Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM QUANG KHÁNH

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
ỨNG DỤNG CHO ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LÊ NHẬT THĂNG

Hà Nội, 10-2013

1


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Phạm Quang Khánh

2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 2
MỤC LỤC .................................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 8
CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY ...................................................................................................................... 11
1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 11
1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs ..................................................................... 15
1.3. Tiêu chuẩn về phƣơng thức truyền nhận .................................................... 18
1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây .................................................. 20
1.4.1. Các mô hình phân bố .......................................................................... 20
1.4.2. Các ứng dụng của mạng WSNs .......................................................... 21
1.5. Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................... 23
CHƢƠNG 2: ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN 24
KHÔNG DÂY ....................................................................................................... 24
2.3. Trong việc cảnh báo lũ ............................................................................... 26
2.4. Trong nuôi trồng thuỷ sản........................................................................... 26
2.5. Bài toán đo nhiệt độ môi trƣờng sử dụng mạng cảm biến không dây ........ 27
2.5.1 Giới thiệu mô hình tổng quan .............................................................. 27
2.5.2. Nguyên tắc hoạt động ......................................................................... 28
2.5.3. Sơ lƣợc về SMS .................................................................................. 28
2.6. Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 30
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM, THUẬT TOÁN VÀ
THIẾT KẾ PHẦN MỀM NHÚNG ....................................................................... 31
3.1. Mô hình hệ thống thực nghiệm ................................................................... 31
3.2: Các linh kiện đƣợc sử dụng trong hệ thống thực nghiệm: ......................... 32
3.2.1: Khối thu tín hiệu nhiệt độ: ................................................................. 32
3.2.2: Keyboard: bàn phím gồm 1 phím cho phép thiết lập một số thông số

cơ bản của thiết bị. ........................................................................................ 33

3


3.2.3: Khối xử lý trung tâm: vi điều khiển AT89C51 ................................... 33
3.2.4: Khối hiển thị: ...................................................................................... 35
3.2.5: Khối truyền dữ liệu: ............................................................................ 36
3.2.5.1: Các thông số kỹ thuật của module Sim900 ................................. 37
3.2.5.2: Tập lệnh AT ................................................................................ 38
3.2. Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 38
3.2.1. Khối nguồn .......................................................................................... 38
3.2.2. Khối nhập dữ liệu ................................................................................ 39
3.2.3. Khối giao tiếp GSM ............................................................................ 40
3.2.4. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................. 41
3.3. Mạch in ....................................................................................................... 42
3.4. Thuật toán ................................................................................................... 43
3.5. Phần mềm nhúng ........................................................................................ 45
3.6. Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................... 47
CHƢƠNG 4: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................... 48
4.1. Thiết bị thử nghiệm..................................................................................... 48
4.2. Kich bản thử nghiệm................................................................................... 48
4.2.1: Nạp trƣơng trình nhúng vào mạch. ..................................................... 48
4.2.2.Thử nghiệm 1: ...................................................................................... 49
4.2.3.Thử nghiệm 2: ...................................................................................... 51
4.3. Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................... 54
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 58
Phụ lục ....................................................................................................................... 59

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ SHT10 ..................................... 32
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của LCD 1602A .......................................................... 36
Bảng 4.1: Số liệu đo nhiệt độ đo đƣợc trong ngày.................................................... 53

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mạng đơn bƣớc ........................................................................................ 12
Hình 1.2: Mạng đa bƣớc ........................................................................................... 12
Hình 1.3: Mô hình mạng cảm biến thông thƣờng ..................................................... 17
Hình 1.4: Giao thức truyền nhận của mạng cảm biến ............................................... 18
Hình 2.1 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp ........................ 24
Hình 2.2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh bảo cháy rừng ....... 25
Hình 2.3 : Sơ đồ ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nuôi trồng ........... 26
thủy sản ..................................................................................................................... 26
Hình 2.4: Hệ thống giám sát nhiệt độ môi trƣờng .................................................... 27
Hình 2.5 : Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS ................................................................... 29
Hình 3.1: Mô hình hệ thống thực nghiệm ................................................................. 31
Hình 3.2: SHT10 ....................................................................................................... 32
Hình 3.3: Giới hạn độ chính xác tƣơng đối của SHT10 ........................................... 33
Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết đấu nối của SHT10 ............................................................. 33
Hình 3.5: Vi điều khiển AT89C51 ............................................................................ 34
Hình 3.6: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 .......................................................... 34
Hình 3.7: Màn hình LCD 1602A .............................................................................. 35
Hình 3.8: Module Sim900 ......................................................................................... 36

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ..................................................................... 39
Hình 3.10: Nút nhấn truy nhập dữ liệu ..................................................................... 39
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch GSM ................................................................... 40
Hình 3.12. Module GSM đƣợc lắp ráp hoàn chỉnh ................................................... 40
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................... 41
Hình 3.14: Sơ đồ mạch in tích hợp 2 mạch slave và master ..................................... 42
Hình 3.15: Mạch in sau khi lắp ráp linh kiện ............................................................ 42
Hình 3.16: Lƣu đồ thuật toán mạch master ............................................................... 43
Hình 3.17: Lƣu đồ thuật toán mạch slave ................................................................. 44
Hình 3.18: Mô hình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 8051 ................................ 47
6


Hình 4.1: Dịch chƣơng trình nhúng bằng Keil uVision 4.0. ..................................... 48
Hình 4.2: Nạp chƣơng trình nhúng ........................................................................... 49
Hình 4.3: Bản mạch slave(trạm con) sau khi đã lắp ráp các linh kiện hoàn chỉnh ... 49
Hình 4.4: Tin nhắn có nội dung “th?” đƣợc gửi từ mạch master tới mạch slave..... 50
Hình 4.5: Tin nhắn có nội dung chứa thông số nhiệt độ môi trƣờng đƣợc gửi từ
mạch slave tới mạch master ...................................................................................... 50
Hình 4.6: Bản mạch master sau khi khởi động xong sẵn sàng nhận dữ liệu từ slave51
Hình 4.7: Bản mạch master sau khi nhận thông số đo nhiệt độ từ slave gửi về ....... 51
Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm dùng điện thoại di động làm trạm gốc (master) .... 51
Hình 4.9: Điện thoại di động (master) gửi mật khẩu “th?” tới trạm con (slave) ...... 52
Hình 4.10: Điện thoại di động nhận dữ liệu từ trạm con qua tin nhắn sms .............. 52
Hình 4.11: Điện thoại di động hiển thị thông số nhiệt độ từ slave gửi về ................ 53
Hình 4.12: Biểu đồ nhiệt độ đo đƣợc trong ngày ...................................................... 54

7

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay dƣới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và
công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây – WSN (Wireless Sensor
Network) ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công
nghệ thông tin. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm biến không dây là sự kết hợp
của việc cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng
nhu cầu ngày càng cao của con ngƣời cũng nhƣ phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi
ích của con ngƣời, làm cho con ngƣời không mất quá nhiều sức lực, nhân công
nhƣng hiệu quả công việc vẫn cao. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển
khai một số lƣợng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ
thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để
giám sát điều kiện môi trƣờng, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị…
Trong những nghiên cứu mới nhất hiện nay thì hầu hết các ứng dụng của
WSN là giám sát môi trƣờng từ xa hoặc có thể mang theo một thiết bị nhỏ gọn
nhƣng có sức mạnh có thể làm việc hiệu quả không kém một hệ thống thiết bị cồng
kềnh. Ví dụ nhƣ có thể ứng dụng WSN vào trong công việc phòng cháy rừng bằng
rất nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng không dây để có
thể ngay lập tức phát hiện những vùng có khả năng cháy và gây cháy có thể đƣa ra
cảnh báo hoặc báo động cần thiết. Một trong những ƣu điểm lớn của mạng không
dây WSN là chi phí chiển khai đƣợc giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thƣớc nhỏ
gọn, dễ sử dụng. Thay vì hàng ngàn km dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ,
ngƣời lắp đặt chỉ làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã đƣợc lắp đặt nhỏ gọn vào
vị trí cần thiết. Mạng có thể đƣợc mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của
WSN, rất đơn giản ta chỉ việc thêm vào các thiết bị, linh kiện không cần thao tác
phức tạp. Trƣớc xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây, căn
cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang cần các hệ thống giám sát các thông số
trong môi trƣờng để phục vụ cho nhiều nghành, nhiều lĩnh vực. Tôi đã chọn hƣớng
nghiên cứu là đồ án “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi

8


trƣờng” làm luận văn tốt nghiệp của mình với yêu cầu đặt ra là xây dựng cấu trúc
phần cứng nhỏ gọn, xử lý nhanh, chi phí thấp mà vẫn có khả năng đạt đƣợc hiệu
quả nhƣ mong muốn. Hệ thống này phải có khả năng ứng dụng cao trong các điều
kiện khí hậu khác nhau, giảm thiểu đáng kể những chi phí không cần thiết cho việc
đo nhiệt độ thủ công hoặc sử dụng những thiết bị đƣợc nhập về nhƣ hiện nay.
2. Mục tiêu và nội dung thực hiện của đề tài
Với những ứng dụng rộng rãi và cấp thiết nhƣ trên, mục tiêu của đề tài “Nghiên
cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trƣờng” là đề xuất xây dựng
hệ thống đo nhiệt độ khắc phục đƣợc những hạn chế mà một số sản phẩm đã có trên
thị trƣờng chƣa giải quyết đƣợc nhƣ:
- Tốc độ lấy mẫu nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ.
- Thuật toán xử lý, đảm bảo đƣợc độ chính xác, tin cậy cao. Thuật toán này phải có
độ bảo mật an toàn cho thiết bị.
Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài tập trung giải quyết các vấn đề sau:
- Thực hiện giao tiếp giữa 2 nút mạng, hiển thị hình ảnh thông số kỹ thuật ra
màn hình LCD.
- Nghiên cứu, đề xuất hệ thống chuyền dữ liệu về nhiệt độ môi trƣờng thông
qua hạ tầng GSM
- Thiết kế, xây dựng một mạng cụ thể bao gồm 2 nút mạng.
Dựa trên các nội dung đó, luận văn này đƣợc chia thành 4 chƣơng với các nội dụng
chính nhƣ sau:
Nội dung chi tiết của bản luận văn bao gồm
- Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
- Chƣơng 2: Đo nhiệt độ môi trƣờng sử dụng mạng cảm biến không dây.
- Chƣơng 3: Mô hình hệ thống thực nghiệm, thuật toán và thiết kế phần mềm
nhúng.
- Chƣơng 4: Một số thử nghiệm và đánh giá.

3. Kết quả đạt đƣợc

9


Bằng phƣơng pháp thực nghiệm, mạng cảm biến không dây, hoàn thành và đáp
ứng các các yêu cầu đặt ra:
 Module quản lý nhỏ, gọn, trực quan.
 Hiển thị thông số nhiệt độ trên LCD
 Chuyển đổi nhiệt độ nhanh.
 Thực nghiệm cho thấy thuật toán đã đề ra đạt độ chính xác cao với điều kiện
môi trƣờng khác nhau.
Để có thể thực hiện và hoàn thành đề tài này, tôi xin đƣợc chân thành cảm ơn
PGS.TS. Lê Nhật Thăng đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực
hiện đề tài.

Học viên
Phạm Quang Khánh

10


CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu chung
Mạng cảm biến không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trƣờng ra đời đáp
ứng cho nhu cầu thu thập thông tin của môi trƣờng tại một tập hợp các điểm xác
định trong một khoảng thời gian xác định nhằm phát hiện các quy luật vận động và
các đặc điểm thay đổi rất chậm của môi trƣờng hoặc của đối tƣợng, mạng cảm nhận
không dây thông thƣờng bao gồm các nút mạng cảm nhận đƣợc phân bố trong một

phạm vi không gian nhất định. Các nút cảm nhận này sẽ tiến hành đo đạc các thông
số của môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, độ mặn.…việc thu thập các thông tin này
trong văn phòng, nhà kho, công xƣởng, viện bảo tàng, trong công nghiệp, y tế, nông
nghiêp, lâm nghiệp… WSN dƣờng nhƣ đã trở thành giải pháp hấp dẫn vì mang đến
sự tiện lợi về nhiều phƣơng diện, và đặc biệt trong nhiều trƣờng hợp thậm chí còn
hạn chế đƣợc sự nguy hiểm cho con ngƣời trong những môi trƣờng làm việc khắc
nghiệt (nút mạng thay thế cho sự làm việc trực tiếp của con ngƣời trong những môi
trƣờng có độc tính hay nhiệt độ cao...). Một hệ thống WSN hoàn thiện còn có khả
năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trƣờng hoặc định vị sự di
chuyển các đối tƣợng trong phạm vi của nó. Tùy theo mục đích của mạng cảm biến
mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp. Các nút cảm biến có bộ vi xử lý
bên trong, thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích nó có thể tiến hành xử lý đơn giản và
gửi về dữ liệu đã đƣợc xử lý theo yêu cầu.

11


Hình 1.1: Mạng đơn bƣớc

Hình 1.2: Mạng đa bƣớc
Mạng đơn bƣớc đơn giản là từ nút con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về nút cơ
sở, mạng loại này thƣờng là mạng nhỏ, thông thƣờng trƣờng hợp mạng đơn bƣớc
đƣợc coi là một trƣờng hợp đặc biệt của mạng đa bƣớc khi xem xét trên một phạm
vi nhỏ. Trong trƣờng hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con
về nút cơ sở thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi qua các nút trung gian trƣớc khi tới nút cơ sở, ta

12


gọi đây là truyền đa bƣớc. Đôi khi không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút

con tới nút cơ sở mà ngƣời ta mới dùng nút trung gian, do dùng nút trung gian để
giảm công suất và chia đều tiêu tán năng lƣợng giữa các nút.
Các nút mạng cảm biến thu thập thông tin môi trƣờng sau đó gửi về nút gốc
(master), nút gốc thƣờng là cố định và đƣợc nối với PC, hoặc máy tính xách tay qua
cổng RS232 việc đó nảy sinh những vấn đề nhƣ sự thiếu linh hoạt trong việc theo
dõi, giám sát trực tiếp môi trƣờng, không cơ động…
Mạng cảm biến (Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý
thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng
lại với các sự kiện và hiện tƣợng xảy ra trong môi trƣờng cụ thể nào đó. Môi trƣờng
có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, quan
sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến
tùy theo yêu cầu sử dụng còn đòi hỏi rất đa dạng và không bị giới hạn.
Các thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
 Các cảm biến đƣợc phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố dải.
 Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến (có dây và không dây).
 Điểm trung tâm, tập hợp dữ liệu (Clus Tering).
 Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
Một nút cảm biến đƣợc định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý,
hay còn gọi là mote. Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm nhận trong đó
các kết nối giữa các nút và cảm biến bằng sóng vô tuyến hoặc GSM
Công nghệ mạng cảm biến đƣợc xem là thành phần quan trọng nhất phục vụ
cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trƣờng
điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, lasers, radar, các cảm biến
định vị, dẫn đƣờng, đo đạc các thông số môi trƣờng, các cảm biến phục vụ trong
lĩnh vực an ninh, sinh hóa… Ngày nay, các cảm biến đƣợc sử dụng với số lƣợng
lớn.

13

Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lƣợng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ
đa điểm – điểm, số lƣợng lớn các node cảm biến. Cảm biến có thể chỉ gồm một
hoặc dãy cảm biến với kích thƣớc rất đa dạng.
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trƣớc đây chủ yếu phục vụ cho ứng
dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng
cho các ứng dụng thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thƣơng mại cao
cho mạng WSNs.
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các nút xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố, sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng,
giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng
lƣợng cho các nút bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lƣợng
thấp đƣợc ƣu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát
dựa trên 3 tiêu chí:
 Chu kỳ vận động ngắn.
 Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
 Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đƣờng truyền, qua đó làm giảm
suy hao tổng cộng, giảm công suất cho đƣờng truyền.
WSNs đƣợc chia làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nút sử
dụng:


Loại 1 (C1WSNs):

 Sử dụng giao thức định tuyến động.
 Các nút tìm đƣờng đi tốt nhất đến đích.
 Vai trò của các nút cảm biến này với các nút cảm biến kế tiếp nhƣ là các
trạm lặp (repeater).
 Khoảng cách rất lớn (hàng trăm mét).

 Khả năng xử lý dữ liệu ở các nút chuyển tiếp.
 Mạng phức tạp.


Loại 2 (C2WSNs):

14


 Mô hình đa điểm – điểm, hay điểm – điểm, một kết nối radio đến nút trung
tâm.
 Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh.
 Khoảng cách giữa các nút lên tới vài trăm mét.
 Nút chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các nút khác.
 Hệ thống tƣơng đối đơn giản.
Tiêu chuẩn tần số đang đƣợc áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4. Hoạt động
tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đƣờng
truyền dữ liệu lên đến 250kbps ở khoảng cách từ 30 đến 200 feet.
Zigbee/IEEE802.15.4 đƣợc thiết kế để bổ xung cho các công nghệ không dây nhƣ
Bluetooth, Wifi, để phục vụ cho các ứng dụng thƣơng mại.
Với sự ra đời của của Zigbee/IEEE802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo
hƣớng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh đƣợc tiêu chuẩn
hóa.

1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs
Nhƣ đã đề cập ở trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý tại nút
nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là xử lý trƣớc
tại nút. Thay vì gửi đi dữ liệu đến nút chuyển tiếp, nút thƣờng dùng khả năng xử lý
dữ liệu của mình để giải quyết trƣớc khi phát đi. Với dạng có cấu trúc, dữ liệu đƣợc
xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm đƣợc năng lƣợng cần dùng và băng thông

kênh truyền. Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến nhƣ sau:


Cảm biến:

 Chức năng cơ bản.
 Xử lý tín hiệu.
 Nén và các giao thức phát hiện, sửa lỗi.
 Phân chia Cluster.
 Tự phân nhóm.


Kỹ thuật truyền vô tuyến:

 Dãy truyền sóng.
15


 Sự hƣ hại đƣờng truyền.
 Kỹ thuật điều chế.
 Giao thức mạng.


Tiêu chuẩn:

 IEEE802.11a/b/g.
 IEEE802.15.1 PAN/Bluetooth.
 IEEE802.15.3 Ultra Wideband (UWB).
 IEEE802.15.4/Zigbee (IEEE802.15.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến, Zigbee là
phần mềm ứng dụng và mạng logic).

 IEEE802.16 Wimax.
 IEEE 1451.5 (Wireless Sensor Working Group).
 Mobile IP.


Phần mềm ứng dụng:

 Hệ điều hành.
 Phần mềm mạng.
 Phần mềm kết nối cơ sở dữ liệu trực tiếp.
 Phần mềm Middleware.
 Phần mềm quản lý dữ liệu.
Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến
Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần đƣợc đặt
trong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã đƣợc giới thiệu ở phần
trƣớc. Bởi vì đây là mô hình với số lƣợng cảm biến lớn trong mạng, chuỗi dữ liệu
nhiều, dữ liệu không đƣợc hoàn hảo, khả năng hỏng các nút cao, cũng nhƣ khả năng
bị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các nút trong mạng.
Do vây, C1WSNs tổng quát hơn so với C2WSNs. Sự phát triển của mạng cảm biến
dựa trên cải tiến về cảm biến, thông tin và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần
cứng và phần mềm).

16


Hình 1.3: Mô hình mạng cảm biến thông thƣờng
Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của mạng cảm biến thông thƣờng. Theo đó, các
cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra nút có khả
năng tốt nhất làm nút trung tâm, tất cả các nút loại này sẽ truyền về nút xử lý chính.
Nhờ vậy, năng lƣợng cũng nhƣ băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn.

Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và
định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
 Các nút phân bố dày đặc
 Các nút dễ bị hỏng.
 Giao thức mạng thƣờng xuyên thay đổi.
 Nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
 Các nút có thể không đƣợc đồng nhất toàn hệ thống vì số lƣợng lớn các nút.
Các thành phần cấu tạo nên một nút trong mạng cảm biến
 Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có).
 Đơn vị xử lý.
 Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến.
 Nguồn cung cấp.
 Các ứng dụng khác…

17


Để cung cấp sự hoạt động cho các nút, phần quan trọng là các hệ điều hành mã
nguồn mở đƣợc thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thƣờng, các hệ điều hành nhƣ
thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng
trong khi kích thƣớc code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của Sensor
Networks. TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức.
Thành phần của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các nút, drivers cho các
cảm biến và các ứng dụng. Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng
để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu
đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tƣơng
ứng.

1.3. Tiêu chuẩn về phƣơng thức truyền nhận

Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên
tiêu chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu nhƣ tốc độ dữ liệu thấp –
trung bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị
trí các nút cảm biến hầu nhƣ không xác định trƣớc, có nghĩa là giao thức và giải
thuật mạng phải có khả năng tự xây dựng.
Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong đó
vấn đề căn bản là năng lƣợng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể. Chủ yếu tập
trung vào giao thức định tuyến, bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền
thống (phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng).

Hình 1.4: Giao thức truyền nhận của mạng cảm biến

18


Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc trong mạng và quản lý.
Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp nhƣ mô hình OSI.
 Layer 1 - lớp vật lý: Các quy ƣớc về điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín
hiệu.
 Layer 2 – lớp liên kết dữ liệu: Các cấu trúc khung, định thời.
 Layer 3 – lớp mạng: Định tuyến.
 Layer 4 – lớp vận chuyển: Truyền dữ liệu trong mạng, lƣu trữ dữ liệu.
 Upper Layers: Phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm: xử lý ứng dụng,
kết hợp dữ liệu, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại.
Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhƣng vấn còn thiếu các tiêu
chuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảm
biến cho mục đích thƣơng mại.
Định tuyến và sự phân tán tín hiệu: Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào ba
nhóm: Dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng và căn cứ vào vị trí. Các quy ƣớc về tập
hợp dữ liệu để kết hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau qua đƣờng truyền. Điều này

cho phép hạn chế sự dƣ thừa trong mạng, làm giảm số đƣờng truyền, giảm năng
lƣợng tiêu thụ. Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng, ngay khi dữ liệu đang đƣợc
truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lƣợng của toàn hệ thống. Băng thông
không bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các nút bị hạn chế hay giá thành
cao. Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trƣớc tại nguồn trƣớc khi
chuyển qua các nút lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất.
Tổ chức mạng cảm biến: Các vấn đề liên quan, sự sắp xếp mạng và sự theo dõi
giám sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây
dựng phiên làm việc.
Tính toán: Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính
toán cấu trúc và xử lý tín hiệu.
Quản lý dữ liệu: Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở
dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lƣu trữ dữ liệu. Trong môi trƣờng mạng truyền thống,
dữ liệu đƣợc thu thập đến trung tâm để lƣu trữ khi có yêu cầu đƣợc gửi đi. Trong

19


các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật đƣợc
xây dựng dùng cho các mô hình lƣu trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần đƣợc đánh chỉ
số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn.
Bảo mật: Bảo mật là phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, sự nhất quán
và sự sẵn sàng của thông tin.
Các thách thức và trở ngại
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thử thách và
trở ngại cần phải vƣợt qua:
 Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thƣớc
 Yếu tố nguồn cung cấp
 Giá thành các nút mạng
 Yếu tố môi trƣờng

 Các đặc tính kênh truyền
 Giao thức quả lý mạng phức tạp và sự phân bố dải các nút
 Tiêu chuẩn và quyền sở hữu
 Các vấn đề mở rộng

1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là sự tập hợp các nút cảm biến có kích thƣớc nhỏ
gọn (compact-size), cụ thể là các nút cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm
việc trong điều kiện môi trƣờng tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đƣa
những thông tin đến trung tâm khi các xử lý phù hợp. Các nút trong mạng WSNs có
thể liên lạc với các nút xung quanh nó, và có thể xử lý dữ liệu thu đƣợc trƣớc khi
gửi đến các nút khác. WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích.
1.4.1. Các mô hình phân bố
Nhƣ đã đƣợc đề cập trong chƣơng trên, mô hình WSNs đƣợc xây dựng chủ
yếu theo 2 loại:
 Category 1 WSNs (C1WSNs): hệ thống lƣới kết nối đa đƣờng giữa các nút
qua kênh truyền vô tuyến, sử dụng giao thức định tuyến động.

20


 Category 2 WSNs (C2WSNs): mô hình điểm-điểm hay đa điểm-điểm, chủ
yếu là các liên kết đơn (single-hop) giữa các nút, dùng giao thức định tuyến tĩnh.
Theo cách khác, có thể chia mô hình theo 2 dạng hợp tác (cooperative) và bất
hợp tác (noncooperative). Trong dạng hợp tác các nút chuyển tiếp thông tin cho các
nút lân cận. Còn trong dạng bất hợp tác, các nút truyền thông tin trực tiếp lên trung
tâm mà không qua các nút lân cận.
Mặc dù còn có các cách phân loại mô hình khác, tuy nhiên theo 2 dạng
C1WSNs và C2WSNs là tổng quát nhất cho các cách cấu hình mạng WSNs. Các
ứng dụng đƣợc xây dựng trên các mô hình này.

1.4.2. Các ứng dụng của mạng WSNs
Chia ra 2 loại ứng dụng theo mô hình: hệ thống điểm - điểm dùng định tuyến
tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến động.
Sự hội tụ của Internet, thông tin vô tuyến và kỹ thuật thông tin đã tạo cho công
nghệ cảm biến sự phát triển đầy tiềm năng. Phần cứng WSNs, đặc biệt là các vi xử
lý giá thành thấp, cảm biến nhỏ gọn, phần phát thu vô tuyến tiêu thị công suất thấp
trở thành các tiêu chuẩn chung. Mạng cảm biến thông thƣờng hoạt động ở tần số
900MHz (868 và 915MHz), hệ thống thƣơng mại (IEEE802.11b hay IEEE802.5.4)
trong dải tần 2.4 GHz
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSNs đã đạt đƣợc những bƣớc
phát triển mạnh mẽ, các bƣớc tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các
ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trƣờng,
an toàn thực phẩm và sản xuất,…
Các ứng dụng của mạng WSNs thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tƣởng tƣợng của
con ngƣời. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSNs:
Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia:
 Giám sát chiến trƣờng
 Bảo vệ anh ninh cho các công trình trọng yếu
 Ứng dụng trong quân đội
 Thông tin, giám sát, điều khiển

21


 Theo dõi các mục tiêu
 Phát hiện phóng xạ hạt nhân
 Giám sát dƣới nƣớc, trên không
 Hệ thống radar
Ứng dụng trong bảo vệ môi trƣờng:
 Phát hiện hoạt động của núi lửa

 Giám sát cháy rừng
 Giám sát dịch bệnh
 Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên
 Phát hiện động đất
Ứng dụng trong thƣơng mại:
 Điều khiển không lƣu
 Quản lý cầu đƣờng
 Quản lý kiên trúc và xây dựng
Điều khiển nhiệt độ
 Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng
 Hệ thống tự động
 Cảm biến các chất hóa học, sinh học, nguyên tử
 Thu thập dữ liệu thời gian thực
 Các hệ thống nhận dạng bằng sóng radio
 Quản lý sản xuất
Ứng dụng trong y học:
 Cảm biến gắn trực tiếp lên cơ thể ngƣời
 Chăm sóc sức khỏe
 Phản ứng với dịch bệnh
 Phân tích sức khỏe cá nhân
 An toàn thực phẩm
 Phân tích nồng độ các chất

22


 Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế
Ứng dụng trong gia đình:
 Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà
 Hệ thống tự động trong gia đình, cảnh báo an ninh…

Giám sát an ninh
 Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trƣờng, các nguy cơ tấn công nguyên
tử, sinh hóa…
 Môi trƣờng: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt…
 Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều
khiển từ xa…
 Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sƣởi
ấm…
 Thƣơng mại: điều khiển trong môi trƣờng công nghiệp, văn phòng, giám sát
xe cộ, giao thông…

1.5. Kết luận chƣơng 1
Ở chƣơng 1 đã trình bày tóm lƣợc một số những kiến thức cơ bản của mạng
WSN. Các nội dung đã đƣợc trình bày: Mô hình mạng cảm biến thông thƣờng, một
số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đang đƣợc ứng dụng trong thực tiễn
phục vụ đời sống con ngƣời.

23


CHƢƠNG 2:
ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
Nhiệt độ môi trƣờng luôn ảnh hƣởng trực tiếp tới sinh hoạt và đời sống của
chúng ta. Việc xác định nhiệt độ môi trƣờng từ lâu đã là điều không thể thiếu.
Chúng ta có rất nhiều cách xác định nhiệt độ môi trƣờng nhƣ nhiệt kế thuỷ ngân …
Ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật thì nhiệt độ đƣợc xác định và
xử lý dựa vào các linh kiện điện tử để giúp đạt hiệu quả cao nhất.
Do những điều kiện về nền kinh tế, kỹ thuật mà việc ứng dụng mạng cảm biến
không dây trong lỹ vực y tế ở nƣớc ta rất khó triển khai. Dƣới đây là một số ứng

dụng của mạng cảm biến không dây có thể ứng dụng đƣợc ở nƣớc ta.
2.1. Trong nông nghiệp
Do nƣớc ta là nƣớc đang phát triển với nền nông nghiệp lớn. Số lƣợng các
trang trại của nƣớc ta nhiều do đó việc theo dõi là rất tốn nhân công. Trong khi đó
việc đầu tƣ để phát triển một mạng cảm nhận không dây không phải là cao. Mạng
có thể đƣợc dùng để đo dộ ảm, nhiệt độ ở từng khu vực trong trang trại, hay lƣợng
mƣa ở những khu vực khác nhau

Hình 2.1 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp

24


Các nút mạng đƣợc bố trí tại các cánh đồng khác nhau để thu thập các thông
tin về môi trƣờng sau đó chuyển dữ liệu về khu vực ngƣời sử dụng. Ngƣời sử dụng
khi có các thông tin về môi trƣờng ở từng khu vực khác nhau sẽ đƣa ra các phƣơng
hƣớng chăm sóc khác nhau đối với từng khu vực để chăm sóc cho tốt.
2.2. Trong việc dự báo cháy rừng
Tài nguyên thiên nhiên rừng ở Việt Nam rất phong phú. Trữ lƣợng gỗ lớn. Có
các cánh rừng nguyên sinh nhƣ: Cát Bà, Cúc Phƣơng…. Mang lại rất nhiều nguồn
lợi cho nƣớc ta. Chính vì vậy việc giữ gìn và bảo tồn chúng là rất khó khăn. Trong
đó việc cháy rừng do hạn hán, khô hanh thƣờng xuyên sẩy ra do diện tích một khu
rừng là rất lớn việc đo độ ẩm của khu rừng trong từng khu vực là rất khó khăn.

Hình 2.2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh bảo cháy rừng
Mạng cảm biến không dây sẽ giúp cho chúng ta đƣợc điều này bằng cách mỗi
nút mạng sẽ gắn một cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm của không khí…gửi về cho con
ngƣời sẽ giúp cho chúng ta biết cách quản sử lý tình trạng cháy rừng do thiên tai
gây ra.

25