Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Toán

ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRONG CẢNH BÁO CHÁY CHO NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu,
đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực hiện. Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài
liệu tham khảo nhƣ đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo.
Ngƣời viết luận văn

Phạm Văn Toán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

iii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em trân thành xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trƣờng Đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ
thông tin Việt Nam đã khắc phục mọi khó khăn trong giảng dạy để chỉ bảo, giúp đỡ
và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học của
mình.
Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng – Viện Công nghệ
thông tin Việt Nam đã định hƣớng, tận tình hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu, chỉ bảo
cho em trong thời gian làm luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp trong đơn vị công
tác, gia đình và bạn bè những ngƣời đã động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi
trong suốt hai năm học.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY.......................................... 5
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây ....................................................... 5
1.1.1. Mạng không dây là gì ? ...................................................................... 5
1.1.2. Phân loại ............................................................................................. 5

1.1.3. Các mô hình mạng không dây ............................................................ 8
1.1.4. Các thiết bị mạng không dây: ............................................................. 9
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây ................................................................. 10
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến ................................................... 10
1.2.2. Phần cứng và phần mềm .................................................................. 11
1.2.3. Phân loại cảm biến ........................................................................... 13
1.2.4. Môi trƣờng hoạt động của sensor node (WNs) ................................ 15
1.2.5. Xu hƣớng phát triển của Node cảm biến .......................................... 15
1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................................................ 16
1.3.1. Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :............................. 16
1.3.2. Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) : ............................. 18
CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY .......................................................................................................................... 22
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu ............................................................. 22
2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây ........................................ 23
2.2.1. Kích thƣớc mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian: ..................... 23
2.2.2. Tài nguyên hạn chế: ......................................................................... 24
2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây .......... 24
2.3.1. Mô hình giao thức cho WSNs .......................................................... 25
2.3.2. Giao thức MAC ................................................................................ 26
2.3.3. Các giao thức MAC cho mạng WSNs: ............................................ 28
2.3.4. Nghiên cứu trƣờng hợp SENSOR-MAC: ........................................ 29
2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây ............................. 36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

2.4.1 Giao thức định tuyến trong WSNs: ................................................... 36
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ GIAO THỨC ĐƢỜNG ĐỊNH TUYẾN ĐÚNG DẦN
NGẮN NHẤT ........................................................................................................... 47
3.1. Xây dựng hài toán ................................................................................... 47
3.2. Lý thuyết đồ thị ....................................................................................... 49
3.2.1 Đồ thị và cây...................................................................................... 49
3.2.2 Thuật toán Dijkstra ............................................................................ 51
3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến ........................................................... 54
3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút)........................................ 55
3.3.2 Nút cụm chủ ...................................................................................... 58
3.3.3 Truyền dữ liệu sử dụng đƣờng dẫn ngắn nhất ................................... 59

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn .................................................................. 1
Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến .............................................................................. 6
Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC ............................................................................. 8
Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE ......................................................... 9
Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ................................................. 11
Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)......................................... 13
Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp .............................. 17
Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự ............................................................. 17
Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đƣờng cao tốc. ............................................... 18

Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee ....................... 19
Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển ......................................................................... 20
Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng ........................................................... 20
Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp. ............................................................ 21
Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa. ..................................................................... 21
Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN ......................................................................... 22
Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng. ........................................................................... 23
Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu ........................... 26
Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động của node. ........................................................ 31
Hình 2.5 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên....................................... 32
Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát. .......................................................... 33
Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC ................................................ 35
Hình 2.8 Quá trình truyên thông Điệp trong S-MAC ............................................... 36
Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin .......................................... 39
Hình 2.10 Bùng nổ lƣu lƣợng do flooding. .............................................................. 40
Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn do flooding. ................................................................. 40
Hình 2.12 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN. .................................................... 43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP. ............................................... 43
Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC. ................................................................................ 45
Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng ................................................ 47
Hình 3.2 Cây đƣờng đi ngắn nhất - SPT ................................................................... 48
Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng .......................................................................................... 48

Hình 3.4 Đồ thị ......................................................................................................... 49
Hình 3.5 Đồ thị ......................................................................................................... 50
Hình 3.6..................................................................................................................... 51
Hình 3.7 Sơ đồ SPT của u ......................................................................................... 53
Hình 3.8 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) ............................................................ 54
Hình 3.9 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) [4] ...................................................... 54
Hình 3.10 Cụm nút đƣợc hình thành và cụm chủ đƣợc lựa chọn ............................. 58
Hình 3.11 So sánh giữa Leach và Quá trình định tuyến theo đƣờng dẫn ngắn nhất 59
Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đƣờng định tuyến ngắn nhất ......................... 60
Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn quá trình truyên dữ liệu.................................................. 61
Hình 3.14 Các nút chết ............................................................................................. 62
Hình 3.15 Gói tin đến BS.......................................................................................... 63
Hình 3.16 Các cụm chủ đƣợc hình thành ................................................................. 64
Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ .......................................................................... 65
Hình 3.18 Số nút còn sống ........................................................................................ 66

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIÊU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Từ viết
tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

LAN

Locanl Area Network

Mạng nội bộ

WAN

Wide Ara Networks

Mạng diện rộng

WPAN

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

WSNs

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

OS

Operating System

Hệ điều hành

LEACH

Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy

Cấu trúc phân bậc tƣơng thích,
năng lƣợng thấp

MAC

Medium access control

Điều khiển truy cập môi trƣờng

PHY

Physic Layer

Lớp vật lí

SPIN

Sensor Protocols for Information via
Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự thỏa thuận

S-MAC

Sensor MAC

Giao thức MAC cho cảm biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CHÁY NỔ

TTTM thành phố Hồ Chí Minh

Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD)

TTTM thành phố Hải Dƣơng (500 tỷ)

Tiệm bọc yên xe (2 ngƣời chết)

Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn
Cháy nổ luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày. Mặc dù đã có những biện pháp, hệ thống đƣợc xây dựng để phát hiện và
cảnh báo cháy nổ nhƣng nhiều thảm họa do cháy nổ gây ra vẫn hoành hành và gây
thiệt hại nhiều về ngƣời và của.
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh

kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn trong cuộc
sống. Mô hình mạng cảm biến không dây (WSNs – Wirless Sensor Networks) ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không
dây[3]. Nó ra đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và đƣợc ứng dụng
rộng rãi. Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay nhƣ phán
đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật tự động
trong sản xuất công nghiệp, điều khiển quy trình, quản lí kiểm kê, cảm nhận môi
trƣờng, giám sát sinh thái, giám sát công trình xây dựng, trong y tế và dân
dụng,[1],[5]…Tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng của mạng cảm biến
không dây nhƣ: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, hệ thống điều hòa nhiệt
độ, … nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ rất mới mẻ ở Việt Nam.
Đặc biệt trong cháy việc duy trì nguồn điện cho mạng có dây là cực kỳ khó
khăn, vì khi xảy ra cháy thƣờng xảy ra mất điện cục bộ, do đó việc duy trì hoạt
động của mạng có dây là vấn đề rất khó khăn. Bên cạnh đó mạng cảm biến không
dây lại sử dụng PIN và có nhiều giao thức định tuyến khác nhau, đặc biệt là giao
thức định tuyến theo nhóm. Với giao thức này khi xảy ra cháy có thể phá hủy các
Note khác nhau nhƣng vẫn không ảnh hƣởng đến quá trình truyền dữ liệu trong
mạng.
Xuất phát từ xu hƣớng trên, cùng với sự gợi ý của PGS TS Lê Bá Dũng tôi
đã chọn đề tài: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho
nhà cao tầng” với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát
liên tục nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do cháy gây ra.

Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến.
- Công cụ mô phỏng để xây dựng mạng cảm biến
Phạm vi nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chƣơng trình giao thức đƣờng định
tuyến đúng dần ngắn nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

Hƣớng nghiên cứu của đề tài
- Tim hiểu về mạng máy tính
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất.
Những nội dung nghiên cứu chính
Chƣơng 1
Tổng quan về mạng không dây
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Chƣơng 2
Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu

2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây
2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây
2.4. Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 3
Mô hình và giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất
3.1. Xây dựng bài toán
3.2. Lý thuyết đồ thị
3.3. Đề xuất cho thuật toán định tuyến
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
a. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
- Nghiên cứu các tài liệu về mạng không dây, mạng cảm biến không dây.
Tổng hợp các tài liệu và các phƣơng pháp để thu thập dữ liệu từ mạng cảm
biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

b. Phương pháp nghiên cứu điều tra
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài
- Phân tích các thông tin liên quan và nghiên cứu lý thuyết
c. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng là phƣơng pháp mô phỏng. Thay vì
triển khai trên hệ thống thực, tôi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt đƣợc
thông qua phần mềm mô phỏng.
- Chƣơng trình mô phỏng.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây.
- Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng hệ thống mô phỏng để phân tích các tín hiệu về mạng cảm
biến không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.1.1. Mạng không dây là gì ?
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị đƣợc nhóm lại với nhau, có khả
năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đƣờng truyền dẫn bằng dây.
* Ưu điểm:
- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần ngƣời sử dụng.
- Công nghệ không dây đã đƣợc tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho
máy tính xách tay của INTEL và AMD.
- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN
nhƣ là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về
cable).
- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các
thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian nhƣ
mạng có dây thông thƣờng.
- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio
(Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu.
* Nhược điểm:

- Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông. Tốc độ của mạng
Wireless thấp hơn mạng cố định, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận cẩn thận
những frame đã nhận để tránh tình trạng mất dữ liệu.
- Trong mạng cố định truyền thống thì tín hiệu truyền trong dây dẫn nên có
thể đƣợc bảo mật an toàn hơn. Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất dễ
dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thể bị bắt và xử lí đƣợc bởi
bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless thì có
ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý.
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại:
A. Dựa trên vùng phủ sóng, mạng không dây được chia thành 5 nhóm:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6

Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến
- WPAN: mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô
tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này
phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi nhƣ máy in, bàn phím, chuột, đĩa
cứng, khóa USB, đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong
nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean,...
Đa phần các công nghệ này đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm làm việc
(Working Group) 802.15. Do vậy các chuẩn còn đƣợc biết đến với tên nhƣ IEEE
802.15.4 hay IEEE 802.15.3 ...
- WLAN : mạng vô tuyến cục bộ. Nhóm này bao gồm các công nghệ có
vùng phủ tầm vài trăm mét. Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng

khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi đã gặt hái đƣợc những
thành công to lớn trong những năm qua. Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên ít nghe
đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi đƣợc chuẩn hóa bởi
ETSI.
- WMAN: mạng vô tuyến đô thị. Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là
WiMAX. Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của
nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa).
- WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ
mạng thông tin di động nhƣ UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm
vài km đến tầm chục km.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

- WRAN: Mạng vô tuyến khu vực. Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22
đang đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40100km. Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh,
khó triển khai các công nghệ khác.
Bảng 1: So sánh các nhóm mạng
Công nghệ
UWB (Ultra

Mạng

Chuẩn

WPAN

802.15.3a

Bluetooth

WPAN

802.15.1

Wi-Fi

WLAN

802.11a

Wi- Fi

WLAN

802.11b

WWAN

2.5 G

WWAN

3G

WWAN

3G

wideband)

Edge/GPRS
(TDMAGMS)
CDMA
2000/1x EVDO
WCDMA/
UMTS

Tốc độ
110-480

Vùng phủ
sóng

Băng tần

Trên 30 feet

7.5 GHz

Trên 30 feet

2.4 GHz

Trên 54 Mbps

Trên 300 feet

5 GHz

Trên 11 Mbps

Trên 300 feet

2.4 GHz

4-5 dặm

1900 MHz

Mbps
Trên 720
Kbps

Trên 384
Kbps

Trên 2.4
Mbps

Trên 2 Mbps

1-5 dặm

1-5 dặm

400-2100
MHz
1800-2100
MHz

Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chổ chúng nhận và chuyển tin
bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM).
B. Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại:
• Kết nối sử dụng tia hồng ngoại
• Sử dụng công nghệ Bluetooth
• Kết nối bằng chuẩn Wi-fi[1],[5]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

