Đồ án tốt nghiệp: MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN TUẤN HOÀN

MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE
VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Hà Nội- 2015
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGUYỄN TUÂN HOÀN

MẠNG CẢM BIẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
Mã ngành:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS. HÀ MẠNH ĐÀO

Hà Nội - 2015

2


Lời cảm ơn

Để hoàn thành đồ ánnày, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được rất
nhiều sự hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ từ các thầy giáo, cô giáo, các tổ chức, cá
nhân.
Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy TS Hà Mạnh Đào -Trưởng khoa
Công nghệ thong tin, Đại Học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã đặt nền móng,
bồi dưỡng, khuyến khích tôi nghiên cứu và viết về đề tài Cảm biến- một lĩnh vực
khá thú vị nhưng cũng nhiều khó khăn, thầy đã nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ tôi
hoàn thành đồ án này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ
thông tin – trường ĐH Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã động viên, giúp đỡ và
đóng góp nhiều ý kiến, chuyên môn quan trọng để giúp đỡ tôi hoàn thành bài tiểu
luận này.
Lời cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp ĐH1C2, người
thân và gia đình đã động viên tinh thần giúp tôi hoàn thành bài tiểu luận này.
Bài tiểu luận không tránh khỏi thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý nhiệt
tình của các thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Sinh viên

Nguyễn Tuấn Hoàn

3


MỤC LỤC

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

5


DANH MỤC BẢNG

6


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Vệt

ACK

Acknowledgment

Sự thừa nhận

PAN

Private Area Net

Khu vực mạng riêng tư

MAC

Media Access Control

DLL

Data Link Layer

Tầng liên kết dữ liệu

FFD

Full Function Device

Thiết bị đầy đủ chức năng

RFD

Reduced Function Device

Thiết bị giảm chức năng

NL

Network Layer

Tầng mạng

AL

Application Layer

Tầng ứng dụng

ZDO

ZigBee Device Object

Đối tượng thiết bị ZigBee

ZAP

ZigBee Application Profile

Hồ sơ ứng dụng ZigBee

ZC

ZigBee Coordinator

Điều phối ZigBee

ZR

ZigBee Router

Định tuyến ZigBee

ZED

ZigBee End Device

Thiết bị cuối ZigBee

RD

Routing Device

Thiết bị định tuyến

RREQ

Route Request

Yêu cầu định tuyến

RREP

Route Reply

Trả lời định tuyến

DD

Designated Device

Thiết bị được chỉ định

HERA

Hierarchical Routing Algorithm

Thuật toán phân cấp định tuyến

AODV

Ad hoc On Demand Distance Vector

CSMA/CA
OSI

Điều khiển truy cập truyền
thông

Thuật toán định tuyến theo yêu

Carrier Sense Multiple Access/

cầu
Đa truy cập nhận biết sóng

Collision Avoidance
Open Systems Interconnection

mang phát hiện xung đột
Mô hình tham chiếu kết nối các

7


PPDU

Reference Model
PHY protocol data unit

hệ thống mở
Khối thu phát dữ liệu tầng vật lí

LLACK

Link Layer ACK

Tầng kết nối ACK

8


LỜI NÓI ĐẦU
Hàng ngày chúng ta đều thấy những ví dụ mới về cách thức mà công nghệ
thông tin và viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi cuộc sống của con người trên
thế giới. Từ mức độ này hay mức độ khác, cuộc cách mạng kỹ thuật số đã lan rộng
đến mọi ngõ ngách trên toàn cầu. Mạng viễn thông ngày nay đã tạo ra một cầu nối
liên kết loài người trên khắp thế giới, con người sử dụng mạng để trao đổi, quản lý,
giao tiếp, mua bán... Với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, mạng
cảm biến không dây xuất hiện ngày một phổ biến với nhiều ứng dụng trong các lĩnh
vực của cuộc sống như ứng dụng giám sát và điều khiển trong sản xuất, tự động hóa

gia đình và điện dân dụng, ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe... Một yêu cầu
rất quan trọng trong mạng cảm biến không dây là tiết kiệm năng lượng của pin để
đảm bảo cho mọi hoạt động mạng ổn định trong một khoảng thời gian đủ lớn. Mặc
dù mạng ZigBee có mức tiêu hao năng lượng thấp nhưng việc lựa chọn giải thuật
định tuyến tối ưu năng lượng cũng quyết định rất lớn đến hoạt động lâu dài của
mạng.
Mạng ZigBee là được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến có tốc
độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Đối tượng mà mạng ZigBee nhắm
vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa quá
trình (Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếp
nhận và xử lý thông tin trong các lĩnh vực như y tế (Health Care), quản lý năng
lượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)…Khi được sử dụng trong các hệ thống
này, mạng ZigBee phát huy tất cả những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin
thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng
pin dài. Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải tần 868/915 MHz và 2,4 GHz, với các
ưu điểm là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở
rộng, khả năng tương thích cao. Trong luận văn này, em muốn trình bày các khảo
cứu của em về công nghệ ZigBee và mô phỏng thuật toán định tuyến của ZigBee để
có thể hiểu rõ hơn về công nghệ này. Hy vọng thông qua các vấn đề được đề cập
9


trong bản đồ án này, bạn đọc sẽ có được sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về
công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 và vai trò cũng như tiềm năng của nó trong cuộc
sống.

10


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1.

Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đang được

phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi
của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc
tấn công bằng các vũ khí hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc
của máy móc, thiết bị, theo dõi và điều khiển giao thông…
Hơn nữa, với sự tiến bộ của công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các
công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ
mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu… đã tạo ra những
mạch cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ
thấp, làm tang khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biếnkhông dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ
có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp 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 về môi trường tự nhiên.
Một mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) là một mạng PAN
(Personal Area Network) nằm trong nhóm mạng cảm biến không dây, một mạng kết
nối các thiết bị tập trung trong không gian làm việc của một cá nhân mà trong đó
kết nối dựa trên song vô tuyến. Một WPAN sử dụng các kỹ thuật cho phép truyền
tin với khoảng cách ngắn.
WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – là các mạng không dây sử
dụng chuyển tiếp gói đa hop (multi-hopping). Do đó, chúng có khả năng hoạt động
mà không cần sự hỗ trợ của một cơ sở hạ tầng nào. Các mạng không dây adhoc
được hình thành bởi một số loại thiết bị , có thể là hỗn tạp với các khả năng giao
tiếp không dây cho phép nó kết nối hoặc dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể.
11

Ngay cả khi không có khả năng di động, các nút cũng có thể gia nhập hoặc rời
mạng bất cứ khi nào, vì vậy các mạng này cần có khả năng tự tổ chức về truy cập
phương tiện, định tuyến và các chức năng mạng khác. Các mạng adhoc không dây
thường được sử dụng trong các ứng dụng di động, tính toán phân bố, truy cập di
động tới Internet, các mạng mắt lưới không dây, các ứng dụng quân sự, các mạng
đáp ứng tình trạng khẩn cấp.
Những nút cảm biến nhỏ bé trong mạng cảm biến bao gồm các thành
phần:Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không
dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy
cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
-

Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người.
Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến

-

multihop.
Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở

-

các nút.
Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
toán.
Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu

thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
1.2.

Cấu trúc mạng cảm biến không dây.

Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến không dây:
Như 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

12


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
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một số 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 hang triệu. Do 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 phải

-

giữ ở mức thấp.
Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút
cảm biến cần phải có ràng buộc về phần cứng như sau: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ
năng lượng thấp, có khả năng 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 kế 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 bên trong các máy móc
lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng bị ô nhiễm hóa học, sinh học, ở gia

-

đình hoặc những tòa nhà lớn..vv..
Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối
bằng những phưởng tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi song
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 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
13


tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dung hồng ngoại
thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả 2 loại hồng ngoại và quang này đều yêu cầu bộ
phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sang cho nhau
-

được.
Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến hàng trăm
đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai
trong vòng hang chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m 3. Do
số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.
Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình
ở 3 pha sau:
1. Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc
xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng
cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt
từng cái một.
2. Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc
vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết
nối (phụ thuộc vào nhiều, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích
hợp, những sự cố và nhiệm vụ cụ thể.
3. Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các
nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay
-

đổi chức năng.
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption):

Các nút cảm biến không dây, có thể gọi là một vi thiết bị điện tử chỉ có thể

được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5 Ah, 1,2V). Trong một sốứng 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. Ở mạng cảm
biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định
tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi
đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng.Vì
vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý
do vì sao hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức
14


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).
1.2.1. Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức trong mạng cảm biến được trình bày ở Hình 1.1

Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc này 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 bộthu sau khi nhận được một bản tin.
15

Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên
cạnh thong báo rằng mwusc năng lượng của nó thấp và không thể tham gia vào quá
trình định tuyến.
Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiện vụ phát hiện vàđăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hang 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 thờiđiểm.
Lớp vậy lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số song mang, phát hiện
tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915MHz được sử dụng rộng dãi
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 cập đường truyền vàđiều khiển lỗi. Vì
môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy
cập môi trường (MAC) phari xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu
hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng: Lớp mạng của cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:
-

Hiệu quả năng lượng luôn được coi là vấn đề quan trọng
Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
Tích hợp dữ liệu chỉđược sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu
quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết kế khi hệ thống có kế hoạch được truy cập

thong qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dụng: Tùytheo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể xây dựng và sử dụng ở lớpứng dụng.
1.2.2. Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây.

a. Cấu trúc phẳng:
16


Trong cấu trúc phẳng Hình 1.2, tất cả các nút đều ngang hang và đồng nhất
trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các
nút ngang hang làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cốđịnh, các nút gần sink hơn
sẽđảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng
tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy nó có thể chia
sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả vớiđiều kiện là có nguồn chia
sẻđơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…

Hình 1.2 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây
b. Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một
cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào kích cỡ của các cụm ) đến
một nútđịnh sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này, các
núttạo thành một hệ thống cấp bậc màởđó mỗi nút một mức xác định thực hiện các
nhiệm vụđãđịnh sẵn.

17


Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến vô tuyến
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện tất cả các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp
trên cũng thực hiện phân phối dữ liệu.
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng do các lý do sau:

-

Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các

-

tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạtđộng hiệu quả nhất.
Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng.
Vềđộ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu

-

thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống.
Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc
phân cấp, trong đó các nútở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh
trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này
đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thểđạt được khi

dung cấu trúc tầng.Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm
18


địa chỉ.Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần thì phân
bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cốđịnh và phải thay
đổiđịa chỉ một cách định kỳ, sự cân bằng giữa các lựa chọn này phụ thuộc vào tần
số thích hợp của chức năng cập nhật tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô
hình tìm kiếmđịa chỉ mạng trong cấu trúc tầng.
1.3.

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện

sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí vàđiều khiển cục bộ bộ phận phát
động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn
nhiềuứng dụng mới.

1.3.1. Ứng dụng trong quân đội
Mạng cảm biến không dây là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển
quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu. Đặc
tính là triển khai nhanh, tự tổ chức kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân
đội.Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn,
chi phí thấp và sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm
biến làứng dụng tốt đối với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm
biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám
địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của
chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân.
Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược:Những người lãnh đạo, sỹ
quan sẽtheo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của
các thiết bị vàđạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân
đội, xe cộ trang thiết bị vàđạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để
có thể thông báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp tại các nút sink
19


để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể chuyển tiếp đến các cấp cao
hơn.
Giám sát hiện trường:Mạng cảm biến có thểđược triển khai ở những địa hình
then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biếnsẽnhanh chóng cập nhật các

dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về máy chủ trong vài phút trước khi quân địch phát
hiện và có thể chặn lại chúng.
Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân:Trong
các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang phát triển, một điều quan trọng là sự
phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai ở những
vùng mà được sử dụng như một hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung
cấp thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm
trọng.
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường
Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư
của các loài chim, các động vật nhỏ, các loài côn trùng, theo dõi điều kiện môi
trường màảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bịđo đạc
lớn đối với việc quan sát diện tích lớn, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh hóa,
quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện
cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp
về sinh học của môi trường và nghiên cứu sựô nhiễm.
Phát hiện cháy rừng:Vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách
ngẫu nhiên, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người
sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được. Hàng triệu các nút cảm
biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc
quang học. Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có
hiệu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến có thể bị bỏ lại và chúng sẽ
cộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn.
20


Phát hiện lũ lụt:Một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ.
Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mực
nước, thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống
cơ sở dữ liệu đã đượcđịnh trước.

1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là dám sát bệnh nhân,
các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý
bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sỹ và
bệnh nhân trong bệnh viện.
Theo dõi và kiểm tra bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện:
Với ứng dụng này thì mỗi bệnh nhân sẽđược gắn một nút cảm biến nhỏ và
nhẹ,mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp
tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sỹ cũng có thể mang
nút cảm biếnđể cho các bác sỹ khác xác định vị trí của họ trong bệnh viện.
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Trong việc ứng dụng trong gia đình, thì các nút cảm biếnđượcđặt ở các
phòng đểđo nhiệt độ. Không những thế, chúng được dùng để phát hiện những sự
dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong
trường hợp không có ai ở nhà.

1.4.

Kiến trúc WSN và giao thức stack
Các nút cảm biến thường được phân tán trong một khu vực cảm biến như

trong Hình 1.4. Mỗi nút cảm biến phân tán có khả năng thu thập và truyền dữ liệu
về bộ góp (sink) và đến người dùng cuối cùng thông qua truyền thong multi-hop.
21


Sink giao tiếp với người dùng cuối cùng thông qua Internet hoặc vệ tinh hoặc bất kỳ
loại mạng không dây như Wifi, mạng lưới, hệ thống di động, WiMAX, …vv.. có
thể kết nối trực tiếp đến người dùng.
Trong WSNs các nút cảm biến có chức năng kép được khởi tạo cả dữ liệu và

dữ liệu định tuyến. Do đó, truyền thông được thực hiện vì hai lý do:
-

Chức năng nguồn: Các nút nguồn có chức năng truyền thông để truyền tải

-

gói dữ liệu của chúng đến sink
Chức năng định tuyến: Bộ cảm biến cũng tham gia vào các nút chuyển tiếp
các gói tin nhận được từ các nút khác đếnđịađiểm tiếptheo trong đường dẫn
đa bước nhảyđến sink.

Hình 1.4 Các nút cảm biến phân tán trong vùng cảm biến
Giao thức ngăn xếp được sử dụng bởi bộthu phát và tất cả các nút cảm biến
trong Hình 1.5, giao thức ngăn xếp này là sự kết hợp giữa:
 Năng lượng và sự nhận thức vềđịnh tuyến
 Tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng
 Năng lượng truyền thong hiệu quả thông qua các phương tiện
không dây
 Thúc đẩy nỗ lực hợp tác trong nút cảm biến
Giao thức ngăn xếp bao gồm:

22


Lớp vật lý thực hiện trách nhiệm:
-

Lựa chọn tần số
Phát tần số song mang

Phát hiện tín hiệu
Điều chế và mã hóa dữ liệu

Tạo hiệu ứnglan truyền tín hiệu, hiệu quả năng lượng, và phương án điều chế
cho cảm biến mạng.
Lớp liên kết dữ liệu:
- Ghép các dòng dữ liệu
- Phát hiện khung dữ liệu
- Truy cập môi trường và kiểm soát lỗi
Lớp mạng:
- Định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi tầng giao vận
- Cung cấp liên kết mạng với các mạng bên ngoài như các mạng
cảm biến khác, lệnh và kiểm soát hệ thống
Lớp vận chuyển: Giúp duy trì lưu lượng của dữ liệu nếuứng dụng là mạng cảm
biến

Lớp ứng dụng:
-

Quản lý các ứng dụng
Quản lý mạng
Xử lý truy vấn
Là nơi chứa các mã ứng dụng

23


Hình 1.5 Giao thức ngăn xếp mạng cảm biến
1.5.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs.
Thiết kếWSNs đòi hỏi phải có kiến thức phong phú về các lĩnh vực nghiên

cứu đó là: mạng truyền thông không dây, hệ thống nhúng, công nghệ tín hiệu số và
công nghệ phần mềm.
Các vấn đề được đề cập bao gồm:
• Những hạn chế phần cứng
• Khả năng mở rộng
• Khả năng chịu lỗi
• Chi phí sản xuất
• Cấu trúc liên kết bộ cảm biến mạng
• Truyền thông
• Tiêu thụđiện năng
1.5.1. Hạn chế phần cứng.
Một thiết bị cảm biến không dây bao gồm bốn thành phần cơ bản: Đơn vị
cảm biến, Đơn vị thu phát, Đơn vị năng lượng, Hệ thống định vị vị trí.
Đối với một sốứng dụng, kích thước thực tế có thể nhỏ hơn thậm chí là một
centimet khối và cân nặng nhẹđủ để duy trì lơ lửng trong không khí. Với pin hạn

24


chếđiện, đó là thời gian tốiđa mạng lưới hoạt động. Do kích thước và hạn chế về chi
phí của các nút cảm biến, thìđiện là nguồn tài nguyên khan hiếm trong WSNs.
1.5.2. Khả năng chịu lỗi
Các hạn chế phần cứng làm các nút cảm biến thường xuyên bị lỗi hoặc bị
block trong một khoảng thời gian nhất định.
Những lỗi có thể xảy ra do:
 Thiếuđiện
 Thiệt hại vật chất

 Sự tác động của môi trường
 Vấn đề phần mềm
 Phần cứng
Mức độ lỗi đó vẫn cho phép mạng hoạt động bình thường đó gọi là khả năng
chịu lỗi. Các khả năng chịu lỗi của một mạng có thể được cải thiện bằng cách tạo
nhiều nút trong phạm vi phát sóng của một nút. Các khả năng chịu lỗi của một
mạng cũng phụ thuộc vào ứng dụng nó được xây dựng cho cái gì.
1.5.3. Khả năng mở rộng
Mật độ node phụ thuộc vào ứng dụng mà các nút cảm biếnđược triển khai.
Khó kiểm soát
Tần số nút làm ảnh hưởng tới tiêu thụ năng lượng
1.5.4. Chi phí sản xuất
- Các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, nên chi
-

ohis của một nút là rất quan trọng để tính tổng thể cho toàn mạng lưới.
Nếu chi phí của mạng là đắt hơn triển khai các thiết bị cảm biến truyền thống
(traditional single sensor devices), thì các mạng cảm biến sẽ không được coi

-

là chi phí hợp lý.
Kết quả là chi phí của một nút cảm biến là một vấn đề rất khó khăn (cho số

lượng các chức năng)
1.5.5. Năng lượng tiêu thụ
- Được trang bị với nguồn năng lượng hạn chế (0.5Ah < 1,2V) với hạn chế về
-

phần cứng.

Đối với hầu hết các ứng dụng, các nguồn năng lượng bổ sung là không thể,

-

do đó phải phụ thuộc vào pin là chủ yếu.
Các hoạt động liên quan ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng trong một
nút cảm biến.

25