Thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng cảm biến không dây (LV thạc sĩ)

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Ngô Quang Quyền


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin gởi lời cảm ơn đến TS. Vũ Ngọc Phàn, Viện Hàn Lâm
Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. PGS.TS. Trần Công Hùng, phó trưởng phòng
Phòng Đào Tạo và Khoa Học Công Nghệ, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông cơ sở TP.Hồ Chí Minh. Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ.
Chân thành cảm ơn quý Thầy/ Cô trong Khoa Công nghệ Thông tin - Học viện
Bưu chính Viễn Thông đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý
báu trong thời gian tôi học tại Học viện.
Cảm ơn Ban Giám đốc Bệnh viện Nhi Đồng 2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi hoàn thành khóa học một cách tốt nhất. Cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và
đồng nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Ngô Quang Quyền


iii

MỤC LỤC
Bản cam đoan .................................................................................................... i
Lời cảm ơn ....................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................... iii
Danh mục ký hiệu..............................................................................................v
Danh sách bảng ............................................................................................... vi
Danh sách hình vẽ .......................................................................................... vii
Mở đầu ..............................................................................................................1

CHƯƠNG I - TỒNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN) .................................................4
1.1

Giới thiệu về WSN ..................................................................................4

1.2

Ứng dụng của WSN .................................................................................5

1.3

Cấu trúc mạng WSN .............................................................................. 11

1.3.1

Cấu trúc một node trong mạng WSN ............................................... 11

1.3.2

Cấu trúc mạng WSN .......................................................................12

1.3.3

Giao thức định tuyến trong WSN .................................................... 14

1.3.4

Kiến trúc và giao thức WSN ........................................................... 15

1.4

Các thách thức và trở ngại đối với WSN ................................................ 17

1.4.1

Giới hạn về nguồn năng lượng ........................................................ 17

1.4.2

Giới hạn về phần cứng ....................................................................18

1.4.3

Ảnh hưởng của môi trường ............................................................. 18

1.5

Kết luận .................................................................................................18

CHƯƠNG II - CÁC THUẬT TOÁN PHÂN CỤM MỜ VÀ GIAO THỨC
ĐỊNH TUYẾN SEP TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY..........20
2.1

Các kỹ thuật phân cụm và các thuật toán phân cụm mờ
trong mạng cảm biến không dây ............................................................ 20

2.1.1

Giới thiệu chung ............................................................................. 20

2.2.2

Cấu trúc mạng WSN có phân cụm................................................... 20


iv

2.1.3
2.2

Phân loại các kỹ thuật phân cụm trong WSN...................................23

Các thuật toán phân cụm mờ trong WSN ............................................... 25

2.2.1

Thuật toán FCM ( Fuzzy C-Means) ................................................. 32

2.2.2

Thuật toán εFCM ( Insensitive Fuzzy C-Means)[7] ........................ 36

2.3

Tổng quan về giao thức định tuyến SEP................................................. 39

2.4

Kết luận .................................................................................................40

CHƯƠNG III - ĐỀ XUẤT GIAO THỨC SEP_εFCM MÔ PHỎNG
VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................................................................ 41
3.1

Xây dựng mô hình mạng ........................................................................ 41

3.2

Mô hình năng lượng............................................................................... 41

3.3

Thuật toán phân cụm εFCM trong WSN ................................................ 42

3.4

Phân cụm định tuyến SEP trong WSN ................................................... 44

3.5

Đề xuất kết hợp thuật toán εFCM vào trong giao thức định tuyến SEP ..47

3.6

Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 49

3.6.1

Kết quả sau 1200 vòng chạy đầu tiên .............................................. 50

3.6.2

Số node sống ................................................................................... 51

3.6.3

Năng lượng còn lại .......................................................................... 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 54

v

DANH MỤC KÝ HIỆU

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BS

Base Station

Trạm gốc

CH

Cluster Head

Cụm chủ

FCM

Fuzzy C-Means

Thuật toán Fuzzy C-Means

FCM

Insensitive Fuzzy C-Means

HVAC
PDA

Heating, ventilation and aircon
ditioning
Personal Digital Assistant

SEP

A Stable Election Protocol

TDMA

Time Division Multiple Đa truy cập phân chia theo
Access
thời gian
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không dây

WSN

Thuật toán Insensitive Fuzzy
C-Means
Hệ thống nồi hơi, thông hơi
và điều hòa không khí
Thiết bị hỗ trợ kỹ thuật số cá
nhân
Giao thức định tuyến không

đồng nhất


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Tọa độ các node .............................................................................. 27
Bảng 2.2: Kết quả phân cụm K-Means ............................................................ 31
Bảng 3.1: Bảng tóm tắt giá trị các tham số trong luận văn ............................... 49
Bảng 3.2: Bảng mô tả các ký hiệu trong hình mô phỏng .................................. 50


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ................................. 4
Hình 1.2: Các ứng dụng của WSN .................................................................... 6
Hình 1.3: Ứng dụng trong quân sự .................................................................... 7
Hình 1.4: Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp ......................... 8
Hình 1.5: Ứng dụng theo dõi cháy rừng ............................................................ 9
Hình 1.6: Ứng dụng trong y tế ........................................................................ 10
Hình 1.7: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh .............................................. 11
Hình 1.8: Các thành phần cơ bản của một node cảm biến................................ 12
Hình 1.9: Cấu trúc mạng hình sao ................................................................... 13
Hình 1.10: Cấu trúc mạng dạng lưới ............................................................... 13
Hình 1.11: Cấu trúc mạng phân cụm hai tầng .................................................. 14
Hình 1.12: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .............................. 16
Hình 2.1: Cấu trúc phân cụm trong mạng cảm biến không dây........................ 20
Hình 2.2: Lược đồ thuật toán K-Means ........................................................... 27
Hình 2.3: Tọa độ các node trên mặt phẳng ...................................................... 28

Hình 2.4: Thiết lập Centroid ban đầu .............................................................. 28
Hình 2.5: Thiết lập lại Centroid....................................................................... 29
Hình 2.6: Phân cụm lại dựa trên Centroid mới ................................................ 30
Hình 3.1: Phân cụm bằng thuật toán εFCM...................................................... 43
Hình 3.2: Xác định mức năng lượng tại mỗi node bằng giao thức SEP............ 46
Hình 3.3: Lược đồ chọn CH node trong giao thức SEP ................................... 47
Hình 3.4: Lược đồ các bước chạy của thuật toán SEP_εFCM ......................... 48
Hình 3.5: Giao thức SEP sau 1200 vòng chạy ................................................. 50
Hình 3.6: Giao thức kết hợp SEP_εFCM sau 1200 vòng chạy......................... 51
Hình 3.7: Alive Node ...................................................................................... 51
Hình 3.8: Năng lượng còn lại .......................................................................... 52


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành
công nghệ thông tin nói riêng, thế giới chúng ta đang bước vào kỷ nguyên số với sự
xuất hiện của điện thoại thông minh, nhà thông minh và thành phố thông minh,…
dường như chúng ta đang chuẩn bị bước sang một cuộc đại cách mạng công nghiệp
lần thứ 3 mang tên kỷ nguyên số. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ đó mạng cảm
biến không dây Wireless Sensor Network – WSN [1] ra đời như là một thành tựu
khoa học tất yếu nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người trong xã hội hiện đại.
Mạng cảm biến không dây (WSN) ra đời giúp cho chúng ta không mất quá
nhiều sức lực, nhân công, tránh sự nguy hiểm và chúng mang lại hiệu quả cao trong
công việc. Với sự tiến bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch
tích hợp,…đã thiết kế ra các cảm biến nhỏ gọn, giá thành rẻ và có khả năng triển
khai một số lượng lớn các thiết bị, chính vì thế WSN đã được triển khai trong hàng
loạt các lĩnh vực khác nhau như: Quốc phòng, dân sự, y tế, giáo dục, môi trường,
nông nghiệp,…. Với một số ứng dụng cụ thể như : theo dõi hành quân, điều quân

của quân địch; Theo dõi khô hạn và cảnh báo cháy rừng; Đo độ ẩm để điều tiết
nước tưới trong các trang trại nông nghiệp; Giám sát sức khỏe của bệnh nhân,…
Tuy nhiên WSN cũng còn tồn tại nhiều mặt hạn chế, một trong những hạn chế
lớn nhất đó là nguồn năng lượng của các node cảm biến (do kích thước nhỏ nên pin
cũng được thiết kế nhỏ). Với việc nguồn năng lượng không thể thay đổi thì một bài
toán đặt ra là chúng ta phải làm gì để kéo dài thời gian hoạt động của mạng WSN
này ?. Để giải quyết vấn đền này. Ngoài việc cải tiến về phần cứng thì việc ứng
dụng các thuật toán vào việc phân cụm các node cảm biến là một trong những kỹ
thuật có thể mang lại hiệu quả cao trong việc giải quyết vấn đề năng lượng này.
Luận văn này sẽ nghiên cứu một số các thuật toán phân cụm và đề xuất thuật toán
cải tiến nhằm mang lại hiệu cao trong việc phân cụm mạng WSN.


2

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các
node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các node mạng thường là các
thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp... và có số lượng lớn, được phân bố một
cách không có hệ thống trên một diện tích rộng với phạm vi hoạt động rộng, sử
dụng nguồn năng lượng hạn chế là pin, có thời gian hoạt động lâu dài vài tháng đến
vài năm và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt
độ...). Tất cả các cảm biến cảm nhận môi trường và truyền dữ liệu đến cụm đầu,
mỗi cụm có một chủ cụm (Cluster Head - CH) sẽ giao tiếp với tất cả các node thành
viên trong cụm. CH sẽ truyền toàn bộ dữ liệu đến Sink.
Như phân tích ở trên, chúng ta thấy các node chính thường phải truyền số liệu
qua những khoảng cách xa, lắng nghe và nhận tín hiệu từ các node trong cụm, và xử
lý nhiều công việc khác trong cụm, nên chúng thường mất nhiều năng lượng hơn
các node thành viên khác. Do vậy mạng phải tái phân cụm định kỳ để lựa chọn các
node có dư thừa năng lượng hơn làm node chính của các cụm và phân bố lưu lượng
tải đều hơn cho toàn bộ các node.

Đối với một mạng WSN quy mô lớn, số node sẽ rất nhiều, nên ta cần có một
kiến trúc mạng tốt. Bằng cách phân chia các cụm node, nhằm giảm dư thừa và
chồng chéo tính năng giữa các node. Thách thức chính là việc triển khai của các
node cảm biến trong vùng có các hiện tượng cần theo dõi sao cho có thể giám sát
một cách hiệu quả, và tái phân cụm liên tục nhằm tận dụng triệt để nguồn pin năng
lượng của tất cả các node trong mạng WSN.
Luận văn tiến hành nghiên cứu và đánh giá một số thuật toán phân cụm nổi
tiếng như K-Means, Fuzzy C-Means, Insensitive Fuzzy C-Means trong việc phân
cụm của WSN. Tìm hiểu ưu và nhược điểm của các thuật toán này cùng với đó là
việc nghiên cứu và tổng hợp giao thức SEP[8]. Trên cơ sở lý thuyết tìm hiểu được,
luận văn đề xuất hướng tiếp cận mới đó là việc kết hợp thuật toán Insensitive Fuzzy
C-Means vào giao thức SEP và tiến hành mô phỏng và đánh giá hiệu quả của thuật
toán cải tiến này thông qua phần mềm matlab.


3

Nội dung đề tài gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network
(WSN).
Chương 2: Các thuật toán phân cụm mờ và giao thức định tuyến SEP trong mạng
cảm biến không dây.
Chương 3: Đề xuất giao thức kết hợp SEP_εFCM , mô phỏng và đánh giá


4

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY WIRELESS SENSOR NETWORK(WSN)
1.1

Giới thiệu về WSN
Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network(WSN)[1] được định

nghĩa là một mạng lưới được hình thành từ sự kết hợp giữa các node cảm biến với
nhau. Node cảm biến là một thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự hành và giao tiếp
không dây qua một khoảng cách ngắn để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập
thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng
địa lý nào.
Các node cảm biến được trang bị các tính năng cảm nhận, quan sát, đo đạc,
tính toán, định vị,… môi trường xung quanh sau đó truyền dữ liệu tổng hợp được về
node gốc bằng bộ thu và phát sóng vô tuyến của mình. Node gốc là nơi thu nhận các
dữ liệu từ các node thành viên trong nhóm tiến hành tổng hợp và phân tích dữ liệu
sau đó gởi dữ liệu này về Sink node tại đây dữ liệu đã sẵn sàng cho người dùng sử
dụng. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát
trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink node) và môi trường
mạng công cộng như internet hay vệ tinh.

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây


5

Các node cảm biến không dây liên kết thành một mạng cùng với đó là sự phát
triển của internet, vệ tinh đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Với sự tiến
bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch tích hợp,…đã thiết kế ra
các cảm biến không dây rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động
trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao cùng với việc áp dụng các
kỹ thuật mã hóa, sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ
bị giới hạn bởi kích thước và công suất của các node cảm biến. Việc tăng độ tin cậy

của các thiết bị riêng lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin
cậy của các ứng dụng bằng khả năng khắc phục được sự hỏng hóc của các thiết bị,
việc ứng dụng các thuật toán vào việc phân cụm, định tuyến nhằm tận dụng triệt để
nguồn năng lượng của mỗi node sẽ làm tăng tuổi thọ của các node cảm biến. Như
vậy, hệ thống hoạt động trên từng node không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát
triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
Ngày nay với khả năng triển khai mạng và khả năng đáp ứng được rất nhiều
ứng dụng thực tế khác nhau, mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực như : quốc phòng, an ninh, dân sự, y tế, giao thông, nghiên cứu vi sinh vật
biển, giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát
trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng
trong đời sống hàng ngày,…

1.2 Ứng dụng của WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN) ra đời giúp cho chúng ta không mất quá
nhiều sức lực, nhân công, tránh sự nguy hiểm và chúng mang lại hiệu quả cao trong
công việc. Với sự tiến bộ về kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ mạch
tích hợp,…đã thiết kế ra các cảm biến nhỏ gọn, giá thành rẻ và có khả năng triển
khai một số lượng lớn các thiết bị, chính vì thế WSN đã được triển khai trong hàng
loạt các lĩnh vực khác nhau như : Quốc phòng, dân sự, y tế, giáo dục, môi trường,
nông nghiệp,…. Với một số ứng dụng cụ thể như : theo dõi hành quân, điều quân


6

của quân địch; theo dõi khô hạn và cảnh báo cháy rừng; Đo độ ẩm để điều tiết nước
tưới trong các trang trại nông nghiệp; Giám sát sức khỏe của bệnh nhân,…
Một số ứng dụng của mạng WSN trong cuộc sống :

Hình 1.2: Các ứng dụng của WSN

Triển vọng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong quân sự. Các
mạng cảm biến không dây là một phần không thể thiếu trong các ứng dụng quân sự
ngày nay với các hệ thống mệnh lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền
thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Với đặc tính triển
khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho
thấy đây là công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. Vì các mạng cảm biến
dựa trên cơ sở triển khai rất nhiều nút giá rẻ và chỉ dùng một lần, việc bị địch phá
hủy một số node không ảnh hưởng tới hoạt động chung như các cảm biến truyền
thống nên chúng tiếp cận chiến trường tốt hơn một số ứng dụng cụ thể như : kiểm
tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng và lực lượng
địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa
học – sinh học – hạt nhân.


7

Hình 1.3: Ứng dụng trong quân sự

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong giám sát và điều khiển công
nghiệp. Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn,
không đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về
độ tin cậy và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng
trong lĩnh vực này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt
động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của
nguyên liệu được lưu trữ,… Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện
rộng thì mạng cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội. Đó là hệ
thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo. Rất nhiều chi phí trong quá trình
cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn (các chuyển mạch có dây, các bóng đèn
được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng đèn, …). Một hệ thống không dây có tính

mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển từ xa có thể được lập trình để điều
khiển một số lượng các bóng đèn theo nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong
khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo.
Hay việc sử dụng các mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng an toàn công
nghiệp. Các mạng cảm biến không dây có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự


8

hiện diện của các chất độc hại hoặc các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát
hiện và nhận dạng sớm các khe hở hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc
sinh học trước khi thiệt hại nghiêm trọng xảy ra và trước khi các chất vượt ra ngoài
vùng kiểm soát. Bởi vì mạng không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến
phân tán, có nhiều đường định tuyến, và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có
thể co giãn trong mặt ngoài của quá trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy
công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền với thông tin trạng thái máy quyết định dưới
các điều kiện rất khó. Trong một ứng dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều
khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong không gian là một lĩnh vực khá phù hợp
với các mạng cảm biến không dây ( máy bay, vật thể bay …). Với ứng dụng khác
trong lĩnh vực này của các mạng cảm biến không dây là hệ thống nồi hơi, thông hơi
và điều hòa không khí (HVAC) của các toà nhà. Một hệ thống HVAC được trang bị
với các bộ ổn nhiệt và chống rung không dây sẽ mang lại hiệu quả bảo vệ con người
tốt hơn nếu cũng hệ thống HVAC đấy mà chỉ được trang bị một bộ ổn nhiệt đơn có
dây.

Hình 1.4: Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp

Triển vọng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong ngành nông
nghiệp và môi trường

9

Một số ứng dụng về môi trường của WSN :
+ Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm
tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi;
+ Các công cụ giám sát phát hiện hóa học, sinh học, kiểm tra môi trường
không khí, đất trồng, biển;
+ Phát hiện và cảnh báo cháy rừng, phát hiện động đất, sóng thần.
+ Các ứng dụng của WSN được sử dụng trên các trang trại chăn nuôi.
Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình
quyết định vị trí của các con vật trong trang trại và các cảm biến được
gắn theo mỗi con vật, xác định các yêu cầu cho các phương pháp điều
trị để phòng chống các động vật ký sinh và dịch bệnh phát sinh.

Hình 1.5: Ứng dụng theo dõi cháy rừng

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực y tế và giám sát sức
khỏe. Một số ứng dụng trong lĩnh vực y tế của mạng cảm biến không dây là khả
năng giao tiếp cho các người khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chẩn
đoán; kiểm tra, giám sát sự di chuyển và các cơ chế sinh học, kiểm tra từ xa các số
liệu về sinh lý con người; giám sát, kiểm tra các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh
viện.


10

Hình 1.6: Ứng dụng trong y tế

Các ứng dụng tự động hóa cho các hộ gia đình và điện dân dụng. Gia đình là

không gian ứng dụng rất lớn cho các mạng cảm biến không dây. “SmartHome” là
thuật ngữ để chỉ một ngôi nhà “thông minh” với việc đưa toàn bộ các thiết bị cảm
biến vào ứng dụng một cách toàn diện. Một ứng dụng được điều khiển chung từ xa,
một PDA (Personal Digital Assistant) có thể điều khiển TV, máy nghe DVD, dàn
âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa,
và các ổ khoá cũng được trang bị với kết nối mạng cảm biến không dây. Với điều
khiển chung từ xa, một bộ có thể điều khiển ngôi nhà từ tiện ích trên ghế. Tuy
nhiên, khả năng hấp dẫn nhất đến từ sự kết hợp nhiều dịch vụ, giống như các cánh
cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia
đình khi một cuộc gọi được nhận trên máy điện thoại hoặc chuông cửa kêu. Mục
đích lớn của các mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ là mức
tiêu thụ điện thấp là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây. Ứng
dụng khác trong gia đình là việc hỗ trợ các dịch vụ gia đình trên ôtô. Với các mạng
cảm biến không dây, ổ khoá không dây, các cảm biến cửa ra vào và cửa sổ, và các
bộ điều khiển bóng đèn không dây, chủ nhà có một thiết bị tương tự như một key-


11

fob với một nút bấm. Khi bấm nút, thiết bị khoá tất cả các cửa ra vào và cửa sổ
trong nhà, tắt hầu hết các bóng đèn trong nhà (trừ một vài bóng đèn ngủ), bật các
bóng đèn an toàn ngoài nhà, và thiết lập hệ thống HVAC (Heating, Ventilation, and
Air Conditioning) đến chế độ ngủ. Người sử dụng nhận một tiếng beep một lần hồi
đáp thể hiện tất cả đã thực hiện thành công, và nghỉ ngơi hoàn toàn, như vậy ngôi
nhà an toàn. Khi một cánh cửa hỏng không thể mở, hoặc vấn đề tồn tại, một màn
hình hiển thị trên thiết bị chỉ thị nơi bị hỏng.

Hình 1.7: Ứng dụng trong ngôi nhà thông minh

1.3 Cấu trúc mạng WSN

1.3.1 Cấu trúc một node trong mạng WSN
Một trong những thành phần quan trọng nhất để hình thành mạng cảm biến
không dây đó chính là node cảm biến. Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học đặc
biệt là ngành điện tử viễn thông đã cho ra đời những node cảm biến có kích thước
nhỏ gọn hơn, giá thành thấp, có khả năng lưu trữ cao, tính toán nhanh và hoạt động
hiệu quả hơn với năng lượng, bộ cảm biến nhạy hơn, khả năng thu và phát sóng
giữa các node với nhau tốt hơn. Tùy theo từng yêu cầu ứng dụng cụ thể của từng
mạng cảm biến các node cảm biến có thể được thiết kế thêm các chức năng riêng,
về cơ bản một node cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần chính sau:


12

-

Bộ xử lý (a processing unit)

-

Bộ thu phát (a transceiver unit)

-

Bộ cảm nhận (sensing unit)

-

Bộ nguồn (a power unit)

Hình 1.8: Các thành phần cơ bản của một node cảm biến

(ADC: bộ chuyển đổi analog sang digital)

1.3.2 Cấu trúc mạng WSN
Cấu trúc mạng WSNs không giới hạn trong một vài thiết kế, khi thiết kế mạng
tùy theo thực địa các nhà thiết kế có nhiều cách thiết kế. Sau đây là một số thiết kế
được cho là tối ưu và được khuyến nghị nên dùng.

1.3.2.1 Cấu trúc hình sao (Star)
Cấu trúc này là cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng. Trong cấu trúc này,
tất cả các node giao tiếp trực tiếp với các cổng, cấu trúc này rất đơn giản cho việc
thiết kế, các mối quan tâm khác về mạng được giảm tới mức tối thiểu. Nhưng chúng
có hạn chế rất lớn là khả năng mở rộng kém và hạn chế về độ bền của hệ thống. Cấu
trúc này là cấu trúc đơn giản, thường được sử dụng. Trong cấu trúc này, tất cả các
node giao tiếp trực tiếp với các cổng, cấu trúc này rất đơn giản cho việc thiết kế, các


13

mối quan tâm khác về mạng được giảm tới mức tối thiểu. Nhưng chúng có hạn chế
rất lớn là khả năng mở rộng kém và hạn chế về độ bền của hệ thống.

Hình 1.9: Cấu trúc mạng hình sao

1.3.2.2 Cấu trúc dạng lưới (Mesh)
Đối với mạng với số lượng node lớn, phân bố trên một diện tích rộng thì có
thể dùng cấu trúc này. Trong cấu trúc này, tín hiệu được truyền từ node này đến
node khác và cho đến khi truyền đến cổng. Tùy theo thực tế, WSN có thể được tổ
chức có cấu trúc hoặc ngẫu nhiên.

Hình 1.10: Cấu trúc mạng dạng lưới

1.3.2.3 Cấu trúc phân cụm hai tầng
Cấu trúc này là cấu trúc phổ biến nhất trong việc phân cụm mạng WSN. Trong
cấu trúc này, các node trong một khu vực cụ thể báo cáo dữ liệu về một cụm chủ
CH. Cụm chủ này tạo thành một mạng lưới với node gốc, như vậy một node gốc sẽ


14

quản lý nhiều CH ở các cụm nhỏ khác nhau. Ưu điểm của cấu trúc này là nó chia
một mạng lớn thành nhiều khu vực nhỏ. Cụm chủ cũng có thể được thiết kế mạnh
mẽ hơn về tính năng thông tin liên lạc hoặc thậm chí có thể được kết nối thông qua
các mạng khác, tăng tốc độ truyền tải và độ tin cậy của mạng.

Hình 1.11: Cấu trúc mạng phân cụm hai tầng

1.3.3 Giao thức định tuyến trong WSN
Các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường dùng pin, do thiết
kế nhỏ gọn nên lượng pin có giới hạn. Khi triển khai ở một phạm vi rộng và số
lượng node cảm biến lớn thì rất khó cho việc nạp lại năng lượng cho pin. Như vậy,
vấn đề năng lượng trong mạng WSN là một nguồn tài nguyên có giới hạn, cho nên
việc định tuyến phân cụm nhằm tiết kiệm năng lượng là một trong những khía cạnh
quan trọng nhất của việc kéo dài tuổi thọ cho các node cảm biến. Trong việc định
tuyến nhằm tiết kiệm năng lượng thì việc chọn đường đi giữa hai node và việc tiến
hành phân cụm thường xuyên để sử dụng cân bằng nguồn năng lượng ở tất cả các
node là yếu tố quan trọng hàng đầu. Để thực hiện được việc định tuyến phân cụm
này chúng ta cần giải quyết được những thách thức sau:
-

Số lượng lần truyền tin:

Trên thực tế khi tiến hành truyền tin giữa các node làm tiêu thụ năng lượng khá
nhiều. Số lượng lần truyền tin từ một node tới node chủ càng ít thì sẽ giảm được sự


15

tiêu hao năng lượng, cho nên chiến lược giảm thiểu tái truyền đi, nó cũng giảm tiêu
thụ năng lượng.
-

Sử dụng năng lượng cân bằng ở các node:

Các node chủ phải tiến hành lắng nghe và thu thập thông tin từ các node trong nhóm
của mình, sau đó tiến hành tổng hợp thông tin thu được từ các node thành viên và
truyền thông tin này về trạm trung tâm cho nên node chủ sẽ tiêu hao năng lượng rất
nhanh. Chính vì vậy ta phải định kỳ phân nhóm lại, lấy node còn nhiều năng lượng
làm node chủ, như ta có thể tận dụng triệt để nguồn năng lượng trên tất cả các node
và làm tăng được tuổi thọ của toàn mạng cảm biến.
-

Độ trễ:

Với một mạng lớn nhiều node cảm biến, các thông tin của các node con được tập
hợp ở một node chủ để xử lý sau đó truyền về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa
là hết sức quan trọng, tránh việc chờ tín hiệu làm giảm nguồn năng lượng của node
chủ.

1.3.4 Kiến trúc và giao thức WSN

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút
cảm biến được thể hiện trên hình 1.12. Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính
toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin
với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp
tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm:
+ Lớp ứng dụng (Application Layer).
+ Lớp giao vận (Transport Layer).
+ Lớp mạng (Network Layer).
+ Lớp liên kết số liệu (Datalink Layer).
+ Lớp vật lý (Physical Layer).
+ Mặt phẳng quản lý nguồn (Power Management Plane).
+ Mặt phẳng quản lý tính di động (Mobility Management Plane).
+ Mặt phẳng quản lý tác vụ (Task Management Plane).


16

Hình 1.12: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Tuỳ theo nhiệm vụ của cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây
dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng:
+ Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng
cảm biến yêu cầu.
+ Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp
giao vận. Do môi trường có nhiễu và các nút cảm biến có thể di động được, giao
thức MAC(Media Access Control) phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu
hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các nút lân cận.
+ Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn
giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt phẳng quản lý năng lượng, di động và
nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa

các nút cảm biến. Các mặt phẳng này giúp cho các nút cảm biến có thể phối hợp
trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ.
+ Mặt phẳng quản lý nguồn quản lý việc một nút cảm biến sử dụng năng
lượng của nó như thế nào. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận
một bản tin từ một trong các nút lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản
tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của nút cảm biến thấp, nút cảm biến sẽ


17

thông báo tới tất cả các nút lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó
không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được
dự trữ cho việc cảm biến.
+ Mặt phẳng quản lý tính di động dò tìm và ghi lại chuyển động của nút
cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới nút user luôn được duy trì và các nút
cảm biến có thể theo dõi được các nút cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được
các nút cảm biến lân cận, nút cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng
lượng sử dụng.
+ Mặt phẳng quản lý tác vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho
một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực
nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài nút cảm biến thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những
mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các nút cảm biến có thể làm việc cùng với
nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng
cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Nếu không, mỗi nút
cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn
mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể hoạt động hợp tác với
nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.

1.4 Các thách thức và trở ngại đối với WSN

Ngày nay mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các
lĩnh vực nhờ những tính năng ưu việt mà chúng đem lại cho chúng ta, tuy nhiên bên
cạnh đó mạng cảm biến không dây vẫn tồn tại những hạn chế mà nếu chúng ta nắm
bắt được những hạn chế này sẽ khắc phục và hạn chế tối đa những trở ngại này.

1.4.1 Giới hạn về nguồn năng lượng
Các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng nguồn
năng lượng có sẵn (Pin), với kích thước nhỏ nên năng lượng bị giới hạn tuy ngày
nay nguồn năng lượng pin này ngày càng được tích hợp để mang được dung lượng
cao hơn, nhưng do đòi hỏi tính năng ngày một cao của con người, các node cảm
biến phải lắng nghe, cảm nhận, tính toán, truyền dữ liệu do đó, chúng ta phải tìm ra


18

giải pháp xử lý và truyền dữ liệu một cách hợp lý để tăng tuổi thọ cho mạng cảm
biến không dây. Việc thiết lập một chu kỳ làm việc với việc chuyển mạch giữa hai
chế độ : Chế độ ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active), việc định
tuyến phân cụm hiệu quả, tránh việc chồng chéo là những yếu tố quan trọng trong
việc giải quyết bài toán về nguồn năng lượng cho mạng cảm biến không dây.

1.4.2 Giới hạn về phần cứng
Đối với một số ứng dụng đòi hỏi chúng ta phải thiết kế những node cảm biến
nhỏ, điều này làm hạn chế đi bộ nhớ, khả năng tính toán, và nguồn năng lượng,
khiến cho chúng hạn chế về tính năng cũng như tuổi thọ của mạng. Điều này đòi hỏi
chúng ta không ngừng cải tiến công nghệ phần cứng để cho ra đời những sensor có
kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp,hiệu suất cao và đặc biệt có tuổi thọ dài.

1.4.3 Ảnh hưởng của môi trường
Mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền là sóng vô tuyến, nên rất dễ

bị ảnh hưởng bới các yếu tố môi trường bên ngoài, điều này có thể dẫn đến việc
truyền dữ liệu giữa các node cảm biến bị gián đoạn hoặc bị mất dữ liệu trong quá
trình các node cảm biến truyền về trạm gốc.

1.5 Kết luận
Ngày nay mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện
năng tuổi thọ cao cho phép ta triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức
tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng xử lý cộng tác và chịu được các
hư hỏng đã tạo ra một triển vọng ứng dụng đầy tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Mạng cảm biến không dây phục vụ đa dạng các mục tiêu không chỉ thu thập
thông tin dữ liệu mà còn điều khiển giám sát hệ thống trên phạm vi rộng lớn. Tuy
nhiên để triển khai mạng cảm biến không dây người thiết kế hệ thống cần phải nắm
bắt được những tác động, ưu và nhược điểm của mạng để khắc phục để từ đó có thể
thiết kế ra hệ thống theo cách tối ưu nhất.
Trong chương này giới thiệu tổng quan về WSN bao gồm : giới thiệu về WSN
và các ứng dụng, cấu trúc node, cấu trúc mạng WSN, giao thức định tuyến và các