Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến

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

DƯƠNG KHÔI NGUYÊN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN ĐỒNG BỘ
THỜI GIAN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
Chuyên ngành: Kĩ thuật truyền thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN QUANG VINH

Hà Nội – Năm 2015


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

LỜI CAM ĐOAN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện
Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường
thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề
tại. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến
khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên có điều kiện thuận lợi để học tập và
nghiên cứu. Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS. Trần Quang
Vinh đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung
của luận văn này.
Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu,

nghiên cứu và viết ra. Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và
sửa chữa của giáo viên hướng dẫn.
Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này.
Tác giả

Dương Khôi Nguyên

Dương Khôi Nguyên – CB130608

ii


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..............................................................................viii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...…………………………………………….....ix
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ x
TÓM TẮT LUẬN VĂN ..........................................................................................

xii

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................... 1
1.1 Khái quát chung ................................................................................................ 1
1.1.1 Sensing và sensor ....................................................................................... 1
1.1.2 Mạng cảm biến không dây ......................................................................... 2

1.1.3 Thách thức và hạn chế đối với mạng cảm biến không dây ........................ 3
1.2 Ứng dụng .......................................................................................................... 5
1.2.1 Ứng dụng trong giám sát kết cấu kiến trúc ................................................ 5
1.2.2 Ứng dụng trong điều khiển giao thông....................................................... 6
1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khoẻ ........................................................... 7
1.2.4 Ứng dụng giám sát đường ống ................................................................... 7
1.2.5 Ứng dụng trong nông nghiệp chính xác ..................................................... 8
1.2.6 Ứng dụng trong khai khoáng ngầm ............................................................ 9
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây ............................................................... 9
1.3.1 Kiến trúc node cảm biến ............................................................................. 9
1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.......................................................... 11
1.4 Kết luận ........................................................................................................... 13
Chương 2 CÁC GIAO THỨC ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY ............................................................................................................................... 14
2.1 Giao thức định tuyến........................................................................................ 14
2.1.2 Thách thức trong vấn đề định tuyến: ......................................................... 16
Dương Khôi Nguyên – CB130608

iii


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

2.1.3 Giao thức định tuyến trong WSNs: ........................................................... 17
2.1.4. Các kỹ thuật định tuyến: ........................................................................... 17
2.2 Giao thức định vị ............................................................................................. 19
2.2.1 Định vị dựa vào mốc có sẵn ...................................................................... 19
2.2.2. Định vị dựa vào vị trí tương đối ............................................................... 21
2.3 Giao thức MAC: .............................................................................................. 21

2.3.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây: ........... 23
2.3.2 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây: ............................. 25
2.4 Kết luận ............................................................................................................ 33
Chương 3 GIAO THỨC ĐỒNG BỘ THỜI GIAN TRONG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY .............................................................................................................. 34
3.1 Yêu cầu và thách thức của vấn đề đồng bộ thời gian trong WSNs ................. 34
3.1.1 Yêu cầu ...................................................................................................... 34
3.1.2 Thách thức ................................................................................................. 36
3.2 Các phương pháp đồng bộ thời gian cơ bản ................................................... 37
3.2.1 Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận............................................................ 37
3.2.2 Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận ......................................................... 39
3.2.3 Các yếu tố không xác định gây ra sai số trong đồng bộ ........................... 40
3.2.4 Các tham số trong đồng bộ thời gian ........................................................ 42
3.3 Các giao thức đồng bộ thời gian ..................................................................... 43
3.3.1 Các giao thức dựa trên đồng bộ máy phát/ máy thu:................................ 43
3.3.2 Các giao thức dựa trên đồng bộ máy thu/máy thu: ................................... 61
3.4 Kết luận ........................................................................................................... 76
Chương 4 GIỚI THIỆU VỀ OMNET++ IDE BẢN 4.4.1 VÀ ĐỀ XUẤT PHÁT
TRIỂN PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG BỘ MẠNG HIỆU QUẢ.................................... 78
4.1 Giới thiệu Omnet++ 4.4.1 IDE ........................................................................ 78
4.1.1 Giao diện cấu hình file NED ..................................................................... 78
4.1.2 Giao diện cấu hình file INI ........................................................................ 80

Dương Khôi Nguyên – CB130608

iv


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

4.1.3 Giao diện mô phỏng .................................................................................. 81
4.2 Mô phỏng giao thức TPSN .............................................................................. 83
4.2.1 Giả thiết và thiết lập các thông số ban đầu của mô phỏng ........................ 83
4.2.2 Mô phỏng mạng......................................................................................... 83
4.2.3 Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 90
4.3 Kết luận ............................................................................................................ 91
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 94

Dương Khôi Nguyên – CB130608

v


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến............................................................................... 2
Hình 1.2 Ví dụ triển khai của mạng cảm biến trên cầu cổng vàng. ............................ 6
Hình 1.3 Hệ thống phát hiện chuyển động phương tiện với cảm biến từ ARM. ........ 7
Hình 1.4 Hệ thống giám sát sức khoẻ bệnh nhân qua mạng cảm biến. ...................... 7
Hình 1.5 Kiến trúc node cảm biến. ............................................................................. 9
Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. .......................................................... 11
Hình 2.1 Kết nối single – hop và multi – hop. .......................................................... 14
Hình 2.2 Phân loại các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. ....... 15
Hình 2.3 Lược đồ S – MAC ...................................................................................... 27
Hình 2.4 Đồng bộ giữa các nút ................................................................................. 27
Hình 3.1 Ví dụ các cảm biến quan sát ô tô chạy qua khu vực theo dõi. ................... 35

Hình 3.2a: Nguyên lý trao đổi bản tin một chiều. ..................................................... 38
Hình 3.2b: Nguyên lý trao đổi bản tin hai chiều. ...................................................... 38
Hình 3.3 Nguyên lý đồng bộ thời gian giữa bên nhận – bên nhận. .......................... 40
Hình 3.4 Mối quan hệ giữa thời gian cục bộ C(t) và thời gian thực t. ...................... 43
Hình 3.5: Một phần sơ đồ của hoạt động trong đồng bộ máy phát/máy thu............. 46
Hình 3.6: LTS đa bước nhảy phân tán ...................................................................... 50
Hình 3.7: Sự đồng bộ máy phát/máy thu trong TPSN .............................................. 58
Hình 3.8: Ví dụ RBS: hai nút i, j và một máy phát R ............................................... 63
Hình 3.9: Nhiều miền quảng bá ................................................................................ 69
Hình 3.10: Tích hợp gói tin, chuyển tiếp và biến đổi thời gian ................................ 70
Hình 3.11: Đồng bộ thời gian: đồng bộ trong một miền quảng bá đơn lẻ ................ 74

Dương Khôi Nguyên – CB130608

vi


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Hình 4.1 Giao diện cấu hình file NED bằng đồ hoạ. ................................................ 79
Hình 4.2 Tab Properties View. .................................................................................. 79
Hình 4.3: Giao diện chỉnh sửa source code NED file. .............................................. 80
Hình 4.4 Giao diện chỉnh sửa file INI. ...................................................................... 81
Hình 4.5 Giao diện cấu hình chạy mô phỏng. ........................................................... 82
Hình 4.6 Giao diện mô phỏng trong OMNeT++ 4.4.1. ............................................ 82
Hình 4.7 Quá trình trao đổi bản tin Discovery Message. .......................................... 84
Hình 4.8 Trao đổi bản tin DiscoveryMessageACK. ................................................. 85
Hình 4.9 Các node chưa gia nhập mạng gửi bản tin LevelRequestMessage. ........... 85
Hình 4.10 Cây bao phủ cho đồng bộ thời gian theo thuật toán TPSN. ..................... 86

Hình 4.11 Trao đổi bản tin TimeSyncMessage......................................................... 87
Hình 4.12 Trao đổi bản tin SyncPulseMessage. ....................................................... 88
Hình 4.13 Trao đổi bản tin SyncPulseAckMessage. ................................................. 89
Hình 4.14 Trao đổi bản tin SynchronizingMessage. ................................................. 89
Hình 4.15 Số lượng bản tin gửi nhận ở mỗi node. .................................................... 90
Hình 4.16 Sai số đồng bộ của các node cảm biến với đồng hồ chuẩn. ..................... 91

Dương Khôi Nguyên – CB130608

vii


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thông dụng. ............................................................... 1
Bảng 1.2 So sánh mạng thông thường và mạng cảm biến không dây. ....................... 4
Bảng 3.1 Các loại trễ trong đồng bộ thời gian trong mạng WSN. ............................ 41
Bảng 3.2 Phân loại và đánh giá một số thuật toán đồng bộ hiện tại ......................... 77
Bảng 4.1 Sai số đồng bộ qua multi-hop .................................................................... 91

Dương Khôi Nguyên – CB130608

viii


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy nhập đường truyền

TDMA

Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Access
FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Access
CDMA

Đa truy nhập phân chia theo mã

Code Division Multiple
Access

LEACH Low – Energy Adaptive

TPSN

RBS

Phân nhóm phân bậc tương thích năng

Clustering Hierarchy

lượng thấp

Timing-sync Protocol for

Giao thức đồng bộ thời gian cho mạng

Sensor Networks

cảm biến

Reference Broadcast

Đồng bộ quảng bá tham chiếu

Synchronization
RSSI

Chỉ số cường độ tín hiệu thu

Receiver Signal Strength
Indicator

CSMA

Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang

NTP

Network Time Protocol

Giao thức đồng bộ thời gian mạng

LTS

Lightweight Time

Giao thức đồng bộ thời gian trọng số

Synchronization Protocol

thấp

Hierarchy Referencing Time

Phân tầng tham chiếu đồng bộ thời

Synchronization

gian

HRTS

Dương Khôi Nguyên – CB130608

ix


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

LỜI MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (WSNs) và các ứng dụng của nó đang phát triển
một cách nhanh chóng nhờ sự hội tụ các công nghệ khác nhau như truyền thông không
dây, các thuật toán xử lý dữ liệu, thiết bị tính toán, lưu trữ, và khả năng cảm biến.
Mạng cảm biến không dây thường bao gồm hàng trăm hoặc hàng ngàn các nút cảm
biến, được triển khai trong một khu vực cần quan sát. Việc thu thập dữ liệu từ các nút
cảm biến, đặc biệt trong môi trường truyền thông không dây, đòi hỏi sự đồng bộ về
mặt thời gian. Vấn đề đồng bộ thời gian còn trở lên đặc biệt quan trọng trong các ứng
dụng yêu cầu thời gian thực hoặc yêu cầu có sự kết hợp giữa dữ liệu thu thập được từ
các nút cảm biến và thông tin thời gian như các ứng dụng theo dõi mục tiêu
(objecttracking), giám sát (surveillance), vv.
Trong luận văn này em xin giới thiệu khái quát về WSNs và các giao thức
thường dùng trong mạng. Đồng thời em xin giới thiệu khái quát về vấn đề đồng bộ
thời gian trong WSNs và em đã lựa chọn tìm hiểu và mô phỏng giao thức đồng bộ
thời gian TPSN cùng một số kỹ thuật tăng hiệu quả của nó. Đề xuất phương pháp
đồng bộ mạng hiệu quả, mô phỏng. Đưa ra đề xuất, đánh giá của tác giả về vấn đề

đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến không dây, đánh giá khả năng áp dụng của
thuật toán đồng bộ thời gian đã đề xuất và hướng nghiên cứu, phát triển trong tương
lai.
Để có thể hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những
kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong
thời gian học cao học. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy,
các cô trong thời gian học tập này.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Trần Quang Vinh, Viện Điện tử - Viễn thông,
trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo và định hướng cho em nghiên
Dương Khôi Nguyên – CB130608

x


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

cứu luận văn này. Thầy đã cho em nhiều lời khuyên quan trọng trong quá trình hoàn
thành luận văn.
Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi,
động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu,
hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 6 năm 2015
Sinh viên

Dương Khôi Nguyên

Dương Khôi Nguyên – CB130608

xi

Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ, sự
phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng
và đa chức năng đã nhận được sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta tập trung triển
khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh
vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, các
ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống
con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào
cũng có được như mạng cảm biến.
Tuy nhiên mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một
trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn, khả năng xử lý
thấp, giải thông bé, tín hiệu yếu và hoạt động dưới tần số chia sẻ. Hiện nay rất nhiều
nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng
của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
Luận văn của em giới thiệu khái quát mạng cảm biến cùng các giao thức đặc
trưng, đồng thời tập trung làm rõ các vấn đề và thách thức trong đồng bồ thời gian
trong mạng, mô phỏng, đánh giá thuật toán TPSN, một trong những thuật toán đồng
bộ thời gian phổ biến trong WSNs. Đưa ra đề xuất, đánh giá về vấn đề đồng bộ thời
gian trong mạng cảm biến không dây, đánh giá khả năng áp dụng của thuật toán đồng
bộ thời gian đã đề xuất và hướng nghiên cứu, phát triển trong tương lai.
Luận văn được chia làm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
 Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến không dây.
 Chương 3: Giao thức đồng bộ thời gian trong mạng WSN.
 Chương 4: Giới thiệu về Omnet++ IDE bản 4.4.1 và đề xuất, phát triển phương

pháp đồng bộ mạng hiệu quả .

