Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LÊ DOÃN TRUNG

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG TRỌNG MINH

HÀ NỘI - 2019


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LÊ DOÃN TRUNG

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2019

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin 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. Các kế thừa của các tác giả khác đã được trích dẫn.
Học viên

Lê Doãn Trung


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô là
giảng viên và là cán bộ quản lý của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đặc
biệt là các thầy cô trong Khoa viễn thông I và Khoa đào sau đại học đã dành thời
gian, tâm huyết và tri thức của mình giúp đỡ và dìu dắt chúng em trong suốt chặng
đường của khóa học.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Hoàng Trọng Minh - Người đã trực tiếp
hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho em trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu trong
lĩnh vực mạng cảm biến không dây, giúp em có được những hiểu biết nhất định
trong lĩnh vực này và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu được giao.
Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè và đồng nghiệp đã luôn ở bên động viên,
giúp đỡ em trong suốt chặng đường đã qua, để em có thể hoàn thành nhiệm vụ được
giao.
Những bước đi đầu tiên trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu khoa học, nghiên
cứu lĩnh vực mới. Với kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, do vậy có

những điểm chưa hoàn chỉnh là điều không thể tránh khỏi. Em cầu thị sự tiến bộ và
rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy cô để kiến thức của em ngày
càng vững chắc và hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày

tháng

Học viên

Lê Doãn Trung

năm 20


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ v
DANH MỤC HÌNH VẼ ..........................................................................................vii
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI............................................................................................. 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................................... 1
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU..................................................................................... 2
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU......................................................... 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................ 2
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................ 4

1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây ............................................... 4
1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ............................................................ 8
1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ............................................... 12
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................................... 13
1.5 Kết luận chương ............................................................................................... 15
CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY . 16
2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến ............................................... 16
2.2 Sự tiêu thụ năng lượng ..................................................................................... 19
2.2.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến ........................................................ 19
2.2.2 Năng lượng cho truyền thông .................................................................... 19
Năng lượng cho xử lý ......................................................................................... 20
2.3 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng ................................................................. 21
2.3.1 Giải pháp định tuyến ................................................................................. 21
2.3.2 Các giao thức lớp mạng khác được đề xuất cho mạng cảm biến .............. 24
2.3.3 Giải pháp truy nhập môi trường truyền dẫn ............................................. 30
2.3.4 Quản lý nguồn công suất ........................................................................... 34


iv

2.3.5 Giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng trong tự nhiên ......................... 39
2.4 Kết luận chương ............................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TỔN HAO NĂNG LƯỢNG VỚI
GIAO TUYẾN ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ........................... 44
3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 44
3.2 Giao thức chọn ổn định SEP ............................................................................ 45
3.2.1 Nhóm theo phân cấp .................................................................................. 46
3.2.2 Chia nhóm tối ưu ....................................................................................... 47
3.3 Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E......................................................... 50
3.4 Giao thức ổn định nâng cao SEP-E (RCH) ..................................................... 52

3.4.1 Lựa chọn đầu cụm đầu tiên ....................................................................... 53
3.4.2 Lựa chọn đầu cụm dự phòng ..................................................................... 54
3.4.3 Xác định đầu cụm ...................................................................................... 54
3.4.4 Giai đoạn truyền dữ liệu ............................................................................ 55
3.5 Mô phỏng kiểm chứng ..................................................................................... 56
3.6 Kết luận chương ............................................................................................... 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 58
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 59


v

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Thuật
ngữ viết
tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

