Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
------

------

NGUYỄN THỊ HIẾU

MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60480101

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan tất cả các kết quả được trình bày trong luận văn:
“Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng
trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính” là công trình nghiên cứu
của riêng em, không sao chép từ bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận văn được sử dụng là trung thực, đã được kiểm
chứng và chưa được công bố trong bất kỳ công trình của tác giả nào khác.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016
HỌC VIÊN
Nguyễn Thị Hiếu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường
Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, các thầy cô giáo trường Đại học
Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên đã chia sẻ và động viên, tạo
điều kiện giúp em vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên
cứu của mình.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và những người đã luôn ủng
hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất và là chỗ dựa vững
chắc giúp em có thể hoàn thành luận văn.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 7 năm 2016
HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Hiếu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY... 3
1.1. Giới thiệu............................................................................................... 3
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .......................................... 4
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ................................ 5
1.3.1. Lớp vật lý ............................................................................................ 6
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu ............................................................................. 8
1.3.3. Lớp mạng ............................................................................................ 9
1.3.4. Lớp truyền tải ...................................................................................... 9
1.3.5. Lớp ứng dụng ...................................................................................... 9
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN ....................................... 9
1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................ 10
1.6. Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến ............. 12
1.7. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây13
1.8. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây ......... 16
1.9. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5] ......... 17

1.9.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp ........................................ 17
1.9.2. Ứng dụng trong y tế .......................................................................... 18
1.9.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường................................................ 18
1.9.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông.................................................... 18
1.9.5. Ứng dụng trong gia đình ................................................................... 19
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU
NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................. 21
2.1. Giới thiệu............................................................................................. 21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

2.2. Thuật toán định tuyến SPIN-EC [4][5] ............................................ 22
2.3. Thuật toán định tuyến LEACH [4][5].............................................. 24
2.4. Thuật toán định tuyến CTP [6]......................................................... 32
2.5. Thuật toán định tuyến AODV .......................................................... 37
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG
NHÀ KÍNH ................................................................................................ 47
3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................... 47
3.2. Mô hình nhà kính thử nghiệm .......................................................... 47
3.3.Thiết lập hệ thống ............................................................................... 48
3.3.1. Phần cứng .......................................................................................... 48
3.3.2. Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát môi
trường nhà kính ........................................................................................... 50
3.3.3. Thuật toán cài đặt trên các nút .......................................................... 55
3.4. Kết quả thử nghiệm ........................................................................... 59

3.4.1. Giao diện phần mềm ....................................................................... 59
3.4.2. Phần cứng của hệ thống giám sát môi trường nhà kính .................... 61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
AODV

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

Ad hoc On Demand Distance Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ
Vector
hướng theo yêu cầu tạm thời

ACK

Acknowledgement

Bản tin xác nhận

ADV

ADVertisement

Bản tin thông báo

API

Application
Interface

Programming

Các giao diện lập trình ứng dụng

CDMA

Code
Division
Access

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm nhận theo
sóng mang

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ liệu

ETX

Expected Transmission

Số lần truyền kỳ vọng

IEEE

Institute of Electrical
Electronic Engineers

LEACH

Multiple

and

Viện kỹ thuật điện và điện tử

Low
Enery
Adaptive Kiến trúc phân cụm thích ứng
Clustering Hỉearchy
năng lượng thấp

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập kênh
truyền

RREQ

Route Request packet

Gói yêu cầu tuyến

REQ

Request message

Bản tin yêu cầu

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

SPIN-EC

TDMA
WSN

Sensor
Protocols
for Giao thức định tuyến thông
information via Negotiation – qua thương lượng – Bảo tồn
Enery
năng lượng
Task Assignment and Data
Advertisement Protocol

công nghệ đa truy nhập phân
chia theo thời gian

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. .......................................... 4
Hình 1. 2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5]. .............................. 6
Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ................................ 7
Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không
dây. .......................................................................................................... 15

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp.. 17
Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong giao thông ........ 19
Hình 1.7. Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến trong dân dụng ......... 20
Hình 2.1. Các bước bắt tay của thuật toán SPIN-EC [5] ........................ 22
Hình 2.2. Các bước của thuật toán SPIN-EC [4][5]. .............................. 23
Hình 2.3. Các bước của thuật toán LEACH [5] ...................................... 25
Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán pha thiết lập của LEACH .......................... 27
Hình 2.5: Sơ đồ thuật toán pha ổn định trong LEACH .......................... 29
Hình 2.6: Minh họa hoạt động của một pha ổn định trong LEACH ...... 30
Hình 2.7: Minh họa ETXlink của một liên kết.......................................... 33
Hình 2.8: Minh họa ETXlink của một liên kết [6]. ................................... 34
Hình 2.9: Minh họa các thành phần của kỹ thuật CTP. .......................... 34
Hình 2.10: Mô tả quá trình tìm đường trong AODV .............................. 38
Hình 3.1. Mô hình thử nghiệm ................................................................ 47
Hình 3.2. Sơ đồ khối của nút cảm biến ................................................... 49
Hình 3.3. Thiết lập chức năng nút chủ .................................................... 51
Hình 3.4. Thiết lập tham số cho nút chủ ................................................. 52
Hình 3.5. Thiết lập chức năng nút định tuyến......................................... 52
Hình 3.6. Thiết lập tham số cho nút định tuyến ...................................... 53
Hình 3.7. Thiết lập nút thu thập .............................................................. 53
Hình 3.8. Thiết lập tham số cho nút thu thập .......................................... 54
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

Hình 3.9. Thuật toán cho nút thu thập..................................................... 55
Hình 3.10. Thuật toán cho nút định tuyến .............................................. 56

Hình 3.13. Giao diện giám sát môi trường không khí ............................ 59
Hình 3.14. Giao diện giám sát môi trường giá thể .................................. 60
Hình 3.15. Giao diện cài đặt truyền thông .............................................. 60
Hình 3.16. Nút thu thập số liệu môi trường không khí ........................... 61
Hình 3.17. Nút thu thập số liệu môi trường giá thể ................................ 61
Hình 3.18. Mô hình hệ thống giám sát môi trường nhà kính.................. 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều
kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Network-WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa
chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và
ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế,
quân sự, môi trường, giao thông....
Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dùng truyền dẫn thông tin
bằng môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất
mất dữ liệu do môi trường vô tuyến không ổn định. Đây là thách thức lớn đối
với quá trình truyền thông trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được
những mạng cảm biến truyền thông đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự
mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông.
Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70%

năng lượng của hệ thống mạng bị tiêu hao là do quá trình truyền thông. Bởi
vậy, việc tiết kiệm năng lượng trong quá trình định tuyến cho giao thức định
tuyến là bài toán đang được nhiều nhà ngiên cứu quan tâm bởi tính khoa học
và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
Nhận thấy tầm quan trọng này, em đã lựa chọn và nghiên cứu đề tài
“Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng của mạng cảm biến không dây
ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường kính”. Đề tài tập trung vào
việc nghiên cứu một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng và từ đó lựa
chọn xây dựng mô hình hệ thống này để làm cơ sở đánh giá một số thuật toán
định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Luận văn gồm có 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Tìm hiểu về khái niệm, cấu trúc, đặc điểm và ứng dụng của mạng cảm
biến không dây.
Chương 2. Một số thuật toán tối ưu năng lượng của mạng cảm biến
không dây.
Chương này tìm hiểu một số thuật toán định tuyến và vấn đề tối ưu
năng lượng trong mạng cảm biến, làm cơ sở khoa học để nghiên cứu các thuật
toán định tuyến tối ưu năng lượng ứng dụng trong môi trường nhà kính.
Chương 3. Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV trong hệ thống
giám sát môi trường nhà kính.
Nội dung trình bày về cách thức cài đặt thuật toán định tuyến AODV
ứng dụng trong môi trường nhà kính, kết quả thử nghiệm, đánh giá.

Cuối cùng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của
Luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu
Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc
độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây.
Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của
hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp,
giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín
hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ,
đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời.
Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối
tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một
bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến liên
kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút
trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức
năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách
không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt
động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động
lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu
thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự
nhiên [3].

Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm
ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng... theo
dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động [4][5]. Các nút giao tiếp
ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián
tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây.
Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại
hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm
biến. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu
rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề
kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một
số đặc điểm nổi bật như sau:
- Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi
rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu
nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng... do vậy
mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node
mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

5

- WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ
biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao
thức truyền vô tuyến riêng.
- Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu
cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu
chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.
- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động
lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ...).
- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức
tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng.
- Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của
từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây
thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung
(giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các
node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến
trúc này 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 cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

6

Hình 1. 2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5].

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng
nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận
được 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 lượng 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 nhiệm vụ 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.
1.3.1. Lớp vật lý
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt
động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3
băng tần số vô tuyến được 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. Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại
châu Âu, 802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế
giới, 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi
băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. Channel 0 được quy
định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy
định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là
2MHz.
Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh
được 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).

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến.
Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là
40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.
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 lưu lượng
802.11 làm nhiễu lưu lượng 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
được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được
sử dụng, thì có 2 kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can
nhiễu từ lưu lượng 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 được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh
1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị
ảnh hưởng bởi 802.11.
1.3.2. 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 được 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

1.3.3. Lớp mạng
Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền

tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho
quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây.
1.3.4. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung
cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.3.5. Lớp ứng dụng
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau
có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên
tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu
cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN.
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN
Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được
đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể
được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp,
định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.
Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây [4].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử
dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không
dây trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu
điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [7]. Chuẩn Zigbee có thể dùng
được trong các mạng mắt lưới. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ

ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vào
môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng.
Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần
915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
Mô hình mạng Zigbee hỗ trợ ba loại mô hình chính đó là mạng sao,
mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới. Tùy theo mô hình mà nút cảm biến được
phân chia theo mức độ khác nhau như ZC, ZR và ED. Cơ chế định tuyến của
chuẩn Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật định tuyến như
AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector), thuật toán hình cây… Trong
chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến
tiêu biểu.
1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế sao cho sử dụng hiệu
quả nguồn tài nguyên hạn chế của từng nút trong mạng nhằm kéo dài thời
gian sống của mạng. Vì vậy, thiết kế cấu trúc và kiến trúc mạng cảm biến
không dây cần phải quan tâm đến các yếu tố sau:
- Giao tiếp không dây đa chặng: Giao tiếp không dây có nhiều hạn chế
như nhiễu môi trường, gặp vật cản,… hoặc nút thu và phát cách xa nhau nên
cần nút trung gian chuyển tiếp nhằm giảm công suất phát, tiết kiệm năng
lượng. Do đó, việc đa chặng trong mạng cảm biến không dây là cần thiết
trong quá trình thiết kế và xây dưng mạng cảm biến không dây.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

- Sử dụng hiệu quả năng lượng: điều này sẽ giúp trong việc hỗ trợ kéo
dài thời gian sống của mạng.

- Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa
các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm
được băng thông, năng lượng.
Hiện nay, cấu trúc mạng cảm biến không dây được chia thành các cấu
trúc như sau:
- Cấu trúc phẳng: Trong cấu trúc này, tất cả các nút đều ngang hàng và
đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc thông
qua truyền thông đa chặng, sử dụng các nút trung gian làm bộ tiếp sóng.
- Cấu trúc phân cấp: trong cấu trúc này thì phân thành các cụm, mỗi
cụm có nút chủ cụm. Các nút trong cụm thu thập số liệu rồi gửi đơn chặng
hay đa chặng tới nút chủ cụm. Do đó, cấu trúc này tạo thành hệ thống cấp bậc
mà mỗi nút có mức độ cấp bậc khác nhau, từ đó có các nhiệm vụ đã được xác
định trước. Tức là chức năng sẽ được phân cấp như thực hiện việc thu thập số
liệu, tín toán số liệu, hoặc phân phối số liệu…
Theo các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây thì mạng cảm biến
không dây theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn so với dạng cấu
trúc phẳng bởi những lý do sau:
+ Cấu trúc phân cấp giảm được chi phí mạng cảm biến không dây bằng
việc xác định được tài nguyên của mỗi nút trong quá trình thiết kế, đảm bảo
được tối ưu và hiệu quả nhất. Điều này giúp cho giảm chi phí, tránh được lãng
phí cho toàn mạng.
+ Thời gian sống của cấu trúc phân cấp cao hơn so với cấu trúc phẳng.
Bởi vì, khi thực hiện tính toán sẽ được đơn vị xử lý phân cấp thực hiện, với
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

tài nguyên đảm bảo nên thực hiện tính toán nhanh hơn và hiệu quả hơn. Các
nút thực hiện việc thu thập cần ít tài nguyên, ít tiêu thụ năng lượng và chỉ xử
lý các yêu cầu tối thiểu. Điều này giúp toàn mạng có được hiệu năng tốt nhất.
1.6. Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến
Trong các giao thức định tuyến, thước đo định tuyến là thành phần
quan trọng của chiến lược định tuyến. Giao thức định tuyến sẽ tính toán
đường đi ngắn nhất dựa trên các thước đo định tuyến này. Một số thước đo
định tuyến có thể được sử dụng trong mạng cảm biến không dây như:
Độ tin cậy của liên kết: Rất nhiều bài báo nghiên cứu đã khảo sát các
thước đo đánh giá độ tin cậy cho các liên kết tổn hao cũng như các liên kết
công suất thấp. Thước đo đánh giá độ tin cậy được sử dụng phổ biến nhất là
số lần truyền kỳ vọng ETX (Expected Transmission). Số lần truyền kỳ vọng
ETX đặc trưng cho số lần truyền dẫn bản tin trung bình cần thiết để truyền
thành công một bản tin.
Độ trễ: Được sử dụng để thông báo trễ tuyến đường. Độ trễ có thể được
sử dụng như một thước đo hoặc một ràng buộc. Khi được sử dụng như một
thước đo thì đối tượng trễ biểu diễn tổng lượng trễ và trễ lớn nhất hay nhỏ
nhất dọc theo tuyến đường. Khi được sử dụng như một ràng buộc thì độ trễ có
thể được sử dụng để loại bỏ các liên kết có độ trễ lớn hơn một giá trị ngưỡng
cho trước.
Số bước nhảy: Xác định số bước nhảy dọc theo tuyến đường từ nút
nguồn đến nút đích.
Năng lượng của nút: Đây là một thước đo quan trọng trong mạng cảm
biến không dây. Một vài thông số để mô tả năng lượng của một nút đã được
đề xuất bao gồm: Chế độ nguồn năng lượng tiêu thụ của nút, năng lượng còn
lại của một nút.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

13

1.7. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây
Với các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát
triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn và thách thức
trong quá trình nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống mạng cảm biến không dây.
Dưới đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi nghiên cứu và phát
triển giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:
Thời gian sống dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo
dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được
tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các nút cảm biến không dây có
kích thước rất nhỏ nên nguồn năng lượng của chúng cũng bị hạn chế. Điều
này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm
biến. Trong cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô
tuyến là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Do đó,
giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian sống của toàn
mạng. Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là:
Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu. Một số nút bị
ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và có
thể cần phải tổ chức lại mạng. Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán
định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật
định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như
các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng,
tập hợp dữ liệu.
Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến
không dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng
lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Việc định tuyến trong các trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14

hợp này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ
nhớ lưu trữ rất hạn chế.
Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế
nhiều đến các giao thức định tuyến. Do đó, các thuật toán định tuyến đơn
giản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho các mạng cảm biến
không dây. Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng
cách sử dụng một số nút cảm biến có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính
toán nhanh hơn. Những mạng không đồng nhất như vậy cần phải được xem
xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến.
Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế giao
thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Có hai nguyên nhân chính
dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất. Thứ nhất là hoàn toàn có
thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc triển khai một số nút mạng
có năng lượng, có khả năng lưu trữ và tính toán tốt hơn các nút còn lại trong
mạng. Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng
của các nút khác đến nút gốc. Thứ hai là sự khác biệt giữa các nút cảm biến
có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng. Một số nút cảm biến có
thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến việc chúng bị hết năng lượng
nhanh hơn các nút khác. Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránh việc
chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút mạng có trạng thái nguồn năng
lượng còn lại ở mức thấp để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các
nút trong mạng.
Sự triển khai các nút mạng trong mạng cảm biến không dây phụ
thuộc vào ứng dụng. Quá trình triển khai các nút cảm biến có thể là ngẫu

nhiên hoặc cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng.
Trong trường hợp triển khai ngẫu nhiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán. Trong
trường hợp còn lại, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin
có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước.
Trong trường hợp mạng có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ
được phân cấp.
Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các
bản tin. Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các
hoạt động chung của mạng. Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến
đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường
hợp liên kết mạng bị lỗi.
Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng.
Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền
nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều hơn về nguồn năng lượng. Việc gửi
các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo
dài thời gian sống của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin.
Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được
sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu
trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn.
Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được
đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích. Tuy nhiên,
những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng

cảm biến không dây có thể rất khác so với các mạng truyền thống. Các tham
số chất lượng dịch vụ trong các mạng truyền thống có thể chưa đủ để mô tả
chúng. Ngoài các tham số cơ bản như độ trễ thì còn có một số tham số khác
như: Lỗi phân loại sự kiện (các sự kiện không chỉ được phát hiện mà còn
được phân loại và xác suất lỗi phân loại sự kiện cần phải thấp), trễ phát hiện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




16

sự kiện (là độ trễ được tính từ thời điểm phát hiện một sự kiện và thời điểm
gửi thông báo đến nút gốc), độ chính xác của việc bám mục tiêu (trong trường
hợp ứng dụng bám mục tiêu thì vị trí của đối tượng cần phải được thông báo
gần với vị trí của đối tượng trong thế giới thực nhất có thể).
Vấn đề di động có thể gặp phải trong một số ứng dụng của mạng cảm
biến không dây. Các nút cảm biến có thể cố định hoặc di động. Do đó, việc
định tuyến các bản tin trở nên phức tạp hơn. Ngoài ra, trong một số trường
hợp các nút gốc có thể di chuyển và điều này cũng cần phải tính đến khi thiết
kế các mô hình định tuyến.
1.8. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến không dây, việc tối ưu năng lượng tiêu thụ sẽ
giúp cho việc kéo dài thời gian sống của mạng, cũng như mỗi nút cảm biến.
Bởi vậy, vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây cần quan
tâm đến những nội dung sau:
- Tiết kiệm năng lượng ở lớp vật lý: Sử dụng thiết bị phần cứng có
công suất thấp như thiết bị thu phát không dây, các cảm biến được tích hợp,…
Đồng thời, cần sử dụng phương pháp điều chế số như QPSK, FSK, cũng như
kỹ thuật sửa lỗi, kỹ thuật giảm nhiễu vô tuyến,…

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập
TDMA, CSMA-CA hiệu chỉnh nhằm mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu
thụ của lớp này.
- Tiết kiệm năng lượng trong kỹ thuật định tuyến: Theo thống kê có tới 70%
năng lượng được tiêu thụ trong quá trình truyền thông của mạng cảm biến không
dây. Bởi vậy, việc xác định được đường đi tối ưu hay kỹ thuật định tuyến tối ưu sẽ
giúp cho việc tối ưu được năng lượng tiêu thụ của mạng cảm biến không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17

- Tiết kiệm năng lượng trong quản lý bảo mật: Sử dụng cơ chế bảo mật
tối ưu, quản lý khóa bảo mật khi một nút từ bỏ mạng cảm biến không dây,
hoặc quản lý một nhóm những nút trong mạng bắt đầu trao đổi thông tin với
nhau sao cho hiệu quả nhất, cần ít bản tin trao đổi nhất. Từ đó sẽ tiết kiệm
được năng lượng tiêu thụ của mạng.
1.9. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5]
1.9.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng
ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời. Trong nông
nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm
trong đất, sự tăng trưởng của cây. Các hệ thống mạng cảm biến không dây
được ứng dụng ngày càng phổ biến ở nước ta và trên thế giới. Hệ thống mạng
cảm biến này sẽ hỗ trợ cho nông dân thu thập thông số môi trường trên diện
tích rộng lớn một cách nhanh chóng và chính xác. Các tham số này có thể là
độ ẩm đất, độ ẩm môi trường, nhiệt độ, ánh sáng, chất dinh dưỡng,….

Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến không dây trong nông nghiệp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN