Nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung luận văn:
“Nghiên cứu kiến trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng”
Là do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Quang Thảo. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả

Lƣu Hoàng Long


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng
dẫn của tôi, TS. Lê Quang Thảo. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã
tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến,
Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã
truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập
và nghiên cứu.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã
số QG.17.09. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu đó.
Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục
thiết bị bảng A đƣợc trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý. Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm:
“Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…”
Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những ngƣời
đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2017

Lƣu Hoàng Long

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................3
1.1. Khái niệm......................................................................................................... 3
1.2. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây ................................ 4
1.2.1. Kích thƣớc vật lý, năng lƣợng tiêu thụ ......................................................4
1.2.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi .....................................................5
1.2.3. Đa dạng trong thiết kế ...............................................................................6
1.2.4. Chi phí sản xuất thấp .................................................................................6
1.3. Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây ................ 6
1.3.1. IEEE 802.15.4 [19] ....................................................................................7
1.3.2. ZigBee [4,19].............................................................................................8
1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................................... 9
1.4.1. Ứng dụng trong quân sự ..........................................................................10
1.4.2. Ứng dụng vào môi trƣờng .......................................................................11
1.4.3. Ứng dụng vào dịch vụ y tế ......................................................................13
1.4.4. Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà .......................................................14
1.4.5. Ứng dụng trong công nghiệp ..................................................................15
1.4.6. Ứng dụng trong nông nghiệp ..................................................................15
CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................17
2.1. Các kiểu mạng [1] ......................................................................................... 17
2.1.1. Cấu trúc phẳng ........................................................................................18
2.1.2. Cấu trúc phân tầng ..................................................................................19
2.2. Kiến trúc phần cứng ....................................................................................... 21
2.2.1. Node UWASA ........................................................................................22
2.2.2. SurfNet ....................................................................................................26
2.3. Kiến trúc phần mềm ....................................................................................... 29
2.3.1. Lớp giao vận [12] ....................................................................................30
2.3.2. Lớp mạng [1] ...........................................................................................30

2.3.3. Lớp liên kết dữ liệu [1] ...........................................................................31
2.3.4. Lớp vật lý [12].........................................................................................31


2.3.5. Lớp ứng dụng [1] ....................................................................................32
2.3.6. Các mặt phẳng chéo [2] ..........................................................................33
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................34
TRONG NÔNG NGHIỆP .........................................................................................34
3.1. Kiến trúc tổng thể hệ thống ............................................................................ 35
3.1.1. Node cảm biến.........................................................................................36
3.1.2. Bộ điều khiển tƣới nƣớc ..........................................................................37
3.2. Vi điều khiển họ AVR của Atmel [11,14] ..................................................... 39
3.3. Bộ thu phát vô tuyến nRF24L01 [17,19] ....................................................... 41
3.4. Kiến trúc phần mềm ....................................................................................... 45
3.4.1. Kiến trúc giao tiếp thông tin [19] ............................................................45
3.4.2. Kỹ thuật MultiCeiverTM của hãng Nordic [19] .......................................46
3.4.3. Thuật toán hoạt động trong kiến trúc phần mềm [19] ............................48
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN .........52
ĐIỀU KHIẾN VAN TƢỚI NƢỚC THEO ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT ..............................52
4.1. Bản thiết kế sơ đồ mạng ................................................................................. 52
4.2. Phần cứng trong node cảm biến ..................................................................... 54
4.3. Phần cứng trong trạm trung tâm..................................................................... 57
4.4. Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến đo độ ẩm đất............................................ 59
4.4.1. Giới thiệu cảm biến độ ẩm đất ................................................................59
4.4.2. Xác định độ ẩm đất [10] ..........................................................................62
4.4.3. Kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến độ ẩm MS10 ........................63
4.5. Thông số lập trình chuyển đổi tín hiệu số và độ ẩm đất ................................ 65
KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................66
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68
PHỤ LỤC ..................................................................................................................70

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Cụm từ

Nghĩa tiếng Việt
Tín hiệu sử dụng trong truyền thông
số để đảm bảo dữ liệu đƣợc nhận
Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số
Vi điều khiển họ AVR

ACK

Acknowledgement

ADC
AVR

Analog Digital Converter

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Industrial, Scientific and
Medical
Liquid Crystal Display
low-rate wireless personal
area networks
Media Access Control
Microcontroller unit
Negative acknowledgement

Viện điện, điện tử quốc tế

IEEE
ISM
LCD
LR-WPANs
MAC
MCU
NACK
nRF24L01
RF
RISC
RX
SM
SPI
SurfNet
TX
UWASA
WSN
ZigBee

Radio frequency
Reduced Instruction Set
Computer
Receiver
Soil Moisture
Serial Peripheral Interface
Transmitter
Wireless Sensor Network

Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu
khoa học và y tế
Màn hiển thị tinh thể lỏng
Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp
Điều khiển truy cập đƣờng truyền
Bộ vi xử lý trung tâm
Tín hiệu xác thực phủ định
Tên riêng bộ thu phát nRF24L01
Tần số vô tuyến
Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn
Máy thu sóng
Độ ẩm đất
Giao tiếp ngoại vi nối tiếp
Tên riêng kiến trúc SurfNet
Máy phát sóng
Tên riêng kiến trúc UWASA
Mạng cảm biến không dây
Tên riêng giao thức mạng không dây
ZigBee

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các tính năng chính của bộ điều khiển nRF24L1D …………………….28
Bảng 3.1. Chức năng của các chân của nRF24L01…...……………..…..................44
Bảng 4.1. Độ ẩm các mẫu đất đo đƣợc theo TCVN 4048:2011 và điện áp đầu ra
đƣợc đo bằng cảm biến MS10…...………………… ………………............. .........64


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. ............................................................... 3
Hình 1.2. Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4 ................................................................. 8
Hình 1.3. Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee. .............................................................. 9
Hình 2.1. Mạng dạng hình sao. ...................................................................................... 17
Hình 2.2. Mạng dạng vòng ............................................................................................. 18
Hình 2.3. Mạng dạng truc tuyến..................................................................................... 18
Hình 2.4. Cấu trúc phẳng ............................................................................................... 19
Hình 2.5. Cấu trúc tầng. ................................................................................................. 20
Hình 2.6. Kiến trúc phần cứng của node UWASA ........................................................ 22
Hình 2.7. Cấu trúc ngăn xếp của node UWASA. .......................................................... 25
Hình 2.8. Cấu trúc phần mềm của node UWASA. ........................................................ 25
Hình 2.9. Một node cảm biến theo kiến trúc node UWASA ......................................... 26
Hình 2.10. Node cảm biến sử dụng kiến trúc SurfNet (Palomäki 2010a). .................... 27
Hình 2.11. Cầu nối USB với UWASA và SurfNet ........................................................ 29
Hình 3.1. Kiến trúc tổng thể của hệ thống giám sát nƣớc trong nông nghiệp. .............. 35
Hình 3.2. Cấu trúc node theo kiến trúc phần cứng UWASA. ........................................ 37
Hình 3.3. Kiến trúc bộ điều khiển máy bơm theo UWASA và SurfNet. ....................... 38
Hình 3.4. Cấu trúc tập lệnh rút gọn của vi điều khiển Atmega...................................... 40
Hình 3.5. Sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển. ................................................... 43
Hình 3.6. Sơ đồ chân nRF24L01.................................................................................... 43
Hình 3.7. Chế độ hoạt động của các node UWASA và SurfNet. .................................. 46
Hình 3.8. Kĩ thuật MultiCeiverTM trong node SurfNet. ................................................. 47

Hình 3.9. Cơ chế tránh va chạm theo kĩ thuật MultiCeiverTM. ...................................... 48
Hình 3.10. Sơ đồ thuật toán của node cảm biến theo kiến trúc UWASA. ..................... 49
Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán của trạm trung tâm theo kiến trúc UWASA và SurfNet. .. 50
Hình 4.1. Sơ đồ bản thiết kế mạng cảm biến giám sát độ ẩm đất. ................................. 53
Hình 4.2. Sơ đồ mạch điện khối thu thập dữ liệu. ......................................................... 55
Hình 4.3. Node thu thập dữ liệu. .................................................................................... 56
Hình 4.4. Sơ đồ mạch điện khối xử lý trung tâm. .......................................................... 57
Hình 4.5. Khối xử lý trung tâm. ..................................................................................... 58
Hình 4.6. Cảm biến độ ẩm trong đất. ............................................................................. 59
Hình 4.7. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm HS1101. ............................................................... 60
Hình 4.8. Cảm biến độ ẩm đất MS10. ............................................................................ 61
Hình 4.9. Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10....................................................... 62
Hình 4.10. Đồ thị liên hệ giữa điện áp ra và độ ẩm tƣơng ứng. ..................................... 65


MỞ ĐẦU
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thông
tin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộc sống
của con ngƣời với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống.
Trong bối cảnh nhân loại đang bƣớc vào những năm đầu của cuộc cách mạng
công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-Artificial
Intelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data), với
xu hƣớng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, do vậy việc
tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhất quyết định
đến sự thành công của cuộc cách mạng.
Có nhiều phƣơng pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin, trong
đó phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sử dụng mạng
cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là nó có thể đƣợc
triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất
kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong những môi trƣờng nguy hiểm mà

mạng có dây truyền thống không thể thực hiện. Do đó mạng cảm biến không dây
đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiều mục đích nhƣ: kiểm tra giám sát
hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, trong lĩnh vực y tế, khảo sát đánh giá
chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụng trong đời sống hàng
ngày.
Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lƣợng lớn các node
cảm biến có kích thƣớc nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn
năng lƣợng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích
thu thập thông tin toàn mạng để đƣa ra các thông số về môi trƣờng mà mạng quan
sát.
Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc bố trí một cách biệt lập, trong phạm
vi rộng, môi trƣờng khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiện nhiệm
vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì năng lƣợng cho

1


mạng hoạt động, thì quản lý kiến trúc của mạng cảm biến không dây cũng rất quan
trọng.
Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về các kiến trúc thƣờng
dùng trong mạng cảm biến không dây và đề xuất sử dụng kiến trúc phù hợp áp dụng
vào bài toán phục vụ trong nông nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông
số môi trƣờng biến đổi chậm nhằm thu thập thông số môi trƣờng mà vẫn kéo dài
thời gian hoạt động của mạng trong điều kiện năng lƣợng của các node là hữu hạn.
Cấu trúc của luận văn gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Nội dung cơ bản của chƣơng này là đƣa ra các khái niệm cơ bản về mạng
cảm biến không dây, một số chuẩn truyền thông của mạng cảm biến không dây và
những ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế.
Chƣơng 2: Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Chƣơng 2 nghiên cứu và phân tích các kiến trúc thƣờng gặp của mạng cảm
biến không dây, đi sâu nghiên cứu một vài kiến trúc mạng cảm biến có sự linh hoạt
trong việc tùy biến, mở rộng mạng và phù hợp với nhiệm vụ thu thập các thông số
môi trƣờng biến đổi chậm sử dụng trong nông nghiệp chính xác
Chƣơng 3: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp.
Chƣơng 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến không dây vào nông
nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm giám sát độ
ẩm đất và thực hiện việc điều khiển van tƣới nƣớc cho vƣờn cây có diện tích nhỏ.
Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm
Chƣơng này đƣa ra mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giám sát
lƣợng nƣớc cho một khu vƣờn diện tích 360m2, với cấu trúc cụ thể của các node
cảm biến và trạm trung tâm mà tác giả đã xây dựng, đồng thời trình bày kết quả
thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến mà tác giả đã tiến hành.
Trong luận văn này tác giả đã xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng
mạng cảm biến không dây vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có
nhiều điểm thuận lợi và có khả năng đƣa vào ứng dụng trong thực tế.

2


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong thời gian gần đây, với sự tiến bộ của vi điện tử, máy tính và công nghệ
truyền thông không dây đã tạo điều kiện cho sự phát triển nhanh chóng của mạng
cảm biến không dây, các node cảm biến thông minh có kích thƣớc nhỏ, đa chức
năng cho phép thu thập, xử lý dữ liệu truyền thông không dây trong các môi trƣờng
vật lý khác nhau.
1.1.

Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống bao gồm các node cảm biến

liên kết với nhau thành một mạng và sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông với
nhau. Lý do sử dụng kết nối không dây bởi vì thông thƣờng các mạng cảm biến
đƣợc xây dựng từ nhiều cảm biến lên đến hàng trục, hàng trăm, thậm chí hàng ngàn
cảm biến do vậy việc sử dụng dây kết nối các cảm biến sẽ gặp nhiều khó khăn cho
quá trình thiết kế, lắp đặt và vận hành.
Trong khu vực giám sát, các node cảm biến có thể thu thập và truyền dữ liệu
tới bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách gửi trực tiếp hoặc đa hƣớng. Bộ thu
nhận dữ liệu trung gian đóng vai trò nhƣ một cổng mạng giao tiếp với thiết bị ngƣời
dùng thông qua một số kiến trúc truyền thông khác nhƣ Internet hay truyền thông vệ
tinh.

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

3


Hiện nay, mạng cảm biến không đƣợc sử dụng rộng rãi với nhiều ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực, đồng thời mạng cảm biến không dây đang dần đƣợc cải
tiến nâng cao hơn về chất lƣợng và phạm vi ứng dụng và đƣợc kì vọng có tiềm năng
to lớn cho nhiều lĩnh vực ứng dụng nhƣ y tế, môi trƣờng, nông nghiệp, giao thông
vận tải, quân sự, quốc phòng, giải trí và thực tế nó đang dần trở thành một phần
không thể tách rời trong cuộc sống.
1.2.

Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến không dây

1.2.1. Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ
Phần lớn các mạng cảm biến không dây đƣợc triển khai ngoài môi trƣờng tự
nhiên với số lƣợng node cảm biến lớn đƣợc phân bố dày đặc trên phạm vi rộng do

vậy kích thƣớc và năng lƣợng tiêu thụ của mỗi node đóng vai trò quyết định đến sự
tồn tại lâu dài của chúng cũng nhƣ khả năng xử lý, lƣu trữ và tƣơng tác giữa các
node cảm biến trong mạng.
Nhiều ứng dụng đòi hỏi các node mạng có kích thƣớc rất nhỏ đảm bảo sự an
toàn cho các node mạng, ví dụ nhƣ với mạng cảm biến triển khai trên chiến trƣờng
thì yêu cầu an toàn cho node mạng và cho toàn bộ mạng là rất cần thiết do mạng
cảm biến có thể bị kẻ địch phá hoại, hoặc đơn giản hơn là có thể bị tác động bởi các
yếu tố của môi trƣờng tự nhiên.
Năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây đƣợc sử dụng cho nhiều mục
đích khác nhau nhƣ thu nhận tín hiệu, tính toán, truyền thông, lƣu trữ, trong đó năng
lƣợng tiêu thụ ở mỗi node cảm biến là nhiều nhất. Mà một mạng cảm biến không
dây chứa rất nhiều node mạng tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng vì vậy năng
lƣợng tiêu hao bởi các node mạng không hề nhỏ chƣa kể các thành phần khác của
mạng và sự thất thoát trong quá trình hoạt động. Hơn nữa, nguồn năng lƣợng cung
cấp cho mạng cảm biến chủ yếu lấy từ pin trang bị sẵn và việc thay thế pin cho
mạng cảm biến là không khả thi. Chính vì vậy, cần hạn chế thấp nhất sự tiêu thụ
năng lƣợng ở các node mạng và duy trì năng lƣợng ở các node mạng để đảm bảo
thời gian hoạt động cho toàn bộ mạng cảm biến. Ví dụ nhƣ có thể sử dụng pin sạc

4


đƣợc hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lƣợng cho các node nhƣ vậy có thể sử
dụng nhiều hơn một lần pin này, một giải pháp thƣờng đƣợc áp dụng là sử dụng pin
mặt trời để cung cấp năng lƣợng cho node. Bên cạnh đó giải pháp đƣa ra để sử dụng
năng luợng mạng sao cho hiệu quả nhƣ giảm công suất đƣờng truyền dữ liệu, thiết
kế phần cứng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể tránh thực hiện nhiều ứng dụng
trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt động khi không truyền dữ
liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vô tuyến.
Hiện nay công nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tử (MEMS- Micro Electro

Mechanical Systems) với sự kết hợp của công nghệ vi điện tử, vi cơ khí và công
nghệ đóng gói đã đƣa đƣợc kích thƣớc của các cảm biến và bộ chấp hành tới kích
thƣớc rất nhỏ cỡ micro thậm chí nanomet, phần nào đáp ứng đƣợc yêu cầu về sự
giới hạn kích thƣớc cũng nhƣ tiêu thụ năng lƣợng của node cảm biến và toàn mạng
cảm biến đồng thời giảm giá thành cho phép chúng ta có điều kiện triển khai mạng
cảm biến không dây trên diện rộng [8,9].
1.2.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi
Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến không dây thể hiện ở việc mạng vẫn
hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node
cảm biến, hoặc trạm con trong mạng không hoạt động.
Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng mà chúng ta thiết kế, bố trí
các node cảm biến phù hợp. Thông thƣờng các node sẽ đƣợc phân bố dày đặc trong
phạm vi khảo sát, thƣờng là những khu vực dễ bị tác động từ bên ngoài do có sự va
chạm hoặc ảnh hƣởng của môi trƣờng tự nhiên nên các node mạng có thể bị hƣ
hỏng, bị lỗi, khả năng bị lỗi cũng có thể xảy ra ngay trong quá trình truyền dữ liệu
từ node về bộ thu nhận dữ liệu, quá trình trao đổi thông tin giữa các node hoặc do
node hết năng lƣợng, đặc biệt là với các mạng yêu cầu các node hoạt động liên tục
trong thời gian dài, ở môi trƣờng tự nhiên thì sự hƣ hỏng, bị lỗi của các node trong
mạng là điều không tránh khỏi, bên cạnh đó khi một hoặc một số node cảm biến
trong mạng bị lỗi hoặc bị hết năng lƣợng thì cấu trúc mạng sẽ bị thay đổi. Do đó khi

5


thiết kế mạng cần phải có giải pháp để nâng cao khả năng chịu lỗi của mạng nhằm
duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo chất lƣợng của mạng, ngoài ra mạng cũng cần
có sự tùy biến về cấu hình để đảm bảo thông tin trong mạng[8,9].
1.2.3. Đa dạng trong thiết kế
Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là đa dạng trong rất nhiều
lĩnh vực, đối với mỗi lĩnh vực mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc thiết kế

nhằm phục vụ cho một ứng dụng cụ thể với những đòi hỏi khác nhau về mục đích
sử dụng, điều kiện ứng dụng nên yêu cầu về thiết bị vật lý, cấu trúc của mạng là
khác nhau, do đó mạng cảm biến có thiết kế rất đa dạng.
1.2.4. Chi phí sản xuất thấp
Chi phí mạng cảm biến thƣờng đƣợc yêu cầu thấp hơn chi phí mạng truyền
thống, trong mạng cảm biến không dây có rất nhiều node cảm biến do vậy giá thành
của mạng cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào giá thành của một node, có nhiều giải
pháp đã đƣợc đƣa ra, chẳng hạn nhƣ giải pháp sử dụng công nghệ chế tạo MEMS
nhƣ đã trình bày ở trên là một trong số đó.
Ngoài những đặc điểm về thiết kế phần cứng của mạng cảm biến không dây
điều quan trọng nhất đối với riêng mỗi thiết bị là phải dễ dàng tập hợp phần mềm
phù hợp với kiến trúc phần cứng sao cho hiệu quả sử dụng là cao nhất. Cần thiết
phải phát triển phần cứng có thể dùng chung cho phép các ứng dụng riêng có thể
xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng
có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng và phần mềm trong khả năng của công
nghệ[9].
1.3.

Chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee trong mạng cảm biến không dây
WSN có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây đƣợc thiết kế

sẵn nhƣ Bluetooth, ZigBee, IEEE 802.15.4, Internet/GPRS..., trong đó IEEE
802.15.4 và Zigbee là hai công nghệ không dây thông dụng đƣợc áp dụng nhiều
trong các hệ thống WSN, đặc biệt là các hệ thống giám sát trong nông nghiệp chính

6


xác do ít phức tạp, tiêu thụ điện năng thấp, chi phí cho một bộ giao thức truyền
thông mạng không dây không cao[4,7].

1.3.1. IEEE 802.15.4 [19]
Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4: đƣợc xây dựng và phát triển bởi tổ chức
IEEE. Nó nhấn mạnh việc truyền thông chi phí thấp của các thiết bị tầm ngắn với ít
cơ sở hạ tầng bên dƣới, nhằm giảm tiêu thụ năng lƣợng. Ban đầu IEEE 802.15.4 tập
trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức OSI (Open Systems
Interconnection-mô hình tham chiếu các hệ thống mở) là tầng vật lý và tầng liên kết
dữ liệu, sau đó IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý và
tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau. Các phƣơng pháp
định tuyến đƣợc thiết kế sao cho năng lƣợng đƣợc bảo toàn và độ trễ trong truyền
tin là ở mức thấp. Trong đó:
Lớp vật lý có hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu và dịch vụ quản lý. Dịch vụ dữ
liệu tập trung vào việc truyền và nhận các đơn vị dữ liệu giao thức lớp vật lý qua
kênh truyền phát vô tuyến.
Lớp MAC cũng cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu cho phép truyền và
nhận các đơn vị dữ liệu giao thức MAC. Dịch vụ quản lý kết nối với MAC với lớp
quản lý điểm truy cập dịch vụ trên dịch vụ dữ liệu của lớp vật lý.
Về mặt truyền dẫn, topo mạng trong IEEE 802.15.4 đƣợc xây dựng dƣới
dạng sao hoặc dạng ngang hàng. Các node cảm biến có thể tạo thành một topo hình
sao khi phạm vi truyền dẫn đủ lớn để chúng có thể truyền dữ liệu trực tiếp đến bộ
thu nhận dữ liệu trung gian. Tuy nhiên, một truyền thông đa hƣớng là một trƣờng
hợp phổ biến hơn của truyền dẫn mạng cảm biến. Trong topo dạng lƣới, các node
cảm biến vừa phải đo lƣờng, xử lý và truyền dữ liệu riêng của chúng, vừa hoạt động
nhƣ là cầu nối trễ tín hiệu chuyển tiếp cho các node cảm biến khác.

7


Hình 1.2. Các kiểu topo mạng IEEE 802.15.4
1.3.2. ZigBee [4,19]
Chuẩn ZigBee đƣợc phát triển bởi ZigBee Alliance là một tổ chức các công

ty viễn thông độc lập không phụ thuộc vào IEEE. Trên nền tảng của chuẩn IEEE
802.15.4, Zigbee xây dựng thêm lớp mạng và lớp ứng dụng đồng thời bổ sung thêm
thông tin vào 2 lớp đã có của IEEE 802.15.4 tạo thành một công nghệ mạng LR WPANs của riêng mình.
ZigBee có đầy đủ các đặc điểm của một hệ thống LR-WPANs đó là: dễ dàng
triển khai, độ tin cậy cao, hoạt động tiêu thụ năng lƣợng thấp giúp kéo dài thời
lƣợng pin. Đồng thời bộ giao thức hoạt động đơn giản và linh hoạt giúp dễ dàng kết
hợp với các ứng dụng ở tầng trên. Lớp mạng ZigBee thƣờng hỗ trợ mạng sao và
mạng nhánh, cũng nhƣ mạng lƣới chung. Trong một mạng không dây ZigBee, địa
chỉ liên kết có thể là địa chỉ ngắn (16 bit) hoặc địa chỉ dài (64 bit) và mạng có thể
chứa đƣợc rất nhiều thiết bị.
ZigBee dùng đa truy cập sử dụng sóng mang để tránh xung đột giữa các sóng
vô tuyến. Ngoài ra, để đảm bảo độ tin cậy truyền dữ liệu, ZigBee cũng thiết lập một
giao thức truyền thông.
Nhằm mục đích đảm bảo sự an toàn truyền thông dữ liệu giữa các thiết bị
ZigBee, ZigBee sử dụng thuật toán chuẩn mã hóa tiên tiến với độ rộng khóa 128 bit,
để xử lý mã hóa truyền thông tin dữ liệu.

8


Hình 1.3. Giao thức cơ bản theo chuẩn ZigBee.
ZigBee là một kỹ thuật tiên tiến và hiện nay đƣợc công nhận là một giao thức
mạng phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến không dây.
IEEE 802.15.4 và ZigBee quy định truyền thông trên sóng radio trong phạm
vi 10 mét đến khoảng 100 mét và hoạt động ở ba dải tần chính:
Dải từ 868 MHz đến 868,8 MHz ở châu Âu: dải này chỉ có một kênh tín hiệu
và tốc độ truyền là 20kb/s.
Dải từ 902 MHz đến 928 MHz ở Mỹ, Canada, Úc: dải này có 10 kênh tín
hiệu và tốc độ truyền thƣờng là 40kb/s.
Dải từ 2,4 GHz đến 2,4835 GHz: có tính toàn cầu ở hầu hết các nƣớc trên thế

giới: dải này có 16 kênh tín hiệu và tốc độ truyền 250kb/s[7].
1.4.

Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Sự xuất hiện của mô hình mạng cảm biến không dây đã mở ra các nghiên

cứu sâu rộng về nhiều khía cạnh của nó. Trong phần này, luận văn sẽ trình bày tổng

9


quan về ứng dụng đƣợc phát triển dựa trên mô hình mạng cảm biến không dây. Với
khả năng thu thập đƣợc nhiều loại dữ liệu, tại nhiều vị trí, trong những điều kiện
khác nhau mạng cảm biến không dây có rất nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực bao
gồm an ninh quốc gia, thu thập thông tin về quốc phòng, theo dõi và giám sát chiến
trƣờng, giám sát môi trƣờng ở thành thị, theo dõi thời tiết, phân tích, và dự báo thời
tiết, theo dõi tăng tốc địa chấn, nhiệt độ, tốc độ gió, từ giám sát các thông số của
môi trƣờng ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng của cây trồng, vật nuôi, theo dõi tập quán
sinh hoạt của động vật hoang dã, đến giám sát các yếu tố ảnh hƣởng đến con ngƣời,
và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác.
Các ứng dụng điển hình của mạng cảm biến không dây ngày nay có thể đƣợc
phân loại thành các loại sau:
1.4.1. Ứng dụng trong quân sự
Mạng cảm biến không dây là một phần không thể tách rời trong lĩnh vực
quân sự nhƣ các mệnh lệnh, kiểm soát, truyền thông, giám sát, trinh sát và theo dõi
mục tiêu. Với khả năng có thể triển khai nhanh chóng, khả năng tự tổ chức, không
yêu cầu nhiều sự can thiệp của con ngƣời và đặc tính chịu lỗi của mạng cảm biến là
một ƣu điểm rất phù hợp cho việc ứng dụng trong quân sự, vì các mạng cảm biến
đƣợc triển khai dày đặc các node với chi phí thấp nên sự hủy hoại của một số node
bởi hành động thù địch của đối phƣơng không ảnh hƣởng đến hoạt động quân sự

nhiều nhƣ khi phá hủy một mạng cảm biến truyền thống. Ngƣời ta sử dụng những
cảm biến siêu nhỏ nhƣ những hạt bụi, chúng đƣợc phát tán tiếp cận lãnh thổ đối
phƣơng để thu thập các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất của môi trƣờng, sự
chuyển động của các đối tƣợng, các cảm biến còn đƣợc nghiên cứu mở rộng phạm
vi tiếp cận quân địch trong điều kiện có thể gây nguy hiểm cho con ngƣời hay hệ
thống, thậm chí các hạt hạt bụi thông minh còn đƣợc cấy vào cơ hay não nhằm giám
sát đối tƣợng. Một số ứng dụng cụ thể trong lĩnh vực quân sự nhƣ:
- Giám sát lực lượng, vũ khí [2,3]: Lực lƣợng quân đội số lƣợng trang thiết
bị, vũ khí, đạn dƣợc trong kho sẽ đƣợc theo dõi một cách dễ dàng, liên tục nhờ

10


mạng cảm biến không dây. Thay vì thƣờng xuyên phải dùng nhân lực kiểm tra các
kho lƣu trữ, các phƣơng tiện tác chiến, trang bị phục vụ quân đội thì các đối tƣợng
sẽ đƣợc gắn cảm biến, xây dựng thành mạng để thu nhận thông tin, theo dõi và cập
nhập lên web, ngƣời quản lý có thể theo dõi bất cứ khi nào muốn, việc ghi chép,
phân phối lực lƣợng cũng trở nên dễ dàng hơn.
- Giám sát chiến trường [2,3]: Trong công tác chiến đấu ngoài mặt trận, lực
lƣợng quân đội không thể tránh khỏi những khó khăn về điều kiện địa hình hiểm trở
với những con đƣờng mòn khó di chuyển, những tuyến đƣờng hay xảy ra lở đất hay
những khu vực nguy hiểm con ngƣời khó có thể tiếp cận. Tuy nhiên sử dụng mạng
cảm biến không dây việc triển khai giám sát địa hình trở nên thuận lợi hơn, dễ dàng
biết đƣợc hoạt động của kẻ địch từ đó có phƣơng án tác chiến cho phù hợp. Với khả
năng thu nhận tín hiệu nhạy bén, cùng khả năng tính toán xử lý thông tin với độ
chính xác cao, dữ liệu thu đƣợc từ mạng cảm biến không dây sẽ giúp ngƣời chỉ huy
đánh giá đƣợc tính chất nguy hiểm của chiến trƣờng, từ đó đƣa ra những quyết định
đúng đắn trong tác chiến để hạn chế thiệt hại từ sự tấn công của quân địch, đồng
thời mang lại ƣu thế cho quân bên mình. Bên cạnh đó, dữ liệu thu đƣợc còn giúp
phát hiện sớm các cuộc tấn công bằng chất độc hóa học, sinh học.

1.4.2. Ứng dụng vào môi trường
Điểm mạnh về khả năng tự điều phối của mạng cảm biến không dây đƣợc sử
dụng rất rộng rãi và rất nhiều trong các ứng dụng có liên quan đến môi trƣờng nhƣ:
theo dõi sự di chuyển của chim, động vật, côn trùng…, giám sát các điều kiện môi
trƣờng ảnh hƣởng đến cây trồng và vật nuôi, ứng dụng vào nông nghiệp chính xác,
giám sát môi trƣờng, phát hiện cháy rừng; giám sát theo dõi các hiện tƣợng tự
nhiên, khí tƣợng, thời tiết. Cụ thể có thể kể đến nhƣ:
- Theo dõi tập quán của động vật, côn trùng [2,9]: Tập quán sinh hoạt của
các động vật trong rừng đặc biệt là các loài quý hiếm luôn là mối quan tâm hàng
đầu của các nhà khoa học. Hiện nay có rất nhiều động vật quý hiếm đang có nguy
cơ bị tuyệt chủng cần đƣợc bảo vệ. Một mạng cảm biến không dây với các cảm biến

11


theo dõi chuyển động cùng thiết bị định vị có thể giúp các nhà khoa học khám phá
tập quán của chúng, qua đó đƣa ra giải pháp bảo vệ nhƣ tạo môi trƣờng sống cho
chúng bằng cách bổ sung nguồn thức ăn, trồng thêm cây xanh. Bên cạnh đó, việc sử
dụng mạng cảm biến không dây cũng có thể phát hiện các hoạt động săn bắt trái
phép. Ngoài ra khi theo dõi sự di chuyển của chim, động vật, côn trùng ta còn có thể
nghiên cứu đƣợc tập quán sinh hoạt của chúng từ đó đƣa ra các giải pháp quản lý,
chẳng hạn nhƣ sự di chuyển của côn trùng với lƣợng lớn có thể phá hoại mùa màng,
hay sự di cƣ của động vật hoang dã sẽ ảnh hƣởng đến canh tác, mùa màng của
ngƣời dân.
- Phát hiện cháy rừng [2,8,9]: Cháy rừng là một trong những nguyên nhân
gây suy giảm tài nguyên rừng, có thể xảy ra do hoạt động canh tác của con ngƣời
hoặc do điều kiện thời tiết nắng nóng hanh khô kéo dài. Trƣớc đây, khi cháy rừng
đã xảy ra rồi con ngƣời mới phát hiện và khi dập tắt đƣợc ngọn lửa thì diện tích
cháy đã lan rất rộng, điều này đã gây ra những thiệt hại lớn cho tài nguyên rừng
thậm chí là cả tính mạng con ngƣời. Hiện nay, việc phân bố và sử dụng rộng rãi

mạng cảm biến không dây trên các cánh rừng có nguy cơ cháy đã phần nào giải
quyết đƣợc vấn đề này. Các node cảm biến sẽ phối hợp, tƣơng tác với nhau đƣa ra
cảnh báo khi rừng có nguy cơ bị cháy hoặc phát hiện sớm khi rừng bị cháy thông
báo đến ngƣời dân và cơ quan quản lý để có biện pháp khắc phục kịp thời.
- Cảnh báo lũ lụt [2,8]: Lũ lụt là hiện tƣợng thiên tai gây ra những thiệt hại
to lớn cho con ngƣời mà chúng ta phải đối mặt hàng năm. Chính vì vậy việc phát
hiện, cảnh báo sớm nguy cơ lũ lụt là rất cần thiết. Ứng dụng mạng cảm biến không
dây có thể thực hiện nhiệm vụ này, hệ thống cảnh báo lũ khi sử dụng các node
mạng cảm biến sẽ đo đƣợc mức nƣớc trên sông thông qua cảm biến khoảng cách kết
hợp với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Dữ liệu
đƣợc gửi liên tục về khối xử lý trung tâm so sánh với ngƣỡng đã đƣợc thiết lập
trƣớc đó, khi các thông số vƣợt ngƣỡng cho phép hệ thống sẽ đƣa ra cảnh báo tại
chỗ qua loa phát thanh và gửi tin nhắn cho cấp quản lý thông báo ngƣời dân sơ tán
kịp thời tránh những thiệt hại đáng tiếc.

12


- Dự báo thời tiết [6]: Mạng cảm biến không dây là thành phần không thể
thiếu trong công tác dự báo thời tiết, các trạm đƣợc gắn các cảm biến nhƣ nhiệt độ,
độ ẩm, cảm biến lƣợng mƣa, cảm biến ánh sáng..., để thu thập dữ liệu, sau đó
chuyển dữ liệu về trạm thu nhận thông qua các giao thức truyền nhận chẳng hạn
nhƣ qua Internet.
Các số liệu quan trắc và cảnh báo đƣợc lƣu trữ định kỳ hàng tháng, hàng năm
trong máy chủ, sau đó xử lý, phân tích, khai thác số liệu, kết hợp, kết nối, bổ sung
giữa mạng địa phƣơng với mạng lƣới quan trắc, dự báo rộng của Trung tâm Khí
tƣợng Thủy văn Quốc gia để dự báo thời tiết khu vực một cách chính xác.
Việc quan trắc, thu thập và cảnh báo sớm với các diễn biến bất thƣờng của
thời tiết tiểu vùng, cảnh báo - dự tính - dự báo sớm tới ngƣời sử dụng mang lại lợi
ích cho cộng đồng nhƣ: tính toán lịch gieo cấy, thu hoạch, cảnh báo sớm sâu bệnh

cho cây trồng và gia súc, cảnh báo thiên tai nhƣ hạn, mƣa úng, sƣơng muối, rét đậm
rét hại, nóng lạnh cực đoan, sƣơng mù, gió mạnh, lũ quét, nƣớc biển dâng, xâm
nhập mặn…, dự báo năng suất, thời điểm thu hoạch thuận lợi.
1.4.3. Ứng dụng vào dịch vụ y tế
Sự phát triển của các thiết bị y tế hiện đại, tích hợp các cảm biến thông minh
làm cho việc sử dụng mạng cảm biến trong y học trở nên phổ biến và mang lại hiệu
quả cao. Một số ứng dụng của mạng cảm biến trong y tế nhƣ hỗ trợ ngƣời khuyết
tật, giám sát, theo dõi chuẩn đoán bệnh, quản lý thuốc.
- Theo dõi bác sĩ, bệnh nhân [8,9]: Đối với bệnh nhân trong bệnh viện đôi
khi cần sự hỗ trợ của bác sĩ đúng chuyên môn, tuy nhiên do bệnh viện có nhiều
phòng, nhiều khu vực làm việc và nhiều bác sĩ nên khi cần sự trợ giúp của bác sĩ thì
việc tìm kiếm là có khó khăn, để khắc phục khó khăn này có thể gắn cho các bệnh
nhân và bác sĩ các cảm biến theo dõi vị trí khi đó sẽ thuận tiện hơn khi tìm kiếm sự
trợ giúp. Đối với tình trạng sức khỏe của bệnh nhân có thể lắp các cảm biến vào cơ
thể để chuyển các dạng kích thích khác nhau thành tín hiệu điện để thu nhận, theo
dõi, phân tích, chuẩn đoán chẳng hạn nhƣ cảm biến áp suất đƣợc dùng trong thiết bị

13


gây mê, máy lọc thận, phân tích máu, theo dõi hô hấp, huyết áp, hay cảm biến nhiệt
độ đƣợc dùng trong lò ấp, bộ gia nhiệt, thiết bị theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ, theo
dõi nhiệt độ bệnh nhân. Cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong máy điều hòa nhịp
tim, máy khử rung, thiết bị theo dõi bệnh nhân, máy theo dõi huyết áp. Các thiết bị
cảm biến cũng giúp việc theo dõi điều trị linh hoạt, bệnh nhân có thể vẫn sinh hoạt
tại gia đình nhƣng dữ liệu về sức khỏe bệnh nhân sẽ đƣợc theo dõi tại phòng quản
lý qua máy chủ và khi có dấu hiệu bất thƣờng sẽ nhanh chóng phát hiện ra, có biện
pháp xử lý kịp thời.
- Quản lý chất lượng thuốc, dụng cụ y tế trong kho [8,9]: Thuốc và dụng cụ y
tế là những hàng hóa có tính chất đặc biệt, là phƣơng tiện không thể thiếu trong

công tác chăm sóc và bảo vệ sức khỏe cho con ngƣời. Chất lƣợng của thuốc và các
dụng cụ y tế sẽ ảnh hƣởng trực tiếp đến tính mạng ngƣời bệnh trong khi đó thuốc
đƣợc sản xuất từ các nguồn nguyên liệu khác nhau rất dễ bị hƣ hỏng, giảm chất
lƣợng và chịu sự chi phối của điều kiện môi trƣờng nhất là trong điều kiện nhiệt đới
ẩm gió mùa nhƣ nƣớc ta. Do đó, bảo quản, đảm bảo chất lƣợng thuốc còn giữ
nguyên khi đến tay ngƣời tiêu dùng rất khó khăn. Hiện nay, với sự phát triển của
khoa học kĩ thuật cùng phạm vi phủ sóng rộng rãi của mạng cảm biến không dây,
việc quản lý chất lƣợng thuốc trở nên dễ dàng hơn. Các kho thuốc đƣợc tích hợp các
node cảm biến theo dõi các thông số nhƣ nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng từ đó
đƣa ra giải pháp điều chỉnh các thông số này sao cho phù hợp điều kiện bảo quản
của từng loại thuốc để chất lƣợng thuốc đƣợc đảm bảo.
1.4.4. Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ mạng không dây đã đƣợc tích
hợp ứng dụng vào các thiết bị trong nhà để xây dựng nhà thông minh. Về cơ bản, hệ
thống nhà thông minh cho phép điều khiển các thiết bị trong nhà nhƣ thiết bị chiếu
sáng, điều hòa, chống trộm, các tiện ích khác một cách tự động và tập trung, nhằm
tạo ra sự tiện nghi, thoải mái, tiết kiệm năng lƣợng và an ninh. Nhà thông minh bắt
nguồn từ hệ thống tự động hóa tòa nhà, đƣợc biến đổi để áp dụng vào quy mô nhỏ

14


hơn của một ngôi nhà hoặc một căn hộ. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ,
các hệ thống nhà thông minh còn cho phép kết nối đến các thiết bị nhƣ điện thoại
thông minh hay máy tính bảng để tăng tính tiện dụng, kiểm soát từ xa. Tƣơng lai
không xa khi cơ sở hạ tầng phát triển có thể kết nối mạng cảm biến trong diện rộng
để hình thành nên khu dân cƣ thông minh, thành phố thông minh[5].
1.4.5. Ứng dụng trong công nghiệp
Mạng cảm biến từ lâu đã đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp nhƣ
ứng dụng điều khiển, tự động hóa các dây chuyền sản xuất. Mặc dù các hệ thống

dựa trên cảm biến phải chịu chi phí triển khai cao nhƣng nó mang lại độ chính xác
và hạn chế sử dụng sức lao động của con ngƣời. Mạng cảm biến không dây là giải
pháp đầy hứa hẹn cho các công việc nhƣ quản lý hàng tồn kho, giám sát chất lƣợng
sản phẩm, kiểm soát và hƣớng dẫn robot trong môi trƣờng sản xuất tự động.
1.4.6. Ứng dụng trong nông nghiệp
Với những ƣu điểm và hiệu quả vƣợt trội mà mạng cảm biến có thể mang lại
khi áp dụng vào sản xuất nông nghiệp đặc biệt khi khoa học công nghệ ngày càng
phát triển thì mạng cảm biến không dây đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong các
hoạt động sản xuất nông nghiệp nhƣ theo dõi sự sinh trƣởng của cây trồng, vật nuôi,
tự động chăm sóc, thu hoạch các sản phẩm nông nghiệp.
Với đất nƣớc nông nghiệp thuần túy nhƣ Việt Nam chúng ta đều biết sản
xuất nông nghiệp là việc thực hiện một lịch trình định trƣớc đối với một đối tƣợng
cây trồng từ trồng trọt, chăm sóc đến thu hoạch, trƣớc đây sản phẩm thu hoạch đƣợc
thƣờng phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện thời tiết, nhƣng hiện nay bằng cách thu
thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, môi trƣờng đất và chất lƣợng không khí,
theo dõi sự trƣởng thành của cây trồng từ đó áp dụng đúng kĩ thuật, đƣa đúng lƣợng
dinh dƣỡng đầu vào nhƣ nƣớc, phân bón, thuốc trừ sâu…, đúng vị trí, đúng thời
điểm để tăng cƣờng sản xuất và nâng cao chất lƣợng và thậm chí thu thập thông tin
cả về trang thiết bị, chi phí lao động, các phân tích sau đó có thể đƣợc sử dụng để
đƣa ra quyết định thông minh hơn nhằm nâng cao năng suất, chất lƣợng cây trồng

15


từ đó nâng cao hiệu quả, lợi nhuận kinh tế trong sản xuất nông nghiệp và đƣợc gọi
là nông nghiệp chính xác [13].
Với nông nghiệp chính xác, các node cảm biến đƣợc đặt tại nơi trồng để đo
nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí xung quanh chuyển về trạm trung tâm thu
nhận và xử lý dữ liệu theo thời gian thực để giúp nông dân đƣa ra quyết định tốt
nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng. Các thông tin thời gian

thực thu đƣợc từ các lĩnh vực có thể cung cấp một cơ sở dữ liệu vững chắc cho
nông dân để điều chỉnh kế hoạch canh tác bất cứ lúc nào, thay vì đƣa ra quyết định
dựa vào kinh nghiệm chủ quan của cá nhân, hoặc dựa vào một số điều kiện giả
thuyết có thể không đúng trong thực tế.
Kết luận chƣơng 1: Trong chƣơng 1, luận văn đã trình bày tổng quan về
mạng cảm biến không dây, các chuẩn thƣờng đƣợc sử dụng trong WSN và một số
ứng dụng tiêu biểu trong cuộc sống. Để xây dựng đƣợc ứng dụng của mạng cảm
biến không dây áp dụng trong nông nghiệp, nôi dung chƣơng tiếp theo sẽ tìm hiểu
về các kiểu mạng, kiến trúc phần cứng và kiến trúc phần mềm trong mạng cảm biến
không dây.

16


CHƢƠNG 2. KIẾN TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong chƣơng này luận văn sẽ nghiên cứu về các kiểu mạng, kiến trúc mạng
cảm biến không dây bao gồm kiến trúc phần cứng trên các node và kiến trúc phần
mềm điều khiển trên cơ sở đó đề xuất xây dựng mô hình kiến trúc truyền nhận đơn
giản, giá thành rẻ mà vẫn đảm bảo yêu cầu dịch vụ của ứng dụng đƣợc triển khai.
2.1. Các kiểu mạng [1]
Có ba kiểu mạng cơ bản là kiểu mạng hình sao, kiểu mạng dạng vòng và
kiểu mạng dạng tuyến.
Mạng dạng hình sao: gồm một trạm trung tâm và các trạm là trạm thông tin
có thể là các máy tính hay các thiết bị. Các hoạt động trong mạng cho phép truyền
nhận, thông tin giữa đến các thiết bị, theo dõi và xử lý thông tin, giám sát trạng thái
của mạng sẽ đƣợc điều hành bởi trạm trung tâm. Ƣu điểm của kiểu mạng hình sao
là tốc độ xử lý và truyền thông tin nhanh, các thiết bị mạng hoạt động độc lập với
nhau, có thể mở rộng mạng theo yêu cầu. Tuy nhiên do công suất truyền bị giới hạn
và phụ thuộc vào pin nên kiểu mạng hình sao sẽ phụ thuộc rất nhiều vào bộ nhớ và
khả năng xử lý của trạm trung tâm. Khi trạm trung tâm gặp lỗi hay bị hƣ hỏng thì

toàn bộ mạng sẽ bị dừng hoạt động.

Hình 2.1. Mạng dạng hình sao.
Mạng dạng vòng: các dây cáp đƣợc kết nối thành một vòng khép kín, thông
tin sẽ đƣợc truyền đến từng node mạng một và chỉ theo một chiều. Do đó dễ dàng

17


mở rộng tiết kiệm dây cáp hơn so với kiểu dạng hình sao tuy nhiên tốc độ của mạng
vẫn bị chậm và khi có sự cố xảy ra là toàn bộ mạng sẽ bị ngừng lại và rất khó để
kiểm tra phát hiện lỗi.

Hình 2.2. Mạng dạng vòng.
Mạng dạng trục tuyến: là cách bố trí sao cho tất cả các node đều đƣợc nối
với nhau trên một trục dây cáp. Loại hình mạng này dễ dàng lắp đặt, tiết kiệm dây
cáp nhƣng sẽ gây nghẽn đƣờng truyền khi truyền một lƣợng thông tin lớn, một node
mạng bị hỏng sẽ ảnh hƣởng đến cả hệ thống.

Hình 2.3. Mạng dạng trục tuyến.
2.1.1. Cấu trúc phẳng
Cấu trúc phẳng: là một mạng gồm các node vai trò tƣơng đƣơng chúng có
chức năng tƣơng đồng, ngang hàng với nhau. Các node có thể giao tiếp với bộ thu
nhận dữ liệu trung gian bằng cách trực tiếp qua kiến trúc đa đƣờng, chúng sử dụng
chính các node hàng ngang làm bộ tiếp sóng, với giả thiết là tất cả các node dùng
cùng tần số truyền dữ liệu, khi đó các node gần bộ thu nhận dữ liệu trung gian hơn

18