Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà cao tầng

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Toán

ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG
CẢNH BÁO CHÁY CHO NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA
HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2015


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu,
đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực hiện. Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài
liệu tham khảo như đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo.
Người viết luận văn

Phạm Văn Toán


3

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em trân thành xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trường Đại học

Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông
tin Việt Nam đã khắc phục mọi khó khăn trong giảng dạy để chỉ bảo, giúp đỡ và
truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học của
mình.
Em cũng xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng – Viện Công nghệ
thông tin Việt Nam đã định hướng, tận tnh hướng dẫn, cung cấp tài liệu, chỉ bảo
cho em trong thời gian làm luận văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp trong đơn vị công
tác, gia đình và bạn bè những người đã động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi
trong suốt hai năm học.


4

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY.......................................... 5
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây ....................................................... 5
1.1.1. Mạng không dây là gì ? ...................................................................... 5
1.1.2. Phân loại ............................................................................................. 5
1.1.3. Các mô hình mạng không dây ............................................................ 8
1.1.4. Các thiết bị mạng không dây: ............................................................. 9
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây ................................................................. 10
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến ................................................... 10
1.2.2. Phần cứng và phần mềm .................................................................. 11
1.2.3. Phân loại cảm biến ........................................................................... 13
1.2.4. Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) ................................ 15
1.2.5. Xu hướng phát triển của Node cảm biến.......................................... 15
1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây................................................ 16
1.3.1. Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :............................. 16
1.3.2. Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) :............................. 18

CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY .......................................................................................................................... 22
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu ............................................................. 22
2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây ........................................ 23
2.2.1. Kích thước mạng và đặc tnh thay đổi theo thời gian: ..................... 23
2.2.2. Tài nguyên hạn chế: ......................................................................... 24
2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây ..........
24
2.3.1. Mô hình giao thức cho WSNs .......................................................... 25
2.3.2. Giao thức MAC ................................................................................ 26
2.3.3. Các giao thức MAC cho mạng WSNs: ............................................ 28
2.3.4. Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC: ........................................ 29


5

2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây ............................. 36


6

2.4.1 Giao thức định tuyến trong WSNs: ................................................... 36
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ GIAO THỨC ĐƯỜNG ĐỊNH TUYẾN ĐÚNG DẦN NGẮN
NHẤT ........................................................................................................... 47
3.1. Xây dựng hài toán ................................................................................... 47
3.2. Lý thuyết đồ thị ....................................................................................... 49
3.2.1 Đồ thị và cây...................................................................................... 49
3.2.2 Thuật toán Dijkstra ............................................................................ 51
3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến ...........................................................
54

3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút)........................................ 55
3.3.2 Nút cụm chủ ...................................................................................... 58
3.3.3 Truyền dữ liệu sử dụng đường dẫn ngắn nhất................................... 59


7

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn .................................................................. 1
Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến.............................................................................. 6
Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC ............................................................................. 8
Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE ......................................................... 9
Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến ................................................. 11
Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)......................................... 13
Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp .............................. 17
Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự ............................................................. 17
Hình 1.9 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc. ............................................... 18
Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee ....................... 19
Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển ......................................................................... 20
Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng ........................................................... 20
Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp. ............................................................ 21
Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa. ..................................................................... 21
Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN ......................................................................... 22
Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng. ........................................................................... 23
Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu........................... 26
Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động của node. ........................................................ 31
Hình 2.5 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên....................................... 32
Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát. .......................................................... 33
Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC ................................................ 35
Hình 2.8 Quá trình truyên thông Điệp trong S-MAC ............................................... 36

Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin.......................................... 39
Hình 2.10 Bùng nổ lưu lượng do flooding. .............................................................. 40
Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn do flooding. ................................................................. 40
Hình 2.12 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN..................................................... 43


