Nghiên cứu, cải tiến giao thức định tuyến LEACH hiệu quả về mặt năng lượng trong mạng cảm biến không dây (WSN)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH
HIỆU QUẢ VỀ MẶT NĂNG LƢỢNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THÀNH CÔNG

NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH
HIỆU QUẢ VỀ MẶT NĂNG LƢỢNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VIỆT ANH

Hà Nội - 2014


1

Lời cảm ơn
Trong quá trình học tập tại trƣờng Đại học Công nghệ-Đại học Quốc gia
Hà Nội, tôi đã luôn đƣợc các thầy cô trong trƣờng, bạn bè và gia đình quan tâm,
giúp đỡ về mọi mặt.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trong trƣờng Đại học Công NghệĐại học Quốc gia Hà Nội, là các giảng viên đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt
kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng nhƣ
trong thời gian làm luận văn.
Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đối với thầy TS. Nguyễn Việt
Anh, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo và góp ý cho tôi để tôi có thể hoàn
thành luận văn của mình.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bạn bè, tập thể lớp K18 chuyên ngành Truyền
dữ liệu và Mạng máy tính và nhất là gia đình tôi đã giúp đỡ, chia sẻ kiến thức,
tạo mọi điều kiện để tôi có thể hoàn thành khóa học này.

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2014


2

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả đạt đƣợc trong luận văn là sản phẩm
của riêng cá nhân tôi, không đi sao chép của ngƣời khác. Trong toàn bộ nội dung
của luận văn, những vấn đề đƣợc trình bày là của cá nhân hoặc đƣợc tổng hợp từ
nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng và
đƣợc trích dẫn một cách hợp pháp. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu

mọi hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan của mình.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2014
Học viên

Nguyễn Thành Công


3

Mục Lục
Lời cảm ơn .......................................................................................................................1
Lời cam đoan ...................................................................................................................2
Mục Lục ...........................................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ..............................................................................5
Danh mục các bảng và sơ đồ ...........................................................................................7
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ......................................................................................8
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN) ...........12
1.1. Giới thiệu ............................................................................................................12
1.2. Lịch sử mạng cảm biến .......................................................................................13
1.3. Nút cảm biến ......................................................................................................14
1.3.1. Kiến trúc phần cứng .....................................................................................14
1.3.2. Phần mềm .....................................................................................................15
1.4. Kiến trúc truyền thông của mạng WSN ..............................................................16
1.4.1. Kiến trúc truyền thông .................................................................................16
1.4.2. Truyền thông giữa các nút mạng ..................................................................17
1.5. Những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng .......................................................18
1.6. Chồng giao thức mạng WSN ..............................................................................20
1.7. Ứng dụng của mạng WSN ..................................................................................22
1.7.1. Các kiểu của ứng dụng .................................................................................22

1.7.2. Các ứng dụng của mạng WSN .....................................................................23
CHƢƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG WSN ..................................................26
2.1. Giới thiệu ............................................................................................................26
2.2. Thách thức trong vấn đề định tuyến ...................................................................26
2.3. Phân loại giao thức định tuyến ...........................................................................29
2.4. Một số giao thức định tuyến ...............................................................................31
2.4.1. Giao thức bình đẳng .....................................................................................31
2.4.2. Giao thức phân cấp.......................................................................................37
2.4.3. Giao thức dựa trên vị trí ...............................................................................40
Chƣơng 3. GIAO THỨC LEACH VÀ CẢI TIẾN ........................................................42
3.1. Giới thiệu ............................................................................................................42
3.2. Hoạt động ............................................................................................................42
3.3. Hạn chế của LEACH và cải tiến .........................................................................44
3.3.1. Hạn chế.........................................................................................................44
3.3.2. Cải tiến .........................................................................................................45
3.4. Đề xuất ................................................................................................................48
3.4.1. Giả thiết và hoạt động của giao thức LEACH-DE.......................................48
3.4.2. Lí do đề xuất.................................................................................................49
3.4.2. Cơ sở chọn c .................................................................................................50
CHƢƠNG 4. CÁC CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MẠNG WSN ........................................51
4.1. Giới thiệu ............................................................................................................51
4.2. Các công cụ mô phỏng mạng WSN ....................................................................51
4.2.1. NS2 (Network Simulatior version 2) ...........................................................51
4.2.2. OMNET ++ ..................................................................................................52
4.2.3. TOSSIM .......................................................................................................52


4

4.2.4. OPNET .........................................................................................................53

4.3. Công cụ mô phỏng mạng NS2 ............................................................................55
4.3.1. Giới thiệu......................................................................................................55
4.3.1.1. Một số đặc điểm của bộ mô phỏng NS2 ...............................................55
4.3.1.2. Các thành phần của bộ mô phỏng NS2. ................................................56
4.3.2. Cấu trúc phần mềm của NS2........................................................................56
4.3.2.1. Lập trình tách biệt..................................................................................56
4.3.2.2. Lập trình hƣớng đối tƣợng ....................................................................57
4.3.3. Lập trình mô phỏng bằng NS2 .....................................................................57
4.3.3.1. Tạo bộ lập lịch các sự kiện (Creating Event Scheduler) .......................57
4.3.3.2. Ghi lại vết các sự kiện của mạng mô phỏng (vào tệp “*.tr” và/hoặc
“*.nam”) .............................................................................................................57
4.3.3.3. Thiết lập mạng mô phỏng ......................................................................58
4.3.3.4. Tạo ra các kết nối ở tầng giao vận (giao thức TCP, UDP...) .................59
4.3.3.5. Tạo ra các nguồn sinh lƣu lƣợng ...........................................................59
4.3.3.6. Xác định thời gian mô phỏng ................................................................ 60
4.3.4. Mô hình truyền radio ....................................................................................60
4.3.5. Mô hình năng lƣợng .....................................................................................60
4.3.6. NAM ............................................................................................................61
4.4. Một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng ..................62
CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..............................................65
4.1. Các độ đo thƣờng dùng .......................................................................................65
4.2. Mô phỏng ............................................................................................................65
4.2.1. Các công việc chuẩn bị ................................................................................65
4.2.2. Các thông số mô phỏng ................................................................................66
4.2.3. Tiến hành chạy mô phỏng ............................................................................67
4.2.4. Các tệp dữ liệu đầu ra...................................................................................68
4.3. Đánh giá kết quả .................................................................................................71
4.3.1. Giao thức LEACH-DE1 với các giá trị c nhỏ hơn hoặc bằng 0.02 .............71
4.3.2. Giao thức LEACH-DE1 với các giá trị c bằng 0.03, 0.05 ...........................71
4.3.2.1. Mức năng lƣợng tiêu hao.......................................................................72

4.3.2.2. Thời gian sống của mạng ......................................................................73
4.3.2.3. Lƣợng dữ liệu nhận đƣợc ở BS .............................................................74
4.3.3. Giao thức LEACH-DE1 với các giá trị c lớn hơn hoặc bằng 0.06 và nhỏ
hơn 1 .......................................................................................................................75
4.4. Kết luận ...............................................................................................................75
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................76
KẾT LUẬN................................................................................................................76
HƢỚNG PHÁT TRIỂN.............................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................77


5

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Từ viết tắt

Viết đầy đủ

ADC

Analog to Digital Converter

ADV

ADV

ARQ

Automatic Repeat Request

BS

Base Station

BWRC

Berkeley Wireless Research Center

CBR

Constant Bit Rate

CDMA

Code Division Multiple Access

CH

Cluster Head

CMOS

Complementary Metal-Oxide Semiconductor

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

DARPA

Defense Advanced Research Projects Agency

DSN

Distributed Sensor Networks

E-LEACH

Energy-LEACH

FEC

Forward Error Correction

GAF

Geographic Adaptive Fidelity

GPS

Global Positioning System

Grep

Global Regular Expression Parser

ID

Identification

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy

LEACH-C

Centralizzed – LEACH

LEACH-DE

LEACH-Distance Energy

LWIM

Low Power Wireless Integrated Microsensor

MAC

Medium Access Control

MEMS

Micro electro-mechanical systems

MIT μAMPS micro-Adaptive Multidomain Power-aware Sensors

6

NAM

Network Animator

NS2

Network Simulator Version 2

OMNET++

Objective Modular Network Testbed in C++

OTCL

Object Tool Command Language

PDA

Personal Digital Assistant

PEGASIS

Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems

Perl

Practical Extraction and Report Language

QoS

Quality of Service

REAL

(Realistic and Large)

REQ

Request

SensIT

Sensor Information Technology

SPIN

Sensor Protocols for Information via Negotiation

SPIN-BC

SPIN for Broadcast Network

SPIN-EC

SPIN with Energy Consumption awareness

SPIN-PP

SPIN for Point to Point Network

SPIN-RL

SPIN with Reliability

TCP

Transmission Control Protocol

TDMA

Time Division Multiple Access

TEEN

Threshold-sensitive Energy-Efficient sensor Network

TL-LEACH

Two-Level LEACH

UDP

User Datagram Protocol

Wi-Fi

Wireless Fidelity

WINS

Wireless Integrated Network Sensors

WSN

Wireless Sensor Network


7

Danh mục các bảng và sơ đồ
Bảng 4.1 Một số công cụ mô phỏng mạng WSN................................................ 54
Bảng 5.1 Các thông số mô phỏng mạng WSN ................................................... 67


8

Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây ................................................................... 12
Hình 1.2 Các thành phần chính của một nút cảm biến ....................................... 14
Hình 1.3 Các hệ thống phần mềm của một nút cảm biến ................................... 16
Hình 1.4 Các nút cảm biến nằm rải rác trong trƣờng cảm biến .......................... 17
Hình 1.5 Truyền thông Single-Hop và Multi-hop trong mạng WSN ................. 18
Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng WSN ........................................................... 20
Hình 2.1 Phân loại các giao thức định tuyến ...................................................... 29
Hình 2.2 Tổng quan các giao thức định tuyến .................................................... 31
Hình 2.3 Flooding ............................................................................................... 32
Hình 2.4 Vấn đề bùng nổ (hình bên trái) và chồng chéo (hình bên phải) của

Flooding............................................................................................................... 32
Hình 2.5 Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ........................................... 34
Hình 2.6 Giao thức bắt tay ba bƣớc trong SPIN-PP ........................................... 34
Hình 2.7 Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ........................................... 35
Hình 2.8 Hoạt động của Directed Diffusion ...................................................... 36
Hình 2.9 Mô hình mạng dùng LEACH ............................................................... 38
Hình 2.10 Cấu trúc chuỗi của PEGASIS ............................................................ 39
Hình 2.11 Cách tiếp cận lƣới ảo của GAF .......................................................... 40
Hình 3.1 Hai pha hoạt động trong một vòng của Leach ..................................... 44
Hình 3.2 TL-LEACH .......................................................................................... 45
Hình 3.3 Kiến trúc truyền thông Multi-hop LEACH .......................................... 46
Hình 3.4 V-LEACH ............................................................................................ 47
Hình 3.5 Sơ đồ hoạt động của giao thức LEACH-DE ........................................ 48
Hình 4.1 Giao diện đồ họa của NAM ................................................................. 61
Hình 5.1 Kiến trúc của MIT ................................................................................ 66
Hình 5.2 Một phần nội dung của tệp leach.alive ................................................ 68
Hình 5.3 Một phần nội dung của tệp leach.energy ............................................. 69
Hình 5.4 Một phần nội dung của tệp leach.data.................................................. 69
Hình 5.5 Một phần nội dung của tệp leach.out ................................................... 70
Hình 5.6 Mức năng lƣợng tiêu hao(c=0.02 với LEACH-DE1) .......................... 71
Hình 5.7 Mức năng lƣợng tiêu hao (c=0.05 với LEACH-DE1) ......................... 72
Hình 5.8 Thời gian sống của mạng (c=0.05 với LEACH-DE1) ......................... 73
Hình 5.9 Lƣợng dữ liệu nhận đƣợc ở BS(c=0.05 với LEACH-DE1) ................. 74
Hình 5.10 Mức năng lƣợng tiêu hao (c=0.06 với LEACH-DE1) ....................... 75


9

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề, định hƣớng nghiên cứu.

Trong những năm gần đây, các hệ thống mạng không dây nói chung và hệ
thống mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network viết tắt là WSN) nói
riêng đã và đang đƣợc nghiên cứu và triển khai bởi rất nhiều các nhà khoa học,
các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu, các tổ chức xã hội, quốc phòng, an
ninh, kinh tế...
Với hàng loạt các ứng dụng đang đƣợc triển khai trong hầu hết các lĩnh vực
của đời sống con ngƣời nhƣ: giám sát môi trƣờng tự nhiên, ngôi nhà thông minh,
giám sát và thu thập các sự kiện trong môi trƣờng độc hại, nông nghiệp chính
xác, giám sát hoạt động của kẻ địch trên chiến trƣờng, giám sát an ninh, theo dõi
sức khỏe bệnh nhân,…mạng WSN đang dần trở thành một phần không thể thiếu
trong cuộc sống.
Không giống nhƣ các mạng không dây đang tồn tại, các nút mạng trong
mạng WSN có kích thƣớc rất nhỏ và có năng lƣợng hạn chế (rất khó hoặc không
có khả năng nạp thêm), tô pô mạng không ổn định.... Do đó các kỹ thuật và các
giao thức đƣợc phát triển cho các mạng đã tồn tại không thể áp dụng trực tiếp
cho mạng WSN đƣợc. Yêu cầu đƣợc đặt ra cho các nhà nghiên cứu là tạo ra các
giao thức mới phù hợp với các đặc điểm của mạng WSN.
Do các nút trong mạng WSN có năng lƣợng hạn chế, tuổi thọ của mạng
WSN lại phụ thuộc vào mức tiêu hao năng lƣợng của các nút mạng mà nguyên
nhân chính của sự tiêu hao năng lƣợng của các nút cảm biến là hoạt động truyền
thông nên một giao thức định tuyến đƣợc thiết kế tốt sẽ góp phần đáng kể vào
việc kéo dài tuổi thọ cũng nhƣ tăng tính hiệu quả của mạng.
Từ khi mạng ra đời đến nay, đã có rất nhiều các giao thức định tuyến đƣợc
thiết kế cho mạng này, có thể kể ra ở đây là SPIN, LEACH, PEAGSIS,
TEEN….Ngoài việc thiết kế ra các giao thức định tuyến mới cho mạng WSN thì
việc nghiên cứu, cải tiến các giao thức đã có để giao thức hoạt động tốt hơn
cũng rất cần thiết. Vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, cải tiến giao thức định
tuyến LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây
(WSN)” để nghiên cứu trong luận văn này. Mục đích của luận văn là nghiên cứu
về giao thức LEACH, tìm hiểu các giao thức cải tiến từ giao thức này, đề xuất

cải tiến cho giao thức LEACH, mô phỏng và so sánh giao thức LEACH với giao
thức cải tiến của mình.


10

2. Mục tiêu
Từ mục đích của luận văn tôi xin đƣa ra các mục tiêu cụ thể nhƣ sau:
 Tìm hiểu tổng quan về mạng WSN.
 Phân loại giao các thức định tuyến và tìm hiểu về một số giao thức
định tuyến trong mạng WSN.
 Nghiên cứu về giao thức LEACH và tìm hiểu một số cải tiến của nó,
đƣa ra đề xuất của mình.
 Nghiên cứu một số các công cụ mô phỏng mạng hỗ trợ mô phỏng
mạng WSN và các công cụ hỗ trợ cho việc phân tích và hiển thị kết
quả mô phỏng.
 Thiết lập kịch bản mô phỏng, tiến hành mô phỏng, so sánh và đánh
giá kết quả mô phỏng.
Trên cơ sở các tìm hiểu và nghiên cứu trên viết luận văn với nội dung:
“Nghiên cứu, cải tiến giao thức định tuyến LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng
trong mạng cảm biến không dây (WSN)”.
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu tổng quan về mạng WSN, vấn đề định tuyến trong mạng
WSN, một số giao thức định tuyến trong mạng WSN và các vấn đề liên quan.
- Nghiên cứu về giao thức LEACH, tìm hiểu về một số giao thức cải tiến từ
giao thức này.
Thực nghiệm:
- Đƣa ra đề xuất cải tiến giao thức LEACH hiệu quả về mặt năng lƣợng.
- Tiến hành mô phỏng và so sánh, đánh giá kết quả.

4. Bố cục
Để có thể thực hiện đƣợc các mục tiêu của luận văn, bố cục luận văn đƣợc
tôi tổ chức thành năm chƣơng nhƣ sau:
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN): Giới thiệu
một cách tổng quan về mạng WSN, lịch sử của mạng WSN, cấu tạo phần cứng
và các thành phần phần mềm của một nút cảm biến, kiến trúc truyền thông của
WSN, những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng WSN, chồng giao thức mạng
WSN, các ứng dụng của mạng WSN.
Chương 2. Định tuyến trong mạng WSN: Giới thiệu về định tuyến trong
mạng WSN, tìm hiểu về các thách thức gặp phải trong vấn đề định tuyến, tìm


11

hiểu về việc phân loại các giao thức định tuyến trong mạng WSN, nghiên cứu
một số giao thức định tuyến trong mạng WSN.
Chương 3. Giao thức LEACH và cải tiến: Giới thiệu và nghiên cứu về
hoạt động của giao thức LEACH, tìm hiểu một số giao thức cải tiến từ giao thức
LEACH đã đƣợc đề xuất, và đề xuất cải tiến của tác giả.
Chương 4. Các công cụ mô phỏng mạng WSN: Tìm hiểu các công cụ mô
phỏng hỗ trợ mô phỏng mạng WSN, nghiên cứu công cụ mô phỏng mạng NS2
và tìm hiểu một số công cụ hỗ trợ việc phân tích và hiển thị kết quả mô phỏng
thu đƣợc.
Chương 5. Mô phỏng và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng và so
sánh, đánh giá kết quả.
Phần kết luận và hướng phát triển: tổng kết những công việc đã thực
hiện, những kết quả đã đạt đƣợc đồng thời cũng nêu các công việc và hƣớng
nghiên cứu trong tƣơng lai.

12

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSN)
1.1. Giới thiệu
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật nói chung và
sự phát triển của mạch kĩ thuật số, công nghệ vi hệ thống cơ điện tử (micro
electro-mechanical systems-MEMS), truyền thông không dây nói riêng thì việc
thiết kế và phát triển các nút cảm biến (sensor node) với kích thƣớc nhỏ, thực
hiện đƣợc nhiều chức năng, giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lƣợng, có thể truyền
thông không dây là hoàn toàn khả thi. Các nút cảm biến rất nhỏ có thể thực hiện
nhiều chức năng, bao gồm cảm biến, xử lý dữ liệu và truyền thông không dây,
cho phép triển khai các mạng WSN trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời
sống.
Khái niệm mạng cảm biến không dây: “Mạng cảm biến không dây
(Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN) là tập nhiều nút cảm biến có khả
năng cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến
cường độ ánh sáng,... và khả năng xử lý dữ liệu, truyền thông không dây với
nhau, phủ sóng trên một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát và quản lý vùng vật
lý đó”.
Với mạng WSN, ngoài các nút cảm biến chỉ có thể thu thập và trao đổi
thông tin về môi trƣờng quan sát, còn có thể có các thiết bị đƣợc gọi là Sink
hoặc trạm gốc (BS hay Base Station) với bộ xử lý, năng lƣợng và khả năng lƣu
trữ lớn đảm nhận chức năng khác trong một nhƣ nhận dữ liệu từ các nút cảm
biến và xử lí… Hình 1.1 là một mô hình mạng WSN.

Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây


13

Mạng WSN có một loạt các ứng dụng đang đƣợc triển khai trong quân sự,
công nghiệp, nông nghiệp, môi trƣờng…và tƣơng lai sẽ dần trở thành một phần
không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên để thực hiện các ứng
dụng hiện tại và tƣơng lai cho mạng WSN, việc thiết kế các giao thức truyền
thông phức tạp và hiệu quả cũng đƣợc đặt ra. Với mạng WSN, các nút cảm biến
hay các nút mạng có năng lƣợng hạn chế nên không giống nhƣ các mạng truyền
thống, các giao thức đƣợc thiết kế để cải thiện các thông số nhƣ hiệu năng mạng,
thông lƣợng và độ trễ…, các giao thức trong mạng WSN tập trung chủ yếu vào
việc tiết kiệm năng lƣợng, kéo dài tuổi thọ mạng.
1.2. Lịch sử mạng cảm biến [5, tr.8]
Năm 1978, Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) đã tổ
chức hội thảo Distributed Sensor Nets Workshop (DAR 1978), tập trung vào các
khó khăn trong nghiên cứu mạng cảm biến nhƣ công nghệ mạng, kỹ thuật xử lý
tín hiệu và các thuật toán phân phối. DARPA cũng vận hành chƣơng trình
Distributed Sensor Networks (DSN) vào đầu những năm 1980, sau đó là chƣơng
trình Sensor Information Technology (SensIT).
Trung tâm khoa học Rockwell và Đại học California tại Los Angeles kết
hợp đề xuất các khái niệm về Wireless Integrated Network Sensors hay WINS.
Một kết quả của dự án WINS là Low Power Wireless Integrated Microsensor
(LWIM), đƣợc sản xuất vào năm 1996 (Bult và cộng sự. 1996). Hệ thống cảm
biến thông minh này đƣợc dựa trên một chip CMOS, tích hợp nhiều cảm biến,
mạch giao tiếp, mạch xử lý tín hiệu số, radio không dây, và vi điều khiển trên
một chip duy nhất.
Dự án Smart Dust (Kahn và cộng sƣ. 1999) tại trƣờng Đại học California
tại Berkeley tập trung vào việc thiết kế các nút cảm biến cực nhỏ đƣợc gọi là các
mote. Mục tiêu của dự án này là để chứng minh rằng một hệ thống cảm biến
hoàn chỉnh có thể đƣợc tích hợp vào các thiết bị nhỏ, có thể là kích thƣớc của
một hạt cát hoặc thậm chí là một hạt bụi.
Dự án PicoRadio (Rabaey và cộng sự. 2000) do Berkeley Wireless
Research Center (BWRC) tập trung vào sự phát triển của các thiết bị cảm biến

với năng lƣợng thấp, năng lƣợng tiêu thụ là rất nhỏ, có thể tự cung cấp năng
lƣợng từ các nguồn năng lƣợng của môi trƣờng, chẳng hạn nhƣ năng lƣợng mặt
trời hoặc dao động.
Dự án MIT μAMPS (micro-Adaptive Multidomain Power-aware Sensors)
(Calhoun và cộng sự. 2005) cũng tập trung vào phần cứng và phần mềm cho các
nút cảm biến công suất thấp.


14

Ban đầu các nghiên cứu về mạng WSN chủ yếu là của các trƣờng đại học,
ngày nay với khả năng ứng dụng rộng rãi thì các mạng WSN đã đƣợc các tập
đoàn, công ty nghiên cứu để thƣơng mại hóa.
1.3. Nút cảm biến [2, tr.78-80]
Các nút cảm biến là thành phần quan trọng trong một mạng WSN. Một nút
dùng để cảm biến, lƣu trữ, thực hiện các giao thức truyền thông và các thuật
toán xử lý dữ liệu. Chất lƣợng, kích cỡ của dữ liệu đƣợc cảm biến có thể thu từ
mạng bị ảnh hƣởng bởi các nguồn tài nguyên vật lý có sẵn ở các nút. Vì vậy,
việc thiết kế và triển khai một nút cảm biến là rất quan trọng.
1.3.1. Kiến trúc phần cứng
Một nút cảm biến cơ bản bao gồm các thành phần chính là bộ cảm biến
(sensing unit), bộ xử lý (processing unit), bộ thu phát (transceiver unit) và bộ
nguồn (power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc
vào từng ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát
nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer) nhƣ hình 1.2.

Hình 1.2 Các thành phần chính của một nút cảm biến
Bộ cảm biến bao gồm một hoặc nhiều cảm biến vật lý và bộ chuyển đổi
tƣơng tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tƣợng
quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số

bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý.


15

Bộ xử lý bao gồm một chip xử lý, bộ nhớ để lƣu trữ chƣơng trình, dữ liệu
cảm biến đƣợc. Các bộ xử lý quản lý các thủ tục cho phép các nút cảm biến thực
hiện các hoạt động cảm biến, chạy các thuật toán liên quan, phối hợp với các nút
khác thông qua truyền thông không dây.
Bộ thu phát gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút
hàng xóm tới các nút khác hoặc tới Sink.
Bộ nguồn là phần quan trọng nhất của một nút cảm biến. Thông thƣờng,
năng lƣợng pin đƣợc sử dụng cho bộ nguồn, nhƣng các nguồn năng lƣợng khác
cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣ năng lƣợng mặt trời, dao động... Mỗi thành phần
trong nút cảm biến không dây đƣợc cung cấp năng lƣợng thông qua bộ nguồn và
và vì năng lực hạn chế của bộ nguồn nên yêu cầu tiết kiệm năng lƣợng cho các
nhiệm vụ phải đƣợc thực hiện bởi mỗi thành phần của nút.
Hầu hết các kĩ 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 ứng khi cần thiết để thực
hiện các nhiệm vụ đã ấn định nhƣ cảm biến theo dõi sự chuyển động của đối
tƣợng nào đó.
1.3.2. Phần mềm
Các phần mềm cho nút mạng cảm biến nhƣ hình 1.3. Sau đây sẽ xét các
thành phần cơ bản sau.
Hệ điều hành hay còn đƣợc gọi là middleware, là phần mềm nằm giữa
phần cứng và ứng dụng. Nhiệm vụ chính của nó là cho phép các ứng dụng tƣơng
tác với tài nguyên phần cứng, lập lịch và công việc ƣu tiên, phân xử tranh chấp
các nguồn tài nguyên giữa các ứng dụng và dịch vụ, quản lý bộ nhớ, quản lý
năng lƣợng, quản lý tập tin, networking. TinOS là một hệ điều hành phổ biến

nhất.
Trình điều khiển cảm biến (Sensor drivers) là các mô-đun phần mềm
quản lý các chức năng cơ bản của bộ thu phát cảm biến.
Xử lý truyền thông (Communication processors) quản lý các chức năng
truyền thông bao gồm định tuyến, đệm gói và chuyển tiếp, bảo trì tô pô, điều
khiển truy nhập môi trƣờng, mã hóa, và FEC.
Trình điều khiển truyền thông (Communication drivers): Gồm các
module phần mềm quản lý các chi tiết của liên kết truyền kênh vô tuyến, bao
gồm cả clocking và đồng bộ hóa, mã hóa tín hiệu, phục hồi bit, bit đếm, mức tín
hiệu và điều chế.


16

Xử lý dữ liệu các ứng dụng mini (Data processing mini-apps) là một số
chƣơng trình ứng dụng cơ bản ở mức nút

Hình 1.3 Các hệ thống phần mềm của một nút cảm biến
1.4. Kiến trúc truyền thông của mạng WSN [2, tr.1] [3, tr.11][5, tr.8-9] [14,
tr.2]
1.4.1. Kiến trúc truyền thông
Một mạng WSN thƣờng có bốn thành phần cơ bản: (1) một tập các nút cảm
biến, (2) các kết nối mạng, (3) một điểm tập trung thông tin và (4) bộ phận xử lí
dữ liệu ở điểm tập trung thông tin. Hình 1.4 là kiến trúc truyền thông của mạng
WSN. Các thực thể trong kiến trúc là:
1. Các nút cảm biến với kích thƣớc nhỏ, nằm rải rác trong một trƣờng cảm
biến, chúng giao tiếp không dây với nhau, chúng có thể tự định vị nhờ hệ thống
định vị toàn cầu hoặc dựa vào thuật toán định vị. Mỗi một nút cảm biến có khả
năng thu thập dữ liệu và dữ liệu đƣợc truyền trở lại Sink và ngƣời dùng.
2. Sink/Gateway/Base Station có thể giao tiếp với các nút quản lý công việc

(Task Manager Node)/ ngƣời dùng (User) thông qua Internet hoặc vệ tinh hoặc
bất kỳ loại mạng không dây (nhƣ WiFi, WiMAX,…), hoặc có thể kết nối trực
tiếp đến ngƣời dùng. Sink có thể là một nút cảm biến nhƣ các nút cảm biến khác
trong mạng WSN hoặc là một thiết bị kĩ thuật số hỗ trợ cá nhân (Personal
Digital Assistant hay PDA) kết nối trực tiếp với mạng WSN, hoặc là một phần
của mạng bên ngoài (nhƣ Internet…) bằng các nào đó kết nối vào mạng WSN.
3. Hiện tƣợng cần theo dõi
4. Ngƣời dùng là những ngƣời cần lấy thông tin về hiện tƣợng


17

Hình 1.4 Các nút cảm biến nằm rải rác trong trường cảm biến
1.4.2. Truyền thông giữa các nút mạng
Năm 1997 chuẩn IEEE 802.11 ra đời, là công nghệ mạng không dây phổ
biến nhất cho các hệ thống di động. Nó sử dụng các băng tần khác nhau nhƣ các
băng tần 2.4-GHz đƣợc sử dụng bởi IEEE 802.11b và IEEE 802.11g, trong khi
các giao thức IEEE 802.11a lại sử dụng băng tần 5 GHz. IEEE 802.11 thƣờng
đƣợc sử dụng trong các mạng WSN đầu tiên và vẫn có thể đƣợc tìm thấy trong
các mạng WSN hiện nay khi nhu cầu băng thông cao đƣợc đặt ra nhƣ cho các
cảm biến đa phƣơng tiện. Tuy nhiên, chi phí năng lƣợng cao của các mạng dựa
trên IEEE 802.11 làm cho chuẩn này không phù hợp cho các mạng cảm biến
năng lƣợng thấp.
Vì yêu cầu tốc độ dữ liệu đặc trƣng trong các mạng cảm biến đƣợc so sánh
với băng thông đƣợc cung cấp bởi modem dial-up, do đó tốc độ dữ liệu đƣợc
cung cấp bởi IEEE 802.11 là cao hơn nhiều so với cần thiết. Điều này đã dẫn
đến sự phát triển của một loạt các giao thức tốt hơn đáp ứng nhu cầu của mạng
với sự tiêu thụ năng lƣợng thấp và có tốc độ dữ liệu thấp. Có thể dẫn ra ở đây là
giao thức IEEE 802.15.4 (Gutierrez và cộng sự năm 2001.), đƣợc thiết kế đặc
biệt cho truyền thông tầm ngắn trong các mạng cảm biến năng lƣợng thấp và

đƣợc hỗ trợ bởi hầu hết các nút cảm biến để nghiên cứu, học tập và thƣơng mại
hóa.
Khi phạm vi truyền của sóng vô tuyến của tất cả các nút cảm biến là đủ lớn
và các nút cảm biến có thể truyền dữ liệu trực tiếp cho các Sink, chúng có thể


18

tạo thành một cấu trúc liên kết sao nhƣ hiển thị bên trái trong hình 1.5. Trong
cấu trúc này, mỗi nút cảm biến liên lạc trực tiếp với Sink sử dụng một chặng duy
nhất, và đƣợc gọi là truyền thông đơn chặng hay single-hop. Tuy nhiên, các
mạng cảm biến thƣờng đƣợc triển các khu vực địa lý rộng lớn và năng lƣợng
truyền dẫn vô tuyến nên đƣợc giữ ở mức tối thiểu để tiết kiệm năng lƣợng. Do
đó truyền thông đa chặng hay multi-hop đƣợc dùng phổ biến hơn cho các mạng
cảm biến nhƣ hiển thị ở bên phải trong hình 1.5. Với truyền thông đa chặng, các
nút cảm biến không phải chỉ thu thập và truyền các dữ liệu riêng của của chúng,
mà còn thực hiện chức năng chuyển tiếp dữ liệu cho các nút cảm biến khác, có
nghĩa là chúng phải hợp tác để truyền dữ liệu cảm biến đến Sink. Việc tìm kiếm
một con đƣờng đa chặng từ một nút cảm biến đến trạm cơ sở, là một trong
những thách thức quan trọng nhất trong định tuyến và đã nhận đƣợc sự quan tâm
rất lớn từ cộng đồng nghiên cứu. Khi một nút có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ cho
nhiều nút, chúng có cơ hội để phân tích dữ liệu cảm biến trong mạng nên có thể
dẫn đến việc loại bỏ các thông tin dƣ thừa hoặc chúng có thể tập hợp các dữ liệu
đó để thu đƣợc dữ liệu có thể là nhỏ hơn so với dữ liệu gốc.

Hình 1.5 Truyền thông Single-Hop và Multi-hop trong mạng WSN
1.5. Những yếu tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng WSN [2, tr.29-30]
Ràng buộc phần cứng: Nhƣ thể hiện trong hình 1.2, một nút cảm biến
thƣờng bao gồm bốn thành phần chính và bốn thành phần tùy chọn. Các thành
phần chính bao gồm một bộ nguồn (pin hoặc các tế bào năng lƣợng mặt trời…),

một bộ cảm biến (cảm biến và chuyển đổi tƣơng tự-sang-kỹ thuật số), một bộ xử
lý (cùng với bộ nhớ lƣu trữ), và một bộ thu phát (kết nối các nút cảm biến), tất
cả các thành phần này phải đƣợc đặt trong một khối có kích thƣớc nhỏ 2x5x1
cm hoặc thậm chí là 1x1x1 cm. Do đó ràng buộc phần cứng là một trong các yếu
tố ảnh hƣởng đến thiết kế mạng WSN.


19

Năng lƣợng tiêu thụ: Tuổi thọ của các nút cảm biến nút thƣờng phụ thuộc
mạnh mẽ vào tuổi thọ pin. Trong đa số các trƣờng hợp, các nút cảm biến không
dây có một nguồn năng lƣợng hạn chế (<500 mAh, 1,2 V), và việc bổ sung năng
lƣợng là khó khăn hoặc không thể. Các chức năng của một nút cảm biến trong
một trƣờng cảm biến là phát hiện các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ, và
truyền tải và hoặc xử lý dữ liệu thô. Năng lƣợng tiêu thụ do đó có thể đƣợc phân
bổ cho ba lĩnh vực chức năng: cảm biến, truyền thông, và xử lý dữ liệu, mỗi
chức năng trong số đó đều yêu cầu tối ƣu hóa việc tiêu hao năng lƣợng.
Chi phí nút: Vì mạng WSN gồm một số lƣợng lớn các nút cảm biến nên
chi phí cho mỗi nút sẽ là quan trọng đối với tổng chi phí cho toàn mạng.
Môi trƣờng: Các nút cảm biển thƣờng đƣợc triển khai trong môi trƣờng
khắc nghiệt, thù địch, hoặc phân tán rộng rãi. Môi trƣờng nhƣ vậy sẽ làm phát
sinh thách thức các cơ chế quản lý.
Kênh truyền: Trong mạng WSN, các nút có thể giao tiếp với nút khác
thông qua một liên kết không dây. Các liên kết này có thể đƣợc hình thành bởi
liên kết vô tuyến, hồng ngoại, quang học.
Kết nối và tô pô mạng: Kết nối thƣờng xuyên giữa hai nút cảm biến bất kỳ
đƣợc triển khai dầy đặc trong một mạng cảm biến sẽ xác định kết nối mạng. Các
kết nối là rất quan trọng, vì nó ảnh hƣởng đến kỹ thuật truyền dữ liệu và thiết kế
giao thức truyền thông.
Các nút cảm biến có thể đƣợc triển khai vào môi trƣờng cần giám sát theo

một cách nào đó (thả chúng từ một máy bay trực thăng, tán xạ bởi một đạn pháo
hoặc tên lửa, hoặc triển khai bởi con ngƣời hay một robot). Bất cứ lúc nào sau
khi triển khai, việc tôpô thay đổi có thể xảy ra, do sự thay đổi vị trí nút cảm
biến, nút bị hỏng hóc, hết năng lƣợng…, và tại một số thời điểm trong tƣơng lai,
các nút cảm biến có thể cần phải bổ sung đƣợc triển khai để thay thế các nút bị
ngừng hoạt động.
Khả năng chịu lỗi: Một nút có thể gặp sự cố về phần cứng hoặc phần
mềm, dẫn đến nút đó không hoạt động. Khả năng chịu lỗi là khả năng mạng
hoạt động bình thƣờng khi một số nút cảm biến gặp sự cố.
Khả năng mở rộng: Khi triển khai các nút cảm biến với mật độ cao trong
mạng WSN sẽ cải thiện khả năng chịu lỗi của mạng nhƣng cũng tạo ra những
thách thức về khả năng mở rộng. Số lƣợng các nút cảm biến đƣợc triển khai để
cảm biến một hiện tƣợng vật lý có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn nút. Do đó,
các giao thức mạng đƣợc phát triển cho các mạng này sẽ phải xử lý số lƣợng lớn
các nút một cách hiệu quả.


20

1.6. Chồng giao thức mạng WSN [3, tr.12-15][4]
Chồng giao thức mạng WSN gồm các lớp: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu,
lớp mạng, lớp giao vận, lớp ứng dụng; các mặt phẳng: mặt phẳng quản lý năng
lƣợng, mặt phẳng quản lý di động, mặt phẳng quản lý tác vụ nhƣ hình 1.6.

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng WSN
Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng bao gồm cảm biến,
cung cấp các kênh truyền thông, các kỹ thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín
hiệu.
Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu có chức năng duy trì khả năng truy cập và chia sẻ
kênh truyền cho các nút cảm biến, làm giảm thiểu việc đụng độ dữ liệu và thực
hiện việc kiểm soát lỗi.
MAC (Medium Access Control)
Giao thức MAC trong một mạng WSN đa chặng, tự tổ chức phải đạt đƣợc
hai mục tiêu. Thứ nhất là tạo ra cơ sở hạ tầng mạng. Từ hàng ngàn các nút cảm
biến có thể đƣợc triển khai rải rác trong một lĩnh vực cảm biến, MAC phải thiết
lập liên kết truyền thông để truyền dữ liệu. Điều này tạo cơ sở hạ tầng cơ bản
cần thiết cho truyền thông không dây hop-by-hop và cung cấp khả năng tự tổ
chức. Mục tiêu thứ hai là để đạt đƣợc sự công bằng và hiệu quả trong chia sẻ tài
nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến. Các nguồn tài nguyên bao gồm thời
gian, năng lƣợng và tần số.


21

Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các hoạt động để tiết kiệm năng
lƣợng cho nút cảm biến. Việc tiết kiệm năng lƣợng rõ ràng nhất là chuyển bộ
thu phát sang chế độ ngủ khi nó không phải là bắt buộc hoạt động. Mặc dù
phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng này dƣờng nhƣ mang lại lợi ích đáng kể về
mặt năng lƣợng, tuy nhiên nó có thể cản trở việc kết nối của mạng. Khi một bộ
thu phát đƣợc tắt, các nút cảm biến không thể nhận đƣợc bất kỳ gói dữ liệu từ
các nút hàng xóm, khi đó về cơ bản mạng trở thành bị ngắt kết nối. Hơn nữa, tắt
và mở một bộ thu phát sẽ mất một chi phí về tiêu thụ năng lƣợng do các thủ tục
mở và tắt cần thiết cho cả phần cứng và phần mềm.
Kiểm soát lỗi
Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là kiểm soát lỗi dữ liệu
truyền. Hai phƣơng thức quan trọng của kiểm soát lỗi trong mạng truyền thông
là sửa chữa lỗi chuyển tiếp (FEC), yêu cầu lặp lại tự động (ARQ), và ARQ lai.
Tính hữu ích của ARQ trong các ứng dụng mạng cảm biến bị hạn chế bởi chi

phí truyền lại. Do đó, mã kiểm soát lỗi đơn giản với mã hóa-giải mã độ phức tạp
thấp là các giải pháp tốt nhất cho mạng cảm biến. Để thiết kế của một chƣơng
trình nhƣ vậy, yêu cầu phải có một kiến thức tốt về các đặc tính kênh và kỹ thuật
thực hiện.
Lớp mạng
Chức năng chính của lớp này là thực hiện kết nối mạng, định tuyến và kết
nối với mạng ngoài. Lớp mạng của các mạng cảm biến thƣờng đƣợc thiết kế
theo nguyên tắc sau:
 Hiệu quả năng lƣợng luôn luôn là một yếu tố quan trọng.
 Mạng cảm biến hầu hết là hƣớng dữ liệu hay dữ liệu tập trung (datacentric).
 Ngoài định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp dữ liệu từ nhiều
nút hàng xóm thông qua xử lý địa phƣơng.
 Do số lƣợng lớn các nút trong một mạng WSN, đinh danh (ID) duy nhất
cho mỗi nút có thể không đƣợc cung cấp và các nút có thể cần phải đƣợc
đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc vị trí của chúng.
Lớp giao vận
Chức năng của lớp này là cung cấp truyền tải dữ liệu tin cậy và tránh tắc
nghẽn. Lớp này đặc biệt cần thiết khi một hệ thống đƣợc tổ chức để truy cập các
mạng khác.


22

Không giống nhƣ các giao thức nhƣ TCP, các chƣơng trình truyền thông
end-to-end trong các mạng cảm biến không dựa trên địa chỉ toàn cầu. Các
chƣơng trình này phải giải quyết vấn đề dựa trên dữ liệu hoặc vị trí để chỉ ra
những điểm đến của các gói dữ liệu. Các yếu tố nhƣ tiêu thụ năng lƣợng và khả
năng mở rộng, và các đặc điểm nhƣ định tuyến hƣớng dữ liệu, đặt ra yêu cầu
mạng cảm biến cần phải xử lý khác trong lớp giao vận. Vì vậy, các yêu cầu này
nhấn mạnh sự cần thiết cho các loại mới của giao thức lớp giao vận.

Lớp ứng dụng
Bao gồm các ứng dụng cũng nhƣ một số chức năng quản lý mạng, tập hợp
dữ liệu, xử lý truy vấn.
Mặt phẳng quản lý năng lƣợng quản lý một nút cảm biến sử dụng năng
lƣợng của nó nhƣ thế nào.
Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và ghi lại sự chuyển động của các
nút cảm biến, do đó, một tuyến đƣờng đến ngƣời dùng luôn đƣợc duy trì, và các
nút cảm biến có thể theo dõi nút hàng xóm của chúng.
Mặt phẳng quản lý tác vụ lập lịch các nhiệm vụ cảm biến cho một khu
vực cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đƣợc yêu cầu để
thực hiện nhiệm vụ cảm biến đồng thời. Kết quả là, một số nút cảm biến thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn những nút khác, tùy thuộc vào mức năng lƣợng của
chúng.
Những mặt phẳng quản lý là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc
với nhau một cách hiệu quả về năng lƣợng, dữ liệu đƣợc định tuyến trong một
mạng cảm biến di động, và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu không
có chúng, mỗi nút cảm biến sẽ chỉ làm việc riêng. Từ quan điểm của toàn bộ
mạng cảm biến, sẽ là hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể cộng tác với
nhau, vì vậy tuổi thọ của các mạng cảm biến có thể đƣợc kéo dài.
1.7. Ứng dụng của mạng WSN [6, tr.3-7]
1.7.1. Các kiểu của ứng dụng
Mặc dù có nhiểu ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực của đời sống,
các ứng dụng của mạng WSN có thể chia thành một số kiểu sau.
Phát hiện sự kiện
Các nút cảm biến phải báo cáo cho Sink một khi chúng phát hiện sự xuất
hiện của một sự kiện cụ thể. Các sự kiện có thể đƣợc phát hiện bằng một nút
cảm biến duy nhất (ví dụ nhƣ một ngƣỡng nhiệt độ bị vƣợt quá) hoặc một số các
nút (ví dụ nhƣ một sự thay đổi nhiệt độ trở nên quá nhanh tại một khu vực).

23

Đo định kỳ
Các nút cảm biến có thể đƣợc giao nhiệm vụ định kỳ báo cáo các giá trị đo
đƣợc. Thông thƣờng, các báo cáo này có thể đƣợc kích hoạt bởi một sự kiện
đƣợc phát hiện.
Theo dõi
Nguồn một sự kiện có thể di động (ví dụ nhƣ một kẻ xâm nhập trong các
tình huống theo dõi hay sự di chuyển của động vật). Mạng WSN có thể đƣợc sử
dụng để báo cáo các cập nhật về vị trí của nguồn sự kiện tới Sink. Để làm đƣợc
điều này, các nút cảm biến thƣờng phải hợp tác với nhau.
Phát hiện biên
Cho phép tìm ra các khu vực hoặc các điểm có giá trị giống nhau. Ví dụ
nhƣ để tìm thấy những điểm đẳng nhiệt trong ứng dụng cháy rừng để phát hiện
ranh giới của đám cháy thực tế.
1.7.2. Các ứng dụng của mạng WSN
Mạng WSN với giá các nút có kích thƣớc nhỏ, giá thành thấp đang ngày
càng đƣợc ứng dụng trong đời sống. Các mạng cảm biến có thể cảm biến các
thành phần nhƣ là nhiệt độ, độ ẩm, hình ảnh và ánh sáng hồng ngoại, âm thanh,
rung động (ví dụ nhƣ để phát hiện rối loạn địa chấn), áp lực, cảm biến hóa học
(đối với các loại khí khác nhau hoặc để đánh giá thành phần của đất), áp lực cơ
học, cảm biến từ tính (để phát hiện các phƣơng tiện qua lại)... Dƣới đây sẽ trình
bày một số các ứng dụng của mạng WSN.
Ứng dụng cứu trợ thiên tai
Một trong những loại ứng dụng thƣờng đƣợc nhắc đến nhiều nhất cho mạng
là hoạt động cứu trợ thiên tai. Có thể chỉ ra một ví dụ điển hình là phát hiện cháy
rừng: các nút cảm biến đƣợc trang bị nhiệt kế và có thể xác định vị trí của mình
(tƣơng đối với nhau hoặc trong tọa độ tuyệt đối). Những cảm biến này đƣợc
triển khai trong một vụ cháy rừng trong một khu rừng, từ máy bay. Chúng sẽ tạo
ra một "bản đồ nhiệt độ" của khu vực hoặc xác định chu vi của khu vực với

nhiệt độ cao để xác định phạm vi đám cháy. Một số các ứng dụng cứu trợ thiên
tai giống với ứng dụng phát hiện cháy rừng là các ứng dụng quân sự, nơi mà bộ
cảm biến sẽ phát hiện quân địch chứ không phải là cháy rừng. Trong ứng dụng
này, các nút cảm biến nên đủ rẻ với số lƣợng lớn và yêu cầu cuộc đời không
phải là đặc biệt cao để có thể chỉ dùng một lần.