Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

TRẦN DOÃN TUẤN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Trần Doãn Tuấn

KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

2009
HÀ NỘI – 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------

Trần Doãn Tuấn

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính và truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Kim Khánh

HÀ NỘI – 2011


Lời cảm ơn

Em xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo
Viện Công nghệ thông tin và truyền thông Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã
truyền thụ kiến thức và giúp đỡ em trong
quá trình học tập và nghiên cứu tại trờng.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới
TS. Nguyễn Kim Khánh đã định hớng và
tận tâm hớng dẫn em trong quá trình thực
hiện luận văn cao học này.
Hà Nội tháng 9 -2011
Học viên: Trần Doãn Tuấn


Luận văn thạc sĩ khoa học

LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Trần Doãn Tuấn – cam kết luận văn thạc sĩ khoa học này là công trình
nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Kim Khánh.
Những điều trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và không phải là
sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 26 tháng 9 năm 2011

Trần Doãn Tuấn

5


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa .............................................................................................................1
Lời cam đoan ..............................................................................................................5
Danh mục các chữ viết tắt ..........................................................................................6
Danh mục các bảng ....................................................................................................7
Danh mục hình vẽ ......................................................................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN.............................................12
1.1. Giới thiệu............................................................................................................12
1.2. Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến...............................................................13
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến ..............................17
1.2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến...................................................................21
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây..........................................................22
1.3.1. Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia ........................................25
1.3.2. Ứng dụng trong môi trường....................................................................27
1.3.3. Ứng dụng trong thương mại ..................................................................29
1.3.4. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe .......................................................30
1.3.5. Ứng dụng trong gia đình ........................................................................30
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN MẠNG CẢM BIẾN .....................................32
2.1. Node ..................................................................................................................32

2.2. Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến và các tiêu chuẩn áp dụng ............................34
2.2.1. Chuẩn Bluetooth ....................................................................................36
2.2.2. Chuẩn WLAN ........................................................................................37
2.2.3. Chuẩn Zigbee .........................................................................................39
2.2.3.1. Topology ....................................................................................40
2.2.3.2. Tầng vật lý ..................................................................................41
2.2.3.2. Tầng MAC .................................................................................44
2.2.3.3. Tầng mạng ..................................................................................46
2.2.3.4. Tầng ứng dụng ...........................................................................49
3


Luận văn thạc sĩ khoa học

2.3. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây ....................................................50
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH KHÔNG GIAN THÔNG MINH: PHÁT TRIỂN HỆ
THỐNG XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG TRONG CÁC NGÂN HÀNG DỰA TRÊN
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........................................................................54
3.1. Giới thiệu về hệ thống xếp hàng tự động ..........................................................54
3.2. Hoạt động của hệ thống xếp hàng tự động ........................................................57
3.2.1. Quy trình của khách hàng ......................................................................57
3.2.2. Chức năng hệ thống xếp hàng tự động ..................................................57
3.3. Phân tích, thiết kế hệ thống ................................................................................59
3.3.1. Mô hình tổng quan hệ thống ..................................................................59
3.3.2. Thiết kế cơ sở dữ liệu ............................................................................60
3.4. Thử nghiệm ........................................................................................................62
3.4.1. Cài đặt phần mềm, môi trường phát triển ..............................................62
3.4.2. Kết quả thử nghiệm ................................................................................63
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU .......................................69
4.1. Kết quả đạt được ...............................................................................................69

4.2. Khó khăn và hạn chế .........................................................................................69
4.3. Hướng phát triển ...............................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................71

4


Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

AODV

Ad hoc On Demand Distance Vector

AP

Access Point

CCA

Clear Channel Assessment

CSDL

Cơ sở dữ liệu

CSMA-CA

Carrier Sence Multiple Access – Collision Avoidance

ED

Energy Detection

FFD

Full-Function Device

FIFO

First In First Out

ID

Identification

ISM

Industrial, Scientific and Medical

LQI

Link Quanlity Indication

LW-WPAN

Low-rate Wireless Personal Area Network

MAC

Media Access Control

OS

Operating System

PAN

Personal Area Network

PPDU

Physical Protocol Data Unit

QMS

Queue Managerment System

RF

Radio Frequency

RFD

Reduced-Function Device

SHR

Synchronization Header

WSN

Wireless Sensor Network

6


Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: So sánh một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến .............................................36
Bảng 2.2: Dải tần số vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4........................................42
Bảng 2.3: Các kênh truyền dẫn vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 .......................43
Bảng 3.1: Bàn phục vụ .............................................................................................61
Bảng 3.2: Khách hàng ..............................................................................................62
Bảng 3.3: Các dịch vụ ..............................................................................................62
Bảng 3.4: Quan hệ dịch vụ - bàn ..............................................................................62

7


Luận văn thạc sĩ khoa học

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến .........................................................13
Hình 1.2: Ví dụ về nút cảm biến ..............................................................................15

Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến ................................................................................15
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến .........................................................16
Hình 1.5: Cấu trúc mạng cảm biến ...........................................................................18
Hình 1.6: Cấu trúc mạng cảm biến loại 1 .................................................................21
Hình 1.7 : Cấu trúc mạng cảm biến loại 2 ...............................................................22
Hình 1.8: Phát hiện và theo dõi mục tiêu .................................................................26
Hình 1.9: Theo dõi các điều kiện môi trường ...........................................................28
Hình 1.10: Theo dõi và cảnh báo cháy rừng ............................................................29
Hình 1.11: Ứng dụng mạng cảm biến trong y tế.......................................................30
Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến - nhà thông minh .........................................31
Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến - phần cứng ..................................33
Hình 2.2: Cấu tạo cơ bản của một nút cảm biến – phần mềm .................................34
Hình 2.3: Một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến ...........................................................35
Hình 2.4: Cấu trúc phân lớp giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee ................................40
Hình 2.5: Topology mạng Zigbee ............................................................................41
Hình 2.6: Dải tần số theo IEEE 802.15.4..................................................................42
Hình 2.7: Khung tin PPDU .......................................................................................44
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống xếp hàng tự động .............................................................56
Hình 3.2: Luồng xử lý của hệ thống: khách hàng lấy số ..........................................58
Hình 3.3: Luồng xử lý của hệ thống: nhân viên gọi số phục vụ ...............................58
Hình 3.4: Chức năng xử lý tại trung tâm ..................................................................59
Hình 3.5: Kiến trúc hệ thống.....................................................................................59
Hình 3.6: Mô hình thực thể/liên kết .........................................................................61
Hình 3.7: Màn hình hiển thị trung tâm......................................................................63
Hình 3.8: Màn hình lấy số phục vụ ..........................................................................64
Hình 3.9: Chức năng lấy số ......................................................................................65

8

Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 3.10: Màn hình bàn phục vụ ............................................................................65
Hình 3.11: Chức năng gọi số phục vụ ......................................................................66
Hình 3.12: Màn hình quản trị bàn ............................................................................67
Hình 3.13: Màn hình quản trị dịch vụ ......................................................................67
Hình 3.14: Màn hình chức năng báo cáo .................................................................68

9


Luận văn thạc sĩ khoa học

MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước hiện nay, ngành
Công nghệ thông tin và truyền thông ngày càng phát triển, tiếp tục khẳng định được
vai trò quan trọng của mình trong đời sống kinh tế xã hội. Nhiều ứng dụng có hàm
lượng khoa học và tính ứng dụng cao đã được đưa vào thực tiễn, giúp cải tiến các
quy trình sản xuất, nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động của con người.
Nhu cầu về các hệ thống thu thập số liệu và điều khiển ứng dụng trong sản
xuất cũng như trong cuộc sống là rất lớn. Tuy nhiên, một trong những vấn đề đặt ra
là khó khăn khi triển khai các hệ thống này trên những địa hình phức tạp hoặc trên
hạ tầng các nhà máy, khu dân cư, bệnh viện, trường học… đã được xây dựng từ
trước nếu sử dụng các công nghệ mạng dây như Ethernet, RS485, CAN …
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, sự ra đời của công nghệ mạng
không dây đã giải quyết được vấn đề này. Mạng cảm biến không dây (WSN) sử
dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa dạng và không dựa
trên bất kỳ cơ sở hạ tầng đã có từ trước. Không giống những hệ thống có dây truyền
thống, chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu. Thay vì hàng ngàn mét dây dẫn
thông qua các ống dẫn bảo vệ, việc triển khai mạng đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn

vào nơi cần thiết. Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách thêm các thiết bị, không
cần các thao tác phức tạp. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm chỉ
với một nguồn pin duy nhất.
WSN ngày càng phát triển không ngừng và được ứng dụng rất nhiều vào
cuộc sống. Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây mà chúng ta có thể thấy rõ
nhất như là: điều khiển và giám sát công nghiệp, nhà điều khiển tự động và điều
khiển điện tiêu dùng tự động, thu thập thông tin trong an ninh và quân đội, theo dõi
sức khỏe trong y tế...
Bản luận văn “Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông
minh” tập trung nghiên cứu một cách tổng quát về WSN và ứng dụng của nó vào

10


Luận văn thạc sĩ khoa học

các mô hình không gian thông minh. Toàn bộ nội dung luận văn được trình bày qua
4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến: Trình bày những khái niệm chung
nhất về WSN và cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. Đồng thời cũng nêu ra các ứng
dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực như: quân sự và an ninh quốc gia, môi trường,
thương mại, chăm sóc sức khỏe, gia đình …
Chương 2: Kỹ thuật cơ bản mạng cảm biến không dây: Chương này trình bày
các vấn đề kỹ thuật cơ bản của mạng cảm biến không dây: nút mạng cảm biến, các
chuẩn truyền dẫn không dây và hệ điều hành cho mạng cảm biến. Ở đây tập trung
trình bày sâu về giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee vì đặc điểm của công nghệ này là
tiêu hao ít năng lượng, chi phí triển khai thấp, tuy tốc độ truyền tin không cao
nhưng đây là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và
tự động hoá nên được áp dụng có hiệu quả trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Chương 3: Trình bày một trong những ứng dụng thực tiễn của mạng cảm

biến không dây đó là phát triển hệ thống xếp hàng tự động trong các ngân hàng dựa
trên công nghệ mạng cảm biến không dây. Trong chương này tác giả giới thiệu về
hệ thống xếp hàng tự động, những ưu điểm khi phát triển hệ thống dựa trên công
nghệ của mạng cảm biến không dây. Đồng thời, tác giả luận văn cũng đã phân tích
về cấu trúc của mạng và thiết kế cơ sở dữ liệu cũng như viết một phần mềm mô
phỏng hoạt động của hệ thống.
Chương 4: Kết quả đạt được và hướng phát triển.

11


Luận văn thạc sĩ khoa học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
1.1. Giới thiệu.
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự
thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do
thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của
máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý
thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe
cộ…
Hơn nữa, cùng với sự tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực kỹ thuật vi điện
tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần
cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước
nhỏ, đa chức năng, giá thành và công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng
dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ
có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây,
có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu

để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường mà nó cảm nhận.
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm: Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ
giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các
nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng, có thể từ nano (1 – 100nm)
đến macro (vài mm – m)
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian tồn tại của các nút cảm biến hay chính là sự
giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp, hoạt động có giới hạn và nói chung là không thể thay thế được nguồn cung
cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được các dịch vụ chất
lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên vào bảo toàn
công suất.
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
12


Luận văn thạc sĩ khoa học

•

Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con
người

•

Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
nhiều chặng.

•

Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến

•

Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng
ở các nút

•

Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
toán.

Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu
thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến.
1.2. Đặc trưng và cấu hình mạng cảm biến.

