Đánh giá giao thức định tuyến PEGASIS trong mạng cảm biến không dây

LỜI CAM ĐOAN
Em tên là: Trần Thị Mai Hương
Lớp: 09DT2
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất
kỳ đồ án hoặc công trình nào đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình
thức kỷ luật của Khoa.
Đà Nẵng, ngày

tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Thị Mai Hương

1


MỤC LỤC
Trang

2


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết
tắt
AC
ADC
BS
CDMA
ADV

GPS
ISM
LEACH

Chữ đầy đủ

MAC

Address Centric
Analog- to - Digital Convert
Base Station
Code Division Multiple Access
Advertisement
Global Positioning System
Industrial, Scientific and Medical
Low Energy Adaptive Clustering
Hierarchy
Media Access Control

NS2

Network Simulator version 2

PEGASIS

Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems

QoS
REQ

SAR
SMP

Quality of System
Request
Sequential Assignment Routing
Sensor Management Protocol

SPIN

Sensor Protocol for Information via
Negotiation

SQDDP
TADAP

Sensor Query and Data
Dissemination Protocol
Task Assignment and Data
Advertisement

TCP

Transmission Control Protocol

TDMA

Time Division Multiple Access

TEEN

UDP

Threshold – Sensitive Energy
Efficient Sensor Network
User Datagram Protocol

WSN

Wireless Sensor Network

Nghĩa tiếng Việt
Bộ chuyển đổi tương tự - số
Trạm gốc
Đa truy cập phân chia theo mã
Bản tin quảng bá
Hệ thống định vị toàn cầu
Giao thức phân cấp theo cụm
thích ứng năng lượng thấp
Điều khiển truy nhập môi
trường
Mô phỏng mạng phiên bản 2
Tổng hợp năng lượng trong
các hệ thống thông tin cảm
biến
Chất lượng dịch vụ
Bản tin yêu cầu
Định tuyến phân phối tuần tự
Giao thức quản lý trong mạng
cảm biến
Giao thức cho thông tin dữ

liệu thông qua đàm phán
Giao thức phân phối sữ liệu và
truy vấn cảm biến
Giao thức quảng bá dữ liệu và
chỉ định nhiệm vụ cho từng
cảm biến
Gió thức điều khiển truyền
dẫn
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
Giao thức hiệu quả về sử dụng
năng lượng
Giao thức gói dữ liệu người
dùng
Mạng cảm biến không dây

3


DANH MỤC HÌNH VẼ

4


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay nhờ những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ, sự phát
triển của những mạng cảm biến với giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức
năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển
khai các mạng cảm biến để có thể áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là
các lĩnh vực về y tế, quân sự, giao thông, môi trường…Trong tương lai không xa,

các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc
sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng
nào cũng có được như mạng cảm biến.
Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong
những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn va không thể nạp lại.
Góp phần tìm hiểu về việc cải thiện tiết kiệm năng lượng trong toàn mạng. Em đã
lựa chọn và tìm hiểu giao thức định tuyến PEGASIS. Phương pháp nghiên cứu của
em là tìm hiểu tổng quan các giao thức định tuyến. Tập trung đi sâu vào tìm hiểu
giao thức định tuyến PEGASIS và sử dụng phần mềm NS-2 để mô phỏng WSN trên
hệ điều hành Ubuntu.
Nội dung đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN).
Chương 2: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây.
Chương 3: Kiến trúc định tuyến PEGASIS.
Chương 4: Mô phỏng PEGASIS bằng phần mềm NS-2.
Tuy nhiên đây là đề tài còn mới mẻ ở nước ta, và do còn hạn chế về kiến thức
cũng như thời gian. Nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, cần phải phát triển
thêm nữa. Em mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em
được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Điện tử- Viễn thông.
Đặc biệt em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Nguyễn Lê Hùng
đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện để em hoàn thành đồ án này.

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này em sẽ trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây,
bao gồm :
+ Cấu trúc mạng cảm biến không dây WSN
+ Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
+ Các ứng dụng nhất định của mạng cảm biến không dây.
1.2. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
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 con 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 WSN.
Một mạng cảm biến không dây( Wireless Sensor Network) là mạng liên kết
các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Các nút giao tiếp với nhau và truyền
về dữ liệu trung tâm (base station) một cách trực tiếp hoặc gián tiếp bằng kỹ thuật
đa chặng.
Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp…và có
số lượng lớn, được phân bố trên phạm vi rộng, nguồn năng lượng (pin)có thời gian
hoạt động hạn chế (vài tháng đến vài năm). Và có thể hoạt động trong môi trường
khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, địa hình hiểm trở…) 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 không dây có nhiệm vụ cảm nhận, quan sát, và khả năng tính
toán nhằm mục đích thu thập và tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục
về môi trường tự nhiên.

Trang 6


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hình 1.1 Biểu tượng mô hình mạng WSN
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan
trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới
hạn về năng lượng của chúng. Tức là các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công
suất thấp, và hạn chế thứ hai đó là các nút cảm biến không thể thay thế được nguồn
cung cấp.Như vậy vấn đề đặt ra chính là đưa ra những giải pháp giải quyết vấn đề
hạn chế năng lượng trong mạng cảm biến không dây WSN.
1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.3.1 Cấu trúc một node mạng.
Để xây dựng các node cảm biến trước hết phải chế tạo các node thỏa mãn một
số yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành
rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm
nhận, thu thập các thông số môi trường, khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu
trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để trao đổi thông tin với các nút lân cận.
Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản :
- Bộ cảm ứng (sesing unit)
- Bộ xử lý (a processing unit)
- Bộ thu phát vô tuyến (a transceiver unit)
- Bộ nguồn (a power unit)

Trang 7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

- Ngoài ra còn có thể có thêm các thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng
dụng như là hệ thống định vị, bộ phát nguồn và bộ phận di động.

Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm ứng
Các bộ cảm ứng (sesing unit) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự

sang số ADC (Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan sát
được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm ứng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ
ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý (a processing unit) thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage
unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để để thực hiện cá nhiệm
vụ định sẵn.
Bộ thu phát vô tuyến(a transceiver unit) nối các nút vào mạng. Chúng gửi và
nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc
tới sink.
Bộ nguồn (a power unit) là thành phần quan trọng nhất của một nút mạng.Bộ
nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có tuổi thọ lâu hơn thì bộ nguồn đóng
vai trò quyết định, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng
ánh sáng mặt trời.

Trang 8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ngoài ra các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu
cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ phận di
động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các
nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.Ngoài
kích cỡ ra các nút cảm biến còn phải đáp ứng một số tiêu chí như là phải tiêu thụ ít
năng lượng, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với biến đổi của
môi trường.
1.3.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Khi thiết kế mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có
hiệu quả nguồn năng lượng hạn chế của mạng, kéo dài thời gian sống của mạng.Vì

vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:
- Giao tiếp không dây đa chặng:

Hình 1.3 Mạng đơn chặng

Hình 1.4 Mạng đa chặng

Mạng đơn chặng đơn giản là từ các node con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về
node cơ sở, tuy nhiên mạng này thường nhỏ. Khi giao tiếp không dây thì giao tiếp
trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt
khi node phát và node thu cách xa nhau thìcần phát công suất lớn.Vì vậy cần
các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các
mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng.

Trang 9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

- Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số
một cách tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông
qua các nút khác (gọi là tự định vị).
- Sử dụng hiệu quả năng lượng: Để hỗ kéo dài trợ thời gian sống của toàn
mạng. sử dụng hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến
không dây.
- Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút
cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thì
mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến trạm gốc sẽ rất
tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một
vùng rồi mới gửi tới trạm gốc thì sẽ tiết kiệm băng thông, thời gian và năng lượng.

Chẳng hạn như khi xác định nhiệt độ trung bình, hay cao nhất của một vùng. Do
vậy cấu trúc mạng được thiết kế sẽ phải thỏa mãn:





Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

Các nút cảm biến được phân bố trong vùng cảm biến như hình 1.3, hình 1.4.
Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các trạm gốc.
Dữ liệu được định tuyến lại các trạm gốc bởi một cấu trúc đa điểm như hình
trên. Các trạm gốc có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (Task Manager
Node) qua mạng Internet hay vệ tinh.

Trang 10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hình 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.3.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây
1.3.3.1 Cấu trúc phẳng (Flat Architecture)
Trong cấu trúc phẳng (Flat Architecture), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng
nhất trong hình dạng và chức năng.Các nút giao tiếp với trạm gốc qua đa chặng sử
dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần
trạm gốc hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn

nguồn.Giả sử rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì
vậy có thể chia sẻ thời gian.

Hình 1.6 cấu trúc phẳng

Trang 11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.3.3.2 Cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture)
Trong cấu trúc phân cấp (Tiered Architecture), mạng phân thành các cụm,
mỗi cụm có nút chủ cụm (Cluster Head). Các nút trong cụm thu thập dữ liệu, rồi gửi
đơn chặng hay đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước của cụm).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút
ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Trong cấu trúc phân cấp thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút.Chính vì vậy nó được phân theo nhiều cấp và mỗi cấp
đảm nhiệm một chức năng cụ thể :
•

Cấp 0: Là cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận như đo đạc nhiệt

•

độ, áp suất, độ ẩm…
Cấp 1: Là cấp giữa thực hiện tính toán như phân phối dữ liệu từ nhiều nút

•

khác nhau sau đó đưa ra quyết định.
Cấp 2: Là cấp trên cùng thực hiện thu thập thông tin từ cấp giữa rồi đưa
thông tin về trạng thái ban đầu tại nút thấp nhất.

Các nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều giữa các lớp, ví dụ
mỗi lớp có thể thực hiện một nhiệm vụ xác định trong tính toán.Trong trường hợp
này, các nút ở cấp thấp nhất đóng vai trò một bộ lọc thông dải đơn giản để tách

Trang 12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

nhiễu ra khỏi dữ liệu, trong khi đó các nút ở cấp cao hơn ngừng việc lọc dữ liệu này
và thực hiện các nhiệm vụ khác như tính toán, phân phối dữ liệu.
Căn cứ vào những đặc điểm của hai cấu trúc trên và những lý do sau đây cho
chúng ta thấy mạng cảm biến không dây xây dựng theo cấu trúc phân cấp hoạt động
hiệu quả hơn cấu trúc phẳng :
Cấu trúc phân cấp có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các
tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Nếu một số lượng lớn các nút
có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn cácnút
có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian,
chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
Mạng cấu trúc phân cấp sẽ có tuổi thọ cao hơn mạng cấu trúc phẳng.Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán.Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt
động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc phân cấp mà các

chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức
năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các nút yêu cầu
thỏa mãn điều kiện về bang thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng kích
cỡ mạng tăng thì thông lượng của mỗi nút giảm
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây
•

•

•

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance) : Một số nút cảm ứng có thể không hoạt
động nữa do thiếu năng lượng, do hư hỏng vật lý hay do ảnh hưởng của môi
trường.Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì
những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng (scability): khi triển khai mạng cảm biến nghiên cứu một
hiện tượng nào đó, số lượng các nút cảm ứng được triển khai có thể đến hang tram
nghìn, phụ thược vào từng ứng dụng, con số này có thể vượt quá hang triệu.Những
kiểu mạng mới phải có khả năng làm việc với số lượng các nút này và sử dụng
được tính chất mật độ cao của mạng cảm ứng.
Chi phí sản xuất (production costs): 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
Trang 13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển
khai cảm biến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do

vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
• Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Như đã trình bày
ở phần 1.2… về cấu trúc một nút cảm biến, có nhiều rang buộc về phần
cứng: Phải có kích thước nhỏ , càng nhỏ càng tốt. Ngoài kích cỡ ra các nút
cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như là phải tiêu thụ rất it
năng lượng, hoạt động ở mật độ cao,giá thành thấp, có thể tự hoạt động và
•

thích ứng với môi trường.
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 hàng 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 lâp
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:
+ 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.
Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ
thuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng
thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật

+

cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
Pha triển khai lại: sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào
các node cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc

•

vào sự thay đổi chức năng.
Môi trường hoạt động : Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất
gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng
thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có
thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong
những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa

•

nhà lớn.
Phương tiện truyền dẫn (Transmission meddia): Ở những mạng cảm
ứng multihop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây.
Trang 14


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại
hoạc 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 theo chuẩn trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút
cảm ứng dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm ứng năng lượng
thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Cấu trúc wireless Integrated network sensors (WINS) cũng sử dụng
đường truyền vô tuyến để truyền dữ liệu.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết
kế máy thu phát dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn.
•

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến
không dây có thể được coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể trang bị
nguồn năng lượng giới hạn(0.5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc
bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời
gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của
pin.

Mạng cảm biến không dây được dùng trong công nghiệp và y tế thường đòi hỏi
công suất tiêu thụ thấp, được cung cấp năng lượng từ những cục pin nhỏ nhưng có
thể sống được vài tháng đến vài năm. Với các ứng dụng theo dõi môi trường, khi
mà số lượng lớn cảm biến được rải trên diện tích rất rộng thì việc thường xuyên
phải thay pin để cung cấp nguồn năng lượng là điều không khả thi. Chính vì lý do
đó trong mạng cảm biến không dây, ngoài việc quản lý năng lượng để sử dụng một
cách hiệu quả nhất cần kết hợp với các thuật toán định tuyến tối ưu để giảm thiểu
năng lượng tiêu thụ.
•

Tínhbảo mật : Khi truyền tín hiệu không dây được truyền đi trong
không gian thì nó rất dễ dàng bị thu và đánh cắp thông tin ở bất cứ nơi
đâu trên đường truyền vì thế vấn đề bảo mật rất được quan tâm khi thiết
kế mạng cảm biến không dây. Điều này sẽ làm tiêu tốn thêm tài nguyên
của hệ thống về mặt năng lượng và băng thông tuy nhiên bảo mật là một

Trang 15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

yếu tốt bắt buộc trong truyền tin. Bảo mật trong mạng cảm biến không
dây cần phải đảm bảo các yếu tố: dữ liệu được mã hóa, có mã xác thực

và nhận dạng giữa người gửi và người nhận. Việc này sẽ được thực hiện
kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập tin,
điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bít xác thực.
1.3.5 Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu
với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự
tương tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm:

Hình 1.8 Kiến trúc giao thức mạng
•

Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát
hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM915MHZ được
sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến.Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng

•

cần phải được xem xét ở lớp vật lý.
Lớp ứng dụng : tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần
mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng
dụng. Trong lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức
quản lí mạng cảm biến (SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định
nhiệm vụ cho từng cảm biến (TADAP), giao thức phân phối dữ liệu và
truy vấn cảm biến (SQDDP).

Trang 16


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
•

Lớp giao vận: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến
yêucầu. Lớp giao vận đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng

•

bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet.
Lớp liên kết dữ liệu: lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép
các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi
trường. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động,
giao thức điều khiển truy cập môi t rường (MAC – Media Access
Control) 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: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp
giao vận. Việc định tuyến trong mạng cảm biến cần phải đối mặt với rất
nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng…
Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc





•

sau:
hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hang đầu.
Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.
Phần phẳng quản lý năng lượng: quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn
năng lượng của nó.Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được
một bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ phát quảng bá
sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và
nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. Năng lượng còn lại sẽ được

•

dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di động: có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại sự chuyển động của
các nút, Các nút giữ việc theo dỏi xem ai là nút hàng xóm của chúng. Nhờ
xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng

•

giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các
nút trong một vùng. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm
vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực

Trang 17


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất
của nó.
1.4. Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây.

