TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐHTN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN: THIẾT KẾ VI ĐIỀU KHIỂN
Đề bài:
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Giáo viên hướng dẫn: KS Phạm Quốc Thịnh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Dũng
Thân Quang Linh
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009
Mục lục
Trang
Lời nói đầu 3
Mở đầu 3
Chương 1: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) 4
1 - Đặt vấn đề 4
2- Tổng quan về mạng cảm biến không dây 4
2.1. Khái niệm 4
2.2. Cấu tạo của một nút cảm biến 5
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 6
2.4. Kiến trúc giao thức mạng 8
3 - Một số vấn đề về mạng cảm biến không dây 9
3.1. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 9
3.2. Tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây 10
3.3. Giao thức trong mạng cảm biến không dây 16
Chương 2: Chuẩn truyền thông Zigbee IEEE 802.15.4 19
1 - Tổng quan về chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 18
1.1. Đặt vấn đề 18

1.2. Sự ra đời của chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 19
1.3. Ưu điểm của chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 20
1.4. Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee 21
1.5. Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee 21
1.6. Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee 22
2- Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 25
2.1. Tầng vật lý 25
2.2. Vấn đề Layer MAC 27
2.3. Tầng mạng 32
2.4. Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 35
3- Thuật toán định tuyến AODV 36
4- Một số sản phẩm ứng dụng của công nghệ Zigbee 39
Tài liệu tham khảo 41
2
MỞ ĐẦU
Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan
trọng trong đời sống hàng ngày. Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong
quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay
điều khiển giao thông... Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công
nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra những
thiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả
năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãi
các quốc gia có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu...
Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mới, đã được các nước có
nền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiều
thành tựu. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên cứu
và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm
và khả năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến

không dây sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống.
3
CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WIRELESS SENSOR NETWORKS - WSNs)
1 - ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn
trong cuộc sống. Mô hình mạng cảm biến không dây ra đời dựa trên cơ sở
ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây. Nó ra
đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng dụng rộng rãi.
Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như phán
đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật
tự động trong sản xuất công nông nghiệp, điều khiển quy trình, quản lý
kiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát kết cấu công
trình xây dựng. Hiện nay tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng
mạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy,
hệ thống điều hòa nhiệt độ... nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ
rất mẻ ở Việt Nam.
2 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - WSNs:
2.1. Khái niệm:
Mạng cảm biến không dây (WSNs) có thể hiểu đơn giản là mạng
liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection)
trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá
thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ
thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng),
sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài
(vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây là vừa có chức năng

mạng vửa có chức năng cảm nhận. Nó hoạt động trên nguyên lí là tại một
nút mạng sẽ cảm nhận thông số của môt trường cần đo, đo đặc thông số
và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua một trường không dây về trạm
gốc (nút gốc), để trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần
thiết hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết
phải là một máy vi tính mà cũng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ,
phù hợp với đặc thù của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể.
4
Các node mạng thường có chức năng cảm nhận: Cảm ứng, quan sát
môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay
định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ... Các node giao tiếp với nhau
và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp. Do vậy để tiết kiệm
năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động và
trạng thái nghỉ khác nhau. Thông thường thời gian 1 node ở trạng thái
nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Như vậy, đặc trưng cơ bản
nhất của một mạng cảm biến không dây chính là giá thành, mật độ node
mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu,
năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động.
2.2. Cấu tạo của một nút cảm biến:
Nút cảm biến là một thiết bị điện tử nhỏ, có khả năng thu thập, xử lý và
truyền thông thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài.
5
Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây
Hình 1.2. Cấu tạo của một nút cảm biến
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra
bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ
xử lý.
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit),
quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các

nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào
năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc
vào từng ứng dụng. 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. Các bộ phận di động đôi
lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm
vụ đã ấn định. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng
module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt
khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá
thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường.
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây - WSNs:
Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số
lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài
nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc
điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc
điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không
hoạt động.
+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi
phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo
kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của

mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
+ Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên
các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước
6
phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ
cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người
kiểm soát, thích nghi với môi trường.
+ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần
hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm
việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên
trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học
hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
+ Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được
kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên
bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự
hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được
chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm
biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ
thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng
ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ
dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong
phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
+ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,
mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên
cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định.
+ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không
dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng
lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng
lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm

biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Do đó hiện nay người ta đang tập
trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm
biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra
các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu
đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),
giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
* Ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền
thống:
- Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồm nhiều
hơn một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà
không cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm. Mỗi nút trong mạng tùy biến không
dây hoạt động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến.
7
- Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút còn mạng cảm
biến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng.
- WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng
được xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng.
- Thêm các dịch vụ như thông tin định vị có thể được yêu cầu trong mạng
cảm biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số
liệu cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc.
- Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thông
nhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn.
- Truyền thông trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn.
2.4. Kiến trúc giao thức mạng WSNs:
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và các
mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc
cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di
động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
+ Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn

năng lượng của nó. Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một
bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm
biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham
gia vào quá trình định tuyến .
+ Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
+ Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện
nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
8
+ Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát
hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng
rộng rãi trong mạng cảm biến.
+ Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát
hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì
môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển
truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng
tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
+ Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên
tắc:
 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng
tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
+ Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập
thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
+ Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng
dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
3- MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ WSNs:

3.1. Định tuyến trong WSNs:
Định tuyến trong WSNs rất khó khăn do các đặc tính riêng phân
biệt những mạng này với các mạng không dây khác như các mạng ad-hoc
hoặc các mạng tế bào.
Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây
dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển
cho việc thiết lập ID là cao. Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyền
thống không áp dụng được cho WSNs.
Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng
dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nút tới
một nút gốc.
Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.
Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút mạng WSNs thường
có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến có
thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí.
Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì
việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí. Hiện nay chưa thích hợp cho
9
việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho
mục đích này vì phụ thuộc vào giá thành triển khai mạng.
Nhìn chung, dựa vào cấu trúc mạng WSNs có thể chia thành:
 Định tuyến ngang hàng (flat-based routing)
 Định tuyến phân cấp (hierarchical-based routing)
 Định tuyến theo vị trí (location-based routing)
Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc
chức năng như nhau. Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò
khác nhau trong mạng. Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của các
nút cảm biến được sử dụng để định tuyến số liệu.

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của
hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện
tại và các mức năng lượng của nó. Những giao thức này cũng có thể được
chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết
hoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các
giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác
hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà từ nguồn tìm đường tới đích.
Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có
yêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính
toán theo yêu cầu. Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên. Khi
các nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức định tuyến theo
bảng hơn là với các giao thức tương tác. Một lượng công suất đáng kể được
sử dụng để định tuyến và thiết lập các giao thức tương tác. Một số giao thức
khác dựa vào định thời và thông tin vị trí. Để khái quát, có thể sử dụng phân
loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (định tuyến tiêu
chuẩn) như sau:
Hình 1.4 – Giao thức định tuyến trong WSNs dựa theo phân loại tiêu chuẩn
3.2. Tối ưu năng lượng trong WSNs:
3.2.1. Vấn đề năng lượng trong WSNs:
Năng lượng trong mạng cảm biến không dây thường bị lãng phí do:
- Truyền bị xung đột phải truyền lại
10
- Listening lâu sẽ gây lãng phí (Chỉ nghe khi cần sẽ tiết kiệm hơn)
- Điều khiển việc nhận và gửi message
* Về cơ bản: Năng lượng tiêu thụ gồm 2 phần:
- Năng lượng thiết bị E
c
(RF front-end, Digital signal processing ...)
- Năng lượng truyền sóng E
tr

(năng lượng cung cấp cho bộ khếch đại
công suất phía trước anten).
Để giảm năng lượng E
tr
thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lượng
(liên quan đến công nghệ và cấu trúc ...) và giải thuật xử lý tín hiệu cũng
không quá phức tạp, tối ưu về tiêu thụ năng lượng. Để giảm năng lượng E
tr
thì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa Coding, interleaver,
modulation... channel estimation, combination, Decoding) để thiết bị thu có
thể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít năng
lượng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất).
Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêu
thụ của processor và số lượng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nên
không phù hợp với WSN (giá thàng node < 10 usd). Giải quyết bài toán
năng lượng ở physical laỷe chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lượng
truyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu.
Đối với khoãng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trường
truyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị E
c
thường > E
tr
. Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì năng
lượng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênh
truyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyền
sóng cáng lớn, E_tr chiếm tỷ trọng càng lớn.
+ Liên quan đến routing protocol: Trong mạng adhoc nói chung, và
sensor nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theo
thời gian (do node di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời
tiết, do node hết năng lượng). Do đó, làm thế nào để xây dựng được thuật

toán routing nhanh chóng mà không cần phải flood tất cả các node trong
mạng. Ngoài ra nếu một node mà năng lượng của nó thấp hơn một mức nào
đó (threshold) thì node đó có thể sẽ không tham gia vào việc relay thông tin
từ node này sang node khác. Có nhưng thuật toán nhằm tìm những đường đi
mà sao cho tổng năng lượng tiêu tốn (multi-hop) là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữa
lượng data truyền và năng lượng tiêu thụ là cao nhất... Ngoài ra một node có
thể chuyển sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng, sau đó wake-up để
nhận và gửi thông tin đi.
+ Ngoài ra năng lượng còn tiêu tốn nếu node phải thực hiện nhiều
computation. Thông tin có thể được xử lý trước khi gửi đi để giảm lượng
11
thông tin "sống" (đôi khi chiếm nhiều dung lượng). Ngoài ra computation
này cũng không nên tập trung ở một số node đặc biệt vì như thế nhưng node
này sẽ nhanh chóng hết năng lượng.
3.2.2. Giải pháp tiết kiếm năng lượng tại phần cứng:
- Tăng công suất nguồn nuôi: Liên quan đến công nghệ làm nguồn,
điển hình là pin (pin nội pin ngoại), năng lượng tự nhiên...
- Giảm tiêu hao hệ thống: Thiết kế phần cứng hiệu quả, làm giảm
tiêu hao năng lượng đối với một đối tượng nào đó.
3.2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng bằng phương thức truyền tin:
Đối với WSNs thì năng lượng là vấn đề quan trọng bậc nhất, mà đối
với mỗi nút sensor vấn đề tiêu tốn năng lượng lại chủ yếu dùng vào việc sử
dụng bộ truyền sóng RF. Vì vậy cơ chế quản lý điều khiển bộ thu phát RF vô
cùng quan trọng. Nếu không cần thiết, nút mạng có thể đi vào trạng thái
Sleep để tiết kiệm năng lượng. Nhưng khi truyền bị xung đột, dữ liệu truyền
bị mất, quá trình truyền thất bại, năng lượng tiêu tốn không nhỏ. Để quá
trình này hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nhất, WSNs sử dụng hai phương
pháp truy cập kênh trong mạng báo hiệu và không báo hiệu.
* Trong mạng không báo hiệu: Cơ chế truy nhập kênh CSMA-CA
(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance - Phương pháp

tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng mang) được sử dụng.
Trong kiểu mạng này, các bộ định tuyến có bộ thu phát luôn luôn tích cực,
nên yêu cầu cung cấp năng lượng cũng phải linh hoạt hơn.
12
Hình 1.5. Phương pháp truy nhập kênh CSMA-CA
CSMA/CA là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng
không dây IEEE 802.15.4. Các thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liên
tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền Đa truy cập (multiple
access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài nguyên
của một mạng (ở đây là mạng không dây). Tất cả các thiết bi đều có quyền
truy cập như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả khi thiết bị tìm cách
nhận biết mạng đang sử dụng hay không,vẫn có khả năng là có hai trạm
tìm cách truy cập mạng đồng thời.Trên các mạng lớn, thời gian truyền từ
đầu cáp nầy đến đầu kia là đủ để một trạm có thể truy cập đến cáp đó
ngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến.Nó tránh xung đột bằng
cách là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyền
thật sự.
Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trứớc khi phát
dữ liệu hoặc trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP. Thuật toán
này sẽ không sử dụng để phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack,
hoặc là khung tin dữ liệu trong phần CFP. Nếu bản tin báo hiệu đựơc sử
dụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian được
dùng, ngựợc lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian sẽ đựợc sử
dụng. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp thuật toán đều được bổ xung bằng
cách sử dụng khối thời gian backoff bằng với thời gian của tham số
aUnitBackoffPeriod. Trong thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA gán khe
thời gian, biên của khoảng thời gian backoff của mỗi thiết bị trong mạng
PAN được sắp thẳng hàng với biên của khe siêu khung của thiết bị điều
phối mạng PAN. Trong thuật tóan này, mỗi lần thiết bị muốn truyền dữ liệu
trong CAP thì nó phải xác định biên thời gian backoff kế tiếp. Trong thuật

toán CSMA-CA không gán khe thời gian thì khoảng thời gian backoff của
một thiết bị trong mạng không cần phải đồng bộ với khoảng thời gian
backoff của thiết bị khác.
Mỗi thiết bị chứa 3 biến số: NB, BW, BE. Trong đó NB là số lần mà
thuật toán này bị yêu cầu rút lại trong khi đang cố gắng truyền. Giá trị ban
đầu của nó là 0 trước khi truyền. Biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, nó
cho biết khoảng thời gian cần thiết để làm sạch kênh truyền trước khi phát,
giá trị ban đầu của nó là 2 trước khi cố gắng phát và quay trở lại 2 khi kênh
truy nhập bị bận. Biến số CW chỉ sử dụng cho thuật toán gán khe thời gian
CSMA-CA. Biến số BE (backoff_exponent) cho biết một thiết bị phải chờ
bao lâu để có thể truy nhập vào một kênh. Cho dù bộ thu của thiết bị làm
việc trong suốt khoảng thời gian CAP của thuật tóan nhưng nó vẫn bỏ qua
bất kỳ khung tin nào nhận đựơc trong khoảng thời gian này.
Trong thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian, NB, CW, BE được
thiết lập trước, biên của khoảng thời gian backoff kế tiếp cũng được xác
13
định trước. Trong thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian thì NB và
BE được thiết lập trước (bước 1). Tầng MAC sẽ trễ ngẫu nhiên trong phạm
vi 0 đến 2*BE -1(bước2) sau đó yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá truy
kênh truy nhập xem là rỗi hay bận.(bứớc3). Nếu kênh truyền bận(bước4),
tầng MAC sẽ tăng NB và BE lên 1, nhưng cũng luôn đảm bảo rằng giá trị
này nhỏ hơn aMaxBE. Trong CSMA-CA gán khe thời gian thì việc truyền
khung tin, Ack phải được thực hiện trước khi kết thúc phần CAP trong siêu
khung, nếu không sẽ phải chờ đến CAP của siêu khung kế tiếp, trong thuật
toán này thì CW có thể cũng reset lại thành giá trị 2. Nếu giá trị của NB
nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tham số macMaxCSMABackoffs, thì sẽ quay lại
bứớc2 đồng thời thông báo lỗi truy nhập kênh.
Nếu kênh truyền là rỗi (bước5) , trong CSMA-CA gán khe thời gian,
tầng MAC phải giảm CW đi 1. nếu CW ≠ 0 quay trở lại bước 3. Nếu CW=0
thì thôgn báo truy nhập kênh thành công. Còn trong CSMA-CA không gán

khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi.
* Trong mạng báo hiệu: Truy nhập kênh sử dụng cấu trúc
superframe. Định dạng của superframe được định nghĩa bởi coordinator và
được chia thành 16 khe thời gian bằng nhau. Khung báo hiệu được truyền
trong khe thời gian đầu tiên của mỗi superframe. Nếu coordinator không
muốn sử dụng cấu trúc superframe, nó chỉ việc tắt sự truyền nhận báo hiệu.
Báo hiệu được sử dụng để đồng bộ những thiết bị gắn vào, để nhận ra PAN
và mô tả cấu trúc của superframe. Bất kỳ thiết bị nào muốn truyền thông
trong thời gian truy nhập tranh giành giữa hai báo hiệu sẽ tranh đua với các
thiết bị khác sử dụng một khe cơ chế CSMA-CA. Tất cả các giao dịch sẽ
được hoàn thành bởi thời gian báo hiệu mạng tiếp theo. Superframe có thể
có một phần tích cực và một phần không tích cực.
Hình 1.6. Cấu trúc superframe
Đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông dữ liệu, coordinator PAN
có thể dành những phần của superframe tích cực cho ứng dụng đó. Những
14
phần này gọi là những khe thời gian đảm bảo (GTS). GTS hình thành chu
kỳ tự do tranh giành (CFP), nó luôn hiện ra ở phần cuối của superframe
tích cực, bắt đầu ở một slot ranh giới ngay sau CAP. Coordinator PAN có
thể cấp phát tới bẩy GTS này. Mỗi GTS có thể chiếm giữ nhiều hơn một
khe thời gian. Tuy nhiên một phần của CAP sẽ để lại dành cho các thiết bị
khác truy nhập mạng hay các thiết bị mới muốn tham gia vào mạng.
Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt động
trong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho
thiết bị đó. Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi
mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó. Thiết
bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe
thời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong mạng. Một khe thời
gian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung. Thiết bị điều phối
mạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn

là nó có đủ thẩm quyền trong siêu khung.
Một khe thời gian có thể được chiếm hữu trước khi sử dụng nếu có
sự yêu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN. Tất cả các khe thời gian GTS
đều được đặt liền nhau ở cuối của siêu khung sau phần CAP, và hoạt động
theo cơ chế FCFS(first-come-first-serve) đến trước dùng trứơc. Mỗi khe
thời gian GTS có thể đựợc giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và một
khe thời gian GTS có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bị
chiếm hữu nó không dùng nữa.
Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản lý khe thời
gian. Để quản l y mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưu
trữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kết
nối. Mỗi thiết bị trong mạng có thể yêu cầu một khe thời gian phát hay một
khe thời gian thu. Để chiếm hữu được một khe thời gian thì thiết bị đó phải
lưu trữ thông tin khe bắt đầu, độ dài và phương hướng. Nếu một thiết bị
đựơc cấp phát một khe thời gian GTS thu, nó sẽ có toàn quyền sử dụng trọn
vẹn khe thời gian đó để nhận dữ liệu. Tương tự như vậy thiết bị điều phối
mạng PAN cũng có thể có toàn quyền sử dụng trọn vẹn khe thời gian đó để
nhận đữ liệu khi có một thiết bị khác chiếm khe thời gian phát.
Một thiết bị yêu cầu chiếm hữu khe thời gian mới thông qua lệnh yêu
cầu GTS với các tính chất (độ dài, thu hay phát?,…) thiết lập theo yêu cầu
ứng dụng. Để xác nhận lệnh này thì thiết bị điều phối sẽ gửi một khung tin
Ack. Sau khi phát khung tin Ack thì thiết bị điều phối sẽ kiểm tra khả năng
hiện thời của siêu khung dựa trên độ dài của phần CAP và độ dài khe thời
gian GTS được yêu cầu. Siêu khung sẽ sẵn sàng nếu độ dài khe thời gian
15
GTS không làm giảm độ dài của phần CAP đi quá độ dài nhỏ nhất của CAP được
qui đinh trong tham số aMinCAPLength. Thiết bị điều phối mạng PAN thực
hiện quyết định của nó bên trong siêu khung aGTSDescPersistenceTime.
Trong khi xác nhận gói tin Ack từ thiết bị điều phối thì thiết bị này vẫn tiếp tục
theo dõi thông tin báo hiệu và chờ siêu khung aGTSDescPersistenceTime.

Khi thiết bị điều phối quyết định xem xem nó có sẵn sàng cho yêu cầu GTS
không, nó sẽ phát đi mô tả về GTS với chi tiết yêu cầu và đoạn ngắn địa chỉ
của thiết bị yêu cầu. Nó sẽ chỉ ra độ dài và khe GTS đầu tiên trong siêu
khung rồi thông báo cho tầng trên về việc cấp phát khe GTS mới này. Nếu
sau khi kiểm tra mà thấy khả năng của siêu khung là không đủ để cấp phát
theo yêu cầu về GTS, thì khe đầu tiên sẽ được đánh số 0 tới độ dài khe GTS
lớn nhất có thể cung cấp được hiện thời. Những mô tả về GTS sẽ đựơc giữ
trong khung tin báo hiệu beacon cho aGTSPersistenceTime. Trong khi xác
nhận khung tin báo hiệu beacon, thiết bị sẽ xử ly và thông báo lên tầng trên.
Tượng tự như khi yêu cầu cấp phát GTS, một thiết bị cho biết nó yêu
cầu được giải phóng sự chiếm hữu GTS thông qua lệnh yêu cầu giải phóng
với các thông số của GTS đang tồn tại. Sau đó thì khe thời gian này sẽ được
tự do. Thiết bị điều phối PAN phải đảm bảo rằng không có khoảng trống náo
xuất hiện trong CFP khi giải phóng khe thời gian GTS, độ dài maximum
CAP nhờ thế mà được tăng lên (độ tăng đúng bằng độ dài của khe thời gian
đựoc giải phóng).
3.3. Giao thức trong WSNs:
Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của các
nút sao cho việc tiêu hao năng lượng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫn
đảm bảo độ tin cậy. Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà ngư ời
ta sử dụng các giao thức khác nhau.
Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:
+ Giao thức đồng bộ theo thời gian.
+ Giao thức theo vị trí.
3.3.1. Đồng bộ theo thời gian:
- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một
hiện tượng xảy ra.
- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do đó
cần đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến Sink mạng.
- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hình

mạng.
- Các nút cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động
thường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng lượng nên
thường có chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng.
16