nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà bulding

I


BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI





LUẬN VĂN THẠC SỸ








TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ƯNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY TRONG CẢNH BÁO TÒA NHÀ BULDING.


Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thúy Anh
Họ và tên: Nguyễn Tuấn Trung
Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử
Mã số: 102

Hà Nội, năm 2011

II

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN:


ðiểm: (Bằng chữ: ).
Ngày tháng năm 2011


III

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN:


ðiểm: (Bằng chữ: ).
Ngày tháng năm 2011
4

MỤC LỤC
Trang
Thuật ngữ viết tắt
Lời nói ñầu 9
CHƯƠNG 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 11
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11
1.2 Các thành phần của mạng cảm biến 11
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13
1.3.1 Lớp ứng dụng 15
1.3.2 Lớp giao vận 15
1.3.3 Lớp mạng 16
1.3.4 Lớp liên kết số liệu 16
1.3.5 Lớp vật lý 17
1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 18
1.4.1 Tự ñộng hóa gia ñình và ñiện dân dụng 18
1.4.2 Cảm biến trong quân sự 20
1.4.3 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe 22
1.4.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 23
1.5 Những hạn chế trong phát triển mạng cảm biến không dây 26
1.5.1 Năng lượng hạn chế 26
1.5.2 Giải thông giới hạn 26
1.5.3 Phần cứng giới hạn 26
1.5.4 Kết nối mạng không ổn ñịnh 26
1.5.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên 27
CHƯƠNG 2 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 28
2.1 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến 28
2.2 Các mô hình phân bố 31
2.3 ðiều chế tín hiệu 33
2.4 Quá trình truyền sóng 34
2.5 Các công nghệ không dây 36

CHƯƠNG 3 Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây 42
3.1 Giao thức ñiều khiển truy nhập 42
3.1.1 Mô hình giao thức WSNs 42
3.1.2 Giao thức MAC 43
3.1.2.1 Các thông số 44
3.1.2.2 Các giao thức chung 46
3.1.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 48
3.2 Giao thức ñịnh tuyến trong WSNs 48
3.2.1. Các kỹ thuật ñịnh tuyến

50
3.2.2. Flooding và các biến thể 51
3.2.3. Giao thức ñịnh tuyến thông tin qua sự thỏa thuận
:
53
3.2.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng
th
ấ
p
(LEACH)
3.2.5. Truyền tin trực tiếp
57
59
3.2.6. ð
ịnh
tuyến theo vị trí 60
3.2.7. Kết l
u
ậ
n:

61
5

3.3. Các giao thức ñiều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây 61
3.3.1 Các giao thức ñiều khiển giao vận truyền thống 61
3.3.2 Các giao thức ñiều khiển giao vận ñang tồn
t
ạ
i 63
3.3.4 ðặc

ñiểm của các giao thức ñiều khiển giao
v
ậ
n
63
3.3.4.1 Sự tắc nghẽn 63
3.3.4.2 Khôi phục gói bị
m
ấ
t
65
3.3.5 Kết l
u
ậ
n:
65
CHƯƠNG 4 Phần mềm quản lý mạng không dây 67
4. 1 Hệ ñiều hành cho mạng cảm biến không dây 67
4.1.1 TinyOS 68

4.1.2 Mate 69
4.1.3 Magnet OS 70
4.1.4 Mantis 70
4.2. Phần mềm cho mạng cảm biến không dây 70
4.2.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN 70
4.2.2 Kiến trúc phần mềm 71
4.2.2.1 Các chức năng liên quan ñến dữ liệu 72
4.2.2.2 Kiến trúc 73
4.2.2.3 Một số phần mềm ñang sử dụng 73
4.3. Quản lý mạng cho mạng cảm biến không dây 74
4.3.1 Các kiểu quản lý mạng truyền thống 74
4.3.2 Vấn ñề thiết kế quản lý mạng 75
4.3.3 Các vấn ñề khác 76
4.4. Quản lý vận hành của mạng cảm biến 77
4.4.1 Vấn ñề thiết kế cho WSN 77
4.4.1.1 Giao thức MAC 77
4.4.1.2 Giao thức ñịnh tuyến 78
4.4.1.3 Giao thức chuyển vận 78
4.4.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN 79
4.4.2.1 Metric 79
4.4.3 Các mô hình cơ bản: 80
4.4.4 Các mô hình mạng 83
4.4.5 Tính toán thời gian sống của hệ thống 85
CHƯƠNG 5 Chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4 88
5.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 88
5.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 88
5.2.1 Mô hình ñiều chế tín hiệu của tầng vật lý. 90
6

