Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây vào giám sát sự thay đổi của môi trường

MỞ ĐẦU
1. Lời nói đầu:
Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học
kỹ thuật nói chung và ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng
cảm biến không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của
khoa học công nghệ. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm biến
không dây là sự kết hợp của việc cảm biến, tính toán và truyền
thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng
cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi
ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức
lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao. Sức mạnh của
WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết
bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống. Sử dụng
những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để
giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng
thiết bị...
Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến
không dây, căn cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các
hệ thống giám sát các thông số trong môi trường để phục vụ cho
nhiều nghành, nhiều lĩnh vực, đề tài hướng tời nội dung cần
nghiên cứu là ”Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây
vào giám sát sự thay đổi của môi trường”.
2. Mục đích nghiên cứu
 Tìm hiểu về mạng máy tính, công nghệ mạng không
dây.

1 | Page


 Nghiên cứu công nghệ mạng cảm biến.
 Xây dựng mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
 Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến.
 Đề tài nghiên cứu môi trường truyền dữ liệu của các
node trong một phạm vi nhỏ, trong một lĩnh vực cụ thể.
4. Phương pháp nghiên cứu:
 Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giám sát sự
thay đổi môi trường. Tiến hành theo các bước sau:
 Thu thập dữ liệu
 Phân tích các tài liệu và thông tin liên quan.
 Mô phỏng và xây dựng ứng dụng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
 Nghiên cứu và ứng dụng mô phỏng mạng cảm biến dựa
trên yêu cầu thực tế.
 Đưa ra được các ứng dụng liên quan đến việc bảo vệ các
công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi
trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, ....
6. Kết cấu:
Chương 1: Tổng quan về mạng không dây
Trình bày khái quát về mạng không dây, các kỹ thuật
truyền tín hiệu trong mạng không dây, các mô hình mạng không

2 | Page


dây, bảo mật trong mạng không dây và đánh giá ưu nhược điểm
của mạng không dây.
Chương 2: Các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
Trình bày những khái niệm của mạng cảm biến, phân tích
các đặc điểm của mạng cảm biến không dây ZigBee và các giao
thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến..

Ngoài ra chương 2 cũng đi vào tìm hiểu khả năng ứng dụng rộng
rãi của mạng cảm biến trong đời sống.
Chương 3: Mô hình giao thức của ZỉgBee/IEEE 802.15.4.
ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ mới phát triển. Công
nghệ này xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng
trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE
802.15.4. Trong chương này sẽ trình bày gồm các phần:
Tầng vật lý ZigBee/ IEEE 802.15.4
Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/ IEEE 802.15.4 MAC
Tầng mạng của ZigBee/ IEEE 802.15.4
Tầng ứng dụng của ZigBee/ IEEE 802.15.4

Chương 4 : ứng dụng mạng không dây giám sát sự thay đổi của môi
trường.
Chương này sẽ xây dựng mô hình ứng dụng của đề tài, các
phần của chương gồm:

3 | Page


 Mô hình tổng quan Hệ thống.
 Tính toán và Thiết kế phần cứng.
 Thiết kế phần mềm cho việc thu thập tín hiệu.
 Kết quả mô phỏng.

4 | Page


PHẦN l: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1.

GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Nôị dung của chương gồm các phần:
 Mạng máy tính.
 Tổng quan về mạng không dây.
 Đánh giá mạng không dây.

1.2.

MẠNG MÁY TÍNH
1.2.1. Mở đầu
Mạng máy tính là một tập các máy tính và một số thiết bị

khác được nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một
kiến trúc nào đó. Mục đích chính của việc nối mạng máy tính là
trao đổi thông tin và chia sẻ các thiết bị dùng chung giữa những
máy tính trong mạng với nhau, mà cụ thể ở đây là giữa những
người sử dụng trong mạng.
Trong hệ thống mạng, ngoài máy tính còn có thiết bị dùng
chung như máy in, modem và thiết bị hỗ trợ thiết lập mạng như
hub, modem, repeater, router, ...
1.2.2. Phân loại mạng máy tính
 Phân loại theo khoảng cách địa lí.
 Phân loại theo kiến trúc của mạng.

5 | Page


 Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch.
 Phân loại theo hệ điều hành mạng.

1.3. TỔNG QUAN VÈ MẠNG KHÔNG DÂY
1.3.1. Khái niêm
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm
lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay
vì các đường truyền dẫn bằng dây. Nói một cách khác mạng
không dây là mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai hay
nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức
chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay chính xác là không
cần sử dụng dây mạng.
1.3.2. Phân loại mạng không dây
Một cách truyền thống để phân loại các công nghệ mạng
vô tuyến là dựa vào vùng phủ sóng của một trạm phát sóng.

Hình 1.1 Phân loại mạng vô tuyến

6 | Page


1.3.3. Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây
Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp.
CSMA/CA.
RTS/CTS.
1.3.4. Các mô hình mạng không dây
Access Point.
Mô hình Ad-Hoc.
Mô hình Infrastructure.
1.3.5. Bảo mật trong mạng không dây
1.4. ĐÁNH GIÁ MẠNG KHÔNG DÂY
1.4.1. Ưu điểm:
 Cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ

nơi đâu trong khu vực được triển khai (nhà hay văn
phòng).
 Với sự phát triển của mạng không dây công cộng, người
dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu.
 Người dùng có thể duy tó kết nói mạng khi họ đi từ nơi
này đến nơi khác.
 Việc thiết lập hệ thống mạng đơn giản, dễ lắp đặt và mở
rộng.

7 | Page


1.4.2. Nhược điểm:
 Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng
bị tấn công của người dùng là rất cao.
 Một mạng chuẩn 802.1 lg với các thiết bị chuẩn chỉ có
thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét. Để đáp
ứng yêu cầu cần phải mua thêm Repeater hay access
point, dẫn đến chi phí gia tăng.
 Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên dễ bị
nhiễu. Tốc độ của mạng không dây (1- 125 Mbps) chậm
so với mạng sử dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps).

8 | Page


1.5. KÉT LUẬN
Mạng không dây là một khái niệm rộng, chương này đã
trình bày một cách khái quát về hệ thống mạng không dây. Với
những ưu điểm về mặt công nghệ khả năng đa truy cập tốt hơn

mạng hữu tuyến, thi công lắp đặt nhanh, thích hợp với địa hình
không bằng phẳng đồi núi nơi mạng hữu tuyến rất khó triển khai,
lắp đặt, vận hành, cùng với sự đơn giản và tiện lợi trong việc kết
nối, tính ổn định và không ngừng cải tiến về kỹ thuật đã giúp cho
mạng không dây có mặt hầu hết trong các ứng dụng hiện đại, trở
thành xu hướng kết nối tất yếu của tương lai. Vì vậy mà luận văn
đã chọn nghiên cứu theo hướng công nghệ mạng không dây.

9 | Page


PHẦN II: CÁC KỸ THUẬT XÂY DƯNG MẠNG CẢM BIÉN KHÔNG
DÂY

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này trình bày những khái niệm của mạng cảm biến,
phân tích các đặc điểm của mạng cảm biến không dây ZigBee và các
giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến..
Ngoài ra chương 2 cũng phân tích những ứng dụng của mạng cảm
biến trong hiện tại và phát triển trong tương lai.
2.2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.2.1. Giới thiêu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây
đã được phát triển và được triển khai trong nhiều ứng dụng như: theo
dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự,
chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc thiết bị, theo dõi và giám sát
các bác sỹ, bệnh nhân, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương
tiện xe cộ...
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ
thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử...đã tạo ra những mạch

cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất
tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến
không dây.
Vậy mạng cảm biến không dây là mạng bao gồm nhiều nút cảm
biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua
các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm
mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục
10 | P a g e


về môi trường tự nhiên.
2.2.2. Các thành phần cơ bản cho mạng cảm bỉến
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được
triển khai dầy đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập
thông tin dữ liệu. Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho
phép triển khai ngẫu nhiên trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu
vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức mạng và cộng tác làm việc của các
cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản của mạng này. Với số
lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền
thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với
truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so
với truyền khoảng cách xa.

Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor
field). Mỗi nút 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 yêu cầu từ nút Sink đến
các nút 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 trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua
11 | P a g e


Internet hay vệ tinh (Satellite).

Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến,
bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể,
nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí,
bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm
biến được thể hiện trên hình 2. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành
phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC).
Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó 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 nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm
vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút 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 nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là
pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế
được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể
được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, 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 nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết
bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu
cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.

Các thành phần của nút cảm biến
12 | P a g e


2.2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
 Kích thước vật lý nhỏ gọn.
 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.
 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao.
 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế.
 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng.
 Hoạt động tin cậy.
 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây.
2.3. KHÁI QUÁT VỀ ZIGBEE/ IEEE 802.15.4:
2.3.1. Khái niêm
 Zigbee là một giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE
802.15.4.Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những
ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có
khả năng linh động trong phạm vi rộng. Chuẩn Zigbee được
phát triển và úc tiến bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ trợ
từ hơn 200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, ATMEL,
NI, NEC, TEXAS INSTRUMENTS, EPSON....
 Về bản chất Zigbee cũng một chuẩn giao tiếp không dây như
những chuẩn không dây khác : UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G,
Bluetooth...nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc
tính vật lý riêng và do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng
dụng nhất định.

13 | P a g e

Các ứng dụng không dây
Theo như hình trên có thể thấy rằng chuẩn Zigbee có đặc điểm là
phạm vi hoạt động hẹp, tốc độ truyền Zigbee thích hợp cho các sensor
không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển.
2.3.2. Ưu nhược điểm của Zigbee:
 Ưu điểm :
 Giá thành thấp.
 Tiêu thụ công suất nhỏ.
 Kiến trúc mạng linh hoạt.
 Được hỗ trợ bởi nhiều công ty.
 Nhược điểm:
 Số lượng các nút lớn (65k).
 Lỗi ở một điểm chính có thể gây lỗi hệ thống.
 Tốc độ truyền thấp.
 Chưa có đầy đủ các thiết bị để phát triển.
2.3.3. Thành phần của mạng LR-WPAN:
Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần
cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full function
device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt
động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị
14 | P a g e


đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD (reduced-function
device). Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động
như một bộ điều phối mạng PAN. FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái
: là điều phối viên của toàn mạng PAN (personal area network), hay là điều
phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong
mạng. RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi

lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều
FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.
2.3.4. Kiến trúc liên kết mạng
Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc
liên kết mạng cho công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng
Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc
mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó cụm hình cây. Sự đa dạng về cấu trúc
mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi.
Hình dưới cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tô pô sao, tô pô
mắt lưới, tô pô cây.

Cấu trúc liên kết mạng hình sao:
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị
với một thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối
mạng PAN. Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một
15 | P a g e


mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình
sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là
PAN ID(PAN identifier), nó cho phép mạng này có thể hoạt động một
cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối
mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN
duy nhất,các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ
điều phối mạng PAN.

Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới ( mesh ):
Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN
coordinator). Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao
và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết

nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ
sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo
lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm
kê (cảnh báo cháy rừng….).

16 | P a g e


Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree):
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa
số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một
nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể
hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các
thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui
mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này mặc dù có
thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng
PAN (PAN coordinator). Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra
nhóm đầu tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán
cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là
CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0 (cluster
identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá
nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung tin này có
thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN
(PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị
đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của
nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể
kết nối vào mạng. Từ đó có thể hình thành được các CLH1,CLH2,...
17 | P a g e

2.4. ĐỊNH TUYÉN TRONG MẠNG CẢM BIẾN
2.4.1. Những thách thức trong vấn đề định tuyến:
 Tính động của mạng:
Mạng cảm ứng bao gồm ba phần chính, đó là các nút cảm ứng, nút
sink và các sự kiện cần giám sát. Trừ một vài trường hợp thiết lập các nút
cảm ứng di động, còn lại hầu hết các nút cảm biến được giả thiết là cố
định. Tuy nhiên trong một số ứng dụng, cả nút gốc và các nút cảm biến có
thể di chuyển . Khi đó các bản tin chọn đường được lấy từ các nút di động
hay được chuyển đến các nút di động sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề hơn
như đường liên lạc, cấu hình mạng, năng lượng, độ rộng băng... Các sự
kiện cảm nhận có thể là tĩnh hoặc động, tùy thuộc vào các ứng dụng.
 Sự triển khai các node:
Việc phân bố nút trong WSN phụ thuộc vào ứng dụng và có thể
được xác định trước hoặc tự phân bố. Trong trường hợp được xác định
trước, các nút được đặt bằng tay và dữ liệu được định tuyến thông qua các
đường đã định. Tuy nhiên trong các hệ thống tự tổ chức, các nút cảm ứng
được phân bố ngẫu nhiên, tạo ra một cấu trúc theo kiểu ad hoc. Trong các
cấu trúc đó, vị trí của các sink hay là các nút chủ cũng góp phần không nhỏ
vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng và hoạt động của mạng. Trong hầu
hết các cấu hình mạng, liên lạc giữa các nút cảm biến thường có cự ly ngắn
do các hạn chế về năng lượng và băng thông. Do đó việc chọn đường sẽ
thực hiện qua nhiều bước nhảy.
 Tính đến năng lượng:
Trong quá trình xây dựng mạng, quá trình định tuyến bị ảnh hưởng
mạnh bởi năng lượng. Vì năng lượng truyền đi của sóng vô tuyến là một
hàm suy hao theo khoảng cách và đặc biệt suy giảm mạnh trong trường
hợp có nhiều vật cản, định tuyến đa bước nhảy (multihop) sẽ tiêu thụ ít
năng lượng hơn là việc truyền trực tiếp. Tuy nhiên, định tuyến đa bước
nhảy cần một số lượng lớn các tiêu đề (overhead) để điều khiển cấu hình
và điều khiển truy nhập đường truyền. Định tuyến trực tiếp sẽ tốt hơn trong

trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường
hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định
tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn. Trong WSN đa bước nhảy, mỗi
nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm biến
hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi
18 | P a g e


cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức
lại mạng.
 Phương pháp báo cáo số liệu:
Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu
trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện,
theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này.
Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu
cầu giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm
biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu
cầu theo chu kỳ thời gian xác định.
Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút
cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính
cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu
cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng.
Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ
thuộc thời gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ
phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng
lượng và sự ổn định tuyến.
 Khả năng của các node:
Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là
có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như
nhau. Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có

thể phải thực hiện các chức năng cụ thể như truyền, cảm nhận và tập hợp,
vì thế việc kết hợp ba chức năng trong cùng một thời điểm có thể nhanh
chóng làm tiêu hao năng lượng của nút đó.
Các nút không đồng nhất kết hợp với nhau đã tạo ra nhiều vấn đề kĩ
thuật liên quan đến định tuyến. Ví dụ một vài ứng dụng cần phải kết hợp
nhiều sensor để kiểm tra nhiệt độ, áp suất và độ ẩm của môi trường xung
quanh, phát hiện sự dịch chuyển thông qua tín hiệu âm thanh và ghi lại
hình ảnh hoặc tín hiệu âm thanh của các vật chuyển động. Tốc độ đọc của
các sensor này có thể khác nhau, vì thế với những môi trường không đồng
nhất như vậy việc định tuyến dữ liệu gặp nhiều khó khăn hơn. Ví dụ, các
giao thức phân cấp chỉ rõ nút chủ nhóm khác so với các nút cảm biến bình
thường khác. Những nút chủ nhóm này có thể được chọn từ các nút cảm
biến phân bố hoặc các nút mạnh hơn các nút cảm biến khác về công suất,
băng thông và bộ nhớ. Do đó, nhiệm vụ truyền tin tới nút gốc được tập
19 | P a g e


trung bởi một nhóm các nút chủ nhóm.
 Tập trung / hợp nhất dữ liệu
Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để
giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải
được tập trung lại. Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều
nguồn khác nhau bằng việc dùng các chức năng như nén (suppression), lấy
min (min), lấy max (max) và lấy trung bình (average). Các chức năng trên
có thể được thực hiện một phần hoặc toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng.
Việc tinh toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so với giao tiếp, và quá trình
tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng kể. Kĩ thuật này
được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến. Trong một số cấu
trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định cho các nút
nhiều năng lượng và chuyên dụng. Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ

thuật xử lý tín hiệu.
2.4.2. Định tuyến trung tâm dữ liệu
Flooding và gossiping.
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)
Là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục
tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có
hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng.
Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp
dữ liệu. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này là các nút
trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào
được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến
nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều
này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến
nút quan tâm loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và
giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ
miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng chất vì các nút có thể chỉ giới
hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến. Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ
quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền
20 | P a g e


hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể
giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các
gói. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của
mạng. Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức
này sử dụng ba loại bản tin.

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:
 Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các
nút.

 Bước 2: REQ (Request) để yêu cầu dữ liệu cần quan tâm. Sau
khi nhận được ADV các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi
REQ để yêu cầu lấy dữ liệu.
 Bước 3: bản tin DATA, bản tin này thực sự chứa dữ liệu được
cảm biến và kèm theo mào đầu miêu tả dữ liệu.
 Bước 4: sau khi nút này nhận dữ liệu nó sẽ chia sẻ dữ liệu của
nó cho các nút còn lại trong mạng bằng việc phát bản tin ADV
chứa miêu tả dữ liệu (metadata).
 Bước 5: sau đó các nút xung quanh lại gửi bản tin REQ yêu
cầu dữ liệu.
21 | P a g e


 Bước 6: là DATA lại được truyền đến các nút mà yêu cầu dữ
liệu này.
Tuy nhiên giao thức SPIN cũng có hạn chế khi mà nút trung gian
không quan tâm đến dữ liệu nào đó, khi đó dữ liệu không thể đến được
đích.

Truyền tin trực tiếp:
Đây là giao thức trung tâm dữ liệu đối với việc truyền và phân bổ
22 | P a g e


thông tin trong mạng cảm biến không dây. Mục tiêu chính là tiết kiệm
năng lượng để tăng thời gian sống của mạng để đạt được mục tiêu này,
giao thức này giữ tương tác giữa các nút cảm biến, dựa vào việc trao đổi
các bản tin, định vị trong vùng lân cận mạng. Sử dụng sự tương tác về vị
trí nhận thấy có tập hợp tối thiểu các đường truyền dẫn. Đặc điểm duy nhất
của giao thức này là sự kết hợp với khả năng của nút để có thể tập trung dữ

liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.
Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest
(thông tin yêu cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient,
reinforcements. Directed disffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe
trong đó một người kiểm tra (tại sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest)
bằng một cặp thuộc tính-giá trị.
Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s
và trong một miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như
sau:
Cặp thuộc tính – giá trị
mô tả
Type = temperature
kiểu dữ liệu cảm biến
Start = 01:00:00
thời gian bắt đầu
Interval =1s
báo cáo sự kiện chu kỳ là 1s
Duration = 10s
thời gian sống của interes (cho 10s)
Location = [24,48,36,40]
ở trong miền này
Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:
Type = temperature
kiểu của dữ liệu cảm biến
Valus = 38.3
giá trị nhiệt độ được đọc
Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm đọc)
Location = [30,38]
báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y
2.4.3. Định tuyến phân cấp:

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để duy trì hiệu quả việc
tiêu thụ năng lượng của các nút cảm ứng bằng việc đặt chúng trong giao
tiếp multihop trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và
hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến sink. Sự hình thành
các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của sensor và vùng lân cận
của sensor so với các nút chủ của cụm. LEACH là một trong số những
cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng. Ý tưởng
23 | P a g e


của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác
phát triển.
 LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy):
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp.
Đây là giao thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các
trạm cơ sở.
Mục tiêu chính của LEACH là:
Mở rộng thời gian sống của mạng
Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi nút mạng
Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng
LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các
cụm, mỗi cụm được quản lý bởi nút chủ. Nút chủ thực hiện nhiều nhiệm
vụ. Đầu tiên là thu lượm dữ liệu theo chu kỳ từ các nút thành viên, trong
quá trình tập trung dữ liệu nút chủ sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư
thừa về những dữ liệu giống nhau. Nhiệm vụ thứ hai đó là nút chủ sẽ trược
tiếp truyền dữ liệu đã được tập hợp lại đến các trạm cơ sở, việc truyền này
thực hiện theo kiểu single hop. Nhiệm vụ thứ ba là LEACH sẽ tạo ra mô
hình ghép kênh theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access),
mỗi nút trong cụm sẽ được gán một khe thời gian mà có thể sử dụng để
truyền tin.

Mô hình mạng LEACH
24 | P a g e


Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên
trong cụm của nó. Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các nút cảm biến
trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo
mã CDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là
pha thiết lập và pha ổn định. Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn
nút chủ và thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu,
tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở. Thời gian của bước
ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu mào
đầu.
Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0
và 1.
Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n)
được tính như sau:

Trong đó:
P : tỉ lệ phần trăm nút chủ
r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1
G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu
kì cuối.
Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới
của chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa
vào bản tin đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào
đó để quyết định xem có tham gia vào cụm đó hay không. Và sau đó các
nút này sẽ thông báo cho nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành
thành viên của cụm do nút chủ đó đảm nhận.

Trong quá trình tạo cụm các nút chủ sẽ tạo và phân phát mô hình
TDMA (Time Division Multiple Access) cho các nút thành viên trong
cụm. Mỗi nút chủ cũng chọn lựa một mã CDMA (Carrier Sense Multiple
Access) mà sau đó sẽ thông báo tới tất cả các thành viên trong cụm biết.
Sau khi pha thiết lập hoàn thành báo hiệu sự bắt đầu của pha ổn định trạng
thái và các nút trong cụm sẽ thu lượm dữ liệu và sử dụng các khe thời gian
để truyền dữ liệu đến nút chủ. Dữ liệu được thu lượm theo chu kỳ.
LEACH cũng có một số khuyết điểm sau:
Giả sử rằng tất cả các nút chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở
25 | P a g e