Mạng cảm biến không dây công nghiệp: Ưu điểm và thách thức (P2)

 III.THÁCH THỨC

Các thách thức chủ yếu khi triển khai IWSN thường gặp phải là:

-Tài nguyên hạn chế

Nguyên nhân là do giới hạn về phần cứng, các nút cảm biến kích thước nhỏ có nguồn cấp pin hạn chế, bộ nhớ dung lượng nhỏ và khả năng tính toán thấp (Hình 2). Tiếp theo là giới hạn về băng thông, các nút cảm biến có thể tạo ra một lượng đáng kể các dữ liệu dư thừa, ví dụ nhiều dữ liệu giống nhau được tạo ra từ nhiều nút cảm biến nhiệt độ hay cùng một cảm biến nhưng tại các thời điểm lấy mẫu khác nhau. Việc truyền dữ liệu đã qua xử lý hay tổng hợp dữ liệu trước khi gửi được coi là bắt buộc với mạng cảm biến lại dẫn đến trễ và tiêu hao thêm năng lượng. Trong khi đó, năng lượng tiêu thụ hay hiệu suất mạng là mối quan tâm lớn trong mạng WSN. Hiện nay, hầu hết các ứng dụng công nghiệp đều yêu cầu thời gian sống của pin là 5 năm và các hệ thống WSN không khả thi trong các ứng dụng đòi hỏi năng lượng tương đối lớn.

-Mô hình mạng thay đổi và điều kiện môi trường không thuận lợi

Hầu hết các IWSN bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến (hàng trăm, hàng nghìn hoặc thậm chí nhiều hơn) được lắp đặt ngẫu nhiên trên một vùng bao phủ rộng theo kiểu ad-hoc. Trong môi trường công nghiệp, mô hình mạng và kết nối mạng có thể thay đổi do mất liên kết hay mất nút. Ngoài ra, các nút cảm biến cũng chịu nhiễu can thiệp RF, làm việc trong môi trường tạp âm cao, độ ăn mòn lớn, mức ẩm cao, có rung chấn, nhiều rác, bụi và một số điều kiện khác ảnh hưởng đến hiệu suất mạng. Những điều kiện không thuận lợi này cộng với mô hình mạng thay đổi có thể khiến một phần mạng hay một số nút cảm biến bị hỏng.

-Yêu cầu về chất lượng dịch vụ

Các ứng dụng giám sát và điều khiển công nghiệp trải rộng từ việc cảm biến dữ liệu, ghi nhận thông tin và chẩn đoán tình trạng đến điều khiển vận hành máy móc thiết bị và các đáp ứng trong trường hợp khẩn cấp. Các công việc này được phân loại bởi ủy ban ISA 100 thành 6 lớp theo mức độ ưu tiên tăng dần [1]:

Lớp 5: Chỉ giám sát mà không điều khiển vận hành.

Lớp 4: Giám sát và điều khiển vận hành trong thời gian ngắn.

Lớp 3: Điều khiển vòng lặp mở.

Lớp 2: Vòng lặp đóng, điều khiển quá trình giám sát.

Lớp 1: Vòng lặp đóng, điều khiển quá trình vận hành.

Lớp 0: Các đáp ứng khẩn cấp.

Giao tiếp dữ liệu trong các ứng dụng điều khiển bao gồm truy vấn dữ liệu liên tục và lưu lượng dữ liệu là bất đối xứng hay tự phát. Để mạng hoạt động bình thường phải thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng dịch vụ như dữ liệu nhận được phải đảm bảo về độ tin cậy và thời gian thực. Để truyền dữ liệu tin cậy, khó khăn đến từ chất lượng đường truyền vô tuyến RF không đảm bảo do nhiễu cao, tín hiệu yếu do sụt nguồn, đường truyền dài hay do các chướng ngại, pha đinh đa đường và nhiễu can thiệp. Ví dụ, các loại máy móc vận hành trong nhà máy có thể tạo ra một lượng lớn nhiễu điện từ, nhiễu can thiệp hay nhiễu do dùng chung băng tần từ các nguồn khác. Điều này có thể ngăn cản hoặc thậm chí làm mất dữ liệu. Điều kiện đường truyền vô tuyến thay đổi sẽ dẫn đến mất gói và trễ truyền dẫn. Do đó, hiệu suất và độ trễ phụ thuộc vị trí kênh truyền và mức nhiễu can thiệp ở đầu thu, tỉ lệ lỗi bít có thể lên cao (BER = 10^-2  ÷ 10^-6 )  trong các giao tiếp không dây và việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) là một thách thức lớn.

-Bảo mật

Điều kiện cơ bản để thúc đẩy thương mại hóa các sản phẩm IWSN là nó phải cung cấp các dịch vụ cho phép truy vấn vào mạng để tìm kiếm các thông tin hữu ích mọi lúc và mọi nơi. Vì vậy, nó cần được truy nhập từ xa từ Internet và tích hợp kiến trúc IP. Các nền tảng cảm biến hiện tại dùng các gateway để tích hợp IWSN vào mạng Internet và các nút cảm biến có thể phải dùng các kết nối IP trong tương lai. Bảo mật nổi lên như một vấn đề quan trọng của IWSN. Lỗ hổng trong các chính sách bảo mật khó có thể xảy ra trừ khi do công nhân làm hỏng, lấy trộm mật khẩu hoặc cấu hình mạng sai. Tuy nhiên, việc tấn công vào mạng IWSN lại khá đa dạng, từ nghe lén đường truyền để phân tích lưu lượng hay đọc nội dung bản tin đến thay đổi, nguy tạo hay ngăn cản truyền dẫn bằng cách bắt nút, tấn công định tuyến v.v.. Vì vậy, cơ chế bảo mật ở cả hai mức, mức thấp (thiết lập các khóa bảo mật, điều khiển tin cậy, xác thực, ngăn cản tấn công từ chối dịch vụ, định tuyến bảo mật, chống bắt nút) và mức cao (quản lý nhóm bảo mật, phát hiện xâm nhập, tổng hợp dữ liệu bảo mật) đều cần được quan tâm.

IV.KẾT LUẬN

Mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng giám sát và điều khiển công nghiệp dành được rất nhiều sự quan tâm gần đây. Một số người dùng tiềm năng vẫn đợi để chọn xem các chuẩn nào hoặc các sản phẩm nào sẽ thắng thế và một số khác đã triển khai sử dụng. Trong nhiều trường hợp các dự án nghiên cứu về IWSN đã triển khai khá thành công trong một vài ứng dụng cụ thể ở một số quốc gia phát triển [3]. Tuy nhiên, để triển khai IWSN trong thực tế thì cần phải có những giải pháp để giải quyết những thách thức mà công nghệ này đặt ra. Trong tương lai, công nghệ này vẫn cần được nghiên cứu và hoàn thiện hơn nữa để tăng độ tin cậy, khả năng đáp ứng và giảm giá thành để hấp dẫn hơn với người sử dụng.

Tài liệu tham khảo

[1]. GANG ZHAO "Wireless Sensor Networks for Industrial Process Monitoring and Control: A Survey" Network Protocol and Algorithms ISSN 1943-3581, 2011, Vol. 3 No. 1.
[2].LESMAN Instrument Company: http://www.lesman.com/ unleashd/catalog/wireless-survey-results.html.
[3].JIEUN JUNG, BYUNGHUN SONG "The Possibility of Wireless Sensor Networks for Pipe Rack Safety Monitoring" 2014, 7th Hawaii International Conference on System Science.

Lê Thị Yến, Trần Thị Ngọc Lan