•

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác
nhau của cuộc sống. Trước đây các thiết bị UGS trước khá lớn và cồng kềnh,
hay phát cảnh báo sai và có tuổi đời chỉ tính bằng ngày hay tuần.Nhưng ngày
nay tuổi thọ của những cảm biến này đã được cải tiến có thể lên tới khoảng
hai thập kỷ. Khi không phát hiện được vật thể hoặc truyền tín hiệu, các cảm
biến sẽ tự tắt để tiết kiệm pin. Điều này giúp nó có thể duy trì hoạt động
trong nhiều tuần khi bị chôn dưới đất. Các cảm biến được đặt vào hốc đá
được trang bị tấm pin năng lượng mặt trời nhỏ để giúp cảm biến tự sạc pin.
Vì thế, những loại thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thể được đặt ở
bất kỳ đâu trên thế giới, và vẫn chạy tốt suốt đêm.

1.4.1. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc phòng
•

Giám sát lực lượng và trang thiết bị: Lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục
trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị. Quân
đội, xe cộ, trang thiết bị có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến để có thể

•

thông báo về trạng thái.
Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn và
các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần
như có thể theo dõi các hoạt động Phát hiện phóng xạ, rà phá bom mìn...

Hình 1.9 Thiết bị cảm biến đặt trên mặt đất.
Trang 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trước đây quân đội Mỹ đã sử dụng các thiết bị theo dõi dễ bị lẫn vao đất đá hoặc
được giấu trong hốc đá ngay từ năm 1966, khi các lực lượng của Mỹ gài các thiết
bị phát hiện âm thanh trên đường Hồ Chí Minh. Hay hàng ngàn thiết bị UGS
từng được rải khắp Afghanistan và Iraq, tạo nên mạng lưới giám sát quanh các tiền
đồn và tại các địa điểm xa xôi. Đây là cách giám sát khu vực lớn nhất có thể với số
lượng binh lính tối thiểu.
•

Giám sát địa hình và quản lý được đường biên giới, hải đảo: Với các thiết bị
ADSID (cây nhiệt đới) mạng Wirelless sensor network, hệ thống truyền thông
Viettel và hệ thống thông tin và cáp cáp quang hữu tuyến. Hoàn toàn có thể quản lý
được đường biên giới, hải đảo trong một không gian rộng lớn dưới một mạng duy
nhất, ổn định.
Với công nghệ hiên nay, các phần cứng trong ADSID có thể được lập trình sao
cho, trong điều kiện bình thường các thiết bị ở trạng thái ngủ(sleeping) với mức tiêu
thụ năng lượng ít nhất. Trong trường hợp các sensor cảm nhận được các tín hiệu âm
thanh , từ trường hoặc địa chấn, vượt quá dải tần cảnh báo, phần cứng trong ADSID
mới trở về trạng thái kích hoạt, xác định tính chất của mục tiêu và truyền thông tin
thu nhận được về trung tâm xử lý thồn tin. Trung tâm sẽ xác định lại mục tiêu, trong
trường hợp xảy ra xâm phạm biên giới, hải đảo. Dựa vào những thông tin truyền về
trung tâm từ cây nhiệt đới ADSID, trung tâm sẽ điều hành tác chiến và các đơn vị
thành viên sẽ nhanh chóng xác định được chính xác khu vực đang có tình huống, số
lượng người hoặc phương tiện đang xâm phạm. Hình 1.10 cho ta hình dung được về
ứng dụng của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội.

Trang 19

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hình 1.10 Sơ đồ thể hiện tình huống ngăn chặn hoạt động xâm phạm chủ quyền
1.4.2 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin
này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
Điều khiển từ xa các thiết bị trong nhà:Với các tiến bộ kỹ thuật hiện nay, các
nút cảm biến và các bộ điều khiển thông minh có thể gắn được trong các thiết bị gia
đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh,máy bơm nước tự động…

Hình 1.11 Sơ đồ căn nhà thông minh

Trang 20


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ví dụ : Hình 1.11 trong ngôi nhà thông minh, từ tủ rượu cho tới gấu bông sẽ đều
được kết nối thông minh và điều khiển từ ứng dụng smartphone, cửa ra vào sẽ "nói
chuyện" cùng chuông báo cháy, đèn chiếu sẽ nhấp nháy khi tủ lạnh bị mở cửa, và
một chú gấu bông thông minh sẽ thay bạn chúc em bé ngủ ngon.
1.4.3 Ứng dụng trong y tế
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là kiểm tra tình trạng các
bệnh nhân, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và các cơ chế
sinh học bên trong của côn trùng hoặc các loài sinh vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm
tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện.
Khi cảm biến phát hiện sự thay đổi, nó sẽ gửi thông tin đến điện thoại của bệnh
nhân bằng tin nhắn hoặc email. Mỗi khi đến giờ uống thuốc, bóng đèn nhỏ trong lọ

thuốc sẽ nhấp nháy kèm theo đó là âm thanh nhắc nhở.

Hình 1.12 Lọ thuốc thông minh
Giám sát trong y tế và chuẩn đoán từ xa: Trong tương lai các nút cảm ứng có
thể gắn được vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để sớm
phát hiện các bệnh hiểm nghèo như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn.
Quản lí dược phẩm trong bệnh viện: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm
biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có thể nhận biết các dị ứng thuốc và
dược phẩm cần thiết.Nhờ đó, có thể giảm tối đa cac sai sót trong việc kê đơn thuốc
và sử dụng thuốc của bệnh nhân.

Trang 21


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.4.4 Ứng dụng trong bảo vệ 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 loại 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 trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát
hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt

Hình 1.13 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường
Phát hiện cháy rừng: FireWatch là hệ thống giám sát từ xa số trên mặt đất
dùng để quan trắc một vùng rừng rộng lớn và phân tích, tính toán và lưu trữ dữ liệu
thu thập.

Trang 22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hình 1.14 Hệ thống cảm biến giám sát từ xa số
Do có sự nhạy cảm, chính xác và ổn định cao nên hệ thống có thể dễ dàng phát
hiện sớm cháy rừng.
FireWatch có thể tính toán và phân loại nhiều loại thông tin đầu vào và kết nối
với trạm trung tâm.Trong trường hợp phát hiện đám cháy, hệ thống sẽ tự động đưa
ra cảnh báo.
FireWatch đã được thử nghiệm thành công và sử dụng tại Đức trong nhiều năm
(một số Bang như: Brandenburg, Mecklenburg-Western Pomerania, SaxonyAnhalt).
Một số tính năng đặc thù:
- Phát hiện cháy rừng sớm một cách tự động và ổn định theo mô hình các trạm
quan trắc.
- Tự động phát hiện đám khói bất luận ngày hay đêm.
- Xử lý dữ liệu trực tuyến trên đường truyền sóng radio hay cáp tốc độ cao.
- Giám sát một diện tích rừng lớn tới 70.000 ha bằng chỉ một cảm biến.

Trang 23


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

-

Thu nhận và cung cấp hình ảnh chất lượng cao cho trạm xử lý.
Tính năng nổi bật:
Hình 1.15 Tính năn nổi bật của hệ thống
- Bán kính quan trắc: từ 10 đến 15 km
- Độ chính xác: Có khả năng phát hiện đám khói có độ lớn 15mx15m ở

khoảng cách 15 km.
- Mỗi phút quan trắc được 14.000 ha.
- Bộ cảm biến được bảo vệ trong mọi điều kiện thời tiết.
Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và đưa ra cảnh báo ngăn chặn được thảm họa
cháy rừng.
Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Hệ
thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mức nước, thời tiết. Những
cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích
và cảnh báo lũ lụt sớm.

Trang 24


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn:

Hình 1.16 Một thiết bị cảm biến cực nhạy của CTBTO trên mặt đất
Các cảm biến về độ rung được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những
khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện
tượng động đất và hiện tượng núi lửa phun trào.
1.4.5 Ứng dụng trong công nghiệp
Ứng dụng trong quản lý, điều khiển, hiệu suất và an toàn trong các hoạt động
công nghiệp. Cảm biến được đặt trong môi trường làm việc để giám sát quá trình
làm việc và các sự cố có thể xảy ra… Các dữ liệu được truyền về trung tâm để
người quản lý có biện pháp xử lý kịp thời..

Hình 1.17 Ứng dụng trong công nghiệp
Trang 25