Thực hành contiki OS - Tổng quan Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một trong những chủ về công nghệ được các nhà nghiên cứu, nhà phát triển và nhà sản xuất sử dụng để phát triển các ứng dụng với các mục đích cụ thể. Contiki-NG là một trong những nền tảng WSN được sử dụng để xây dựng các chương trình WSN được hỗ trợ bởi các nền tảng phần cứng khác nhau.

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một chủ đề nghiên cứu và công nghệ mà các nhà nghiên cứu, nhà phát triển và nhà sản xuất sử dụng cho các ứng dụng cho các mục đích cụ thể. Trong bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu và khám phá WSN là gì và cố gắng phát triển một WSN bằng cách sử dụng nền tảng WSN Contiki và bản cập nhật của nó Contiki-NG.

Giới thiệu về Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống gồm các board mạch có khả năng kết nối để đo lường và truyền nhận dữ liệu và / hoặc để thực hiện các hành động. Đôi khi board WSN được gọi là WSN mote. Mục tiêu chính của việc thực hiện WSN  mote là đo lường các đối tượng vật lý ở dạng kỹ thuật số và sau đó chuyển chúng đến một máy chủ nhất định. Nghiên cứu về các chủ đề WSN là một lĩnh vực nghiên cứu căng thẳng vì có rất nhiều vấn đề cần giải quyết, chẳng hạn như thiết kế phần cứng, mạng, cơ sở hạ tầng và bảo mật.

Ngày nay, việc sản xuất phần cứng phát triển nhanh chóng. Bạn sẽ thấy rằng có rất nhiều bo mạch mới trên thị trường, chẳng hạn như Arduino, Raspberry Pi, BeagleBone, Intel Edison, NodeMCU, Teensy, Tessel, v.v. Đây là kỷ nguyên của Internet of Things (IoT). Theo báo cáo của Gatner, ước tính có hàng tỷ thiết bị IoT được kết nối với Internet. Vì nhu cầu board mạch IoT cao nên giá board có thể khá rẻ. Hơn nữa, phong trào phần cứng nguồn mở đã có tác động đến ngành công nghiệp board mạch đang phát triển. Mọi người có thể thiết kế và làm board mạch của riêng họ cho các mục đích đặc biệt

Quay lại chủ đề mote WSN của chúng ta — làm thế nào để mô tả mote WSN? Nói chung, một mote WSN bao gồm vi điều khiển (MCU), cảm biến / thiết bị truyền động và mô-đun không dây. Bạn có thể thấy nó trong Hình dưới. MCU là trung tâm của quá trình xử lý theo mô hình WSN. Nó có trách nhiệm đảm bảo hệ thống chạy tốt. Trong các thiết kế khác, MCU có thể được thay thế bằng MPU (bộ vi xử lý), tùy thuộc vào việc có vấn đề về pin hay không. Phần thứ hai là cảm biến / cơ cấu chấp hành. Cảm biến có thể đo lường các đại lượng vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm và hướng la bàn. Bộ truyền động có thể thực hiện một hành động nhất định, chẳng hạn như chiếu sáng đèn LED, tạo âm thanh hoặc chạy động cơ. Một số động cơ WSN có thể chỉ cung cấp thiết bị cảm biến, nhưng các động cơ WSN khác có thể sử dụng cả cảm biến và thiết bị truyền động bên trong bo mạch. Một lần nữa, nó phụ thuộc vào thiết kế của bạn. Phần cuối cùng là mô-đun không dây. Nó được sử dụng để chuyển dữ liệu thiết bị đo lường sang thiết bị mạng; ví dụ: gateway, server application hoặc cloud application

Việc chọn loại mô-đun không dây sẽ có tác động đến giao thức nào sẽ được sử dụng để giao tiếp với các mote khác và máy chủ. Hầu hết các motes WSN sử dụng IEEE 802.15.4 làm giao thức mạng.

Đôi khi các nhà sản xuất sẽ xây dựng thiết bị WSN theo một số hình thức dựa trên vai trò người thừa kế. Một vi mạch WSN có thể chỉ bao gồm MCU và mô-đun vô tuyến, không có thiết bị cảm biến và thiết bị truyền động. Một số động cơ WSN sẽ cung cấp MCU, thiết bị cảm biến / thiết bị truyền động và mô-đun radio. Bạn có thể hiểu đơn giản ở đây là WSN mote này đóng vai trò là 1 forwarder nhận dữ liệu từ 1 node này và chuyển sang 1 mote khác hoặc cũng có thể chỉ đóng 1 trong hai vai trò truyền hoặc là nhận

Làm thế nào để WSN mote có thể truy cập được máy chủ? Đây là một vấn đề phổ biến trong quá trình triển khai WSN. Nếu một WSN mote có cùng giao thức với các server trên mô-đun mạng, nó có thể giao tiếp trực tiếp với máy chủ. Tuy nhiên, phương pháp này có thể sử dụng nhiều pin hơn do hầu hết các máy chủ sử dụng giao thức nâng cao mà không có vấn đề về pin. Ngoài ra, chúng ta có thể sử dụng một gateway, được sử dụng như một cầu nối giữa các motes WSN và các máy chủ. Một số gateway có khả năng chuyển đổi giao thức của WSN mote sang giao thức của máy server để chúng có thể trao đổi dữ liệu. Gateway có thể được thực hiện để giám sát các mạng WSN hiện có. Bạn có thể thấy cách các motes WSN giao tiếp với một hệ thống khác thông qua một gateway bên dưới

Tạm kết

Bài viết này mình đã giới thiệu khái niệm về WSN để bạn đọc có được cái đầu tiên về lĩnh vực IOT. Chúc bạn đọc vui vẻ