Một Số Công Nghệ Truyền Thông Trong Mạng Cảm Biến Không Dây, Ứng Dụng Vào Xây Dựng Mô Hình Ngôi Nhà Thông Minh

Header Page 1 of 126.

ĐẶNG DUY AN

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO
XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 1 of 126.

/>

Header Page 2 of 126.

ĐẶNG DUY AN

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO
XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH

: 60 48 01

PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH

2013

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 2 of 126.

/>

Header Page 3 of 126.

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. i
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................2
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây...............................................2
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................3
1.3. Cấu trúc của nút cảm biến ................................................................................5
1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ...............................................6
1.4.1. Các mặt phẳng quản lý ..............................................................................6
1.4.2. Lớp vật lý: .................................................................................................7
1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu ...................................................................................8
1.4.4. Lớp mạng ..................................................................................................8
1.4.5. Lớp truyền tải ............................................................................................8
1.4.6. Lớp ứng dụng ............................................................................................8
1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây.................................8
1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây ...........................8
1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây .....................11
1.6. Một số thách thức của mạng WSNs ...............................................................12
1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút ..........................................................................12
1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng ......................................................................13
1.6.3. Sự chuẩn hóa ...........................................................................................14
1.6.4. Khả năng cộng tác ...................................................................................14
1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ..........................................15
1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp. ..................................15
1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế .....................................................................16

1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng .........................................................16
1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông ..........................................................17
1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình ..............................................................18
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................................................19
2.1. Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) ..............19
2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................19
2.1.2. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN ...............................................................21

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 3 of 126.

/>

Header Page 4 of 126.

2.2. Công nghệ truyền thông lớp ứng dụng hoạt động trên mạng có năng lƣợng
hạn chế - CoAP (Constrained Application Protocol) ............................................24
2.2.1. Đặc điểm .................................................................................................25
2.2.2. Kiến trúc CoRE .......................................................................................25
2.2.3. Mô hình giao thức CoAP ........................................................................27
2.2.4. Phân lớp ngăn xếp giao thức CoAP ........................................................32
................................................................34
......................................................................34
Request/Response .......................................................................38
ủa CoAP .............................................40
.........................................................................................41
2.2.10. Chuyển đổi giữa CoAP và HTTP .........................................................43
2.3. Công nghệ truyền thông cho mạng có năng lƣợng và tổn hao thấp - RPL
(IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) .............................44

2.3.1. Giới thiệu.................................................................................................44
2.3.2. Một số khái niệm trong RPL ...................................................................44
2.3.3. Các loại bản tin sử dụng trong RPL - ICMP ...........................................47
2.3.4. Quá trình khởi tạo mạng .........................................................................50
2.3.5. Quá trình định tuyến upward ..................................................................50
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH ....................54
3.1. Mô tả bài toán.................................................................................................54
3.2. Thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh ..........................................55
3.2.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .......................................55
3.2.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh .......................................57
3.2.3. Các module chính của mô hình ngôi nhà thông minh ............................58
3.3. Các thuật toán quản lý mô hình ngôi nhà thông minh ...................................62
3.3.1. Thuật toán điều khiển thiết bị .................................................................62
3.3.2. Thuật toán gửi số liệu lên máy chủ .........................................................62
3.3.3. Thuật toán gửi số liệu của nút cảm biến tới nút sink ..............................63
3.3.4. Đánh giá hiệu năng của hệ thống ............................................................63
KẾT LUẬN ...............................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 4 of 126.

