...Nguyễn Minh Ngọc_.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

SINH VIÊN: NGUYỄN MINH NGỌC

NGHIÊN CỨU VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG
Y TẾ

HÀ NỘI – 2015
i


Lời nói đầu
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công
nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc
sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của
con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong
môi trường sống cũng đang diễn ra. Dân số ngày càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo,
các dịch vụ tiện ích từ đó cũng hình thành phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các
công nghệ của ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn
cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật
điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong các mục đích nghiên cứu khác
nhau, phạm vi ngày càng mở rộng, để tạo được các đáp ứng cho các nhu cầu trên
các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng rộng rãi ở nước
ta, do những điều kiện về kinh tế, kỹ thuật, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn
là một mục đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát
triển đầy tiềm năng.
Được sự hướng dẫn và chỉ dẫn của PGS.TS Lê Trung Thành em đã chọn đề
tài đồ án “Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế”. Đồ án
là cung cấp các mô hình, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong phân tích

thiết kế cho hệ thống giám sát sức khỏe. Mục tiêu chính của nghiên cứu này để đánh
giá việc chấp nhận các tiêu chuẩn không dây hiện tại để theo dõi chăm sóc sức khỏe
trong môi trường thực tế. Đồ án dựa trên các giao thức IEEE 802.15.4/ZigBee kết
hợp với các nền tảng phần cứng và phần mềm, đặc biệt tập trung vào cơ chế Carrier
Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) thuật toán truyền
thông đáng tin cậy đa truy nhập cảm biến sóng mang. Các số liệu phân tích được
thiết lập thông qua các dữ liệu đo và phân tích toán học. Hệ thống giám sát sức khỏe
dựa trên các mạng cảm biến cơ thể (BSN). BSN bao gồm một số thiết bị mạng phân
phối chứa bộ cảm biến, trong đó thu thập và xử lý dữ liệu và giao tiếp với các thiết
bị khác thông qua một kênh tần số vô tuyến. Các nút cảm biến nhỏ, tiêu thụ điện
năng thấp để giữ cho tính di động tốt của bệnh nhân và giảm chi phí dịch vụ chăm
sóc sức khỏe.

i


Lời cảm ơn
Em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến PGS.TS Lê Trung Thành,
người đã trực tiếp dành nhiều thời gian để hướng dẫn em hoàn thành đồ án này.
Em cũng xin được gửi đến các thầy cô giáo khoa Công nghệ thông tin, Đại
học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội lời cảm ơn sâu sắc vì những kiến thức mà
các thầy cô đã giảng dạy cho chúng em trong suốt những năm học tại trường. Được
trang bị những kiến thức này giúp cho em trưởng thành hơn và có khả năng cống
hiến, phục vụ nhiều hơn cho xã hội.
Em cũng xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các bạn cùng học tập, đã trực tiếp
hoặc gián tiếp giúp em hoàn thành đồ án này.
Hà Nội, tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện đồ án
Nguyễn Thị Minh Ngọc

ii


MỤC LỤC
Lời nói đầu ............................................................................................................. i
Lời cảm ơn..................................................................................................................ii
Danh sách các thuật ngữ và ký tự ............................................................................ v
Danh sách các bảng ................................................................................................ ix
Danh sách các hình .................................................................................................. x
Chương 1

: Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ........................................... 1

1.1 Node cảm biến ............................................................................................... 1
1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................ 2
1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ ............................................................................... 2
1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ................................................ 3
1.2.3 Khả năng liên kết vật ký và phân cấp điều khiển hạn chế ......................... 3
1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ..................................................... 3
1.2.5 Hoạt động tin cậy ..................................................................................... 4
1.2.6 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây .................................... 4
1.3 Một số vấn đề trong WSN .............................................................................. 8
1.4 Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây ............................................ 10
1.4.1 Ưu điểm ................................................................................................. 10
1.4.2 Những thách thức trở ngại ...................................................................... 10
Chương 2

: Mạng cảm biến không dây trong y tế ............................................... 11

2.1 Các công nghệ được sử dụng trong giám sát sức khỏe .................................. 12

2.1.1 ZigBee ................................................................................................... 12
2.1.2 Bluetooth ............................................................................................... 13
2.1.3 Ultra Wide Band (UWB) ........................................................................ 14
2.1.4 Wireless Fidelity (WiFi) ......................................................................... 14
2.1.5 So sánh các công nghệ ........................................................................... 15
2.2 Đánh giá mạng cảm biến không dây trong giám sát sức khỏe ...................... 19
2.2.1 Độ tin cậy............................................................................................... 21
2.2.2 Năng lượng ............................................................................................ 21

iii


2.2.3 Khả năng di chuyển ................................................................................ 22
2.2.4 Mạng lưới giao thoa ............................................................................... 22
2.2.5 Thời gian thực và giám sát liên tục ......................................................... 23
2.2.6 Những hạn chế và thách thức của WSN.................................................. 23
2.3 Phân tích đánh giá công nghệ Zigbee............................................................ 24
2.3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 24
2.3.2 Giao thức MAC chuẩn IEEE 802.15.4.................................................... 25
2.4 Phân tích không khe cắm CSMA/CA .......................................................... 29
2.4.1 Truyền các gói thời gian và trì hoãn ....................................................... 29
2.4.2 End to end delay ..................................................................................... 34
2.4.3 Truyền các gói tin .................................................................................. 36
2.4.4 Môi trường đánh giá ............................................................................... 37
2.4.6 Ảnh hưởng của số lượng thiết bị mạng ................................................... 39
2.4.7 Ảnh hưởng của Data Payload Size (Kích cỡ dữ liệu tải trọng) ................ 40
2.5. Cấu hình lại thông số không khe gán IEEE 802.15.4 MAC cho giám sát điện
tâm đồ ................................................................................................................ 44
2.5.1 Giới thiệu ............................................................................................... 44
2.5.2 Kết quả................................................................................................... 46

Chương 3

: Triển khai ứng dụng cho giám sát sức khỏe ..................................... 56

3.1 Hệ thống giám sát đo nhịp tim ...................................................................... 56
3.2 Xây dựng trên phần mềm ............................................................................. 61
3.3 Xây dựng trên phần cứng ............................................................................. 63
3.3 Giao thức Mac cho các gói truyền ưu tiên..................................................... 65
3.3.1 Phương pháp đề xuất cho thiết bị mạng được kết hợp trong PAN ........... 65
3.3.2 Thông số Mac thích hợp cho dữ liệu ưu tiên. .......................................... 69
Kết luận và hướng phát triển.................................................................................. 71
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 72

iv


Danh sách các thuật ngữ và ký tự
Viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

ACK

Acknowledgement

Sự công nhận

ADC

Analog-to-digital converter

Chuyển đổi tín hiệu tương tự số

b

Number of back-off attempt

Số lượng giai đoạn truyền lại back-

periods

off

BE

Back-off exponents

Số mũ back-off

BM

macMaxBE

macMaxBE (3~8)

Bm

macMinBE

macMinBE (0~8)

CCA

Clear Channel Assessment

Đánh giá rõ ràng kênh

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy cập cảm biến sóng mang

with Collision
Avoidance mechanism
CDMA

Code Division Multiple Access

Chuẩn tế bào số dùng các kỹ thuật
phổ dài rộng để truyền tín hiệu

Cmax

Most effective data capacity

Dung lượng dữ liệu hiệu quả

CPHY

IEEE 802.15.4 data capacity

Dung lượng dữ liệu của IEEE
802.15.4 (250kbps)

CW

Contention Window length

Sự tranh chấp độ dài cửa sổ

DAC

Digital to Analogue Converter

Chuyển đổi kỹ thuật số tương tự

DMA

Direct Memory Access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

ECG

Electrocardiogram

Điện tâm đồ (cảm biến để theo dõi

hoạt động của tim)

EEG

electroencephalography

Điện não (cảm biến cho hoạt động
giám sát điện não)

EMG

electromyography

Điện đồ cơ (cảm biến để giám sát
hoạt động cơ bắp)

v


Viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

FCF

Frame Control Field

Khung điều khiển dòng

FFD

Full Function Device

Thiết bị đầy các chức năng

ISM

Industrial, Scientific and

Công nghiệp, khoa học, y tế

Medical Band
LIFS

A long inter-frame spacing

Khoảng cách dài giữa các khung

MAC

Medium Access Control

Điều khiển truy nhập môi trường

MCU

Microcontroller unit

Đơn vị vi điều khiển

MHR

MAC header

Phần đầu điều khiển truy nhập môi
trường

MPDU

MAC protocol data unit

Giao thức đơn vị dữ liệu MAC

MSDU

MAC service data unit

Dịch vụ đơn vị dữ liệu MAC

ms

millisecond

Mili giây

m

macMaxCSMABackoffs

macMaxCSMABackoffs (0~5)

NACK

No Acknowledgement

Không công nhận

NB

The number of back-offs with

Số lượng back-offs với giá trị ban

initial value of zero

đầu là 0

PAN

Personal area network

Mạng khu vực cá nhân

PC

Personnel Computer

Máy tính các nhân

PC

Probability of channel being

Xác suất của kênh rỗi

idle
PS

Probability of access the

Xác suất truy cập kênh

channel
PDA

Personnel Digital Assistant

Hỗ trợ số liệu cá nhân

PRD

Packet delivery ratio

Tốc độ chuyển giao gói tin

PER

Packet error rate

Tỉ lệ gói tin lỗi

PHY

Physical

Lớp vật lý

PPDU

Physical

Giao thức đơn vị dữ liệu lớp vật lý

vi


Viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

PWM

Pulse width modulation

Xung điều chế độ rộng

q

Probability of packet

Xác suất truyền gói tin

transmitting
R

Average number of back-off

Trung bình số lượng back-off

r

macMaxFrameRetries

Khung truyền lại lớn nhất Mac
(0~7)

RSam

Sampling rate

Tỉ lệ mẫu

RSSI

Radio Signal Strength Indicator

Tín hiệu vô tuyến chỉ báo cường độ

QoS

Quality of service

Đánh giá chất lượng

RIP

Respiratory inductive

Máy ghi thể tích quy nạp hô hấp

plethysmograph
RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

RFD

Reduced Function Device

Giảm chức năng của thiết bị

RFID

Radio Frequency Identification

Xác định tần số vô tuyến

SOC

Single on chip

Chip đơn

SINR

Signal Interference Noise Ratio

Nhiễu tín hiệu tỉ số truyền

SIFS

A short inter-frame spacing

Khoảng cách ngắn giữa các khung

SFD

Start of frame delimiter

Bắt đầu khung phân cách

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

TUB

aUnitBackoffPeriod

Đơn vị thời gian back-off (20- Ts)

TACK

The transmission time length of

Độ dài thời gian truyền khung ACK

ACK frame plus an

cộng với một thời gian khoảng cách

interframe spacing period

interframe

The period of clear channel

Thời gian rõ ràng để đánh giá kênh

TCCA

assessments
TDATA

The mean transmission period
of data frame
vii

Thời gian truyền tải trung bình của
khung dữ liệu


Viết tắt

Tên đầy đủ

Ý nghĩa

TRX-TX

Turnaround time

Thời gian quay vòng (RX đến TX)
(12-Ts)

TTX_RX

Turnaround time

Thời gian quay vòng (TX đến RX)
(12-Ts)

TS

Symbol time

Ký hiệu thời gian

TLIFS

LIFS time

Thời gian LIFS (40-TS)

TSIFS

SIFS time

Thời gian SIFS (12- TS)

Tpd

Packet transmission delay

Truyền trễ gói

Tsampling

Data sampling time

Thời gian dữ liệu mẫu

TAB

Average back-off times

Trung bình thời gian back-off

TABj

Sum of TAB of each periods

Tổng TAB cho mỗi giai đoạn

TTB

Total back-off period time

Tổng giai đoạn thời gian back-off

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng nội hạt vô tuyến

WPANs

Wireless personal area networks Mạng vùng cá nhân vô tuyến

WSNs

Wireless sensor networks

Mạng cảm biến không dây

WBAN,

Wireless Body Area Networks

Mạng cảm biến cơ thể

WBSN

viii


Danh sách các bảng
Bảng 1.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng trong Công nghiệp, Khoa học và Y
tế. ............................................................................................................................ 7
Bảng 2.1: So sánh các giao thức Bluetooth, UWB, ZigBee, Wi-Fi......................... 17
Bảng 2.2: Môt số hệ thống giám sát sinh lý hiện tại ............................................... 20
Bảng 2.3: Các thông số .......................................................................................... 38
Bảng 2.4: Các thông số .......................................................................................... 45
Bảng 3.1: Tóm tắt kết quả...................................................................................... 61
Bảng 3.2: Tổng quan về phần cứng........................................................................ 64

ix


Danh sách các hình

Hình 1.1: Thành phần của nút cảm biến ................................................................... 2
Hình 1.2: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây ........................................ 4
Hình 1.3: Giao thức định tuyến trong WSN dựa theo phân loại tiêu chuẩn ............. 9
Hình 2.1: Hệ thống mạng cảm biến không dây điển hình cho các ứng dụng y tế .... 12
Hình 2.2: Khoảng thời gian cho một khung dữ liệu LIFS với ACK ....................... 28
Hình 2.3: Chuỗi truyền khung của IEEE 802.15.4 ................................................. 30
Hình 2.4: Tác động của Lpayload và N trong trung bình số lượng truyền lại backoff ......................................................................................................................... 32
Hình 2.5: Tổng thời gian back-off với kích thước tải trọng khác nhau ................... 34
Hình 2.6: Ảnh hưởng của kích thước tải trọng và N lên trung bình trễ End-to-End 35
Hình 2.7: Ảnh hưởng của kích thước tải trọng và N về tỷ lệ giao gói tin trung bình.
.............................................................................................................................. 37
Hình 2.8: Giao thức mạng hình sao PRD của IEEE802.15.4 với số nút N ............. 40
Hình 2.9: Giao thức mạng hình sao trung bình trễ End-To-End 802.15.4 với các nút
N ........................................................................................................................... 40
Hình 2.10: Số lượng gói dữ liệu được gửi với đa dạng kích thước trọng tải dữ liệu
trong cùng một khu vực mạng. .............................................................................. 41
Hình 2.11: Số lượng gói dữ liệu giảm với đa dạng kích thước trọng tải dữ liệu trong
một cùng khu vực mạng ........................................................................................ 42
Hình 2.12: Trung bình trễ end-to-end đa dạng các kích cỡ tải trọng trong cùng một
mạng lưới .............................................................................................................. 43
Hình 2.13a: Kết quả tỉ lệ dữ liệu ............................................................................ 47
Hình 2.13b: Trễ End-To-End chu kỳ các gói tin .................................................... 48
Hình 2.13c: Tốc độ của giao gói của chu kỳ các gói tin ......................................... 48
Hình 2.14a: Tỉ lệ dữ liệu của macMinBE ............................................................... 49
Hình 2.14b: Trễ End-To-End của macMinBE ....................................................... 50
Hình 2.14c: Tốc độ giao gói của macMinBE ........................................................ 50
Hình 2.15a : Tỉ lệ dữ liệu của macMaxBE ............................................................. 51
x

Hình 2.15b : Trễ End-To-End của macMaxBE ...................................................... 52
Hình 2.15c : Tốc độ giao gói tin của macMaxBE................................................... 52
Hình 2.16a: Tỉ lệ dữ liệu của macMaxCSMABackoffs .......................................... 54
Hình 2.16b: Trễ End-To-To của macMaxCSMABackoffs ..................................... 54
Hình 2.16c: Tốc độ giao gói của macMaxCSMABackoffs..................................... 55
Hình 3.1: Tổng quan hệ thống cảm biến y sinh ...................................................... 57
Hình 3.2: Chuyển đổi của nhịp tim âm thanh với bit kỹ thuật số ............................ 58
Hình 3.3: Toàn bộ dữ liệu gói tin âm thanh nhịp tim .............................................. 59
Hình 3.4: Lưu lại nhịp tim từ thiết bị Zigbee 802.15.4 .......................................... 60
Hình 3.5: Quản lý bộ đệm đôi để truyền và nhận dữ liệu ....................................... 63
Hình 3.6: Thay đổi dòng chảy liên mạng để truyền dữ liệu ưu tiên ........................ 66
Hình 3.7: Các trường khung điều khiển (FCF) ....................................................... 68

xi