Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng

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

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG

Chuyên ngành : Điện tử tin học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN ĐỨC MINH
.

Hà Nội – Năm 2012

1


Mục lục
Mục lục ....................................................................................................................................... 2
Danh mục hình vẽ ....................................................................................................................... 3
Danh mục từ kí hiệu, viết tắt....................................................................................................... 4
Lời mở đầu .................................................................................................................................. 6
Phần Mở Đầu .............................................................................................................................. 7
Lý do chọn đề tài .................................................................................................................... 7
Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây ............................................................... 7
Mục đích nghiên cứu của luận văn ......................................................................................... 8
Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................................................... 9
Tóm tắt cơ bản nội dung ......................................................................................................... 9
Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................................... 10

Phần nội dung luận văn............................................................................................................. 11
Chương 1: Tổng quan và ứng dụng của mạng cảm biến không dây .................................... 11
1.1 Tổng quan về kĩ thuật mạng cảm biến không dây (WSNs) ........................................ 11
1.1.1 Công nghệ Sensor Network ................................................................................. 11
1.1.2 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến ........................................... 15
1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến ................................................................................... 19
1.2.1 Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên nhiên ................................................. 20
Chương 2: Các kĩ thuật trong mạng cảm biến không dây .................................................... 22
2.1 Các kĩ thuật được sử dụng trong WSNs ..................................................................... 22
2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây .................................................................................... 22
2.2.1 Các node cảm biến ............................................................................................... 22
2.2.2 Phần cứng và phần mêm trong WSNs .............................................................. 24
2.2.3. Phân loại cảm biến .............................................................................................. 26
2.2.4 Môi trường hoạt động của sensor ........................................................................ 27
2.2.5 Xu hướng phát triển của các node ....................................................................... 28
2.3 Kĩ thuật truyền dẫn không dây .................................................................................... 28
2.3.1 Quá trình truyền sóng .......................................................................................... 28
2.3.2 Điều chế tín hiệu .................................................................................................. 31
2.2.3 Các công nghệ không dây hiện nay ..................................................................... 32
2.3 Giao thức điều khiển truy nhập mạng WSNs ............................................................ 33
2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs .............................................................................. 34
2.3.2 Giao thức MAC ................................................................................................... 35
2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs ................................................................. 47
2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC (S - MAC) ........................................... 51
2.4 Định tuyến trong mạng WSNs .................................................................................... 55
2.4.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 55
2.4.2 Thiết kế định tuyến trong mạng WSNs ............................................................... 57
2.4.3 Giao thức định tuyến trong WSNs ....................................................................... 57
2.4.4 Các kĩ thuật định tuyến ........................................................................................ 59
Chương 3: Thiết kế hệ thống WSNs ..................................................................................... 64

2


3.1 Đặc tả yêu cầu của hệ thống ....................................................................................... 64
3.1.1 Yêu cầu chức năng ............................................................................................... 64
3.1.2 Yêu cầu phi chức năng......................................................................................... 64
3.2 Thiết kế hệ thống ........................................................................................................ 65
3.2.2 Khối mạch vào: .................................................................................................... 67
3.2.4 Khối cao tần ........................................................................................................ 68
3.2.5 Khối xử lý trung tâm (ở bộ xử lý trung tâm) ....................................................... 68
3.2.6 Khối hiển thị ........................................................................................................ 68
3.2.7 Khối phím bấm .................................................................................................... 68
3.2.8. PC........................................................................................................................ 68
3.2.9 Giao thức mạng (protocol) ................................................................................... 68
3.3 Thiết kế chi tiết ........................................................................................................... 69
3.3.1 Thiết kế phần cứng .............................................................................................. 69
3.3.2 Thiết kế giao thức mạng ...................................................................................... 82
3.3.3 Tiết kiệm năng lượng trong mạng ....................................................................... 83
Tổng kết .................................................................................................................................... 84
Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 84

Danh mục hình vẽ
Hình 1: Bảng thống kế số liệu các nghiên cứu về WSN [1]....................................................... 12
Hình 2: Mô hình cấu trúc mạng [1] ............................................................................................ 15
Hình 3: Sơ đồ khối của mỗi node ............................................................................................. 16
Hình 4: Sơ đồ khối giao thức chung cho mạng cảm biến ......................................................... 18
Hình 5: Các giao thức có thể dùng cho Lower-Layer WSNs ................................................... 18
Hình 6: Ứng dụng của sensor network trong an ninh quốc phòng và luật pháp [1]................... 21
Hình 7: Ứng dụng WSNs trong các thiêt bị quân sự ................................................................ 21

Hình 8: Sơ đồ phát triển của một loại cảm biến ....................................................................... 24
Hình 9: Sơ đồ khối phần cứng và phần mềm trong WSNs [1] ................................................... 25
Hình 10: Mô tả các công nghệ cảm biến .................................................................................. 27
Hình 11: Quá trình truyền sóng trong không gian .................................................................... 29
Hình 12: Bảng suy hao do va sóng điện từ va chạm với các vật cản theo tấn số ..................... 30
Hình 13: Minh họa quá trình truyền sóng ................................................................................. 30
Hình 14: Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các dạng điều chế......................................................... 32
Hình 15: Bảng so sánh các giao thức ........................................................................................ 33
Hình 16: Đồ thị so sánh các chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến ......................................... 33
Hình 17: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu........................................... 35
Hình 18: Giao thức TDMA dùng trong WSNs ......................................................................... 48
Hình 19: Khung thời gian hoạt động của Node ........................................................................ 53
Hình 20: Các ứng dụng của mạng WSNs [1] ............................................................................ 56
Hình 21: Truyền dữ liệu đa chặng ............................................................................................ 57
Hình 22: Mô hình Flooding ...................................................................................................... 60
Hình 23: Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ....................................................................... 62

3


Hình 24: Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN - PP ................................................................ 63
Hình 25: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống ................................................................................. 65
Hình 26: Cảm biến nhiệt độ LM35 ........................................................................................... 66
Hình 27: Cảm biến ánh sáng OPT101 ...................................................................................... 66
Hình 28: LED thu phát hồng ngoại ........................................................................................... 67
Hình 29: Bộ thu phát RF ........................................................................................................... 68
Hình 30: Sơ đồ khối tổng quát 1 mạch cảm biến ...................................................................... 69
Hình 31: Mạch nguyên lý cảm biến LM35 ............................................................................... 70
Hình 32: Sơ đồ nguyên lý khối CPU node mạng...................................................................... 71
Hình 33: Sơ đồ nguyên lý khối RF ........................................................................................... 71

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo nhiệt độ ................................................................... 72
Hình 35: Sơ đồ mạch in node đo nhiệt độ ................................................................................ 73
Hình 36: Nguyên lý mạch vào sensor đo ánh sáng ................................................................... 73
Hình 37: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo ánh sáng ................................................................. 74
Hình 38: Sơ đồ mạch in mạch đo ánh sáng .............................................................................. 75
Hình 39: Mạch vào node mạng phát hiện vật ........................................................................... 76
Hình 40: Sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện vật .......................................................................... 76
Hình 41: Sơ đồ mạch in mạch phát hiện vật ............................................................................. 77
Hình 42: Sơ đồ khối tổng quan khối xử lý trung tâm ............................................................... 77
Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối CPU mạch xử lý trung tâm ..................................................... 78
Hình 44: Mạch nguyên lý khối hiển thị .................................................................................... 78
Hình 45: Mạch nguyên lý khối giao tiếp máy tính ................................................................... 79
Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm ...................................................................... 79
Hình 47: Sơ đồ mạch in mạch xử lý trung tâm ......................................................................... 80
Hình 48: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi tin nhắn SMS .................................................................. 81
Hình 49: Sơ đồ mạch in mạch gửi nguyên lý SMS .................................................................. 81
Hình 50: Sơ đồ khối mô tả giao thức truyền dẫn ...................................................................... 82
Hình 51: Sơ đồ mô tả quá trình truyền bản tin của node mạng ................................................ 83

Danh mục từ kí hiệu, viết tắt
Kí hiệu
ACK
AES
API
APS
ATM
BE
BTS
CAP
CCA

CDMA
CFP
CID

Viết đầy đủ
Acknowledge
Advanced Encryption Standard
Application Programming Interface
Application Support Sublayer
Asynchronous Transfer Mode
Back-off Exponent
Base Transceiver Station
Contention Access Period
Clear Channel Assessment
Code Division Multiple Access
Contention Free Period
Cluster Identity

4


CSMA
CSMA/CA
CSMA/CD
CTS
CW
DCE
DSSS
DTE
DTMC

E2E
FDMA
FFD
GTS
HbH
IEEE
IrisNet
ITU
LAN
LEACH
LQI
LRWPANs
MAC
MANET
MIB
MiLAN
NAV
NB
OS
PHY
RED
RF
RFID
RTS
S-MAC
SMACS
TDMA
TS
WAN
WSNs

Carrier Sense Multiple Access
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
Clear to send
Congestion Window
Data Circuit-Terminating Equipment
Direct-Sequence Spread Spectrum
Data Terminal Equipment
Discrete-Time Markov Chain
End-to-End
Frequency Division Multiple Access
Full-Function Device
Guaranteed Time Slot
Hop-by-Hop
Institute of Electrical and Electronic Engineers
Internet-Scale Resource-Intensive Sensor Networks Services
International Telecommunication Union
Local Area Network
Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy
Link Quality Indicator
Low Rate Wireless Personal Area Networks
Medium access control
Mobile ad hoc Network
Management Information Base
Middleware Linking Application and Network
Network Allocation Vector
Number of Back-off
Operating System
Physic Layer

Receiver Energy Detection
Radio Frequency
Radio Frequency Identify Device
Ready to send
sensor Medium access control
Self-Organizing Medium Access Control for Sensornets
Time Division Multiple Access
Timeslot
Wide Area Networks
Wireless Sensor Networks

5


Lời mở đầu
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet, truyền thông và công nghệ
thông tin kết hợp với hàng loạt những phát minh khoa học kĩ thuật trong thời gian gần
đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với các chức năng và đặc tính mới
như: Giá thành thấp, kích thước nhỏ, độ chính xác cao và tiêu thụ năng lượng thấp.
Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm các hệ cảm biến có dây, cảm biến không dây
đang phát triển rất mạnh.
Các tiến bộ trong các lĩnh vực công nghệ vật liệu cũng như thiết kế cảm biến cho phép
giảm kích thước, trọng lượng cảm biến và giảm chi phí sản xuất cảm biến đồng thời
tăng khả năng hoạt động và độ chính xác.
Hệ thống cảm biến không dây là hệ thống cảm biến tích hợp nhiều cảm biến khác nhau
trong một hệ thống. Các cảm biến giao tiếp với nhau và giao tiếp với các bộ tập trung
thông qua hệ thống wireless được thiêt kế đặc thù riêng, không sử dụng cơ sở mạng có
sẵn nào. Qua đó đảm bảo tính bảo mật cao của hệ thống mạng cảm biến không dây.
Hệ thống mạng cảm biến không dây cho phép người dùng theo dõi, giám sát môi các
dạng môi trường và ứng dụng khác nhau như: ứng dụng trong quân sự, nghiên cứu hóa

chất độc hại hay theo dõi các thông tin môi trường dùng trong nghiên cứu cũng như
trong cuộc sống. Qua đó, nâng cao hiệu quả công việc, giảm chi phí nhân công, nâng
cao chất lượng cuộc sống.
Xuất phát từ thực tế này, em quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến
không dây và ứng dụng”. Trong luận văn em trình bày các kĩ thuật xây dựng hệ thống
mạng cảm biến từ đơn giản đế phức tạp. Qua đó trình bày một hệ thống WSN đơn giản
demo cho phần trình bày của luận văn.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Đức Minh đã hướng dẫn tận tình
cũng như tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài.

6


Phần Mở Đầu
Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, khoa học kĩ thuật cũng như đời sống người dân phát triển
rất nhanh. Các ngành nghiên cứu đòi hỏi phải theo dõi, giám sát các thông số vật lý của
môi trường hay của vật chất một cách liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, thậm chí độc
hại đối với cơ thể con người. Nhu cầu cấp bách đòi hỏi phải có các thiết bị có khả năng
theo dõi, giám sát các thông số một cách liên tục ngay cả trong các môi trường độc hại,
giúp giảm sức người lao động cũng như nâng cao chất lượng công việc
Bên cạnh đó, các hoạt động quân sự luôn cần theo dõi giám sát tại một vùng không gian
rộng lớn một cách liên tục để ngăn kẻ thù tấn công hay theo dõi các hoạt động của các
lực lượng đối địch. Việc này không thể thực hiện dựa vào sức người, đòi hỏi sự trợ giúp
của khoa học kĩ thuật
Ngoài ra, trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội cũng đòi hỏi những nhu cầu theo dõi,
giám sát như: quản lý ô nhiễm môi trường, theo dõi, cảnh báo các thiên tai ....
Xuất phát từ những nhu cầu trên, cũng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ cảm
biến trong thời gian gần đây, tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến
không dây và ứng dụng” để góp phần tìm hiểu và phát triển lĩnh vực nghiên cứu mạng

cảm biến không dây, đáp ứng một phần nhu cầu của xã hội.
Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây là công nghệ mới phát triển trong thời gian gần đây, quá
trình phát triển của mạng có thể phân tách ra các giai đoạn như sau:
 Thời kì chiến tranh lạnh: Các mạng ngầm được phát triển rộng rãi ở Mỹ dùng
trong ứng dụng giám sát ngầm dưới đáy biển. Mạng trên không phòng thủ radar
được triển khai ở Bắc Mỹ

7


 Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào đầu những năm 1980
với chương trình Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).
 Sự phát triển các ứng dụng trong quân sự: Vào những năm 1980 – 1990, đây có
thể coi là hệ thống thứ nhất của các sản phẩm thương mại dựa trên nghiên cứu
DARPA-DSN.
 Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ngày nay có thể coi là sản phẩm thứ 2 của
ứng dụng thương mại. Các bước tiến mạnh mẽ về truyền thông cộng với các
công nghệ cảm biến mới trong khoảng thời gian 1990 – 2000 đã tạo ra các cảm
biến với số lượng lớn, giá thành hạ, công suất tiêu thụ thấp đã thúc đẩy mạnh mẽ
sự phát triển của mạng cảm biến không dây
Mục đích nghiên cứu của luận văn
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thiết kế hệ thống mạng cảm
biến không dây, từ đơn giản đến phức tạp. Nghiên cứu quy trình công nghệ, các thành
phần công nghệ, giao thức cũng như điều kiện hoạt động trong mạng cảm biến không
dây.
Kết quả cuối cùng của luận văn là đưa ra phương pháp thiết kế một mạng cảm biến
không dây. Các phương án thiết kế phần cứng và xây dựng phần mềm cũng như các
giao thức truyền dẫn trong mạng cảm biến. Xây dựng một hệ thống mạng cảm biến
không dây đơn giản minh chứng cho các nghiên cứu trong luận văn.

Hệ thống demo mạng cảm biến không dây gồm các thành phần node mạng theo dõi các
thông số nhiệt độ, ánh sáng và phát hiện vật thể trong khu vực quan sát. Truyền về bộ
xử lý trung tâm thông qua giao thức mạng cảm biến không dây. Từ bộ xử lý trung tâm
xử lý và truyền lên máy tính các thông số từ các node cũng như gửi tin nhắn đến các
thuê bao được nạp sẵn thông số môi trường khi có điều kiện bất thường xảy ra.

8


Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Những năm gần đây, mạng cảm biến không dây phát triển mạnh mẽ trên thế giới với
các ứng dụng trong rất nhiều ngành khoa học kĩ thuật cũng như đời sống xã hội như:
 Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và an ninh quốc gia
o Giám sát chiến trường
o Bảo vệ an ninh cho các công trường trọng yếu
o Ứng dụng trong quân đội
o Thông tin, giám sát, điều khiên
o Phát hiện phóng xạ ....
 Ứng dụng trong bảo vệ môi trường
o Phát hiện hoạt động núi lửa
o Giám sát cháy rừng
o Giám sát dịch bệnh
o Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên ...
 Ứng dụng trong thương mại
o Điều khiển không lưu
o Quản lý cầu đường
o Điều khiển nhiệt độ...
...
Tóm tắt cơ bản nội dung
Nghiên cứu và thiết kế chi tiết một hệ thống mạng cảm biến không dây hoàn chỉnh trên

thực tế rất phức tạp, quy mô và tốn kém. Để thực hiện việc đó cần phải có một lượng

9


thời gian, kiến thức nhất định cùng vấn đề tài chính. Trong phạm vi kiến thức có hạn,
đề tài chỉ thực hiện một số nội dung cơ bản sau:
 Nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng
 Nghiên cứu phương pháp thiết kế một mạng cảm biến không dây, bao gồm việc
thiết kế phần cứng, phần mềm và thiết kế giao thức truyền dẫn thông tin
 Nghiên cứu, thiết kế một hệ thống mạng cảm biến không dây thu gọn với số
lượng node mạng it (3 node mạng) và một bộ xử lý trung tâm cùng với giao thức
truyền dẫn đơn giản
 Hệ thống demo mạng cảm biến không dây thực hiện việc đọc dữ liệu 5 giây 1
lần và truyền về bộ xử lý trung tâm. Việc đọc thông tin là hoàn toàn độc lập giữa
các node mạng. Bộ xử lý trung tâm nhận dữ liệu, xử lý, truyền lên máy tính và
gửi tin nhắn đến một hoặc vài số thuê bao khi có điều kiện bất thường xảy ra.
Phương pháp nghiên cứu
Trong luận văn, học viện đã thực hiện các phương pháp nghiên cứu như sau:
 Tham khảo tài liệu: Tổng hợp các kiến thức, thông tin từ sách báo, các tạp chí ở
Việt Nam và trên thế giới
 Phương pháp quan sát: Khảo sát các mạch điện tử, các module wireless trên thị
trường và trên mạng intenet
 Phương pháp tông hợp: Tổng hợp các công nghệ mạng cảm biến không dây, các
yêu cầu về thiết kế phần cứng, phần mềm cũng như giao thức truyền dẫn
 Phương pháp thực nghiệm: Từ những kiến thức tổng hợp kết hợp với sự hướng
dẫn của giảng viên hướng dẫn, học viên đã nghiên cứu tổng quan, thiết kế demo,
chạy thử nghiệm và chọn lọc các phương án tối ưu.

10

Phần nội dung luận văn
Chương 1: Tổng quan và ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.1 Tổng quan về kĩ thuật mạng cảm biến không dây (WSNs)
1.1.1 Công nghệ Sensor Network
Trong mạng Sensor Network, các cảm biến được xem như là phần quan trọng
nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm
biến trường điện từ, cảm biến tần số, vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các
loại cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, cảm biến phục vụ
trong ứng dụng an ninh, sinh học,… Ngày nay, cảm biến được sử dụng rộng rãi với số
lượng rất lớn.
Mạng WSN có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lượng (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kì nhiện vụ ngắn, quan hệ đa điểm – điểm,
số lượng lớn các node cảm biến…
Cảm biến có thể chỉ 1 hay nhiều cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano (1100 nm) đến kích thước lớn mắt thường có thể quan sát.
Do đặc tính của mạng WSN là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho các
ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSN mở rộng
cho các ứng dụng thương mại nên việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại cao
cho WSN.
Các nghiên cứu về WSN có thể chia ra làm nhiều phần, các số liệu thống kê gần
đây cho ở hình 1

11


Hình 1: Bảng thống kế số liệu các nghiên cứu về WSN [1]

Các nghiên cứu gần đây đang hướng tới sự phát triển của thông tin với công suất
thấp, các node xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố và xắp xếp, lựa chọn giao

thức cho mạng, giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSN là khả năng cung
cấp năng lượng cho các node bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ
năng lượng thấp được ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSN về tổng
quát dựa trên 3 tiêu chí:
• Chu kì hoạt động ngắn
• Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.

12


• Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy hao
tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
WSN đã được phân ra làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nodes
sử dụng:
 Loại 1 (C1WSNs):
o Sử dụng giao thức định tuyến động
o Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích
o Vai trò các node sensor này với các node sensor khác như là các
trạm lặp (repeater).
o Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)
o Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp
o Mạng phức tạp

 Loại 2 (C2WSNs):
o Mô hình đa điểm – điểm hay điểm – điểm, 1 kết nối radio đến node
trung tâm
o Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh
o Một node không cung cấp các thông tin của node khác
o Khoảng cách vài trăm mét
o Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node

khác
o Hệ thống tương đối đơn giản.

13


Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4.Hoạt động tại
tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học(ISM), cung cấp đường truyền dữ
liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet. Zigbee/IEEE 802.15.4
được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây như là Bluetooth, Wifi,
Ultrawideband (UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại.
Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển
theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh truyền được
tiêu chuẩn hóa. Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs).
WSNs tương tự như MANETs theo một vài đặc điểm .Cả hai đều là chuẩn mạng
wireless, multihop. Tuy nhiên, các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ thống có khác nhau.
• Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác
hẳn điểm – điểm trong MANETs.
• Các node trong WSN ít đi động, trong khi ad hoc các node là di động.
• Trong WSN, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu là lấy từ các hiện tượng, sự
kiện ở thế giới thực. Ở MANETs chủ yếu là dữ liệu
• Nguồn giới hạn, năng lượng trong WSN được quản lý rất chặt chẽ. Trong
MANETs có thể không bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị
thông tin có thể thay thế hay nâng cấp nguồn cung cấp thường xuyên bởi
người sử dụng
• Số lượng node trong WSN là rất lớn, MANETs ít hơn.
• Do sự khác biệt giữa 2 mô hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong
MANETs không thể áp dụng hoàn toàn trong WSN. Tuy nhiên, WSN có thể
coi như một phần trong MANETs.

14


1.1.2 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến
Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần được
đặt trong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần
trước. Đây là mô hình với số lượng lớn cảm biến trong mạng, chứa dữ liệu nhiều, dữ
liệu không thật hoàn hảo, khả năng hư hỏng các node cao, cũng như khả năng bị nhiễu
lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các node trong mạng. Do vậy,
C1WSNs tổng quát hơn so với mô hình C2WSNs. Sự phát triển mạng cảm biến dựa
trên cải tiến về cảm biến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng
và phần mềm).

Hình 2: Mô hình cấu trúc mạng [1]

Hình trên mô tả mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng. Các cảm biến liên
kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng tốt nhất làm
node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính. Nhờ vậy, năng
lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể
thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên

15


khó khăn hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
• Các node phân bố dày đặc.
• Các node dễ bị hư hỏng.
• Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
• Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán, và bộ nhớ.

• Các node có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng node lớn
Để thực hiện các chức năng của một node mạng, mỗi node được thiết kế với sơ
đồ khối tổng quan như sau:

Hình 3: Sơ đồ khối của mỗi node

Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên hình 3
• Sensor: Như đã nói trên, sensor là thành phần quan trọng nhất của mạng cảm
biến. Sensor có chức năng cảm biến các thông số của môi trường xung quanh.

16


• ADC: Chuyển hóa dạng tín hiệu từ tương tự sang số
• Processor: Bộ xử lý trung tâm, làm nhiệm vụ xử lý các tín hiệu nhận về từ ADC,
xử lý và đưa ra bộ thu phát
• Transceiver: Bộ truyền nhận không dây.
• Nguồn cung cấp
Ngoài ra, để các node mạng hoàn thiện và hoạt động tốt, cần cung cấp các chức năng
sau:
• Software (Operating Systems hoặc Middleware): Hệ điều hành cần được thiết kế
đặc biệt cho các node mạng sensor network. Hệ điều hành sử dụng trong các
node mạng WSNs không nhất thiết phải tốc độ cao, nhiều chức năng, nhưng cần
các thông số: Dung lượng nhỏ, dễ dàng thiết lập (VD: TinyOS).
• Transport Protocol: Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng
không dây dựa trên tiêu chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ
dữ liệu thấp -> trung bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho
hệ thống. Vị trí các node cảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức
và giải thuật mạng phải có khả năng tự xây dựng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển
nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong đó vấn đề căn bản nhất là năng lượng tiêu thụ

phải thấp nhất đến mức có thể. Chủ yếu tập trung vào giao thức định tuyến, bởi vì định
tuyến có khác so với các mạng truyền thống (phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc
mạng). Hầu hết các giao thức dùng cho mạng cảm biến không dây được xây dựng theo
sơ đồ khối sau:

17


Hình 4: Sơ đồ khối giao thức chung cho mạng cảm biến

Mô hình mạng trên tương tự như mô hình mạng OSI. Rất nhiều giao thức đã được thiết
kế dành riêng cho WSNs. Bảng liệt kê sau đây là thông tin về một số chuẩn giao thức
mạng có thể dùng cho WSNs.

Hình 5: Các giao thức có thể dùng cho Lower-Layer WSNs

18


Hình 5 nêu ra một số giao thức có thể ứng dụng cho Lower-Layer WSNs. So sánh giữa
các chuẩn, mục đích của ứng dụng, tiêu chuẩn cho thiết kế, khoảng cách truyền và
băng thông tối đa. Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vẫn còn thiếu
các tiêu chuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng
cảm biến cho mục đích thương mại.
• Data management (Quản lý dữ liệu): Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ
liệu, quản lý cơ sở dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu.Trong môi trường mạng
truyền thống, dữ liệu được thu thập đến trung tâm lưu trữ khi cần thì gửi đi. Trong các
mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng
dùng cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần được đánh chỉ số cho việc
kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn.

• Security (Sự bảo mật): Đây là thành phần không thể thiếu trong WSNs. Trước
kia, khí mạng cảm biến hầu như chỉ được sử dụng trong các lĩnh vực quân sự thì sự bảo
mật được đặt lên hàng đầu. Gần đây, mạng cảm biến không dây được sử dụng nhiều
trong các lĩnh vực khác của đời sống xã hội nên các tiêu chuẩn về bảo mật có đôi chút
thay đổi xong vẫn được rất quan tâm.
1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến
• Quân sự: Theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên tử,
sinh hóa...
• Môi trường: Giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt…
• Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từ
xa… Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi
ấm …
• Thương mại: Điều khiển trong môi trường công nghiệp và văn phòng, giám sát
xe cộ, giao thông…

19


1.2.1 Ứng dụng trong quân sự, an ninh và thiên nhiên
Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên, một số lượng lớn các cảm biến
được thả từ trên không xuống khu vực cần theo dõi, mạng lưới các cảm biến sẽ cho biết
vị trí người sống sót, vùng nguy hiểm… giúp cho người giám sát có các thông tin chính
xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiếm.
Việc sử dụng mạng WSNs giúp hạn chế sự có mặt trực tiếp của con người trong các
môi trường nguy hiểm .
Các ứng dụng an ninh bao gồm phát hiện sự xâm nhập và truy bắt tội phạm:
• Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được thông tin về sự di chuyển của đối
phương, chất nổ và các thông tin khác
• Phát hiện và phân loại các chất hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng xạ hạt
nhân, chất nổ…

• Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển….
• Giám sát xe cộ trên đường
• Giám sát an ninh trong các khu vực dân cư thương mại …
• Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh…

20


Hình 6: Ứng dụng của sensor network trong an ninh quốc phòng và luật pháp [1]

Hình 7: Ứng dụng WSNs trong các thiêt bị quân sự

Hình 7 đưa ra các ví dụ về ứng dụng cảm biến trong quân sự .Các cảm biến trang bị trên
các phương tiện kỹ thuật phục vụ cho việc giám sát các hoạt động chiến trường.
Trên đây là thí dụ điển hình cho việc ứng dụng các kĩ thuật cảm biến không dây vào
trong quân sự và các hoạt động xã hội khác. Ngày nay, với sự phát triển ngày càng cao
cả về khoa học kĩ thuật và đời sống xã hội, mạng cảm biến không dây ngày càng được
ứng dụng sâu sắc vào trong đời sống.

21


Chương 2: Các kĩ thuật trong mạng cảm biến không dây
2.1 Các kĩ thuật được sử dụng trong WSNs
Để xây dựng lên một mạng cảm biến không dây, có rất nhiều các kĩ thuật được sử dụng
đến. Xét trên mô hình tổng quát của mạng như hình 1.2, ta có thể phân chia các kĩ thuật
được sử dụng thành các nhóm sau:
• Kĩ thuật cảm biến.
• Kĩ thuật truyền dẫn không dây
• Giao thức điều khiển truy nhập mạng

• Các giao thức định tuyến
• Các giao thức điều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây
• Phần mềm cho mạng cảm biến không dây
• Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây
2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây
2.2.1 Các node cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lý. Các node
(sensor nodes hay còn gọi là WNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận
và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các
node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng cơ bản của các node
trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:
• Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Như có thể trả về nhiệt độ, áp
suất, cường độ ánh sáng… tại nơi khảo sát.
• Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số của
sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải

22


nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của
các phương tiện đang lưu thông…
• Phân biệt các đối tượng. Ví dụ lưu thông mà cảm biến nhận biết được là xe gì
xe con, xe tải, hay xe buýt, …
• Theo dõi các đối tượng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải
cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trung
vùng bao phủ của mạng….
Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế nào, tùy theo yêu cầu và
mục đích của thông tin cần thu thập.
Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học, quang, chất
lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối… Cảm biến có thể được đưa ra bên ngoài môi

trường nguy hại, môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóa
chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay trong hệ thống nhà xưởng
sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm trường điện và từ; cảm biến sóng
radio; cảm biến quang, hồng ngoại; radars, lasers; cảm biến vị trí hay định vị; cảm biến
hướng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa….
• Các thông số vật lý
• Các thông số hóa học , sinh học
• Các sự kiện cần theo dõi
Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin cậy là
yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế. Vì thế, công
nghệ chế tạo cảm biến cũng phải phát triển nhanh để đáp ứng với các yêu cầu ngày
càng đa dạng của người sử dụng.

23


Hình 8: Sơ đồ phát triển của một loại cảm biến

Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây được mô phỏng như trên hình 8. Node
kết hợp cảm biến và xử lý giai đoạn 1999 có kích thước lớn hơn một đồng xu, các IC
tích hợp cảm biến. Các năm tiếp theo, kích thước node giảm đi rất nhiều. Với sự phát
triển của các công nghệ nano, MEMS kích thước giảm đi đáng kể, kèm theo giảm năng
lượng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lý, độ ổn định cao hơn…Những
năm đầu 2000, thể tích trung bình node cỡ 16.387 mm3, đến năm 2007 là 1 mm3.
(nguồn SpeckNet research).
2.2.2 Phần cứng và phần mêm trong WSNs
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có:
• Chức năng xử lý tín hiệu: Xử lý số tín hiệu, nén, phát hiện và sửa lỗi
• Điều khiển và thừa hành: Phân nhóm và tính toán trong mạng thông tin, tự kết
hợpm định tuyếnm và quản lý kết nối.

• Để có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực
thi, bộ xử lý, nguồn, và các phần phục vụ cho chức năng khác. Hình 2.2 chỉ ra
các phần cấu tạo nên node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềm.
Trong đó:
 Phần cứng: 4 nhóm chính
o Nguồn cung cấp: Đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong
vài giờ, vài tháng hay vài năm.

24


o Lưu trữ và tính toán: Phục vụ cho các chức năng xử lý, điều chế số,
định tuyến…
o Cảm biến: Biến đổi các thông số môi trường thành thông tin
o Truyền dẫn: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung
tâm

Hình 9: Sơ đồ khối phần cứng và phần mềm trong WSNs [1]

 Phần mềm: 5 nhóm chính
o

Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): Liên kết
phần mềm và chức năng bộ xử lý.

o Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành

25