/>

Header Page 5 of 126.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. ............................................................2
Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ...........................................................5
Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ..........................................6

Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ..................................................7
Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây ..............................9
Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây..........................9
Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây .........................10
Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp ...........................16
Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trƣờng .............................17
Hình 1. 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông ............................18
Hình 1. 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình ................................18
Hình 2.1. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer ......21
Hình 2.2. Kiến trúc REST. ........................................................................................26
Hình 2.3. Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs. ...................................27
.................................................................28
. ...........................................................28
. ..........................................................................29
. ...............................30
. ................................................30
. .................................................................31
Hình 2.10. So sánh ngăn xếp giao thức HTTP(a) với CoAP(b). ..............................32
....................................................................................34
. ..........................................................39
................42
Hình 2.17. Mô hình RPL DAG .................................................................................45
Hình 2.18. RPL INSTANCE và DAG sequence number .........................................46
Hình 2.19. Cấu trúc bản tin điều khiển RPL .............................................................47
Hình 2.20. Cấu trúc bản tin DIS................................................................................48
Hình 2.21. Cấu trúc bản tin DIO ...............................................................................49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 5 of 126.

/>

Header Page 6 of 126.

Hình 2.22. Cấu trúc bản tin DAO .............................................................................49
Hình 3.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .........................................55
Hình 3.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh .............................................
Hình 3.3. Module kết nối Interenet của mô hình ngôi nhà thông minh ....................58
Hình 3.5. Màn hình login trên smartphone OS Android...........................................64
Hình 3.6. Màn hình quản lý thiết bị trên smartphone OS Android. ..........................65
Hình 3.7. Màn hình giám sát môi trƣờng trên smartphone OS Android. .................65
Hình 3.8. Màn hình giám sát môi trƣờng trên máy tính. ..........................................66
Hình 3.9. Lƣu đồ thuật toán xác định và điều khiển thiết bị .....................................62
Hình 3.10. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu lên máy chủ ..............................................62
Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................63
Hình 3.12. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................66

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 6 of 126.

/>

Header Page 7 of 126.

MỞ ĐẦU
Với khái niệm Internet của mọi thứ - IoT (Internet of Things) và Web của
mọi thứ - WoT (Web of Things) sẽ cho phép mọi thiết bị nhƣ máy tính, máy in,
thiết bị cầm tay, thiết bị điện, cảm biến, tủ lạnh, tàu hỏa, điện thoại vv... đều có
khả năng kết nối, truyền thông, thông báo tình trạng (hết hàng, hết thực phẩm
trong tủ lạnh, hạn sử dụng của thực phẩm,...) và điều khiển nhƣ các máy tính qua

mạng IP dựa trên nền Web, đã mở ra hƣớng phát triển tƣơng lai đầy triển vọng
cho mạng Internet trong việc tích hợp các mạng thông tin khác nhau trên cùng
một nền tảng IP thống nhất, trong đó có mạng cảm biến không dây đang là chủ
đề rất đƣợc quan tâm.
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) gồm nhiều
nút đƣợc trang bị cảm biến và liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến với mức
tiêu thụ năng lƣợng thấp. Mục đích của mạng cảm biến là thu thập thông tin từ
các nút trong mạng và chuyển tới trung tâm xử lý một cách hiệu quả nhất. Mạng
WSNs đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ quốc phòng, an ninh, giám sát
môi trƣờng, y tế, công nghiệp và dân dụng.
Trong những năm gần đây, chủ đề nghiên cứu liên kết các giữa nút cảm
biến cũng nhƣ giữa các mạng WSNs với nhau qua mạng IP nhằm kế thừa nền
tảng giữa các mạng WSNs đang ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và triển
khai trong thực tế. Do đó, nhiều công nghệ truyền thông kết nối mạng cảm biến
không dây với mạng IP đƣợc đề xuất, nghiên cứu và triển khai.
Chính vì vậy, đề tài “Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên
không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh” có mục tiêu
nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP có hỗ trợ cho mạng
cảm biến không dây. Bố cục của luận văn nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: trình bày về kiến trúc,
phƣơng thức truyền thông, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế
nhƣ y tế, nông lâm nghiệp, gia đình.
Chƣơng 2: Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không
dây: trình bày chi tiết về một số công nghệ truyền thông qua mạng IP của mạng
cảm biến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 7 of 126.

/>

Header Page 8 of 126.

Chƣơng 3: Xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh: phân tích và thiết
kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh sử dụng công nghệ CoAP.
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ điện tử
và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho
việc phát triển các hệ thống thông minh trong hầu hết các lĩnh vực của xã hội nhƣ
y tế, nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và dân dụng. Đồng thời, với xu thế IoT
(Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích
cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn
cầu, trong đó hệ thống cảm biến và mạng cảm biến là một trong những yếu tố
then chốt cho các hệ thống thông minh này.
Mạng cảm biến không dây – WSNs (Wireless Sensor Networks) gồm các
nút cảm biến có khả năng với nhau thông qua truyền thông vô tuyến. Trong đó,
các nút thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng,
công suất tiêu thụ thấp và có số lƣợng lớn và diện tích giám sát bất kỳ, sử dụng
nguồn năng lƣợng hạn chế. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc,
tính toán, thu thập, cũng nhƣ điều khiển nhằm có đƣợc những quyết định phù hợp
với môi trƣờng tự nhiên đang đƣợc giám sát. Mô hình của mạng cảm biến đƣợc
minh họa nhƣ sau:

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 8 of 126.

/>

Header Page 9 of 126.

Với minh họa nhƣ hình 1.1, các nút cảm biến đƣợc phân bố một cách phù
hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau, dữ
liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node). Các nút cảm biến thƣờng có
chức năng nhƣ thu thập số liệu môi trƣờng xung quanh nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này sử
dụng môi trƣờng vô tuyến để truyền số liệu, liên kết theo cấu trúc xác định, có
khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút khác để truyền tới nút chủ.
Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có khả năng xử lý, bộ
nhớ, và thu thập số liệu của các nút khác, cũng nhƣ đƣa ra những yêu cầu tới
từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình. Nút chủ của mạng cảm biến có thể đƣợc
chia sẻ qua hệ thống mạng IP nhƣ mạng Internet, hay mạng viễn thông theo mục
đích của ngƣời dùng. Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm biến không
những không bị hạn chế, mà còn có thể phát triển thành liên kết giữa các mạng
cảm biến với nhau.
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có
những đặc điểm tiểu tiểu nhƣ sau:
Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai trên một phạm vi rộng,
số lƣợng node cảm biến lớn và có thể đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên,
hoặc theo quy luật xác định. Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi
sơ đồ bố trí mạng. Do vậy, mạng cảm biến không dây có tính linh động
và các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình
nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs
Mạng WSN không sử dụng đƣợc các cơ chế và giao thức truyền thông
phổ biến dùng cho mạng máy tính nhƣ 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế
& giao thức truyền vô tuyến riêng.
Do giới hạn về nguồn năng lƣợng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong
một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lƣợng là tiêu chí thiết kế quan

trọng nhất trong mạng cảm biến không dây.
Có khả năng chịu lỗi: trong trƣờng hợp một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc
do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Bởi vạy, khả năng chịu lỗi của mạng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 9 of 126.

/>

Header Page 10 of 126.

WSNs thể hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thƣờng, duy trì
những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Ở
đây, ngƣời ta sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai
hỏng trong khoảng thời gian (0,t):
Rk (t) = e –λkt
Trong đó:
-

λk : tỉ lệ lỗi của nút k

-

T :khoảng thời gian khảo sát

-

Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến

Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lƣợng

các nút cảm biến đƣợc triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc
vào từng ứng dụng. Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự
biến động về số lƣợng nút mạng
Dễ triển khai là một ƣu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Ngƣời sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng nhƣ cơ chế truyền
thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN
cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị
ảnh hƣởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối
tƣợng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục
những điều này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 10 of 126.

/>

Header Page 11 of 126.

1.3. Cấu trúc của nút cảm biến

Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản nhƣ sau:



-

Đơn vị cảm biến (sensing unit)

-

Đơn vị xử lý (processing unit)

-

Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

-

Bộ nguồn (power unit)

Đơn vị cảm biến: bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự - số

(ADC). Dựa vào những hiện tƣợng quan sát đƣợc, đo lƣờng đƣợc, tín hiệu tƣơng
tự tạo ra bởi cảm biến đƣợc số hóa bằng bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ADC
(Analog Digital Converter), sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý.


Đơn vị xử lý: là bộ xử lý có khả năng lƣu trữ, xử lý dữ liệu cũng nhƣ việc

chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau.
 Đơn vị truyền dẫn: là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín
hiệu qua môi trƣờng không dây giữa các nút cảm biến, thông thƣờng chuẩn
truyền thông trong mạng cảm biến nhƣ Zigbee.
 Bộ nguồn: cung cấp năng lƣợng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến.
Tùy thuộc vào nút cảm biến khác nhau, mà nguồn có thể đƣợc bổ sung từ năng
lƣợng bên ngoài nhƣ song điện từ, năng lƣợng mặt trời.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 11 of 126.

/>

Header Page 12 of 126.

Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng
ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn
(power generator) và bộ phận di động (mobilizer).
1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các
mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có
hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút
cảm biến không dây. Dƣới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của
kiến trúc giao thức mạng cảm biến.

Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
1.4.1. Các mặt phẳng quản lý
 Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng
nguồn năng lƣợng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận
đƣợc một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang
các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lƣợng của nó thấp và nó
không thể tham gia vào quá trình định tuyến.
 Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự
chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ việc theo dõi xem nút
nào là nút hàng xóm của chúng.
 Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các
nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện
nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 12 of 126.

/>

Header Page 13 of 126.

1.4.2. Lớp vật lý:
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt
động, phƣơng thức điều chế vô tuyến, và mã hóa tín hiệu vô tuyến. Lớp vật lý
của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến
đƣợc cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số
chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Trong mỗi băng tần,
có một số kênh quy định, nhƣ trong hình 1.4. Channel 0 đƣợc quy định chỉ ở
châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 đƣợc quy định chỉ ở Hoa
Kỳ trên băng 902-982MHz.

Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.
Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 đƣợc quy định
trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh đƣợc định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh
là 5MHz. IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó
các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các
kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô
tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11.
Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lƣu lƣợng 802.11 làm
nhiễu lƣu lƣợng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa
802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 đƣợc bao bọc
bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 đƣợc sử dụng, thì có 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

Footer Page 13 of 126.

/>

Header Page 14 of 126.

kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lƣu lƣợng
802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những
khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian. Kênh 25 và 26
không đƣợc bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
đƣợc sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hƣởng bởi 802.11.
1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu
Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các
kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến đƣợc chia sẻ giữa tất cả các
nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp
cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi
các bản tin. Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác
nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra,
802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia
thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền.
1.4.4. Lớp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi lớp truyền tải.
1.4.5. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung
cấp các dịch vụ nhƣ khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.4.6. Lớp ứng dụng
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có
thể đƣợc xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây
1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể đƣợc
chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mô
hình truyền thông đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp khác nhau. Nhiều ứng
dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này.
1.5.1.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 14 of 126.

/>

Header Page 15 of 126.

Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây
Với mô hình truyền thông Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm
biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy
nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác.
Trong hình phía dƣới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau,
nhƣng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi
vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền
thông.
1.5.1.2. Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm đƣợc minh họa nhƣ ở hình 2. Mô hình
này đƣợc sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả
các nút khác trong mạng. Mô hình truyền thông này có thể đƣợc sử dụng để gửi
một lệnh thiết lập các nút trong mạng.

Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây
Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm – Đa điểm. Tùy thuộc
vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau.

Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các
bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công đƣợc gói tin. Nếu độ
tin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần
phải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênh
truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến đƣợc các nút nhận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 15 of 126.

/>

Header Page 16 of 126.

Nhiều cơ chế và giao thức đã đƣợc thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm –
Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông Điểm
– Đa điểm là mạng tràn lan. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách từng nút quảng
bá bản tin đƣợc gửi đi. Khi một nút lắng nghe đƣợc một bản tin quảng bá đƣợc
phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác
xung quanh nó. Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng
thời gian ngẫu nhiên trƣớc khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế này là bản
tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến
hoặc các xung đột vô tuyến. Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong
một số trƣờng hợp nhƣng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị
mất do nhiễu hoặc xung đột cần đƣợc truyền lại. Để đạt đƣợc độ tin cậy trong
truyền thông Điểm – Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện đƣợc các
bản tin bị mất và phát lại chúng.
1.5.1.3. Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm
Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thƣờng đƣợc sử dụng để thu thập
dữ liệu từ các nút trong trƣờng cảm biến. Với mô hình truyền thông Đa điểm Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thƣờng đƣợc gọi là
Sink. Hình 3 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm.

Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu cảm
biến chẳng hạn nhƣ nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhƣng nó cũng đƣợc sử dụng
truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái
định kỳ tới Sink. Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới ngƣời
quan sát bên ngoài.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 16 of 126.

/>

Header Page 17 of 126.

Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong
mạng. Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể đƣợc gửi
tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này
cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao
hơn.
Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc
cây với gốc của nó ở nút Sink. Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp
lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bƣớc nhảy bằng
không tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại
các bản tin để thông báo chúng có bƣớc nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lƣợt,
các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bƣớc nhảy là hai tính từ
nút Sink. Với phƣơng thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết
có bao nhiêu bƣớc nhảy chúng phải trải qua đƣợc tính từ nút Sink và biết đƣợc
các nút lân cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến
nút lân cận gần Sink hơn. Mặc dù phƣơng thức xây dựng tuyến đƣờng định tuyến

dựa trên việc đếm số bƣớc nhảy là đơn giản nhƣng nó cũng có một số vấn đề cần
đƣợc quan tâm. Một nút với số bƣớc nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí
phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bƣớc nhảy tới Sink có thể ở vị trí
phủ sóng rất tốt. Để gửi gói tin đến đƣợc Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó
tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bƣớc nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói
tin có cơ hội nhận đƣợc cao hơn mà không phải truyền lại gói tin.
1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công
suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã đƣợc phát triển cho mạng cá
nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE). IEEE
802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW.
Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét.
Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép
các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 17 of 126.

/>

Header Page 18 of 126.

phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân
thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
 Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin đƣợc gửi và đƣợc nhận trên các kênh
truyền vô tuyến vật lý nhƣ thế nào. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26
kênh hoạt động khác nhau. Kênh 0 đƣợc quy định chỉ ở Châu Âu và nằm
trên băng 868 MHz. Kênh từ 1- 10 đƣợc quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng
902 – 982 MHz, khoảng cách kênh là 2MHz. Kênh 11-26 quy định trên
băng tần 2,4 GHz, khoảng cách kênh là 5MHz.

 Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Mục đích của lớp MAC
là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến. Chỉ rõ các bản tin
đến từ các lớp vật lý sẽ đƣợc giải quyết nhƣ thế nào.
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: thiết bị có chức năng đầy
đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng
hơn RFDs và có thể đóng vai trò nhƣ một điều phối viên các mạng PAN. RFDs
là các thiết bị đơn giản hơn đƣợc xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá
thành rẻ hơn. RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs. Các FFDs có thể truyền
thông đƣợc với cả RFDs và FFDs.
1.6. Một số thách thức của mạng WSNs
1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng các cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút
cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thƣớc vật lý và giá thành. Công
suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây
bởi vì chúng thƣờng sử dụng nguồn năng lƣợng là pin hoặc một nguồn năng
lƣợng thấp bên ngoài. Kích thƣớc vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố
kích thƣớc và hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến
không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thƣớc nhỏ gọn. Giá
thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi các nút
mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai với quy mô lớn.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lƣợng có ảnh hƣởng đến
việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc
mạng. Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 18 of 126.

/>

Header Page 19 of 126.

phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng nhƣ hỗ
trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lƣợng. Phần mềm chạy trên các nút mạng
cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng. Kích
thƣớc vật lý và giá thành có ảnh hƣởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn
phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì thì cần phải có kích thƣớc nhỏ
gọn, số lƣợng các linh kiện cần phải ít. Phần mềm cho các nút mạng cảm biến
không dây không chỉ cần hiệu quả năng lƣợng mà còn phải có khả năng chạy
trong một môi trƣờng hạn chế nghiệm ngặt về mặt tài nguyên.
1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng
Thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là vấn
đề quy mô nhỏ của nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ
mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng các đối tƣợng thông minh
.Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lƣợng các nút
tham gia vào hệ thống và các dữ liệu đƣợc tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều trƣờng
hợp, các nút mạng cảm biến không dây thu thập một lƣợng lớn dữ liệu từ nhiều
điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các nút cảm
biến không dây.
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hƣởng đến
cả hiệu năng mạng xét về số lƣợng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng nhƣ tốc
độ dữ liệu có thể đƣợc vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là khoảng
thời gian tồn tại của mạng đƣợc đảm bảo. Trong mạng cảm biến không dây, việc
truyền thông tin đòi hỏi năng lƣợng. Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mất
năng lƣợng nhanh hơn so với các nút khác thƣờng ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao
thức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vận
chuyển bản tin qua mạng. Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông
tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng nhƣ toàn bộ các nút
lân cận gần nhất. Thông tin này yêu cầu bộ nhớ. Tuy nhiên, nhƣ chúng ta đã biết,
mỗi nút có một số lƣợng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa
chọn một cách kỹ lƣỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận

cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác.
Các mạng cảm biến không dây thƣờng hoạt động trên kênh truyền không
đáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn. Tính chất không

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 19 of 126.

/>

Header Page 20 of 126.

đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây đƣợc gọi là “tổn hao”. Tổn hao nên
đƣợc coi nhƣ là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây. Ngay cả
khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thông tin liên lạc khác ít có tổn
hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt
động ổn định trong tất cả các trƣờng hợp mạng có tổn hao và không có tổn hao.
Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một vấn
đề vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến không dây quy mô có thể lên tới hàng
ngàn nút lên việc quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng ngay
đƣợc. Mạng không có thành phần quản lý tập trung mà nên tự tổ chức quản lý
chính nó.
1.6.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biến
không dây. Mạng cảm biến không dây đƣợc biết đến không chỉ bởi số lƣợng lớn
các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lƣợng đáng kể các tiêu
chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho
công nghệ. Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau.
Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức
không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng
cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ. Mỗi cấp độ

công nghệ lại có một thách thức kỹ thuật riêng nhƣng quan trọng hơn đó là việc
chuẩn hóa trong mỗi cấp đƣợc quản lý bởi các nhóm khác nhau.
1.6.4. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp
khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa
các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ
tầng mạng hiện có.
Khi đƣợc chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác ở
nhiều mặt. Các nút mạng phải tƣơng thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp ứng
dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ
các hãng khác nhau giao tiếp vật lý đƣợc với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút mạng
không dây phải thống nhất trên các vấn đề nhƣ là tần số vô tuyến để thực hiện
truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu đƣợc truyền. Ở cấp độ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 20 of 126.

/>

Header Page 21 of 126.

mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tin đƣợc gửi và nhận trên các
kênh vật lý cũng nhƣ các nút mạng đƣợc đánh địa chỉ nhƣ thế nào, các bản tin sẽ
đƣợc vận chuyển qua mạng bằng cách nào. Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp,
các nút mạng phải chia sẻ một quan điểm chung là cách thức để dữ liệu đƣợc gửi
vào hoặc lấy ra từ mạng các đối tƣợng thông minh, cũng nhƣ làm thế nào để nút
mạng có thể đƣợc truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.
Cũng nhƣ sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức cho
mạng các đối tƣợng thông minh. Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối
tƣợng thông minh vẫn còn là một vấn đề mở. Trong cuốn sách này, chúng ta

chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tƣợng thông minh là kiến trúc IP. Thứ
hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng các đối tƣợng thông minh vẫn đang
đƣợc phát triển nhƣng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể đƣợc sử dụng lại.
1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp.
Mạng cảm ứng có thể đƣợc triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng
lớn để đƣa ra các cảnh báo và hành động kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể đƣợc gắn vào các hạt giống để
kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trƣởng của cây.
Trong lâm nghiệp, các sensor đƣợc triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo
cháy rừng. Các nút sensor cũng có thể đƣợc gắn vào cơ thể động vật để có thể
giám sát sự di chuyển cũng nhƣ thân nhiệt hay hành vi của chúng, góp phần
không nhỏ trong việc bảo vệ các loài động vật quý hiếm cũng nhƣ nghiên cứu tập
quán hoạt động của một số loài chim di trú.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 21 of 126.

/>

Header Page 22 of 126.

Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp
1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế
Các nút cảm biến có thể đƣợc gắn vào cơ thể, ví dụ nhƣ ở dƣới da để đo
các thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đƣa ra
những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh nhƣ ung thƣ, nhờ đó việc chữa bệnh
sẽ dễ dàng hơn. Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt
vào trong ngƣời, dùng một lần và đƣợc bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị
này đủ để hoạt động trong 24 giờ. Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên

trong con ngƣời 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.
1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng
Một số ứng dụng môi trƣờng của mạng cảm biến không dây là dùng để
theo dõi sự di cƣ của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi
điều kiện môi trƣờng mà ảnh hƣởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tƣới tiêu,
phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí quyển... Đồng thời, hệ thống có thể
cảnh báo lũ lụt, thiên tai thông qua các cảm biến đo thông số môi trƣờng và
truyền về trung tâm khí tƣợng thủy văn để phân tích và đánh giá. Những hệ thống
cảnh báo lũ này đã và đang đƣợc triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 22 of 126.

/>

Header Page 23 of 126.

thành công trên thị trƣờng Mỹ. Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống
đo mực nƣớc ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây.

Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường
1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông
Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến đƣợc gắn trên các phƣơng
tiện giao thông để chúng có thể xác định đƣợc vị trí của nhau, nhận biết đƣợc các
biển báo hay tắc đƣờng, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao
thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn. Hiện nay một số nƣớc đã ứng dụng
hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm thu phí - làm
giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 23 of 126.

/>

Header Page 24 of 126.

Hình 1. 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông
1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình

Hình 1. 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các
phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy... Điển hình ngày của ứng dụng loại
này là ngôi nhà thông minh (Smart Home). SmartHome kết nối sản phẩm điện tử
gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo
môi trƣờng sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lƣợng. Chẳng hạn, khi có
ngƣời bƣớc vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại.
Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc... theo sở thích của chủ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 24 of 126.

/>

Header Page 25 of 126.

nhân. Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm
cửa cũng tự động khép lại để tạo không khí của một phòng chiếu phim. Tùy theo
nhu cầu, ngƣời sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản
bất kỳ nhƣ lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng

nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas..., khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua
điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa.

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks)
2.1.1. Giới thiệu
Các mạng cảm biến không dây tiêu thụ công suất thấp (LoWPANs) đƣợc
hình thành bởi các thiết bị tƣơng thích với chuẩn IEEE 802.15.4 [1]. Hầu hết các
thiết bị LoWPAN đƣợc phân biệt bởi băng thông của chúng thấp, phạm vi ngắn,
dung lƣợng bộ nhớ ít, khả năng xử lý hạn chế và các thuộc tính khác của phần
cứng rẻ tiền.
Các mạng IEEE 802.15.4 hỗ trợ các cấu trúc hình sao và hình lƣới, bao
gồm hai loại thiết bị khác nhau: các thiết bị có giảm bớt tính năng RFD (reduced
function devices) và các thiết bị có đầy đủ tính năng FFD (full function devices).
Các thiết bị RFD có tính năng hạn chế và nhằm mục đính thực thi các nhiệm vụ
đơn giản và cơ bản, chẳng hạn nhƣ là gửi dữ liệu cảm nhận trong mạng cảm biến.
RFD chỉ có thể kết hợp với FFD duy nhất tại một thời điểm nhƣng FFD có thể

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu
Footer Page 25 of 126.

/>