CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG

Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh
Lớp: D2001VT
Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
----------------*



*----------------

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài
CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG











Hà Nội 2005

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Họ và tên: Đỗ ngọc Anh
Lớp: D2001VT
Khoá học: 2001 - 2006
Nghành: Điện tử - Viễn thông
Tên đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng
mô phỏng.
Nội dung đồ án:
- Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây.
- Các ứng dụng của Công nghệ mạng cảm biến không dây.
- Mô hình và phần mềm mô phỏng ứng dụng mạng cảm biến không dây.
- Đánh giá một số tham số Chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến
không dây.

Ngày giao đề tài: 25/07/2005.
Ngày nộp đồ án: 25/10/2005

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT
KHOA VIỄN THÔNG I
----------o0o----------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------o0o----------
Ngày tháng năm 2005
Giáo viên hướng dẫn

TS. ĐINH VĂN DŨNG


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN:



Điểm: (Bằng chữ: ).


Ngày tháng năm 2005





NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN:




Điểm: (Bằng chữ: ).


Ngày tháng năm 2005


I
MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................................. I
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................................... III
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................... 3
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ....................................................................... 3
1.2 Mô tả hệ thống quát ...................................................................................................... 3
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây ................................................. 5
1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp ....................................................................................... 5
1.3.2 Chi phí thấp ........................................................................................................... 6
1.3.3 Mức độ khả dụng ................................................................................................... 6
1.3.4 Kiểu mạng ............................................................................................................. 6
1.3.5 Bảo mật ................................................................................................................. 7
1.3.6 Thông lượng dữ liệu .............................................................................................. 9
1.3.7 Trễ bản tin ............................................................................................................. 9
1.3.8 Tính di động ........................................................................................................ 10
1.4 Đặc điểm của mạng cẩm biến không dây .................................................................... 10
1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ .......................................................................................... 10
1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ............................................................ 10
1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế ...................................... 10
1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ................................................................ 11
1.4.5 Hoạt động tin cậy ................................................................................................ 11
1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây ....................................................... 11
1.5.1 Lớp ứng dụng ...................................................................................................... 13
1.5.2 Lớp giao vận ....................................................................................................... 13
1.5.3 Lớp mạng ............................................................................................................ 14
1.5.4 Lớp liên kết số liệu .............................................................................................. 14
1.5.5 Lớp vật lý ............................................................................................................ 15
1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây .............................................. 16
1.6.1 Hệ điều hành TinyOS .......................................................................................... 16

1.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS ........................................... 26
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 37
CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................. 37
2.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây ............................................ 37
2.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp ..................................................................... 37
2.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng ............................................................... 40
2.1.3 Cảm biến trong quân sự ....................................................................................... 42
2.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ ............................................................ 43
2.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh ................................................ 44
2.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island .............................. 46
2.4 Kế hoạch thi hành ....................................................................................................... 51
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 57
MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........ 57
3.1 Mô hình hoá mô phỏng............................................................................................... 57
3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường ......................................... 57
3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California ........................................... 64
3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây ........................................... 70
3.2.1 Phần mềm NS-2 .................................................................................................. 70


II
3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 .................................... 73
3.2.3 Các bổ sung vào NS-2 ......................................................................................... 74
3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 .................................................................................... 76
3.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng ...................................................................................... 78
3.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu ........................................................... 78
3.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon .......................................... 79
3.3.3 Thiết lập các node Phenomenon ........................................................................... 79
3.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................................... 79
3.3.5 Định hình node cảm biến ..................................................................................... 80

3.3.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) .......................... 80
3.3.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến ............................................................................. 81
3.3.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node ......................... 81
3.3.9 Khởi động ứng dụng cảm biến ............................................................................. 81
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................................... 82
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..... 82
4.1 Mô tả kịch bản mô phỏng ........................................................................................... 82
4.2 Thực hiện mô phỏng................................................................................................... 82
4.2.1 Viết mã và chạy mô phỏng .................................................................................. 82
4.2.2 Tính toán kết quả ................................................................................................. 84
4.2.3 Tính tỷ lệ mất gói udp tại lớp giao ....................................................................... 85
4.2.4 Tính độ trễ gói (s) ................................................................................................ 87
4.2.5 Tính tốc độ gói udp trung bình (kbps) .................................................................. 88
4.3 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng.................................................................... 90
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 93



