Thiết kế giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây

`
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY


Sinh viên thực hiện:
Lớp:
TRẦN HỮU CƯƠNG
KSTN-ĐTVT-K52
Giảng viên hướng dẫn:
TS. PHẠM VĂN TIẾN




Hà Nội, 6-2012
`
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Sinh viên thực hiện:
Lớp:
TRẦN HỮU CƯƠNG
KSTN-ĐTVT-K52
Giảng viên hướng dẫn:
TS. PHẠM VĂN TIẾN




Hà Nội, 6-2012

`
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN HỮU CƯƠNG Số hiệu sinh viên: 20070387
Khoá: 52 Viện: Điện tử - Viễn thông Ngành: Điện Tử
1. Đầu đề đồ án:
……………………………………………… ………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………………… ………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….
… ……………………… …………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….……………
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
………………………………………………………………………………………………………………………………
… ….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
…………………………………………………………………………………………………………………… ……….…
……………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………

Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn
Giảng viên hướng dẫn




Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
`
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN HỮU CƯƠNG Số hiệu sinh viên: 20070387
Ngành: Điện Tử Viễn Thông Khoá: 52
Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:








2. Nhận xét của cán bộ phản biện:












Ngày tháng năm

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 5

LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một
thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network -
WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm
biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời
sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường sống, giao
thông
Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến
được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không
thể thiếu trong xã hội hiện đại nhàm mạng lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết
thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và
nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển
khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều thử
thách do những đặc điểm riêng biệt của nó nhu các nút cảm biến bị giới hạn về phần
cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong hệ thống
Sau một thời gian làm việc rất cố gắng trên phòng Lab 411 Khoa Điện tử-
Viễn thông dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.PHẠM VĂN TIẾN cùng sự hợp tác
chặt chẽ với các thành viên của nhóm nghiên cứu phát triển phòng Lab 411, em đã
hoàn thành đồ án với đề tài “THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY”.
Với những nỗ lực thật sự, đồ án của em đã đạt được một số kết quả nhất

định. Mặc dù vậy, do hạn chế về mặt thời gian nên em không tránh khỏi một số
thiếu sót cũng như một số nhiệm vụ chưa hoàn thành. Vì vậy, em rất mong nhận
được những ý kiến đóng góp của thầy Thầy giáo và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 6

 Thầy giáo TS.PHẠM VĂN TIẾN
 Nhóm nghiên cứu và phát triển phòng Lab 411
 Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Cùng toàn thể gia đình bạn bè đã hỗ trợ em trong quá trình nghiên cứu.

Sinh viên thực hiện
TRẦN HỮU CƯƠNG
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 7

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“Thiết kế giao thức tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm biến không dây”
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network – mạng bao gồm nhiều
nút cảm biến liên lạc với nhau bằng sóng vô tuyến) là một công nghệ mới có tiềm
năng sử dung rất lớn trong thực tế, đặc biệt đối với nhu cầu điều khiến và giám sát.
Đây cũng là một giải pháp rất phù hợp với việc giám sát và điều khiển trạm giao cắt
đường sắt - đường dân sinh bởi có độ tin cậy cao, kích thước các nút mạng nhỏ gọn,
cự ly thu phát khá xa, chi phí lắp đặt và vận hành nhỏ.
Các mạng cảm biến không dây luôn luôn phải đối mặt với những vấn đề tiêu

