NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất cứ công trình nào khác.

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM DOAN
MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU...................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY...................4
1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây......................................................4
1.2. Mô tả hệ thống .............................................................................................5
1.2.1. Mô tả hệ thống tổng quát........................................................................5
1.2.2. Hệ thống WISENET................................................................................7
1.2.2.1. Giới thiệu hệ thống WISENET.........................................................7
1.2.2.2. Sơ đồ hệ thống WISENET................................................................7
1.2.2.3. Các tiêu chuẩn được áp dụng............................................................10
1.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ....................................................11
1.3.1. Kích thước vật lý nhỏ...........................................................................11
1.3.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao...........................................11
1.3.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế...................11
1.3.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng...............................................12
1.3.5. Hoạt động tin cậy.................................................................................12

1.4. Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng WSNs.....................................................12
1.4.1. Tiêu thụ nguồn mức thấp.....................................................................12
1.4.2. Chi phí thấp..........................................................................................13
1.4.3. Mức độ khả dụng..................................................................................14
1.4.4. Kiểu mạng............................................................................................14
1.4.5. Bảo mật.................................................................................................15
1.4.6. Thông lượng dữ liệu.............................................................................17
1.4.7. Trễ bản tin............................................................................................18


1.4.8. Tính di động.........................................................................................18
1.5. Kết luận.........................................................................................................18
Chương 2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.........................................19
2.1. Các mô hình phân bố....................................................................................19
2.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây....................................................20
2.2.1. Giám sát và điều khiển công nghiệp....................................................20
2.2.2. Tự động hóa gia đình và điện dân dụng..............................................25
2.2.3. Cảm biến trong quân sự.......................................................................27
2.2.4. Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe...........................................29
2.2.5. Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh..............................30
2.3. Kết luận.........................................................................................................33
Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật mạng lõi của mạng
cảm biến không dây..............................................................................34
3.1. Kỹ thuật truyền dẫn không dây.....................................................................34
3.1.1. Quá trình truyền sóng...........................................................................34
3.1.2. Điều chế tín hiệu..................................................................................36
3.1.3. Công nghệ không dây...........................................................................38
3.1.3.1. Bluetooth......................................................................................39
3.1.3.2. WLAN.........................................................................................39
3.1.3.3. ZigBee..........................................................................................42

3.1.4. Kết luận................................................................................................43
3.2. Giao thức điều khiển truy cập.......................................................................44
3.2.1. mô hình giao thức cho WSNs..............................................................44
3.2.2. Giao thức MAC....................................................................................45
3.2.2.1. Các thông số................................................................................46
3.2.2.2. Các giao thức chung....................................................................49


3.2.2.3. Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC....................................58
3.3. Các giao thức định tuyến..............................................................................65
3.3.1. Các kỹ thuật định tuyến.......................................................................67
3.3.2. Flooding và các biến thể......................................................................68
3.3.3. Các giao thức định tuyến thông qua sự thỏa thuận.............................70
3.3.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp............................73
3.3.5. Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến.......75
3.4. Kết luận.........................................................................................................
Chương 4: Đánh giá một số tham số chất lượng dịch vụ mạng.........................77
4.1. Mô tả kịch bản mô phỏng.............................................................................77
4.2. Mô tả mã lập trình mô phỏng.......................................................................78
4.2.1. Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu..........................................78
4.2.2. Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon........................78
4.2.3. Thiết lập các node Phenomenon..........................................................78
4.2.4. Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon..................................79
4.2.5. Định hình node cảm biến.....................................................................79
4.2.6. Thiết lập các node non-sensor..............................................................80
4.2.7. Gắn kết các tác nhân cảm biến.............................................................80
4.2.8. Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node......80
4.2.9. Khởi động ứng dụng cảm biến.............................................................81
4.3. Thực hiện mô phỏng.....................................................................................81
4.3.1. Viết mã và chạy mô phỏng..................................................................81

4.3.2. Tính toán kết quả..................................................................................83
4.3.3. Tính tỷ lệ mẩt gói udp tại lớp giao.......................................................84
4.3.4. Tính độ trễ gói......................................................................................86
4.3.5. Tính tốc độ udp trung bình...................................................................88


4.4. Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng....................................................91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................93
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................94

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Từ viết tắt

Tiếng Anh

Nghĩa tiếng Anh

Tiếng việt

Nghĩa tiếng Việt


ADC

Analogue/Digital converter

Bộ chuyển đổi tương tự / số

ACK

Acknowledge

Xác nhận gói đúng

AES

Advanced Encryption Standard

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

AODV

Ad Hoc On-Demand Distance-

Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ

Vector

hướng theo yêu cầu tạm thời

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

API

Application program interface

Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng

ARC

Adaptive transmitssion rate control

Điều khiển tốc độ truyền dẫn
thích ứng

ARQ

Automatic repeat request

Cơ chế sửa lỗi bằng yêu cầu
lặp lại tự động

ASK

Amplitude Shift Keying

Điều biên

BE

Back-off Exponent

Thời gian chờ để được truy cập

BER

Bit error rate

Tỷ lệ lỗi bit

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát cơ sở

CAP

Contention Access Period

Thời gian tranh chấp truy cập

CCA

Clear Channel Assessment

Ước định kênh truyền thống

CFP

Contention Free Period

Thời gian tranh chấp tự do

CID

Cluster Indentity

Mã xác nhận Cluster

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy cập cảm biến sóng
mang

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with
Collision Avoidance
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with

Đa truy cập cảm biến sóng
mang tránh đụng độ
Đa truy cập cảm biến sóng

Collision Detection

mang phát hiện đụng độ

CTS

Clear to send

Sẵn sàng nhận

CW

Congestion Window

Cửa sổ tranh chấp

DLL

Data Link Layer

Lớp liên kết dữ liệu

DSDV

Destination-Sequenced Distance-

Định tuyến theo chuỗi chỉ

Vector

hướng với đích tuần tự


DSR

Dynamic Source Routing

Giao thức định tuyến nguồn

động

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

FDMA

Frequency division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số

FEC

Forward error correction

Cơ chế sửa lỗi trước

FHSS

Frequency Hopping Spread

Trải phổ nhảy tần

Spectrum
FIFO

First in First out

Vào trước ra trước

FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

FSK

Frequency Shift Keying

Điều tần

GPS

Global Possition System

Hệ thống định vị toàn cầu

HVAC

Heating, Ventilation and Air

Nhiệt, thông hơi và điều kiện

Condition

không khí

HTTP

HyperText Tranffer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ thuật Điện và Điện Tử
Engineers

ISM band

Industrial, Scientific and Medical

Dải tần sử dụng cho các ứng

band

dụng công nghiệp, khoa học và
y học

LAN

Local Area Network

Mạng nội bộ

LEACH

Low energy adaptive clustering

Phân cấp cụm thích ứng với

hierarchy

năng lượng thấp

LLC

Logic Layer Control

Lớp điều khiển logic

MAC

Medium access control

Điều khiển truy nhập môi
trường truyền dẫn

MANET

Mobile ad hoc network

Mạng di động ad hoc (tạm
thời, không có cơ sở hạ tầng)

ME

Minimum energy

Năng lượng tiêu thụ cực tiểu

MECN

Minimum energy communication

Mạng truyền thông với năng


network

lượng cực tiểu

MH

Minimum hop

Số bước nhảy cực tiểu

NAM

Network AniMator

Mô tả mạng bằng hình ảnh
động

NAV

Network Allocation Vector

Vector phân phối mạng

NB

Number of Back-off

Số lần Back-off

NS-2

Network Simulator version 2

Mô phỏng mạng phiên bản 2

Otcl

Object-oriented tool command

Ngôn ngữ điều khiển bằng lệnh

language

hướng đối tượng

PA

Power available

Mức năng lượng hiện tại

PDA

Peronal Digital Assitant

Trợ tá số cá nhân

PHY

Physic layer

Lớp vật lý

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PSK

Phase Shift Keying

Điều pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ vuông góc

QoS

Quality of service

Chất lượng dịch vụ

REQ

Request message

Bản tin yêu cầu

RERR

Route error packet

Gói báo lỗi tuyến

RFID

Radio Frequency Identify Device

Thiết bị nhận dạng bằng sóng
vô tuyến

SPIN

Sensor Protocols for Information via

Giao thức thông tin cảm biến

Negotiation

thông qua sự thỏa thuận

RKE

Remote Keyless Entry

Nhập khóa từ xa

RREP

Route reply packet

Gói đáp ứng yêu cầu tuyến

RREQ

Route request packet

Gói yêu cầu tuyến

RS-232

Serial Radio Link - 232

Liên kết vô tuyến nối tiếp theo
chuẩn RS-232

SAP

Service Access Point

Điểm truy cập dịch vụ

SAR

Sequential assignment routing

Định tuyến chỉ định liên tục

S-MAC

Sensor MAC

Giao thức MAC cho cảm biến


SMECN

Small minimum energy

Mạng truyền thông với năng

communication network

lượng cực tiểu loại nhỏ

Self Organizing MAC for Sensor

Giao thức MAC tự tổ chức cho

network

mạng cảm biến

SMP

Sensor management protocol

Giao thức quản lý sensor

SNR

Signal to Noice Ratio

Tỷ số nhiễu trên tín hiệu

SPIN

Sensor protocols for information via

Các giao thức thông tin sensor

negotiation

thông qua thỏa thuận

Sensor query and data dissemination

Giao thức truy vấn sensor và

protocol

phổ biến số liệu

Structure Query Language

Ngôn ngữ truy vấn theo cấu

SMACS

SQDDP
SQL

trúc
SQTL

Sensor query and tasking language

Ngôn ngữ truy vấn và đặt
nhiệm vụ sensor

SSF

Scalable Simulation Framework

Cơ cấu mô phỏng mở rộng

TADAP

Task assignment and data

Giao thức phân nhiệm vụ và

advertisement protocol

quảng cáo số liệu

Transmission Control

Giao thức điều khiển truyền

Protocol/Internet Protocol

dẫn/giao thức Internet

Time division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo

TCP/IP
TDMA

thời gian

TORA
WINS

Temporally Ordered Routing

Định tuyến bằng thuật toán tìm

Algorithm

đường tuần tự theo thời gian

Wireless Integrated network sensors

Mạng các thiết bị cảm biến tích
hợp thiết bị thu phát không dây

WISENET

Wireless Sensor NETwork

Hệ thống mạng sensor không
dây WISENET

WLAN

Wireless local area network

Mạng cục bộ không dây

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
3.1

Tên bảng
Một số suy hao đường truyền do vật liệu làm nhà theo tần
số

Trang
35

3.2

So sánh các giao thức

39

3.3

So sánh đặc tính 2 chuẩn IEEE 802.11b/g và IEEE 802.11a

41

4.1

Tỷ lệ mất gói udp theo số lượng node cảm biến

85

4.2

Độ trễ gói cực đại, cực tiểu và trung bình

86

4.3

Tốc độ cực đại, tốc độ cực tiểu và tốc độ trung bình

89

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Số hiệu

Tên hình

Trang

1.1

Mô hình triển khai các node cảm biến không dây

5

1.2

Các thành phần của node cảm biến

6

1.3

Sơ đồ hệ thống WISENET

7

1.4

Trình tự hoạt động của Server

9

1.5

Các thành phần trong hạt Sensor

10

2.1

Dạng 1 WSNs, liên kết multipoint-to-point, multihop dùng
định tuyến động

19

2.2

Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point, Star định tuyến tĩnh

20

2.3

Các ứng dụng trong công nghiệp

21


2.4

Các ứng dụng điều khiển trong gia đình

25

2.5

Các ứng dụng trong y khoa

30

3.1

Mô hình truyền sóng

34

3.2

Minh họa quá trình truyền sóng

36

3.3

Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật điều chế số

37

3.4

Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến

38

3.5

Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống

40

3.6

Băng tần IEEE 802.11b/g

41

3.7

Đánh giá đặc tính IEEE 802.11a và 802.11b theo khoảng
cách (các ứng dụng trong nhà)

42

3.8

Mô hình giao thức ZigBee

43

3.9

Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu

45

3.10

Hiện tượng hidden - node trong WSNs

57

3.11

Hiện tượng node hiện trong mạng WSNs

58

3.12

Khung thời gian hoạt động của node

60

3.13

Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node

61

3.14

Đồng bộ giữa máy thu và máy phát

62

3.15

Mô hình tránh đụng độ trong S-MAC

64

3.16

Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC

65

3.17

Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin

68

3.18

Cấu hình tổng thể mạng MAN của thành phố

69

3.19

Vấn đề chồng lấn do flooding

70

3.20

Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN

72

3.21

Phân chia cluster

74

4.1

Quan sát mô phỏng bằng ứng dụng NAM

83

4.2

Đồ thị tỷ lệ mất gói tại lớp giao vận

86

4.3

Đồ thị độ trễ gói udp cực đại, cực tiểu và trung bình

87

4.4
4.5

Đồ thị độ trễ gói udp trung bình theo số lượng node cảm
biến
Đồ thị tốc độ số liệu được nhận bởi điểm thu Sink

88

90


4.6

Đồ thị tốc độ số liệu trung bình được nhận bởi điểm thu Sink

90


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công
nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc
sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của
con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong
môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi
trường, khí hậu thay đổi, cháy rừng, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng
theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc
biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn
thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây
được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục
đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được
mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác
nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng
rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó
vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích
phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã
có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong

công nghệ này.
Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ
mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực
cảm biến thu nhận dữ liệu cùng với tầm nhìn tổng quan về các hướng nghiên cứu
mới hiện thời, tác giả chọn đề tài: “ Nghiên cứu các thông số mạng cảm biến
không dây và sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá chất lượng dịch vụ”.


2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài khảo sát nghiên cứu các thông số chất lượng dịch vụ
(QoS) của mạng cảm biến không dây.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.
• Nghiên cứu các kỹ thuật và giao thức của mạng cảm biến không dây.
• Khảo sát các thông số chất lượng dịch vụ của mạng cảm biến không dây.
4. Phương pháp nghiên cứu
• Mô tả kịch bản mô phỏng các thông số chất lượng dịch vụ.
• Viết chương trình mô phỏng
• Tiến hành mô phỏng và kiểm tra kết quả bằng phần mềm.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá
thành thấp, khả năng triển khai quy mô lớn với độ chính xác cao.
Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích
thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến, đồng thời tăng khả năng hoạt động
và độ chính xác cao. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ có thể tích
hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và thời gian sống.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn không chỉ có trong
nghiên cứu khoa học mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng liên quan như bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, năng

lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất… Với mục tiêu giảm giá thành và tăng hiệu quả
trong công nghiệp và thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện
nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.


6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo trong luận được chia làm
các chương như sau
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Chương 3: Các giải pháp kỹ thuật mạng lõi của mạng cảm biến không dây
Chương 4: Đánh giá một số chất lượng dịch vụ của mạng


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
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 (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng
mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay
gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như
Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các
mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không
gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu
của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các
môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
[3],[5],[7]
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị
vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt

động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng
cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất
khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc
chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức
tạp, v.v..
1.2. MÔ TẢ HỆ THỐNG
1.2.1. Mô tả hệ thống tổng quát
Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field)
được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả
năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới


người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node
Sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink)
theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop
Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung
tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet
hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1.1. Mô hình triển khai các node cảm biến không dây
Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến,
bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm
biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng
lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa
trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm
biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được
từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số

bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp
với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác
với các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin
giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại


hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộ
nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến
và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ
nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin
mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần
thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được
phân công [1].
Hệ thống tìm vị trí

Thiết bị di động

Bộ cảm biến
Sensor ADC

Bộ xử lý
Thiết bị xử lý
Thiết bị nhớ
Bộ nguồn

Bộ thu
phát

Bộ sinh năng lượng

Hình 1.2. Các thành phần của node cảm biến
Để minh hoạ rõ hơn về mạng Sensor không dây trong thực tế, phần tiếp sau
đây sẽ giới thiệu một hệ thống mạng Sensor điển hình. Đó là hệ thống WISENET.
1.2.2. Hệ thống WISENET
1.2.2.1. Giới thiệu hệ thống WISENET
WISENET (Wireless Sensor Network) là hệ thống thu nhận dữ liệu về môi
trường như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm từ một mạng gồm các thiết bị cảm biến
không dây công suất thấp được gọi là các “hạt cảm biến” (Sensor motes). Dữ liệu
này được chuyển tới một máy chủ và được lưu trong một cơ sở dữ liệu. Một chương
trình Web sẽ nhận dữ liệu phân tích và hiển thị trên trình duyệt Web.


Mỗi hạt Sensor được tích hợp bởi một vi điều khiển, một bộ thu phát vô
tuyến, các phần tử cảm biến môi trường và nguồn nuôi. Một hệ điều hành thời gian
thực được gọi là TinyOS (Tiny Operation System) được sử dụng để tối thiểu công
suất tiêu thụ mà vẫn cung cấp khả năng điều chế công suất cao và cho phép các hoạt
động tập trung đồng thời [1], [7], [8], [9].
1.2.2.2 Sơ đồ hệ thống WISENET
Hệ thống WISENET gồm hai hệ thống con chính là phân tích số liệu (Data
Analysis Subsystem) và thu nhận số liệu (Data Acquisition Subsystem), ba thành
phần chính là trạm chủ (Server), trạm người dùng (Client) và mạng các hạt Sensor
(Sensor mote network).
Khách
hàng

Máy
chủ

Hệ thống con phân tích số liệu

Mạng các hạt Sensor

Hệ thống con thu nhận số liệu

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống WISENET
Các hệ thống con chính là:
- Hệ thống con phân tích số liệu: Hệ thống con này chỉ gồm phần mềm. Nó
dựa trên cơ sở hạ tầng Internet và Web hiện tại (HTTP) để truyền thông tin giữa
máy tính chủ (Server) và máy truy cập (Client). Nhiệm vụ của hệ thống con này là
chọn lấy các dữ liệu môi trường thích hợp chưa được xử lý, có được nhờ hệ thống


thu nhận dữ liệu, phân tích và gửi kết quả đến người dùng theo yêu cầu.
- Hệ thống thu nhận số liệu: Mục đích của hệ thống con này thu thập số liệu
môi trường và lưu trữ trong cơ sở dữ liệu để sau đó hệ thống phân tích sẽ xử lý. Hệ
thống con bao gồm mạng các Sensor được kết hợp với máy tính chủ được cài đặt
phần mềm hệ thống (TinyOS Daemon).
Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Trạm người dùng (Client): Client là thành phần cần thiết nhưng là thành
phần bên ngoài. Có nghĩa là chỉ cần Client là bất cứ máy tính nào có trình duyệt
Web (Web browser) và được nối mạng Internet. Nó chỉ đóng vai trò là giao diện
của người sử dụng đối với hệ thống phân tích số liệu. Nó đưa ra yêu cầu số liệu của
người sử dụng với trạm chủ và thu lấy các số liệu đã yêu cầu.
- Trạm chủ (Server): Đây là thành phần then chốt của hệ thống, là mối liên
lạc giữa hai hệ thống con thu nhận và phân tích số liệu. Về mặt phân tích số liệu nó
là một máy chủ HTTP (HTTP Server) mang một ứng dụng Web (Web program).
Khi nhận được một yêu cầu về trang Web, máy chủ HTTP gọi ứng dụng Web này

nhận số liệu từ cơ sở dữ liệu (SQL Database), phân tích và đưa lại trang theo yêu
cầu đến máy tính người dùng (Client). Về phía hệ thống thu nhận dữ liệu, có một
trình tiện ích hoạt động ngầm (Daemon) được gọi là wiseDB để trao đổi thông tin
dễ dàng với mạng Sensor. WiseDB đảm nhận việc gửi các lệnh qua liên kết nối tiếp
R232 đến cổng giao tiếp (gateway mote) để chuyển tới mạng Sensor. Nó cũng đảm
nhận việc thu thập số liệu từ mạng Sensor (cũng thông qua gateway mote). Số liệu
đưa đến được xử lý rất ít và được chuyển vào cơ sở dữ liệu. Như vậy, cơ sở dữ liệu
SQL là cầu nối giữa hai hệ thống thu nhận và xử lý số liệu. Vì cơ sở dữ liệu SQL
liên lạc thông qua TCP/IP nên chỉ trạm chủ HTTP và chương trình Web cần phải
được đặt trong cùng một tổ chức vật lý. Trạm chủ HTTP, cơ sở dữ liệu SQL,
wiseDB có thể đặt trong các tổ chức vật lý khác nhau và kết nối thông qua Internet.
Trình tự hoạt động của Server được tóm tắt như sau:


Client
yêu
cầu số
liệu
với các
điều
kiện

Kiểm tra
các tham
số điều
kiện hợp
lệ.

Nhận số liệu
từ cơ sở dữ

liệu, tuỳ theo
ràng buộc của
trạm khách

Tạo trang
Web với
dữ liệu đã
được yêu
cầu

Gửi
trang
Web
đến
Client.

Hình 1.4. Trình tự hoạt động của Server
Mạng các hạt Sensor: Mạng các Sensor là thành phần trọng tâm của hệ
thống. Các Sensor đảm nhận việc thu thập số liệu môi trường và chuyển các số liệu
này đến trạm chủ. Nó còn phải nhận các lệnh từ trạm chủ, có thể là yêu cầu về số
liệu hay tải chương trình mới. Có hai phần tử thuộc thành phần này. Thứ nhất là các
hạt thông thường (Standard mote). Các hạt này có nhiệm thu thập các thông tin cảm
biến từ môi trường, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và truyền các số liệu này
đến gateway. Chúng truyền thông tin qua liên kết vô tuyến công suất thấp ở dải tần
ISM 900 MHz và đảm bảo tất cả các gói đều được đưa tới Gateway. Chúng còn có
phần cứng hiệu chỉnh và giám sát công suất nguồn. Hạt cổng (Gateway mote) là
phần tử thứ hai của mạng Sensor motes. Mục đích chính của nó là liên lạc giữa trạm
chủ và mạng Sensor qua liên kết vô tuyến RS-232 và chuyển tất cả các gói số liệu
tới WiseDB. Cả hai phần tử Standard mote và Gateway mote đều có cùng phần
cứng và phần mềm, chúng chỉ khác nhau vế chức năng [1], [8], [9].

Ánh sáng

Nguồn

Độ ẩm
Nhiệt độ

Hạt Sensor

Hình 1.5: Các thành phần trong hạt Sensor
Các thành phần trong hạt Sensor được minh hoạ trên hình 1.5, bao gồm:
- Các Sensor cảm biến ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ (Light, Humidity, Temp);
các LED trạng thái.
- Mạch thu phát vô tuyến, mạch giao tiếp RS-232 (UARTS), các bộ chuyển
tương tự-số (ADC), vi xử lý lõi 8051, bộ nhớ SRAM và FLASH (chứa hệ điều
hành TinyOS, phần mềm) được tích hợp trên vi mạch CC1010.
- Phần mềm hệ thống (drivers) giao tiếp RS-232 (chỉ trong gateway), bộ thu
phát vô tuyến và antent.
-Bộ nguồn nuôi (gồm acquy, mạch giám sát nguồn).
1.2.2.3. Các tiêu chuẩn được áp dụng
* Giao thức truyền siêu văn bản (HTTP).
* Ngôn ngữ truy vấn theo cấu trúc (SQL).


* Liên kết vô tuyến nối tiếp RS-232.
* Liên kết nối tiếp vi điều khiển (I2C).
* Quy định FCC (dải tần công nghiệp, khoa học, y tế ISM) [2], [10] [18].
1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.3.1. Kích thước vật lý nhỏ
Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu
thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc
thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công
suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm
phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng [3], [7], [8],[9], [10].
1.3.2. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm
biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt
động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có
thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng.
Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được
hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ
nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi.
Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt
động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện
thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và
cần phải có sự tập trung xử lý cao độ [3], [7], [8],[9], [10].
1.3.3. Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế
Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh
vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều
trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator)
cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược
lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp


với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc
bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý
trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập
trung nhờ bộ xử lý kết hợp [3], [7], [8],[9], [10].

1.3.4. Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có
một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị
vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các
thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như vậy,
các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có
được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để
cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không
cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng
với phần mềm trong khả năng công nghệ [3], [7], [8],[9], [10].
1.3.5. Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ
tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng độ
tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin
cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của
thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh
mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy [3], [7], [8],[9], [20].
1.4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN WSNs
1.4.1. Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần
với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các
bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị


cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu,
được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài
năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu
thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám

sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các
vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi
nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một nguồn
cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng lượng nhờ
quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu này là cảm
biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơ
hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thay
thế trước khi lốp chạy.
Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính
với khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng
lượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống [3], [4], [5].
1.4.2. Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí
sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí
của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm
biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ
ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn
1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành
phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý,
nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di
động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở
thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá
thành thấp hơn 1 Dollar.