Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho cảnh báo cháy

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con ngƣời, những cuộc các mạng về công nghệ
đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của
con ngƣời, theo hƣớng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con ngƣời,
những thay đổi do chính tác động của con ngƣời trong tự nhiên, trong môi trƣờng sống
cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, nhƣ ô nhiễm môi trƣờng, khí hậu thay đổi,
v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng
đƣợc 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 ngƣời.
Công nghệ cảm biến không dây đƣợc 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 và kinh doanh, v.v...,
phạm vi này ngày càng đƣợc 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 chƣa đƣợc áp dụng một cách rộng rãi
ở nƣớc ta, do những điều kiện về kinh tế, kỹ thuật và 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 tƣơng lai, đã có
không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công
nghệ này.
Đƣợc sự định hƣớng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đỗ Trọng Tuấn, em đã chọn đề tài
luận văn: “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho cảnh báo cháy”. 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. Trong đồ án còn thực hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với
mục đích tìm hiểu phƣơng pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá
kết quả từ một chƣơng trình mô phỏng. Nội dung của đồ án đƣợc thể hiện qua 4
chƣơng:

1

Chƣơng I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chƣơng II: Định tuyến mạng cảm biến không dây.
Chƣơng II: Mô hình hoá mạng cảm biến không dây.
Chƣơng IV: Xây dựng mạng cảm biến không dây báo cháy và đánh giá kết quả
Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên luận văn này không tránh
khỏi các sai sót. Mong đƣợc sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung luận
văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đỗ Trọng Tuấn đã hƣớng dẫn em về chuyên
môn, phƣơng pháp làm việc để em có thể xây dựng và hoàn thành nội dung luận văn
theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô, các
bạn trong Viện Điện Tử Viễn thông, Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ,
tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày …… tháng ……. năm 2013
Học viên

Nguy n Hoàng Sơn

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những gì mà tôi viết trong luận văn này là do sự tìm hiểu và
nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng nhƣ ý tƣởng của các tác giả
khác nếu có đều đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể.
Luận văn này cho đến nay chƣa đƣợc bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận
văn thạc sỹ nào và chƣa đƣợc công bố trên bất kỳ một phƣơng tiện thông tin nào.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên đây.

Hà Nội, ngày …… tháng ……. năm 2013
Học viên

Nguy n Hoàng Sơn

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 3
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 4
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................................ 10
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 12
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................... 15
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây .............................................................. 15
1.2. Cấu trúc mạng WSN ............................................................................................ 16
1.2.1. Cấu trúc 1 node mạng WSN ......................................................................... 16
1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ............................................................. 18
1.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN .......................................................................... 19
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng WSN ............................................................... 22
1.4.1. Thời gian sống bên ngoài.............................................................................. 22
1.4.2. Sự đáp ứng .................................................................................................... 23
1.4.3. Tính chất mạnh (Robustness) ....................................................................... 23
1.4.5. Tính mở rộng (Scalability) ........................................................................... 24
1.4.6. Tính không đồng nhất (Heterogeneity) ........................................................ 24
1.4.7. Tự cấu hình ................................................................................................... 24
1.4.8. Tự tối ƣu và tự thích nghi ............................................................................. 24
1.4.9. Thiết kế có hệ thống ..................................................................................... 24
1.4.10. Cách biệt và bảo mật................................................................................... 25

1.5. Ứng dụng của mạng WSN ............................................................................... 25
1.6. Kết luận chƣơng I ................................................................................................ 26
CHƢƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .............. 27
2.1. Giới thiệu chung .................................................................................................. 27
2.2. Những thách thức về định tuyến trong mạng cảm biến không dây ..................... 27
2.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến ........................................................ 28

4


2.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng .............................. 28
2.3.2. Ràng buộc về tài nguyên............................................................................... 28
2.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ........................................ 29
2.3.4. Cách truyền dữ liệu ....................................................................................... 29
2.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây31
2.5 Giao thức trung tâm dữ liệu .................................................................................. 33
2.5.1. Flooding và Gossiping .................................................................................. 33
2.5.2. SPIN .............................................................................................................. 34
2.5.3 Directed Diffusion ......................................................................................... 36
2.6. Giao thức phân cấp .............................................................................................. 40
2.6.1. LEACH ......................................................................................................... 40
2.6.2. PEGASIS ...................................................................................................... 43
2.7. Giao thức dựa trên vị trí ...................................................................................... 45
2.7.1. GAF(Global Assessment of Functioning) .................................................... 45
2.7.2. GEAR............................................................................................................ 47
2.8. Kết luận chƣơng II ............................................................................................... 49
CHƢƠNG III: MÔ HÌNH HÓA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................... 50
3.1 Mô hình hoá mô phỏng ........................................................................................ 50
3.2 Mô hình của trƣờng Đại học Los Angeles California .......................................... 50
3.2.1 Kịch bản mô phỏng ........................................................................................ 50

3.2.2 Xây dựng........................................................................................................ 51
3.2.3 Tổ chức node và tạo lƣu lƣợng ...................................................................... 55
3.2.4 Ngăn xếp cảm biến và kênh cảm biến ........................................................... 56
3.3 Mô hình SWAN theo dõi mức độ cháy .............................................................. 57
3.3.1 Kịch bản mô phỏng ...................................................................................... 57
3.3.2 Cơ cấu mô phỏng mở rộng Dartmouth........................................................ 58
3.3.3 Bộ định tuyến WiroKit của BBN ................................................................ 59
3.3.4 Kiến trúc mô phỏng mạng cảm biến không dây Ad hoc (SWAN) ............ 61
CHƢƠNG IV. XÂY DỰNG HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN BÁO CHÁY VÀ
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................................................................. 65

5


4.1.Các tiêu chuẩn hệ thống báo cháy tự động ........................................................... 65
4.2.Hệ thống báo cháy: ............................................................................................... 67
4.2.1.Cách nhận biết và báo cháy: ........................................................................ 67
4.2.2 Các bộ phận chính: ........................................................................................ 68
4.2.2.1. Cảm biến: .................................................................................................. 68
4.2.2.2.Thiết bị báo động: ....................................................................................... 70
4.3. Sơ lƣợc về thệ thống điều khiển: ......................................................................... 71
4.3.1. Giới thiệu các dạng mạch tồn tại: ................................................................. 71
4.3.1.1. Mạch điều khiển xa dùng hồng ngoại: ....................................................... 71
4.3.1.2. Mạch điều khiển xa dùng kỹ thuật số: ....................................................... 71
4.3.1.3. Mạch điều khiển bằng Vi điều khiển: ........................................................ 71
4.4.Xây dựng hệ thống mạng cảm biến cháy qua GSM và RF. ................................. 72
4.5.Lý thuyết thiết kế .................................................................................................. 73
4.5.1.Cảm biến khói. ............................................................................................... 73
4.5.2. Module GSM. ............................................................................................... 74
4.5.3.Module RF và FM. ........................................................................................ 75

4.6. Mạch xử lý trung tâm. ......................................................................................... 77
4.6.1.Thiết kế firmware với VĐK Atmega128 ....................................................... 82
4.6.2.Chƣơng trình điều khiển. ............................................................................... 82
4.7.Nguồn nuôi ........................................................................................................... 90
4.8. Hệ thống kết nối và xử lý trên máy tính. ............................................................. 91
4.9. Sơ đồ nguyên lý và kết quả thử nghiệm .............................................................. 91
4.9.1. Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý trung tâm ............................................................ 91
4.9.2. Sơ đồ nguyên lý các nút cảm biến ................................................................ 96
4.10. Thử nghiệm ....................................................................................................... 98
4.10.2 Kết quả thử nghiệm qua máy tính và qua tin nhắn ........................................ 101
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 106

6


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AODV

CSMA

DAM

DSDV
DSR
GLONASS

Ad hoc On - Demand

Chuỗi chỉ hƣớng theo yêu cầu Ad hoc

Distance - Vector Routing
Carrier Sense Multiple

Đa truy nhập cảm biến sóng mang

Access
Distributed Aggregate

Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán

Management
Destination-Sequenced

Chuỗi chỉ hƣớng với đích tuần tự

Distance-Vector

Giao thức định tuyến nguồn động

Dynamic Source Routing
Global Navigation Satellite

Hệ thống vệ tinh điều hƣớng toàn cầu

System
Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

Heating, Ventilation, and Air

Hơi ấm, thông gió và các điều kiện

Conditioning

không khí

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trƣờng

NS-2

Network Simulator - 2

Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2

PDA

Personal Digital Assistant

Trợ tá số cá nhân

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RFM

RF Monolithic

Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến

RKE

Remote Keyless Entry

Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa

GPS
HVAC

SMP

SQDDP
SWAN

Sensor Management

Giao thức quản lý cảm biến

Protocol
Sensor Query and Data

Giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến

Dissemination Protocol

số liệu

Simulator for Wireless Ad-

Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc

7


TADAP

TDMA

TORA

UART

VHDL

WINS

WLAN

WPAN

hoc Networks

không dây

Task Assignment and Data

Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo

Advertisement Protocol

số liệu

Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Access
Temporally Ordered Routing

Thuật toán tìm đƣờng tuần tự theo thời

Algorithm

gian

Universal Asynchronous

Bộ thu phát không đồng bộ chung

Receiver Transmitter
VHSIC Hardware

Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích

Description Language

hợp mật độ cao

Wireless Integrated Network

Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến

Sensors
Wireless Local Area

Mạng nội hạt vô tuyến

Network
Wireless Personal Area

Mạng vùng cá nhân vô tuyến

Network

8


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đƣờng trong WSN ......................... 33
Bảng 2.2 Miêu tả interest sử dụng các cặp thuộc tính- giá trị ........................................ 37

9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Biểu tƣợng của mạng WSN ........................................................................... 15
Hình 1.2: Thiết bị“mote” của Berkeley ......................................................................... 16
Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây ............................................................... 19
Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến ......................................................... 20
Hình 2.1 Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút ................................................... 30
Hình 2.2 Truyền gói trong Flooding .............................................................................. 34
Hình 2.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN .......................................................................... 35
Hình 2.4 Hoạt động của SPIN ........................................................................................ 36
Hình 2.5 Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion...................................................... 39
Hình 2.6 Mô hình mạng LEACH ................................................................................... 41
Hình 2.7 Quá trình thiết lập nút & Quá trình ổn định .................................................... 42
Hình 2.8 Ví dụ về lƣới ảo trong GAF ............................................................................ 46
Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF .................................................................... 47
Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR ....................................................... 49
Hình 3.1: Kịch bản mạng cảm biến ................................................................................ 51
Hình 3.2: Kiến trúc mô hình các node: cảm biến, đích, ngƣời sử dụng. ....................... 52
Hình 3.3: Kiến trúc mô hình mạng cảm biến không dây ............................................... 54
Hình 3.4: Ví dụ về mô phỏng dạng tín hiệu. .................................................................. 57
Hình 3.5: Cơ cấu SWAN................................................................................................ 62
Hình 3.6: Phân tích các thành phần trong môi trƣờng mô phỏng .................................. 63
Hình 3.7: Khảo sát thông lƣợng và độ trễ trung bình trong mạng cảm biến ................. 64
Hình 4.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống ............................................................................... 72
Hình 4.2: Cảm biến khói MQ2 ....................................................................................... 73
Hình 4.3 : Sơ đồ chân MQ2 ........................................................................................... 73
Hình 4.4: Module SIM305 ............................................................................................. 74

10

Hình 4.5: Module Phát FM ............................................................................................ 75
Hình 4.6: Module thu phát không dây 2.4GHz Nrf24L01+ ......................................... 76
Hình4.7: Sơ đồ khối của nRF24L01 .............................................................................. 77
Hình 4.8: Atmega128 và sơ đồ chân .............................................................................. 78
Hình 4.9: cấu trúc của Atmega128 ................................................................................. 81
Hình 4.10: Thuật giải của nút cảm biến ......................................................................... 83
Hình 4.11: Thuật giải của Bộ xử lý trung tâm ............................................................... 84
Hình 4.12: IC nguồn UCC28610 ................................................................................... 90
Hình 4.13: Sơ đồ khối của bộ xử lý trung tâm ............................................................... 91
Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn AC ................................................................ 91
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC ................................................................ 92
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý mạch MCU Atmega128 .................................................... 93
Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý mạch Giao tiếp với máy tính qua USB ............................. 94
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GSM ...................................................... 95
Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý nút cảm biến 1 giao tiếp qua sóng FM.............................. 96
Hình 4.20: Sơ đồ nguyên lý nút cảm biến 2 giao tiếp qua sóng 2.4GHz ....................... 97
Hình 4.21: Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................ 98
Hình 4.22. Ảnh chụp thực tế nút cảm biến 1 (2.4Hz) .................................................... 99
Hình 4.23. Ảnh chụp thực tế nút cảm biến 2 (FM) ........................................................ 99
Hình 4.24. Ảnh chụp thực tế nút điều khiển ................................................................100

11


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
- Trong quá trình phát triển của con ngƣời, những cuộc cách mạng và công nghệ
đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của

con ngƣời, theo hƣớng hiện đại hơn. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chƣa
đƣợc áp dụng một các rộng rãi ở nƣớc 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 tƣơng lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt
những thay đổi trong công nghệ này. Vì vậy tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm
biến không dây ứng dụng cho cảnh báo cháy” làm đề tài luận văn thạc sĩ của mình.
2. Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cƣu, phạm vi nghiên cứu
- Mục đích nghiên cứu
Tìm hiểu những nội dung cơ bản của kỹ thuật mạng cảm biến không dây, ứng
dụng của kỹ thuạt mạng cảm biến không dây vào cảnh báo cháy
- Đối tƣợng nghiên cứu: Kỹ thuật WSN
- Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu và xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây.
3. Nội dung chính và đóng góp của tác giả
Đề tài hực hiện nhằm đóng góp một phần kết quả nghiên cứu của tác giả vào lộ
trình phát triển mạng cảm biến không dây tại Việt Nam.Luận văn đƣợc thực hiện với
nội dung sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: Trong chƣơng này tác giả
trình bày giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây với những hiểu biết về nền
tảng của công nghệ mạng cảm biến không dây, các nhân tố ảnh hƣởng đến mạng không
dây, đặc điểm và kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây.

12


Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Ở chƣơng này, tác giả
đã tổng kết và đƣa ra khá nhiều các giao thức định tuyến. Mỗi giao thức đều có những
ƣu và nhƣợc điểm riêng.
Chƣơng 3: Mô hình hoá mạng cảm biến không dây: Thực hiện mô hình hoá và

tìm hiểu các mô hình của mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 4: Xây dựng mạng cảm biến không dây báo cháy và đánh giá kết quả:
Mục đích của việc thử nghiệm là sử dụng hệ thống để đo và cảnh báo nhiệt độ nguy
hiểm quá mức cho phép. Ta có thể biết đƣợc mạng cảm nhận hoạt động nhƣ thế nào?
Có thể ứng dụng vào thực tế đƣợc không và rất nhiều các câu hỏi khác.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Tìm hiểu thông qua giáo trình, tài liệu đã công bố, các bài báo.
5. Kết luận
Công nghệ mạng cảm biến không dây hứa hẹn tạo ra những ứng dụng đầy tiềm
năng, có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mà đối với các công nghệ khác
còn nhiều hạn chế. Tuy nhiên để triển khai mạng ngƣời thiết kế hệ thống yêu cầu phải
nắm bắt đƣợc những nhân tố tác động đến mạng, những nhƣợc điểm của mạng cần phải
đƣợc khắc phục. Tức là, ngƣời thiết kế cần phải quan tâm đến các tham số mạng. Nhờ
quá trình mô phỏng ngƣời thiết kế hệ thống có thể đánh giá đƣợc chất lƣợng dịch vụ
mạng cung cấp, để từ đó có thể thiết kế hệ thống theo cách tối ƣu nhất.
Với tiêu chí có thể góp một phần tạo một tài liệu tham khảo cho những ai quan
tâm về việc ứng dụng và phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây tại Việt Nam,
trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đã cố gắng đƣa ra một cái nhìn khái quát về kỹ
thuật WSN, về hệ thống truyền không dây, từ các khái niệm cơ bản cho đến các khái
niệm chuyên sâu cũng nhƣ cung cấp tài liệu tham khảo cần thiết. Hy vọng đề tài này sẽ
giúp ích cho việc rút ngắn thời gian nghiên cứu và tham khảo cũng nhƣ ứng dụng hệ
thống mạng cảm biến không dây tại Việt Nam.

13


Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu có hạn cũng nhƣ quy mô của hệ thống quá
lớn nên không tránh khỏi sai sót. Tác giả rất mong đƣợc sự hồi âm góp ý của tất cả
những ai quan tâm đến vấn đề này để có thể hoàn thiện đề tài này tốt hơn với mục đích
góp phần sớm hoàn thành việc ứng dụng mạng cảm biến không dây tại Việt nam.

Hà Nội, ngày …… tháng ……. năm 2013
Học viên

Nguy n Hoàng Sơn

14


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là một trong những công nghệ thông tin mới phát
triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển quá trình
công nghiệp, bảo mật và giám sát, cảm biến môi trƣờng, kiểm tra sức khỏe…

Hình 1.1: Biểu tượng của mạng WSN
Mạng cảm biến không dây WSN là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng
radio. Nhƣng trong đó, mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận,
thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ
gọn, giá thành thấp ,…và có số lƣợng lớn, đƣợc phân bố không có hệ thống trên phạm
vi rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài.
Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, và mạng phạm
vi ở nhà (Bluetooth). Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác sẽ đƣợc hỗ trợ
internet không dây. Mạng cellular đích đến là tại những ngƣời sử dụng với tính di động
cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler. Mặt
khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao. Bluetooth và Home RF đích đến là tại nhà. Tốc độ
dữ liệu mong muốn có dải radio thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.

15

WSN khác với các mạng trên. Nó có 1 số lƣợng lớn các node. Khoảng cách giữa
các node neighbor là ngắn hơn so với các mạng trên. Do WSN hoàn toàn chỉ là các
node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lƣợng thấp hơn nhiều, bởi vì việc
thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu và tính di
động trong WSN cũng thấp hơn.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm nhận không
dây, gọi là các hạt bụi “motes”, nó đƣợc tạo thành một cách công khai, sẵn sàng để
thƣơng mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành kết nối nhúng để có thể dễ dàng sử
dụng thiết bị này. Hình dƣới minh họa 1 thiết bị “mote”của Berkeley. Sự tiện ích của
các thiết bị này cũng nhƣ một chƣơng trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá
tƣơng đối rẻ, cho các thí nghiệm và triển khai thực tế đã mang lại một vai trò đầy đủ
trong cuộc cách mạng vàng của mạng cảm nhận không dây.

Hình 1.2: Thiết bị“mote” của Berkeley
1.2. Cấu trúc mạng WSN
1.2.1. Cấu trúc 1 node mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trƣớc 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

16


ứng dụng: Chúng phải có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng
lƣợng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi
trƣờng, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lƣu trữ, và phải có khả năng thu phát
sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng đƣợc cấu thành bởi 4 thành
phần cơ bản, nhƣ ở hình 1.3, 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 thuộc vào từng ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location
finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.3: Các thành phần của một nút cảm ứng.
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng
tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tƣợng quan sát đƣợc,
tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó
đƣợc đƣa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với bộ lƣu 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

17


vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu đƣợc 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 trƣờng nhƣ là năng lƣợng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết 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 nhƣ 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 ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, nhƣ là phải tiêu
thụ rất ít năng lƣợng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và
thích ứng với môi trƣờng.
1.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ 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 vậy các mạng

cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop. Hoạt động hiệu quả năng lƣợng:
để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lƣợng là kĩ
thuật quan trọng của 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 nhƣ 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 cộng 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

18


băng thông và năng lƣợng. 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 lƣợng.
Do vậy cấu trúc mạng mới sẽ:
- Kết hợp vấn đề năng lƣợng và khả năng định tuyến.
- Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
- Truyền năng lƣợng hiệu quả qua các phƣơng tiện không dây.
- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm ứng đƣợc phân bố trong một sensor field nhƣ hình 1.4. Mỗi một
nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu đƣợc
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 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN
Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi đƣợc thu thập bởi các nút sẽ đƣợc định
tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến ngƣời dùng đầu cuối thông qua internet hay
vệ tinh. Kiến trúc giao thức đƣợc sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến (hình 1.5)

19


Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đƣờng, kết hợp số liệu
với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trƣờng vô tuyến và sự
tƣơng tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết
dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý
di động và phần quản lý nhiệm vụ.
* Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm
ứng dụng khác nhau đƣợc xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng
dụng có một số giao thức quan trọng nhƣ giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP –
Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho
từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân
phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).
* Lớp truyền tải: Giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu
cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài hay kết
nối với ngƣời dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với ngƣời dùng
(nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói ngƣời dùng (UDP – User Datagram

20


Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol)
thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các
giao thức kiểu nhƣ UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao
thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung
dữ liệu .
* Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi lớp truyền

tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức nhƣ
mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lƣợng… Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng
cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:
- Hiệu quả về năng lƣợng luôn đƣợc xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.
- Các mạng cảm biến gần nhƣ 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.
Có rất nhiều giao thức định tuyến đƣợc thiết kế cho mạng cảm biến không dây.
Nhìn tổng quan, chúng đƣợc chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng đó là định tuyến
ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì
chúng đƣợc chia thành định tuyến dựa trên đa đƣờng (multipathbased), định tuyến theo
truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo
chất lƣợng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service) và định tuyến kết hợp (coherentbased).
* Lớp kết nối 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 trƣờng. Vì môi trƣờng
có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi
trƣờng (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả
năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
* Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số song
mang, điều chế, lập mã và tách sóng.

21


* Phần quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến.
Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu đƣợc một bản tin từ một nút
lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút
cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức
công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đƣờng. Công suất còn lại sẽ
đƣợc dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.

* Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để
duy trì tuyến tới ngƣời sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác định đƣợc 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 có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một
vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực hiện
nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện
nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó. Những phần quản lý
này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử
dụng hiệu quả công suất, chọn đƣờng số liệu trong mạng cảm biến di động và phân
chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.
1.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến mạng WSN
1.4.1. Thời gian sống bên ngoài
Các nút WSN với nguồn năng lƣợng pin giới hạn. Ví dụ: một loại pin kiềm cung
cấp 50Wh năng lƣợng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực gần 1
tháng hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho một mạng
rộng, thì thời gian sống dài hơn đƣợc thiết kế. Trong thực tế, pin rất cần thiết trong rất
nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử dụng không cần thay thế
trong vài năm. Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lƣợng
sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin.

22


1.4.2. Sự đáp ứng
Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các
node trong 1 chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ ngủ (mode
sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ ở chế độ ngủ là
1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình ngủ 1 cách tùy ý có
thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng nhƣ hiệu suất của các sensor. Trong một số ứng

dụng, các sự kiện trong tự nhiên đƣợc tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch
ngủ phải đƣợc giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn mạng.
1.4.3. Tính chất mạnh (Robustness)
Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác (finegrained coverage). Mục tiêu này phổ biến ở số lƣợng lớn các thiết bị không đắt tiền.
Tuy nhiên các thiết bị rẻ thƣờng kém tin cậy và thƣờng dễ xảy ra lỗi. Tốc độ lỗi cũng
sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng đƣợc triển khai trong các môi trƣờng khắt khe và trong
vùng của kẻ địch. Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ sảo để có thể đáp
ứng tốt. Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị
hỏng với các thiết bị lỗi.
1.4.4. Hiệu suất (Synergy)
Các cải tiến của luật Moore trong công nghệ đảm bảo dung năng của thiết bị về
các mặt: xử lí nguồn, bộ nhớ - lƣu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến, cải thiện nhanh
chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế đƣợc đặt ra ở đây là giá
cả trên một node giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn vài cent), nó có thể làm
cho dung năng của vài node sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ nhất định. Đó là lý do để thiết kế
các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn
hơn so với dung năng của các thành phần trong nó cộng lại. Các giao thức cung cấp
một khả năng hợp tác giữa lƣu trữ, máy tính và các tài nguyên thông tin.

23


1.4.5. Tính mở rộng (Scalability)
WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (lớn hơn 10 ngàn, thậm chí là
hàng triệu node trong một giới hạn về độ dài). Có một vài hạn chế về thông lƣợng và
dung lƣợng làm ảnh hƣởng đến scalability của hoạt động mạng.
1.4.6. Tính không đồng nhất (Heterogeneity)
Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong dung năng của thiết bị trong quá trình cài
đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến). Sự không đồng nhất sẽ
có ảnh hƣởng quan trọng đến thiết kế.

1.4.7. Tự cấu hình
Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phối
không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính đƣợc đặt ra trong thiết kế. Ngay từ
khi bắt đầu, các node trong WSN có thể đƣợc cấu hình theo topo mạng của chúng; tự
đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết định các thông số hoạt động khác.
1.4.8. Tự tối ƣu và tự thích nghi
Trong WSN, thƣờng có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt động
trƣớc khi triển khai. Dƣới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy móc để có thể
tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những cái học đƣợc đó để tiếp
tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng.
Ngoài ra, một điều trƣớc tiên không biết chắc đƣợc là môi trƣờng mà WSN hoạt
động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian. Các giao thức WSN sẽ làm cho thiết bị có
thể thích nghi với môi trƣờng năng động trong khi nó đang sử dụng.
1.4.9. Thiết kế có hệ thống
WSN có thể là một ứng dụng cao cho từng chức năng riêng, nên cần có sự cân
bằng giữa hai yếu tố:
- Mỗi ứng dụng cần có những đặc điểm khai thác ứng dụng riêng để đƣa ra
những hoạt động phát triển cao.
- Tính mềm dẻo: các phƣơng pháp thiết kế phải phổ biến cho các hoạt động

24


1.4.10. Cách biệt và bảo mật
Phạm vi hoạt động lớn, phổ biến rộng, nhạy của thông tin thu đƣợc bởi vì WSN
làm tăng yêu cầu chính cuối cùng là: bảo đảm sự cách biệt và bảo mật.
1.5. Ứng dụng của mạng WSN
WSN đƣợc 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 trƣờng, y
tế ... WSN ngày càng đƣợc sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp và dân dụng.

Một số ứng dụng cơ bản của WSN:
- Cảm biến môi trƣờng:
- 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…
- Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…
- Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
- Môi trƣờng: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mƣa, 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 phƣơng tiện giao thông, hệ thống điều tiết lƣu thông
công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…
- Hệ thống định vị phƣơng, trợ giúp điều khiển tự động phƣơng tiện giao
thông,…
- Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển các thiết
bị thông minh,…
WSN tạo ra môi trƣờng giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị
thông minh và con ngƣời, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn
thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…)

25