thụ năng lượng. Nếu không có chính sách kiểm soát thích hợp, bản tin dữ liệu có thể
được truyền qua các tuyến đường đã cạn kiệt năng lượng, nhanh chóng làm gián
đoạn kết nối mạng. Nếu một nút truyền dữ liệu ở một mức độ năng lượng quá cao,
nó không chỉ khiến năng lượng của mình cạn kiệt nhanh chóng, mà còn ảnh hưởng
nhiễu tới các các nút khác đang trao đổi bản tin trong mạng. Trong nghiên cứu này,
em giới thiệu một phương phát điều khiển năng lượng hợp tác, trong đó các nút của
các tuyến đường cùng điều chỉnh công suất phát của chúng thường xuyên theo thời
gian và sau khi tái định tuyến. Lựa chọn tuyến đường được thực hiện qua việc xem
xét các số liệu liên kết như cường độ tín hiệu, năng lượng còn lại, và xem xét tới
khả năng hết năng lượng trong tương lai. Đồng thời, để giữ cân bằng tiêu thụ năng
lượng trên toàn mạng, nhận thức năng lượng được tiến hành định kỳ. Truyền tải
điện năng của mỗi nút được thiết lập ở một mức độ đủ cao theo gợi ý của nút kế tiếp
trên tuyến.
Cụ thể nội dung đồ án bao gồm 5 chương :
 Chương 1 : Mở đầu
Giới thiệu tổng quan về khái niệm, cấu trúc và ứng dụng của mạng cảm biến
không dây.
 Chương 2 : Tổng quan mạng cảm biến không dây
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 8

Giới thiệu tổng quan về chuẩn ZigBee / IEEE802.15.4 và một số thiết bị thu
phát hỗ trợ chuẩn ZigBee.
 Chương 3 : Chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4
Trình bày chi tiết về những vấn đề liên quan như thiết bị thu phát, cảm biến,
động cơ điều khiển rào chắn.
 Chương 4 : Thiết kế hệ thống
Trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối của các thành phần

trong hệ thống cũng như phối hợp hoạt động giữa các thành phần đó.
 Chương 5 : Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá kết quả


Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 9

ABSTRACT
“An Energy-Efficient Protocol for wireless Sensor Networks”
Wireless sensor network is now considered as a great potential network that
can be applied to real world, especially in controlling and monitoring task. Since
monitoring and controlling electronic equipments at railway cross-point (such as
barrier) is now becoming popular in some developed countries, people start thinking
about deploying such wireless sensor network to manage these electronic
equipments automatically. As provided a high reliability, long range wireless
communication, small size and economic implementing cost, Wireless Sensor
Network promises to be a reasonable way to control and monitor railway systems.
Deployment of wireless sensor networks always faces the issue of energy
consumption. Without appropriate control policy, data messages might be routed
over already-exhausted routes, quickly disrupting network connectivity. If a node
transmits data at an excessively high power level, it not only depletes its own
energy budget wastefully, but also interferes in other parallel transmissions. In this
study, i introduce a cooperative power control strategy in which nodes of routes
jointly tune their transmit power regularly over time and upon re-routing. Route
selection is made considering link metrics that is a function of signal strength,
remaining energy, and path loss. At the same time, to keep balancing power
consumption among nodes extensively, energy-aware routes are re-initiated
periodically. Transmit power of each node is set at a level is just high enough under

the hint of its adjacent downstream node. Simulation outputs do support our
proposals in connectivity and throughput.

Keywords: WSN, routing, power control, link quality.
Content of Thesis includes 5 chapters:
 Chapter 1 :
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 10

Overview of wireless sensor network and applications.
 Chapter 2 : WSN Overview
Overview of ZigBee/IEEE802.15.4 Standard and IEEE 802.15.4™ Standard
Compliant RF Transceivers.
 Chapter 3 : ZigBee/IEEE802.15.4 Standard
Presentation on issues of concern in design process such as tranceiver,
sensor, motor.
 Chapter 4 : System Design
Propose design model of modules and cooperating mechanisms.
 Chapter 5 : System Implementation and Results

Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 11

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

ABSTRACT 9
MỤC LỤC 11
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 17
CHƯƠNG 1. Mở đầu 20
1.1 Đặt vấn đề 20
1.2 Phạm vi nghiên cứu 20
1.3 Tiến trình nghiên cứu và triển khai 21
CHƯƠNG 2. Tổng quan mạng cảm biến không dây 23
2.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây 23
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 24
2.2.1 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 25
2.2.2 Hai đặc trưng của mạng cảm biến không dây 28
2.2.3 Cấu trúc nút cảm biến 30
2.3 Ứng dụng 34
2.3.1 Ứng dụng trong nông và lâm nghiệp 35
2.3.2 Ứng dụng trong y tế và chuẩn đoán từ xa 35
2.3.3 Ứng dụng trong quân đội 35
2.3.4 Ứng dụng trong gia đình 36
CHƯƠNG 3. Chuẩn ZigBee / IEEE 802.15.4 37
3.1 Khái quát về mạng WPAN 37
3.2 Khái niệm ZigBee 37
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 12

3.2.1 Các loại thiết bị trong mạng ZigBee 37
3.2.2 Cấu trúc mạng ZigBee 39
3.2.3 Cấu trúc phân lớp 41
3.2.4 Các thuật toán định tuyến 49

CHƯƠNG 4. Thiết kế hệ thống 61
4.1 Cơ sở lý thuyết 61
4.1.1 Tổng quan hệ thống 61
4.1.2 Điều khiển công suất phát 62
4.1.3 Định tuyến 66
4.2 Thiết kế mô phỏng 69
4.2.1 Lựa chon công cụ mô phỏng NS-2 69
4.2.2 Thiết kế các mô-đun trong mô phỏng NS-2 70
4.3 Thiết bị phần cứng 71
4.3.1 Thiết bị thu phát 71
4.3.2 Microchip Stack 72
4.3.3 Thiết kế mô-đun giám sát năng lượng nút mạng WSN 73
4.3.4 Thiết kế mô-đun điều khiển công suất 74
4.3.5 Thiết kế mô-đun định tuyến 76
CHƯƠNG 5. Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá kết quả 77
5.1 Quá trình cài đặt và thiết lập hoạt động cho hệ thống mô phỏng 77
5.1.1 Mô tả kịch bản 77
- Kịch bản 100 nút 77
5.1.2 Kết quả mô phỏng 78
- Kết luận 80
5.2 Triển khai thực tế 80
5.2.1 Kịch bản thí nghiệm 80
5.2.2 Kết quả thí nghiệm 81
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 13

KẾT LUẬN 87

Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 14

DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1 TIẾN TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ TRIỂN KHAI 22
HÌNH 2-1 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 25
HÌNH 2-2 CẤU TRÚC PHẲNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 28
HÌNH 2-3 CẤU TRÚC TẦNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 29
HÌNH 2-4 CẤU TRÚC MẠNG PHÂN CẤP CHỨC NĂNG THEO LỚP 29
HÌNH 2-5 CẤU TẠO NÚT CẢM BIẾN 31
HÌNH 3-1 CẤU TRÚC MẠNG HÌNH SAO [4] 39
HÌNH 3-2 CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI [4] 40
HÌNH 3-3 CẤU TRÚC MẠNG HÌNH CÂY [4] 41
HÌNH 3-4 KIẾN TRÚC ZIGBEE STACK [8] 41
HÌNH 3-5 PHÂN BỐ KÊNH TRUYỀN [5] 42
HÌNH 3-6 MÔ HÌNH THAM CHIẾU LỚP VẬT LÝ 44
HÌNH 3-7 MÔ HÌNH THAM CHIẾU CỦA LỚP CON MAC 45
HÌNH 3-8 CẤU TRÚC LỚP MẠNG [6] 46
HÌNH 3-9 CẤU TRÚC LỚP ỨNG DỤNG [6] 48
HÌNH 3-10 ĐỊNH DẠNG TUYẾN ĐƯỜNG TRONG GIAO THỨC AODV 52
HÌNH 3-11 QUÁ TRÌNH CHỌN NÚT GỐC 54
HÌNH 3-12 THIẾT LẬP KẾT NỐI GIỮA CH VÀ NÚT THÀNH VIÊN 55
HÌNH 3-13 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH NHÁNH NHIỀU BẬC 55
HÌNH 3-14 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM TRỰC TIẾP 57
HÌNH 3-15 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT TRUNG GIAN 58
HÌNH 3-16 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT GỐC 58
HÌNH 3-17 GÁN ĐỊA CHỈ NHÓM QUA NÚT GỐC VÀ NÚT TRUNG GIAN 59
HÌNH 3-18 MẠNG ĐA NHÁNH VÀ CÁC NÚT TRUNG GIAN 60

HÌNH 4-1 TƯƠNG TÁC XUYÊN TẦNG 61
HÌNH 4-2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 62
HÌNH 4-3 QUAN HỆ GIỮA MỨC CÔNG SUẤT PHÁT VÀ CHẤT LƯỢNG
LIÊN KẾT 64
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 15

HÌNH 4-4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LQI VÀ CÔNG SUẤT PHÁT. 65
HÌNH 4-5 THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 67
HÌNH 4-6 VÍ DỤ VỀ THAY ĐỔI BẢNG ĐỊNH TUYẾN 68
HÌNH 4-7 KIẾN TRÚC CỦA BỘ THU PHÁT MRF24J40 71
HÌNH 4-8 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐO ĐIỆN ÁP MỖI NODE 74
HÌNH 4-9 HÌNH MÔ TẢ CÁC BƯỚC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 75
HÌNH 5-1 KỊCH BẢN 100 NÚT 77
HÌNH 5-2 SO SÁNH TỈ LỆ GÓI ĐẾN 78
HÌNH 5-3 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG 78
HÌNH 5-4 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI 79
HÌNH 5-5 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 60 NÚT 79
HÌNH 5-6 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 100 NÚT 80
HÌNH 5-8 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 3-2 DẢI TẦN HOẠT ĐỘNG VÀ TỐC ĐỘ DỮ LIỆU 42
BẢNG 4-1 BẢNG CHỈNH SỬA CÁC CẤU TRÚC THUỘC LỚP ĐỊNH TUYẾN

TRONG MÃ NGUỒN 76
BẢNG 5-1 BẢNG MÔ TẢ KỊCH BẢN 77























Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 17

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
STT
Thuật ngữ viết tắt
Thuật ngữ tiếng anh
Thuật ngữ tiếng việt
1
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không
dây
2
LR-WPAN
Low Rate Wireless
Personal Area Network
Mạng cá nhân không
dây tốc độ thấp
3
SAP
Offset – Quadrature
Phase – Shift Keying
Điều chế cầu phương
bù
4
O-QPSK
Ultra High Frequency
Siêu cao tần
5
RSSI / ED
Received Signal Strength
Indicator / Energy

Detection
Chỉ thị cường độ tín
hiệu thu
6
LQ
Link Quality
Chất lượng liên kết
7
CCA
Clear Channel
Assessment
Đánh giá kênh truyền
8
PSDU
Physical Service Data
Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp vật lý
9
PPDU
Physical Protocol Data
Unit
Đơn vị dữ liệu giao
thức lớp vật lý
10
PIB
PAN Information Base
Cơ sở dữ liệu mạng cá
nhân
11

PLME
Physical Layer
Management Entity
Thực thể quản lý lớp
vật lý
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 18

12
CSMA - CA
Carrier Sense Multiple
Access – Collision
Avoidance
Đa truy cập cảm nhận
sóng mang tránh xung
đột
13
GTS
Guaranteed Time Slot
Khe thời gian bảo vệ
14
MSDU
MAC Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp MAC
15
MPDU
MAC Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu giao
thức lớp MAC
16
MLME
MAC Layer Management
Entity
Lớp con của lớp MAC,
chịu trách nhiệm cấp
phát băng thông, thiết
lập kết nối
17
MCPS
MAC Common Part
Sublayer
Lớp con hội tụ theo
tính chất dịch vụ, chịu
trách nhiệm tiếp nhận,
phân loại và xử lý các
đơn vị dữ liệu từ lớp
cao hơn
18
SSCS
Service- Specific
Convergence Sublayer
Đơn vị dữ liệu giao
thức lớp mạng
19
NPDU
Network Protocol Data
Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp mạng
20
NSDU
Network Service Data
Unit
Thực thể quản lý lớp
mạng
21
NLME
Network Layer
Thực thể dữ liệu lớp
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 19

Management Entity
mạng
22
NLDE
Network Layer Data
Entity
Cơ sở dữ liệu lớp mạng
23
NIB
Network Information
Base
Đơn vị dữ liệu giao
thức lớp ứng dụng

24
APDU
Application Protocol
Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp ứng dụng
25
ASDU
Application Service Data
Unit
Thực thể dữ liệu lớp
con hỗ trợ ứng dụng
26
APSDE
Application Support
Sublayer Data Entity
Thực thể quản lý lớp
con hỗ trợ ứng dụng
27
APSME
Application Support
Sublayer Management
Entity
Thực thể dữ liệu lớp
con hỗ trợ ứng dụng
28
AIB
Application support layer
Information Base
Cơ sở dữ liệu lớp con

hỗ trợ ứng dụng
29
APL
Application Layer
Lớp ứng dụng
30
ZDO
ZigBee Device Object
Đối tượng thiết bị
ZigBee


Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 20

CHƯƠNG 1. Mở đầu
1.1 Đặt vấn đề
Với những tiến bộ gần đây về kỹ thuật và công nghệ WSN (mạng cảm biến
không dây) hiện nay, nó không chỉ đáp ứng cho các thiết bị thu thập thông tin thời
gian thực mà còn đáp ứng được các ứng dụng thời gian thực phức tạp. Vì vậy, WSN
có thể được triển khai trên các thiết bị truyển động. Mỗi nút mạng bao gồm một
hoặc nhiều thiết bị cảm biến, một bộ vi xử lý và một bộ phát sóng. Tất cả chúng đều
được cung cấp bởi một nguồn pin không đổi và hạn chế. Các nút mạng thu thập dữ
liệu từ môi trường mà họ giám sát và gửi chúng tới các nút khác hoặc về bộ điều
phối. Bộ điều phối nhận dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển thích hợp.
Những nỗ lực trong giới các nhà nghiên cứu đối với mạng WSN (mạng cảm
biến không dây) tập trung vào khéo dài tuổi thọ mạng tương ứng với năng lượng pin
hạn chế. Tuy nhiên, khi các ứng dụng thời gian thực triển khai dựa trên mạng cảm

biến không dây, cùng với kéo dài thời gian sống của mạng phải đáp ứng được các
yêu cầu về thời gian thực.
Để tiết kiệm năng lượng, hầu hết công việc tập trung vào thiết kế giao thức
truyền thông cho một nút mạng cảm biến không dây. Năng lượng dành vào việc
truyền phát vô tuyến chiếm một tỉ lệ lớn trong tổng năng lượng tiêu thụ. Chuẩn
IEEE 802.15.4 giải quyết việc tối ưu hóa năng lượng trong lớp vật lý (PHY) và lớp
điều khiển môi trường truy cập (MAC). Tiết kiệm năng lượng đạt được phần lớn
bởi khoảng thời gian ngủ trong siêu khung. Đối với phương phát này còn tồn đọng
nhiều mặt hạn chế đối với các ứng dụng thời gian thực. Vì vây, em mạnh dạn đề
xuất một các tiếp cận khác phát triển trên nền tảng chuẩn IEEE 802.15.4 có thể tối
ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho toàn mạng mà vẫn đảm bảo các yêu cầu thời gian
thực của hệ thống.
1.2 Phạm vi nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, em giới thiệu một phương pháp tối ưu hóa năng
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 21

lượng dựa trên sự kết hợp giữa điều khiển công suất và chiến lược lựa chọn tuyến.
Tuyến được thiết lập một cách tự động bằng việc xem xét điều kiện kênh truyền. Cụ
thể, chi phí liên kết được tính toán như là một biểu thức phụ thuộc vào LQI (một hệ
số phản ánh chất lượng tín hiệu dọc theo liên kết), năng lượng còn lại của nút đó và
công suất phát cần thiết đối với gói tin dữ liệu. Đóng góp của em không dừng lại ở
lớp định tuyến, mà còn mô hình hóa sự hợp tác giữa định tuyến và điều khiển công
suất.
1.3 Tiến trình nghiên cứu và triển khai
Các bước tiến hành nghiên cứu và triển khai giao thức tiến kiệm năng lượng
cho hệ thống cảm biến không dây:
Bước 1. Khảo sát:

- Các giao thức tiến kiệm năng lượng cho hệ thống cảm biến không
dây trên thế giới.
- Công cụ mô phỏng hợp lý.
- Thiết bị testbet.
Bước 2. Làm thí nghiệm testbet và mô phỏng để mô hình hóa các quan
hệ rằng buộc giữa các thống số trong mạng từ đó mô hình hóa được
hệ thống và các phương trình phụ thuộc.
Bước 3. Mô phỏng kiểm chứng mô hình thiết kế.
- Kết quả xấu quay về bước 2.
- Kết quả tốt tiến hành tiếp bước 4.
Bước 4. Triển khai thiết kế trên testbed, khi mô phỏng cho kết quả tốt.
Bước 5. Thí nghiệm kiểm chứng kết quả testbet.
- Kết quả xấu quay về bước 6
- Kết quả tốt hoàn thành thiết kế.
Bước 6. Bắt đầu lại tại bước 2 với các số liệu mô phỏng có được từ thưc
nghiệm.
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 22

Khảo sát
Đo đạc các thông số qua mô phỏng và
testbet &Mô hình hóa hệ thống và các
phương trình phụ thuộc
Kết quả có tốt
không?
Mô phỏng kiểm chứng
mô hình thiết kế
Triển khai thiết kế trên

testbed
Thí nghiệm kiểm chứng
mô hình thiết kế
Kết quả có tốt
không?
Phân tích số liệu đầu vào từ
testbed làm đầu vào cho mô
phỏng
yes
yes
no
no

Hình 1-1 Tiến trình nghiên cứu và triển khai
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 23

CHƯƠNG 2. Tổng quan mạng cảm biến không
dây
2.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng
bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,
có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác
nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông số về môi trường,
hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát.
Các nút cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ
liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kêch vô tuyến. Các thành phần của nút cảm
biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận

thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi tùy
thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi
trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa
học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và
đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo
ranhững con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ
năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
- Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.
- Được triển khai với mật độ sensor lớn.
- Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc và fadinh và hư
hỏng ở các nút.
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 24

- Các nút trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.
- Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
- Vị trí các nút mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác
định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức
tạp.
- Khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến: các nút cảm biến có gắn bộ
xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ
liệu đã qua tính toán đơn giản.
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không
dùng được cho mạng cảm biến không, vì một số lý do sau:
- Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều
lần trong mạng ad hoc.
- Các nút cảm biến dễ bị lỗi
- Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.
- Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyển thông kiểu quảng bá, trong
khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm.
- Các bút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ
nhớ.
- Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (Global
identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số
lượng lớn các nút cảm biến.
Chính vì các lý do trên, mà cấu trúc của mạng mới đòi hỏi phải:
- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến
- Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
- Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
- Chia sẽ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Đồ án tốt nghiệp


Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 25


2.2.1 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1. Mỗi
nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình
dưới. các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua
mạng Internet hoặc vệ tinh.

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có
thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm
biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như
Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm
biến trong mạng.
Giám sát từ xaGiám sát từ xa
Robot (Actor)
Actor
Actor
Sensor
Sensor
Sensor
Sensor

Hình 2-1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng
lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc