Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (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.HCM, ngày 30 tháng 5 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Lê Chiến Thắng


ii

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, với tư cách là giáo viên hướng dẫn,
PGS. TS. Trần Công Hùng đã tận tình hướng dẫn và có nhiều ý kiến đóng góp để
đề tài hoàn thiện. Qua đây tôi xin trân trọng gửi lời cám ơn đến PGS. TS. Trần
Công Hùng, người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn cao học này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô giáo của Học viện
Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy trong suốt quá trình học tập tại
trường.
Bên cạnh đó, tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ tận tình từ
NCS. Phan Thị Thể và các đồng nghiệp tại Đài truyền hình TP.HCM. Xin gửi lời
tri ân đến tất cả các anh chị.

Xin trân trọng cảm ơn!

Tp.HCM, ngày 30 tháng 05 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Lê Chiến Thắng


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Mục lục....................................................................................................................... ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..................................................................... v
Danh mục các bảng ................................................................................................. vii
Danh mục các hình ..................................................................................................viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................... 2
1.1 Giới thiệu............................................................................................................. 3
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ..................................................................... 4
1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN ......................................................... 4
1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây (WSN) .................................................... 6
1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .................................................. 7
1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây ..................................... 10
1.4.1 Thời gian sống bên ngoài ............................................................................... 11
1.4.2 Sự đáp ứng ..................................................................................................... 11
1.4.3 Hiệu suất và khả năng tự cấu hình ................................................................. 11
1.4.4 Khả năng mở rộng và tự thích nghi ............................................................... 12
1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây .......................................................... 12
1.6 Kết luận chương 1 .............................................................................................. 18
CHƯƠNG 2 CÁC GIAO THỨC PHÂN CỤM VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ ..... 19
2.1 Giao thức Leach [7] ........................................................................................... 19

2.2 Logic mờ [8]....................................................................................................... 23
2.2.1 Bộ Crisp và Fuzzy ........................................................................................... 24
2.2.2 Các tính chất của tập mờ ................................................................................. 25
2.2.3 Hoạt động tập mờ ............................................................................................ 26
2.2.4 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ.................................................................. 26
2.2.5 Luật mờ IF-THEN........................................................................................... 27
2.2.6 Hệ thống suy luận mờ ..................................................................................... 27
2.3 Kỹ thuật phân nhóm ........................................................................................... 29
2.4 Phân Cụm Multi-Objective ............................................................................... 30


iv
2.5 Công trình liên quan ........................................................................................... 31
2.5.1 Giao thức Gupta Fuzzy ................................................................................... 31
2.5.2 Giao thức CHEF Fuzzy ................................................................................... 32
2.5.3 Giao thức Leach-FL ........................................................................................ 33
2.6 Kết luận chương 2 .............................................................................................. 33
CHƯƠNG 3 CẢI TIẾN THUẬT TOÁN PHÂN CỤM, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH
GIÁ ........................................................................................................................... 35
3.1 Cải tiến thuật toán phân cụm Leach cải tiến dựa trên logic mờ cơ sở kép ........ 35
3.1.1 Giới thiệu phương pháp đề xuất ...................................................................... 36
3.3.2 Phương pháp đề xuất ....................................................................................... 39
3.1.2 Quy tắc logic mờ cho Clustering .................................................................... 42
3.2 Thuật toán........................................................................................................... 48
3.3 Kết quả và phân tích thực hiện .......................................................................... 51
3.4 Kết luận chương 3 .............................................................................................. 56
KẾT LUẬN ................................................................................................................................ 58
Tài liệu tham khảo .................................................................................................................... 59

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT
ADC
BS
CDMA
CSMA
CSMA/CD

DCHS

DSP
DS-SS

E-LEACH
GPS
HEED
IC
IEEE
ISM
LEACH
LEACH-C

TIẾNG ANH
Analog-To-Digital
Converter
Base Station
Code Division Multiple
Access

Carrier Sense Multiple
Access
Carrier Sense Multiple
Access With Collision
Detection
Deterministic ClusterHead
Selection
Digital Signal Processing
Direct Sequence - Spread
Spectrum
Energy-Low Energy
Adaptive Clustering
Hierarchy
Global Positioning
System
Hybrid Energy Efficient
Distributed Protocol
Inter-Integrated Circuit
Institute of Electrical and
Electronic Engineers
Industrial, Scientific And
Medical
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Low-Energy Adaptive
Clustering
HierarchyCentralized

LEACH-F

Low-Energy Adaptive
Clustering HierarchyFixed

MAC

Media Access Control

MANET
M-LEACH

Mobile Ad-hoc Network
Mutil-Hop Low Energy

TIẾNG VIỆT
Bộ chuyển đổi tương tự
sang số.
Trạm nền.
Đa truy nhập phân chia
theo mã.
Đa truy nhập cảm nhận
sóng mang.
Đa truy cập cảm biến sóng
mang với phát hiện đụng
độ
Giao thức xác định lựa
chọn cụm chủ.
Xử lý tín hiệu số.
Trải phổ chuỗi trực tiếp.
Kết cụm phân cấp thích
nghi năng lượng thấp.

Hệ thống định vị toàn cầu.
Giao thức lai phân bố hiệu
quả năng lượng.
Mạch liên tích hợp.
Viện kỹ thuật điện và điện
tử.
Dãi tần số công nghiệp
Khoa học và y tế.
Phân nhóm tương thích
năng lượng thấp.
Phân cấp nhóm tương
thích
năng lượng thấp - tập
trung.
Phân nhóm phân bậc
tương
thích năng lượng thấp - Cố
định.
Điều khiển truy nhập môi
trường.
Mạng ad-hoc di động.
Giao thức kết cụm thích


vi
Adaptive Clustering
Hierarchy
OFDM

PAN

PEACH

PECRP

QoS
SAR
SMP
SPIN

SPIN-BC

SPIN-EC
.
SPIN-PP

SPIN-RL

Orthogonal
FrequencyDivision
Multiplexing
Personal Area Network
Power-Efficient And
Adaptive Clustering
Hierarchy
Power-Efficient
Clustering
Routing Protocol
Quality of Service
Sensor Aggregates
Routing

Sensor Management
Protocol
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation
- Broadcast media
SPIN-PP with a low
energy
threshold
Sensor Protocols for
Information via
Negotiation
– Point to Point
SPIN-BC for lossy
networks

UWB
WPAN

Ultra-Wideband
Wireless Personal Area
Network

WSN

Wireless Sensor Network

nghi phân cấp năng lượng
thấp sử dụng truyền đa
chặng.
Phương pháp đa truy cập
phân chia theo tần số trực
Mạng vùng cá nhân.
Giao thức kết cụm thích
nghi phân cấp và hiệu quả
nguồn.
Giao thức định tuyến kết
cụmhiệu quả nguồn.
Chất lượng dịch vụ.
Giao thức cảm biến kết
hợp.
Giao thức quản lý cảm
biến.
Giao thức thông tin cảm
biến thông qua sự đàm
phán.
Giao thức thông tin cảm
biến thông qua sự đàm
phán – môi trường quảng
bá.
Giao thức thông tin cảm
biến thông qua sự đàm
phán – điểm điểm với mức
ngưỡng năng lượng thấp.
Giao thức thông tin cảm
biến thông qua sự đàm
phán – điểm điểm

Giao thức thông tin cảm
biến thông qua sự đàm
phán – môi trường quảng
bá cho mạng suy hao.
Băng siêu rộng.
Mạng vô tuyến cá nhân

Mạng cảm biến không dây.


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Chức năng thành viên được sử dụng ở các mức độ ................... 45
Bảng 3.2: Chức năng thành viên sử dụng ở mức phổ quát ......................... 47
Bảng 3.3 Thông số mô phỏng ..................................................................... 52


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây...................................................... 4
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN. ............................................. 5
Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây...................................................... 7
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến................................................ 8
Hình 1.5: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ........................................................... 13
Hình 1.6: Cảnh báo và đo thông số động đất ....................................................... 13
Hình 1.7: Ứng dụng trong y tế .............................................................................. 14
Hình 1.8: Ứng dụng nhà thông minh .................................................................... 15
Hình 1.9: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa......................................................... 15

Hình 1.10: Ứng dụng ở cảng ................................................................................. 16
Hình 1.11: Ứng dụng trong trồng trọt ................................................................... 16
Hình 1.12: Ứng dụng trong chăn nuôi ................................................................. 17
Hình 1.13: Ứng dụng trong giao thông ................................................................. 17
Hình 2.1: Mô hình mạng LEACH ........................................................................ 20
Hình 2.2: Quá trình hình thành cụm chủ trong LEACH ....................................... 21
Hình 2.3: Quá trình pha ổn định trong LEACH .................................................... 22
Hình 2.4: Một tập mờ cơ bản ................................................................................ 25
Hình 2.5: Hoạt động của tập mờ ........................................................................... 26
Hình 2.6: Cấu trúc FIS ......................................................................................... 27
Hình 2.7: Đề xuất phân loại Schemes Clustering ................................................ 30
Hình 3.1: Cách tiếp cận phân cụm trong giao thức lớp chéo ................................ 35
Hình 3.2: Nguyên tắc hoạt động của giao thức LEACH. ..................................... 37
Hình 3.3: Truyền đa chặng trong mạng cảm biến không dây ............................... 37
Hình 3.4: Phương pháp tối ưu giảm tải năng lượng cho các cụm chủ ở gần BS .. 38
Hình 3.5: Quá trình các giai đoạn ra quyết định ................................................... 44
Hình 3.6: Giai đoạn chung của việc ra quyết định ................................................ 45
Hình 3.7: Tổng số nút cảm biến hoạt động so với số vòng................................... 53
Hình 3.8: Năng lượng nổi bật của thuật toán đề xuất và LEACH ........................ 54


ix
Hình 3.9: Hiệu quả cấp độ hợp lệ với các con số khác nhau nút lân cận.............. 55
Hình 3.10: Đánh giá năng lượng cho các nút láng giềng ...................................... 56


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và

công nghệ thông tin nói riêng. Mạng cảm biến không dây Wireless Sensor
Network – WSN [1] ra đời là một thành tựu to lớn của khoa học. WSN là sự kết
hợp giữa cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn nhằm
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người, giúp cho con người không mất quá
nhiều sức lực, nhân công, nâng cao được hiệu quả công việc. Sức mạnh của WSN
là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, có khả năng tự thiết
lập cấu hình hệ thống. Sử dụng các thiết bị này để theo dõi trong thời gian thực,
giám sát điều kiện tự nhiên, theo dõi tình trạng thiết bị.
WSN đã được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như: an ninh, quốc
phòng, dân sự, y tế, giao thông, môi trường, nông nghiệp … Trong đó có một số
ứng dụng cụ thể như: cảnh báo xâm nhập, giám sát chu trình và sản phẩm trong
sản xuất công nghiệp; theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã; cảnh báo cháy
nổ, nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức khỏe; kiểm soát lưu lượng giao thông;
giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời tiết, khí hậu; đo nhiệt độ, độ ẩm,
điều khiển tưới tiêu tự động theo độ ẩm không khí.
Mạng cảm biến không dây có đặc điểm là năng lượng bị giới hạn, thời gian
cung cấp năng lượng của nguồn (thường là pin) cho mỗi cảm biến ngắn, chu kỳ
nhiệm vụ mỗi cảm biến giới hạn, số lượng nút cảm biến nhiều và thay đổi liên tục
(khi hết năng lượng thì nút cảm biến sẽ bị loại bỏ ra khỏi mạng, khi có vật cản xuất
hiện trong môi trường truyền dẫn đến gián đoạn kênh vô tuyến) làm cho cấu trúc
của chính mạng cũng thay đổi. Nguyên nhân giới hạn năng lượng trong mạng cảm
biến là do năng lượng sẵn có trong các cảm biến thường nhỏ, thêm nữa các cảm
biến khó có thể nạp bổ sung năng lượng (các cảm biến phân tán rộng nên khó thu
hồi lại, một số mạng cảm biến nằm trong những môi trường nguy hiểm hoặc độc
hại), trong khi đó bản thân nó phải sử dụng năng lượng để thu thập các tin tức từ
môi trường xung quanh và mỗi cảm biến cũng cần có năng lượng để xử lý, tổng
hợp và chuyển thông tin liên tục về nút trung tâm của mạng, đặc biệt khi có sự biến
động về môi trường xung quanh.

2
Để tối ưu năng lượng tiêu thụ và kéo dài thời gian sống của mạng WSN, cân
bằng việc triển khai sensor bằng cách nghiên cứu định tuyến hiệu quả sử dụng logic
mờ kết hợp với việc cải tiến thuật toán Leach nhằm nâng cao tuổi thọ của toàn bộ
mạng cảm biến. Khả năng mở rộng của chiến lược thực hiện là đánh giá chuyên sâu
bằng cách xem xét các môi trường khác nhau. Các chủ cụm được chọn sử dụng hệ
thống suy luận mờ kép. Các nút cảm biến đủ điều kiện được lựa chọn tùy thuộc vào
mức công suất của nó và gắn với tổng số nút trong khu vực truyền dẫn. Đề xuất
thuật toán được so sánh với Leach. Hiệu quả của mô hình được đề xuất là thử
nghiệm và đánh giá trong Matlab và kết quả thực hiện cho thấy rằng trong kỹ thuật
này, các nút cảm biến sử dụng rất ít năng lượng và giữ mạng trong một thời gian
lớn hơn.
Mục tiêu của đề tài nhằm ứng dụng logic mờ trong giao thức LEACH cải
tiến nhằm phân cụm hợp lý để tối ưu việc sử dụng năng lượng.
Nội dung của luận văn bao gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Các giao thức phân cụm và ứng dụng logic mờ.
Chương 3: Cải tiến thuật toán phân cụm, mô phỏng và đánh giá.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1

Giới thiệu
Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến không

dây nằm trên một khu vực địa lý. Các "nút cảm biến không dây" là các thiết bị sử

dụng điện năng thấp và được trang bị với một hoặc nhiều cảm biến. Các nút cảm
biến có thể có cảm biến để phát hiện và đo lường nhiệt, cơ khí, quang, từ, hóa học
hoặc các tín hiệu sinh học. Trong một WSN cơ bản, tích hợp số đơn vị phát thanh
trong một nút cảm biến sẽ gửi các dữ liệu thu thập được về trạm cơ sở. Các trạm cơ
sở là thường nằm xa các nút cảm biến và đóng vai trò như một cổng giữa mạng và
trung tâm xử lý thông tin. Một cấu trúc chung của WSN được trình bày trong hình
1.1 WSN có thể được cấu trúc hay không có cấu trúc. Một mạng cảm biến không
dây cơ bản đòi hỏi rất ít cơ sở hạ tầng. Trong một mạng lưới như vậy, các nút có
thể khám phá được trong một mạng ad hoc. Các mạng không được kết nối sau khi
triển khai và không giám sát và báo cáo riêng của mình. Tuy nhiên, mạng cảm biến
triển khai để có được dữ liệu từ môi trường có thể yêu cầu một số lượng lớn các nút
cảm biến, đánh số hàng ngàn đến hàng chục ngàn tùy thuộc vào khu vực được triển
khai. Do số lượng lớn các nút thì việc quản lý mạng trở nên khó khăn và cấu trúc
phức tạp. Các mạng cảm biến không dây có cấu trúc đã có kế hoạch triển khai của
các nút cảm biến, và điều này có nghĩa rằng vài nút cảm biến là cần thiết để kiểm
soát khu vực này so với cả một cấu trúc mạng lớn không kiểm soát. Chi phí vận
hành và bảo trì giảm.
Các nút mạng cảm biến không dây có những hạn chế về năng lượng có sẵn
cho hoạt động, băng thông thấp, khả năng xử lý hạn chế, phạm vi nhỏ và lưu trữ dữ
liệu hạn chế. Thiết kế mạng dựa trên các môi trường hoạt động. Như vậy cấu trúc
liên kết mạng triển khai được quyết định trên cơ sở từng trường hợp cụ thể. Thông
thường, số lượng nhỏ của các nút là đủ để phủ sóng trong nhà trong khi vùng phủ
sóng ngoài trời đòi hỏi số lượng lớn các nút lớn. Đối với khu vực không thể tiếp
cận thì triển khai duy nhất sử dụng được mạng ad hoc. Ad hoc triển khai cũng được
sử dụng khi số lượng các nút trong khoảng từ 100 đến 1000.


4

Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Các giao thức ngăn xếp của mạng cảm biến là tương tự như giao thức ngăn
xếp của mạng ad- hoc truyền thống, với các lớp sau : Ứng dụng, Giao vận, mạng,
liên kết dữ liệu, và vật lý[1] .
 Lớp ứng dụng: Các lớp ứng dụng chịu trách nhiệm về giao diện người dùng
và dữ liệu chế biến.
 Tầng giao vận: lớp này quy định các phương pháp vận chuyển gói tin đáng
tin cậy.
 Tầng mạng: chức năng của tầng mạng là chú ý đến địa chỉ và chuyển tiếp
các gói dữ liệu.
 Lớp liên kết dữ liệu: chức năng của tầng liên kết dữ liệu là các dòng dữ liệu
kiểm soát ghép kênh lỗi, phát hiện khung và đảm bảo các kết nối đáng tin
cậy.


Lớp vật lý: Các chức năng lớp vật lý là để xác định tần số sử dụng, đặc
điểm tín hiệu như kiểu điều chế và mã hóa.

1.2

Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.2.1 Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN
Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu
thành mạng nút cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy
theo ứng dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành thấp, hoạt động hiệu quả
về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các


5

thông số môi trường, có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có
khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được
cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 1.2, bộ cảm nhận (Sensing unit), bộ
xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power
unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator)
và bộ phận di động (mobilizer) [2,3].

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của một nút trong WSN.

Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng quan
sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ
ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định
các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ
liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn có
thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,
nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu
cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy cần phải có các bộ định vị, các bộ phận di


6
động đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các
nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó.
Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.
Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là

phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự
hoạt động, và thích ứng với môi trường.

1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây (WSN)
Giao tiếp không dây: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp
trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt
là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các
nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng
cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop.
Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không
dây.
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số
một cách tự động. Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông
qua các nút khác (gọi là tự định vị).
Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm
biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động
thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó mà từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ
rất tốn băng thông và năng lượng. Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong
một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.
- Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
- Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.
- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận.
Các nút cảm ứng được phân bố trong một sensor field như hình 1.3. Mỗi
một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ


7

liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể
giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager) qua mạng Internet hoặc vệ
tinh.

Hình 1.3: Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.3

Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến không dây, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút

sẽ được định tuyến gửi đến sink. Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông
qua internet hay vệ tinh. Kiến trúc giao thức được sử dụng bởi nút gốc và các nút
cảm biến


8

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút
cảm biến được thể hiện trên hình 1.4. 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 bằng quản lý
năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility
Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane) [4,5].
Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần

mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong
lớp ứng dụng có một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến
(SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định
nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement),
giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP –Sensor Query and Data
Dissemination).
Lớp truyền tải: Giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu
cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài,


9
hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với
người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói người dùng (UDP –
User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission
Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các
nút cảm biến cần các giao thức kiểu như UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ
nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở
rộng và định tuyến tập trung dữ liệu.
Lớp mạng: Quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách
thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng. Do vậy thiết kế lớp mạng
trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:
-

Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.

-

Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.

-

Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.

-

Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.
Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không

dây. Nhìn tổng quan, chúng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là
định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo
hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query-based), định tuyến thỏa thuận (negotiationbased), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS –Quanlity of Service), định tuyến
kết hợp (coherent-based).
Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng
dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Vì môi trường có
tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, lớp điều khiển truy nhập môi trường
(MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng
tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang,
điều chế, lập mã và tách sóng.
Phần quản lý công suất điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ:
nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân


10
cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút
cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có
mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất
còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy

trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác định được các nút cảm
biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ
thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng
xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó điều phải thực hiện
nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực
hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó.
Những phần quản lý này là cần thết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau
theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng
cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.4

Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
Tuy mạng cảm biến không dây có rất nhiều ưu điểm và ứng dụng hữu ích,

nhưng khi triển khai trên thực tế sẽ gặp phải một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ
thuật. Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể
được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5Ah, 1.2V). Việc nạp lại năng lượng
là rất khó khăn. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh
vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop, mỗi một nút đóng một vai
trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến
có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các
gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng
một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung
nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn mạng cảm biến. Nhiệm
vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện,
thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự

11
tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: Sự cảm nhận (sensing), sự giao tiếp
(communicating), và xử lý dữ liệu (Data processing) [5,6].

1.4.1 Thời gian sống bên ngoài
Các nút mạng cảm biến không dây với nguồn năng lượng pin giới hạn. Ví
dụ: một loại pin kiềm cung cấp 0.5Ah năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút
mạng ở chế độ tích cực gần 30 ngày hoạt động. Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám
sát và thay thế pin cho một mạng rộng, thì thời gian sống dài hơn được thiết kế.
Trong thực tế, pin rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng cảm biến
không dây có thể tự động sử dụng không cần thay thế trong vài năm. Sự cải thiện
của phần cứng trong thiết kế pin và kĩ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần
trong việc tiết kiệm pin.

1.4.2 Sự đáp ứng
Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển
các nút trong một chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch giữa 2 chế độ: Chế độ
ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active). Trong khi quá trình đồng bộ
ở chế độ ngủ là 1 thách thức của mạng cảm biến không dây, vấn đề lớn liên quan
đến nữa là chu trình ngủ một cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng
như hiệu suất của các sensor. Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên
được tìm thấy và thông báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn
chính xác, thậm chí trong sự tồn tại của nghẽn mạng.

1.4.3 Hiệu suất và khả năng tự cấu hình
Trong các cải tiến của luật Moore về công nghệ đảm bảo dung năng của
thiết bị về các mặt: Xử lý nguồn, bộ nhớ - lưu trữ, thực hiện truyền nhận vô tuyến,
cải thiện nhanh chóng sự chính xác của bộ cảm biến. Tuy nhiên, vấn đề kinh tế
được đặt ra ở đây là giá cả trên một nút giảm mạnh (từ hàng trăm đô la xuống còn
vài đô la), nó có thể làm cho dung năng của một số nút sẽ bị hạn chế ở 1 mức độ

nhất định. Đó là lý do để thiết kế các giao thức cho hiệu suất cao, nó bảo đảm rằng
hệ thống tổng thì sẽ có dung năng lớn hơn so với dung năng của các thành phần
trong nó cộng lại. Các giao thức cung cấp một khả năng hợp tác giữa lưu trữ, máy
tính và các tài nguyên thông tin.


12
Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, mạng cảm biến không dây là
các hệ thống phân phối không cần chủ. Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt
ra trong thiết kế. Ngay từ khi bắt đầu, các nút trong mạng cảm biến không dây có
thể được cấu hình theo topo mạng của chúng; Tự đồng bộ, tự kiểm tra, và quyết
định các thông số hoạt động khác.

1.4.4 Khả năng mở rộng và tự thích nghi
Mạng cảm biến không dây có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng (có
thể lên đến 10 ngàn, thậm chí là hàng triệu nút trong một giới hạn về độ dài). Có
một vài hạn chế về thông lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến khả năng mở
rộng của hoạt động mạng.
Trong mạng cảm biến không dây, thường có những tín hiệu không chắc chắn
về điều kiện hoạt động trước khi triển khai. Dưới những điều kiện đó, việc xây
dựng những máy móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử
dụng những cái học được đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng.
Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà mạng
cảm biến không dây hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian. Các giao
thức mạng cảm biến không dây sẽ làm cho thiết bị có thể thích nghi với môi trường
năng động trong khi nó đang sử dụng.

1.5

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm ứng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của

cuộc sống:
Các ứng dụng về môi trường:
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim,
động vật, côn trùng, theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, theo
dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy
rừng, lũ lụt…. Một số ứng dụng quan trọng như:


Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng:

Bằng việc phân tán các nút cảm ứng trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên
một cách tự phát. Mỗi nút cảm ứng có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên
quan đến cháy như nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập được truyền multihop tới


13
nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm.
Ngay sau khi sự kiên liên quan đến cháy được phát hiện, trung tâm điều khiển sẽ
đưa ra cảnh báo sớm. Điều này sẽ giúp phát hiện sớm và ngăn chặn được thảm họa
cháy rừng.

Hình 1.5: Mạng WSN cảnh báo cháy rừng



Cảnh báo lũ lụt: Hệ thông này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa,

mực nước. Các cảm biến này cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu

trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm.


Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa trấn: Các cảm biến về độ rung …

được đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất,
hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa
phun trào.

Hình 1.6: Cảnh báo và đo thông số động đất


14

Các ứng dụng trong y học:
Giám sát trong y tế và chẩn đoán từ xa: Trong tương lai, các nút cảm ứng có thể
được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da và đo các thông số của máu để phát hiện
sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh sẽ dễ dàng hơn. Hiện nay đã tồn
tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được
bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24h (hình 1.7).
Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị
khác mà không cần phải phẫu thuật. Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và
điều trị.

Hình 1.7: Ứng dụng trong y tế

Ứng dụng trong gia đình:
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm ứng được đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch
chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong

trường hợp không có ai ở nhà.


15

Hình 1.8: Ứng dụng nhà thông minh

Trong công nghiệp


Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh, công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa

sẽ được giải phóng. Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm ứng mà chỉ cần tồn
tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho
lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để
bộc lộ các đặc điểm của chúng. Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những
cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua
từng nút. Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm
chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng,
sensor sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo. Điều này đặc biệt hữu dụng
trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.

Hình 1.9: Ứng dụng trong quản lý hàng hóa



Những nút cảm ứng này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các

container ở cảng. Mỗi một container là một nút mạng trong mạng cảm ứng và có
thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách

16
xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đến container
khác. Tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn
luôn nhất quán. Nhờ đó tàu có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng
của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị
lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database).

Hình 1.10: Ứng dụng ở cảng



Quản lí dây truyền sản xuất, theo dõi sản phẩm

Trong nông nghiệp:


Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm,

ánh sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về
trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù
hợp.

Hình 1.11: Ứng dụng trong trồng trọt