Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

DƯ MINH SÁNG

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIỄN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ:

KHOA HỌC MÁY TÍNH
60.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Vũ Văn Thỏa
Phản biện 1: ………………………………………………………..………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

Phản biện 2: ………………………………………………………………………………..
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

1


I.

Lý do chọn đề tài

Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quan
trọng trong đời sống hàng ngày. Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong
quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay
điều khiển giao thông... Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công
nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra những
thiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả
năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãi các quốc gia có nền

khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu... Mạng cảm biến không dây là một công
nghệ mới, đã được các nước có nền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và
đã thu được nhiều thành tựu. Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên
cứu và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm và khả
năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây sẽ được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống.
Với mục đích đưa những tiến bộ công nghệ vào phục vụ cho cuộc sống, học viên chọn đề
tài nghiên cứu “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu
từ xa”.

II.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

II.1. Mục đích nghiên cứu
Môi trường nước bao gồm các môi trường nước trên bề mặt và môi trường nước
ngầm, có thể được phân biệt như sông, hồ, hồ chứa nước, đại dương, đầm lầy, sông băng,
suối, và nước ngầm nông hay sâu. Môi trường nước cũng như khác các yếu tố môi trường
như đất, sinh vật và không khí... tạo thành một phức hợp hữu cơ. Một lầnthay đổi hoặc
thiệt hại cho môi trường nước được quan sát thấy trong phức tạp này, thay đổi khác các
yếu tố môi trường không tránh khỏi xảy ra. Do tốc độ phát triển kinh tế, chúng ta cũng có
thể nhìn thấy kết quả ô nhiễm và thiệt hại cho môi trường nước. Do vậy, quan trắc môi
2


trường nước là một trong những phương pháp chính cho quản lý tài nguyên nước vàkiểm
soát ô nhiễm nước đang trở nên bức thiết.
Hiện nay có chủ yếu là bốn phương pháp giám sát môi trường nước, mỗi phương pháp có
những ưu điểm và nhược điểm riêng:
• Lấy mẫu nhân công với các thiết bị phát hiện chất lượng nước di động và phân tích

ở phòng thí nghiệm. Phương pháp này chỉ áp dụng cho lấy mẫu trên mặt cắt ngang
của sông và hồ nước với một tần số lấy mẫu khác nhau, từ vài lần một ngày để
hàng tháng.
• Tự động và liên tục giám sát các thông số môi trường nước bằng một hệ thống
giám sát tự động bao gồm màn hình và các trung tâm kiểm soát, cũng như một số
giám sát các trạm phụ. Dữ liệu có thể được điều khiển từ xa và tự động chuyển
giao. Mỗi trạm cung cấp các thông số môi trường nước thời gian thực của nó.
Những hệ thống này có thể tốn kém và có ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái
xung quanh.
• Môi trường nước giám sát với công nghệ viễn thám, cụ thể là phát hiện các chi tiết
cụ quang phổ của một sóng điện từ (bức xạ, phản xạ và tán xạ) trong một phương
pháp không liên hệ đối với các cơ quan nước với. Sau khi xử lý các thông tin từ các
bộ sưu tập của quang phổ minh họa, vật lý và hóa học đặc trưng của nó là để được
xác định. Tuy nhiên phương pháp này chỉ có thể cung cấp một độ chính xác thấp,
và nó cũng là khó khăn để thực hiện giám sát thời gian thực.
• Công nghệ giám sát chất lượng nước nhận sử dụng một số nhạy cảm của sinh vật
dưới nước với sự hiện diện của các chất độc trong cơ thể nước bằng cách đo hoặc
phân tích các thay đổi hoạt động của các sinh vật khác nhau trong các môi trường
nước khác nhau, sau đó đến một báo cáo đánh giá chất lượng của chất lượng nước.
Tuy nhiên, phương pháp này có thể không có nghĩa là sẽ đạt được độ chính xác cao
để theo dõi môi trường nước.
Như vậy trong một quốc gia như Việt Nam, với đặc thù sông ngòi và hồ dày đặc, số
lượng lớn, nguồn nước rất đa dạng, những điểm rất rải rác trên một mạng lưới quan trắc
nước, nó sẽ là không đủ để dựa vào những con số hiện tại các trạm quan trắc và công nghệ
3


giám sát truyền thống đáp ứng nhu cầu giám sát hiện tại, trong đó nhấn mạnh một thực tế
là quan trắc môi trường nước phải được liên tục, năng động, quy mô vĩ mô, và nhanh
chóng; dự báo chất lượng nước phải được nhanh chóng và chính xác. Trong ý nghĩa này,

nghiên cứu và phát triển về công nghệ giám sát môi trường nước năng động, đáp ứng nhu
cầu nêu trên, phải được tiến hành khẩn trương, để đạt được độ chính xác và toàn diện
trong các báo cáo về tình hình thay đổi của môi trường nước và cuối cùng là giảm ô nhiễm
môi trường nước.

II.2. Đối tượng
Luận văn chủ yếu tập trung vào giám sát các thông số cơ bản của môi trường nước tại các
sông hồ như: nhiệt độ, độ PH.

II.3. Phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung vào nghiên cứu mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến sử
dụng trong mạng và ưu nhược điểm của từng giao thức. Trên cơ sở đó, luận văn sẽ ứng
dụng CảM BIếN KHÔNG DÂY để thu thập dữ liệu từ xa. bằng các thiết bị khác nhau.

III. Tóm nội dung chính
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Trong chương này, luận văn đã đưa ra được thông tin chung về công nghệ mạng cảm
biến không dây và các ứng dụng.
- Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây:
• Khái niệm mạng cảm biến không dây
• Nền tảng công nghệ của mạng cảm biến không dây
• Các thành phần chính trong mạng cảm biến không dây
• Công nghệ cảm biến
- Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây
• Các lớp chức năng
4


• Các thành phần quản lý
- Các yếu tố ảnh hưởng tới mạng cảm biến không dây

- Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
• Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng
• Ứng dụng trong giám sát môi trường
• Ứng dụng trong y tế
• Ứng dụng trong gia đình
• Ứng dụng trong ngành công nghiệp
Chương 2: Tổng quan các giao thức định tuyến trong mạng mạng cảm biến không
dây
Trong chương 2, luận văn gồm 2 phần là khảo sát các giao thức định tuyến mạng cảm
biến không dây và đánh giá ưu nhược điểm của một số giao thức cụ thể trong mạng
Wireless Sensor Network. Mỗi giao thức được trình bày các nội dung:
- Giới thiệu chung
- Những khó khăn và các vấn đề trong thiết kế giao thức định tuyến
- Phân loại các giao thức định tuyến
- Giới thiệu một vài giao thức cụ thể
- Phân tích đặc điểm của các giao thức
- Khảo sát ưu điểm, nhược điểm của các giao thức.
Kết quả thu được bảng sau:

5


Giao

thức Giao

chọn đường

SPIN

Giao

Phân

Di

Dựa

thức

thức

thức

loại

chuyển

vào hỏi số liệu

vào vị

tạp

trung

phân

dựa

đáp

trí

trạng

định

thái

cỡ

tâm dữ bậc

trên vị

liệu

trí

x

Ngang

Có thể

Kết hợp Dựa

Độ phức Khả

Giao

Có

Có

Không

QoS

Không Thấp

hàng

Directed

x

Ngang

x

Rumor

GBR

x

Hạn

Dựa

đường

vào yêu
cầu

Có

Có

Có

Có

chế

Hạn chế Có

Có

Có

Không Thấp

hàng

Diffusion

của năng

Đa

Hạn
chế

Ngang

Rất hạn Không

hàng

chế

Ngang

Hạn chế Không

hàng

6

Có

Không

Không Thấp

Tốt

Không

Có

Có

Không

Không Thấp

Tốt

Không

Có


CADR

Ngang

x

Không

Không

Có

Không

Không Thấp

hàng

COUGAR

Ngang

x

Ngang

x

Không

Không

Có

Không

Không Thấp

TEEN

x

& x

x

APTEEN

PEGASIS

MECN

x

&

x

Không

Hạn

Không

Có

Không

Có

Không

Không

Không

Không

Không

Không

Không

Không

chế

Hạn chế Không

Có

Không

Không Thấp

hàng

LEACH

Không

chế

hàng

ACQUIRE

Hạn

Hạn
chế

Phân

Nút gốc Không

cấp

cố định

Phân

Nút gốc Không

cấp

cố định

Phân

Nút gốc Không

cấp

cố định

Phân

Không

Có

Có

Không Nút chủ Tốt
nhóm

Có

Có

Không Nút chủ Tốt
nhóm

Không

Có

Không Nút chủ Tốt
nhóm

Không

7

Không

Không

Không Thấp

Thấp


SMECN

GAF

cấp

x

x

Dựa

Không

Không

Không

Không

Không Thấp

Tốt

Không

Không

Không

Không

Không

Không

Không Thấp

Hạn

Không

Không

Không

Có

Không

Có

theo vị
trí

GEAR

x

Dựa
theo vị

chế

trí

SAR

x

Dựa

Không

Có

Có

Không

Có

theo vị

Trung

Hạn

bình

chế

Trung

Hạn

bình

chế

trí

SPEED

x

Dựa

Không

Không

theo
QoS

8

Không

Không

Có


Chương 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu từ xa
Trong chương này, luận văn tập trung vào phân tích hệ thống, thiết kế các module
của hệ thống và thiết kế hoàn chỉnh module truyền dữ liệu sử dụng chip LORA SX1278.
Nội dung chính đã hoàn thành của chương:
•

Đặt bài toán

•

Thiết kế hệ thống

•

•

o

Thiết kế phần cứng và phần mềm cho các Nodes Giám sát dữ liệu

o

Thiết kế phần cứng cho các Node Giám sát dữ liệu

o

Thiết kế của mô đun thu thập số liệu

o

Thiết kế module xử lý

o

Thiết kế mô đun nguồn

o

Module LORA

Độ nhạy thu
o

SNR và các yếu tố phổ rộng

o

BW và chip Rate

o

Nâng cao thông số thiết kế Lora

o

Sửa lỗi truyền

Thực hiện phần cứng
o

chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu

o

Định dạng gói tin LORA và thời gian truyền

o

Tính toán Lora

o

Năng lượng tiêu thụ

o

Thiết kế mạch thu phát LORA

9


• Đánh giá
Luận văn đã xử lý được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong quá trình truyền tin giữa 2
sensor thông qua việc sử dụng chip LORA SX1278.

IV. Phương pháp nghiên cứu
• Sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích đánh giá lý thuyết về công nghệ về mạng
cảm biến không dây;
• Thiết kế và thử nghiệm thiết bị thu thập dữ liệu từ xa qua mạng cảm biến không
dây.

V.

Kết luận

Kết quả đạt được của luận văn
Mạng cảm biến không dây ra đời là sự kết hợp thành công của một loạt những thành tựu
khoa học về công nghệ mạng máy tính. Hiện nay mạng cảm biến không dây được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Tuy nhiên, năng lượng vẫn là vấn đề then chốt
trong việc triển khai, xây dựng và áp dụng các mạng cảm biến vào mỗi ứng dụng cụ thể.
Vấn đề này đã và đang nhận được sự quan tâm không chỉ của các nhà khoa học mà còn
thu hút nhiều nhà kinh tế, nhiều ngành công nghiệp trên thế giới.
Luận văn “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa”
đã được hoàn thành với các kết quả sau:
10

- chính đó là trình bày kiến thức tổng quan về mạng cảm biến không dây với trọng tâm là
các giao thức định tuyến hướng tới giảm mức độ tiêu thụ năng lượng.
- Ngoài ra, tác giả của luận văn cũng đã tiến hành mô phỏng và đánh giá khả năng truyền
tin và mức độ tiêu thu năng lượng của công nghệ LORA dựa trên chip LORA SX1278.
- Các kết quả mô phỏng cho thấy, hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình truyền tin
trên công nghệ LORA mà ở đây là chip LORA SX1278 đã thấp hơn và tiết kiệm hơn so
với các cách truyền tin truyền thống.
Hướng phát triển tiếp theo
Cho đến nay nhiều cải tiến tập trung vào vấn đề giảm thiểu năng lượng trong quá trình
hoạt động của các nút cảm biến trong mạng cảmbiếnkhông dây.Những cải tiến hiện đang
tập trung giải quyết bằng các thuật toán khác nhau thông qua việc phân nhóm lại tại những
khoảng thời gian khác nhau để tối ưu về mức độ sử dụng năng lượng.
Công nghệ LORA đang ngày càng trở lên phát triển và hoàn thiện, phù hợp cho mạng
CảM BIếN KHÔNG DÂY mà đặc biệt là ứng dụng trong IoT. Hiện nay, công nghệ này
đang áp dụng rất nhiều trong công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, lâm nghiệp... Hướng
phát triển tiếp theo của đề tài luận văn là:
- Triển khai trong thực tế
- Sử dụng công nghệ LORA trong ngư nghiệp phục vụ cho việc đánh bắt, giám sát, cứu hộ
và an ninh trên biển.

11