localization in the wireless sensor networks

Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa Điện – Điện Tử
Bộ Môn Viễn Thông
LOCALIZATION IN THE WIRELESS
SENSOR NETWORKS

GVHD : T.S VÕ QUẾ SƠN
SVTH :LÊ ANH TÚ MSSV:40802504
:VŨ VĂN BIÊN MSSV:40800135
Tháng 5/2012
i
MỤC LỤC
Danh mục hình vẽ iv
Lời nói đầu v
CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY……………….
LỜI NÓI ĐẦU iv
1.1.1. CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK 2
1.1.2 HẠN CHẾ 3
1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4
1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN 4
5
1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN 5
1.2.3 MÔI TRƯỜNG HOẠT ĐỘNG CỦA NODE CẢM BIẾN 8
1.2.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NODE CẢM BIẾN 8
CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11
Ứng dụng trong y học và môi trường: 11
CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ LOCALIZATION 16
3.1 GIỚI THIỆU 16
3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ 17
3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỊNH VỊ TRONG LOCALIZATION 19
3.3.1 PHÉP ĐO AOA 19

3.3.2 PHÉP ĐO TOA 21
3.3.3 PHÉP ĐO TDOA (Time-Difference-of-Arrival ) 24
3.3.4 MAPPING TECHNIQUES 25
3.3.5 PHÉP ĐO RSS 26
3.3.6 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 27
CHƯƠNG 4. TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ RSSI 28
4.1 THUẬT TOÁN MIN-MAX 28
4.2 THUẬT TOÁN TAM GIÁC 29
4.3 THUẬT TOÁN WCL 30
4.4 TRỌNG SỐ TUYẾN TÍNH ĐỊNH VỊ TRỌNG TÂM-LWCL 33
4.4.1 CHỈ SỐ CƯỜNG ĐỘ TÍNH HIỆU NHẬN 33
4.4.2 Trọng số tuyến tính định vị trọng tâm (LWCL) 35
4.4.3 LWCL trong môi trường free-space 37
4.4.4 LWCL trong môi trường log-distance 38
ii
4.4.5 Đánh giá độ chính xác 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
DANH MỤC HÌNH VẼ
iii
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của Internet, truyển thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo ra điều kiện cho các thể hệ cảm biến mới với
giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao. Công nghệ
điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số
vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar và cảm biến định vị dẫn
đường.
Công nghệ cảm biến điều khiển có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học và
nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng,
liên quan đến chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực
phẩm….Với mục tiêu tăng hiệu quả và giảm giá thành trong công nghiệp, thương

mại mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực
nhằm nâng cao cuộc sống con người.
Trong nội dung đồ án này, trình bày một cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến
không dây, về các kỹ thuật trong mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó là các ứng
dụng phổ biến có nhiều tiềm năng trong ứng dụng thực thế.

Và tập trung trong đồ án này, sẽ trình bày về phần localization, các phương
pháp tính toán trong kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các
cảm biến với vị trí ban đầu chưa biết trong một mạng bằng cách sử dụng có sẵn một
kiến thức ưu tiên của vị trí của một bộ cảm biến cụ thể trong mạng và giữa các cảm
biến đo lường như khoảng cách, thời gian khác nhau khi đến, góc đến và kết nối
Do thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án còn
nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy em rất mong các thầy chỉ bảo và bổ sung
thêm, các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn
thiện hơn.
iv
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn – TS. Võ Quế Sơn,
người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành
tốt đồ án theo.
TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2012
Sinh viên
Lê Anh Tú - Vũ Văn Biên

v
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến (sensor network ) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng
cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân

tích và phản ứng lại với sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào
đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu , giám
sát, theo dõi, và các ứng dụng y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy
theo yêu càu sử dụng còn rất đa dạng và không giới hạn.
Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý.
Các node cảm biến có khả năng liên lạc với các node lân cận và có các chức năng
cơ bản xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng, giao tiếp với các nút lận cận để
truyền tới node focus.
1
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
WSNs là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng
sóng vô tuyến.
1.1.1. CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK
Trong mạng sensor network, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất
phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm
biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các
cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục
vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa… Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số
lượng lớn.
Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, số
lượng các node cảm biến lớn…
Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano
(1-100nm), micro (10-1000um), marco(vài nm-m)…
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho các
ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính báo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở
rộng cho các ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo nên tính thương
mại cao cho WSNs.
Các nghiên cứu gần đầy phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý

giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức mạng, giải
quyết bài toán quan trong nhất cảu mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng
cho các node bị giới hạn. Các mô hình không dây. Có mạch tiêu thụ năng lượng
thấp được ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát
dựa trên 3 tiêu chí:
- Chu kỳ hoạt động ngắn.
- Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền
- Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyển, qua đó giảm suy
hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
Tính năng đặc biệt của WSNs:
- Đồng nhất các thiết bị.
- Phân tán mạng.
- Quy mô mạng lưới lớn.
2
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
- WSNs hỗ trợ kích cỡ mạng khác nhau, từ một đến vài trăm nút.Có thể trải
trên một phạm vị rộng lớn.
- Tiết kiệm chi phí.
- Tính linh hoạt của hệ thống giám sát cảm biến không dây có thể chuyển
thành tiết kiệm chi phí lớn.
- Tất cả các nút hành vi như thiết bị định tuyến.
- Không có cơ sở hạ tầng có dây và linh hoạt.
Không có dây hoặc dây cáp để định tuyến, một hệ thống giám sát không dây vốn
linh hoạt hơn hơn so với một mạng lưới truyền thống. Hệ thống không bị khóa vào
một cấu trúc liên kết mạng cố định hay thiết lập hệ thống, để mở khả năng bổ sung,
nâng cấp, mở rộng, và như vậy. Thuận lợi này có nghĩa là có ít chi phí liên quan đến
thiết lập một đo lường, và ít tốn kém hơn có nghĩa là nhiều cơ hội hơn cho việc đo
đạc bổ sung cho cái nhìn sâu sắc thêm vào hệ thống của bạn. Không dây cũng mở
rộng tính di động của việc mua lại dữ liệu của bạn. Phép đo trường có thể được thời
gian và tốn kém. Với cảm biến không dây, thời gian thiết lập được giảm đáng kể.

- Tiềm năng đa định tuyến
1.1.2 HẠN CHẾ
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng , một số thách thức và
trở ngại cần phải vượt qua:
- Yếu tố môi trường
Mạng lưới cảm biến có thể được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc
khắc nghiệt. Trong những trường hợp này, các nút không được bảo vệ khỏi sự tấn
công vật lý.Nên có thể bị sự xâm hại của môi trường gây ảnh hưởng đến các node
- Yếu tố nguồn cung cấp:
Hạn chế nguồn của các nút cảm biến được nâng lên do kích thước vật lý của nó
nhỏ và thiếu dây. Kể từ khi sự vắng mặt của dây dẫn đến thiếu một nguồn cung cấp
nguồn liên tục. Các nút cảm biến thường điều khiển bằng pin. Tuy nhiên, vì một
mạng lưới cảm biến có chứa hàng trăm đến hàng ngàn các nút, và bởi vì thường
WSN được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt, đó là khó khăn
để thay thế hoặc nạp lại năng lượng. Nguồn cung cấp được sử dụng cho các hoạt
3
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
động khác nhau ở mỗi nút, chẳng hạn như chạy các cảm biến, xử lý thông tin thu
thập và truyền dữ liệu.
Và giao tiếp giữa các nút cảm biến tiêu thụ hầu hết nguồn sẵn có, nhiều hơn so
với cảm biến và tính toán. Hạn chế nguồn cung cấp ảnh hưởng lớn đến an ninh, kể
từ khi các thuật toán mã hóa giới thiệu một chi phí thông tin liên lạc giữa các nút,
các tin nhắn khác phải được trao đổi, tức là cho các mục đích quản lý chủ chốt,
nhưng cũng có tin nhắn trở nên lớn hơn khi khởi tạo và xác thực, mã hóa dữ liệu
phải được bao gồm.
- Lưu trữ hạn chế của các node.
Khả năng hạn chế cho việc lưu trữ ảnh hưởng đến việc lưu trữ các khóa mật mã
Theo chương trình mã hóa được sử dụng, mỗi nút cảm biến có thể cần biết một số
lượng các phím cho mỗi nút khác trong mạng để đảm bảo thông tin liên lạc, và do
đó lưu trữ các phím trong không gian lưu trữ của các nút. Tuy nhiên, số lượng lớn

các nút cảm biến đòi hỏi rất nhiều bộ nhớ, mà có thể không được cung cấp. Thách
thức của việc hạn chế lưu trữ cho các nhà nghiên cứu để thiết kế các giao thức bảo
mật trong một cách mà một số lượng tối thiểu của các phím mã hóa phải được sử
dụng để cung cấp sự bảo vệ đầy đủ vào mạng.
- Đặc tính kênh truyền.
- Giao thức quản lý mạng phức tạp và sự phân bố rải rác các node.
Đa số các node đều được phân bố rải rác nhiều nơi nên việc thống nhất và quản
lý các node cũng gây nhiều khó khăn.
- Tiêu chuẩn và quyền sở hữu.
Nhiều nhà cung cấp cảm biến không dây sử dụng một mạng lưới sở hữu độc
quyền bởi vì các chi tiết của nó không phải công bố công khai
1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN
Mạng WSNs gồm nhiểu cảm biến phân bố phân tán bao phủ môt vùng địa lý.
Các node cảm biến có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức
4
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân
cận để truyển dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng của các node trong mạng
WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:
- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp. Như có thể trả về nhiệt độ, áp
suất, cường độ ánh sáng…tại nơi khảo sát.
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số
của sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến
phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di
chuyển của các phương tiện giao thông.
- Phân biệt đối tượng
- Theo dấu đối tượng
- Các thông số vật lý
- Các thông số hóa học, sinh học

Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, đo nhạy cao và đáng tin
cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.
1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN
Thành phần chính của nút cảm
biến điển hình bao gồm một ăng-ten và một tần số thu phát vô tuyến (RF) để cho
5
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
phép giao tiếp với các nút khác, một đơn vị bộ nhớ, CPU, đơn vị cảm biến và nguồn
điện thường được cung cấp là pin .
Hệ thống điều hành chạy trên các nút cảm biến được gọi là TinyOS. TinyOS
được thiết kế để chạy trên các nền tảng với sức mạnh tính toán hạn chế và ngôn ngữ
lập trình space. Bộ nhớ của TinyOS là cách điệu C và sử dụng một trình biên dịch
tùy chỉnh được gọi là NesC. Mặc dù nó có thể làm việc trên các nền tảng khác, các
nền tảng hỗ trợ Linux RedHat 9.0, Windows 2000 và Windows XP.
Bảng sau đây liệt kê một số khả năng của các nền tảng cảm biến mạng hiện tại
được tổ chức lớp thiết bị được trình.
6
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
Hình 1.3 Cấu hình của 1 số loại node cảm biến
Phần cấu tạo của node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềm
Cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng.
 Phần cứng
• Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ, vài
tháng hay vài năm.
• Lưu trữ và tính toán :phục vụ cho các chức năng xử lý ,điều chế số , định
tuyến.
7
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
• Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin
• Liên lạc : trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm

 Phần mềm
• Hệ điều hành (OS): Liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên
cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs
• Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử
cảm biến
• Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các
gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi
• Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý
trong mạng
1.2.3 MÔI TRƯỜNG HOẠT ĐỘNG CỦA NODE CẢM BIẾN
Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:
- Nguồn cung cấp : các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử
dụng hiệu quả nguồn và năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống
mạng WSNs
- Liên lạc :Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiều kênh
truyền. Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vị và độ
bảo mật của hệ thống
- Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn.Điều này ảnh
hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node
- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu
từ môi trường. Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu . Sự sắp đặt các
node gây sai lệch hoat động node
1.2.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NODE CẢM BIẾN
Do khả năng hạn chế của cảm biến, có rất nhiều vấn đề thiết kế phải được giải
quyết để đạt được một hoạt động có hiệu quả và hiệu quả của các mạng cảm biến
không dây.
8
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
• Các thuật toán tiết kiệm năng lượng: Kể từ khi các nút cảm biến sử dụng
pin để thay thế cho điện khi tiêu thụ (hãy nhớ rằng các nút cảm biến thường

được triển khai trong môi trường khắc nghiệt và từ xa), nó là quan trọng đối
với các thuật toán thiết kế và các giao thức trong một cách như vậy để sử
dụng năng lượng tối thiểu. Để làm như vậy, người thực hiện phải giảm thông
tin liên lạc giữa các nút cảm biến, đơn giản hóa tính toán và áp dụng các giải
pháp bảo mật nhẹ.
• Khám phá địa điểm: Nhiều ứng dụng có thể theo dõi một đối tượng đòi hỏi
phải biết vị trí chính xác hoặc gần đúng vật lý của một nút cảm biến để liên
kết cảm nhận dữ liệu với những đối tượng bị điều tra. Hơn nữa, nhiều giao
thức định tuyến địa lý vị trí của các nút cảm biến để chuyển tiếp dữ liệu giữa
các mạng. Địa điểm giao thức phát hiện phải được thiết kế theo cách như vậy
mà thông tin tối thiểu cần thiết để được trao đổi giữa các nút để phát hiện ra
vị trí của họ. Kể từ khi các nút cảm biến năng lượng hạn chế, các giải pháp
như GPS không được khuyến khích. Sau khi tất cả, chi phí là một yếu tố
khác ảnh hưởng đến thiết kế, nhà sản xuất cố gắng giữ cho chi phí ở mức tối
thiểu kể từ khi hầu hết các nút cảm biến thường cần thiết cho nhiều ứng
dụng. Nếu chi phí cao, việc áp dụng và lây lan của công nghệ cảm biến sẽ bị
cấm.
Để mạng WSNs có thể được triễn khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thước , giá
thành và công suấy tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông minh của node
tăng lên. Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiến nhứ công nghệ
nano, mạng phân bố….
Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp
mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực thế, có khả năng giao tiếp với các
mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên cứu
đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân
bô, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trỡ hiệu quả cho các quá
trình ra quyết định.
9
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
10

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 PHÁT HIỆN VÀ GIÁM SÁT
- Ứng dụng trong y học và môi trường:
• Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các
cảm biến được thả từ trên không, mạng lưới cảm biến sẽ cho biết vị
trí người sống sót, vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có các
thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động
tìm kiểm. Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con
người trong môi trường nguy hiểm.
• Giám sát sự thay đổi khí hậu , rừng ,biển…

11
Hình 2.2 Hệ thống node cảm biến theo dõi
rừng nhiệt đới
Hình 2.1 Hệ thống node cảm biến báo cháy rừng
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
- Mạng cảm biến đang được sử dụng để theo dõi tỷ lệ tái sinh của rừng nhiệt
đới từ trước đó nông nghiệp đồng cỏ và bây giờ liên quan đến mạng lưới của
48 nút được cài đặt trong lĩnh vực mở đồng cỏ,rừng nhiệt đới tái sinh.Các nút
được trang bị với bộ cảm biến để đo vi khí hậu: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất,
tiềm năng đất nước, bức xạ photosynthetically hoạt động (cải cách hành
chính), tổng bức xạ mặt trời, khí áp, tốc độ gió, hướng gió.
- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được
thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác.
- Ứng dụng trong sinh hóa học: Phát hiện các chất hóa chất , sinh học , sóng
vô tuyến , phóng xạ hạt nhân, chất nổ
- Ứng dụng trong giao thông, đời sống: Giám sát xe cộ trên đường
12
Hình 2.2 Hệ thống node cảm biến theo dõi

rừng nhiệt đới
Hình 2.3 Node cảm biến ứng dụng trong quân sự
Hình 2.4 Các node cảm biến trên hệ thống giao thông
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
2.2 THU THẬP THÔNG TIN XỬ LÝ VÀ LƯU TRỮ DỮ LIỆU
- Ứng dụng trong giao thông: Mục tiêu của các hệ thống này là thu nhập thông
tin thông qua các mạng cảm biến, xử lý và lưu trữ dữ liệu trung tâm, sử dụng
dữ liệu đó cho các ứng dụng cần thiết. Hệ thống được lắp đặt dọc theo các
đường. Dữ liệu sau đó được truyển đến trung tâm dữ liệu để xử lý. Mạng
theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian
thực. Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng, điểu phối giao
thông hoặc cho các mục địch khác.
13
Hình 2.5 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc
Hình 2.6 Các hệ thống dựa trên nền tản cảm biến đậu xe thông minh
mới của Libelium cho phép các trình điều khiển để tìm chỗ đậu xe miễn phí
một cách nhanh chóng và hiệu quả
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được thông
tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác.
- Ứng dụng trong y học: Một số bệnh viên và trung tâm y tế đang ứng dụng
công nghệ WSNs vào tiền chẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các
dịch bệnh và phục hồi chức năng cho người bệnh. WSNs cho phép theo dõi
tình trạng của các bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, làm cho việc phân tích
và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian điều trị tại bệnh viện. WSNs còn
cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành các cơ sở dữ liệu
quan trong, các biện pháp can thiệp hiệu quả
2.3 ĐIỀU KHIỂN QUẢN LÝ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
- Ứng dụng trong đời sống và an ninh.
14

Hình 2.7 Các ứng dụng trong y khoa
Hình 2.8 Các ứng dụng điều khiển
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
• Các node cảm biến được lặp trên các thiết bị, vị trí cần thiết, sau đó
kết nối thành mạng truyền dữ liệu về node trung tâm.
• Quản lý nhiều hệ thống cùng lúc ,hệ thống chiếu sang, nhiệt độ, an
ninh, giám sát nhân viên, quản lý hiệu quả tiêu thị năng lượng trong
tòa nhà, gắn các chip lên hàng hóa , giảm được thời gian kiểm tra …
có thể dễ dàng được thực hiện bằng WSNs.
- Ứng dụng trong y học: các cảm biến theo dõi y tế được gắn trực tiếp lên cơ
thể người bệnh để đo đạc thường xuyên các thông số về huyết áp, nhịp tim…


- Ứng dụng trong công nghiệp
15
Hình 2.9 Các ứng dụng trong công
nghiệp
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất và
an toàn. Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình, chất lượng
sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên…dữ liệu được đưa về
trung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời.
CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ LOCALIZATION
3.1 GIỚI THIỆU
Phân phối mạng cảm biến đã được thảo luận trong hơn 30 năm, nhưng tầm
nhìn của các mạng cảm biến không dây (WSNs) đã được đưa vào thực tế bởi những
tiến bộ gần đây trong thông tin liên lạc không dây và điện tử, đã kích hoạt sự phát
triển của chi phí thấp, thấp sức mạnh và đa chức năng cảm biến nhỏ trong kích
thước và giao tiếp trên một khoảng cách ngắn.Ngày này, giá thành rẻ, cảm biến
thông minh, nối mạng thông qua các liên kết không dây và triển khai với số lượng

lớn, cung cấp cơ hội chưa từng có để theo dõi và kiểm soát nhà cửa, thành phố, và
môi trường.Ngoài ra, bộ cảm biến được nối mạng có một dải rộng các ứng dụng
trong khu vực phòng thủ, tạo ra khả năng mới để trinh sát và giám sát cũng như các
ứng dụng chiến thuật khác Localization (vị trí dự toán) khả năng là điều cần
thiết trong hầu hết các ứng dụng WSN.Trong các ứng dụng giám sát môi trường
như giám sát môi trường sống của động vật, giám sát chất lượng nước và nông
nghiệp chính xác, các dữ liệu đo lường là khó xác định mà không có một kiến
thức chính xác về vị trí từ nơi mà các dữ liệu thu được.Hơn nữa, sự sẵn có
của thông tin vị trí có thể cho phép vô số các ứng dụng như quản lý hàng tồn
kho, phát hiện xâm nhập, giám sát giao thông đường bộ, theo dõi sức khỏe, trinh
sát và giám sát.
Kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các cảm
biến với vị trí ban đầu chưa biết trong một mạng bằng cách sử dụng có sẵn một kiến
thức ưu tiên của vị trí của một bộ cảm biến cụ thể trong mạng và giữa các cảm
16
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
biến đo lường như khoảng cách, thời gian khác nhau khi đến, góc đến và kết
nối. Thiết bị cảm ứng với các thông tin vị trí được biết tiên được gọi là anchors
và địa điểm của họ có thể thu được bằng cách sử dụng một hệ thống định
vị toàn cầu (GPS), hoặc bằng cách cài đặt anchors tại các điểm với tọa độ được biết
đến…. Trong các ứng dụng đòi hỏi một hệ thống tọa độ toàn cầu, các anchors
này sẽ xác định vị trí của các mạng cảm biến trong hệ thống tọa độ toàn cầu. Trong
các ứng dụng một suffices hệ thống tọa độ định vị (ví dụ, trong nhà thông minh,
bệnh viện , quản lý hàng tồn kho kiến thức như trong phòng một bộ cảm
biến được đặt là đủ), các anchors xác định hệ thống tọa độ địa phương mà tất cả các
cảm biến khác được gọi. Do hạn chế về chi phí và kích thước của bộ cảm biến, tiêu
thụ năng lượng, môi trường thực hiện (ví dụ, GPS là không thể truy cập trong một
số môi trường) và triển khai các bộ cảm biến (ví dụ, cảm biến có thể được ngẫu
nhiên nằm rải rác trong khu vực), hầu hết các bộ cảm biến làm không biết vị trí của
mình. Các cảm biến này với thông tin địa điểm bí mật được gọi là các nút non-

anchors tọa độ của họ cần phải được ước tính bằng cáchsử dụng một thuật toán nội
địa hóa mạng cảm biến.
3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ
17
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
Hình 3.1 Định nghĩa của các loại nút và tọa độ tương đối
18
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
Để có một mô tả rõ ràng ,hình 1 minh họa định nghĩa của các loại nút được
dùng như sau:
- Nút anchor: là nút biết các vị trí của nó hoặc tọa độ của nó và nó được sử dụng
như điểm tham chiếu để tính toán cho các vị trí của các nút kia.
- Ưu điểm của việc sử dụng các nút neo là đơn giản nhiệm vụ chỉ định tọa độ cho
các nút khác.
- Nút báo hiệu: cũng giống như nút neo,bổ sung tạo ra và chương trình tin nhắn
báo hiệu trong mạng.lấy 1 số ví dụ ,nút báo hiệu và nút neo k giống nhau bởi vì nút
neo không cần phải tạo tin nhắn báo hiệu.trong trường hợp chung,các cả nút tọa độ
đều di chuyển tương đương để các nút báo hiệu là trung tâm của tọa độ tương
đương.Do đó,để đơn giản, các nút báo hiệu được giả định đặt tại điểm gốc của hệ
thống hệ tọa độ tương đương.Ở đây ,các giao thức đinh tuyến được điều khiển bằng
các nút báo hiệu được sử dụng để thực hiện các thông tin định vị.
- Nút localized là nút thực hiện các thuật toán trong định vị.
Ở đây,ở thực hiện dự đoán các vị trí , một mạng có thể có 1 nút báo hiệu ,1 vài
nút neo và nút localized học chỉ cần duy nhất 1 nút báo hiệu và những nút localixed
bởi vì nút báo hiệu có thể hoạt động như nút neo.
3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỊNH VỊ TRONG LOCALIZATION
3.3.1 PHÉP ĐO AOA
AOA thông tin từ hai anchor khác nhau có thể được sử dụng để xác định vị trí
của một nút bằng cách sử dụng tam giác như thể hiện trong hình 13.
19

Hình 3.2 Tam giác của một nút hai
anchor
Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks
Dự toán AOA cũng được gọi là hướng đến (DOA) dự toán, hướng dẫn việc tìm
kiếm hoặc mang dự toán trong nhiều trường hợp và đã được nghiên cứu rộng rãi
trong khoa học.Một phương pháp phổ biến cho AOA dự toán là bằng cách sử dụng
cấu trúc đặc biệt gọi là mảng tuyến tính thống nhất (Ula).Các yếu tố n của một Ula
với khoảng cách d có thể được sử dụng để ước lượng hướng đến một tín hiệu RF
dựa trên mối quan hệ sau đây:
trong đó
θ: là góc mà tại đó các tín hiệu tác động đến khi các Ula
c: là vận tốc ánh sáng,
Δt: là sự khác biệt thời gian giữa các khách đến của tín hiệu các phần tử mảng liên
tiếp
d : là khoảng cách giữa các yếu tố liên tiếp.
Để đạt được kết quả tốt hơn bằng cách sử dụng một cấu hình ăng-ten mảng nhất
định người ta có thể sử dụng các kỹ thuật có độ phân giải siêu. Các ràng buộc cho
AOA được xây dựng

Trong đó:

AOA
σ
:độ lệch chuẩn dự toán AOA
C :vận tốc ánh sáng
B :băng thông tín hiệu,
No : mật độ quang phổ nhiễu
N : số lượng của các yếu tố của Ula
20
arcsin( )

c t
d
θ
∆
=
(3.1)
0
2
2 sin( )AA
AOA
c T
c BN
N f
σ
π θ
≥
∆
(3.2)