Dương Khôi Nguyên – CB130608

xii


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Khái quát chung
1.1.1 Sensing và sensor
Cảm biến là kỹ thuật được sử dụng để thu thập thông tin về một đối tượng vật
lý hoặc xử lý, bao gồm cả sự xuất hiện của các sự kiện (VD: sự thay đổi trạng thái
như tăng giảm nhiệt độ hoặc áp suất). Đối tượng thực hiện nhiệm vụ cảm biến được
gọi là bộ cảm biến. Từ cái nhìn kỹ thuật, bộ cảm biến là một thiết bị dịch các tham
số, sự kiện trong thế giới vật lý thành các tín hiệu có khả năng đo lường và phân tích.
Phân loại bộ cảm biến: Tùy thuộc đặc tính vật lý cần theo dõi cho mỗi ứng
dụng mà các cảm biến được chọn: nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm:
Bảng 1.1 Một số loại cảm biến thông dụng.
Loại

Ví dụ

Nhiệt độ

Điện trở nhiệt, cặp nhiệt

Độ ẩm

Áp kế, khí áp kế, áp kế ion hóa

Quang

Diode/ transistor quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến CCD

Âm thanh

Bộ cộng hưởng áp điện, microphone

Cơ học

Biến dạng kế, cảm biến tiếp xúc, điapham dung tính.

Chuyển động, rung Gia tốc kế, con lắc hồi chuyển, tế bào quang điện
Dòng chảy

Máy đo gió, cảm biến lưu lượng khí

Vị trí

GPS, máy đo độ nghiêng

Từ

Máy đo từ, cảm biến Hall

Hóa học

Cảm biến pH, cảm biến điện hóa

Độ ẩm

Ẩm kế

Bức xạ

Detector ion hóa, ống đếm Geiger - Muller

Dương Khôi Nguyên – CB130608

1


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

1.1.2 Mạng cảm biến không dây
Khi nhiều cảm biến yêu cầu kết nối đến trạm điều khiển và xử lý, chúng thường
sử dụng kết nối không dây để truyền dữ liệu thu thập được đến trạm xử lý trung tâm.
Điều này rất quan trọng trong trường hợp các mạng ứng dụng yêu cầu hàng trăm đến
hàng nghìn node và thường triển khai ở các khu vực hiểm trở và ở xa. Do đó một
node cảm biến không dây không chỉ có bộ phận cảm biến mà còn có các thành phần
xử lý, liên lạc và lưu trữ trên node. Với các thành phần này, một node cảm biến không
chỉ đảm nhận công việc thu thập dữ liệu mà còn có thể phân tích, so sánh, kết hợp dữ
liệu của nó và dữ liệu từ các node cảm biến khác.
Khi nhiều node cảm biến cùng hoạt động kết hợp quan sát môi trường vật lý,

chúng tạo nên một mạng cảm biến không dây. Các node cảm biến không chỉ kết nối
với nhau mà còn kết nối với một trạm gốc (BS) để truyền dữ liệu về để các hệ thống
xử lý, hiển thị, phân tích và lưu trữ. Ví dụ trong hình: Hai mạng cảm biến giám sát
hai vùng địa lý riêng biệt và kết nối với Internet qua các trạm BS của chúng.

Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

2


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

1.1.3 Thách thức và hạn chế đối với mạng cảm biến không dây
 Năng lượng (Energy): Hạn chế lớn nhất đối với các thiết kế mạng cảm biến là các
node hoạt động với nguồn năng lượng hữu hạn. Điển hình, chúng được nuôi bởi
nguồn pin, có thể thay hoặc nạp lại khi cạn.
 Khả năng tự quản lý (Self-management): Trong thực tế có nhiều ứng dụng mạng
WSN hoạt động trong các khu vực tách biệt và điều kiện khắc nghiệt, không có
sự hỗ trợ hoặc khả năng bảo trì, sửa chữa. Do đó, các node cảm biến cần có khả
năng tự quản lý (self-managing): tự cấu hình, hoạt động và kết nối với các node
khác, khả năng thích ứng với hư hỏng, thay đổi của môi trường.
 Triển khai tùy biến (Ad hoc deployment): Nhiều ứng dụng mạng WSN triển khai
các node cảm biến không được thiết kế vị trí và xác định trước, điều này khá quan
trọng trong những mạng triển khai ở các khu vực biệt lập hoặc không tới được. Ví
dụ: các cảm biến phục vụ quan sát chiến trường hoặc khu vực bệnh dịch có thể
được thả từ máy bay xuống một khu vực rộng lớn, khi đó nhiều node có thể bị hư
hỏng khi rơi, tuy nhiên các node sống được phải tự động triển khai được các bước

cài đặt, cấu hình, bao gồm thiết lập kết nối với các node cảm biến lân cận, xác
định vị trí...
 Hoạt động ở chế độ không có người vận hành (Unattended mode): Rất nhiều mạng
cảm biến chỉ triển khai một lần, sau đó hoạt động mà không có sự can thiệp của
con người, nghĩa là các bước cấu hình, thích nghi, bảo trì, và sửa chữa đều hoạt
động theo một quá trình tự động. Ví du: các node cảm biến được đặt trong một hệ
thống động và môi trường động, có thể đặt ra thách thức lớn đối với việc xây dựng
mạng cảm biến tin cậy.
 Truyền thông không dây (Wireless communication): Sự tin cậy của các mạng
không dây và truyền thông đặt ra nhiều thách thức trong thiết kế mạng cảm biến.
Ví dụ: Dải phủ sóng của tín hiệu giới hạn bởi suy hao: Tín hiệu RF yếu đi khi
truyền qua môi trường và khi đi qua các vật cản. Năng lượng cần thiết để truyền
dữ liệu giữa các node tăng nhanh hơn khi khoảng cách giữa các node tăng.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

3


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

 Hạn chế về thiết kế: Khi khả năng của hệ thống điện toán truyền thống tiếp tục
tăng nhanh, mục đích chính trong thiết kế mạng cảm biến không dây là tạo ra các
thiết bị nhỏ hơn, rẻ hơn và hiệu năng cao hơn.
 Khả năng bảo mật: Một số mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ thu thập các
thông tin nhạy cảm. Sự hoạt động biệt lập và không giám sát của các node cảm
biến gia tăng sự tiếp xúc với các hoạt động xâm nhập và tấn công trái phép. Ngoài
ra, kết nối không dây tạo điều kiện dễ dàng cho kẻ xấu nghe trộm trên đường
truyền của node.

Bảng 1.2 So sánh mạng thông thường và mạng cảm biến không dây.
Mạng máy tính thông thường

Mạng cảm biến không dây

-Thiết kế với mục đích chung, phục vụ - Thiết kế với mục đích riêng biệt, phục
nhiều ứng dụng.

vụ cho những ứng dụng đặc biệt.

-Thiết kế chủ yếu quan tâm đến hiệu - Năng lượng là vấn đề hạn chế chính
năng và trễ của mạng.

trong thiết kế của các node và thành phần

- Mạng được thiết kế dựa theo kế mạng.
- Triển khai, cơ cấu mạng và tài nguyên

hoạch.

- Thiết bị và mạng hoạt động dưới sự thường không theo kế hoạch.
điều khiển và môi trường thuận lợi.

- Mạng cảm biến thường hoạt động trong

- Bảo trì và sửa chữa thường xuyên và môi trường và điều kiện khắc nghiệt.
mạng thông thường dễ dàng truy cập.

- Can thiệp vật lý đến các node cảm biến

- Hỏng hóc các thành phần có thể xác thường khó thậm chí bất khả thi.
định qua bảo trì và sửa chữa.

- Hư hỏng các thành phần mạng có thể dự

- Khả năng nhận được tín hiệu từ mạng đoán và xác định qua thiết kế mạng.
ngoài dễ dàng, có thể thực hiện quản lý - Hầu hết quyết định tại node không có sự
từ trung tâm

Dương Khôi Nguyên – CB130608

trợ giúp từ thành phần quản lý trung tâm.

4


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

1.2 Ứng dụng
1.2.1 Ứng dụng trong giám sát kết cấu kiến trúc
Trong thực tế nhiều tai nạn xảy ra bất ngờ: Vào 2/8/2007, một chiếc cầu thuộc
hệ thống đường cao tốc (bắc qua sông Missisippi) đột nhiên sụp đổ ở bang Minnesota
Mỹ làm 9 người chết, sự việc được điều tra và nguyên nhân được đưa ra là do sự mài
mòn của kiến trúc, thời tiết và khối lượng của các dự án xây dựng gần kề gây nên sự
cố [10]. Hai tuần sau, vào 14/8/2007, một chiếc cầu khác sụp đổ ở một điểm du lịch
nổi tiếng Trung Quốc ở khu Fenghuang, tỉnh Hunan [11]. Thực tế, theo báo cáo của
BBC, Trung Quốc có hơn 6000 chiếc cầu được đưa vào dạng hư hỏng, nguy hiểm.
Những tai nạn như trên thúc đẩy việc xây dựng mạng cảm biến không dây cho ứng
dụng giám sát độ vững chắc của cầu đường và các kiến trúc tương tự.

Kỹ thuật kiểm soát kiến trúc có thể chia thành 2 loại: cục bộ và toàn thể:
- Kỹ thuật kiểm soát cục bộ tập trung vào việc phát hiện các nứt gãy cục bộ,
không thể nhìn thấy của kiến trúc. Kỹ thuật này sử dụng sóng siêu âm, nhiệt, tia X,
từ trường hoặc kỹ thuật quang ảnh, nhưng loại kỹ thuật này yêu cầu nhiều thời gian
và phá vỡ hoạt động bình thường của kiến trúc.
- Kỹ thuật kiểm soát toàn thể có mục đích phát hiện hư hỏng hoặc phát hiện các
mối đe dọa đủ lớn để ảnh hưởng toàn thể kiến trúc. Điều này được thể hiện bằng việc
phát hiện thay đổi trong chuyển động của các trụ chống, lan can, barrier, bệ cân của
cầu, bệ tỳ.....
Trong thực tế, giám sát kiến trúc được thử nghiệm và triển khai ở một số nơi:
Ví dụ cầu Cổng Vàng ở San Fransisco, Mỹ. Trong dự án này, 64 node mạng cảm biến
được triển khai thành mạng giám sát sức khoẻ kiến trúc của cầu. Các node được phân
phối trên nhịp cầu chính và tháp cầu, thu thập dao động xung quanh một cách đồng
bộ với tốc độ 1kHz, biến động ít hơn 10 µs và độ chính xác 30 µG. Dữ liệu được thu
thập qua mạng 46 hop.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

5


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Hình 1.2 Ví dụ triển khai của mạng cảm biến trên cầu cổng vàng.
1.2.2 Ứng dụng trong điều khiển giao thông
Tắc nghẽn giao thông là vấn đề lớn được đặt ra đối với các đô thị đã và đang
phát triển, đặc biệt ở các đô thị lớn, gây lãng phí nhiên liệu và thời gian. Theo báo
cáo của Viện giao thông Texas chỉ ra trong năm 2006, tắc nghẽn khiến người dân ở
các đô thị Mỹ tốn thêm 4,2 tỷ giờ, trung bình một người Mỹ lái xe phải chờ 36,6 giờ

và mua thêm 2,85 tỷ gallon nhiên liệu cho di chuyển, gây ra lãng phí lớn [12]
Tuy nhiên, việc xây dựng thêm các con đường mới không phải là giải pháp
khả thi với nhiều đô thị: thiếu hụt không gian và tốn chi phí lớn cho việc phá huỷ các
con đường cũ. Một hướng khác cho việc giải quyết tắc nghẽn là đặt ở các điểm giao
thông hệ thống cảm biến để giảm tắc nghẽn: Những hệ thống này sẽ thu thập thông
tin về mật độ, kích cỡ và tốc độ của các phương tiện trên đường, phân tích tắc nghẽn
và gợi ý lái xe về các con đường thay thế và lối thoát ngắn nhất.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

6


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Hình 1.3 Hệ thống phát hiện chuyển động phương tiện với cảm biến từ ARM.
1.2.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khoẻ
Mạng cảm biến không dây đã được triển khai khá rộng trong các ứng dụng
chăm sóc sức khoẻ, bao gồm ứng dụng giám sát bệnh nhân Parkinson, bệnh nhân
động kinh, tim mạch, bệnh nhân đang hồi phục từ đột quỵ hay tai biến, và người già.
Không giống các ứng dụng khác, các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ không hoạt động
như một hệ thống riêng biệt, chúng là một phần của hệ thống sức khoẻ và cứu hộ
phức tạp, toàn diện.

Hình 1.4 Hệ thống giám sát sức khoẻ bệnh nhân qua mạng cảm biến [13]
1.2.4 Ứng dụng giám sát đường ống
Một lĩnh vực ứng dụng khác của mạng cảm biến không dây là giám sát các
đường ống ga, nước hay dầu. Việc quản lý các đường ống đó gặp phải thách thức,
nguy hiểm rất lớn: Các đường ống thường dài, có giá trị lớn, nguy hiểm cao và thường

Dương Khôi Nguyên – CB130608

7


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

ở trong điều kiện khó đến gần yêu cầu sự giám sát liên tục, kín đáo. Sự rò rỉ có thể
xảy ra do sự biến dạng quá mức gây ra bởi động đất, lở đất hay sự va chạm với ngoại
lực, sự ăn mòn, vết nứt vật liệu hay kể cả hư hỏng cố ý đến kiến trúc.
Để phát hiện rò rỉ, việc hiểu biết về tính chất của vật chất mà đường ống vận
chuyển rất quan trọng. Ví dụ: đường ống chất lỏng thường gây ra điểm toả nhiệt tại
địa điểm rò rỉ, trong khi đường ống gas lại tạo ra điểm lạnh gây ra do sự giảm áp suất.
Có rất nhiều cảm biến thương mại hiện tại có thể phát hiện và định vị các thay đổi
nhiệt bất thường này.
1.2.5 Ứng dụng trong nông nghiệp chính xác
Một lĩnh vực thúc đẩy rất nhiều nghiên cứu của mạng cảm biến không dây là
nông nghiệp chính xác. Theo truyền thống, một nông trại lớn có cánh đồng đồng nhất
trong việc phân phối tài nguyên và sự phản ứng trước thay đổi khí hậu, cỏ dại, sâu
bệnh và người nông dân quản lý phân bón, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và nguồn
nước. Thực tế, một cánh đồng lớn có nhiều loại đất đa dạng khác biệt, hàm lượng
dinh dưỡng khác nhau và nhiều yếu tố không đồng nhất khác. Do đó, việc đối xử như
một cánh đồng đồng nhất có thể gây ra việc sử dụng tài nguyên không hiệu quả và
giảm năng suất.
Nông nghiệp chính xác là một phương pháp quản lý nông trại giúp nông dân
sản xuất hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng tài nguyên chính xác. Nó bao gồm
nhiều khía cạnh riêng biệt như giám sát đất trồng ở mức độ vi mô, thu hoạch, thay
đổi khí hậu trên cánh đồng, cung cấp hệ thống hỗ trợ chính xác (DSS).
Hiện tại có nhiều công nghệ được phát triển trong một số năm qua tạo điều

kiện thuận lợi và tự động cho nông nghiệp chính xác:
-

Giám sát hoa lợi.

-

Sắp đặt thu hoạch.

-

Bón phân chính xác.

-

Theo dõi cỏ dại.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

8


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

1.2.6 Ứng dụng trong khai khoáng ngầm
Khai khoáng ngầm là một trong những công việc có môi trường làm việc nguy
hiểm nhất trên thế giới, đã có rất nhiều vụ tai nạn sập hầm mỏ xảy ra với thiệt hại lớn
về người và của.
Nhiệm vụ đặt ra cho các cảm biến trong ứng dụng khai khoáng ngầm:

-

Xác định vị trí từng người riêng biệt trong hầm mỏ.

-

Xác định vị trí các lỗ thủng, lún.

-

Đo đạc, dự báo dịch chuyển địa chấn bên trong (hoạt động khai khoáng)
ngay khi tác nhân bên ngoài (động đất) xảy ra.

-

Đo đạc nồng độ các khí, bao gồm methane, oxy và cacbonic.

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây
1.3.1 Kiến trúc node cảm biến

Hình 1.5 Kiến trúc node cảm biến.
Các node cảm biến là thành phần chính trong mạng cảm biến không dây, node
cảm biến thực hiện cảm nhận, xử lý và kết nối. Chúng lưu trữ và thực hiện các giao
thức truyền thông và thuật toán xử lý dữ liệu. Kích thước, độ lớn và tần suất dữ liệu
cảm nhận được lấy ra từ mạng cảm biến không dây phụ thuộc vào thiết kế của node
cảm biến, do đó thiết kế và triển khai node cảm biến là một trong những bước quan
trong nhất khi thiết kế mạng cảm biến không dây.
Dương Khôi Nguyên – CB130608

9

Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Node cảm biến bao gồm 4 thành phần chính như hình 1.5: phân hệ cảm biến
(sensing subsystem), phân hệ xử lý (processing subsystem), phân hệ liên lạc
(communication subsystem), và phân hệ nguồn.
1.3.1.1 Phân hệ cảm biến
Bộ cảm biến tích hợp một hoặc nhiều cảm biến vật lý và cung cấp một hoặc
nhiều bộ chuyển đổi ADC. Sự đo đạc các hiện tượng vật lý không phải là ý tưởng
mới, từ xưa loài người đã phát minh ra kính địa chấn, máy đo gió...Nhưng sự xuất
hiện của các hệ thống vi cơ điện tử MEMS (microelectromechanical systems) giúp
cho cảm biến trở thành phổ biến. Ngày nay có vô số cảm biến giá rẻ đo đạc và định
lượng các tính chất vật lý. Một cảm biến vật lý bao gồm máy biến năng (transducer),
đầu ra của máy biến năng này là một tín hiệu tương tự, do đó cần có bộ chuyển đổi
ADC kết nối giữa bộ cảm biến với một bộ xử lý chuyển đổi tín hiệu tương tự liên tục
thành tín hiệu số.
1.3.1.2 Phân hệ xử lý
Thực hiện nhiệm vụ kết nối các hệ thống khác và một số thiết bị ngoại vi, mục
đích chính của bộ xử lý là thực hiện (thi hành) các chỉ thị gắn liền với cảm biến, liên
lạc và tự tổ chức. Bộ xử lý bao gồm chip xử lý, bộ nhớ flash chứa chương trình, một
bộ nhớ chủ động để lưu dữ liệu cảm biến, và một đồng hồ bên trong. Bộ xử lý là thành
phần trung tâm của node cảm biến và có thể lựa chọn dựa trên sự cân bằng giữa khả
năng thích ứng và hiệu năng – năng lượng và hiệu suất của một số loại vi xử lý như:
vi điều khiển, chip DSP, chip ASIC, FPGA.
1.3.1.3 Giao diện kết nối
Tương tự việc lựa chọn bộ xử lý có ảnh hưởng lớn đến tiêu thụ năng lượng
của node cảm biến, việc lựa chọn giao diện kết nối các thành phần với bộ xử lý cũng
rất quan trọng. Sự truyền dẫn dữ liệu chú ý đến hiệu suất năng lượng và tốc độ giữa

các node quyết định hiệu quả của mạng khi được thiết lập. Tuy nhiên, kích thước thực
tế của node cảm biến đặt ra hạn chế với băng thông hệ thống. Lựa chọn giao diện liên
Dương Khôi Nguyên – CB130608

10


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

lạc trong thiết kế node cảm biến thường là các giao diện tuần tự như SPI, GPIO,
SDIO, I2C, USB; trong đó giao diện thường dùng nhất là SPI và I2C.
1.3.1.4 Phân hệ nguồn
Bộ nguồn trong mạng cảm biến đóng vai trò quan trọng cung cấp năng lượng
cho các thành phần khác của node, bộ nguồn có thể là một số loại pin như pin AA,
pin Lithium...Trong một số ứng dụng đặc biệt, bộ nguồn còn có khả năng nạp điện
bằng năng lượng mặt trời.
1.3.2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Hình 1.6 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
Tương tự mạng máy tính, kiến trúc mạng cảm biến không dây cũng phân chia
ra các lớp tương tự, ngoài ra do đặc thù của mạng, mạng cảm biến không dây còn có
các mặt phẳng quản lý công suất, quản lý di động và quản lý tác vụ.
Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý việc sử dụng năng lượng của node cảm
biến. Việc quản lý năng lượng là rất quan trọng do vấn đề năng lượng hữu hạn của
các node cảm biến, các node cảm biến có thể đặt ở trạng thái thức (wake) khi hoạt
động và nhận bản tin, ngủ (sleep) để tiết kiệm năng lượng.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

11


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và ghi lại chuyển động của
node, mặt khác nắm giữ định tuyến trở lại người dùng và các node hàng xóm.
Mặt phẳng quản lý tác vụ: Cân bằng và lập biểu các tác vụ cảm biến của một
vùng riêng biệt của các node, giúp các node thực hiện cảm biến cùng nhau.
Lớp vật lý: Thực hiện nhiệm vụ lựa chọn tần số, khởi tạo tần số sóng mang,
phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hoá dữ liệu. Trong kết nối multi-hop lớp vật lý còn
thực hiện nhiệm vụ khắc phục suy hao truyền dẫn và suy hao do vật cản. Việc lựa
chọn phương pháp điều chế khác nhau ở lớp vật lý có thể làm tăng mức tiêu thụ công
suất sóng điện từ và tăng hiệu quả truyền dữ liệu.
Lớp liên kết dữ liệu (lớp MAC): Thực hiện ghép kênh dữ liệu, phát hiện khung
dữ liệu, điều khiển truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Việc điều khiển truy
nhập đường truyền bao gồm khởi tạo hạ tầng mạng và cân bằng chia sẻ tài nguyên
giữa các node cảm biến. Sử dụng các giao thức SMACS và EAR hoặc CSMA-based,
TDMA, Hybrid TDMA/FDMA để điều khiển truy nhập đường truyền tuỳ thuộc vào
yêu cầu ứng dụng.
Lớp mạng: Lớp mạng có nhiệm vụ định tuyến đường đi của dữ liệu. Trong
mạng cảm biến không dây việc thiết kế lớp mạng cần chú ý đến các yếu tố như năng
lượng, tập trung dữ liệu, kết hợp, tổng hợp dữ liệu... và thường được thiết kế sao cho
đảm bảo định tuyến đường đi tốn ít năng lượng nhất/ qua ít hop nhất. Mặt khác lớp
mạng còn cung cấp các kết nối liên mạng với mạng ngoài qua các gateway, mạng
backbone.
Lớp truyền dẫn: Thường chỉ cần thiết khi cần các kết nối end to end và giám
sát truyền dẫn dữ liệu.
Lớp ứng dụng: Lớp này tập trung vào việc quản lý và sắp xếp các loại ứng

dụng khác nhau, cách xử lý và khởi tạo các sự kiện tuỳ thuộc vào nhiệm vụ cảm biến
của mỗi node cảm biến.
Dương Khôi Nguyên – CB130608

12


Nghiên cứu và phát triển thuật toán đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến
không dây

1.4 Kết luận
Chương này đã đưa ra cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, các
thách thức và hạn chế trong thiết kế và triển khai các node mạng. Ngoài ra ta có thể
thấy mạng cảm biến được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực phong phú trong cuộc
sống từ dân sự, quân sự... qua đó cho thấy tiềm năng rộng lớn của mạng.

Dương Khôi Nguyên – CB130608

13