Nghiên cứu thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ zigbee

LỜI CAM ĐOAN
Sau thời gian nghiên cứu và học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, với sự hướng dẫn và sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong Viện
điện. Đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Nguyễn
Quốc Cường đã giúp tôi hoàn thành luận văn đúng thời hạn và đạt được các mục
tiêu đề ra.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn mà tôi thực hiện trong thời
gian vừa qua là trung thực và không sao chép của ai.
Hà Nội, Ngày 10 tháng 04 năm 2016
Người cam đoan

Đặng Văn Ngọc

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin được gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho em được làm luận văn tôt nghiệp này.
Sau thời gian nghiên cứu và làm việc miệt mài luận văn tốt nghiệp của em đến nay
cơ bản đã hoàn thành. Có được thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản
thân còn phải kể đến sự giúp đỡ rất lớn từ thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Quốc
Cường, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình và cung cấp tài liệu, kiến
thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt thời gian làm luận văn.
Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, kính chúc thầy luôn
mạnh khoẻ và công tác tốt.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện điện đã hết sức nhiệt tình
truyền đạt cho chúng em không chỉ những kiến thức chuyên môn mà cả những kinh
nghiệm quí báu. Bên cạnh đó còn tạo những điều kiện hết sức thuận lợi để em có
thể hoàn thành luận văn của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn tới dự án “Exploring future university development

cooperation in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest
and seed approach”- mã số ZEIN2011Z099.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè. Chính
gia đình và bạn bè đã là nguồn động viên hỗ trợ vô cùng to lớn giúp em có thêm
động lực và sự kích lệ để hoàn thành luận văn này.
Học viên

Đặng Văn Ngọc

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... v
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ............................................. 4
KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE ............................................................ 4
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây .......................................................... 4
1.1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ........................................................ 4
1.1.2. Cấu trúc của nút cảm biến .............................................................................. 4
1.1.3. Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến ................................................................. 6
1.1.4. Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây ..................................... 8
1.1.5. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây........... 10
1.1.6. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây..................................................... 13
1.2. Tổng quan về công nghệ ZigBee ..................................................................... 15

1.2.1. Giới thiệu về công nghệ ZigBee ................................................................... 15
1.2.2. Cấu trúc của giao thức ZigBee ..................................................................... 17
1.2.3. Những phần tử cơ bản trong mạng ZigBee ................................................... 19
1.2.4. Cấu trúc liên kết mạng ................................................................................. 19
1.2.5. PAN ID........................................................................................................ 21
1.2.6. Định địa chỉ ................................................................................................. 22
1.2.7. Truyền dẫn dữ liệu ....................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN ..................................... 30
KHÔNG DÂY THEO CHUẨN ZIGBEE .............................................................. 30
2.1. Giới thiệu về mô hình ..................................................................................... 30
2.2. Thiết kế phần cứng ......................................................................................... 32
iii


2.2.1. Sơ đồ khối của các nút trong mạng .............................................................. 32
2.2.2. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................... 33
2.2.3. Giới thiệu các linh kiện được sử dụng .......................................................... 35
2.3.2. Lưu đồ thuật toán cho Router ....................................................................... 54
2.4. Thiết kế giao diện ........................................................................................... 58
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................. 59
3.1. Kiểm nghiệm hoạt động của mạng ZigBee ..................................................... 59
3.1.1. Thử nghiệm kiểm tra khoảng cách và mở rộng tầm hoạt động của mạng...... 59
3.1.2. Thí nghiệm khả năng khôi phục liên kết hỏng trong định tuyến mạng .......... 62
3.1.3. Kiểm nghiệm chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin .............. 63
3.2. Đánh giá năng lượng tiêu thụ và dự đoán tuổi thọ pin ..................................... 66
3.3. Kiểm nghiệm hoạt động của toàn bộ mô hình mạng ứng dụng trong nhà kính tại
khu nông nghiệp công nghệ cao của trường Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền thông. ........................................................................................................ 71
Sơ đồ bố chí các nút cảm biến trong khu vực nhà kính. ......................................... 71
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 76