III
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
Đa 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 đích tuần tự
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động
GLONASS
Global Navigation Satellite
System
Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
HVAC
Heating, Ventilation, and Air
Conditioning
Hơi ấm, thông gió và các điều kiện
không khí
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
PDA Personal Digital Assistant 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 Đăng 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
Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TORA
Temporally Ordered Routing
Algorithm
Thuật toán tìm đường tuần tự theo thời
gian
UART
Universal Asynchronous
Receiver Transmitter
Bộ thu phát không đồng bộ chung
VHDL
VHSIC Hardware
Description Language
Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích

hợp mật độ 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
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ
đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc
sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của
con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên,
trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm
môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo,
các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt
là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn
thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây
được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong
mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày
càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các
lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi

ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó
vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục
đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong
tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt
những thay đổi trong công nghệ này.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên
cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện,
em đã chọn đề tài đồ án: “Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây
và đánh giá bằng mô phỏng”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không
dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một
cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực cảm biến thu nhận dữ liệu. Trong đồ án còn thực
hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu
phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một
chương trình mô phỏng. Nội dung của đồ án được thể hiện qua 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Chương 3: Mô hình hoá và phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây.
Chương 4: Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này
không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các
bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát
triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng
dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xây dựng và hoàn
thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến các thầy, các cô, các bạn trong Khoa Viễn thông I, Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án
này.

Ngày 25 tháng 10 năm 2005
Sinh viên thực hiện

Đỗ ngọc Anh
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 3 -
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) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối 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 điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như
Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho
các mục đích 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 địa
lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có
dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã 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 động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó,
với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện
tượng rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

như các cấu trúc chống lại địa 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 Mô tả hệ thống tổng quát
Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)
được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có
khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để
chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu
cầu từ node Sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu
nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop
Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 4 -
trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp
với trạm điều 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 được 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 động. Các thành phần trong một node cảm biến được minh
họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là
thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu
tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa 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 để phối hợp thực hiện nhiệm

vụ. Bộ thu phát đảm 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 được nên
nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi
các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 5 -
cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ
được phân công.

Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần
với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong
các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các
thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các
huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng
đến một vài năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công
nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào
thiết bị được giám sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như
giám sát môi trường các vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị
nên không thể thay đổi nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó
không thể tận dụng một nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng
này phải nhận nguồn năng lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ

môi trường. Một ví dụ của kiểu này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận
được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp
ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thay thế trước khi lốp chạy.
Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính
với khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng
lượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống.

Bộ nguồn

Bộ sinh năng lượng


Sensor
Thiết bị xử lý


Hệ thống tìm vị trí
Thiết bị di động


ADC
Thiết bị nhớ

Bộ cảm biến

Bộ xử lý
Bộ thu
phát

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 6 -
1.3.2 Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí
sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi
phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng
cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần
phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải
thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài
các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến,
bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng
tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi
phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được
giới hạn trong giá thành thấp hơn 1 Dollar.
1.3.3 Mức độ khả dụng
Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các
thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng
có mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và
hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không
dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi
trong vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ)
dây truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng
vận hành trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử
dụng bởi việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc
GLONASS (Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều
chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu
nhận thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để
nhận các yêu cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp
này là không tồn tại. Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít

trong các yêu cầu điều luật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực
đại toàn bộ thị trường tiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây.
1.3.4 Kiểu mạng
Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc
nhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng. Bởi vì công suất truyền
dẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty
cung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 7 -
vi vật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master).
Khi phạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop
(ví dụ các kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi
phí tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung
overhead bảo trì mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu
thụ nguồn. Để được xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc
tương đối lớn (>256 node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng
dụng thẻ báo giá trong siêu thị).
1.3.5 Bảo mật
Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng -
bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết
do người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo
mật là vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ
liệu của họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ
ai để nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế
một phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn
hoặc các cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có
thể nhận được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận.
Ứng dụng không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị
trường rộng lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn.

Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong
nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư
bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến
không dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều
bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó
với nội dung đó.
Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể
xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể
nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu
bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn
của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity
Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các
trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication
Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 8 -
thể với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người
gửi chia sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với
người nhận để phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi.
Để tránh “replay attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và
truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại
trong trường tính toán MIC. Trong cách này, không có hai bản tin xác thực -
thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng.
Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó
khăn:
- Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được
cân bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong
muốn cho các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte
(128 bit) thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống

bảo mật, nó trở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ
bật, tắt). Người thiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều
người sử dụng với các yêu cầu nguồn thấp của mạng. Chú ý rằng điều này
có thể bao gồm các lựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết
hợp xác nhận bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được
thực hiện tự động, giống như một phần của một mạng tự tổ chức.
- Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có
khả năng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng
logic, RAM, và ROM. Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng
hồ máy vi tính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết
các thiết bị mạng là rất giới hạn. Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp,
các yêu cầu bộ nhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu
các thuật toán bảo mật mà có thể được sử dụng.
- Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân
tán khoá. Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật
mã hoá khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và
các loại khoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực
tiếp. Tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong
một hệ thống nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một
mà thích hợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 9 -
Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân
chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa
dạng rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc
thiết kế một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản
chí, người thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ.
Các yêu cầu về nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc
trong các phạm vi khác.

1.3.6 Thông lượng dữ liệu
Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các
yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với
các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu
mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết
lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu
điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc
thấp hơn trong một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không
phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể.
Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số
lượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu
quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng
gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được
lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một
cách rõ ràng: người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm
hiệu quả truyền thông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao
thức.
1.3.7 Trễ bản tin
Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng
không hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông
lượng dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong
nhiều ứng dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy
rất thoải mái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng
dụng, một độ trễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 10 -
1.3.8 Tính di động
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động.
Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường

định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu
lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản
hơn so với mạng di động Ad hoc.
1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu
thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở.
Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ
và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng
phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng.
1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm
biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt
động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến
có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên
mạng. Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác
và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ
trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là
không khả thi. Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức
thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo
dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều
công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ.
1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh
vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn
nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động
(actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển
chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân
tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 11 -
liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất,
khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ
quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì
có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu
thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng
tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần
cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức
độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển
chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập
các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi
giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.4.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng
độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc
tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể
tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự
hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn
không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây
Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các
node cảm biến được minh họa trong hình 1.3.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định 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 động (Mobility Management Plane) và
mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 12 -

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 được 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 định
tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các
node cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được 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 điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản
nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và
nhiệm vụ điều 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 được 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. Điều này có thể tránh được 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 đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản
tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di
động dò tìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường

hướng tới node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi
được các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các node cảm biến lân
cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 13 -
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 đó được yêu cầu thực nhiệm vụ
cảm nhận tại cùng một thời điểm. 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 để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một
mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu
không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm
xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có
thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.5.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề
xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là
một vùng rộng lớn chưa được 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
đồ được đề 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 đều là những vấn đề nghiên
cứu có tính mở.
1.5.2 Lớp giao vận

Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm
biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng.
Lớp giao vận đặc 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 đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay.
Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến
node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP
là cần thiết để mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet.
Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để 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 được sử dụng cho truyền thông giữa node
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 14 -
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 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 đầu
cuối (end to end) trong mạng cảm biến không địa chỉ toàn cục. Các phương pháp
này dựa trên việc đặt tên thuộc tính cơ sở để chỉ ra điểm đích của gói số liệu.
Các nhân tố như tiêu thụ năng lượng, khả năng mở rộng và các đặc trưng như
định 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.
1.5.3 Lớp mạng
Các node cảm biến được phân bố dày đặc trong một trường ở gần hoặc ở ngay
bên trong các hiện tượng mục tiêu như trong hình 1.1. Giao thức định tuyến
không dây đa bước phù hợp giữa node cảm biến và node Sink là cần thiết. Kỹ

thuật định tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu
cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến được 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 được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp
tác của các node cảm biến.
- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc
tính cơ sở và vị trí.
1.5.4 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, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin
cậy cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to
Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược
truy nhập môi trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 15 -
1.5.5 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều
chế và mã hoá số liệu. Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2.
Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát
nên sẽ không được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu
ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều 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 độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho
mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài
ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng
fading đa đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín

hiệu qua một khoảng cách d tỷ lệ với d
n
, trong đó 2 ≤ n < 4. Số mũ n gần 4 với
antenna tầm thấp và các kênh gần mặt đất điển hình trong mạng cảm biến.
Nguyên nhân là do sự triệt tiêu một phần tín hiệu bởi tia phản xạ mặt đất. Để
giải quyết vấn đề này, người thiết kế phải hiểu rõ các đặc tính đa dạng cố hữu và
khai thác chúng một cách triệt để. 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 đường truyền nếu mật độ node mạng đủ lớn. Tương tự, trong
khi suy hao đường truyền và dung lượng kênh hạn chế độ tin cậy của số liệu thì
nhờ đó 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)
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 16 -
Việc lựa chọn phương thức điều chế tốt để là vấn đề quyết định đối với sự tin

cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp điều
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 độ phức tạp của mạch điện và tăng công
suất vô tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều
chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều 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 được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các
hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc
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, điều chế vị trí xung
được sử dụng. Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với
hiên tượng phát đa đường. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế
mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng cảm biến.
1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây
1.6.1 Hệ điều hành TinyOS
Hệ điều hành TinyOS cung cấp các khái niệm trừu tượng các thiết bị vật lý rất
thuận tiện và những thực thi phối hợp mức cao các nhiệm vụ chung. Mục đích
này là thách thức đặc biệt bởi vì sự ràng buộc ngữ cảnh tài nguyên và các thiết
bị ứng dụng riêng biệt cao.
Một ứng dụng TinyOS bao gồm một bộ lập lịch (scheduler) và các thành phần
(component). Mỗi một thành phần được mô tả bởi giao diện của nó và sự thực
thi bên trong của nó, trong một kiểu tương tự như các ngôn ngữ mô tả phần
cứng, giống như VHDL (VHSIC(Mạch tích hợp mật độ rất cao) Hardware
Description Language) và Verilog (một công cụ mô phỏng số các Cadence
Design System). Một giao diện bao gồm các lệnh đồng bộ và các sự kiện không
đồng bộ. Mỗi thành phần có giao diện cao hơn bên trên để đặt tên cho các lệnh
để thực thi và các sự kiện để báo hiệu, và một giao diện thấp hơn mà nó đặt tên
cho các lệnh để sử dụng và các sự kiện để điều khiển. Sự thực thi này được viết
nên nhờ sử dụng không gian tên giao diện. Một thành phần cũng có phần lưu trữ

nội bộ, được cấu trúc thành một khung, và trùng hợp nội bộ, trong một khuôn
dạng các luồng trọng lượng rất nhẹ gọi là các tác vụ (task). Các bộ điều khiển
lệnh, sự kiện và tác vụ được khai báo rõ ràng trong nguồn tài nguyên. Các vùng
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 17 -
trọng tâm nơi một lệnh bên ngoài được gọi, được báo hiệu sự kiện, hoặc được
gửi tác vụ, cũng rất rõ ràng trong các đoạn mã tĩnh, giống như là các đoạn tham
khảo tới phần lưu trữ khung. Mô tả các ứng dụng riêng rẽ chỉ ra rằng làm thế
nào để các giao diện cùng mức hình thành tổng thể kết cấu ứng dụng. Một sự
kiện có thể được phát tán tới nhiều thành phần hoặc nhiều thành phần có thể sử
dụng cùng một lệnh. Vì vậy, dù ứng dụng là các module, bộ biên dịch vẫn có
thông tin tĩnh để sử dụng trong quá trình tối ưu hóa chéo qua toàn ứng dụng
(entire application), bao gồm cả hệ thống vận hành. Để bổ xung, mô hình thực
thi thời gian thực và mô hình lưu trữ mức duới có thể được tối ưu hoá cho các
nền tảng cụ thể. Một lược đồ ứng dụng điển hình được chỉ trong hình 1.4, chứa
đựng một ngăn xếp vô tuyến, một ngăn xếp cổng nối tiếp UART (Universal
Asynchronous Receiver Transmitter), các ngăn xếp cảm biến, và node mở mạng
mức cao hơn, và định tuyến chuyên dụng để hỗ trợ bộ thu dữ liệu cảm biến phân
tán. Ứng dụng nguyên khối này chiếm dụng khoảng 3Kb.
Mô hình trùng hợp TinyOS (TinyOS concurrency model) là một mô hình
phân cấp lập lịch hai mức, ở đó các sự kiện đón trước các tác vụ, và các tác vụ
này không đón trước các tác vụ khác. Phần lớn cách hoạt động nằm trong một
dạng các chuyển giao trạng thái nonblocking. Trong vòng một tác vụ, các lệnh
có thể được gọi tới, một lệnh có thể gọi các lệnh cấp dưới, hoặc nó có thể đẩy
các tác vụ tiếp tục làm việc hợp lý song song với các lời triệu gọi của nó. Theo
quy ước, tất cả các lệnh trả về một chỉ thị trạng thái sau dù lệnh đã được công
nhận hay không, để cung cấp một cái bắt tay (handshake) đầy đủ. Do đó tất cả
các thành phần đều có giới hạn lưu trữ, một thành phần có thể cho phép từ trối
các lệnh. Một lệnh có thể khởi tạo một toán tử, ví dụ, nhờ truy cập đến một cảm

