đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến không dây

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: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351
Khoá:……48………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: …Điện tử tin học
1. Đầu đề đồ án:
Đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến
không dây sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Mô phỏng giao thức ứng dụng giám sát theo vùng sử dụng phương pháp tập
trung dữ liệu dùng OMNET++
Mô hình triển khai 75x75m
Số nút cảm biến : 49 nút đặt ở vị trí ngẫu nhiên
Khoảng phát sóng của nút : 20m
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
3.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSNs
3.2 Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến
3.3 Ứng dụng giám sát theo vùng
3.4 Kết quả mô phỏng
3.5 Kết luận.
4. Họ tên giảng viên hướng dẫn: …Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng…… …………………
5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 17/02/2008 .
6. Ngày hoàn thành đồ án: 14/05/2008 .
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

1
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: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351
Ngành: Điện tử tin học Khoá: 48
Giảng viên hướng dẫn: Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng
Cán bộ phản biện: PGS. TS Phạm Minh Việt
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 )

2
Lời nói đầu
Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến vào những năm
gần đây, sự phát triển của những mạng gồm các sensor giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng
lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta
đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng
ngày. Mạng cảm biến được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống
hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm biến đang phải đối mặt
với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến
là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu
đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng
lĩnh vực khác nhau. Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm
biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người, nếu chúng ta
phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như
mạng cảm biến.
Trong đồ án này em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến, các
giao thức cũng như các giải thuật định tuyến thường được dùng, đồng thời đánh giá
năng lượng tiêu thụ của các node cảm biến trong ứng dụng giám sát vùng khi sử
dụng phương pháp tập trung dữ liệu so với trường hợp truyền tin trực tiếp về trạm
gốc. Đồ án gồm 5 chương :
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến WSN.
Chương 2 : Định tuyến trong mạng WSN.
Chương 3 : Hoạt động của ứng dụng giám sát vùng
Chương 4 : Mô phỏng ứng dụng giám sát vùng dùng OMNeT++.
Chương 5 : Tổng kết.

3
Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những
kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong
suốt năm năm đại học. Em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô

trong thời gian học tập này.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới thầy Nguyễn Trung Dũng – Bộ môn
Hệ thống viễn thông – Khoa Điện tử viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, người đã định hướng cho những nghiên cứu của em, người trực tiếp hướng
dẫn, chỉ bảo em hoàn thiện đồ án này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi,
động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên
cứu, hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, Tháng 5 - 2008
Sinh viên thực hiện
Lê Huy Thực.

4
Tóm tắt đồ án
Trong thời đại các mạng viễn thông ngày càng phát triển, một lĩnh vực đầy
thách thức và thú vị - mạng cảm biến không dây - bắt đầu phát triển mạnh mẽ.
Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được triển
khai dày đặc và ngẫu nhiên. Các nút cảm biến là các thiết bị điện nhỏ gọn có khả
năng cảm nhận nhiều loại thông tin từ môi trường, như là nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm,
bức xạ, các yếu tố địa lý, các rung động địa chấn, các loại dữ liệu máy tính đặc
biệt… Những tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã có khả năng làm cho những
thiết bị này nhỏ gọn, có năng lượng hiệu quả và bây giờ chúng có thể được sản xuất
với chi phí thích hợp dùng trong những ứng dụng viễn thông chuyên dụng. Với kích
cỡ rất nhỏ, các nút cảm biến có khả năng tập hợp, xử lý và truyền thông tin đến các
nút khác và ra thế giới bên ngoài
Mạng cảm biến có rất nhiều ứng dụng, bao gồm lĩnh vực sức khỏe; nông
nghiệp; địa chất học; buôn bán; quân đội và quản lý báo động. Tuy nhiên hàng loạt
các thách thức đối với mạng cảm biến cần phải được xác định do những đặc điểm
riêng biệt của các nút cảm biến và thực tế là có nhiều ứng dụng của mạng cảm biến
bao gồm những nút cảm biến di động ở những vùng khó truy nhập bị giới hạn về

nguồn năng lượng mà cần phải tự động thích ứng với môi trường.
Đồ án này có 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSNs): đưa ra định
nghĩa, cấu trúc mạng WSN; cấu trúc của một nút mạng; 2 cấu trúc đặc trưng của
mạng cảm biến không dây là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng; các yếu tố ảnh hưởng
đến cấu trúc mạng WSN; các ứng dụng đồng thời đưa ra các thách thức mà mạng
WSN đang phải đối mặt.
Chương 2: Định tuyến trong WSNs :đưa ra các vấn đề phải đối mặt khi định
tuyến; đưa ra các giao thức định tuyến đang được dùng trong mạng cảm biến và
trình bày cách phân loại các cách tiếp cận với vấn đề này. Ba loại định tuyến chính
được đưa ra trong chương này là giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và
giao thức dựa vào vị trí.

5
Chương 3: Ứng dụng giám sát theo vùng
Trình bày khái niệm về ứng dụng giám sát theo vùng và hoạt động của ứng
dụng.Đặt ra các vấn đề cần giải quyết như tính linh động của ứng dụng,vấn đề
năng lượng,lưu lượng trong ứng dụng và giải quyết vấn đề thông qua phương
pháp tập trung dữ liệu.So sánh phương pháp tập trung dữ liệu với phương pháp
truyền trực tiếp để làm rõ những ưu điểm của phương pháp tập trung dữ liệu.
Chương 4: Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng dùng OMNeT++ : Khái
quát về OMNeT++ và đưa ra phần mô phỏng ứng dụng giám sát vùng. Kết quả mô
phỏng chỉ ra rằng dùng ứng dụng giám sát vùng sử dụng phương pháp tập trung dữ
liệu đã làm giảm sự tiêu thụ năng lượng của các nút trong mạng, tăng thời gian sống
của mạng so với khi dùng phương pháp truyền trực tiếp thông tin.
Chương 5: Tổng kết : Đưa ra những mặt còn hạn chế, hướng nghiên cứu và
phát triển cho tương lai.
Abstract






                
          

 
!
          "    #  
$    %      $
                
                


6
          

  &          
$

               

'()
*)+)
,-
.
.

,-
/) ,-)

,-
              '  
    0            1  
1
2),-)Target Region
Define target region and its operation.
  3)   Target Region   +4-'55  )  
+4-'556Objective Modular Network Testbed in C+
+) and a clear simulation of DataCentric algorithm. The presented simulation results
show that used algorithm DataCentric reduced node energy dissipation and increase
the lifetime of WSN system. .
())'
77 

7
Mục lục
Mục lục 8
9
Mục lục hình vẽ 10
Danh sách các bảng biểu 11
Danh sách các từ viết tắt 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13
1.2. Cấu trúc mạng WSN 14
1.2.1 Cấu trúc của 1 nút mạng WSN 14
1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN 16
1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 16
1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây 17
1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây 22
1.3 Kiến trúc giao thức mạng 25
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 28

1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN 33
CHƯƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN 36
2.1 Giới thiệu 36
2.2 Các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến: 37
2.2.1 Tính động của mạng 37
2.2.2 Sự triển khai các nút 38
2.2.3 Tính đến năng lượng 38
2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 39
2.2.5 Khả năng của các nút 39
2.2.6 Tập trung/hợp nhất dữ liệu 40
2.3 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSNs 40
2.4 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric protocols) 42
2.4.1 Flooding và gossiping 43
2.4.2 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation) 45
2.4.3 Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) 46
2.4.4 Định tuyến khi xét đến năng lượng (Energy-aware routing) 48
2.5 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 49
2.5.1 LEACH 50
2.5.2 LEACH – C (LEACH Centralized) 51
2.5.3 LEACH – F : Fixed Cluster, Rotating Cluster Head 51
2.5.4 PEGASIS và PEGASIS phân cấp 52
2.6 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 54
2.6.1 GAF (Geographic adaptive fidelity) 54
2.6.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) 56
Chương 3. ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THEO VÙNG 59
3.1. Khái niệm 59
3.2. Hoạt động chung 60
3.2.1.Hoạt động theo vòng 60
3.2.2.Pha thiết lập 61
3.2.3.Pha ổn định 61

3.3.Hai phương pháp truyền dữ liệu về trạm gốc 62
3.3.1. Phương pháp truyền trực tiếp 63
3.3.2.Phương pháp tập trung dữ liệu 63

8
3.4.Đánh giá phương pháp tập trung dữ liệu 64
3.4.1.Đánh giá về xử lý và phần cứng 64
3.4.2.Đánh giá về lưu lượng 64
3.4.3.Đánh giá về năng lượng 64
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT VÙNG DÙNG OMNET ++ 65
4.1 Giới thiệu chung về Omnet++ 65
4.1.1 Tổng quan về Omnet++ 65
4.1.1.1 Omnet ++ là gì ? 65
4.1.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++ 65
4.1.1.3 Ứng dụng 66
4.1.1.4 Mô hình trong OMNeT++ 66
4.1.2 Sử dụng OMNeT++ 68
4.1.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng 68
4.1.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 71
4.2. Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng 73
4.2.1 Giả thiết cho mạng 73
4.2.1.1 Giả thiết đầu vào: 73
4.2.1.2 Mô hình mô phỏng : 74
4.2.2 Hoạt động của mạng 75
4.2.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét 84
4.2.3.1.Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 84
4.2.3.2.Năng lượng tại các nút gần trạm gốc 85
4.2.3.3.Lưu lượng gửi tới trạm gốc 86
4.3.Kết luận: 86
CHƯƠNG 5. TỔNG KẾT 87

Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt Anh 90

9
Mục lục hình vẽ
Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây 13
Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến 15
Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 18
Hình 1.5 Cấu trúc tầng 18
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 19
Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý 19
Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic 20
Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 25
Hình 1.10 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 29
Hình 1.11 Cảnh báo và đo thông số động đất 29
Hình 1.12 Ứng dụng trong y tế 30
Hình 1.13 Ứng dụng nhà thông minh 30
Hình 1.14 Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 31
Hình 1.15 Ứng dụng ở cảng 32
Hình 1.16 Ứng dụng trong trồng trọt 32
Hình 1.17 Ứng dụng trong chăn nuôi 32
Hình 1.18 Ứng dụng trong giao thông 33
Hình 1.19 Cấu trúc phần cứng của hạt Mica 34
Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 41
Hình 2.2 Hiện tượng bản tin kép 44
Hình 2.3 Hiện tượng chồng chéo 44
Hình 2.4 Cơ chế của SPIN 45
Hình 2.5 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp 47
Hình 2.6 Chuỗi trong PEGASIS 52
Hình 2.7 Tập hợp dữ liệu trong chuỗi dựa trên mô hình nhị phân 53

Hình 2.8 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 55
Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF 56
Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 58
Hình 3.1. Ứng dụng Giám sát theo vùng 59
Hình 3.2. Hoạt động theo vòng 60
Hình 3.3. Hoạt động của pha thiết lập 61
Hình 3.4. Hoạt động theo khe thời gian 61
Hình 3.5. Truyền dữ liệu trực tiếp về trạm gốc 63
Hình 3.6. Phương pháp tập trung dữ liệu 63
Hình 4.1 Các module đơn giản và kết hợp 67
Hình 4.2 Các kết nối 68
Hình 4.4 Mô hình tiêu thụ năng lượng kênh vô tuyến Radio 74
Hình 4.5 BS gửi bản tin ADVMessage khởi động tới các nút 75
Hình 4.6 Các nút thiết lập kết nối tới các nút lân cận 78
Hình 4.7 Các nút gửi Status2BSMessage tới BS 79
Hình 4.8 BS gửi ClusterMessage tới các nút trong mạng 80
Hình 4.9 Nút chủ gửi TDMAMessage tới các nút trong cụm 81
Hình 4.10 Các nút trong vùng gửi dữ liệu về nút chủ 82
Hình 4.11 Nút chủ gửi dữ liệu về BS qua bản tin Data2BSMessage 83
Hình 4.12 Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 84
Hình 4.14 Các nút lân cận trạm gốc trong trường hợp tập trung dữ liệu 85

10
Hình 4.15 Các nút lân cận trạm gốc trong trường hợp truyền trực tiếp 85
Hình 4.16 Lưu lượng dữ liệu gửi về trạm gốc 86
Danh sách các bảng biểu
Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN …………44
Danh sách các từ viết tắt
Chữ viết tắt Chữ đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp không dây
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
CSMA Carrier Sense Multiple Access Truy cập đường truyền có lắng nghe
sóng mang.
SPIN Sensor protocols for information via
negotiation
Giao thức cho thông tin dữ liệu
thông qua đàm phán
LEACH Low-energy adaptive clustering hierarchy Giao thức phân cấp theo cụm thích
ứng năng lượng thấp
PEGASIS Power-efficient Gathering in Sensor
Information Systems
Tổng hợp năng lượng trong các hệ
thống thông tin cảm biến
GAF Geographic adaptive fidelity Giải thuật chính xác theo địa lý
GEAR Geographic and Energy-Aware Routing Định tuyến theo vùng địa lý sử dụng
hiệu quả năng lượng
TEEN Threshold sensitive Energy Efficient
sensor Network protocol
Giao thức hiệu quả về năng lượng
nhạy cảm với mức ngưỡng
APTEEN Adaptive Threshold sensitive Energy
Efficient sensor Network protocol
Giao thức hiệu quả về năng lượng
nhạy cảm với mức ngưỡng thích ứng
SPEED A Spatiotemporal Communication
Protocol for Wireless Sensor Network

Giao thức truyền thông không gian-
thời gian cho mạng cảm biến không
dây
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
SMP Sensor Management Protocol giao thúc quản lí mạng cảm biến
TADAP Task Assignment and Data Advertisement giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ

11
Protocol định nhiệm vụ cho từng sensor
SQDDP Sensor Query and Data Dissemination
Protocol
giao thức phân phối dữ liệu và truy
vấn cảm biến
ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - Số
MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
ADV Advertise Bản tin quảng bá
REQ Request Bản tin yêu cầu
DS - SS Directed-Sequence Spread Spectrum Trải phổ tuần tự
BS Base Station (Sink) Trạm gốc
CH Cluster Head Nút chủ cụm

12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
Chương này trình bày các khái niệm chung nhất về mạng cảm biến, cũng như
các thành phần của mạng,cấu trúc của 1 nút mạng và của toàn mạng, các yếu tố ảnh
hưởng đến cấu trúc mạng, và các ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực
cuộc sống của mạng cảm biến. Bên cạnh đó cũng đề cập đến các thách thức mà
mạng đang phải đối mặt để có thể phục vụ tốt hơn cho cuộc sống con người.
1.1 Giới thiệu.

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ đã tạo ra rất
nhiều ứng dụng phục vụ cho cuộc sống của con người, cũng như phục vụ cho những
mục đích nghiên cứu khoa học. Cũng nhờ sự tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô
tuyến mà các mạng sử dụng sensor giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng và có thể
thực hiện đa chức năng đã được chú ý nghiên cứu và phát triển. Những sensor này
có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu
thông qua kênh vô tuyến. Dựa trên cơ sở đó, người ta thiết kế ra mạng cảm biến
nhằm phát hiện ra những sự kiện hoặc hiện tượng, thu thập và truyền dữ liệu, và
truyền những thông tin cảm nhận được đến người dùng.
Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây.

13
Vậy ta có thể hiểu mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng triển khai một số
lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng mà có thể
cảm nhận, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm mục đích tập trung, xử
lý thông tin cục bộ để đưa ra những phương án giải quyết phù hợp với từng ứng
dụng của mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:
 Có khả năng tự tổ chức.
 Truyền thông quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop
 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng
ở các nút.
 Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
toán.
1.2. Cấu trúc mạng WSN.
1.2.1 Cấu trúc của 1 nút mạng WSN.
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu
thành mạng- nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy
theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về

năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông
số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả
năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến được cấu
thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử
lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là
hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ
phận di động (mobilizer).

14
Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến.
• Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ
chuyển đổi tương tự-số (ADC).
• Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra
bởi nút cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa
vào bộ xử lý.
• Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit),
quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm
vụ định sẵn.
• Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.Chúng gửi và nhận
các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới
sink.
• Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là
bộ nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu
thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là
năng lượng ánh sang mặt trời.
• Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng
ứng dụng. Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng
đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các
bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để

thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của
vật nào đó.

15
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài
kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải
tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt
động, và thích ứng với môi trường.
1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN.
1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây.
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu
quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, và khắc phục được những nhược điểm
trên, kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc
mạng cần phải dùng một số cơ chế ,kỹ thuật đặc thù sau:
• Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật
chính,thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay
các vật cản.Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất
phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất
tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp
multihop.
• Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của
toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng mạng cảm
biến không dây.
• Tự động cấu hình :Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các
thông số một các tự động.Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của
nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị).
• Cộng tác,xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu:Trong một số ứng
dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút
cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ
liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp

các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới trạm gốc (Sink) thì sẽ
tiết kiệm băng thông và năng lượng. Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trung
bình , hay cao nhất của một vùng.
Do vậy , cấu trúc mạng mới sẽ:

16
• 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 sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field (trường cảm biến) như
hình 1.3. Mỗi một 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 vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager
node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.
1.2.2.2.1 Cấu trúc phẳng (flat architecture)

17
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu,
vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là
có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…
1.2.2.2.2. Cấu trúc tầng (tiered architecture)
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp

các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop tùy thuộc
vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Hình 1.5 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6)

18

Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp.
Hoặc các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ
mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Trong trường hợp
này, các sensor ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách
nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu
này. Sự phân tích chức năng của các mạng cảm biến có thể phản ánh các đặc điểm
tự nhiên của các nút, hoặc có thể gọi đơn giản là sự phân biệt theo logic. Ví dụ, một
tập hợp con các nút với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu
hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng vật lý (hình 1.7).
Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý.
Nói cách khác, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt
một cách logic khi chúng thực hiện một nhiệm vụ đại diện cho các nút khác. Những

19
chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng
xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên
mạng phân cấp logic (hình 1.8). Những quy tắc logic này có thể thay phiên nhau
định kì để đảm bảo sự công bằng. Khi các nút với khả năng tính toán cao hơn hoạt

động thì các nút ít khả năng hơn sẽ chuyển các nhiệm vụ tính toán sang các nút này.
Nếu không có “computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần thiết phải chọn
ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ như là tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một
số trường hợp chỉ có mỗi nút có tài nguyên vật lý thích hợp mới thích hợp để thực
hiện các nhiệm vụ định sẵn. Ví dụ một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global
positioning system - GPS) có thể thực hiện vai trò chủ chốt trong việc định vị hoặc
đồng bộ thời gian. Do vậy, không có gì là ngẫu nhiên khi rất nhiều các mạng cảm
biến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp.
Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do sau:
- cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các
tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các

20
phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện
tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác
định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn
các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ
hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng
bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng phẳng. Khi cần phải tính
toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu
thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong
khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối
thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng
phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm
tăng tuổi thọ của mạng.
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc

phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
mạng có n nút là








n
W
, trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó
khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0.
Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân
cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi
một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao
tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung
lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các
cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng
n
. Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các
kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này,
dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi
lớp xác định là độc lập với nhau.

21
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được
khi dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích

về tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần
phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải
thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc
vào tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất
nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây.
Thiết kế mạng cảm biến không dây chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố: năng
chịu lỗi, khả năng mở rộng, chi phí sản xuất, môi trường hoạt động, những ràng
buộc về phần cứng, cấu hình mạng cảm biến, phương tiện truyền dẫn, sự tiêu thụ
năng lượng.Những nhân tố này rất quan trọng vì chúng như là hướng dẫn để thiết kế
cấu trúc mạng,kiến trúc giao thức và thuật toán định tuyến cho mạng cảm biến
không dây.Các nhân tố đó cụ thể là như thế nào?
 Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt
động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút
mạng không hoạt động. Ở đây ta dùng phân bố Poisson để xác định xác suất
không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t):
t
k
k
etR
λ
−
=)(
Trong đó:

k
λ
: tỉ lệ lỗi của nút k

t: khoảng thời gian khảo sát
R
k
(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến.
• Khả năng mở rộng (scale ability): Khi triển khai mạng cảm biến
nghiên cứu một hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm biến được triển khai có
thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt

22
quá hàng triệu. Những kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng
các nút này và sử dụng được tính chất mật độ cao của mạng cảm biến. Mật độ có
thể tính toán theo công thức:
ARNR /)()(
2
πµ
=
Trong đó: N: số lượng các nút cảm biến phân bố trong vùng A
R: là phạm vi truyền sóng.
• Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm
một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong
việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc
triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp
lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
• Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints):
Như đã trình bày ở phần 1.2.1 về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều ràng buộc
về phần cứng : phải có kích thước nhỏ,càng nhỏ càng tốt. Ngoài kích cỡ ra các nút
cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng
lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng
với môi trường.
• Cấu hình mạng cảm biến (network topology)

Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên
trường cảm biến. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm
biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra
các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
 Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc
xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng
cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt
từng cái một.
 Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc
vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết
nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích
hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.

23
 Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút
cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi
chức năng.
• Môi trường hoạt động (Environment)
Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các
hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở
những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy
biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những
tòa nhà lớn.
• Phương tiện truyền dẫn (Transmission media)
Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối bằng những phương
tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại
hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những
mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế
giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF.
Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt

động ở tần số 916MHz. Cấu trúc mạng Wireless Integrated Network Sensors
(WINS) cũng sử dụng đường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại.
Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn.
Một thành quả thú vị nữa là hạt bụi Smart Dust, là một hệ thống tự cảm biến, tính
toán và giao tiếp dùng các phương tiện quang học để truyền. Cả hai loại hồng ngoại
và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể
truyền ánh sáng cho nhau được.
• Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption):
Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được
trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc
bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống
của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến
multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ
liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể

24
trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc
duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao
mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để
tiết kiệm nguồn năng lượng như các phương pháp định tuyến nhận biết về năng
lượng(Energy-Aware –Routing)….Đồng thời người ta cũng đang nghiên cứu và
thiết kế nguồn cho mạng cảm biến có dung lượng lớn, và thiết kế cho các thành
phần của một nút cảm biến hoạt động hiệu quả về năng lượng để góp phần kéo dài
thời gian sống của các nút nói riêng và cả toàn mạng.
Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các
sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì
thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp
(communication), và xử lý dữ liệu (data processing).
1.3 Kiến trúc giao thức mạng.

Trong mạng cảm biến, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định
tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua
internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm
biến được trình bày trong hình 1.9:
Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu
với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự
tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên

25