vii

Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP. ............................................... 43
Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC. ................................................................................ 45
Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng ................................................ 47
Hình 3.2 Cây đường đi ngắn nhất - SPT................................................................... 48
Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng .......................................................................................... 48
Hình 3.4 Đồ thị ......................................................................................................... 49
Hình 3.5 Đồ thị ......................................................................................................... 50
Hình 3.6..................................................................................................................... 51
Hình 3.7 Sơ đồ SPT của u......................................................................................... 53
Hình 3.8 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) ............................................................ 54
Hình 3.9 Ví dụ về giải thuật Dijkstra (1959) [4] ...................................................... 54
Hình 3.10 Cụm nút được hình thành và cụm chủ được lựa chọn ............................. 58
Hình 3.11 So sánh giữa Leach và Quá trình định tuyến theo đường dẫn ngắn nhất 59
Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đường định tuyến ngắn nhất .........................
60
Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn quá trình truyên dữ liệu.................................................. 61
Hình 3.14 Các nút chết ............................................................................................. 62
Hình 3.15 Gói tin đến BS.......................................................................................... 63
Hình 3.16 Các cụm chủ được hình thành ................................................................. 64
Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ .......................................................................... 65
Hình 3.18 Số nút còn sống ........................................................................................ 66

viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIÊU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT

Từ viết
tắt

Nghĩa tếng Anh

Nghĩa tếng Việt

LAN

Locanl Area Network

Mạng nội bộ

WAN

Wide Ara Networks

Mạng diện rộng

WPAN

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

WSNs

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

OS

Operating System

Hệ điều hành

LEACH

Low-Energy Adaptive Clustering
Hierarchy

Cấu trúc phân bậc tương thích,
năng lượng thấp

MAC

Medium access control

Điều khiển truy cập môi trường

PHY

Physic Layer

Lớp vật lí

SPIN

Sensor Protocols for Information via
Negotiation

Giao thức thông tin cảm biến
thông qua sự thỏa thuận

S-MAC

Sensor MAC

Giao thức MAC cho cảm biến


1

MỞ ĐẦU
MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CHÁY NỔ

TTTM thành phố Hồ Chí Minh

Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD)

TTTM thành phố Hải Dương (500 tỷ)

Tiệm bọc yên xe (2 người chết)

Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn
Cháy nổ luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày. Mặc dù đã có những biện pháp, hệ thống được xây dựng để phát hiện
và cảnh báo cháy nổ nhưng nhiều thảm họa do cháy nổ gây ra vẫn hoành hành và
gây thiệt hại nhiều về người và của.
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh
kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn trong cuộc
sống. Mô hình mạng cảm biến không dây (WSNs – Wirless Sensor Networks) ra


2

đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không
dây[3]. Nó ra đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng
dụng rộng rãi. Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như
phán đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật tự
động trong sản xuất công nghiệp, điều khiển quy trình, quản lí kiểm kê, cảm nhận
môi trường, giám sát sinh thái, giám sát công trình xây dựng, trong y tế và
dân dụng,[1],[5]…Tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng của mạng cảm biến
không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, hệ thống điều hòa
nhiệt độ, … nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ rất mới mẻ ở Việt Nam.
Đặc biệt trong cháy việc duy trì nguồn điện cho mạng có dây là cực kỳ khó
khăn, vì khi xảy ra cháy thường xảy ra mất điện cục bộ, do đó việc duy trì hoạt
động của mạng có dây là vấn đề rất khó khăn. Bên cạnh đó mạng cảm biến không
dây lại sử dụng PIN và có nhiều giao thức định tuyến khác nhau, đặc biệt là giao
thức định tuyến theo nhóm. Với giao thức này khi xảy ra cháy có thể phá hủy các
Note khác nhau nhưng vẫn không ảnh hưởng đến quá trình truyền dữ liệu
trong
mạng.
Xuất phát từ xu hướng trên, cùng với sự gợi ý của PGS TS Lê Bá Dũng tôi đã

chọn đề tài: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo cháy cho nhà
cao tầng” với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên
tục nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do cháy gây ra.
Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến.
- Công cụ mô phỏng để xây dựng mạng cảm biến
Phạm vi nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu liên quan, phân tch các thông tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chương trình giao thức đường định
tuyến đúng dần ngắn nhất.


3

Hướng nghiên cứu của đề tài
- Tim hiểu về mạng máy tính
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất.
Những nội dung nghiên cứu chính
Chương 1
Tổng quan về mạng không dây
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Chương 2
Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu
2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây

2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây
2.4. Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây.
Chương 3
Mô hình và giao thức đường định tuyến đúng dần ngắn nhất
3.1. Xây dựng bài toán
3.2. Lý thuyết đồ thị
3.3. Đề xuất cho thuật toán định tuyến
5. Phương pháp nghiên cứu
a. Phương pháp nghiên cứu tài liệu
- Nghiên cứu các tài liệu về mạng không dây, mạng cảm biến không dây.
Tổng hợp các tài liệu và các phương pháp để thu thập dữ liệu từ mạng cảm
biến


b. Phương pháp nghiên cứu điều tra
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài
- Phân tch các thông tin liên quan và nghiên cứu lý thuyết
c. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp chính được sử dụng là phương pháp mô phỏng. Thay vì
triển khai trên hệ thống thực, tôi tiến hành mô phỏng và đánh giá kết quả đạt
được thông qua phần mềm mô phỏng.
- Chương trình mô phỏng.
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây.
- Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng hệ thống mô phỏng để phân tch các tn hiệu về mạng
cảm biến không dây.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY

1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.1.1. Mạng không dây là gì ?
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với nhau, có khả
năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường truyền dẫn bằng dây.
* Ưu điểm:
- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần người sử dụng.
- Công nghệ không dây đã được tch hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho
máy tnh xách tay của INTEL và AMD.
- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tnh năng của công nghệ mạng LAN
như là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về
cable).
- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các
thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian như
mạng có dây thông thường.
- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio
(Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu.
* Nhược điểm:
- Tốc độ mạng Wireless bị phụ thuộc vào băng thông. Tốc độ của mạng
Wireless thấp hơn mạng cố định, vì mạng Wireless chuẩn phải xác nhận cẩn thận
những frame đã nhận để tránh tnh trạng mất dữ liệu.
- Trong mạng cố định truyền thống thì tn hiệu truyền trong dây dẫn nên có
thể được bảo mật an toàn hơn. Còn trên mạng Wireless thì việc “đánh hơi” rất
dễ dàng bởi vì mạng Wireless sử dụng sóng Radio thì có thể bị bắt và xử lí được
bởi bất kỳ thiết bị nhận nào nằm trong phạm vi cho phép, ngoài ra mạng Wireless
thì có ranh giới không rõ ràng cho nên rất khó quản lý.
1.1.2. Phân loại
Có nhiều cách phân loại:
A. Dựa trên vùng phủ sóng, mạng không dây được chia thành 5 nhóm:

Hình 1.2 Phân loại mạng vô tuyến
- WPAN: mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ vô
tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công nghệ này
phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa
cứng, khóa USB, đồng hồ,...với điện thoại di động, máy tnh. Các công nghệ trong
nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean,... Đa
phần các công nghệ này được chuẩn hóa bởi IEEE, cụ thể là nhóm làm việc
(Working Group) 802.15. Do vậy các chuẩn còn được biết đến với tên như IEEE
802.15.4 hay IEEE 802.15.3 ...
- WLAN : mạng vô tuyến cục bộ. Nhóm này bao gồm các công nghệ có
vùng phủ tầm vài trăm mét. Nổi bật là công nghệ Wifi với nhiều chuẩn mở rộng
khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi đã gặt hái được
những thành công to lớn trong những năm qua. Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên
ít nghe đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi được chuẩn
hóa bởi
ETSI.
- WMAN: mạng vô tuyến đô thị. Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là
WiMAX. Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của
nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa).
- WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ
mạng thông tin di động như UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm
vài km đến tầm chục km.


- WRAN: Mạng vô tuyến khu vực. Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22
đang được nghiên cứu và phát triển bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40100km. Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh,
khó triển khai các công nghệ khác.
Bảng 1: So sánh các nhóm mạng
Công nghệ
UWB (Ultra

Mạng

Chuẩn

WPAN

802.15.3a

Bluetooth

WPAN

802.15.1

Wi-Fi

WLAN

802.11a

Wi- Fi

WLAN

802.11b

WWAN

2.5 G

WWAN

3G

WWAN

3G

wideband)

Edge/GPRS
(TDMAGMS)
CDMA
2000/1x EVDO
WCDMA/
UMTS

Tốc độ
110-480

Vùng phủ
sóng

Băng tần

Trên 30 feet

7.5 GHz

Trên 30 feet

2.4 GHz

Trên 54 Mbps

Trên 300 feet

5 GHz

Trên 11 Mbps

Trên 300 feet

2.4 GHz

4-5 dặm

1900 MHz

Mbps
Trên 720
Kbps

Trên 384
Kbps
Trên 2.4
Mbps
Trên 2 Mbps

1-5 dặm

1-5 dặm

400-2100
MHz
1800-2100
MHz

Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chổ chúng nhận và chuyển tin
bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM).
B. Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại:
• Kết nối sử dụng tia hồng ngoại
• Sử dụng công nghệ Bluetooth
• Kết nối bằng chuẩn Wi-fi[1],[5]


1.1.3. Các mô hình mạng không dây
1. Mô hình mạng AD-HOC:
a. Khái niệm:
- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tnh có trang bị card không dây
- Tương tự mô hình peer to peer trong mạng có dây
- Các máy tính có vai trò ngang nhau
- Khoảng cách liên lạc 30-100m
- Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm(SEA)
b. Mô hình vật lí:

Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC
2. Mô hình mạng INFRASTRUCTURE
a. Khái niệm:

- Là mạng gồm một hay nhiều AP để mở rộng phạm vi hoạt động của các
Station có thể kết nối với nhau với một phạm vi gấp đôi.
- AP đóng vai trò là điểm truy cập cho các Client(Station) trao đổi dữ liệuvới
nhau và truy xuất tài nguyên của Server.
- Mỗi AP có thể làm điểm truy cập cho 10-15 client (tùy sản phẩm và hãng sản
xuất) đồng thời tại một thời điểm.[1],[5]


b. Mô hình vật lí:

Hình 1.4 Mô hình mạng INFRASTRUCTURE
1.1.4. Các thiết bị mạng không dây:
1. Access Point:
Access Point (AP) có vai trò tương tự như Hub hay Switch.
Điểm truy cập cho các Station (Node) trong mạng không dây
cho phép các Station trao đổi dữ liệu với nhau (như HUB trong
mạng có dây) và với các Station trong mạng có dây.
2. Wireless Adapter :
Bộ điều hợp mạng không dây (Wireless NIC) có nhiều kiểu giao tiếp
như PCMCIA, USB hay PCI card
3. Wireless card:
Là thiết bị gắn trên PC hay thiết bị cầm tay như Laptop,
PDA,…đóng vai trò là card mạng có dây, nhưng sử dụng môi
trường là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu
được với nhau thông qua sóng vô tuyến.
4. Cầu nối Wi-Fi:
Thêm cầu nối Wi-Fi là ta có thể kết nối hầu như bất cứ
thiết bị nào có giao tiếp cổng Ethernet, chẳng hạn một máy
in mạng, vào mạng không dây. Ta dùng cáp nối thiết bị
vào cổng Ethernet của cầu nối, và cầu nối sẽ truyền dữ

liệu từ thiết bị này đến thiết bị không dây. Lúc này, bản thân
thiết bị


hoạt động chẳng khác gì với khi lắp vào mạng có dây. Chúng ta nên mua cầu nối và
router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ như Super
G, Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA.
5. Camera không dây
6. Thiết bị nghe nhạc và xem phim
7. Router du lịch
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí.
Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các
node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lí tn hiệu, quản lý giao thức mạng và
bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức
năng cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó,
một số chức năng chính:
- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Như có thể trả về nhiệt
độ, áp suất, cường độ ánh sáng, ... tại nơi khảo sát.
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông
số của sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải
nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các
phương tiện đang lưu thông, ...
- Phân biệt các đối tượng. Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận
biết được là xe gì: xe con, xe tải, hay xe buýt, ...
- Theo dấu các đối tượng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến
phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trong
vùng bao phủ của mạng, ...
Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo

yêu cầu và mục đích của thông tin cần thu thập.


Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt điện, từ, sinh
học, quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khối,... Cảm biến có thể được đưa ra
bên


ngoài môi trường nguy hại, môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn,
môi trường hóa chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robo tự động hay
trong hệ thống nhà xưởng sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm
trường điện và từ, cảm biến sóng radio; cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers;
cảm biến vị trí hay định vị; cảm biến hướng mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa,
...
- Các thông số vật lí
- Các thông số hóa học, sinh học
- Các sự kiện
Cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin
cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.

Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến
Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây như trên hình ... Node kết
hợp cảm biến và xử lí giai đoạn 1999 có kích thước lớn hơn một đồng xu, các IC
tch hợp cảm biến. Các năm tiếp theo, kích thước node giảm đi rất nhiều. Với sự
phát triển của các công nghệ nano, MEMS kích thước giảm đi đáng kể, kèm theo
giảm năng lượng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lí, độ ổn định cao
3

hơn, ... Những năm đầu 2000, thể tch trung bình node cỡ 16.387mmm , đến
2007

3

là 1-mm .[1],[5]
1.2.2. Phần cứng và phần mềm
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có:
chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tn hiệu, gồm xử lí số tn hiệu, nén,
phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tnh toán trong mạng;
thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối. Để có các chức năng này,


phần cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lí, nguồn, và các
phần


phục vụ cho chức năng khác. Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến
thông thường gồm phần cứng và phần mềm.
Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng
dụng. Phần cứng gồm 4 nhóm chính:
- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ,
vài tháng hay vài năm.
- Lưu trữ và tnh toán: phục vụ cho các chức năng xử lí, điều chế số, định
tuyến, ...
- Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin.
- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm.
Phần mềm gồm 5 nhóm chính:
- Hệ điều hành (OS) microcode (còn được gọi là middleware): liên kết phần
mềm và chức năng bộ xử lí. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho
OS dành riêng cho mạng WSNs.
- Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần
tử cảm biến.

- Bộ xử lí thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển
các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi, ....
- Bộ phận xử lí dữ liệu: xử lí tn hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lí
trong mạng.


Hình 1.6 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs)
1.2.3. Phân loại cảm biến
Bởi vì sự đa dạng của cảm biến, cần thiết phải có sự phân loại, đánh giá theo
kích thước, công suất, khả năng xử lí, chế độ hoạt động, giao thức định tuyến, ...
Bảng 2: Phân loại cảm biến
Kích
thước
Rất lớn
3
3
(10 mm )

Khả
năng
di động

Công
suất
nguồn

Khả năng
lưu trữ,
tính toán

Di
động

Tự nạp Bộ xử lí, Đa
lại
lưu trữ mức năng,

Chế độ

Giao thức ở
các lớp thấp

chức Đa
cảm đường/lưới;

G. thức
ở các
lớp cao
Định
tuyến


14

cao

Lớn
2

Di

động

Tự nạp Bộ xử lí, Đa
chức
lại
lưu
trữ năng,
cảm
trung bình
biến thông số
hóa – sinh

Đa
Định
đường/lưới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; động
IEEEMAC

Di
động

Pin 101 Bộ xử lí
giờ
mức thấp,
lưu trữ mức
cao

Đa chức năng
cảm
biến
thông số vật
lí, hóa sinh

Đa
đường/lưới;
4
>10 m; IEEE
MAC

Ít
di
động

Pin 10
giờ

Ít
di
động

Pin 10
giờ

Ít
di
động

Pin 10
giờ

3

(10 mm )
Trung
bình
1

biến thông số 101 – 102m; động
vật lí
IEEEMAC

3

(10 mm )

Định
tuyến
động

2

Bộ xử lí
mức
cao,
lưu
trữ
trung bình

Đa
chức
năng,
cảm
biến thông số
vật lí

Đa
Định
đường/lưới;
tuyến
1
2
10 – 10 m; động
IEEE MAC

3

Bộ xử lí, Đa
chức
cảm
lưu
trữ năng,
biến thông số
trung bình
hóa sinh

Đa
Định

đường/lưới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; tĩnh
IEEE MAC

4

Bộ xử lí
mức thấp,
lưu
trữ
trung bình

Đa
chức
năng,
cảm
biến thông số
vật lí, hóa
sinh

Đa
đường/lưới;
4
>10 m; IEEE
MAC

Không Pin 105 Bộ xử lí

Cỡ micro di động giờ
mức
cao,
-3
3
lưu trữ mức
(10 mm )
thấp

Một
chức
năng,
cảm
biến thông số
vật lí

Một
đường/lưới;
1
2
10 – 10 m;
IEEE MAC

Nhỏ
0

3

(10 mm )

Rất nhỏ
-1

3

(10 mm )

Cực nhỏ
-2

3

(10 mm )

Cỡ nano
-4

(<10

Không
di động

Bộ xử lí
trung bình,
lưu trữ mức
thấp

Một
chức Một đường;
năng,

cảm >104m; IEEE
biến thông số MAC
hóa sinh

Không
di động

Bộ xử lí
trung bình,
lưu trữ mức
thấp

Một
chức Một đường;
năng,
cảm >104m; IEEE
biến thông số MAC
hóa sinh

3

mm )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN