MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

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

SINH VIÊN: NGUYỄN TUẤN HOÀN

MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN 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


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 thông 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 đồ án này.
Đồ án 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

2


MỤC LỤC

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

4


DANH MỤC BẢNG

5

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

Điều khiển truy cập truyền
thông

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
ZR

ZigBee Coordinator
ZigBee Router

Điều phối ZigBee
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
DD

Route Reply
Designated Device

Trả lời định tuyến
Thiết bị được chỉ định

HERA

Hierarchical Routing Algorithm

Thuật toán phân cấp định tuyến

AODV

Ad hoc On Demand Distance Vector

PPDU

Carrier Sense Multiple Access/
Collision Avoidance
Open Systems Interconnection
Reference Model

PHY protocol data unit

Thuật toán định tuyến theo yêu
cầu
Đa truy cập nhận biết sóng
mang phát hiện xung đột
Mô hình tham chiếu kết nối các
hệ thống mở
Khối thu phát dữ liệu tầng vật lí

LLACK

Link Layer ACK

Tầng kết nối ACK

CSMA/CA
OSI

6


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
7


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 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.

8

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN
1.1.

Giới thiệu chung về mạng cảm biến vô tuyến
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến vô tuyến 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 tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của
mạng cảm biến vô tuyến.
Một mạng cảm biến vô tuyến 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 vô tuyến, 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
9


với các khả năng giao tiếp không dây cho phép nó kết nối hoặc dừng kết nối
tùy theo điều kiện cụ thể. 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 vô tuyến.
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến vô tuyến:
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 mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi
bật trong mạng cảm biến như sau:
10


-

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 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 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
11


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 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/m3. 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 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. Ở mạng cảm biến
12


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 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 vô tuyến
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.

13


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. 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 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 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 thờiđiểm.
Lớp vậy 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 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 và điều
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) phải 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 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 kế khi hệ thống có kế hoạch được truy
cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.

14


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 vô tuyến.
a. Cấu trúc phẳng:
Trong cấu trúc phẳng Hình 1.2, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng
nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop
sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
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 vô tuyến
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 nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).Trong
cấu trúc này, các núttạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

15


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 hoạt động 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 nút ở 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 thể đạt

được khi dung cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về
các tiện ích tìm 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
16


không cố định và phải thay đổi địa 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 kiếm địa chỉ mạng trong
cấu trúc tầng.
1.3.

Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến
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 và điều khiển cục bộ bộ
phận phát động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút
này hứa hẹn nhiều ứng 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 và đạn 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 để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu
cũng có thể chuyển tiếp đến các cấp cao hơn.

17


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 biến sẽ nhanh
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 mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các
thiết bị đo 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.

18


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 được định trước.
1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám 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 sẽ được 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 biến được đặt ở
các phòng để đo 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
thông multi-hop. 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.

19


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 đến địa điểm tiếp theo trong đường dẫn
đa bước nhảy đến 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 thông 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:
Lớp vật lý thực hiện trách nhiệm:

-

Lựa chọn tần số
Phát tần số sóng mang
Phát hiện tín hiệu
Điều chế và mã hóa dữ liệu
20


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 nếu ứng
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

Hình 1.5 Giao thức ngăn xếp mạng cảm biến
1.5.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs.
21


Thiết kế WSNs 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:

•
•
•
•
•
•
•
1.5.1.

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 thụ điện năng
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 số ứng 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 chế điện, đó là thời gian tối đa mạng lưới hoạt động. Do kích thước và
hạn chế về chi phí của các nút cảm biến, thì điện 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
22


-

Mật độ node phụ thuộc vào ứng dụng mà các nút cảm biến được 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 phí
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.
- Lỗi của một vài nút có thể gây rát hay đổi topo đáng kể và có thể phải yêu cầu
định tuyến lại các gói dữ liệu và tổ chức lại mạng.
1.5.6. Truyền thông
- Truyền thông được thực hiện bởi các nút mạch thu phát trong cả hai việc nhận
và truyền dữ liệu.
- Việc truyền và nhận thông tin cảm biến của các nút tiêu tốn khá nhiều năng
lượng.
- Một số lượng lớn đáng kể năng lượng có thể được lưu bằng cách tắt các máy
thu phát để vào trạng thái “ngủ” bất cứ khi nào nút cảm biến không cần phải
truyền tải hoặc nhận dữ liệu. Điều này tiết kiệm năng lượng lên đến 99,99%.
1.5.7. Cấu trúc mạng WSN (WSN Topology):
- Số lượng lớn các nút cảm biến không thể truy cập và giám sát được thường bị
lỗi thường xuyên làm việc duy trì cấu trúc liên kết là một công việc đầy thử
thách.
23


-

Thách thức chính là việc triển khai của các nút cảm biến trong vùng có các

hiện tượng cần theo dõi sao cho có thể giám sát một cách hiệu quả.
- Mật độ triển khai một số lượng lớn các nút đòi hỏi phải xử lý cẩn thận để duy
trì cấu trúc liên kết.

24


CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 802.15.4
2.1.

Khái niệm
Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền
những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu
liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình
thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính
là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để
giải quyết một vấn đề nào đó.
Công nghệ ZiggBee là chồng giao thức mạng không dây với các đặc
điểm như tốc độ dữ liệu thấp, tiêu tốn công suất thấp và chi phí xây dựng thấp
được phát triển nhằm hướng đến các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động
hóa. Và hiệp hội ZigBee Ailliance và ủy ban IEEE đã quyết định kết hợp với
nhau cho ra đời công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 gọi tắt là ZigBee.

2.2.

Đặc điểm
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít

năng lượng, chi phí thấp và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng
dụng điều khiển từ xa và tự động hóa. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là
nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp
cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không
yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có
thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng
công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có
thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường
truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, tốc độ dữ liệu
là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz
(Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu).

25