Mạng cảm biến không dây và đánh giá giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng

1

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.............................................................9
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................12
CHƯƠNG 1........................................................................................15
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................15
Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu.................................................................21
1.2.2. Mạng cảm biến không dây..................................................................21
Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây............................................................23
1.3. KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN XẾP
GIAO THỨC..................................................................................................23
Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến...............24
Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến.............................................26
1.3.1. Lớp vật lý............................................................................................28
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu.............................................................................28
1.3.3. Lớp mạng............................................................................................31
1.3.4. Lớp truyền tải......................................................................................32
1.3.5. Lớp ứng dụng......................................................................................33
1.4.1. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến tĩnh 38
1.4.1.1. Tự động hóa/ điều khiển nhà ở.....................................................39
Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà ở sử dụng mạng Zigbee...........................40
1.4.1.2. Tự động hóa tòa nhà......................................................................40
Hình 1.6: Mạng BAS dựa trên mạng mắt lưới không dây............................41
1.4.1.3. Tự động hóa trong công nghiệp....................................................43
1.4.2. Các ứng dụng mạng cảm biến không dây hỗ trợ định tuyến động.....44
1.4.2.1. Các ứng dụng quân sự...................................................................45
1.4.2.2. Các ứng dụng về môi trường.........................................................47

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


2
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................51

CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN SỬ DỤNG.........52
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................................52
2.1. NỀN TẢNG..............................................................................................53
Hình 2.1: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây..............................54
2.2. NHỮNG THÁCH THỨC TRONG ĐỊNH TUYẾN VÀ THIẾT KẾ. .54
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.............................................................54
2.2.1. Đặc tính thay đổi theo thời gian và kích thước mạng.........................55
2.2.2. Giới hạn về tài nguyên........................................................................55
2.2.3. Các mô hình dữ liệu ứng dụng cảm biến............................................56
2.3. CÁC GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN.......57
KHÔNG DÂY................................................................................................57
2.3.1. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây..................60
2.3.2. Flooding và các biến thể.....................................................................61
Hình 2.2: Flooding trong các mạng giao tiếp dữ liệu..................................62
Hình 2.3: Vấn đề về bùng nổ lưu lượng với flooding...................................63
Hình 2.4: Vấn đề về chồng lấn lưu lượng trong flooding.............................64
2.3.3. Các giao thức cảm biến cho thông tin thông qua thỏa thuận (SPIN).65
Hình 2.5: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN..................................68
Hình 2.6: Giao thức bắt tay ba bước SPIN – PP..........................................69
Hình 2.7: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN – BC.........................71
2.3.4. Giải pháp định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến........................72
Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến được phân cấp.....................................73

2.3.4.1. Thuật toán phân nhóm bậc tương thích năng lượng thấp LEACH
....................................................................................................................76
Hình 2.10: Các pha của LEACH..................................................................79
2.3.4.2. Tập trung hiệu suất năng lượng trong các hệ thống thông tin cảm
biến (PEGASIS).........................................................................................81
Hình 2.11: Phương pháp tập hợp và thu thập dữ liệu dựa trên chuỗi..........84
2.3.4.3. Giao thức TEEN và APTEEN.......................................................85

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


3
2.3.5. Truyền tin trực tiếp (Direct Diffusion)...............................................87
Bảng 2.1: Mô tả bản tin interest sử dụng cặp giá trị và thuộc tính..............88
2.3.6. Định tuyến theo vị trí..........................................................................89
Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp được định vị và toàn cầu hóa................93
Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến.................................97
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG...........................................................................98

CHƯƠNG 3........................................................................................99
GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG........99
Hình 3.1: Các thành phần của mạng cảm biến không dây.........................100
3.1. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN. 102
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...........................................102
Bảng 3.1: So sánh giữa các giao thức định tuyến khác nhau......................106
3.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN. 110
PHÂN CẤP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY......................110
Bảng 3.2: So sánh các giao thức định tuyến phân cấp.................................111

Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m. Trạm
gốc BS được đặt ở vị trí (25, 150) và cách node gần nhất ít nhất là
100m.....................................................................................................113
Hình 3.3: Kết quả hoạt động của mạng 50m x 50m...................................114
với năng lượng khởi đầu mỗi node là 25J..................................................114
Hình 3.4: Các kết quả thực hiện trong mạng 100m x 100m.......................114
với năng lượng khởi tạo là 0.5J mỗi node..................................................114
Hình 3.5: So sánh số lượng node sống.......................................................115
khi sử dụng các giao thức LEACH, TEEN và APTEEN.............................115
Hình 3.6: So sánh năng lượng phân tán trung bình...................................115
của giao thức LEACH, APTEEN và TEEN.................................................115
3.4. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
116
MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..................................116
3.4.1. Mô hình nhận năng lượng.................................................................117
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


4
3.4.2. Mô hình định tuyến...........................................................................118
Hình 3.7: Mô hình mạng được sử dụng......................................................120
Hình 3.8: Quá trình xây dựng cụm và gửi dữ liệu trong giao thức ECHERP.
..............................................................................................................124
Hình 3.9: Mã giả của thuật toán khử Gauss được sử dụng trong..............124
giao thức ECHERP.....................................................................................124
3.4.3. Ước lượng khả năng hoạt động của giao thức ECHERP.................126
Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình và thời gian sống..................128
của mạng theo vòng....................................................................................128

Hình 3.11: Số lượng node sống và thời gian sống của mạng theo vòng....129
Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối cùng và tỷ số Nr................................130
(Trạm gốc được đặt ở vị trí cách xa trung tâm trường mạng.....................130
100m, 150m, 200m, 300m và 400)..............................................................130
Hình 3.13: Thời gian xóa node đầu tiên trong vòng và tỷ số Nr với trạm gốc
được đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m, 300m và
400m.....................................................................................................131
Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với các giao thức LEACH, PEGASIS
và BCDCP theo khoảng cách của trạm gốc từ trung tâm của trường
cảm ứng khi năng lượng khởi tạo của node là 2J.................................131
Bảng 3.4: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt động của mạng WSN
bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc được
đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 150m..................................132
Bảng 3.5: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt độngcủa mạng WSN
bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số Nr khi trạm gốc được
đặt cách vị trí trung tâm trường cảm ứng 300m..................................133
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG.........................................................................133

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN.....135
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................139

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


5

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog Digital Converter
APTEEN Adaptive Threshold sensitive
Energy - Efficient sensor
Network

Bộ chuyển đổi tương tự - số
Giao thức APTEEN

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


6

ARQ

Automatic Repeat
Request
BAS
Building Automation
System
BS
Base Station
BWRC
Berkeley Wireless
Research Center
CDMA
Code Division Multiple
Access

DAR
Distributed Sensor Nets
Workshop
DARPA Defense Advanced
Research
Projects Agency
DSN
Distributed Projects
Agency
ECHERP Equalized Cluster Head
Election Routing Protocol
FEC
Forward Error Correction
GPS
Global Positioning
System
HARQ
Hybrid ARQ
ID
Identity
LEACH Low - Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
LWIM
Low PowerWireless
Integrated Microsensor
MAC
Medium Access Control
MEMS
Micro Electro-Mechanical
System

MH
Meesage Holder
PDA
Personal Digital Assistant
PEGASIS Power - Efficient
Gathering
in Sensor Information
System
QoS
Quality of Service

Yêu cầu lặp tự động
Hệ thống tự động hóa tòa nhà
Trạm gốc
Trung tâm nghiên cứu
vô tuyến Berkely
Đa truy nhập phân chia theo mã
Hội thảo mạng cảm biến
được phân phối
Cơ quan đặc trách nghiên cứu
quốc phòng cao cấp
Mạng cảm biến được phân phối
Giao thức lựa chọn
cụm đầu não cân bằng
Sửa lỗi phía trước
Hệ thống định vị toàn cầu
Yêu cầu lặp tự động lai ghép
Số nhận dạng
Thuật toán phân nhóm
bậc tương thích năng lượng thấp

Bộ vi xử lý tích hợp vô tuyến
công suất thấp
Điều khiển truy nhập môi trường
Hệ thống vi cơ điện tử
Node giữ bản tin
Thiết bị số hỗ trợ cá nhân
Tập trung hiệu suất năng lượng
trong hệ thống thông tin
cảm biến
Chất lượng dịch vụ

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


7

SCADA
SensIT
SPIN
TCP
TEEN
VLSI
WLAN
WSAN
μAMPS

Supervisor Control
and Data Acquisition

Sensor Information
Technology
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation
Transmission Control
Protocol
Threshold - sensitive
Energy - Efficient sensor
Network
Very Large Scale
Intergration
Wireless Local Area
Network
Wireless Sensor and
Actuator Network
micro-Adaptive
Multidomain
Power-aware Sensors

Điều khiển giám sát và dò dữ liệu
Công nghệ thông tin cảm biến
Giao thức cảm biến cho
thông tin thông qua thỏa thuận
Giao thức điều khiển truyền tải
Giao thức TEEN
Tích hợp phạm vi rất lớn
Mạng cục bộ không dây
Mạng kích hoạt
và cảm biến vô tuyến

Bộ vi cảm biến nhận biết
công suất đa miền tương thích

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Mô tả bản tin interest sử dụng cặp giá trị và thuộc tính.
........................................................................................................69
Bảng 3.1: So sánh giữa các giao thức định tuyến khác nhau........85
Bảng 3.2: So sánh các giao thức định tuyến phân cấp...................88
Bảng 3.3: So sánh giao thức ECHERP với các giao thức LEACH,
PEGASIS và BCDCP theo khoảng cách của trạm gốc từ trung
tâm của trường cảm ứng khi năng lượng khởi tạo của node là
2J..................................................................................................105
Bảng 3.4: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt động của
mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số
Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm
ứng 150m.....................................................................................105
Bảng 3.5: Phần trăm của những thay đổi trong hoạt độngcủa
mạng WSN bằng cách sử dụng giao thức ECHERP với tỷ số
Nr khi trạm gốc được đặt cách vị trí trung tâm trường cảm
ứng 300m.....................................................................................106

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu15
Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây

16

Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến
Hình 1.4: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến

17

19

Hình 1.5: Mạng tự động hóa nhà ở sử dụng mạng Zigbee

29

Hình 1.6: Mạng BAS dựa trên mạng mắt lưới không dây

31

Hình 1.7: Các ứng dụng quân sự của mạng cảm biến không dây (được
sản xuất với sự cho phép của viện khoa học thông tin USC)

36

Hình 1.8: Ứng dụng giám sát môi trường mạng cảm biến không dây
37
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


10

Hình 2.1: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 40
Hình 2.2: Flooding trong các mạng giao tiếp dữ liệu

47

Hình 2.3: Vấn đề về bùng nổ lưu lượng với flooding

48

Hình 2.4: Vấn đề về chồng lấn lưu lượng trong flooding 48
Hình 2.5: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN
Hình 2.6: Giao thức bắt tay ba bước SPIN - PP

52

52

Hình 2.7: Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN – BC

54

Hình 2.8: Kiến trúc mạng cảm biến được phân cấp56
Hình 2.9: Mô hình mạng LEACH59
Hình 2.10: Các pha của LEACH 60
Hình 2.11: Phương pháp tập hợp và thu thập dữ liệu dựa trên chuỗi 65
Hình 2.12: Quyết định chuyển tiếp được định vị và toàn cầu hóa

72

Hình 2.13: Giải pháp chuyển tiếp định tuyến theo vị trí 73
Hình 2.14: Lỗi chuyển tiếp của thuật toán tham lam

75

Hình 2.15: Cải thiện chất lượng giao thức định tuyến

76

Hình 3.1: Các thành phần của mạng cảm biến không dây

78

Hình 3.2: Cấu trúc Topo 100 node ngẫu nhiên với mạng 50m x 50m.
Trạm gốc BS được đặt ở vị trí (25, 150) và cách node gần nhất ít
nhất là 100m

88

Hình 3.3: Kết quả hoạt động của mạng 50m x 50m với năng lượng
khởi đầu mỗi node là 25J

89

Hình 3.4: Các kết quả thực hiện trong mạng 100m x 100m với năng
lượng khởi tạo là 0.5J mỗi node

89

Hình 3.5: So sánh số lượng node sống khi sử dụng các giao thức
LEACH, TEEN và APTEEN90
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


11

Hình 3.6: So sánh năng lượng phân tán trung bình của giao thức
LEACH, APTEEN và TEEN90
Hình 3.7: Mô hình mạng được sử dụng 94
Hình 3.8: Quá trình xây dựng cụm và gửi dữ liệu trong giao thức
ECHERP

97

Hình 3.9: Mã giả của thuật toán khử Gauss được sử dụng trong giao
thức ECHERP

98

Hình 3.10: Năng lượng phân tán trung bình và thời gian sống của
mạng theo vòng 101
Hình 3.11: Số lượng node sống và thời gian sống của mạng theo vòng
101
Hình 3.12: Thời gian xóa node cuối cùng và tỷ số Nr (Trạm gốc được
đặt ở vị trí cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m, 200m,
300m và 400)

103

Hình 3.13: Thời gian xóa node đầu tiên trong vòng và tỷ số Nr với
trạm gốc được đặt cách xa trung tâm trường mạng 100m, 150m,
200m, 300m và 400m 103

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


12

LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet, công nghệ thông tin
và truyền thông, cùng với các kỹ thuật hiện có đã dẫn đến sự ra đời
của các bộ kích hoạt và cảm biến giá thành thấp, với khả năng đáp ứng
được các yêu cầu cao về độ chính xác, hạn chế ảnh hưởng của nhiệt
độ và môi trường. Công nghệ cảm biến và điều khiển gồm có các
mảng cảm biến, các bộ cảm biến trường điện và trường từ, các bộ cảm
biến địa chấn, các bộ cảm biến tần số sóng vô tuyến, các bộ cảm biến
hồng ngoại và quang điện, các rađa laze và các bộ cảm biến định vị và

vị trí.
Sự phát triển về mặt lý thuyết, vật liệu chế tạo và thiết kế đã giúp
cho các bộ cảm biến giảm thiểu được kích thước, khối lượng cũng như
giá thành sản phẩm, đồng thời tăng độ chính xác, hạn chế ảnh hưởng
của nhiệt độ và môi trường. Trong tương lai không xa, các hệ thống có
thể sẽ được tích hợp hàng triệu bộ cảm biến với mục đích nâng cao
tuổi thọ và khả năng hoạt động. Công nghệ cảm biến và điều khiển
hiện nay đang có lợi thế lớn để phát triển không chỉ trong khoa học và
kỹ thuật, mà quan trọng hơn cả là những ứng dụng thực tế của chúng,
liên quan đến bảo vệ và đảm bảo an ninh cho các cơ sở hạ tầng, chăm
sóc sức khỏe, giám sát môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, xử
lý sản phẩm, chất lượng cuộc sống và kể cả trong các lĩnh vực kinh tế.
Cùng với việc giảm giá thành và nâng cao hiệu quả của các ngành
kinh doanh và công nghiệp, các mạng cảm biến không dây được hi
vọng sẽ mang đến cho người tiêu dùng nhiều sự thuận tiện, ví dụ như
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


13

điều khiển nhiệt độ và ánh sáng từ xa, giám sát y tế, kiểm tra thực
phẩm tự động, chuẩn đoán sức khỏe, nghiệm thu ô tô tự động và chăm
sóc trẻ em.
Để thực hiện các nhiệm vụ này một cách hiệu quả đòi hỏi sự phát
triển của giao thức định tuyến với hiệu quả cao về mặt năng lượng, để
thiết lập đường đi giữa các node cảm biến và đích của dữ liệu. Việc
lựa chọn tuyến đường phải đạt được hiệu quả tối ưu về thời gian sống
của mạng. Tuy nhiên các đặc điểm của môi trường cùng với những

giới hạn về năng lượng và tài nguyên khiến cho quá trình định tuyến
gặp phải rất nhiều khó khăn. Rất nhiều các thuật toán truyền dữ liệu,
quản lý công suất và định tuyến đã được thiết kế riêng cho các mạng
cảm biến không dây với mục tiêu nhằm tiết kiệm năng lượng. Hiện
nay, các kỹ thuật định tuyến có thể được chia ra thành ba loại chính,
dựa trên cấu trúc mạng, gồm có: định tuyến phẳng (flat routing), định
tuyến phân cấp (hierarchical routing)và định tuyến dựa trên vị trí
(location – based routing). Ngoài ra, các giao thức định tuyến còn có
thể được phân chia dựa theo hiệu ứng đa đường, hàng đợi, thỏa thuận,
QoS và tương hỗ, tùy thuộc vào quá trình vận hành giao thức.
Hầu hết các giao thức định tuyến sử dụng phương pháp định
tuyến phân cấp đều cung cấp hiệu quả về mặt năng lượng và kéo dài
thời gian sống cho mạng. Đầu tiên, mỗi cụm sẽ chọn một node để trở
thành cụm đầu não và sau đó, các node trong mỗi cụm sẽ gửi dữ liệu
đến cụm đầu não trong cụm. Tiếp đó, cụm đầu não sẽ gửi dữ liệu đến
trạm gốc. Dữ liệu có thể được chuyển tiếp theo hai cách: trực tiếp nếu