5.2.1.1 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz 90

5.2.1.2 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz 92
5.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 93
5.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) 93
5.2.2.2 Chỉ số chất lượng ñường truyền (LQI) 93
5.2.2.3 Chỉ số ñánh giá kênh truyền (CCA) 93
5.3 Tầng ñiều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 93
5.3.1 Cấu trúc siêu khung 94
5.3.1.1 Khung CAP 95
5.3.1.2 Khung CFP 96
5.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) 96
5.3.2 Thuật toán tránh xung ñột ña truy cập sử dụng cảm biến sóng mang
CSMA-CA.
96
5.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu 99
5.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 101
5.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian ñảm bảo GTS 102
5.3.6 ðịnh dạng khung tin MAC 102
5.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 103
5.4.1 Dịch vụ mạng 103
5.4.2 Dịch vụ bảo mật 103
5.5 Các thuật toán ñịnh tuyến của ZigBee/IEEE 802.15.4 105
5.5.1 Thuật toán ñịnh tuyến theo yêu cầu AODV 105
5.5.2 Thuật toán hình cây 107
5.5.2.1 Thuật toán hình cây ñơn nhánh 107
5.5.2.2 Thuật toán hình cây ña nhánh. 110
CHƯƠNG 6: Ưngs dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 114
6.1. Kiến trúc của hệ cảm biến 114
6.2 Các ứng dụng mạng cảm biến trong gia ñình 114
6.3 Một số loại cảm biến ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 118
6.4 Ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà

122










7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AODV
Ad hoc On - Demand
Distance - Vector Routing

Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad
hoc
CSMA
Carrier Sense Multiple
Access
ða truy nhập cảm biến sóng
mang
DAM
Distributed Aggregate
Management
Giao thức quản lý khối kết hợp

phân tán
DSDV
Destination-Sequenced
Distance-Vector
Chuỗi chỉ hướng với ñích tuần tự
DSR Dynamic Source Routing Giao thức ñịnh tuyến nguồn ñộng

GLONASS
Global Navigation
Satellite System
Hệ thống vệ tinh ñiều hướng toàn
cầu
GPS
Global Positioning
System
Hệ thống ñịnh vị toàn cầu
HVAC
Heating, Ventilation, and
Air Conditioning
Hơi ấm, thông gió và các ñiều
kiện không khí
MAC Medium Access Control ðiều khiển truy nhập môi trường
NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
PDA Personal Digital Assistan Trợ tá số cá nhân
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RFM RF Monolithic
Thành phần nguyên khối tần số
vô tuyến
RKE Remote Keyless Entry
ðăng nhập chỉ mục không khoá

từ xa
SMP
Sensor Management
Protocol
Giao thức quản lý cảm biến
SQDDP
Sensor Query and Data
Dissemination Protocol
Giao thức truy vấn cảm biến và
phổ biến số liệu
SWAN
Simulator for Wireless
Ad-hoc Networks
Mô hình mô phỏng các mạng Ad
hoc không dây
TADAP
Task Assignment and
Data Advertisement
Protocol
Giao thức phân nhiệm vụ và
quảng cáo số liệu
TDMA
Time Division Multiple
Access
ða truy nhập phân chia theo thời
gian
TORA Temporally Ordered Thuật toán tìm ñường tuần tự
8

Routing Algorithm theo thời gian

UART
Universal Asynchronous
Receiver Transmitter
Bộ thu phát không ñồng bộ
chung
VHDL
VHSIC Hardware
Description Language
Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch
tích hợp mật ñộ cao
WINS
Wireless Integrated
Network Sensors
Cảm biến mạng tích hợp vô
tuyến
WLAN
Wireless Local Area
Network
Mạng nội hạt vô tuyến
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng vùng cá nhân vô tuyến

9

LỜI NÓI ðẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về
công nghệ ñóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay ñổi từng ngày
từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện ñại hơn. ði ñôi với quá
trình phát triển của con người, những thay ñổi do chính tác ñộng của con
người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng ñang diễn ra, tác ñộng trở
lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay ñổi, v.v Dân số càng
tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ ñó cũng ñược hình
thành và phát triển theo. ðặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành
ñiện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con
người. Công nghệ cảm biến không dây ñược tích hợp từ các kỹ thuật ñiện tử,
tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục ñích nghiên cứu, giải trí, sản
xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng ñược mở rộng, ñể tạo ra các
ứng dụng ñáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa ñược áp dụng một các
rộng rãi ở nước ta, do những ñiều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng.
Song nó vẫn hứa hẹn là một ñích ñến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho
những mục ñích phát triển ñầy tiềm năng. ðể áp dụng công nghệ này vào thực
tế trong tương lai, ñã có không ít các nhà khoa học ñã tập trung nghiên cứu,
nắm bắt những thay ñổi trong công nghệ này.

ðược sự ñịnh hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thuý Anh, em ñã
chọn ñề tài ñồ án: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo
toà nhà bulding”. Với mục ñích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.
Nội dung của ñồ án ñược thể hiện qua 6 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn không dây.
Chương 3: Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây.
Chương 4: Phần mềm quản lý mạng cảm biến không dây.
Chương 5: Chuẩn truyền dẫn không dây Zigbee
Chương 6: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa
nhà
10

Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên ñồ án tốt nghiệp
này không tránh khỏi các sai sót. Mong ñược sự góp ý của các thầy, các cô và
các bạn ñể nội dung ñồ án ñược hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2011
Học viên thực hiện



Nguyễn Tuấn Trung

11

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng
ngoại hoặc quang học) ñể phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán

về ñối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý
của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một ñiểm thu (Sink) và môi trường
mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có
thể ñược triển khai cho các mục ñích chuyên dụng như giám sát và an ninh;
kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa
trong nông nghiệp; y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai
hầu như trong bất kì loại hình ñịa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm
không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống ñược.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay ñã tạo ra nhiều
khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và
các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ.
Chúng có thể hoạt ñộng trong một môi trường dày ñặc với khả năng xử lý tốc
ñộ cao. Do ñó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta ñã có thể
khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước ñây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây ñược ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như các cấu trúc chống lại ñịa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển,
giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi
trường sinh vật phức tạp, v.v

1.2 Các thành phần của mạng cảm biến
Các node cảm biến ñược triển khai trong một trường cảm biến (sensor
field) ñược minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến ñược phát tán trong
mạng có khả năng thu thập thông số liệu, ñịnh tuyến số liệu về bộ thu nhận
(Sink) ñể chuyển tới người dùng (User) và ñịnh tuyến các bản tin mang theo
lệnh hay yêu cầu từ node Sink ñến các node cảm biến. Số liệu ñược ñịnh
tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc ña liên kết không có cơ sở hạ
tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các
trạm thu phát gốc hay các trung tâm ñiều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu
12

nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm ñiều hành (Task Manager Node) của
người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây
Một node cảm biến ñược tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm
biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể,
node cảm biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí,
bộ sinh năng lượng và thiết bị di ñộng. Các thành phần trong một node cảm
biến ñược minh họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai ñơn vị
thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển ñổi tương tự/số (ADC).
Các tín hiệu tương tự có ñược từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện
tượng ñược chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển ñổi ADC, rồi mới ñược
ñưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích
thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác ñể phối
hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát ñảm bảo thông tin giữa node cảm biến
và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín
hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ
nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và
không thay thế ñược nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ
nguồn có thể ñược hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm
pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ ñịnh tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm
vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với ñộ chính xác cao. Do
ñó, các node cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di ñộng
13

ñôi khi cũng cần thiết ñể di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu ñể ñảm
bảo các nhiệm vụ ñược phân công.

Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây
Ngăn xếp giao thức ñược sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất
cả các node cảm biến ñược minh họa trong hình 1.3.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về ñịnh tuyến và năng
lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng
lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các
node cảm biến. Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application
Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên
kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý
năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di ñộng (Mobility
Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management
Plane).
Bộ nguồn

Bộ sinh năng lượng



Sensor

Thiết bị xử lý



Hệ thống tìm vị trí
Thiết bị di ñộng


ADC

Thiết bị nhớ

Bộ cảm biến


Bộ xử lý
Bộ thu
phát


14


Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể ñược
xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số
liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào
việc ñịnh tuyến số liệu ñược cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có
nhiễu và các node cảm biến có thể di ñộng ñược, giao thức MAC phải ñược
tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với
các node lân cận. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật ñiều chế, truyền và nhận
cần thiết ñơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào ñó, các mặt bằng quản lý năng
lượng, di ñộng và nhiệm vụ ñiều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di
chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt bằng này giúp cho các
node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm ñược tổng
năng lượng tiêu thụ.
Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng
năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận
sau khi nhận một bản tin từ một trong các node lân cận. ðiều này có thể tránh
ñược việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của node

cảm biến thấp, node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng
mức năng lượng thấp của nó ñã thấp nên nó không thể tham gia vào việc ñịnh
tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại ñược dự trữ cho việc cảm biến. Mặt
bằng quản lý di ñộng dò tìm và ghi lại chuyển ñộng của node cảm biến, vì thế
một tuyến ñường hướng tới node user luôn ñược duy trì và các node cảm biến
có thể theo dõi ñược các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết ñược các
node cảm biến lân cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng
lượng sử dụng. Mặt bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ
cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng ñó
15

ñược yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời ñiểm. Kết quả là một
vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức
năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các
node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau ñể có hiệu quả về mặt năng
lượng, có thể ñịnh tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di ñộng và chia sẻ
tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm
việc một cách ñơn lẻ. Xuất phát quan ñiểm xem xét trong toàn mạng cảm
biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt ñộng hợp tác với
nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.3.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến ñược vạch rõ và
ñược ñề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến
vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa ñược khám phá. Trong phần này, chúng ta
sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm
biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng
cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol),
giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and
Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở
những sơ ñồ ñược ñề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực

ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này ñều là
những vấn ñề nghiên cứu có tính mở.
1.3.2 Lớp giao vận
Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc ñầu cuối từ các
node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người
sử dụng. Lớp giao vận ñặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập
thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ
chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với ñặc trưng của môi trường mạng cảm
biến hiện nay. Do ñó, việc thiết lập một liên kết ñầu cuối từ các node cảm
biến trực tiếp ñến node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương
pháp phân tách TCP là cần thiết ñể mạng cảm biến tương tác với các mạng
khác ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP ñược sử dụng
ñể liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và node thu nhận (Sink) và
một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến ñược sử
dụng cho truyền thông giữa node thu nhận và các node cảm biến. Kết quả là
truyền thông giữa node người sử dụng và node thu nhận có thể sử dụng giao
16

UDP hoặc TCP thông qua Internet hoặc qua vệ tinh. Mặt khác, việc truyền
thông giữa node thu nhận và các node cảm biến chỉ sử dụng hoàn toàn các
giao thức kiểu như UDP, bởi vì các node cảm biến có bộ nhớ hạn chế.
Không giống các giao thức kiểu như TCP, các phương pháp truyền
thông ñầu cuối (end to end) trong mạng cảm biến không ñịa chỉ toàn cục. Các
phương pháp này dựa trên việc ñặt tên thuộc tính cơ sở ñể chỉ ra ñiểm ñích
của gói số liệu. Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và
các ñặc trưng như ñịnh tuyến tập trung số liệu khiến cho mạng cảm biến cần
phải có những cơ chế khác trong lớp giao vận. Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần
thiết của những loại giao thức mới ở lớp giao vận.
1.3.3 Lớp mạng
Các node cảm biến ñược phân bố dày ñặc trong một trường ở gần hoặc

ở ngay bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức ñịnh
tuyến không dây ña bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần
thiết. Kỹ thuật ñịnh tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp
những yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến ñược thiết
kế theo những nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng.
- Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung.
- Việc tập hợp số liệu chỉ ñược thực thi khi nó không cản trở hoạt ñộng
hợp tác của các node cảm biến.
- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết ñược việc ñánh ñịa chỉ
thuộc tính cơ sở và vị trí.
1.3.4 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và
tách khung số liệu, ñiều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó ñảm bảo
sự tin cậy cho kết nối ñiểm - ñiểm (Point to Point) và ñiểm - ña ñiểm (Point to
Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến
lược truy nhập môi trường truyền dẫn và ñiều khiển sửa lỗi cho mạng cảm
biến.
1.3.5 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng,
ñiều chế và mã hoá số liệu. Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết
17

kế phần cứng và bộ thu phát nên sẽ không ñược xem xét ở ñây. Các phần tiếp
theo sẽ chú trọng về các hiệu ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các
phương pháp ñiều chế trong mạng cảm biến.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém
xét cả về năng lượng và ñộ phức tạp của hoạt ñộng. Trong khi thiết kế lớp vật
lý cho mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng ñược coi là rất quan
trọng, ngoài ra còn các vấn ñề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu,

các hiệu ứng fading ña ñường. Thông thường, công suất ñầu ra tối thiểu ñể
chuyển một tín hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với d
n
, trong ñó 2 ≤ n < 4.
Số mũ n gần 4 với antenna tầm thấp và các kênh gần mặt ñất ñiển hình trong
mạng cảm biến. Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản
xạ mặt ñất. ðể giải quyết vấn ñề này, người thiết kế phải hiểu rõ các ñặc tính
ña dạng cố hữu và khai thác chúng một cách triệt ñể. Ví dụ, truyền thông qua
nhiều bước nhảy trong mạng cảm biến có thể vượt qua một cách hiệu quả các
vật chắn và các hiệu ứng suy hao ñường truyền nếu mật ñộ node mạng ñủ lớn.
Tương tự, trong khi suy hao ñường truyền và dung lượng kênh hạn chế ñộ tin
cậy của số liệu thì nhờ ñó ta có thể sử dụng lại tần số theo không gian.
Dải tần (kHz) Tần số trung tâm (kHz)

6765 - 6795 6780
12.553 - 13.567 14
26.957 - 27.283 27
40.66 - 40.70 40.68
433.05 - 434.79 433.92
902 - 928 915
2400 - 2500 2450
5725 - 5875 5800
24 - 24.25 24
61 - 61.5 61.25
122 - 123 122.5
244 - 246 245
Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng Công nghiệp, khoa học và y tế
ISM (Industrial, Scientific and Medical)
Việc lựa chọn phương thức ñiều chế tốt ñể là vấn ñề quyết ñịnh ñối với
sự tin cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp

ñiều chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi
nhiều bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng ñộ phức tạp của mạch ñiện và
tăng công suất vô tuyến. Với ñiều kiện công suất khởi kích vượt trội thì
18

phương pháp ñiều chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế,
phương pháp ñiều chế cơ số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi
kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung
IR (Impulse Radio) từng ñược sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc
và các hệ thống ño khoảng cách, gần ñây ñược chú ý trong các ứng dụng
thông tin ñặc biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với
băng tần gôc nên không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông thường,
ñiều chế vị trí xung ñược sử dụng. Ưu ñiểm chính của UWB là khả năng mau
phục hồi với ñối với hiên tượng phát ña ñường. Việc sử dụng công suất truyền
thông thấp và thiết kế mạch ñơn giản ñã làm cho UWB rất thích hợp với các
mạng cảm biến.
1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.4.1. Tự ñộng hoá gia ñình và ñiện dân dụng
Gia ñình là không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không
dây. Nhiều ứng dụng công nghiệp vừa ñược mô tả có mối liên hệ tương tự
trong gia ñình.Ví dụ một hệ thống thông gió và ñiều hòa không khí HVAC
(Heating Ventilation and Air Conditioning) ñược trang bị với các bộ ổn nhiệt
và chống rung không dây có thể bảo vệ các phòng dưới ánh nắng mặt trời của
ngôi nhà – sẽ hiệu quả hơn một ngôi nhà chỉ trang bị một bộ ổn nhiệt ñơn có
dây.
Một ứng dụng ñược ñiều khiển chung từ xa, một thiết bị cá nhân cầm
tay PDA (Personal Digital Assistant) loại thiết bị có thể ñiều khiển TV, máy
nghe DVD, dàn âm thanh nổi và các thiết bị ñiện tử gia ñình khác nhau nhưng
với các bóng ñèn, các cánh cửa, và các ổ khóa cũng ñược trang bị với một kết

nối mạng cảm biến. Với ñiều khiển chung từ xa, một bộ có thể ñiều khiển
ngôi nhà từ tiện ích trên ghế. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất ñến từ sự kết
hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự ñộng ñóng khi TV ñược bật,
hoặc có thể tự ñộng ngưng hệ thống giải trí gia ñình khi một cuộc ñược nhận
trên máy ñiện thoại hoặc chuông cửa.
19


Hình 1.4: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh
Với chiếc cân và máy tính cá nhân cả hai ñược kết nối với nhau thông
qua một cảm biến không dây, sức nặng của một vật có thể ñược tự ñộng ghi
lại không cần yêu cầu sự can thiệp bằng tay.
Ứng dụng gia ñình lớn khác là một mở rộng của ñặc ñiểm nhật ký ñiều
khiển không dây từ xa (RKE - Remote Keyless Entry) ñược tìm thấy trên
nhiều ô tô. Với các mạng cảm biến không dây, ổ khóa không dây, các cảm
biến cửa ra vào và cửa sổ, và các bộ ñiều khiển bóng ñèn không dây, chủ nhà
có một thiết bị tương tự như một key – job với một nút bấm. Khi bấm nút,
thiết bị khóa tất cả các cửa ra vào và cửa sổ trong nhà, tắt hầu hết các bóng
ñèn trong nhà (trừ một vài bóng ñèn ngủ), bật các bóng ñèn an toàn ngoài nhà,
và thiết lập hệ thống HVAC ñến chế ñộ ngủ. Người sử dụng nhận một tiếng
beep một lần hồi ñáp thể hiện tất cả ñã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi
hoàn toàn, như vậy ngôi nhà an toàn. Khi một cánh của hỏng không thể mở,
hoặc có vấn ñề, một màn hình hiểu thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng.
Mạng thậm chí có thể tận dụng một hệ thống an ninh gia ñình ñầy ñủ
ñể phát hiện một cửa sổ bị gãy hoặc chỗ hỏng khác. Bên ngoài ngôi nhà các
khả năng nhận biết – ñịnh vị của các mạng cảm biến không dây phù hợp với
một tập khác nhau của các hoạt ñộng, bao gồm du lịch và mua sắm. Trong các
ứng dụng này, quá trình ñịnh vị có thể ñược sử dụng ñể cung cấp thông tin
ñến người tiêu dùng. Trong trường hợp của người hướng dẫn viên du lịch,
20

người sử dụng chỉ ñược cung cấp thông tin liên quan ñến quang cảnh hiện tại,
trong trường hợp của nhân viên bán hàng, người sử dụng ñược cung cấp
thông tin liên quan ñến sản phẩm trước mặt, bao gồm các khoản mua bán và
khấu hao ñặc biệt và trợ giúp.
1.4.2. Cảm biến trong quân sự
Các mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các
ứng dụng quân sự ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, ñiều khiển, thu thập
tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghỉ, trinh sát và tìm
mục tiêu. Các ñặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu
ñựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy ñây là một công nghệ ñầy triển
vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng cảm biến dựa trên cơ sở triển khai
rộng khắp với các nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị ñịch phá hủy một số
nút không ảnh hưởng tới hoạt ñộng chung như: các cảm biến truyền thống nên
chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn.
Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị,
ñạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng ñịch, tìm mục
tiêu, ñánh giá thiệt hại trận ñánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học –
sinh học – hạt nhân.
Kiểm tra lực lượng, trang bị, ñạn dược: Các lãnh ñạo và chỉ huy có thể
kiểm tra thường xuyên tình trạng của quân ñội, ñiều kiện và khả năng sẵn
sàng chiến ñấu của các trang bị, ñạn dược trong một chiến trường bằng việc
sử dụng các mạng cảm biến. Mỗi người lính, xe cộ, trang bị ñều ñược gắn một
cảm biến ñể thông báo trạng thái. Các thông báo này ñược tập hợp tại một nút
thu dữ liệu (nút trung tâm) và ñược gửi tới người chỉ huy. Các số liệu này có
thể hướng tới các cấp cao hơn trong phân cấp chỉ huy cùng với các số liệu từ
các ñơn vị khác tại mỗi cấp.
21

Hình 1.5: Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự
Theo dõi chiến trường: tại các vùng quan trọng, các tuyến tiếp cận, các
con ñường và eo biển, các mạng cảm biến có thể ñược triển khai nhanh chóng
ñể theo dõi hoạt ñộng của ñối phương một cách rõ ràng, bí mật. Khi bản ñồ
công tác ñã ñược chuẩn bị, các mạng cảm biến có thể ñược triển khai bất cứ
lúc nào ñể theo dõi ñối phương.
Trinh sát vùng và lực lượng ñối phương: khi các mạng cảm biến ñược
triển khai tại các vùng chiến lược, các thông tin tình báo có giá trị, chi tiết và
kịp thời có thể ñược thu thập trong một vài phút trước khi bị ñối phương ngăn
chặn.
Tìm mục tiêu: các mạng cảm biến có thể ñược kết hợp chặt chẽ với các
hệ
thống hướng ñạo trong các quân trang thông minh. ðánh giá thiệt hại của trận
ñánh: ngay trước hoặc sau khi tấn công, các mạng cảm biến có thể ñược triển
khai trong vùng mục tiêu ñể tập hợp các số liệu ñánh giá thiệt hại trong trận
ñánh.
Trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân: trong các
cuộc chiến tranh sinh học và hóa học, việc phát hiện chính xác và kịp thời các
tác nhân là ñiều rất quan trọng. Các mạng cảm biến ñược triển khai trong
vùng chiếm ñóng và ñược sử dụng như các hệ thống cảnh báo vũ khí sinh hóa
có thể cung cấp cho quân ñội các thông tin về các tác nhân có thể gây nguy
hiểm, thương vong. Các mạng cảm biến còn ñược dùng ñể giám sát chi tiết
sau khi các tấn công sinh, hóa và hạt nhân ñược phát hiện. Người ta có thể có
ñược sự trinh sát về vũ khí hạt nhân mà không phải ñưa các ñội trinh sát vào
các vùng bức xạ nguy hiểm.
22


Hình 1.6: Ứng dụng trong trinh sát
1.4.3. Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến là cung cấp khả năng
giao tiếp cho người khuyết tật, kiểm tra tình trạng của bệnh nhân, chuẩn ñoán;
quản lý dược phẩm trong bệnh viện, kiểm tra sự di chuyển các cơ chế sinh
học bên trong côn trùng các loại sinh vật nhỏ khác; kiểm tra từ xa các số liệu
về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh
nhân bên trong bệnh viện.
Kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con người: các số liệu về sinh lý
thu thập ñược bằng các mạng cảm biến có thể ñược lưu trữ trong thời gian dài
và có thể ñược sử dụng ñể khảo sát y học. Mạng cảm biến còn ñược sử dụng
ñể kiểm tra và phát hiện tình trạng của người cao tuổi như ñột quỵ. Các nút
cảm biến nhỏ này cho phép các ñối tượng có thể di chuyển tự do trong phạm
vi rộng và các bác sỹ có thể phát hiện các triệu chứng ñược ñịnh nghĩa trước
một cách dễ dàng. Các mạng cảm biến này tạo thuận lợi hơn cho các bệnh
nhân so với việc ñến các trung tâm ñiều trị.
23


Hình 1.7: Ứng dụng trong y tế
Giám sát và kiểm tra các bác sỹ và bệnh nhân bệnh viện: mỗi bệnh
nhân có các nút cảm biến nhỏ và nhẹ ñược gắn với họ. Mỗi nút cảm biến có
một nhiệm vụ riêng. Ví dụ, một nút có thể theo dõi nhịp tim, trong khi một
nút khác theo dõi huyết áp. Các bác sỹ cũng có thể mang theo các nút cảm
biến ñể các bác sỹ khác biết ñược vị trí của họ trong bệnh viện.
Quản lý dược phẩm trong bệnh viện: các bệnh nhân ñược gắn các nút
cảm biến có thể nhận biết các dị ứng thuốc và các dược phẩm cần thiết. Như
vậy, có thể giảm tối ña các sai sót trong việc kê ñơn thuốc và sử dụng thuốc
của bệnh nhân.
1.4.4. Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh
Một số ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi
sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các ñiều kiện

môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các
công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt ñất ở phạm vi rộng và thám hiểm các
hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra
môi trường không khí, ñất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí
tượng và ñịa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản ñồ sinh học phức tạp của môi trường
và nghiên cứu ô nhiễm môi trường.
Phát hiện cháy rừng: vì các nút cảm biến có thể triển khai dày ñặc, tự
do ở các vị trí cần thiết nên chúng có thể cung cấp tin tức chính xác về nguồn
gốc phát lửa trước khi chúng phát tán rộng không kiểm soát ñược. Hàng nghìn
24

nút cảm biến có thể ñược triển khai và tích hợp nhờ các hệ thống quang và
các tần số vô tuyến. Ngoài ra, các nút cảm biến còn ñược trang bị các phương
phát thu năng lượng, ví dụ như dùng pin mặt trời, ñể các cảm biến có thể tự
duy trì trong nhiều tháng năm thậm chí nhiều năm. Các nút cảm biến sẽ cộng
tác với các nút khác ñể phân tán sự cảm biến và chống lại các trở ngại như các
cành cây, khối ñá cản trở tẩm nhìn của các cảm biến.

Hình 1.8: Ứng dụng mạng vô tuyến trong cảnh báo cháy rừng
Vẽ bản ñồ sinh học phức tạp môi trường: việc lập bản ñồ sinh học của
môitrường ñòi hỏi phải tiếp cận một cách tinh vi ñể kết hợp các thông tin qua
các trục không gian và thời gian. Các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực cảm biến
từ xa và thu thập dữ liệu tự ñộng cho phép ñộ phân giải không gian, quang
phổ và thời gian cao tại một ñơn vị diện tích. Dựa vào công nghệ hiện nay,
các nút cảm biến có thể ñược kết nối Internet, ñiều này cho phép người sử
dụng từ xa có thể ñiều khiển, kiểm tra và theo dõi các thành phần sinh học
trong môi trường.
Mặc dù các hệ thống cảm biến vệ tinh và trên máy bay rất hữu ích cho
việc theo dõi tính ña dạng sinh học vĩ mô nhưng chúng không ñủ tinh vi ñể
tiếp cận các thành phần sinh học có kích cỡ nhỏ. Do ñó cần thiết phải sử dụng

mạng cảm biến theo dõi chi tiết các thành phần sinh học một cách ñầy ñủ.

25


Hình 1.9: Ứng dụng trong môi trường
Phát hiện lũ lụt: một ví dụ về ứng dụng phát hiện lũ lụt là hệ thống
Alert ñược triển khai tại Mỹ. Nhiều kiểu cảm biến ñược triển khai trong hệ
thống Alert là các cảm biến về lượng mưa, mức nước và thời tiết. Các cảm
biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm. Các dữ liệu
này ñược tính toán, phân tích ñể ñưa ra dự báo về tình hình nguy cơ lũ lụt.
Trong nông nghiệp: một ví dụ cơ bản của việc sử dụng các mạng cảm
biến không dây trong nông nghiệp là ño ñạc lượng mưa. Các trang trại trồng
trọt và các trang trại chăn nuôi lớn có thể vượt qua vài dặm vuông, và chúng
có thể chỉ nhận ñược lượng mưa rời rạc và chỉ có một vài vị trí trên trạng trại.
Tưới nước là rất ñắt, vì vậy quan trọng là biết ñược các cánh ñồng nào ñã
nhận ñược mưa, mục ñích là việc tưới nước có thể bị qua, và chỉ có những
cánh ñồng nào không có và phải ñược tưới. Một ứng dụng như vậy, là ý tưởng
cho các mạng cảm biến không dây. Số lượng dữ liệu gửi qua mạng có thể rất
chậm (chậm bằng một bit – ”yes hoặc no” – với ñáp ứng truy vấn ”Hôm nay
trời có mưa hay không”) và trễ bản tin có thể theo trình tự vài phút. Bây giờ,
giá cả thấp, và mức tiêu thụ nguồn phải ñủ thấp cho mạng nguyên khối ñến
cuối mùa sinh trưởng.
Mạng cảm biến không dây có khả năng ño ñạc ñộ ẩm của ñất, tuy
nhiên, bởi vì mạng có thể ñược thích hợp với số lượng các loại gần vô ñịnh
các cảm biến hóa học và sinh học. Dữ liệu ñược cung cấp bởi một mạng như
vậy là khả năng ñể cung cấp, người nông dân về ñộ ẩm của ñất; nhiệt ñộ; cần
cho thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, và phân bón; ánh nắng nhận ñược; và nhiều
con số khác. Kiểu ứng dụng này là vấn ñề quan trọng ñặc biệt trong vườn