Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp “Mô phỏng và đánh giá hiệu
năng mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm
cháy rừng” của em đã hoàn thành. Đồ án phát triển một phần nhờ sự nỗ lực tìm
hiểu của bản thân, một phần nhờ sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy giáo
Ths.Đinh Xuân Lâm. Thầy đã chỉ bảo cho em từng bước để thực hiện đồ án này và
thầy cũng đã giúp em vạch ra hướng phát triển đúng đắn để em có thể thực hiện đồ
án một cách tốt đẹp. Bên cạnh đó em đã có được sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy
cô giáo trong bộ môn, đó là nguồn động viên to lớn để em có thể thực hiện tốt đồ án
của mình. Em cũng xin cám ơn gia đình, bạn bè là những người đã giúp đỡ em rất
nhiều trong những lúc em gặp khó khăn và thử thách.
Qua đây, một lần nữa em muốn nói lên lòng biết ơn to lớn đến tất cả mọi
người, những người đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên,

tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện
Lê Thị Hòa

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan:
Những nội dung trong đồ án này là do em thực hiện dưới sự hướng dẫn trực
tiếp của thầy giáo hướng dẫn: ThS. Đinh Xuân Lâm.
Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên
công trình, thời gian, địa điểm công bố.
Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, em xin

chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Sinh viên thực hiện
Lê Thị Hòa

2


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các ứng dụng cảm biến các mối nguy hại................................................
Bảng

2.2:

Các

thông

số

kĩ

thuật

của

Sensor

node.....................................................54
Bảng 2.3: Định nghĩa các trường gói tin..................................................................
Bảng 2.4,5: Các mức độ nguy hiểm của cháy rừng..................................................

3


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ad hoc On - Demand
Distance - Vector Routing
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Distributed
Aggregate
DAM
Management
Destination-Sequenced
DSDV
Distance-Vector
DSR
Dynamic Source Routing
Global Navigation Satellite
GLONASS
System
GPS
Global Positioning System
Heating, Ventilation, and Air
HVAC
Conditioning
MAC

Medium Access Control
NS-2
Network Simulator – 2
PDA
Personal Digital Assistant
RF
Radio Frequency
AODV

RFM
RKE
SMP
SQDDP
SWAN
TADAP
TDMA
TORA

Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc
Đa truy nhập cảm biến sóng mang
Giao thức quản lý khối kết hợp phân
tán
Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
Giao thức định tuyến nguồn động
Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu

Hệ thống định vị toàn cầu
Hơi ấm, thông gió và các điều kiện
không khí
Điều khiển truy nhập môi trường

Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
Trợ tá số cá nhân
Tần số vô tuyến
Thành phần nguyên khối tần số vô
RF Monolithic
tuyến
Remote Keyless Entry
Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa
Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến
Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và phổ
Dissemination Protocol
biến số liệu
Simulator for Wireless Ad- Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc
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 đường tuần tự theo thời
Algorithm
gian

4

UART
VHDL
WINS
WLAN

Universal
Asynchronous
Receiver Transmitter
VHSIC Hardware Description
Language
Wireless Integrated Network
Sensors
Wireless Local Area Network

Bộ thu phát không đồng bộ chung
Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích
hợp mật độ cao
Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến
Mạng nội hạt vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng cũng như công nghệ của các
thiết bị di động kéo theo nhu cầu của người sử dụng công nghệ không dây ngày
càng cao và đa dạng. Chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con
người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người,
những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường
sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu
thay đổi,... Tài nguyên rừng với mỗi một quốc gia đều đóng một vai trò quan trọng,
từ việc cung cấp tài nguyên thiên nhiên tới các nhiệm vụ điều hòa hệ sinh thái hay
khí hậu. Cháy rừng là vấn nạn lớn của thế giới đương đại trong những năm gần đây.

Tất cả những nước, từ giàu đến nghèo đều từng điêu đứng về nạn cháy rừng. Tình
hình càng lúc càng tệ hại hơn. Rừng Việt Nam cũng không là ngoại lệ, từ Lào Cai
đến Mũi Cà Mau, nguy cơ cháy rừng luôn ở mức báo động đỏ vào những tháng
hanh nóng như hiện nay. Tuy đã có những biện pháp phòng cháy chữa cháy nhưng
mới ở mức thô sơ, yêu cầu đặt ra phải xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sớm
và kịp thời để giảm thiểu tối đa thiệt hại.
Đã có rất nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học xây dựng các hệ thống cảnh
báo cháy rừng từ chụp ảnh vệ tinh, dự báo dựa vào dấu hiệu, sự biến đổi của động
thực vật... Tuy nhiên các hệ thống hiện nay cũng chưa đem lại hiệu quả cao, nhu cầu
đưa ra một giải pháp tốt hơn là vô cùng cấp thiết. Với ưu thế riêng mạng cảm biến
không dây WSNs ngày càng trở thành một vấn đề quan trọng như trong các ứng
dụng giám sát môi trường, các hệ thống nhà máy hoặc nhà tự động, các dịch vụ hậu
cần và nhiều hơn nữa. Hệ thống WSNs với các đặc điểm như kích thước nhỏ, công

5


suất thấp, chi phí cho các thiết bị thấp được tích hợp với việc tính toán hạn chế, cảm
biến và khả năng truyền tin qua giao diện vô tuyến. WSNs giả định có khả năng giải
quyết được nhiều tình huống khẩn cấp với khả năng cảnh báo sớm.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng
rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn
hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát
triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có
không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong
công nghệ này.
Vì những lý do trên và được sự định hướng và chỉ dẫn của Th.s Đinh Xuân
Lâm, em đã chọn đồ án tốt nghiệp: “ Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm
biến không dây ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng”. 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 đề tài còn thực hiện một mô phỏng mô hình cảm báo cháy rừng sử dụng
công nghệ mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình
hoá, mô phỏng mạng và các kịch bản đánh giá hiệu năng qua các tham số mạng. Nội
dung của đề tài được thể hiện qua 3 chương:
Chương 1: Tìm hiểu các vấn đề tổng quan nhất về mạng cảm biến không
dây. Giới thiệu và đưa ra định nghĩa khái quát về mạng WSN, các kiến trúc và ứng
dụng, ngữ cảnh sử dụng.
Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng WSN,
phương pháp luận nghiên cứu và hướng xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng.
Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS2, phương pháp mô phỏng
mạng cảm biến trên NS2, thực hiện mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy rừng trên
NS2 và các kịch bản mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng dựa trên một số tham số
mạng.

6


Trong quá trình làm đề tài, em đã hết sức cố gắng nhưng có thể còn thiếu sót,
em rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý và thông cảm của các thầy cô giáo, để em
có cơ hội được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa và phát triển về đề tài này.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Tổng quan về đề tài
1.1.1

Mục đích và lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của con người, sự phát triển của khoa học công nghệ
trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội ngày càng mạnh mẽ. Nhu cầu của con người

của xã hội về các vấn đề mô trường, giáo dục, y tế, sản xuất cũng ngày càng ra tăng.
Từ đó cần tới việc áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông
tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Đặc biệt là trong vấn đề
bảo vệ môi trường và việc bảo vệ tài nguyên rừng thông qua việc phòng cháy chữa
cháy là vô cùng cấp thiết.
Mục đích của đề tài này là đưa ra những nghiên cứu tổng quan nhất về mạng
cảm biến không dây. Tìm hiểu tình hình ứng dụng của mạng cảm biến không dây
có thể áp dụng vào thực tiễn trên thế giới và trong nước ta. Đưa ra được những ưu
điểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây. Tìm hiểu và nghiên cứu phương
pháp, cơ sở lý luận triển khai hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến
không dây. Qua đó xây dựng chương trình mô phỏng hệ thống cảnh báo cháy rừng
sử dụng công nghệ mạng WSN trên NS2, đánh giá hiệu năng mạng WSN dựa trên
các tham số mạng.
Lý do chọn công cụ mô phỏng NS2 là do tính cụ thể, chi tiết khi xuất ra
tracefile để phân tích. Lựa chọn phần mềm mô phỏng NS-2 cho mô phỏng mạng
cảm biến là việc định nghĩa một "Phenomenon" (hiện tượng). Ví dụ như hiện tượng
hoá học, tín hiệu âm thanh,... các đối tượng này có thể di chuyển và kích hoạt các

7


cảm biến ở gần qua một kênh như không khí hay rung động mặt đất. Khi một cảm
biến phát hiện tín hiệu từ một hiện tượng trong kênh này, cảm biến sẽ phản ứng tuỳ
theo ứng dụng được định nghĩa bởi người sử dụng NS-2. Các ứng dụng này sẽ quy
định việc cảm biến làm gì khi phát hiện ra hiện tượng, mục tiêu. Ví dụ, cảm biến có
thể định kỳ gửi thông báo đến một số điểm thu thập số liệu nếu nó còn tiếp tục phát
hiện thấy hiện tượng, hoặc có thể làm một số việc phức tạp hơn như cộng tác với
các cảm biến lân cận để có được thông tin cụ thể chi tiết hơn về hiện tượng trước
khi cảnh báo người giám sát về một hiện tượng giả định. Mỗi mạng cảm biến có
một ứng dụng duy nhất như giám sát động đất, môi trường,…

1.1.2

Ý nghĩa của đề tài
Việc nghiên cứu và xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công
nghệ mạng không dây mang lại ý nghĩa quan trọng cho hoạt động giám sát và bảo
vệ môi trường sống, giảm thiểu các nguy hại do cháy rừng xảy ra đối với người và
tài nguyên thiên thiên. Với công nghệ thì mở ra một bước tiến mới cho việc giảm
thiểu các cản phá của thiên tai, góp đưa công nghệ tiến bước vào quá trình chinh
phục thiên nhiên. Chi tiết các bước thực hiện và triển khai cho các kĩ sư thiết kế hệ
thống có một cái nhìn mới về các vấn đề kĩ thuật sẽ gặp trong quá trình triển khai,
giúp tận dụng tối đa các ưu thế, thuận lợi tiện ích cũng như hạn chế các điểm yếu
của hệ thống mạng. Đưa công nghệ ngày càng gần hơn với cuộc sống sinh hoạt của
con người hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những
mục đích phát triển đầy tiềm năng.

1.1.3

Phương pháp nghiên cứu
Vấn đề cần quan tâm tới đó là phương pháp nghiên cứu khoa học của đề tài
giúp việc tiếp cận và giải quyết vấn đề đặt ra.
Bước 1: Thông qua các phương pháp tìm hiểu, thu thập tài liệu, số liệu, khảo
sát và đánh giá hệ thống cũ. Qua các tài liệu thu thập được để tìm hiểu các lý thuyết
về mạng cảm biến, các kỹ thuật sử dụng và công nghệ cần thiết. Khảo sát và phân
tích thực trạng các hệ thống cảnh báo cháy rừng hiện nay đang được sử dụng ở nước

8


ta xác định ưu nhược điểm, hạn chế và thế mạnh cần phát huy từ đó đưa ra được ý
tưởng xây dựng mô hình phù hợp.

Bước 2: Từ các kiến thức ở bước 1 đi vào quá trình phân tích thiết kế mô
hình hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây.
Xác định yêu cầu của bài toán đặt ra xác định: nhiệm vụ, chức năng, phạm vi, môi
trường của hệ thống. Từ đó thiết kế mô hình với kích thước, thành phần, kiến trúc,
cách thức xây dựng, tổ chức... sao cho phù hợp.
Bước 3: Thông qua các thực nghiệm, thí nghiệm, kịch bản mô phỏng hệ
thống đưa ra được kết quả.
1.2 Khái quát chung về mạng cảm biến không dây WSN

Ngày nay, những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến (các
mạng sử dụng sensor có ưu thế về giá thành, tiêu thụ ít năng lượng và có thể thực
hiện đa chức năng) là kết quả sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật.
Những sensor này có kích cỡ nhỏ và thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với
nhau chủ yếu thông qua kênh vô tuyến. Từ đó, để phát hiện ra những sự kiện hoặc
hiện tượng, thu thập, truyền dữ liệu, và truyền những thông tin cảm nhận được đến
người dùng, người ta thiết kế ra mạng cảm biến.

Hình 1.1: Ví dụ về mạng cảm biến
Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:
 Có khả năng tự tổ chức.
 Truyền thông quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop

9


 Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
 Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và sự cố ở các nút.
 Các giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ công suất phát, và công suất tính toán.

Như vậy, mạng cảm biến không dây là mạng bao gồm một tập hợp các thiết

bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học)
để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng
này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông
qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh.
Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng
như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo
sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng
triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm
không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được.
1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
1.3.1 Cấu trúc một nút mạng WSN
Để xây dựng mạng cảm biến, trước tiên phải xây dựng và triển khai các nút
cấu thành mạng, nút cảm biến. Các nút này phải đáp biến một số yêu cầu nhất định
tùy theo biến dụng: kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng,
với các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi
trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu
phát sóng để truyền thông tới các nút lân cận.
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2,
bộ cảm nhận (a sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver
unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể thêm những thành phần khác tùy
từng biến dụng như hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn
(power generator) và bộ phận di động (mobilizer).

10


Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm biến
Các bộ phận cảm biến (sensing units) gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương
tự-số (ADC).Từ những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nút
cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu
được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ
nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Bộ nguồn đóng vai trò tối quan trọng
giúp các nút có thời gian sống lâu. Cụ thể, nó phải có khả năng nạp điện từ môi
trường như năng lượng ánh sáng mặt trời.
Bên cạnh đó, có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có
độ chính xác cao về vị trí. Cho nên, cần phải có các bộ định vị. Ngoài ra, các bộ
phận di động cũng cần có để dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết, thực hiện
các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này phải phù hợp với kích cỡ từng module. Cùng
với kích cỡ, còn có một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như phải tiêu thụ rất ít năng

11


lượng, hoạt động ở mật độ cao, giá thành thấp, khả năng tự hoạt động, và thích nghi
với môi trường.
1.3.2

Cấu trúc toàn mạng WSN
a) Cấu trúc chung của mạng cảm biến không dây
Mục đích của việc thiết kế cấu trúc mạng cảm biến không dây là sử dụng có
hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, khắc phục được những nhược điểm
trên, kéo dài thời gian sống của mạng. Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc
mạng cần lưu ý một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:

 Giao tiếp không dây multihop: Nếu giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, sẽ có

nhiều hạn chế trong giao tiếp trực tiếp giữa hai nút do khoảng cách hay các vật cản.
Đặc biệt, khi nút phát và nút thu cách xa nhau, cần công suất phát lớn.Vì vậy cần
các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Tóm lại, giao
tiếp multihop cần thiết cho các mạng cảm biến không dây.
 Hoạt động năng lượng hiệu quả: Hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng.
 Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một

cách tự động. Ví dụ, các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút
khác (gọi là tự định vị).
 Cộng tác, xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu: Đối với một vài biến dụng, một

nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt
động mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất
tốn băng thông và năng lượng. Kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi
mới gửi tới trạm gốc (Sink) sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Chẳng hạn, khi
xác định nhiệt độ trung bình, cao nhất của một vùng.
Khi đó, cấu trúc mạng mới sẽ:
 Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
 Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.

12


Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field (trường cảm biến) như
hình 1.3. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các
sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút

quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
b) Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây

1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất về mặt hình dạng và chức năng. Chúng giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một tần số để truyền dữ liệu, do
đó chia sẻ thời gian là có thể. Mặc dầu vậy, hiệu quả chỉ đạt được khi có nguồn chia
sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số…

Hình 1.4: Cấu trúc phẳng

13


2. Cấu trúc tầng (tiered architecture)

Đối với cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra
giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy
thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ cụm
(cluster head). Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc, mỗi nút
ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.5: Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp

nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa tính toán, còn cấp cao nhất cùng
phân phối dữ liệu (hình 1.6)

Hình 1.6: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia không đồng đều
giữa các lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính toán. Khi
14


đó, các sensor ở cấp thấp nhất có vai trò là một bộ lọc thông dải đơn giản, tách
nhiễu khỏi dữ liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này.
Sự phân tích chức năng của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tự
nhiên của các nút, còn gọi là sự phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút
với khả năng truyền thông ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân
lớp xếp chồng vật lý (hình 1.7).

Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng
Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách
logic bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác. Những chức
năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương
sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên mạng
phân cấp logic (hình 1.8). và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự công
bằng. Khi các nút có khả năng tính toán cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính toán
sẽ được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn. Nếu không có
“computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiện
các nhiệm vụ như tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút
có tài nguyên vật lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai
trò chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ. Do vậy, rất
nhiều các mạng cảm biến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tất

yếu.

15


Hình 1.8: Cấu trúc mạng phân cấp logic
Qua những phân tích trên ta thấy mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng
hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng do:
Tuổi thọ cao hơn mạng phẳng: Trong trường hợp phải tính toán nhiều, một
bộ xử lý nhanh, các chức năng mạng phân chia giữa các phần cảm biến đã được
thiết kế riêng sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán.
Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít
năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.
Độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu
cầu, thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng,
qua phân tích, thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút, W là độ rộng
băng tần của kênh chia sẻ. Do vậy, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của
mỗi nút sẽ giảm về 0. Mạng cấu trúc tầng mang lại nhiều triển vọng khắc phục vấn
đề này. Ta có thể dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở
cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi trạm gốc có vai trò là
cầu nối với cấp cao hơn, đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận
hữu tuyến. Khi đó, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với
điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng. Một cách khác là thử

16


dùng những kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong
trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng độc lập với dung lượng
của mỗi cụm trong từng lớp xác định.

Tính kinh tế của cấu trúc tầng: Định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động
hiệu quả nhất. Quả thực, nếu triển khai các phần cảm biến thống nhất, chỉ cần một
lượng tài nguyên tối thiểu để mỗi nút thực hiện tất cả nhiệm vụ. Do số lượng các nút
cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, nên chi phí toàn mạng sẽ không
cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút với chi phí thấp thực hiện nhiệm vụ
cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút với chi phí cao hơn được chỉ định phân
tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí toàn mạng sẽ giảm.
Tóm lại, dùng cấu trúc tầng đem lại sự tương thích giữa các chức năng trong
mạng. Đặc biệt, các tiện ích cũng như mô hình về tìm kiếm địa chỉ đang được tập
trung nghiên cứu. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một
phần phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và
phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ
thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm.
1.4 Kiến trúc giao thức mạng

Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến được trình
bày trong hình 1.9:

17


Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức này là sự kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp
số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến
và sự tương 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 biến dụng, phần quản lý công suất,
phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Lớp ứng dụng: Tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm
ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng
dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng sensor (SMP), giao

thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP), giao thức
phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).
Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu khi biến dụng
mạng cảm biến yêu cầu. Nó đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên
ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink
với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) có thể là giao thức UDP hay TCP thông qua
internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến yêu cầu các giao
thức kiểu UDP do các nút cảm biến hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này
phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu.
Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp
truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như
mật độ các nút dày đặc, năng lượng hạn chế … Do vậy thiết kế lớp mạng trong
mạng cảm biến phải tuân thủ các nguyên tắc sau:
 Tính hiệu quả về năng lượng phải được đặt lên hàng đầu.
 Các mạng cảm biến gần như 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 được thiết kế cho mạng cảm biến không
dây. Nhìn chung, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định tuyến

18


ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Về mặt hoạt động,
chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến
theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất
lượng dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).
Lớp kết nối dữ liệu: Chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ
liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm,

điểm - đa điểm tin cậy. Môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động
nên giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) 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: Chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều
chế, lập mã và tách sóng. Bên cạnh đó, các phần quản lý công suất, quản lý di
chuyển và quản lý nhiệm vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và
thực hiện nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến
phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ công suất tổng thể thấp hơn.
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 được một bản tin từ
một nút lân cận tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Tương tự, 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 đường. Công
suất còn lại sẽ được 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 người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các
nút cảm biến lân cận. Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của
nó và nhiệm vụ thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: Cân bằng và 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

19


phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm nên 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 cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng
nhau sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động
và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.5 Các ứng dụng mạng WSN

1.5.1 Các ứng dụng về môi trường
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của
chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ,
độ ẩm; theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa
phun trào, cháy rừng, lũ lụt… Một số ứng dụng quan trọng như:
 Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng: Bằng việc phân tán các nút cảm

biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát. Mỗi nút cảm biến
có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói …
Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát,
phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.

Hình 1.10: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng
 Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước,

cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt
sớm.

20


Hình 1.11: Mạng WSN cảnh báo lũ lụt
 Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến về độ rung đặt rải

rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các
núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào.

Hình 1.12: Cảnh báo và đo thông số động đất

1.5.2 Các ứng dụng trong y học
Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm biến có
thể được gắn vào cơ thể như dưới da, đo các thông số của máu để phát hiện sớm các
bệnh như ung thư. Hiện nay đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào
trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ
để hoạt động trong 24h (hình 1.13). Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên
trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có
thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị.

21


Hình 1.13: Ứng dụng trong y tế
1.5.3 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để
đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin
này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.

Hình 1.14: Ứng dụng nhà thông minh
1.5.4 Trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ
hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời
kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng
bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm của
chúng. Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm
chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, sensor

22

sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc
bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.

Hình 1.15: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa
Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các
container ở cảng. Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm biến và có
thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa
hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container khác.
Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất
quán. Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và
container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không
cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database).

Hình 1.16: Ứng dụng quản lí dây truyền sản xuất, theo dõi sản phẩm
1.5.5 Trong nông nghiệp
3. Ứng dụng trong trồng trọt: Các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh

sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung
tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.

23


Hình 1.17: Ứng dụng trong trồng trọt
 Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các

cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát .

Hình 1.18: Ứng dụng trong chăn nuôi
1.5.6 Trong quân sự

Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT
(military command, control, communications, computing, intelligence, servaillence,
reconnaissance and targeting systems ) vì nó có các đặc tính triển khai nhanh, tự
cấu hình, và chịu lỗi. Các ứng dụng của mạng cảm biến trong quân sự như là giám
sát quân đội, giám sát trang thiết bị, vũ khí, khảo sát chiến trường, quân địch, dò tấn
công bằng vũ khí hạt nhân, sinh học, hóa học của quân địch.

24


Hình 1.19: Ứng dụng trong quân sự
1.5.7 Trong giao thông
Các cảm biến được đặt trong các ô tô để người dùng có thể điều khiển, hoặc
được gắn ở vỏ của ô tô, các phương tiện giao thông để chúng tương tác với nhau và
với đường và các biển báo giúp các phương tiện đi an toàn, tránh tai nạn giao thông,
điều khiển luồng tốt hơn.

Hình 1.20: Ứng dụng trong giao thông
Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây được phân loại thành:
Giám sát các môi trường tĩnh: môi trường, các hệ sinh thái, cảnh báo cháy…
Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: động vật hoang dã, phương tiện
giao thông…
1.6

Những hạn chế trong việc phát triển mạng WSN
Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp
phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng như tiện ích từ

25