biến hoặc gửi một thông báo, di chuyển toán tử được tải ra ngoài đồng thời với
các kích hoạt khác, nhờ sử dụng song song phần cứng hoặc các tác vụ.
Các sự kiện được khởi tạo tại mức thấp nhất nhờ các ngắt phần cứng. Các sự
kiện có thể báo hiệu cho các sự kiện ở mức cao hơn, gọi các lệnh, hoặc đẩy lên
các tác vụ. Các lệnh không thể báo hiệu cho các sự kiện. Dù vậy, một sự kiện
riêng rẽ có thể truyền qua nhiều mức các thành phần, gây ra kích hoạt phụ. Mỗi
khi công việc không thể hoàn tất trong một khoảng thời gian nhỏ có giới hạn,
thành phần có thể ghi lại thông tin liên tục trong khung làm việc của nó và đẩy
lên một tác vụ để hoàn thành công việc. Theo quy ước, các thành phần trừu
tượng hoá phần cứng mức thấp thực thi quá trình ngắt vừa đủ để cho phép các
ngắt hoạt động trước khi báo hiệu sự kiện. Các sự kiện (hoặc các tác vụ được
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 18 -
đẩy lên trong vòng các sự kiện) thực hiện các hoạt động split-phase được khởi
tạo bởi các lệnh, báo hiệu đến thành phần mức cao hơn để hoạt động được hoàn
thành và có thể thông qua dữ liệu của nó.

Hình 1.4: Một biểu đồ thành phần ứng dụng mạng
Bản tin kích hoạt (AM - Active Message) là một kiểu đơn giản, mở rộng cho
truyền thông dựa trên bản tin (message-based) nhờ sử dụng các cuộc gọi thủ tục.
Mỗi thông điệp chứa đựng tên một điều khiển được triệu gọi tới một node đích
theo hướng đến, và một tải trọng dữ liệu. Chức năng điều khiển handler phục vụ
cho hai mục đích là lấy bản tin từ mạng và kết hợp dữ liệu vào đến máy tính
hoặc gửi đi một đáp ứng. Kiểu truyền thông AM là kiểu điều khiển sự kiện và
được thiết kế riêng cho phép một ngăn xếp truyền thông rất nhỏ để xử lý trực
tiếp các gói ra khỏi mạng, trong khi đó nó hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng.
Khởi tạo một AM bao gồm các chỉ định về các đối số dữ liệu, đánh tên điều
khiển handle, yêu cầu truyền dẫn, dò tìm đầy đủ hướng truyền đi. Quá trình
nhận AM bao gồm triệu gọi điều khiển handle trên một bản sao của dữ liệu

truyền đi. Lệnh bản tin gửi đi nhận dạng các phía nhận theo yêu cầu, điều khiển
handle sẽ xử lý bản tin gửi hướng đến và bộ đệm bản tin đầu ra nguồn trong
khung nội hạt. Một bản đăng ký điều khiển handle được giữ lại, và bộ nhận dạng
cho điều khiển handle tên được lấy ra. Bắt tay (handshake) trạng thái cho lệnh
này minh họa khái niệm tổng quát các thành phần quản lý giới hạn các tài
nguyên của chúng.