1.1.3. Các mô hình mạng không dây
1. Mô hình mạng AD-HOC:
a. Khái niệm:
- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây
- Tƣơng tự mô hình peer to peer trong mạng có dây
- Các máy tính có vai trò ngang nhau
- Khoảng cách liên lạc 30-100m
- Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm(SEA)
b. Mô hình vật lí:

Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC
2. Mô hình mạng INFRASTRUCTURE

a. Khái niệm:
- Là mạng gồm một hay nhiều AP để mở rộng phạm vi hoạt động của các
Station có thể kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi.
- AP đóng vai trò là điểm truy cập cho các Client(Station) trao đổi dữ liệuvới
nhau và truy xuất tài nguyên của Server.
- Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10-15 client (tùy sản phẩm và hãng sản
xuất) đồng thời tại một thời điểm.[1],[5]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

b. Mô hình vật lí:

Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE
1.1.4. Các thiết bị mạng không dây:
1. Access Point:
Access Point (AP) có vai trò tƣơng tự nhƣ Hub hay Switch.
Điểm truy cập cho các Station (Node) trong mạng không dây
cho phép các Station trao đổi dữ liệu với nhau (nhƣ HUB trong
mạng có dây) và với các Station trong mạng có dây.
2. Wireless Adapter :
Bộ điều hợp mạng không dây (Wireless NIC) có nhiều kiểu giao tiếp
nhƣ PCMCIA, USB hay PCI card
3. Wireless card:
Là thiết bị gắn trên PC hay thiết bị cầm tay nhƣ Laptop,
PDA,…đóng vai trò là card mạng có dây, nhƣng sử dụng môi

trƣờng là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu
đƣợc với nhau thông qua sóng vô tuyến.
4. Cầu nối Wi-Fi:
Thêm cầu nối Wi-Fi là ta có thể kết nối hầu nhƣ bất cứ
thiết bị nào có giao tiếp cổng Ethernet, chẳng hạn một máy in
mạng, vào mạng không dây. Ta dùng cáp nối thiết bị vào
cổng Ethernet của cầu nối, và cầu nối sẽ truyền dữ liệu từ
thiết bị này đến thiết bị không dây. Lúc này, bản thân thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

hoạt động chẳng khác gì với khi lắp vào mạng có dây. Chúng ta nên mua cầu nối và
router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ nhƣ Super G,
Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA.
5. Camera không dây
6. Thiết bị nghe nhạc và xem phim
7. Router du lịch
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí.
Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các
node lân cận và các chức năng cơ bản nhƣ xử lí tín hiệu, quản lý giao thức mạng và
bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng
cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số
chức năng chính:

- Xác định đƣợc giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Nhƣ có thể trả về nhiệt
độ, áp suất, cƣờng độ ánh sáng, ... tại nơi khảo sát.
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ƣớc lƣợng các thông
số của sự kiện đó. Nhƣ mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải
nhận biết đƣợc sự di chuyển của xe cộ, đo đƣợc tốc độ và hƣớng di chuyển của các
phƣơng tiện đang lƣu thông, ...
- Phân biệt các đối tƣợng. Ví dụ phƣơng tiện lƣu thông mà cảm biến nhận
biết đƣợc là xe gì: xe con, xe tải, hay xe buýt, ...
- Theo dấu các đối tƣợng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến
phải cập nhật đƣợc vị trí các phƣơng tiện của đối phƣơng khi chúng di chuyển trong
vùng bao phủ của mạng, ...
Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần nhƣ thế, tùy theo yêu
cầu và mục đích của thông tin cần thu thập.
Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt điện, từ, sinh học,
quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối,... Cảm biến có thể đƣợc đƣa ra bên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

ngoài môi trƣờng nguy hại, môi trƣờng có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn,
môi trƣờng hóa chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay trong
hệ thống nhà xƣởng sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trƣờng
điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers; cảm
biến vị trí hay định vị; cảm biến hƣớng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa, ...
- Các thông số vật lí
- Các thông số hóa học, sinh học

- Các sự kiện
Cảm biến kích thƣớc nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin
cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.

Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến
Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây nhƣ trên hình ... Node kết
hợp cảm biến và xử lí giai đoạn 1999 có kích thƣớc lớn hơn một đồng xu, các IC
tích hợp cảm biến. Các năm tiếp theo, kích thƣớc node giảm đi rất nhiều. Với sự
phát triển của các công nghệ nano, MEMS kích thƣớc giảm đi đáng kể, kèm theo
giảm năng lƣợng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lí, độ ổn định cao
hơn, ... Những năm đầu 2000, thể tích trung bình node cỡ 16.387mmm3, đến 2007
là 1-mm3.[1],[5]
1.2.2. Phần cứng và phần mềm
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có:
chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tín hiệu, gồm xử lí số tín hiệu, nén,
phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng;
thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối. Để có các chức năng này, phần
cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lí, nguồn, và các phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

phục vụ cho chức năng khác. Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến
thông thƣờng gồm phần cứng và phần mềm.
Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng.
Phần cứng gồm 4 nhóm chính:

- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lƣợng cho node hoạt động trong vài giờ,
vài tháng hay vài năm.
- Lƣu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lí, điều chế số, định
tuyến, ...
- Cảm biến: biến đổi các thông số môi trƣờng thành thông tin.
- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm.
Phần mềm gồm 5 nhóm chính:
- Hệ điều hành (OS) microcode (còn đƣợc gọi là middleware): liên kết phần
mềm và chức năng bộ xử lí. Các nghiên cứu hƣớng đến thiết kế mã nguồn mở cho
OS dành riêng cho mạng WSNs.
- Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử
cảm biến.
- Bộ xử lí thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển
các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi, ....
- Bộ phận xử lí dữ liệu: xử lí tín hiệu đã lƣu trữ, thƣờng ở các node xử lí
trong mạng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)
1.2.3. Phân loại cảm biến
Bởi vì sự đa dạng của cảm biến, cần thiết phải có sự phân loại, đánh giá theo
kích thƣớc, công suất, khả năng xử lí, chế độ hoạt động, giao thức định tuyến, ...
Bảng 2: Phân loại cảm biến
Kích

thước
Rất lớn
(103mm3)

Khả
năng
di động

Công
suất
nguồn

Khả năng
lưu trữ,
tính toán

Di
động

Tự nạp Bộ xử lí, Đa
lại
lƣu trữ mức năng,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Chế độ

Giao thức ở
các lớp thấp

chức Đa
cảm đƣờng/lƣới;

G. thức
ở các
lớp cao
Định
tuyến




14

cao

biến thông số 101 – 102m; động
vật lí
IEEEMAC

Di
động

Tự nạp Bộ xử lí, Đa
chức
lại
lƣu
trữ năng,
cảm
trung bình

biến thông số
hóa – sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; động
IEEEMAC

Di
động

Pin 101 Bộ xử lí
giờ
mức thấp,
lƣu trữ mức
cao

Đa chức năng
cảm
biến
thông số vật
lí, hóa sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;

tuyến
4
>10 m; IEEE động
MAC

Ít
di Pin 102 Bộ xử lí
động
giờ
mức cao,
lƣu
trữ
trung bình

Đa
chức
năng,
cảm
biến thông số
vật lí

Đa
Định
đƣờng/lƣới;
tuyến
1
2
10 – 10 m; động
IEEE MAC

Ít
di Pin 103 Bộ xử lí, Đa
chức
Rất nhỏ động
giờ
lƣu
trữ năng,
cảm
-1
3
trung bình
biến thông số
(10 mm )
hóa sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; tĩnh
IEEE MAC

Ít
di Pin 104 Bộ xử lí
động
giờ
mức thấp,
Cực nhỏ

lƣu
trữ
(10-2mm3)
trung bình

Đa
chức
năng,
cảm
biến thông số
vật lí, hóa
sinh

Đa
đƣờng/lƣới;
>104m; IEEE
MAC

Không Pin 105 Bộ xử lí
Cỡ micro di động giờ
mức cao,
-3
3
lƣu trữ mức
(10 mm )
thấp