Kết nối không
dây

Cảm biến
Nút tập hợp/ Xử lý dữ
liệu tức thì (Clustering

Truyền một
chặng

Truyền nhiều
chặng

Nút tập hợp/ Xử lý dữ

liệu tức thì (Clustering
Kết nối có dây
hoặc không
dây
Trường cảm
biến
Tập hợp và xử lý dữ liệu
cuối

Hình 1.1: Cấu trúc chung của mạng cảm biến

13


Luận văn thạc sĩ khoa học

4 thành phần cơ bản tạo nên mạng cảm biến:
• Các sensor (cảm biến) được phân bố theo mô hình tập trung hay rải rác.
• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến
• Trung tâm tập hợp dữ liệu (clustering)
• Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
Mỗi một nút mạng thường có chức năng cảm biến: 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 ... Các nút giao tiếp không dây với nhau và truyền dữ liệu
về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật truyền một chặng hoặc
nhiều chặng.
Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục
(không hẳn với tracking và localization aplication). Do vậy để tiết kiệm năng lượng,
các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái
nghỉ (sleep mode) khác nhau. Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn

hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều.
Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt 1 mạng cảm biến và 1 mạng
không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình
mạng (topology), lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái
hoạt động (active mode).
Mỗi nút trong WSN thông thường bao gồm 2 phần: phần cảm biến (sensor)
hoặc điều khiển và phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver). Do số lượng nút trong
WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1
nút mạng là giá thành thấp (10 - 50 usd) và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài
đến vài chục cm2).

14


Luận văn thạc sĩ khoa học

Hình 1.2: Ví dụ về nút cảm biến
Cấu tạo nút cảm biến gồm 4 thành phần cơ bản như ở hình minh họa:

Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến
15


Luận văn thạc sĩ khoa học

- Đơn vị cảm biến (sensing unit)
- 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:

hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ
phận di động (mobilizer/actuator).
Kiến trúc giao thức mạng

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình
(1.4). 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. Có các mặt phẳng là: Mặt phẳng quản lý năng lượng (Power
Managerment), mặt phẳng quản lý di động (Mobility Managerment), mặt phẳng
quản lý tác vụ (Task Managerment), và có các lớp là: Lớp vật lý (physical), lớp liên
kết dữ liệu (data link), lớp mạng (network), lớp giao vận (transport), lớp ứng dụng
(application). Cụ thể như sau:
Mặt phẳng quản lý năng lượng: 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.
16


Luận văn thạc sĩ khoa học

Khi mức năng lượng của nút cảm biến giảm xuống dưới một giá trị nhất định, nó sẽ
thông báo sang các nút cảm biến bên cạnh 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. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
Mặt phẳng quản lý tác vụ: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các
nút trong từng nhiệm vụ, từng vùng cảm biến cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm
biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
Lớp vật lý : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện

tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng
rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét
ở lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi
trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập
môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá
việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên
tắc sau: Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng. Mạng cảm
biến chủ yếu là tập trung dữ liệu. Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không
cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến.
Lớp truyền tải : chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông
qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
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.
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad-hoc không dây không
dùng được đối với mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau: Số lượng các nút
cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng
ad-hoc. Các nút cảm biến dễ bị lỗi.
17


Luận văn thạc sĩ khoa học

Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên. Các nút cảm biến chủ
yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad-hoc đều
dựa trên việc truyền điểm-điểm. Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả
năng tính toán và bộ nhớ. Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu

(global identification, ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng
lớn các nút cảm biến.
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
•

Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.

• Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
• Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
• Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến như hình (1.5). Mỗi một
nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.

Hình 1.5: Cấu trúc mạng cảm biến
Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến: Như trên ta đã biết 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 khắt khe. Do đó, cấu
18


Luận văn thạc sĩ khoa học

trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân
tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không
hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng
của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường,
duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm
biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng

con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng
mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số 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 việc triển khai sensor theo 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.
Ràng buộc về phần cứng : Vì số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các
nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải
nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,
chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát,
thích nghi với môi trường.
Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc
trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà
không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các
máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh
học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến truyền nhiều chặng, các
nút được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể
tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết
lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn được
chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến
19


Luận văn thạc sĩ khoa học

dựa vào thiết kế mạch RF (Radio Frequency – Tần số sóng vô tuyến). Những thiết
bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần
số 916MHz. Các nút trong mạng cũng có thể giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại.

Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả
hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn
thấy nhau.
Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng
trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Do số lượng các nút
cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm
tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc
xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ
máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một.
Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc
vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ
thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố,
và nhiệm vụ cụ thể.
Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút
cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức
năng.
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 (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không
thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian tồn tại của các nút cảm biến phụ thuộc
chủ yếu vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến truyền nhiều chặng ad-hoc,
mỗi một nút đóng một 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 lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay
người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để sử dụng nguồn
20

Luận văn thạc sĩ khoa học

năng lượng một cách có hiệu quả cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút
cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu
cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được
chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu
(data processing).
1.2.2. Cấu trúc của mạng cảm biến.
Tùy theo mô hình kết nối và định tuyến mà các node sử dụng mà WSNs
được phân ra làm 2 loại:
Loại 1 (C1WSNs):

Hình 1.6: Cấu trúc mạng cảm biến loại 1
- Sử dụng giao thức định tuyến động
- Các nút tìm đường đi tốt nhất đến đích
- Vai trò của nút này với nút kết tiếp như là trạm lặp (repeater)
- Kích thước mạng lớn
- Khả năng xử lý dữ liệu ở các nút chuyển tiếp

21


Luận văn thạc sĩ khoa học

- Mạng phức tạp
Loại 2 (C2WSNs):

Hình 1.7 : Cấu trúc mạng cảm biến loại 2
- Mô hình đa điểm – điểm hay điểm – điểm, sử dụng truyền dẫn một chặng.
- Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh.

- 1 nút không cung cấp thông tin cho các nút khác
- Kích thước mạng nhỏ (khoảng vài trăm m)
- Hệ thống tương đối đơn giản.
Loại 1 được áp dụng trong các ứng dụng có nhiều nút cảm biến phân tán
rộng (như hệ thống giám sát môi trường, hệ thống an ninh quốc gia …)
Loại 2 áp dụng trong các không gian nhỏ như trong ngôi nhà, trong các tòa
nhà, nhà máy, hay trên cơ thể con người…
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm biến không dây: thu thập dữ liệu môi

22


Luận văn thạc sĩ khoa học

trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng. Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của
WSN đều thuộc ba dạng này:
Thu thập dữ liệu môi trường
Mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho
nhu cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong
một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động
của môi trường. Bài toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường
xuyên cung cấp thông số môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base
station) có kết nối với trung tâm xử lý (thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử
lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số
liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói
cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít. Mạng cho ứng dụng thu thập
dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút
cha duy nhất. Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ được gửi đến
cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông),

cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc.
Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:
• Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn.
• Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động. Để mạng tiếp
tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra
các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng.
• Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết
vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất.
• Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với
bài toán truyền thông với các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh
sáng... Phần mềm phải tương thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt
động ổn định theo thời gian.

23


Luận văn thạc sĩ khoa học

Giám sát an ninh
Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm biến là giám sát an ninh. Các mạng
giám sát an ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường
liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường. Sự khác nhau
chủ yếu giữa giám sát an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không
thu thập bất kỳ dữ liệu nào. Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc
mạng. Mỗi nút thường xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ
truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh. Việc truyền tức thời và tin cậy của thông
điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống.
Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động.
Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo. Đối
với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu

trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác. Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang
hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động. Mô hình tối ưu của một mạng
giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu
Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu.
Do đó, tối ưu là cây ngắn và rộng. Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ
có mô hình mạng tuyến tính. Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con
của nó. Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng
lượng tiêu thụ của mạng.
Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo
hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an
ninh cần được truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua
mạng tới trạm gốc có ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng. Các nút mạng
cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để
chuyển tiếp dữ liệu.
Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo
quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền. Điều này do các sự kiện

24