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AODV

Ad-hoc On - demand Distance Vector

BLE

Bluetooth Low Energy

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP

Internet Protocol

LR-WPAN

Low Rate – Wireless Personal Area Network

MAC

Media Access Control layer

PHY

Physical layer

RF

Radio frequency

WLAN

Wireless Local Area Network

WPAN

Wireless Personal Area Network

WSN

Wireless Sensor Network

ZDO

ZigBee Device Object

APS

Application Support Sublayer

PAN

Personal Area Network

API

Application Programming Interface

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

Ack

Acknowledgment

OUI

Organizationally Unique Identifier

OSI

Open Systems Interconnection

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

RSSI

Received Signal Strength Indicator.

v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu ..................................................................... 16
Bảng 1.2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee ................................................... 16
Bảng 1.3: Bảng so sánh giữa chuẩn ZigBee với chuẩn Bluetooth........................... 17
Bảng 3.1. Bảng kết quả đo trong không gian không có vật cản .............................. 60
Bảng 3.2. Bảng kết quả đo trong không gian có vật cản ......................................... 60
Bảng 3.3: Phép đo hiện tại của một end device ...................................................... 68

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. ZigBee ứng dụng trong smart home ............................................................ 1
Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây ......................................................... 4
Hình 1.2. Cấu trúc nút cảm biến. ............................................................................. 5
Hình 1.3. Kiến trúc mạng đơn bước ......................................................................... 9
Hình 1.4. Kiến trúc mạng đa bước ........................................................................... 9
Hình 1.5. Kiến trúc mạng hỗn hợp ......................................................................... 10
Hình 1.6. Ứng dụng trong nông nghiệp .................................................................. 14
Hình 1.7. Băng tần của chuẩn ZigBee. ................................................................... 15
Hình 1.8. Cấu trúc giao thức .................................................................................. 18
Hình 1.9. Cấu trúc mạng hình sao .......................................................................... 20
Hình 1.10. Cấu trúc mạng hình lưới. ...................................................................... 20
Hình 1.11. Cấu trúc mạng hình cây. ....................................................................... 21
Hình 1.12. Sơ đồ truyền dữ liệu quảng bá. ............................................................. 24
Hình 1.13. Sơ đồ truyền unicast. ............................................................................ 25
Hình 2.1. Mô hình hệ thống mạng không dây theo chuẩn ZigBee được đặt trong khu
nông nghiệp công nghệ cao. .................................................................................. 30
Hình 2.2. Quang cảnh bên trong nhà kính .............................................................. 31

Hình 2.3. Sơ đồ khối ghép nối phần cứng của nút router và end device. ................ 32
Hình 2.4. Sơ đồ khối ghép nối phần cứng của nút coordinator. .............................. 33
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của các nút router và end device. ................................. 33
Hình 2.6. Mạch phần cứng của các nút router và end device sau khi hoàn thành .... 34
Hình 2.7. Sơ đồ mạch nguyên lý nút coordinator ................................................... 34
Hình 2.8. Mạch phần cứng của nút coordinator sau khi hoàn thành ....................... 35
Hình 2.9. Module XBee ZB Series 2. .................................................................... 36
Hình 2.10. Một truyền dẫn đơn trong mạng lưới. ................................................... 38
Hình 2.11. Yêu cầu đường đi mẫu truyền khi R3 đang thử tìm ra một tuyến đường tới R6
.............................................................................................................................. 39
Hình 2.12. Trả lời tuyến đường mẫu khi R6 gửi một tuyến đường trả lời tới R3 .... 39
vii


Hình 2.13. Mô hình định tuyến many – to – one. ................................................... 40
Hình 2.14. Mô hình định tuyến source ................................................................... 42
Hình 2.15. Khung dữ liệu UART và cấu trúc API cụ thể ....................................... 43
Hình 2.16. Cấu trúc của khung chỉ số Rx mẫu dữ liệu IO ZigBee. ......................... 45
Hình 2.17. Arduino Nano ...................................................................................... 46
Hình 2.18. Cảm biến nhiệt độ TMP 36. ................................................................. 47
Hình 2.19. Điện áp ra và nhiệt độ của cảm biến TMP 36 ....................................... 47
Hình 2.20. Hàm truyền tính toán giá trị nhiệt độ. ................................................... 48
Hình 2.21. Giao diện phần mềm X-CTU. .............................................................. 48
Hình 2.22. Module XBee kết nối với máy tính qua bảng giao diện XBee .............. 49
Hình 2.23. Thiết lập chức năng ZigBee Coordinator API cho module XBee ......... 50
Hình 2.24. Thiết lập các thông số sử dụng cho coordinator .................................... 50
Hình 2.25. Cấu hình chức năng router cho module XBee ...................................... 51
Hình 2.26. Thiết lập các thông số cho router.......................................................... 51
Hình 2.27. Cấu hình chức năng end device cho module XBee. .............................. 52
Hình 2.28. Thiết lập các thông số cho end device. ................................................. 52

Hình 2.29. Lưu đồ thuật toán cho End Device ....................................................... 53
Hình 2.30. Lưu đồ thuật toán cho Router ............................................................... 54
Hình 2.31. Lưu đồ thuật toán cho Coordinator ....................................................... 55
Hình 2.32. Lưu đồ thuật toán nhận dữ liệu từ XBee trên vi điều khiển ................... 56
Hình 2.33. Lưu đồ thuật toán giao diện trương trình trên máy tính......................... 57
Hình 2.34. Giao diện hiển thị trên máy tính ........................................................... 58
Hình 3.1. Khoảng cách hoạt động của 2 nút trong mạng ........................................ 59
Hình 3.2. Tòa nhà C1 - Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông ..... 59
Hình 3.3. Cấu trúc truyền thông qua một router ..................................................... 61
Hình 3.4. Mô hình truyền giữa hai nút khi có vật cản ............................................ 62
Hình 3.5. Cấu trúc mạng phục hồi link hỏng.......................................................... 63
Hình 3.6. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 40m không có vật cản ....................................................................... 64
viii


Hình 3.7. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 25m không có vật cản ....................................................................... 65
Hình 3.8. Thử nghiệm đo chỉ số cường độ tín hiệu và tỷ lệ truyền nhận gói tin ở
khoảng cách 15m trong môi trường có vật cản....................................................... 66
Hình 3.9. Cấu hình thí nghiệm phép đo.................................................................. 67
Hình 3.10. Đo điện áp cung cấp trong việc truyền khung dữ liệu ........................... 68
trong các giai đoạn khác nhau. ............................................................................... 68
Hình 3.11. Dự đoán tuổi thọ pin của nút cảm biến. ................................................ 70
Hình 3.12. Sơ đồ bố trị các nút cảm biến ............................................................... 71
Hình 3.13. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ trong khu vực trồng rau bằng ............. 72
Hình 3.14. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng rau bằng giá thể ...... 72
Hình 3.15. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ tại khu vực trồng dâu tây.................... 72
Hình 3.16. Nút cảm biến đo giá trị nhiệt độ môi trường. ........................................ 73
Hình 3.17. Thiết lập kết nối cổng COM ................................................................. 73

Hình 3.18. Giá trị nhiệt độ hiển thị trên giao diện máy tính.................................... 74

ix


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong bối cảnh ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử,
công nghệ thông tin và truyền thông, xu thế IoT (Internet of Things) đã tạo động lực
thúc đẩy mạnh mẽ cho việc chế tạo nhiều nền tảng phần cứng cho phép phát triển hệ
thống mạng cảm biến không dây vào hầu hết các lĩnh vực của xã hội như quốc
phòng, công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản.
Trên thế giới nhiều trường đại học đã thành lập trung tâm nghiên cứu, phòng
thí nghiệm về lĩnh vực mạng cảm biến như:
- Trung tâm công nghệ cảm biến tiên tiến (Center for Advanced Sensor
Technology) của University of Maryland [1].
- Phòng thí nghiệm WSNLab (Wireless Sensor Networks Lab) của đại học
Stanford University [2].
Bên cạnh đó mạng cảm biến không dây sử dụng chuẩn ZigBee IEEE
802.15.4 được chính thức phê duyệt vào năm 2004 và đã khẳng định được ưu thế
của mình trong các ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng và đặc
biệt là ngôi nhà thông minh.

Hình 1. ZigBee ứng dụng trong smart home.
1


Các thành viên trong liên minh ZigBee vừa cho ra mắt sản phẩm dành cho
các ứng dụng viễn thông (ZigBee Telecom Services) như là: ứng dụng cho thiết bị
di động như dịch vụ sử dụng vị trí trong nhà, dịch vụ truy vấn thông tin, dịch vụ bán

vé, thanh toán qua điện thoại di động, các dịch vụ đa phương tiện và các loại hình
mạng xã hội. Một điện thoại di động có gắn sim ZigBee có thể nhận các thông tin từ
nhà khai thác mạng và thanh toán các dịch vụ. Dịch vụ ZigBee viễn thông cho phép
các thiết bị di động có thể liên lạc với nhau qua mạng ZigBee, có thể kết nối với các
nút hoặc thiết bị khác như các máy bán vé hay thiết bị đầu cuối v.v…
Ở Việt Nam, mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee được
nghiên cứu và sử dụng trong mô hình nhà thông minh, đi đầu trong phát triển hệ
thống này là Bkav. Bkav Smart Home cung cấp tính năng như thiết kế nhỏ gọn,
truyền dữ liệu với độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng kết nối các thiết bị
để mở rộng số lượng cảm biến cũng như các thiết bị điều khiển khác trong mạng.
Ngoài ra một số nhóm nghiên cứu ở các trường đại học trong nước như: Đại học
Bách Khoa Hà Nội, Đại học Công nghệ - Quốc Gia Hà Nội, Bách Khoa Tp.HCM,
vv… đang tích cực nghiên cứu về lĩnh vực mạng cảm biến không dây, cũng như
nghiên cứu triển khai một số sản phẩm ứng dụng mạng cảm biến không dây như hệ
thống cảnh báo thiên tai, nhà thông minh, hệ thống an ninh chống trộm và cảnh báo
cháy, một số ứng dụng trong nông nghiệp.
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Thiết kế nút cảm biến không dây sử dụng công nghệ ZigBee trở nên đơn
giản, tiết kiệm năng lượng, linh động để có thể dễ dàng triển khai với các loại mô
hình mạng khác nhau như: hình sao, hình lưới. Từ đó triển khai việc thiết kế, chế
tạo một mạng cảm biến không dây ứng dụng vào khu nông nghiệp công nghệ cao
tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.

2


3. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Nội dung chính của luận văn được chia làm ba chương:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
CÔNG NGHỆ ZIGBEE

Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc nút cảm biến,
các kiến trúc mạng, một số dich vụ và giao thức truyền thông không dây.
Giới thiệu tổng quan về chuẩn ZigBee bao gồm định nghĩa, cấu trúc giao
thức, các phẩn tử cơ bản trong mạng và cấu trúc liên kết mạng trong chuẩn ZigBee.
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
THEO CHUẨN ZIGBEE
Phân tích yêu cầu của hệ thống từ đó đưa ra được sơ đồ khối và sơ đồ
nguyên lý mạch. Thiết kế phần cứng, các công cụ và phần mềm hỗ trợ trong quá
trình xây dựng và thiết kế phần cứng, phần mềm.
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
Đưa ra được các kịch bản để đánh giá khả năng định tuyến của mạng, đo và
đánh giá được mức tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến. Ngoài ra còn triển
khai ứng dụng các nút cảm biến sử dụng chuẩn ZigBee vào trong khu nông nghiệp
công nghệ cao tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và
đánh giá nội dung liên quan đến đề tài.
- Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội
dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các nút cảm biến không dây sử dụng công
nghệ ZigBee. Từ đó đưa ra phương án chế tạo các nút cảm biến không dây cho phù hợp.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY VÀ CÔNG NGHỆ ZIGBEE
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng

thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được
phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm
vi hoạt động rộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt
động lâu dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nhiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ…).

Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến không dây.
1.1.2. Cấu trúc của nút cảm biến
Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến
riêng lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý. Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất
nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Các
nút có khả năng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm [3].
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản:
 Đơn vị cảm biến (sensing unit).
4


 Đơn vị xử lý (processing unit).
 Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit).
 Bộ nguồn (power unit).
Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer).
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số. Dựa trên 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.

Hình 1.2. Cấu trúc nút cảm biến [3].
Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), 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.
Một trong các phần quan trọng nhất của một nútmạng cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất
quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như năng lượng mặt trời.

5


Ngoài ra cũng 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. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút
cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những thành
phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ, các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác,
như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có
thể tự hoạt động, và thích nghi với sự biến đổi của môi trường.
1.1.3. Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến,
các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất
khắc khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống [4]:
Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một
cố lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc
điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển
khai nút cảm biếntheo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý.
Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vì trong mạng
có một số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về
phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở
những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với

môi trường…
Dễ triển khai (Deployment): Là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm
biến không dây. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như 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 hưởng
trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn.Lúc này, mạng
cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.
6


Cấu hình mạng cảm biến (Network topology): Trong mạng cảm biến,
hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được
triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút (1feet = 30.48 cm). Mật độ các nút
lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một
cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không
dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng
giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực
hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào
thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng Ad hoc, mỗi một
nút đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu.Sự trục trặc của một vài
nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định
tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng.Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng
lượng đóng một vai trò quan trọng.
Bảo mật (security): Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát
môi trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng. Các
hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về
nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể được sử dụng để
sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ
bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên

rất quan trọng. Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ
liệu truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng
ứng dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và
băng thông. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều
đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời
gian sống mong đợi.

7


1.1.4. Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây
Mạnh cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằng
sóng vô tuyến. Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng
nhất định. Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong WSN, có thể nhận thấy
các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai
vai trò:
+ Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn –sources).
+ Thiết bị nhận thông tin (thiết bị đích –sink)
Các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Sources
hoặc thiết bị Sink tùy vào từng kiến trúc của mạng. Ngoài ra, thiết bị sink còn có thể
là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chức năng liên kết mạng
WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có
chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về
phòng trung tâm.
Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước
single-hop và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop). Một WSN có thể sử dụng một
trong hai kiểu cấu trúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai [5].
1.1.4.1. Kiến trúc đơn bước (single-hop)
Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên
kết mà trong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò

thiết bị nguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích. Thiết bị đích và thiết
bị nguồn luôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau.

8


Hình 1.3. Kiến trúc mạng đơn bước [5].
1.1.4.2. Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)
Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết
mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai
trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một
hay nhiều nút cảm biến khác hoạt động với cai trò như một tram trung gian, chuyển
tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết
bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác.

Hình 1.4. Kiến trúc mạng đa bước.

9


1.1.4.3. Kiến trúc mạng hỗn hợp
Tổ hợp cả hai kiểu kiên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến
cho kiến trúc mạng WSN linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp. Khi
đó ta có kiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source).

Hình 1.5. Kiến trúc mạng hỗn hợp.
1.1.5. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây
1.1.5.1. Lớp vật lý (physical layer)
Lớp vật lý là lớp có liên quan chủ yếu nhất tới việc điều chế - giải điều chế
của tín hiệu số và qui định tần số sóng mang. Tín hiệu số (dạng nhị phân) được điều

chế và giải điều chế thông qua các bộ phận truyền/nhận (transceiver) sóng vô tuyến.
Lớp vật lý quyết định phương pháp mã hóa tín hiệu (FSK hay PSK), điều chế/giải
điều chế tín hiệu (điều chế tần số hay điều chế biên độ vào sóng mạng), tần số sóng
vô tuyến, tần số truyền/nhận sóng vô tuyến, tần số truyền nhận, độ tin cậy, độ an
toàn và chính xác của dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố nói trên.

10


Ngoài ra, một vấn đề cần lưu ý là tần sô sóng mang, giá trị tần sô sóng mang
phụ thuộc vào công nghệ không dây được sử dụng trong lớp vật lý. Tần số sóng
mang có ảnh hưởng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và
khả năng xuyên qua các chướng ngại vật như tường, gỗ …
Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý có ảnh hưởng trực
tiếp về năng lượng sử dụng và giá thành của một nút cảm biến trong mạng cảm biến
không dây cũng như độ tin cậy, độ bền vững thông tin của quá trình truyền và nhận
dữ liệu.
1.1.5.2. Lớp MAC
Giao thức truy cập đường truyền – Medium Access Control (MAC) là giao
thức nằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vì vậy giao thức MAC có ảnh hưởng rất
lớn và rất quan trọng bởi những đặc tính của nó. Nhiệm vụ của giao thức MAC là
điều chỉnh việc truy cập vào đường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho
các nút có thể truy cập đường dùng chung một cách hợp lý và đúng lúc đường
truyền rảnh rỗi nhất để thực hiện việc truyền thành công.
Trong mô hình tham chiếu OSI, giao thức MAC được biết đến như là một
phần nằm ở lớp liên kết dữ liệu – Data link layer (DLL). Tuy nhiên, có sự phân chia
công việc một cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL. Giao thức
MAC xác định cho một nút trong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường
truyền chung rảnh rỗi) mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể truy cập đường
truyền để thực hiện việc nhận dữ liệu, điều khiển hoặc quản lý các gói dữ liệu tới

một nút khác trong mạng hay thậm chí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút
trên mạng (broadcast, multicast). Hai nhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của
lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi và điều khiển luồng thông tin. Điều khiển
lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúng đắn của quá trình truyền thông tin, và
đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin
hay hủy bản tin. Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của việc

11


truyền dữ liệu để tránh trường hợp việc nhận dữ liệu ở thiết bị nhận chậm hơn, có
thể khiến thông tin bị ghi đè mất
Có rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chúng ta đã biết như
CDMA, CSMA, TDMA…, phần này chỉ tập trung vào giao thức truy nhập đường
truyền MAC trong WSN. Giao thức MAC trong WSN ngoài các nhiệm vụ và đặc
tính nói chung, còn có thêm một số yêu cầu dành riêng cho ứng dụng trong mạng
cảm biến không dây. Yêu cầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiển truy nhập
đường truyền với mục tiêu tiêu thụ ít năng lượng nhất. Việc thực hiện yêu cầu này
khiến cho giao thức MAC trong WSN trở nên tương đối mới so với các giao thức
MAC kinh điển đã biết như CSMA, các giao thức nói trên không bao gồm điều
khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Một yêu cầu nữa cho giao thức
MAC đó là tính kinh tế và tính bền vững khi kiến trúc mạng thay đổi thường xuyên
(sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay bớt đi nút cảm biến trong mạng, do nút cảm
biến chuyển trạng thái hoạt động, bị chết hoặc bị hết pin) Với các yêu cầu riêng biệt
dành cho WSN, hầu hết các giao thức MAC trong WSN đều có thêm khả năng giải
quyết các vấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe trộm (overhearing),
protocol overhead, nghe trong khi ngủ (idle listening).
Collision: Vấn đề xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho dữ liệu nếu có nhận
được cũng không còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại dữ liệu do đó gây tiêu tốn
năng lượng. Giao thức MAC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng cách sử

dụng kết hợp các thuật toán truy cập đường truyền phù hợp.
Overhearning: Khi dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích trong một
liên kết, dữ liệu chỉ có ý nghĩa đối với nút đích. Tuy nhiên vấn đề gặp phải là do tất
cả các thiết bị trong cùng một mạng đều có chung tần số sóng vô tuyến và trao đổi
với nhau trong một vùng không gian dùng chung, dẫn đến trường hợp không chỉ nút
đích mới nhận được dữ liệu mà các nút lân cận trong mạng cũng có thể nhận được
dữ liệu này. Năng lượng tiêu tốn cho quá trình nhận dữ liệu là đáng kể. Vì vậy để

12


tránh trường hợp nhận nhầm dữ liệu không có ý nghĩa, mỗi thiết bị trong mạng có
một địa chỉ truy cập đường truyền, gọi là địa chỉ MAC.
Protocol Overhead: sử dụng thêm các byte để đánh dấu bản tin, hoặc đánh
dấu việc truyền dữ liệu, ví dụ như sử dụng các gói RTS, CTS hoặc các gói yêu cầu
hay các phần đánh dấu đầu của các gói dữ liệu.
Idle listening: một nút mặc dù ở trạng thái ngủ vẫn luôn sẵn sàng để nhận các
gói dữ liệu, tuy nhiên nút này không thể nhận dữ liệu ngay tại thời điểm nút đang
được ngủ. Muốn nhận dữ liệu, nút phải thức dậy ra khỏi trạng thái ngủ. Vì vậy, nếu
có bản tin gửi đến nút ở thời điểm nút đang trong trạng thái ngủ thì nút có thể không
nhận được bản tin này chính xác. Thông thường, với các bộ điều chế/giải điều chế
sóng vô tuyến, trạng thái ngủ vẫn tiêu tốn năng lượng một cách đáng kế. Giải pháp
đưa ra cho trường hợp này là tắt bộ truyền/nhận, tuy nhiên cũng phải tốn một phần
năng lượng khi thay đổi trạng thái hoạt động (từ bật thành tắt hay ngược lại) của các
bộ truyền/nhận. Tần số sóng vô tuyến của các bộ truyền/nhận cũng phải được giữ
lại ở mức “hợp lý” khi tiến hành tắt các bộ truyền/nhận.
1.1.6. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.1.6.1. Ứng dụng trong công nghiệp
- Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng
thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất

- Giám sát hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí của các toà nhà.
1.1.6.2. Y tế và giám sát sức khoẻ
- Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả
năng giao tiếp cho người khuyết tật
- Giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân bên trong bệnh viện.
1.1.6.3. Ứng dụng trong dân dụng
- Hệ thống nhà thông minh, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh.
- Hệ thống giao thông thông minh.

13


1.1.6.4. Ứng dụng trong quân sự
- Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính
xác khi ném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch.
- Cảm biến môi trường: phát hiện mìn, chất độc.
- Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự.
1.1.6.5. 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 kịp thời.
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể kiểm tra độ ẩm trong đất, sự
tăng trưởng của cây.

Hình 1.6. Ứng dụng trong nông nghiệp.
Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để
cảnh báo cháy rừng.

14

Các nút cảm biến cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám
sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng.
1.2. Tổng quan về công nghệ ZigBee
1.2.1. Giới thiệu về công nghệ ZigBee
Tên gọi ZigBee được xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những
thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc
“Zig-Zag” của loài ong “honey Bee”. Tên của công nghệ này được hình thành từ
việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết
cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề
nào đó.
Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần
không đăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng
dụng công nghiệp, khoa học và y tế. Tần số 2.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế
giới, tần số 915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu. Tốc độ dữ liệu đạt
250Kbps ở 2.4GHz, 40kbps ở 915MHz và 20kbps ở 868MHz [6].

Hình 1.7. Băng tần của chuẩn ZigBee [6].

15


Bảng 1.1: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Bảng 1.2: Các kênh truyền và tần số của ZigBee
Tần số trung tâm (MHz)

Số lượng kênh (N)

Kênh

868

1

0

915

10

1 – 10

2450

16

11 – 26

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE
802.15.4 MAC/PHY. ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của
802.15.4 để hỗ trợ khả năng nâng cao định tuyến mạng lưới. Chuẩn ZigBee 1.0
được phê chuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee
Alliance. Đến nay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm.
ZigBee ra đời và được phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home
automation), năng lượng thông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và
giám sát y tế.
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng
lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều
khiển từ xa và tự động hóa. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền
tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có

thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin
như Bluetooth. Bảng so sánh giữa chuẩn ZigBee với chuẩn Bluetooth như sau [7]:

16