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


14

cụm đầu não được đặt gần trạm gốc hoặc thông qua cụm đầu não
chuyển tiếp.
Từ những yếu tố trên, tôi đã lựa chọn đề tài “Mạng cảm biến
không dây và đánh giá giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng” làm
luận văn cao học. Luận văn tìm hiểu về mạng cảm biến không dây
WSN, các giao pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây,

trong đó tập trung vào các giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng,
và đề xuất giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng mới góp phần
nâng cao khả năng hiệu quả về mặt năng lượng, cũng như kéo dài thời
gian sống cho mạng.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tìm hiểu về mạng cảm biến
không dây, các giải pháp định tuyến trong mạng cảm biến không dây,
giải pháp định tuyến phân cấp tiết kiệm năng lượng như LEACH,
PEGASIS, TEEN, APTEEN và đề xuất giải pháp định tuyến mới
nhằm sử dụng năng lượng một cách hiệu quả trong mạng cảm biến
không dây.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu các giải pháp
định tuyến trong mạng cảm biến. Trong đó tập trung vào các giao thức
định tuyến định tuyến tiết kiệm năng lượng sử dụng phương pháp định
tuyến phân cấp.
Về phương pháp nghiên cứu: trên cơ sở tổng hợp lý thuyết,
phân tích đưa ra đề xuất giải pháp và đánh giá.
Luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


15

Chương 2: Các giải pháp định tuyến sử dụng trong mạng cảm biến
không dây
Chương 3: Giao thức định tuyến tiết kiệm năng lượng.
Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Quý Thầy Cô và

các bạn để Luận văn được hoàn thiện. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn
chân thành đến TS. Nguyễn Cảnh Minh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp
đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Ngày

tháng

năm

2014
Học viên

Trần Trọng Nam

CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


16

Các bộ cảm biến đã kết nối thế giới vật lý với thế giới số thông
qua quá trình chụp ảnh, phát hiện các hiện tượng của thế giới thực, và
chuyển chúng thành các dạng dữ liệu có thể xử lý, lưu trữ và thực hiện
được. Được tích hợp một số lượng lớn các thiết bị, máy móc và môi
trường nên các bộ cảm biến có thể cung cấp những lợi ích lớn về mặt
xã hội. Các bộ cảm biến này có thể giúp phát hiện lỗi và sự xuống cấp

của cơ sở hạ tầng, bảo tồn các nguồn tài nguyên thiên nhiên, nâng cao
khả năng sản xuất, an ninh và cho phép các ứng dụng mới như các hệ
thống nhận thức bối cảnh (context – aware systems) và các công nghệ
được sử dụng trong ngôi nhà thông minh. Những sự tăng cường về
mặt công nghệ như tích hợp phạm vi rất lớn (VLSI), các hệ thống vi
cơ điện tử (MEMS), và các giao tiếp không dây đã giúp cho các hệ
thống cảm biến này được sử dụng rộng rãi. Ví dụ như sự phát triển
của các công nghệ bán dẫn đã tiếp tục tạo ra những bộ vi xử lý với khả
năng xử lý ngày càng tăng, đồng thời giảm thiểu về mặt kích thước.
Các công nghệ cảm biến và tính toán ngày càng được thu nhỏ đã cho
phép phát triển các bộ điều khiển, kích hoạt và cảm biến nhỏ gọn, có
công suất và giá thành thấp. Trong khi các hệ thống hàng không vũ trụ
và các hệ thống phòng thủ vẫn là thị trường chính, thì các hệ thống
giám sát và bảo vệ cơ sở hạ tầng dân sự (như cầu, hầm), cơ sở hạ tầng
đường ống và mạng lưới điện quốc gia ngày càng thu hút được nhiều
sự quan tâm. Các mạng gồm hàng trăm node cảm biến được sử dụng
để giám sát các khu vực địa lý rộng nhằm đưa ra mô hình và dự báo
sự ô nhiễm môi trường và ngập lụt, thu thập những thông tin liên quan
đến tình trạng của cầu bằng cách sử dụng các bộ cảm biến rung, và
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


17

điều khiển quá trình sử dụng nước, phân bón và thuốc trừ sâu để nâng
cao chất lượng và sản lượng nông nghiệp.
1.1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY

Giống với các công nghệ khác, các ứng dụng quân sự đã mở đầu
cho sự phát triển của các mạng cảm biến không dây. Ví dụ, vào năm
1978, Cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp (DARPA) đã
tổ chức Hội thảo mạng cảm biến được phân phối (DAR 1978) để tập
trung thảo luận về những thách thức trong quá trình nghiên cứu mạng
cảm biến như các công nghệ được sử dụng cho mạng, các kỹ thuật xử
lý tín hiệu và các thuật toán phân bố. DARPA cũng tiến hành thực
hiện chương trình Mạng cảm biến được phân phối (DSN) vào những
năm đầu 1980, và sau đó là chương trình Công nghệ thông tin cảm
biến (SensIT).
Cộng tác với Trung tâm khoa học Rockwell, Đại học California,
Los Angeles đã kiến nghị khái niệm Mạng cảm biến không dây công
suất thấp hoặc WINS (Pottie 2001). Một kiến nghị khác của chương
trình WINS là bộ vi xử lý tích hợp vô tuyến công suất thấp (LWIM),
được sản xuất năm 1996. Hệ thống cảm biến thông minh này dựa trên
chip CMOS, tích hợp nhiều bộ cảm biến, các mạch giao diện, các
mạch xử lý tín hiệu số, tín hiệu vô tuyến và bộ vi điều khiển trên một
chip đơn. Chương trình Bụi Thông Minh (Smart Dust) của Đại học
Caliornia diễn ra ở Berkely tập trung vào quá trình thiết kế các node
cảm biến có kích thước cực nhỏ, gọi là “mote”. Mục tiêu của chương

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


18

trình này là tập trung hoàn thiện hệ thống cảm biến có thể tích hợp
được vào trong các thiết bị nhỏ, có kích thước của một hạt cát và thậm

chí là một hạt bụi. Chương trình PicoRadio của Trung tâm nghiên cứu
vô tuyến Berkely (BWRC) lại tập trung vào việc phát triển các thiết bị
cảm biến có công suất thấp để giảm công suất tiêu thụ và từ đó các
thiết bị này có thể tự cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng
của môi trường bên ngoài, như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng
dao động. Chương trình MIT µ AMPS (Bộ vi cảm biến nhận biết công
suất đa miền tương thích) cũng tập trung vào các thành phần phần
cứng và phần mềm của các node cảm biến, gồm có việc sử dụng khả
năng của các bộ vi điều khiển để mở rộng dải điện áp động và các kỹ
thuật tái cấu trúc các thuật toán xử lý dữ liệu để giảm các yêu cầu
công suất ở mức phần cứng.
Trong khi các nghiên cứu trước đó hầu hết được thực hiện bởi các
viện nghiên cứu thì sau đó, trải qua một thập kỷ, một lượng lớn các
ứng dụng kinh tế cũng bắt đầu xuất hiện (trong đó có rất nhiều ứng
dụng dựa trên những thành quả nghiên cứu trước đó), bao gồm các
công

ty

như

Crossbow

(www.xbow.com),

Sensoria

(www.sensoria.com), Worldsens (),
Dust

Networks

(),

và

Ember

Corporation (). Các công ty này cung cấp các
thiết bị cảm biến, cùng với các thiết bị quản lý chương trình, duy trì và
hiển thị dữ liệu cảm biến.
Năm 1997, chuẩn đầu tiên cho giao thức mạng cục bộ không dây
(WLAN), giao thức 208.11 được giới thiệu. Sau đó, chuẩn này được
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


19

nâng cấp thành chuẩn 802.11b với tốc độ dữ liệu cao hơn và cơ chế
CSMA/ CA cho điều khiển truy nhập môi trường (MAC). Mặc dù
được thiết kế cho mạng LAN không dây để có thể sử dụng cho laptop
và các thiết bị số hỗ trợ cá nhân (PDA), các giao thức 802.11 cũng
được giả thiết để sử dụng cho mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên,
việc tiêu thụ công suất lớn và tốc độ dữ liệu cao của các giao thức
802.11 không phù hợp với các mạng cảm biến không dây. Điều này đã
thúc đẩy quá trình thiết kế các giao thức MAC hiệu quả về năng
lượng. Hiện nay, giao thức ZigBee dựa trên chuẩn 802.15 – 4 được
thiết kế cho các mạng không dây cá nhân tốc độ thấp và phạm vi hẹp.

Giao thức này sẽ sớm hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây bằng một
số sản phẩm node cảm biến thương mại, gồm các sản phẩm MicacZ,
Telos và Ember.

1.2. CÁC KHÁI NIỆM
1.2.1. Chức năng cảm ứng và các bộ cảm biến
Cảm ứng là một kỹ thuật để thu thập thông tin về một quá trình
xử lý hoặc một đối tượng vật lý nào đó, bao gồm cả số lần diễn ra sự
kiện (ví dụ như sự thay đổi trạng thái như giảm áp lực hoặc nhiệt độ).
Bộ cảm biến là thiết bị được sử dụng để thực hiện chức năng cảm
ứng. Ví dụ, cơ thể con người được trang bị các bộ cảm biến để có thể
thu thập các thông tin quang học từ môi trường (mắt), thông tin về âm
thanh (tai), và mùi vị (mũi). Đây là những ví dụ về bộ cảm biến từ xa

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


20

và không cần tiếp xúc với đối tượng cần giám sát để thu thập thông
tin.
Từ quan điểm kỹ thuật, bộ cảm biến là một thiết bị có thể chuyển
các tham số hoặc sự kiện trong thế giới vật lý thành tín hiệu để có thể
đo và phân tích. Một thiết bị phổ biến khác là bộ chuyển đổi, để
chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác. Bộ cảm biến là một
loại bộ chuyển đổi có khả năng chuyển năng lượng từ thế giới vật lý
thành năng lượng điện để có thể đưa đến các bộ điều khiển hoặc hệ
thống tính toán.

Hình 1.1 là một ví dụ về các bước thực hiện chức năng cảm ứng
hoặc dò dữ liệu. Các hiện tượng trong thế giới vật lý (thường được đề
cập đến như các quá trình xử lý, hệ thống hoặc kế hoạch) được quan
sát bởi thiết bị cảm biến. Các tín hiệu điện không phải lúc nào cũng có
sẵn để có thể xử lý ngay lập tức, vì vậy các tín hiệu này phải được đưa
qua giai đoạn biến đổi tín hiệu. Ở đây, tín hiệu được xử lý để có thể
chuẩn bị cho các quá trình sử dụng sau này. Ví dụ, các tín hiệu thường
yêu cầu bộ khuếch đại (hoặc bộ suy hao) nhằm thay đổi cường độ tín
hiệu để phù hợp với quá trình chuyển đổi tương tự - số diễn ra tiếp
theo. Ngoài ra, quá trình biến đổi tín hiệu thường sử dụng các bộ lọc
tín hiệu để loại bỏ nhiễu không mong muốn trong các dải tần cho
trước (ví dụ các bộ lọc thông cao có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu
50 hoặc 60 Hz). Sau khi biến đổi, tín hiệu tương tự được chuyển thành
tín hiệu số, sử dụng bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC). Tín hiệu lúc
này có dạng số và sẵn sàng cho các quá trình xử lý, lưu trữ hoặc hiển
thị [1].
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


21

Rất nhiều mạng cảm biến cũng sử dụng bộ kích hoạt để cho phép
điều khiển trực tiếp thế giới vật lý. Ví dụ, bộ kích hoạt có thể là một
van điều tiết nước nóng, một môtơ để đóng, mở cửa ra vào hoặc cửa
sổ, một bơm để điều khiển lượng xăng được bơm vào động cơ. Mạng
kích hoạt và cảm biến vô tuyến (WSAN) sẽ thực hiện các lệnh từ thiết
bị xử lý (bộ điều khiển) và chuyển các lệnh này thành các tín hiệu đầu
vào của bộ kích hoạt, sau đó sẽ tương tác với quá trình xử lý vật lý,

tạo thành một vòng lặp kín như hình 1.1.

Bộ cảm biến

Biến đổi

Bộ chuyển đổi
tương tự - số

Cảm ứng
Xử
lý

Xử lý
tín hiệu
Bộ kích hoạt

Biến đổi

Bộ chuyển đổi
tương tự - số

Kích hoạt

Hình 1.1: Kích hoạt và dò dữ liệu.
1.2.2. Mạng cảm biến không dây
Trong khi rất nhiều bộ cảm biến kết nối trực tiếp đến các bộ điều
khiển và các trạm xử lý (ví dụ như sử dụng các mạng nội bộ) thì số
lượng các bộ cảm biến giao tiếp dữ liệu vô tuyến với một trạm xử lý
tập trung ngày càng tăng. Điều này rất quan trọng khi rất nhiều ứng

dụng yêu cầu hàng trăm hoặc hàng ngàn node cảm biến, thường được
Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


22

thực hiện từ xa và ở những khu vực không thể tiếp cận được. Vì vậy,
bộ cảm biến không chỉ có một thành phần cảm ứng, mà còn phải có
khả năng lưu trữ, liên lạc và xử lý on-board. Với những tính năng tăng
cường này, bộ cảm biến không chỉ thường xuyên chịu trách nhiệm thu
thập dữ liệu, mà còn kết hợp, tương quan và phân tích trong mạng dữ
liệu cảm biến của nó và dữ liệu từ các node khác. Khi nhiều bộ cảm
biến cùng giám sát một môi trường vật lý có phạm vi lớn thì các bộ
cảm biến sẽ tạo thành một mạng cảm biến không dây. Các node không
chỉ liên lạc với node khác, mà còn liên lạc với trạm gốc (BS) sử dụng
tín hiệu vô tuyến để cho phép truyền các dữ liệu cảm biến đến các hệ
thống xử lý từ xa, hiển thị, phân tích và lưu trữ. Ví dụ, hình 1.2 biểu
diễn hai trường cảm biến giám sát hai khu vực địa lý khác nhau và kết
nối với mạng Internet sử dụng các trạm gốc [1].
Lưu trữ

Khai phá
Xử lý

Phân tích

Internet

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


23

Hình 1.2: Mạng cảm biến không dây.
Khả năng của các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây
là rất lớn, các node đơn giản có thể giám sát một hiện tượng vật lý
đơn, trong khi nhiều thiết bị phức tạp có thể kết hợp các kỹ thuật cảm
ứng khác nhau (như âm thanh, quang học, từ tính). Các node cũng có
khả năng liên lạc khác nhau, ví dụ như các kỹ thuật tần số tín hiệu,
hồng ngoại hoặc siêu thanh với độ trễ và tốc độ dữ liệu thay đổi. Các
node cảm biến đơn giản chỉ có thể thu thập và giao tiếp thông tin về
môi trường được giám sát, trong khi nhiều thiết bị mạnh (như các thiết
bị có khả năng xử lý, năng lượng và lưu trữ lớn) cũng có thể thực hiện
đầy đủ các chức năng truyền và xử lý. Các thiết bị này thường được
giả thiết có thể thực hiện đầy đủ các chức năng trong mạng cảm biến
không dây, ví dụ như giao tiếp đường trục, được các thiết bị cảm biến
có tài nguyên giới hạn sử dụng để tiếp cận trạm gốc. Cuối cùng, một
số thiết bị có thể truy nhập các kỹ thuật hỗ trợ truyền thống như máy
thu của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), cho phép xác định chính xác
vị trí. Tuy nhiên, các hệ thống này thường tiêu thụ rất nhiều năng
lượng để có thể sử dụng cho các node cảm biến công suất thấp và giá
thành thấp.
1.3. KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ NGĂN
XẾP GIAO THỨC

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


24

Các node cảm biến thường phân tán trong trường cảm biến như
hình 1.3 [2].

Internet
và vệ tinh

Sink

D
E

B
C

A

Node quản lý
nhiệm vụ
Người sử dụng

Trường cảm biến
Các node cảm biến

Hình 1.3: Các node cảm biến bị phân tán trong trường cảm biến.

Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến dữ
liệu quay trở lại sink/cổng và đầu cuối người sử dụng. Dữ liệu được
định tuyến trở lại đầu cuối người sử dụng bằng kiến trúc không sử
dụng cơ sở hạ tầng đa chặng (multi – hop infrastructureless
architecture) thông qua sink như trong hình 1.3. Sink có thể giao tiếp
với node quản lý nhiệm vụ/ đầu cuối người sử dụng thông qua mạng
Internet, vệ tinh hay bất kỳ mạng không dây nào (ví dụ như Wifi, các
mạng mắt lưới, các hệ thống tế bào, Wimax…) hoặc không cần thông
qua bất kỳ mạng nào khi sink được kết nối trực tiếp với các đầu cuối
người sử dụng. Chú ý rằng, có thể có nhiều sink/ cổng và nhiều đầu
cuối người sử dụng trong kiến trúc được biểu diễn ở hình 1.3.

Cao học kỹ thuật viễn thông K20-2

Trần Trọng Nam


25

Trong các mạng cảm biến không dây, các node cảm biến có chức
năng kép, vừa là các bộ khởi tạo dữ liệu, vừa là các bộ định tuyến dữ
liệu. Vì vậy, quá trình giao tiếp sẽ được thực hiện với hai lý do sau:
• Chức năng nguồn: các node nguồn với các thông tin sự kiện,
thực hiện các chức năng giao tiếp để truyền các gói đến
sink.
• Chức năng bộ định tuyến: các node cảm biến cũng tham gia
vào quá trình chuyển tiếp các gói thu được từ các node khác
đến đích kế tiếp theo nhiều chặng để đến sink.
Ngăn xếp giao thức được sink và tất cả các node cảm biến sử
dụng được biểu diễn trong hình 1.4 [2].

Mặt phẳng quản lý Topo
Mặt phẳng đồng bộ
Mặt phẳng định vị

Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ

Lớp mạng

Mặt phẳng quản lý công suất

Lớp truyền tải

Mặt phẳng quản lý tính di động

Lớp ứng dụng

Lớp liên kết dữ liệu

Cao họcLớp
kỹ vật
thuật
viễn thông K20-2
lý

Trần Trọng Nam