WSN mạng cảm biến không dây và ứng dụng

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------XW-----------

LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC

WSN MNG CM BIN KHễNG DY V NG DNG

NGNH: K THUT IN T
M Số:

NGUYN TH VIT PHNG

NGI HNG DN KHOA HC: TS. NGUYN VN KHANG

Hà Nội - 2009


1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “WSN –
Mạng cảm biến không dây và ứng dụng” được viết dựa trên kết quả nghiên
cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn
Khang.
Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và
sử dụng đúng luật bản quyền quy định.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

Học viên

Nguyễn Thị Việt Phương


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
MỤC LỤC......................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................... 8
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY............... 11
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ............................................... 11
1.1.1 Tổng quan về môi trường thông minh – Hệ thống nhúng và WSN 11
1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây ..................... 15
1.1.3

Đặc điểm chung cơ bản cấu trúc mạng cảm biến: ...................... 16

1.2 Các yêu cầu cơ bản của mạng cảm biến không dây. ............................. 17
Chương 2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN ................................................. 20
2.1 Phần cứng............................................................................................... 21
2.1.1 Bộ điều khiển: .................................................................................. 23
2.1.2 Memory............................................................................................ 23
2.1.3 Thiết bị truyền thông....................................................................... 24
2.1.4 Cảm biến và bộ dẫn động ................................................................ 26
2.1.5 Nguồn cung cấp năng lượng cho các node cảm biến ...................... 27
2.2 Phần mềm - Hệ điều hành và midleware .............................................. 29
2.3 Tiêu chuẩn cho các giao thức truyền thông ........................................... 29

2.4 Định tuyến và phân phối dữ liệu........................................................... 31


3

Chương 3: CẤU TRÚC MẠNG ..................................................................... 33
3.1 Các kịch bản mạng cảm biến ................................................................ 33
3.1.1 Các loại nguồn và sink..................................................................... 33
3.1.2 Mạng single hop và multihop .......................................................... 34
3.1.3 Nhiều sink và nhiều nguồn ............................................................. 36
3.2 Mục tiêu tối ưu và hệ số phẩm chất ...................................................... 39
3.2.1 Chất lượng dịch vụ.......................................................................... 39
3.2.2 Hiệu suất năng lượng ....................................................................... 41
3.2.4 Độ ổn định....................................................................................... 44
3.3 Nguyên lý thiết kế WSN ....................................................................... 44
3.3.1 Phân bố tổ chức............................................................................... 44
3.3.2 Xử lý trong mạng ............................................................................ 45
3.3.3 Tính tương thích và độ tin cậy ........................................................ 49
3.3.4 Trung tâm dữ liệu............................................................................ 49
3.4 Phân loại trúc mạng cảm biến không dây ............................................. 53
3.4.1 Loại 1(C1WSN):.............................................................................. 53
3.4.2 Loại 2(C2WSN):.............................................................................. 54
Chương 4: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY.............................. 57
4.1

Quá trình truyền sóng : ....................................................................... 57

4.2

Điều chế tín hiệu:................................................................................ 59

4.3

Các công nghệ không dây:.................................................................. 60

4.3.1

Bluetooth: ..................................................................................... 61

4.3.2

WLAN:......................................................................................... 62


4

4.3.3

ZigBee: ......................................................................................... 64

Chương 5: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...................... 67
5.1

Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN):............................... 67

5.1.1

Ứng dụng quân sự, an ninh và thiên nhiên: ................................. 68

5.1.2

Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan: ............... 69

5.2

Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN: ................................................ 70

5.2.1

Điều khiển các thiết bị trong nhà: ................................................ 71

5.2.2

Các tòa nhà tự động: .................................................................... 72

5.2.3

Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp: ............................. 73

5.2.4

Các ứng dụng trong y học: ........................................................... 74

5.3 Ứng dụng điều khiển hệ thống HVAC ................................................ 75
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 84
TÓM TẮT ....................................................................................................... 85
SUMMARY .................................................................................................... 86

5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledge

Gói xác nhận đúng

AES

Advanced Encryption Standard

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

API

Application Programming
Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

APS

Application Support Sublayer

Lớp phụ cung cấp ứng dụng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

BE

Back-off Exponent

Thời gian chờ để được truy
cập

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát cơ sở

CAP

Contention Access Period

Thời gian tranh chấp truy
cập

CCA

Clear Channel Assessment

Ước định kênh truyền trống

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
mã

CFP

Contention Free Period

Thời gian tranh chấp tự do

CID

Cluster Identity

Mã xác nhận Cluster

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm biến sóng
mang

CSMA/C Carrier Sense Multiple Access
D
with Collision Detection

Đa truy nhập cảm biến sóng
mang và phát hiện đụng độ

CTS

Clear to send

Sẵn sàng nhận

CW

Congestion Window

Cửa sổ tranh chấp

DCE

Data Circuit-Terminating
Equipment

Thiết bị kết cuối kênh số
liệu

DSSS

Direct-Sequence Spread
Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

6

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị đầu cuối

DTMC

Discrete-Time Markov Chain

Chuỗi Markov thời gian rời
rạc

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo
tần số

FFD

Full-Function Device

Thiết bị chức năng đầy đủ

GTS

Guaranteed Time Slot

Khe thời gian đảm bảo

HbH

Hop-by-Hop

Truyền từng bước

IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IrisNet

Internet-Scale ResourceIntensive Sensor Networks
Services

Dịch vụ mạng cảm biến tài
nguyên liên mạng

ITU

International

Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LAN

Local Area Network

Mạnh nội bộ

LEACH

Low-Energy Adaptive Clustering Cấu trúc phân bậc tương
Hierarchy
thích, năng lượng thấp

LQI

Link Quality Indicator

Bộ chỉ thị chất lượng liên kết

LRWPAN

Low Rate Wireless Personal
Area Networks

Mạng WPAN tốc độ thấp

MAC

Medium access control

Điều khiển truy cập môi
trường

MANET
s
MIB

Mobile ad hoc Network

Mạng ad hoc di động

MiLAN
NAV
NB
NM

Management Information Base
Cơ sở thông tin quản lý
Middleware Linking Application Phần mềm liên kết ứng dụng
and Network
và mạng
Network Allocation Vector
Number of Back-off
Network Management

Vector phân phối mạng
Số lần back-off

Quản lý mạng


7

NMS
OS
PAN

Network Management System
Operating System
Personal Area Network

PEGASI
PHY
PSDU
RED
RF
RFD
RFICs

Power-efficient Gathering in
Physic Layer
PHY Service Data Unit
Receiver Energy Detection
Radio Frequency
Reduced-Function Device
Radio Frequency Intergrated

RFID

RTS
RVF
SAP
S-MAC
SMACS
SNMP

Hệ thống quản lý mạng
Hệ điều hành
Mạng cá nhân

Tập trung hiệu suất trong
Lớp vật lý ế
Đơn vị dữ liệu lớp vật lý
Phát hiện năng lượng máy
Tần số vô tuyến
Thiết bị chức năng hạn chế
Mạch tích hợp tần số vô
ế
Radio Frequency Identify Device Thiết bị nhận dạng bằng
sóng vô tuyến

Ready to send
Routing Vector Field
Service access point
sensor MAC
Self-Organizing Medium Access
C
l Network
f S

Simple
Management
Sensor Protocols for Information
via Negotiation

Sẵn sàng gởi
Trường vector định tuyến
Điểm truy cập dịch vụ
Giao thức MAC cho cảm
ế khiển truy cập tự sắp
Điều
ế hthức quản ảlý mạng
biế đơn
Giao
Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự thỏa thuận

STEM

Sparse Topology and Energy
Management

Quản lý năng lượng và cấu
hình rải rác

TDD
TDMA
TOM
TS

Time Division Duplex
Time Division Multiple Access
Telecom Operation Map
Timeslot

UDP

User Datagram Protocol

Song công phân chia thời
Đa truy cập phân chia theo
Lược đồ các hoạt động viễn
Khe thời gian
Giao thức cho dịch vụ truyền
datagram

WAN
WPAN
WSN
ZDO

Wide Area Networks
Wireless Personal Area Network
Wireless Sensor Networks
ZigBee Device Object

SPIN

Mạng diện rộng
Mạng không dây cá nhân

Mạng cảm biến không dây
Đối tượng thiết bị ZigBee


8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Tương quan giữa các loại ăc quy chính và ăc quy dự phòng ......... 28
Bảng 2. 2 Các giao thức có thể sử dụng cho WSN lớp thấp hơn.................... 31
Bảng 3. 1 Truy vấn cảm biến bằng SQL......................................................... 53
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 
Hình 1. 1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây ............................... 14
Hình 2. 1 Phân bố các node trong trường cảm biến........................................ 20
Hình 2. 2 Các thành phần trong một node ...................................................... 21
Hình 2. 3 Cấu trúc các thành phần node cảm biến.......................................... 22
Hình 2. 4 Giao thức chung cho mạng cảm biến.............................................. 30
Hình 3. 1 Mô hình nguồn và sink trong mạng cảm biến................................. 34
Hình 3. 2 Mạng multihop ................................................................................ 34
Hình 3. 3 Các tình huống nhiều nguồn và nhiều sink..................................... 36
Hình 3. 4 Sink di động trong mạng cảm biến ................................................. 38
Hình 3. 5 Vùng các node cảm biến dò sự kiện di chuyển của voi .................. 39
Hình 3. 6 Ví dụ về kết hợp trong WSN........................................................... 46
Hình 3. 7 Mô hình 1WSN liên kết muiltipoit to point, định tuyến động........ 54
Hình 3. 8 Mô hình 2 WSN point to point, star định tuyến tĩnh ...................... 55
Hình 4. 1 Mô hình truyền sóng ....................................................................... 57


9

Hình 4. 2 Minh họa quá trình truyền sóng ...................................................... 59

Hình 4. 3 Sơ đồ đánh giá hiệu quả các kỹ thuật điều chế số .......................... 60
Hình 4. 4 Đồ thì so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến ........ 61
Hình 4. 5 Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống ........ 63
Hình 4. 6 Băng tần IEEE 802.11 b/g............................................................... 64
Hình 4. 7 Mô hình giao thức ZingBee ............................................................ 65

Hình 5. 1 Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng ............................................. 69
Hình 5. 2 Ứng dụng trong quân sự.................................................................. 69
Hình 5. 3 Hệ thống cảm biến trên đường cao tốc. .......................................... 70
Hình 5. 4 Thời gian hoạt động của pin trong BT và ZigBee ......................... 71
Hình 5. 5 Các ứng dụng điều khiển................................................................. 72
Hình 5. 6 Điều khiển ánh sáng trong phòng ................................................... 73
Hình 5. 7 Các ứng dụng trong công nghiệp .................................................... 73
Hình 5. 8 Ứng dụng trong y học ..................................................................... 74
Hình 5. 9 Sơ đồ bố trí các vùng trong tòa nhà ................................................ 76
Hình 5. 10 Tmote cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ quang và bức xạ phân
cực ................................................................................................................... 78
Hình 5. 11 NSLU2 mặt trước và sau với 02 cổng USB và 1 cổng Ethernet .. 78
Hình 5. 12 Giao tiếp giữa bộ dẫn động HVAC và bộ ổn nhiệt....................... 79
Hình 5. 13 Thiết kế cửa thông gió Tmode điều khiển motor.......................... 80
Hình 5. 14 Cấu trúc server và client nhúng không dây................................... 80
Hình 5. 15 Cấu trúc phần mềm hệ thống server – client................................. 81


10

LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp
với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến
mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao.

Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện
từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar
và cảm biến định vị dẫn đường.
Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm
kích thước, trọng lượng và chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả năng
hoạt động và độ chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ
có thể tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng và
thời gian sống.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong
khoa học và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi
trong các ứng dụng liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc
sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng
cao chất lượng cuộc sống và kinh tế…Với mục tiêu giảm giá thành và tăng
hiệu quả trong công nghiệp và thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ
mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc
sống cho con người.
Trên xu hướng phát triển chung đó, đồ án giới thiệu về mạng cảm biến
không dây, cấu trúc và ứng dụng của mạng trong cuộc sống hiện nay.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo – Tiến sỹ Nguyễn Văn Khang đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài này.


11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Sự phát triển của khoa học, công nghệ không nằm ngoài mục đích tạo
ra các sản phẩm nhằm đáp ứng các yêu cầu cải thiện đời sống con người. Do
đó, xu hướng công nghệ thường được hình thành và phát triển dựa trên nhu
cầu thực tế của các ứng dụng… và mạng cảm biến không dây (WSN) cũng

không nằm ngoài quy luật đó.
Sự hội tụ của các công nghệ vi điện tử, mạch tích hợp, xử lý tín hiệu…
đã cho phép tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ đáng kể, thực hiện nhiều
chức năng khác nhau với năng lượng tiêu hao thấp… tạo điều kiện cho việc
triển khai các ứng dụng về mạng cảm biến không dây: theo dõi sự thay đổi
của môi trường, khí hậu, giám sát, cảnh báo các hiện tượng thiên tai, lũ lụt,
hỏa hoạn, theo dõi người bệnh…
Thông qua việc phân tích các ứng dụng cụ thể của WSN và khái quát
hóa trên nền tảng công nghệ hiện nay cũng như nhu cầu về mặt kỹ thuật, ta
có thể đưa ra các giải pháp cả phần cứng lẫn giải mạng cho mạng cảm biến
không dây.
1.1.1 Tổng quan về môi trường thông minh – Hệ thống nhúng và WSN
Ngày nay, quá trình xử lý thông tin được thực hiện trong hầu hết các hệ
thống thiết bị đa năng, từ các hệ thống mainframe thế hệ cũ cho đến các hệ
thống máy tính hiện đại. Thực chất của quá trình này là thực hiện các thao tác
điện toán xử lý thông tin trong mạng lõi để thực hiện các yêu cầu của một số
lượng lớn người dùng một cách gián tiếp thông qua việc sử dụng hệ thống
nhúng, đó là việc tích hợp việc điều khiển với các thao tác điện toán thông
qua môi trường vật lý.


12

Hệ thống nhúng (Embedded system): là một thuật ngữ để chỉ một hệ
thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ
thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ
các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều
khiển, quan trắc và truyền tin.
Từ định nghĩa trên, ta có thể thấy, hệ thống nhúng có những đặc tính
chung đó là:

Thứ nhất, các hệ thống nhúng được nối với môi trường vật lý qua các
cảm biến để thu thập thông tin từ môi trường và qua các bộ điều khiển/tác
động để điều khiển môi trường.
Thứ hai, các hệ thống nhúng phải tin cậy được, nghĩa là phải đảm bảo
về độ tin cậy, tính bảo trì, tính khả dụng, an toàn và bảo mật.
Thứ ba, các hệ thống nhúng phải có hiệu suất cao, việc đánh giá hiệu
suất của hệ thống nhúng được thể hiện qua các tiêu chí như : năng lượng,kích
thước mã chương trình/ tài nguyên sử dụng, hiệu suất lúc chạy thất, khối
lượng và giá. Cuối cùng, hệ thống nhúng phải thỏa mãn các ràng buộc về thời
gian thực, dành riêng cho các ứng dụng cụ thể và tương tác với môi trường…
Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân,
một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định,
thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc
và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng
nói chung, hệ thống nhúng chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định
nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi
phí sản xuất. Chúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn, đa
dạng, phong phú về chủng loại…, có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn
như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn


13

như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các
máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn
giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị
ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn.
Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm
tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển
chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng

là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều
thiết bị ngoại vi.
Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên hết sức phổ biến, nó không chỉ
được trang bị trong các thiết bị có kích thước lớn như máy giặt để thực hiện
các thao tác tính toán và điều khiển mà còn xuất hiện trong các thiết bị nhỏ
hơn, thậm chí là không cần thiết như hàng tạp phẩm… Bằng việc ứng dụng hệ
thống nhúng, tích hợp chức năng điều khiển và tính toán trong môi trường vật
lý, dần dần hình thành khái niệm môi trường thông minh, trong đó các thiết bị
kết hợp với nhau và xử lý thông tin từ nhiều nguồn khác nhau để điều khiển
các quá trình vật lý và tương thích với người dùng. Mối quan hệ người –
người, người – máy được thay thế bằng mối quan hệ giữa người và môi
trường vật lý, thay thế hoàn toàn việc thao tác dữ liệu bằng tay.
Quá trình này được thực hiện thông qua việc thu thập thông tin từ nhiều
nguồn khác nhau, tập trung lại và được xử lý thông qua các thao tác điện toán
kết hợp với các chức năng điều khiển… để đem lại thông tin chính xác về thế
giới thực như mong muốn. Ban đầu, điều này được thực hiện trong mạng có
dây, tuy nhiên, cùng với nhu cầu phát triển của ứng dụng thì việc giá thành
của dây dẫn, kích thước của thiết bị… trở thành vấn đề cản trở sự phát triển
của hệ thống. Mô hình mạng truyền thông không dây giữa các thiết bị là một


14

lựa chọn phát triển tất yếu. Điều này dẫn đến sự hình thành của một lớp mạng
mới: mạng cảm biến không dây (WSN).

Hình 1. 1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là mạng gồm các node cảm biến độc lập
được bố trí trong không gian, thường xuyên tương tác với nhau, với môi

trường thông qua chức năng cảm biến hoặc các tham số vật lý điều khiển và
phương thức truyền thông không dây để phối hợp, hỗ trợ lẫn nhau thực hiện
các chức năng nhất định.
Mặc dù vấn đề công nghệ đóng vai trò quyết định, tuy nhiên, nhu cầu
triển khai các hệ thống dễ lập trình, tồn tại lâu dài… là nhân tố quyết định và
quan trọng nhất đối với các ứng dụng thông thường. Bằng việc sử dụng các
công nghệ cảm biến phù hợp, các node được tích hợp các thông số cảm biến
cơ bản như: nhiệt độ, độ ẩm, thị giác, âm thanh, sự giao động, cảm biến hóa
học, cảm biến từ… được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày.


15

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây
Với việc tích hợp các thông số cơ bản trên, WSN thường được sử dụng
trong các trường hợp sau:
Các ứng dụng giảm nhẹ thiên tai: đây là ứng dụng được quan tâm
nhất trong WSN. Các cảm biến được trang bị nhiệt kế và có thể tự định vị
(thông qua quan hệ với các node khác hoặc trong tọa độ tuyệt đối) được bố trí
tại các khu vực dễ cháy như trong rừng, trên máy bay, tại nhà máy hóa chất…
chúng sẽ cung cấp sơ đồ nhiệt độ chung của khu vực cần xác định và phạm vi
vùng nhiệt độ cao thông qua các thiết bị truy cập bên ngoài (ví dụ thiết bị cứu
hỏa được trang bị PGA). Đối với các ứng dụng này, WSN có thể được coi
như sử dụng một lần với số lượng lớn, vì vậy yêu cầu giá thành thấp và không
đòi hỏi nhiều về thời gian sống.
Đối với các ứng dụng giám sát môi trường, kiểm tra thành phần đất,
các quá trình xói mòn, hay giám sát số lượng, loài động thực vật trong một
môi trường sống (bản đồ sinh thái)…thì mạng cảm biến không dây sử dụng ở
đây có đặc điểm là số lượng lớn, kích thước nhỏ để không nhìn thấy được và
không ảnh hưởng đến các động thực vật bị giám sát.

Tòa nhà thông minh để hạn chế việc lãng phí năng lượng do sử dụng
không hiệu quả hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí , WSN
được sử dụng để giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác trong tòa nhà.
Điều này làm tăng độ an toàn cho những người sống trong tòa nhà và giảm
năng lượng tiêu thụ. Cảm biến cũng được sử dụng trong tòa nhà để giám sát
mức ứng suất của máy móc thiết bị trong các vùng địa chấn. Bằng việc sử
dụng các cảm biến không dây đo các thông số cơ học như mức độ tải uốn
cong của các gầm cầu có thể xác định được mức độ an toàn để làm việc khi có
động đất hoặc sắp sập để có biện pháp ưu tiên khi giải cứu. Cũng có thể sử


16

dụng các cảm biến để tìm kiếm người bị nạn trong tòa nhà bị sập và cung cấp
thông tin cho đội cứu nạn. Ưu điểm chính ở đây là sự phối hợp của các thông
số vật lý, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các cảm biến có thể được trang bị
thêm vào các tòa nhà (kiểu ứng dụng HVAC) hay tích hợp vào cấu trúc của
tòa nhà. Đối với ứng dụng này, do không có nguồn cung cấp nên đòi hỏi cảm
biến có vòng đời lên tới vài chục năm và số lượng và giá vừa phải vì liên quan
đến giá của toàn bộ tòa nhà.
Ngoài ra, hệ thống cảm biến không dây còn được sử dụng để quản lý
các chức năng tiện ích trong tòa nhà như dùng thẻ để giám sát người ra vào
cửa và các khu vực, theo dõi phương tiện, kiểm tra rò rỉ hóa chất trong nhà
máy, trong nông nghiệp, y học, viễn tin…
1.1.3 Đặc điểm chung cơ bản cấu trúc mạng cảm biến:
Thông qua khái niệm và ứng dụng cơ bản, ta có thể thấy được một số
đặc điểm chung của WSN là:
- Các node cảm biến phân bố dày đặc: do đặc tính của mạng, các node
được phân bố dày đặc để đảm bảo việc giám sát, theo dõi các sự kiện được
chính xác, không để bỏ sót thông tin.

- Các node dễ bị hư hỏng: Các node được đặt trong phạm vi rộng lớn,
trong các môi trường khác nhau và chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố
môi trường tác động nên dễ bị hư hỏng.
- Giao thức mạng thay đổi thưởng xuyên: do một mạng có thể thực hiện
nhiều nhiệm vụ khác nhau, mỗi nhiệm vụ đòi hỏi một số giao thức thích hợp,
đồng thời, sự biến đổi của sự kiện… đòi hỏi giao thức mạng phải thay đổi đáp
ứng yêu cầu của ứng dụng.
- Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ: Đây
chính là điểm hạn chế nhất đối với WSN, các node cảm biến được phân bố


17

rộng rãi trong một phạm vi nhất định, liên lạc với nhau và với thiết bị bên
ngoài thông qua truyền thông không dây nên bị hạn chế về nguồn cung cấp,
đồng thời kích thước của node phải đủ nhỏ để không bị phát hiện…
- Các node không đồng nhất vì số lượng node là lớn, và được phân bố
không đồng đều dựa trên nhu cầu giám sát, theo dõi thực tế, hơn nữa, do hạn
chế về năng lượng và hỏng hóc… nên mật độ node cảm biến trong mạng sẽ
không đồng nhất.
Do đó, sự phát triển mạng cảm biến phải được thực hiện dựa trên cải
tiến về cảm biến, thông tin và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu , phần cứng
và phần mềm)... để đáp ứng yêu cầu cơ bản của các ứng dụng.
1.2 Các yêu cầu cơ bản của mạng cảm biến không dây.
Do các yếu tố trên ảnh hưởng đến tính chất, đặc trưng của mạng cảm
biến không dây. Vì vậy, để mạng thực sự đáp ứng yêu cầu của ứng dụng cụ
thể, cần phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản về chất lượng dịch vụ, thời gian
sống, mật độ…
Loại hình dịch vụ: loại hình dịch vụ được quy ước trong mạng truyền
thông là việc di chuyển một bit từ vị trí này tới vị trí khác. Đối với mạng cảm

biến không dây, khái niệm này không mang ý nghĩa cụ thể. WSN được tạo ra
để cung cấp các thông tin có nghĩa và thực hiện các nhiệm vụ, hơn nữa các
khái niệm như mục đích của các tương tác trong một không gian và thời gian
xác định là rất quan trọng. Do đó mô hình mạng mới đòi hỏi các giao diện
mới và cách nhìn mới về các loại hình dịch vụ.
Chất lượng dịch vụ có quan hệ chặt chẽ với loại hình dịch vụ. Các yêu
cầu về giới hạn trễ hay băng thông tối thiểu trong các dịch vụ đa phương tiện
truyền thống không có ý nghĩa đối với các ứng dụng có giới hạn trễ hay băng
thông ban đầu rất bé. Trong một số trường hợp khi phân chia các gói nhiều


18

hơn cần thiết hoặc yêu cầu rất cao về độ tin cậy hay khi cơ cấu truyền được
điều khiển trực tiếp theo thời gian thực thông qua mạng cảm biến thì thông số
trễ là quan trọng…
Ngoài ra, khối lượng và chất lượng thông tin tại một không gian xác
định có thể xác định được tại sink, vì vậy các khái niệm chất lượng dịch vụ
trong WSN sẽ phụ thuộc vào độ tin cậy của việc dò sự kiện, khả năng gần
đúng của bản đồ nhiệt độ…
Chịu lỗi: các node có thể hết năng lượng hay bị hư hỏng do việc truyền
thông không dây giữa chúng thường xuyên bị gián đoạn. Nếu các node cảm
biến được triển khai nhiều hơn cần thiết thì việc node lỗi không ảnh hưởng
nhiều đến mạng nhưng nếu với các ứng dụng đòi hỏi tất cả các node đều phải
hoạt động thì yêu cầu về khả năng chịu lỗi của WSN là thông số quan trọng
nhất.
Thời gian sống là thời gian hoạt động của mạng cho đến khi node đầu
tiên trong mạng bị lỗi (hoặc hết năng lượng); thời gian hoạt động đến khi
mạng không kết nối trong một vài phân đoạn hoặc khi một điểm trong vùng
giám sát không được bao phủ bởi một node cảm biến nào. Việc thay thế

nguồn năng lượng là không khả thi, hơn nữa WSN cần phải thực hiện được
một lần nhiệm vụ của mình hoặc lâu hơn nếu có thể. Do đó, yếu tố thời gian
sống cần được quan tâm hơn khi xem xét chất lượng của WSN. Ngoài ra, thời
gian sống của mạng cũng ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ, cung cấp nhiều
năng lượng có thể tăng chất lượng dịch vụ nhưng lại làm giảm thời gian sống.
Mật độ node trong mạng có thể thay đổi, giá trị này phụ thuộc vào
từng ứng dụng, thậm chí trong một ứng dụng mật độ thay đổi theo thời gian
và không gian bởi node bị lỗi hoặc di chuyển và mạng phải đáp ứng được
điều này.


19

Tính khả trình các node không chỉ xử lý thông tin mà còn phải phản
ứng linh hoạt với sự thay đổi của nhiệm vụ, có thể lập trình và chương trình
của chúng có thể thay đổi lúc vận hành để đáp ứng các yêu cầu nhiệm vụ mới
phức tạp hơn.
Khả năng duy trì là khả năng thích nghi với sự thay đổi của môi
trường và chính nó (pin yếu, node hỏng…), điều này được thể hiện thông qua
việc mạng tự điều khiển trạng thái để thay đổi các thông số hoặc chuyển sang
trạng thái cân bằng khác. Trong trường hợp này, mạng có thể tự mình hoặc
tương tác với các thiết bị bên ngoài để duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo
yêu cầu về chất lượng.
Như vậy, so với các mạng không dây truyền thống, mạng cảm
biếnkhông dây có nhiều điểm khác biệt. Để hiểu rõ hơn về mạng, trước hết ta
sẽ tìm hiểu cấu trúc của mạng cảm biến không dây bắt đầu từ thành phần cơ
bản nhất, đó là node cảm biến.


20

Chương 2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN
Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến như
hình 2. 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để
chuyển số liệu tới nút trung tâm (sink). Việc chọn đường tới sink theo đa
bước nhảy được minh hoạ trong hình 2.1, trong đó sink có thể liên lạc với nút
quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh. Việc thiết kế mạng cảm
biến như mô tả trong hình vẽ dưới đây phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả
năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng
cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất.

Hình 2. 1 Phân bố các node trong trường cảm biến

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc mạng cảm biến, trong phần này sẽ bắt đầu từ
việc tìm hiểu thành phần cơ bản nhất trong một mạng cảm biến, đó là node
cảm biến.
Khi xây dựng WSN, yêu cầu đầu tiên là phải thiết lập các node đảm
bảo khả năng mở rộng và tiện dụng. Các node phải đáp ứng các yêu cầu cơ
bản của ứng dụng như: kích thước, giá thành, hiệu suất năng lượng, bộ nhớ…
và trang bị đầy đủ các tính năng truyền thông khác.
Ở đây, sẽ tập trung mô tả thành phần phần cứng và chức năng của


21

node, sự tiêu hao và trao đổi năng lượng … của một node độc lập.

Hình 2. 2 Các thành phần trong một node

Cấu tạo của một node cảm biến bao gồm: cảm biến và đơn vị thực thi

nếu có, đơn vị xử lý,thiết bị thu phát, khối xử lý, nguồn cung cấp và các
thành phần ứng dụng khác…
2.1 Phần cứng
Khi lựa chọn các thành phần phần cứng của node cảm biến không dây,
yêu cầu về ứng dụng đóng vai trò quyết định đối với hầu hết các yếu tố như
kích thước, giá thành, năng lượng tiêu hao của node, khả năng truyền thông…
Không có một tiêu chuẩn chung cho tất cả các ứng dụng, nhưng về cơ bản cấu
tạo của một node cảm biến gồm 5 thành phần chính:
- Bộ điều khiển: xử lý tất cả vấn đề liên quan đến dữ liệu, cần thiết
cho việc thực hiện một mã lệnh bất kỳ.


22

- Bộ nhớ: được dùng để lưu trữ chương trình hoặc dữ liệu trung gian,
thông thường các loại bộ nhớ khác nhau được dùng cho chương
trình và dữ liệu
- Cảm biến và phần tử dẫn động: giao diện kết nối với môi trường vật
lý, các thiêt bị có giám sát và điều khiển được thông số vật lý của
môi trường.
- Thiết bị truyền thông: các node tham gia vào mạng cần phải có thiết
bị gửi và nhận thông tin thông qua kênh không dây.

Hình 2. 3 Cấu trúc các thành phần node cảm biến

- Nguồn cung cấp: không hạn chế nguồn cung cấp, có thể dùng pin
thay thế hoặc tái tạo lại năng lượng từ môi trường có sẵn (pin năng
lượng mặt trời).
Các thành phần của node hoạt động trong trạng thái cân bằng, hạn chế
năng lượng tiêu hao để đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ. Theo đó, thiết bị

truyền thông và điều khiển cần được duy trì càng lâu càng tốt. Có thể lập trình
để các thành phần ngắt ứng dụng và dùng bộ định thời để khởi động lại.
Đối với các chức năng cảnh báo cần có sự phối hợp giữa các thành
phần, ngoài ra thông tin điều khiển và dữ liệu được trao đổi qua các kết nối


23

trong node, nó có thể gửi giá trị tương tự tới bộ điều khiển hoặc tự nó có thể
xử lý thông tin và chỉ kích thích bộ điều khiển nếu xảy ra sự kiện (ví dụ cảm
biến nhiệt), điều này cải thiện hiệu suất năng lượng.
2.1.1 Bộ điều khiển: là khối xử lý trung tâm CPU của node cảm biến.
Dữ liệu thu nhận được tại mỗi node được xử lý và gửi đi thông qua bộ điều
khiển, ngoài ra, bộ điều khiển nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác thông
qua actuator, để thực hiện các chương trình khác nhau từ xử lý tín hiệu thời
gian thực, các giao thức truyền thông đến các chương trình ứng dụng.
Mặc dù các nhiệm vụ khác nhau có thể thực hiện trên các cấu trúc điều
khiển khác nhau nhưng để đảm bảo cân bằng giữa tính linh động, hiệu năng
và giá thành của node thì giải pháp tối ưu là sử dụng bộ xử lý đa năng.
Bằng việc ứng dụng công nghệ nhúng, các vi xử lý đa năng được sử
dụng trong bộ điều khiển của node cảm biến góp phần vào việc giảm kích
thước, giá thành, tiêu hao năng lượng… và tăng khả năng ứng dụng của các
node cảm biến.
Hiện nay, một số vi xử lý sử dụng công nghệ nhúng cơ bản đó là: DSP,
FPGA, ASIC... Tuy nhiên, với các ứng dụng WSN, nhiệm vụ của một node
cảm biến không thay đổi trong suốt thời gian tòn tại và số lượng node lớn thì
việc sử dụng ASIC là một giải pháp tốt. Các kỹ thuật WSN thường bị hạn chế
và ứng dụng chỉ ở mức đơn giản. Tuy nhiên với khả năng phân tách nhiệm vụ
xử lý của các chức năng cố định ở mức thấp của ASIC tạo sự ổn định, nâng
cao hiệu suất sử dụng năng lượng và độ linh động của mạng thì ASIC là lựa

chọn thích hợp trong nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây.
Các vi xử lý dùng trong node cảm biến của WSN gồm: vi xử lý Atmel,
MSP 430 của Texas Instrument, Strong ARM của Intel.
2.1.2 Memory gồm hai thành phần là ROM và RAM, trong đó RAM


24

lưu trữ các chỉ số trung gian, các gói từ node khác được gửi đến. Nó có ưu
điểm là tốc độ xử lý nhanh nhưng sẽ mất nội dung khi nguồn cấp bị ngắt. Bộ
nhớ ROM dùng dẻ lưu mã chương trình, hiện nay, có thể dùng các bộ nhớ
ROM có thể xóa và lập trình được như EEPROM hay bộ nhớ flash để lưu dữ
liệu trung gian khi thiếu RAM hoặc nguồn cung cấp của RAM bị ngắt một
thời gian. Kích thước của bộ nhớ, đặc biệt là Ram ảnh hưởng quyết định đến
giá thành sản xuất và năng lượng tiêu hao còn yêu cầu về dung lượng bộ nhớ
lại phụ thuộc rất nhiều vào ứng dụng.
2.1.3 Thiết bị truyền thông
Thiết bị truyền thông được dùng để trao đổi thông tin giữa các node.
Truyền thông có dây được sử dụng trong các mạng cảm biến như hệ thống
như profibus, LON, CAN… hoặc theo yêu cầu của khách hàng. Vấn đề chính
của thiết bị truyền thông trong WSN chính là môi trường truyền, thiết bị thu
phát…
Môi trường truyền đối với truyền thông không dây có thể là sóng vô
tuyến, đường truyền quang, sóng siêu ấm, trường điện từ… Tuy nhiên, để đáp
ứng yêu cầu về tốc độ dữ liệu, lỗi, hao phí năng lượng hay yêu cầu truyền
thẳng… trong WSN thì phương thức truyền dựa trên sóng âm tần RF là lựa
chọn thích hợp nhất. Trên thực tế việc lựa chọn tần số sóng mang sử dụng
trong mạng cảm biến không dây là vấn đề rất quan trọng và nó thường nằm
trong khoảng từ 433 MHz đến 2.4 GHz.
Thiết bị thu phát: tại mỗi node cảm biến cần có chức năng thu và phát để

chuyển các luồng bit (byte hoặc frame) tới một vi điều khiển và chuyển thành sóng RF.
Thực tế, hai chức năng này được kết hợp với nhau trong một thiết bị là máy thu phát thực
hiện đầy đủ các chức năng truyền, nhận, điều chế, giải điều chế, khuyếch đại, trộn… Các
đặc tính quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn thiết bị thu phát là: