kết nối web là đường truyền. Vì tất cả các nút mạng có thể liên lạc với các nút mạng khác chỉ bằng một thao tác nhảy cóc, nên rất cần một cơ cấu lặp cho cấu trúc mạng này. Và đường truyền cho kiểu mạng này là một trong những vấn đề làm cho nó trở nên phức tạp, khó nắm bắt hơn so với các kiểu mạng khác. Trong mạng cảm biến và mạng điện thoại, các nút mạng thực hiện giao tiếp đến và đi liên tục. Cách m à mạng phản ứng lại sự cấu hình lại sẽ ảnh hưởng nhiều đến khả năng và độ tin cậy của nó. Chẳng hạn như, mạng điện thoại đã tr ở thành chủ đề hấp dẫn trong giới nghiên cứu mạng cảm biến vì việc cấu hình lại trong không gian luôn làm cho chất lượng mạng tốt hơn, đây chính là vấn đề được quan tâm bàn luận nhiều nhất. Nếu không có một kiểu công nghệ giống như của mạng điện thoại thì mạng cảm biến sẽ bị giới hạn rất lớn trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, trong đó, sự kết nối có thể thay đổi khi môi trường RF thay đổi. Tương lai tiếp theo của mạng cảm biến Mạng cảm biến thường làm việc ở mức tốt nhất nếu biết bố trí cấu trúc mạng phù hợp với ứng dụng nhất, chẳng hạn như nếu ứng dụng của bạn cần kiểu mạng điểm-điểm, thì việc gi bạn phải đi tìm một kiểu mạng khác. Tiềm năng của việc đưa web vào thế giới cảm biến là vô cùng lớn. Web sẽ giúp cảm biến hoạt động hợp tác với nhau tạo nên một kiểu mạng thông minh để giải quyết những tồn tại hiện n ày mà mạng cảm biến đang gặp phải, hay những yêu cầu nảy sinh trong tương lai. Khi công nghệ phần mềm và ph ần cứng trưởng thành hơn nữa chúng ta sẽ được chứng kiến nhiều hơn công nghệ web trong sàn máy. . Cấu trúc mạng cảm biến không dây Khi c ảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và đi vào các ứng dụng thực tế, thì mạng cảm biến cũng. ngh ệ cũ. Kiểu kiến trúc như vậy xóa nhòa danh giới khác biệt giữa cấu trúc mạng điểm-điểm và cấu trúc mạng đa điểm. Những kiểu mạng không dây đầu tiên sử