Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và
ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng.
Trong thời gian làm luận văn này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của
thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn
này.
Các số liệu và kết quả trong luận văn của tôi bao gồm các công thức và hình
ảnh mô tả các quá trình phân chia, năng lượng còn lại và thời gian sống hay sự
tồn tại của mạng (cảm biến không dây). Đây là kết quả một quá trình làm việc
nhiệt tình nghiêm túc của thầy và trò tạo cơ sở thực tiễn.

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

1


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm việc để hoàn thành luận văn này, tôi đã
nhận được sự hướng dẫn, nhiệt tình quý báu của thầy giáo. Với lòng kính trọng
và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tính trường
Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy
bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho tôi, trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn các

thầy cô, các anh, chị và các bạn đi trước, đã nghiên cứu về mạng cảm biến
không dây, nhờ đó mà tôi đã có được thông tin bổ sung hữu ích cần thiết trong
công việc của mình.
Lời cảm ơn sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo cơ quan,
bạn bè và đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm
việc để hoàn thành chương trình Thạc sĩ của tôi.

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

2


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... 2
MỤC LỤC .......................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... 6
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... 8
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI
TOÁN ĐỊNH TUYẾN ...................................................................................... 14
1.1: Khái quát về mạng cảm biến không dây ..................................................... 14
1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây ....................................................... 15
1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây .......................................................... 15
1.1.2.1: Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây .......................................... 15
1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ....................................................... 17
1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây. ......................................................... 19

1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây .......................... 20
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây. .............................................. 20
1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây .......................................... 23
1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây .............................................. 24
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................................. 25
1.2.1: Bài toán .................................................................................................... 25
1.2.2: Công thức ................................................................................................. 25
Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. .. 26
2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây............................ 26
2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng ....................................................... 26
2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng......................................................... 27
2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ.................................................................. 27
2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây ............................................................. 28
3


2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu ............................................................................ 29
2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu ..................................................... 29
2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây ............................................. …34
2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý .................................................................... 34
2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây ..................... 36
2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................ 39
2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost
Routing) ............................................................................................................. 39
2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware
Routing) ............................................................................................................. 40
2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) 40
2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải ............... 41
2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensisons)........ ................. 41
2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) ............ 41

2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) ............. 42
2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy
aware routing) .................................................................................................... 43
2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols)............................................. 44
2.3.10: Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols)............................... 47
Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
HÒA BÌNH ........................................................................................................ 48
3.1: Khảo sát mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình........................................... 48
3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình ...... 51
3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây. ............................................................... 51
3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes). ....................................... 52
3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện
Hòa Bình ............................................................................................................ 52

4


3.3: Mô phỏng quá trình thu nhập của mạng cảm biến không dây cho xử lý số
liệu nhà máy thủy điện trên cơ sở phân cấp, phân cụm, các nút mạng với quá
trình giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong mạng. ............................................. 53
3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây. ............................................... 54
3.4.1: Phân tích năng lượng tiêu thụ trên mạng .................................................. 54
3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lượng tiêu thụ nhỏ.. 56
3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và trọn cụm chủ. ......................................... 60
Kết luận và hướng phát triển. ............................................................................. 67
Tài liệu tham khảo.............................................................................................. 68

5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của hệ thống mạng. ......................................... 61
Bảng 3.2: Năng lượng cho từng trường hợp. ..................................................... 66

6


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng ........................................................ 16
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây. .................................................. 18
Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure. ............................................................. 19
Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng ............................................................ 20
Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm. ......................................................... 30
Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm. ..................................................... 30
Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm ....................................................... 32
Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây. ................................. 34
Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến ..................................................................... 35
Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH . ................................................................... 45
Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình. ......................................... 48
Hình 3.2: Hồ chứa nước và cửa nhận nước. . ..................................................... 49
Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy. .................................................................... 49
Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv. .......................................... 50
Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv. ................................................................ 51
Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống. .......................................... 52
Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm. .................... 53
Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng. ................................................... 55
Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t). .............. 56
Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t+1). ......... 56

Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp. .... 58
Hình 3.11: Minh họa sơ đồ chọn nút chủ trong cụm. ......................................... 59
Hình 3.12: Minh họa mô hình các nút mạng được lắp đặt trong hầm turbin theo
hình vẽ. ............................................................................................................. 60
Hình 3.13a: Minh họa mô hình các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không
phân cụm. .......................................................................................................... 61

7


Hình 3.13b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng
thiết lập cụm. ..................................................................................................... 62
Hình 3.13c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại trung bình trên mạng ........... 62
Hình 3.14a: Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin được chia thành 2 cụm. 63
Hình 3.14b: Minh họa mô hình thời gian sống của mạng. ................................. 63
Hình 3.14c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại của các nút mạng. ............... 64
Hình 3.15a: Minh họa mô hình mạng cảm biến trong hầm chia thành 3 cụm. .... 64
Hình 3.15b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng. ..................... 65
Hình 3.15c: Minh họa mô hình năng lượng các nút mạng và giá trị trung bình
của các nút mạng. .............................................................................................. 65

8


CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

N

Node

Nút

IoT

Internet of Things

Tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau

SN

Sink Node

Nút chủ

IEEE

Institute of Electrical and Electronics

Chuẩn IEEE

Engineers
PAN

Personal Area Network

Mạng cá nhân

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập kênh
truyền

FFDs

Full Functional Dependencien

Chức năng đầy đủ

RFDs

Reduced-function Devices

Thiết bị có chức năng hạn
chế

SEA

Spokesman Election Algorithm

Thuật toán

MIC

Melage Integrity Code

Mã của gói tin

OSI

Operating System

Hệ điều hành

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

WPANs

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

WLANs

Wireless Local Area Network

Mạng không dây nội bộ

MANET

Mobile Ad-hoc Network

Mạng tùy biến di động

ADC

Analog Digital Converter

Chuyển đổi tương tự - số

LFS

Location Filding System

Hệ thống định vị

PG

Power Generator

Bộ phát nguồn

DSSS

Direct-Sequence Spresd Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp
9


TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
thời gian

MTPR

Minimum Total Power Rauting

Giao thức định tuyến tổng
năng lượng tối thiểu

MBRC

Minimum Battery Cost Routing

Giao thức định tuyến với
chi phí nguồn nhỏ nhất

EAR

Energy Aware

Giao thức định tuyến nhận
thức về năng lượng

E-SPAN

Energy-Aware Spanning Tree

Giao thức định tuyến E-

Ailgorithm

Span

BRE

Bursty Routing Extensisons

Giao thức định tuyến BRE

BCTP

Balanced Collection Tree Protocol

Giao thức định tuyến BCTP

ICTP

Improved Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu cải tiến

ETX

Expected Transmission

Số lần truyền kỳ vọng

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering

Kiến trúc phân cụm thích

Heararchy

ứng năng lượng thấp

10


MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) Bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây như (vô tuyến, hồng
ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ
liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào.
Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực
tiếp nó, hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (Sink) và môi trường
mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể
được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như: Điều khiển giám sát và an
ninh, kiểm tra môi trường, tạo ra không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá
chính xác trong nông nghiệp, trong lĩnh vực y tế, quân sự .... Lợi thế chủ yếu của
chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả các
môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất
nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm
về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc, với khả năng
xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các
chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức
tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh
quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Vậy mạng không dây

có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó
đảm bảo được nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng lượng
còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng. Vì vậy mạng cả biến
không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà máy thủy
điện Hòa Bình có tính năng ưu việt hơn các hệ thống mạng khác. Vì thế em chọn
đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng”. Trong đó Luận
văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ thuật định tuyến
11


trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa Bình, làm những
công việc sau: Cảm nhận mực nước hồ chứa nước, các cửa sả và nhận nước,
cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trường trong phòng lắp đặt thiết bị xả, nhiệt độ
turbin, giá đỡ turbin.... Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá tải dòng điện, quá tải
hồ chứa nước...............
Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ
gọn, tiêu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực xã hội như: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công
nghiệp, y tế và dân dụng.
Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn
đề như mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẻ
dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của
quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây.
Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng
đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất
lượng truyền. Tức là, ta xác định được chất lượng truyền dữ liệu trước khi thực
hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ được cải thiện chất
lượng. Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công việc rất quan
trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây.
Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tín

hiệu thông qua sự phân cụm nút mạng và sự tồn tại lâu dài của dàn mạng cảm
biến không dây, cũng gống như ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng
truyền tối ưu.
Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không
dây và ứng dụng” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại
lâu dài của của hệ thống mạng. Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hướng
nghiên cứu tiếp theo về chủ đề phân cụm trong mạng cảm biến không dây. Bố
cục của luận văn gồm các nội dung sau:

12


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
Trình bày khái quát, cấu trúc, mô hình và bài toán định tuyến trong mạng
cảm biến không dây.

CHƯƠNG 2
CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trình bày các kỹ thuật định tuyến và giao thức trong mạng cảm biến
không dây.

CHƯƠNG 3
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH
Trình bày chi tiết mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình, khảo sát nhà máy, ứng
dụng mạng cảm biến vào nhà máy thủy điện và xây dựng hệ thống mạng cảm
biến gồm 50 nút.

13


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây
Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông
tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội
tụ công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn.
Dựa vào những thông tin được thiết bị cảm biến mà hệ thống đưa ra
những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại
nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các hệ thống hiện đại đó.
Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)
đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai
mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu. Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần
phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây
WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng
cao khả năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống. Mạng cảm biến
không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến
với nhau, nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu người dùng. Mỗi
nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và
các cảm biến. Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó các nút
cảm biến trao đổi với nhau thông qua giao tiếp không dây và các nút trong mạng
thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công
suất tiêu thụ thấp và có một phạm vi hoạt động lớn có thể liên kết với các mạng
khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng lớn hơn. Các nút cảm biến có thể
sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động.
Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc
đáp ứng yêu cầu của người dùng, như theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết

bị điện, hay ở chế độ ngủ.

14


1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các
(thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp..., và có số lượng lớn, được phân bổ
một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng, sử dụng
nguồn năng lượng hạn chế là (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến
vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm,
nhiệt độ ...).
Các nút (node) mạng thường có chức năng cảm ứng, quan sát môi trường
xung quanh như: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ... theo dõi hay định vị các mục tiêu
cố định hoặc di động ... Các nút (node) giao tiếp (ad-hoc) với nhau và truyền dữ
liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop.
Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong mạng cảm biến không dây là
thấp và không liên tục (không hẳn với tracking và localization aplication). Do
vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt
động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường
thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều.
1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.1.2.1: Cấu trúc 1 nút mạng cảm biến không dây
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút
cấu thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải 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, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ,
và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút

cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở (Hình 1.1), bộ cảm
nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit)
và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy

15


thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ
phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).

Hình 1.1: Các thành phần của một nút cảm ứng
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng
quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được chuyển sang tín hiệu
số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết
định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết 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.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn
có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan
trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng
mặt trời.
Hầu hết các kỹ 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.

16


Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như
là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có
thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường.
1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính,
thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các
vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát
lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng
thể. Do đó các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng 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).
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 cùng tác hoạt động thì mới
thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì 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 sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
 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 ứng được phân bố trong một môi trường mạng cảm biến

không dây như (Hình 1.2). Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu
17


và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một
cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task
manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
+ Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau
Đơn vị cảm biển (sensing unit)
Đơn vị xử lý (Processing unit)
Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Bộ nguồn (power unit)
+ Đơn vị cảm biến
Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC). Dựa vào những hiện
tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được
số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau
đó được đưa vào bộ xử lý.
+ Đơn vị xử lý
Là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc chấp hành yêu cầu
của mạng theo ngữ cảnh khác nhau.

18


+ Đơn vị truyền dẫn
Là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín hiệu qua môi trường không
dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn truyền thông trong mạng cảm
biến như Zigbee.

+ Bộ nguồn
Cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến. Tùy thuộc
vào nút cảm biển khác nhau, mà nguồn có thể được bổ sung từ năng lượng bên
ngoài như sóng điện từ, năng lượng mặt trời.
Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng
ứng dụng như là hệ thống định vị (location filding system), bộ phát nguồn
(power generator) và bộ phận di động (mobilizer).
1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây
+ Mô hình mạng AD-HOC
Khái niệm
- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây
- Tương tự mô hình peer to peer trong mạng có dây
- Các máy tính có vai trò ngang nhau
- Khoảng cách liên lạc từ 30m đến 100m.
- Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm (SEA).
+ Mô hình vật lý

Hình 1.3: Mô hình mạng INFRASTRUCTURE
19


Khái niệm
- Là mạng gồm hai hay nhiều AP để mở rộng phạm vi hoạt động các
Stationcos thể kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi.
- AP đóng vai trò truy cập cho các Client (Station) trao đổi dữ liệu với nhau
và truy xuất tài nguyên của server.
- Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10 đến 15 client (tùy sản phẩm và
hãng sản xuất) đồng thời tại một thời điểm.
- Mô hình vật lý.

Hình 1.4: Mô hình vật lý
1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây
Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó
cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực
được triển khai (nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính
xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi.
Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng,
người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe,
người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí.
Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi
khác.

20


Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít
nhất 1 access point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó
khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
Đơn giản về mặt tính toán, dễ thực hiện, và lắp đặt trên mọi địa hình, giả
thiết một tín hiệu chạy trong mạng nhờ có cách phân bổ các nút trong toàn mạng
cảm biến mà vẫn đảm bảo sự hội tụ do đó có thể triển khai và phát triển ứng
dụng này trên hệ thống mạng có quy mô lớn, giảm chi phí truyền thông, cho độ
chính xác cao hơn, lượng tiêu thu năng lượng trong mạng ít, vì vậy tuổi thọ
trong dàn mạng lâu hơn…..... Mặc dù không tránh khỏi những hạn chế tất yếu
trong việc chấp nhận sai số nhỏ (dần theo sự gia tăng số cảm biến), phương pháp
này vẫn được coi là có tính khả thi cao nhờ những ưu điểm vượt trội do mạng
cảm biến không dây mang lại.
+ Tiêu thụ điện năng thấp
Những ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu tiêu thụ điện trung

bình thấp hơn mạng không dây hiện thời khác do đa phần các phần tử cảm nhận
trong mạng được nuôi bằng pin do vậy năng lượng rất giới hạn. Một cách để giải
quyết vấn đề này, trong những ứng dụng nhất định không thể sử dụng một
nguồn pin duy nhất, những nút mạng trong những ứng dụng này phải có năng
lượng của nó và bằng khai thác hoặc lấy năng lượng từ môi trường. Ví dụ: về
vấn đề này là cảm biến nhiệt độ môi trường các nút cảm biến không dây thu
được năng lượng từ năng lượng xung quanh.
+ Giá thành thấp
Giá thành sử dụng có một vai trò quan trọng trong những ứng dụng kết
nối không dây. Các nút mạng trong mạng cảm biến không dây cần được thiết kế
đặc biệt với giá thành thấp để có thể vứt bỏ được sau khi hết năng lượng. Những
ứng dụng của mạng cảm biến không dây yêu cầu những mối liên kết không dây
ít phức tạp, giá thành thấp cho toàn bộ giá sản phẩm.

21


+ Tính sẵn sàng Worldwide
Để tăng qui mô sản xuất, tiếp thị, bán hàng và hiệu quả phân phối những
sản phẩm có những thiết bị mạng cảm nhận không dây nhúng trong chúng cần
có những thiết bị có khả năng thao tác với Internet, tận dụng các ưu điểm của
mạng Internet. Ví dụ các ứng dụng mạng cảm nhận không dây như hệ thống
định vị container hàng hải và tính thuế hàng hoá rất cần thiêt sự tham gia của
mạng cảm biến và có khả năng kết nối Internet.
+ Các kiểu mạng
Mô hình mạng hình sao truyền thống sử dụng một nút chủ (server) và một
hoặc nhiều hơn thiết bị slave có thể thỏa mãn nhiều ứng dụng. Vì năng lực
truyền của những thiết bị mạng có hạn bởi thiết kế kỹ thuật và nguồn pin, tuy
nhiên những giới hạn thiết kế mạng này là vùng vật lý mà một dàn mạng có thể
phục vụ trong phạm vi của một thiết bị chủ (server). Khi cần tăng phạm vi sử

dụng thì những kiểu mạng hỗ trợ lộ trình đa mức multi - hop hoặc những mạng
kiểu này phải được sử dụng, bộ nhớ và năng lực tính toán cũng như chi phí cho
những lộ trình hoặc những giải thuật, sự bảo trì mạng phải được hỗ trợ không để
có giá thành quá cao và mức tiêu thụ điện năng quá mức.
+ An toàn bảo mật
Do sử dụng môi trường truyền là sóng radio, nên có khả năng bị nhiễu … Do
đó, sự an toàn bảo mật của những mạng cảm biến không dây có hai khía cạnh
quan trọng như nhau là:
- Mạng thật sự an toàn như thế nào và việc mạng được lĩnh hội cho những
người dùng đặc biệt là những người dùng tiềm năng.
- Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm
cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi
thông tin bên trong bằng bất kỳ cách nào.

22


+ Lưu lượng dữ liệu
Những mạng cảm biến không dây có yêu cầu lưu lượng dữ liệu thấp hơn
so với các mạng không dây như: Bluetooth (IEEE 802.15.1), WPANs và
WLANs khác. Tuỳ vào mục đích thiết kế tốc độ dữ liệu cực đại có thể là 512b/s
(64bytes/s) mặc dù tốc độ dữ liệu thường dưới tốc độ này ở khoảng 1b/s hoặc
thấp hơn trong một vài ứng dụng.
+ Tiềm ẩn thông báo
Những mạng cảm biến không dây có chất lượng dịch vụ (QoS) bởi vì
trong chúng không hỗ trợ truyền thông đồng thời hoặc trùng hợp. Yêu cầu tiềm
ẩn thông báo cho những mạng cảm biến không dây được giảm nhẹ khi so sánh
với WPANs khác. Trong nhiều ứng dụng sự tiềm ẩn thông báo có khi đến cỡ vài
giây hoặc vài phút thì có thể chấp nhận được.
+ Khả năng di động

Những ứng dụng mạng cảm nhận không dây không yêu cầu sự lưu động
cao vì mạng giải quyết việc xác định những tuyến đường truyền thông mở,
những mạng cảm nhận không dây chịu ít sự điều khiển truyền thông hơn những
mạng di động đặc biệt (ví dụ như MANET).
+ Khả năng mở rộng
Mạng cảm biến không dây có thể đáp ứng tức thì khi gia tăng số lượng
người dùng. Với hệ thống mạng dùng cáp cần phải gắn thêm cáp.
1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây
+ Bảo mật: Môi trường kết nối không dây là không khí nên khả năng bị tấn
công của người dùng là rất cao.
- Phạm vi: Một mạng chuẩn 802.11g với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động
tốt trong phạm vi vài chục mét. Nó phù hợp trong 1 căn nhà, nhưng với một tòa
nhà lớn thì không đáp ứng được nhu cầu. Để đáp ứng cần phải mua thêm
Repeater hay access point, dẫn đến chi phí gia tăng.

23


- Độ tin cậy: Vì sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông nên việc bị nhiễu, tín
hiệu bị giảm do tác động của các thiết bị khác (lò vi sóng,….) là không tránh
khỏi. Làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng.
- Tốc độ: Tốc độ của mạng cảm biến không dây (1- 125 Mbps) rất chậm so với
mạng sử dụng cáp (100Mbps đến hàng Gbps).
1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây
WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự. Cùng với sự
phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông
minh, môi trường, y tế... Mạng cảm biến không dây ngày càng được sử dụng
nhiều trong hoạt động công nhiệp và dân dụng.
Một số ứng dụng cơ bản của cảm biến không dây:
 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: Phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…
 Công nghiệp: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…
 Dân dụng: Hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…
 Điều khiển:
 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…
 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
 Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...
 Y tế: Định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…
 Hệ thống giao thông thông minh:
 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết
lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…
 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện
giao thông,…
 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển
các thiết bị thông minh,…
24


WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị
thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống
viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…).
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây
1.2.1: Về một toán học khi truyền K bít của một thông điệp qua khoảng cách d
cần có một năng lượng như sau:
ETX = EelecK + Eapmpd2K

(1.1)

ERX(k) = Eelec K
1.2.2: Năng lượng Truyền trực tiếp đến trạm gốc.

Edirect = ETX(Kd=n*r)

(1.2)

25