Đa truy nhập cảm biến sóng mang

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access with Đa truy nhập nhận biết sóng mang
Collision Detect

phát hiện xung đột

CTS

Clear to Send

Xóa để gửi

GAF

Geographic Adaptive Fidelity

Định tuyến dựa trên vị trí

GBR

Gradient based routing

Định tuyến dựa trên khoảng cách

GPS

Global Possition System

Hệ thống định vị toàn cầu

Global Orbiting Navigation Satellite

Hệ thống vệ tinh dẫn đường quỹ

System

đạo toàn cầu

Geographic and Energy-Aware

Định tuyến dựa trên vị trí và năng

Routing

lượng

GLONSS

GEAR

LEACH

Low

energy

adaptive

clustering Phân cấp cụm thích ứng với năng
lượng thấp

hierarchy

Giao thức điều khiển thâm nhập

MAC

Message Authentication Code

MIC

Message Integrity Code

Mã toàn vẹn của tin nhắn

QoS

Quality of service

Chất lượng của dịch vụ

môi trường


vi

RTS

Request to Send

Yêu cầu gửi

SMP

Sensor Management Protocol

Giao thức quản lý cảm biến

Sensor Protocol for Information via

Giao thức cảm biến thông tin qua

Negotiation

thương lượng

Sensor Query and Data

Giao thức truy vấn cảm biến và

Dissemination Protocol

phổ biến số liệu

Impulse Radio

Vô tuyến xung

Task Assignment and Data

Giao thức phân nhiệm vụ và

Advertisement Protocol

quảng cáo số liệu

SPIN

SQDDP

IR

TADAP

TDMA
Time division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

Threshold sensitive Energy Efficient

Giao thức hiệu quả năng lương

sensor Network protocol

cảm nhận mức ngưỡng

Power-efficient Gathering in Sensor

Thu thập năng lượng hiệu quả

Information Systems

trong hệ thống thông tin cảm biến

UWB

Ultrawideband

Băng tần cực rộng

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây

TEEN

PEGASIS


vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến ............................................................................6
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây .........................................9
Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến ............................................................9
Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến .............................................................10
Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ............................................10

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến....................................................12
Bảng 2.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM. .................................................17
Hình 2.1: Hiệu quả năng lượng trong định tuyến .....................................................22
Hình 2.2: Ví dụ về tập hợp số liệu. ...........................................................................24
Hình 2.3: Giao thức SPIN. ........................................................................................27
Bảng 2.2: Tóm tắt các giao thức MAC cho mạng cảm biến. ....................................32
Hình 3.1: Mô hình tiêu tan năng lượng radio ............................................................47
Hình 3.2: Lựa chọn đầu cụm .....................................................................................55
Hình 3.3: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu cố định ...........56
Hình 3.4: Số lượng nút chết theo các vòng với năng lượng ban đầu thay đổi ..........57


1

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với sự phát triển và ứng dụng nhanh chóng của mạng cảm biến không dây vào
các linh vực của xã hội: Quốc phòng, y tế, điều khiển, môi trường, nông nghiệp, hộ
gia đình (nhà thông minh)…. Đây sẽ là cơ hội mở ra hướng kinh doanh đầy tiềm
năng cho các VNPT tỉnh thành.
Không giống như các mạng không dây đang tồn tại, các nút mạng trong mạng
cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ và có nguồn năng lượng hạn chế (rất khó
hoặc không có khả năng nạp thêm), topo mạng không ổn định… Do đó các kỹ thuật
và các giao thức được phát triển cho các mạng không dây đã và đang tồn tại không
thể áp dụng trực tiếp cho mạng cảm biến không dây được.
Do các nút mạng trong mạng cảm biến không dây có năng lượng hạn chế, tuổi
thọ của mạng lại phụ thuộc các nút mạng, đồng nghĩa với việc phụ thuộc vào mức
tiêu hao năng lượng của các nút mạng mà nguyên nhân chính của sự tiêu hao năng
lượng của các nút mạng là hoạt động truyền thông. Do vậy quản lý tốt các hoạt
động truyền thông của nút mạng góp phần đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ cũng
như tăng tính hiệu quả của mạng.

Với mục đích nắm bắt những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực này để phục
vụ cho công tác tại đơn vị. Vì vậy tôi chọn đề tài nghiên cứu “Quản lý năng lượng
trong mạng cảm biến không dây” làm đề tài nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp.

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Kể từ khi mạng cảm biến không dây ra đời, đã có nhiều giao thức định tuyến
được thiết kế sử dụng cho mạng này. Có thể liệt kê như là SPIN, LEACH,
PEAGSIS, TEEN … Ngoài hướng nghiên cứu các giao thức định tuyến mới thì việc
nghiên cứu cải tiến các giao thức đã có giúp mạng hoạt động ổn định hơn cũng rất
cần thiết và quan trọng.
LEACH là một giao thức định tuyến phân cụm thích nghi được đề xuất bởi
Wendi B. Heinzelman. Các mục tiêu chính của LEACH là: tăng tuổi thọ mạng, giúp


2

mạng tiêu thụ năng lượng thấp, giảm số lượng thông điệp truyền thông bằng tập hợp
dữ liệu. Leach được gọi là "Giao thức thích nghi năng lượng hiệu quả cho nhóm các
mạng cảm biến không dây ”.
Giao thức chọn ổn định nâng cao SEP-E (RCH) được phát triển dựa trên nền
tảng LEACH đã được nghiên cứu trong nhiều công trình khoa học, và một hướng
riêng của SEP-E (RCH) sẽ được nghiên cứu và trình bày trong luận văn này.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Khảo sát, đánh giá và phân tích bài toán năng lượng trong mạng cảm biến
không dây sử dụng giao thức SEP-E (RCH) với cấu hình chuẩn truyền thông cụ thể.
Trong một mạng phân bố có diện tích 100m x 100m với nút sink nằm ở giữa.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu khảo sát và thực hiện minh chứng bằng mô phỏng. Sử dụng công

cụ matlab để kiểm chứng mức độ tiết kiệm năng lượng của giao thức nghiên cứu
trong bài toán cụ thể đã nêu.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý thuyết: Sưu tầm, nghiên cứu tài liệu về tổng quan mạng cảm
biến không dây, các vấn đề liên quan đến tiêu thụ năng lượng trong mạng WSN
(Giao thức định tuyến, cực tiểu năng lượng, quản lý nguồn công suất, tối ưu đường
đi…).
Nghiên cứu thực nghiệm: Đưa ra đề xuất cấu hình truyền thông tối ưu về mặt
năng lượng; Tiến hành mô phỏng, so sánh và đánh giá kết quả


3

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đang
được áp dụng rộng rãi và ngày càng không thể thiếu trong hầu hết các lĩnh vực của
đời sống xã hội. Lịch sử phát triển của mạng cảm biến không dây có đóng góp
không nhỏ từ những nhu cầu trong lĩnh vực quân sự. Từ những năm cuối thập niên
70 của thế kỷ 20, cơ quan đặc trách nghiên cứu quốc phòng cao cấp (DARPA) của
Mỹ đã tổ chức hội thảo về mạng cảm biến nhằm nêu ra những thách thức và hướng
đi công nghệ cho lĩnh vực này. Trong những năm tiếp theo, các thuật toán phân bố
và các kỹ thuật xử lý tín hiệu dần được xây dựng và hoàn thiện cho đến ngày nay.
Có nhiều vấn đề đặt ra trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, như vấn đề
về năng lượng, vấn đề về đồng bộ, vấn đề về mở rộng mạng...Trong đó, vấn đề
được quan tâm đặc biệt là về năng lượng của mạng cảm biến không dây. Sở dĩ,
người ta quan tâm đến vấn đề này là do đặc thù các nút cảm biến trong mạng có
nguồn năng lượng giới hạn, hầu như không có khả năng bổ xung năng lượng. Việc
này làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của từng nút mạng nói riêng cũng
như toàn mạng cảm biến nói chung. Năng lượng được sử dụng trong mạng cảm biến

không dây được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng một trong những
nhiệm vụ tiêu tốn năng lượng nhiều nhất đó là công tác truyền thông giữa các nút
mạng. Do vậy, nếu quản lý tốt các hoạt động truyền thông của nút mạng sẽ đóng
góp đáng kể vào việc kéo dài tuổi thọ của mạng cũng như tăng tính hiệu quả của
mạng. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã
lựa chọn đề tài “Quản lý năng lượng trong mạng cảm biến không dây” để tìm
hiểu, nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật viễn
thông. Trong quá trình nghiên cứu, chắc chắn sẽ có nhiều nội dung cần có sự góp ý,
đóng góp ý kiến và chỉ dẫn của T.S Hoàng Trọng Minh cùng các thầy cô trong khoa
Viễn thông I, trong Học viện CNBCVT, cũng như ý kiến đóng góp của các đồng
nghiệp để cho luận văn của em hoàn thiện hơn.
Trân trọng!


4

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây
Từ những thập niên cuối của thế kỷ 20, với sự phát triển như vũ bão của
ngành công nghệ kỹ thuật số đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển các công nghệ viễn
thông và công nghệ thông tin, được ứng dụng vào mọi lĩnh vực trong các hoạt động
phát triển sản xuất và giao tiếp xã hội của con người. Với độ bao phủ rộng khắp trên
toàn cầu đã và đang đáp ứng được cơ bản nhu cầu trao đổi, khai thác, lưu giữ thông
tin của nhân loại. Tuy nhiên, trong một số hoàn cảnh và điều kiện đặc biệt như thiên
tai hoặc chiến tranh … khi đó các hạ tầng mạng viễn thông cố định bị phá vỡ,
không thể phục hồi hoặc khắc phục ngay. Xuất phát từ thực tiễn đó, một công nghệ
mạng mới đã được nghiên cứu và phát triển, để đáp ứng việc trao đổi thông tin đó là
công nghệ truyền thông đa bước tùy biến không dây (Ad-hoc).
Mạng Ad-hoc là một mạng với tập hợp các nút mạng di động sử dụng truyền

dẫn không dây, có phân bố ngẫu nhiên về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời
và không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng sẵn. Các nút mạng liên lạc với nhau
qua môi trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi nút mạng
phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị một bộ thu phát không
dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển ngẫu nhiên, vì vậy cấu trúc mạng (topology
mạng) thay đổi thường xuyên. Như vậy mạng có thể hoạt động độc lập hoặc có thể
kết nối với các hạ tầng mạng cố định còn lại hoặc khu vực lân cận để tạo thành
mạng thông tin khu vực hoặc toàn cầu.
Một trong những mô hình mạng con của mạng Ad-hoc là mạng cảm biến
không dây (Wireless Sensor Netwwork –WSN). Mạng cảm biến không dây được
phát triển và triển khai cho nhiều lĩnh vực khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của
môi trường, khí hậu; Giám sát trong lĩnh vực quân sự; Chuẩn đoán sự hỏng hóc của


5

máy móc trong công nghiệp; Quản lý thuốc trong các bệnh viên trong lĩnh vực y tế;
theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện giao thông...
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) có thể hiểu đơn
giản là mạng liên kết các nút mạng (node) với nhau (kết nối có thể là bằng sóng vô
tuyến hoặc ánh sáng), để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu
phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện thời tiết và ở bất cứ điều kiện địa lí
nào. Trong đó các nút mạng là các thiết bị cảm biến, thường là các thiết bị đơn giản,
nhỏ gọn, giá thành thấp... có số lượng lớn, được phân bố một cách không có cấu
trúc cụ thể (non-topology) sử dụng nguồn năng lượng hạn chế, có thời gian hoạt
động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ, áp suất ...).
Các nút mạng có chức năng cảm biến (cảm ứng, quan sát môi trường xung
quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) ... theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định
hoặc di động... Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách

gián tiếp.
Việc thiết kế một mô hình mạng cảm biến không dây chuẩn để đáp ứng được
hàng loạt các ứng dụng trên thực tế là việc là vô cùng khó khăn và phức tạp. Do đó,
với mỗi một loại ứng dụng cụ thể phải thiết kế một mạng cảm biến không dây phù
hợp với qui mô ứng dụng. Thiết kế mạng cảm biến không dây cần đáp ứng một số
điểm chung như sau:
-

Khả năng tự tổ chức mạng của các nút mạng.

-

Sử dụng truyền thông không dây và truyền đa bước.

-

Triển khai nhanh với số lượng lớn trên phạm vi rộng.

-

Năng lượng, dung lượng bộ nhớ và khả năng xử lý.

-

Khả năng quảng bá trong phạm vi hẹp, nhiễu lớn.

-

Định tuyến multihop.

6

Ngoài những ưu điểm có được, mạng cảm biến không dây còn đối mặt với rất
nhiều vấn đề cần giải quyết. Điểm quan trọng và then chốt đó là nguồn năng lượng
giới hạn của các nút mạng, điều này làm ảnh hưởng tới thời gian sống của nút mạng
nói riêng cũng như tuổi thọ của toàn mạng nói chung. Đã có rất nhiều nghiên cứu đã
và đang tập trung vào giải pháp sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến.
Một trong những giải pháp hiệu quả đã và đang được nghiên cứu là sử dụng giao
thức định tuyến tối ưu cho từng loại mạng cụ thể để tìm đường đi giữa các nút
mạng, qua đó giảm thiểu năng lượng sử dụng của mỗi nút mạng và các nút lân cận
nó, kéo dài đáng kể thời gian sống của mối nút làm tăng tuổi thọ của mạng.
Cấu tạo của một nút cảm biến

Hình 1.1: Cấu tạo của nút cảm biến
Nút cảm biến được cấu tạo bởi 4 khối chức năng chính:
- Bộ cảm biến (Sensing unit): Gồm 2 khối chức năng: Khối cảm biến có chức năng
cảm biến thay đổi môi trường; Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
(Analog to Digital Converter - ADC) có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự
nhận từ khối cảm biến sang tín hiệu số.
Đầu cảm biến dựa trên những thông số thu được từ sự thay đổi của môi
trường xung quanh tạo ra ra tín hiệu tương tự tương ứng với các trạng thái thay đổi
của môi trường, sau đó những tín hiệu này được chuyển thành tín hiệu số thông qua
khối ADC rồi sau đó được đưa vào khối xử lý.


7

- Bộ xử lý (Processing unit): Được cấu tạo từ 2 khối chức năng: Thiết bị xử lý (bộ
xử lý) và thiết bị lưu trữ (bộ nhớ). Nhiệm vụ của Bộ xử lý điều khiển, quản lý hoạt

động của các khối chức năng trong nút, quản lý các thủ tục vào ra trong nút kết nối
với các nút lân cận để thực hiện các nhiệm vụ được định sẵn.
Bộ xử lý là thành phần quan trọng nhất trong nút mạng cảm biến không dây,
thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, xử lý dữ liệu đó và gửi đi, đồng thời nhận dữ
liệu từ các nút khác chuyển tới. Có khả năng liên kết nhúng, mềm dẻo trong kết nối
với các thiết bị khác, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng tự chuyển sang chế độ
ngủ đông, khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động. Một đặc điểm nổi
bật của bộ xử lý là khả năng lập trình bằng các ngôn ngữ lập trình bậc cao (C, C++).
Bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ dữ liệu đã xử lý thu được từ các nút, có hai
kiểu kiến trúc bộ nhớ thường được sử dụng: kiến trúc havard và kiến trúc Von
newman. Trong kiến trúc havard, bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau, dữ
liệu được chứa trong RAM còn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ
FLASH. Mặt khác, trong kiến trúc Von newman, dữ liệu và chương trình được lưu
cùng với nhau (trên RAM), nhược điểm của kiểu kiến trúc này là dữ liệu sẽ bị mất
khi nguồn bị tắt, Do vậy, hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM,
hoặc bộ nhớ flash.
- Bộ thu phát (Transceiver unit): Có chức năng thu/phát tín hiệu, kết nối nút với
các nút khác trong mạng theo yêu cầu của bộ xử lý đưa ra. Bộ thu phát sử dụng kết
nối không dây để thu phát tín hiệu (sóng vô tuyến, truyền thông quang, sóng siêu
âm, từ trường…). Trong đó, sóng vô tuyến được cho hầu hết các ứng dụng của
mạng không dây do dải thông lớn với tốc độ dữ liệu cao là phù hợp cho hầu hết các
ứng dụng của mạng không dây.
Các nút thực hiện cả chức năng nhận và truyền dữ liệu (điều chế, giải điều
chế, khuếch đại, lọc, trộn …) sau đó chuyển dữ liệu (luồng bit, byte hoặc khung dữ
liệu) thành sóng vô tuyến. Thông thường, hai khối thu/phát thường được kết hợp
thành một thiết bị duy nhất. Do vậy, tại một thời điểm không thể thực hiện đồng


8

thời vừa truyền vừa nhận dữ liệu, việc truyền và nhận sẽ được luân phiên nhau và
được điều khiển bởi hệ điều hành.
Một số lưu ý khi lựa chọn thiết bị cho bộ thu phát:
- Khả năng phục vụ cho lớp trên (MAC), cho phép lớp này điều khiển gói dữ liệu.
- Tần số sóng mang, đa kênh trong truyền thông.
- Tốc độ dữ liệu tương ứng với tần số sóng mang và băng tần.
- Bộ nguồn (Power Unit): Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động
của nút, tiếp nhận năng lượng bổ xung từ bộ sinh năng lượng (nếu có).
Một số loại nút cảm biến còn được bổ xung thêm các thành phần để phù hợp với
nhiệm vụ cụ thể:
- Hệ thống tìm vị trí (Location Finding System): Trong một số trường hợp đòi hỏi
độ chính xác cao về số liệu cảm biến hay định tuyến thì các nút sẽ được gắn thêm
bộ phận này .
- Thiết bị di động (Mobilizer): Làm nhiệm vụ quản lý các chuyển động cho những
nhiệm vụ được định sẵn. tùy thuộc vào nhiệm vụ mà nút cảm biến có thể được trang
bị thêm bộ phận này.
- Bộ sinh năng lượng (Power Generator): Có chức năng tiếp nhận năng lượng bổ
xung từ các nguồn khác (năng lương mặt trời, năng lượng sinh học, năng lượng
nhiệt… ), cung cấp năng lượng cho bộ nguồn của nút.

1.2 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.2.
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (Sensor field). Mỗi nút
cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông tin, định tuyến số
liệu thu được về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến
các bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định
tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng
nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu

9

phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet
hay vệ tinh (Satellite).

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Có hai kiểu cấu trúc thường được triển khai, đó là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng:
 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất về hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với các nút còn lại. Giả
thiết rằng tất cả các nút đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu.

Hình 1.3: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), các cụm được tạo ra giúp
các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc


10

vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head).
Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một
mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.4: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp

nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm biến, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.5).

Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do sau:


11

- Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí khi triển khai mạng cảm biến bằng việc
định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu
triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu
để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng
phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng sẽ cao. Thay vào đó, nếu một số lượng
lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm biến, một số lượng nhỏ
hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng
bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi.
- Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần
phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời
gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm biến cần hoạt
động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu
xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng
sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
- Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút
yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc
phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong
mạng có

n nút là

W
, trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó, khi
n

kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm dần về 0.
- Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc
phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân
cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi
một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao
tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng
của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm
tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh


12

khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp đó, dung
lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp
xác định là độc lập với nhau.
Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi
dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích tìm
địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút và phân bố đến tập
con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ
một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích
hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay, cũng đang có rất nhiều mô hình
tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Trong hình 1.6 là kiến trúc giao thức (Mô hình phân lớp OSI), được sử dụng
cho mạng cảm biến không dây. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng
quản lý. Các mặt phẳng này quản lý để các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách
có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây và chia sẻ tài
nguyên giữa các nút cảm biến.

Hình 1.6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.
 Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện
tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng


13

rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải
được xem xét ở lớp vật lý.
 Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện
các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì
môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều
khiển truy nhập môi trường (MAC) 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 mạng: Được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau:
-

Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng.

-

Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.

-

Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác
có hiệu quả của các nút cảm biến.

 Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông
qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
 Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến không dây.
Cụ thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng
cảm biến không dây.
Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm
biến động đất, cảm biến từ trường ( với tốc độ lấy mẫu thấp), cảm biến thị giác, cảm
biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát một vùng rộng lớn
các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, sự chuyển động của
dòng xe, ánh sáng…
Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện
sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ.


14

Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn
nhiều vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội,
môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác.
 Ứng dụng trong quân đội
Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống

điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi
mục tiêu. Với đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể tự sửa lỗi của mạng
cảm biến làm cho chúng trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn ứng dụng cho các hệ
thống kỹ thuật trong quân đội. Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của
các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch
không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng. Do vậy, mạng cảm biến dần trở thành
một ứng dụng không thể thiếu đối với lĩnh vực quân sự.
 Ứng dụng trong môi trường
Một vài ứng dụng trong môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự
di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi
trường làm ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, quan sát diện tích
một vùng rộng lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông
nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí
quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt,
nghiên cứu sự ô nhiễm…
 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến như là giám sát bệnh
nhân, các triệu chứng bệnh lý, quản lý thuốc trong bệnh viện, theo dõi và kiểm tra
bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện…
 Tự động hoá trong gia đình và điện dân dụng


15

Gia đình là không gian ứng dụng rất lớn cho triển khai mạng cảm biến không
dây. Nhiều ứng dụng hữu ích như kiểm soát vật nuôi, kiểm tra độ ẩm cây trồng,
kiểm soát côn trùng có hại...
 Giám sát và điều khiển công nghiệp
Mạng không dây được ứng dụng rộng rãi trong quản lý và sản xuất công
nghiêp như: trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên

liệu được lưu trữ…, đầu vào các thiết bị để điều khiển các bộ truyền động trong các
hệ thống máy móc.

1.5 Kết luận chương
Trong chương 1, đã giới thiệu tổng quan về đặc điểm, kiến trúc mạng cảm
biến, phần cứng, phần mềm của nút và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự
cũng như quân sự, y tế, môi trường... Qua đó, ta thấy rõ được tầm quan trọng và
tiềm năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong phát triển sản xuất, quản lý
và vận hành xã hội, an ninh, quốc phòng hay. Với sự phát triển nhanh chóng của
công nghệ sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến.


16

CHƯƠNG 2:
NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến
Do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng giới hạn nên thời gian tồn
tại của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nút mạng. Mà năng lượng
của mỗi nút mạng cũng bị hạn chế bởi bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Một ví dụ cụ
thể, tổng năng lượng dự trữ trong một nút cảm biến thông mình là 1J, dòng điện
trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30μA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút
được cung cấp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính
2.5cm dày 1cm). Tuy nhiên, có thể tăng thời gian sống của mỗi nút mạng cũng như
toàn mạng mạng bằng cách cung cấp năng lượng bổ xung cho các nút mạng từ năng
lượng thu được của môi trường.
Bộ thu phát của các nút cảm biến có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc
tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều
chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở nên đắt và phức
tạp. Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút cảm biến tỷ lệ theo lũy

thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút cản biến sử dụng antent đẳng hướng. Tuy
nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì
các gói tin truyền trong mạng cảm biến có kích thước nhỏ, tốc độ số liệu thấp
(thường nhỏ hơn 1Hz). Mặc dù vây, thiết kế các mạch vô tuyến có hiệu quả về năng
lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kĩ thuật vô
tuyến dân dụng hiện nay không được đảm bảo cho mạng cảm biến không dây vì
chúng tiêu thụ nhiều năng lượng và được cấp nguồn liên tục.
Các nút cảm biến được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong
mục tiêu để quan sát. Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa.
Chúng có thể làm việc trong mọi môi trường, kể cả trong các môi trường khắc
nghiệt nhất, có thể liệt kê như sau:
 Trong các phần tiếp giáp.