Một
chức
năng,

cảm
biến thông số
vật lí

Một
đƣờng/lƣới;
101 – 102m;
IEEE MAC

Lớn
(102mm3)

Trung
bình
(101mm3)

Nhỏ
(100mm3)

Cỡ nano
(<10-4
mm3)

Không
di động

Bộ xử lí
trung bình,
lƣu trữ mức
thấp

Một
chức Một đƣờng;
năng,
cảm >104m; IEEE
biến thông số MAC
hóa sinh

Không
di động

Bộ xử lí
trung bình,
lƣu trữ mức
thấp

Một
chức Một đƣờng;
năng,
cảm >104m; IEEE
biến thông số MAC
hóa sinh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

1.2.4. Môi trường hoạt động của sensor node (WNs)
Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:
- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lƣợng cung cấp, việc sử
dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng
WSNs.
- Liên lạc: mạng vô tuyến thƣờng bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh
truyền. Các yếu tố này ảnh hƣởng đến độ tin cận, chất lƣợng dịch vụ và độ bảo mật
của hệ thống.
- Tính toán: các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn. Điều này
ảnh hƣởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lí dữ liệu hoạt động tại node.
- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu tập có thể kèm theo
nhiễu từ môi trƣờng. Sự hƣ hỏng các node có thể làm sai dữ liệu. Sự sắp đặt các
node gây sai lệch hoạt động node.[1],[2]
1.2.5. Xu hướng phát triển của Node cảm biến
Để mạng WSNs có thể đƣợc triển khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thƣớc,
giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông minh của
node phải tăng lên. Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiến nhƣ
công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng, ...
Sự thu nhỏ kích thƣớc, giá thành là vấn đề quan trọng hàng đầu. Sự tích hợp
cảm biến, vi xử lí, nguồn năng lƣợng và giao tiếp mạng thông tin trên một chip sẽ
làm việc trao đổi dữ liệu giữa cảm biến và môi trƣờng bên ngoài trở nên dễ dàng
hơn.
Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp
mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các
mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên cứu
đang hƣớng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân
bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thƣơng mại, hỗ trợ hiệu quả cho các quá
trình ra quyết định.[1,3]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

16

1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSNs là sự tập hợp các kích thƣớc nhỏ gọn (compact-size), cụ thể là các
node 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 cho
các xử lí phù hợp. Các node trong mạng WSNs có thể liên lạc với các node xung
quanh nó, và còn có thể có các xử lí dữ liệu thu đƣợuc trƣớc khi gởi đến các node
khác. WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích.
1.3.1. Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :
C1WSN ứng dụng trong các mạng mà các node không có giám sát
(unattended), WSNs đặc biệt có hiệu quả trong quân sự và dân sự, giám sát các hoạt
động ở chiến trƣờng, an ninh và ứng phó với dịch bệnh. Do đặc điểm số node rất
lớn, phân bố rải, sự quản lý chặt chẽ các node rất khó khăn, các node phải có khả
năng tự phân bố cấu trúc, dùng giao thức định tuyến động để đƣa dữ liệu về trung
tâm theo các đƣờng đi tốt nhất.
1.3.1.1. Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên:
Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lƣợng lớn các cảm biến
đƣợc thả từ trên không, mạng lƣới các cảm biến sẽ cho biết vị trí ngƣời sống sót,
vùng nguy hiểm, giúp cho ngƣời giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu
quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm.
Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con ngƣời trong môi
trƣờng nguy hiểm. Ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện xâm nhập và truy bắt tội
phạm.
- Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có đƣợc thông tin về sự di chuyển của
đối phƣơng, chất nổ và các thông tin khác

- Phát hiện và phân loại các chất hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng xạ
hạt nhân, chất nổ...
- Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển..
- Giám sát xe cộ trên đƣờng
- Giám sát an ninh trong các khu vực dân cƣ, thƣơng mại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17

- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh.

Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp

Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự
Hình 1.8 đƣa ra các ví dụ về ứng dụng cảm biến trong quân sự .Các cảm biến
trang bị trên các phƣơng tiện kỹ thuật phục vụ cho việc giám sát các hoạt động
chiến trƣờng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN