Nghiên cứu các phương pháp thu thập dữ liệu mới trong mạng cảm biến không dây ảo hóa

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NINH XUÂN PHONG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU
MỚI TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

THÁI NGUYÊN 2020


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi – Ninh Xuân Phong - cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân
tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Tuấn Minh.
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.

Tác giả luận văn

Ninh Xuân Phong


3

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN................................................... 7
KHÔNG DÂY WSN....................................................................................................... 7
1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến .............................................................................. 7
1.2 Ứng dụng ............................................................................................................... 8
1.2.1 Vận tải ............................................................................................................. 8
1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp .............................................................. 8
1.2.3 Nông nghiệp .................................................................................................. 10
1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật ........................................................ 11
1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo .......................... 11
1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao. .................................................................. 11
1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây ................................................................... 12
1.3.3 Cấu trúc liên kết dạng lưới ............................................................................ 13
1.4 Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây....................................... 14
1.4.1 ZigBee. ......................................................................................................... 14
1.4.2 Bluetooth (BLE) ............................................................................................ 15
1.4.3 Wifi................................................................................................................ 17
1.4.4 RF – Tín hiệu tần số vô tuyến ....................................................................... 17
1.5 Nền tảng phần cứng ............................................................................................. 18
1.5.1 Nhà cung cấp hạ tầng cảm biến (SInP). ........................................................ 18
1.5.2 Nhà cung cấp dịch vụ mạng ảo hóa cảm biến (SVNSP). .............................. 18
1.5.3 Ứng dụng người dùng (ALU)........................................................................ 19
1.6 Công nghệ hiện đại .............................................................................................. 19
1.6.1 Ảo hóa cấp nút............................................................................................... 19
1.6.2 Ảo hóa cấp mạng ........................................................................................... 22
1.6.3 Giải pháp ảo hóa kết hợp............................................................................... 24
1.7 Ưu điểm và nhược điểm của ảo hóa mạng .......................................................... 24
1.7.1 Ưu điểm ......................................................................................................... 24
1.7.2 Nhược điểm ................................................................................................... 25

4

CHƯƠNG 2: CÁC DỰ ÁN ẢO HÓA MẠNG............................................................. 30
2.1 Đặc điểm .............................................................................................................. 30
2.1.1 Công nghệ mạng............................................................................................ 30
2.1.2 Lớp ảo hóa ..................................................................................................... 30
2.1.3 Miền kiến trúc ............................................................................................... 30
2.1.4 Mức độ chi tiết của ảo hóa ............................................................................ 31
2.2 Công nghệ mạng .................................................................................................. 31
2.2.1 Mạng IP : X-Bone ......................................................................................... 31
2.2.2 Mạng ATM: Tempest .................................................................................... 32
2.3 Lớp ảo hóa ........................................................................................................... 32
2.3.1 Lớp vật lý UCLP .......................................................................................... 32
2.3.2 Lớp liên kết VNET ....................................................................................... 33
2.3.3 Lớp mạng AGAVE........................................................................................ 33
2.3.4 Lớp ứng dụng VIOLIN ................................................................................. 34
2.4 Miền kiến trúc ...................................................................................................... 34
2.4.1 Quản lý mạng: VNRMS ................................................................................ 34
2.4.2 Mạng hoạt động ảo: NetScript ...................................................................... 35
2.4.3 Mạng tái sinh : Genesis ................................................................................. 35
2.4.4 Cơ sở thí nghiệm: FEDERICA...................................................................... 35
2.5 Độ chi tiết của ảo hóa .......................................................................................... 36
2.5.1 Ảo hóa nút: PlanetLab ................................................................................... 36
2.5.2 GENI ............................................................................................................. 37
2.5.3 VINI............................................................................................................... 37
2.5.4 4WARD......................................................................................................... 38
2.5.5 Ảo hóa hoàn toàn: CABO ............................................................................. 39
CHƯƠNG 3: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ....................................................................................... 40
3.1 Định tuyến PA tối đa. .......................................................................................... 41

3.2 Định tuyến năng lượng thấp nhất (ME)............................................................... 41
3.3 Định tuyến đường đi ngắn nhất (Min-Hop)........................................................ 41
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ........................................................................................... 43


5

4.1 CONTIKI OS...................................................................................................... 43
4.1.1 Định nghĩa CONTIKI OS.............................................................................. 43
4.1.2 COOJA là gì ? .............................................................................................. 43
4.1.3 Đặc tính của Contiki..................................................................................... 43
4.1.5 Mô phỏng các giao thức mạng. ..................................................................... 51
4.2.2 Ứng dụng hệ điều hành Tiny. ........................................................................ 60
4.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của TinyOS............................................................ 61
4.3 So sánh hệ điều hành CONTIKI OS và TINY OS .............................................. 74
4.4 Ưu điểm và nhược điểm của mô phỏng............................................................... 75
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 76
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 77


6

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút ............................................................... .................... 3
Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN ................................ 4
Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN ..................................................................... 4
Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển ................................ 5
Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo .......................................... 5
Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến ............................................................... ....................... 8
Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp ................................................................ 10

Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật .......................................... 11
Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao .............................................................................. 12
Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây............................................................................. 12
Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới............................................................................. 13
Hình 12 : Module Xbee................................................................................................. 14
Hình 13: Bluetooth ........................................................................................................ 16
Hình 14: Wifi ................................................................................................................ 17
Hình 15: Những module RF phổ biến........................................................................... 18
Hình 16: Kiến trúc mạng cảm biến ảo .......................................................................... 19
Hình 17: Ảo hóa cấp độ nút .......................................................................................... 20
Hình 18: Ảo hóa cấp mạng............................................................................................ 23
Hình 19: Giải pháp ảo hóa kết hợp. .............................................................................. 26
Hình 20: Năng lượng có sẵn (PA) và các tuyến đường ................................................ 40
Hình 21 : Giá trị định tuyến của các đường dẫn ........................................................... 42
Hình 22: Boot Ubuntu ................................................................................................... 45
Hình 23: Đăng nhập ...................................................................................................... 46
Hình 24: Mở cửa sổ....................................................................................................... 47
Hình 25: Khởi động Cooja ............................................................................................ 47
Hình 26: Tạo mô phỏng ................................................................................................ 48
Hình 27: Cài đặt tùy chọn mô phỏng ............................................................................ 48
Hình 28: Cửa sổ làm việc.............................................................................................. 49


vii
Hình 29: Thêm mote ..................................................................................................... 50
Hình 31: Ứng dụng Contiki........................................................................................... 51
Hình 32 : Thêm mote .................................................................................................... 51
Hình 33: Mô phỏng 10 mote ......................................................................................... 52
Hình 34 : Địa chỉ IPv6 .................................................................................................. 52
Hình 35. Giao thức định tuyến Contiki cho mạng năng lượng thấp và tổn thất (RPL).53

Nếu thay đổi IP của mote lân cận thay vì IP máy chủ, bạn sẽ thấy dữ liệu truyền của
mote đó.......................................................................................................................... 53
Hình 36: Mote dữ liệu ................................................................................................... 53
Hình 37: Mô phỏng với 50 mote ................................................................................... 54
Hình 38: RPL - Theo dõi năng lượng 50 mote sau 3 phút ............................................ 54
Hình 44: Cách biên dịch tập tin Tiny OS...................................................................... 60
Hình 45: Terminal Ubuntu ............................................................................................ 63
Hình 46: Cài đặt công cụ trong TinyOS ....................................................................... 64
Hình 47: Kết thúc cài đặt .............................................................................................. 64
Hình 48: Mô phỏng Tossim .......................................................................................... 68
Hình 49: Python ............................................................................................................ 68
Hình 51: Mô phỏng mạng JTossim............................................................................... 70
Hình 52: Project Wizard mới ........................................................................................ 70
Hình 53: Nạp Project..................................................................................................... 71
Hình 54: Mô phỏng các mote........................................................................................ 71
Hình 55: Tin nhắn xuất ra trong Jtossim....................................................................... 72
Hình 56: TinyOS CTP................................................................................................... 73


8

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
WSNs
IoTs

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

Internet of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet

IoS

Internet of Services

Dịch vụ mạng

VSN

Virtual Sensor Network

Mạng cảm biến ảo

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu

API

Application provider interface

Giao thức lập trình ứng
dụng

ADC

Analog-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự số

VWSN

Virtual Wireless Sensor Network

Ảo hóa mạng cảm biến

WPAN

Wireless Personnal Area Network

Mạng không dây cá nhân

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ nghệ điện và điện
Engineers

tử

Physical layer

Lớp vật lý

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

SInP

Sensor Infrastructure Provider

Nhà cung cấp hạ tầng cảm

PHY

biến
SGR

Sensor Gateway Routers

Bộ định tuyến mạng cảm
biến

SVNSP

Sensor

Virtualization

Network Nhà cung cấp dịch vụ

Service Provider

mạng cảm biến ảo

Application Level User

Ứng dụng người dùng

VR

Virtual Router

Bộ định tuyến ảo

VH

Virtual host

Máy chủ ảo

NP

Network Planes

Mặt bằng mạng

VL

Virtual Link

Liên kết ảo

Medium Access Control

Điều khiển truy cập kênh

ALU

MAC


9

truyền
VPN

Virtual Private Network

Mạng cá nhân ảo

M2M

Machine to Machine

Giao tiếp máy với máy

Vehicular Ad-hoc Area Network

Mạng khu vực dành cho

VANET

phương tiện
TCP

Transmission Control Protocol

Giao

thức

điều

khiển

truyền vận
RPL

Routing Protocol for Low Power and Giao thức định tuyến cho
Lossy Networks

mạng suy

hao và mạng

công suất thấp
BLE

Bluetooth Lower Energy

Bluetooth năng lượng thấp

CoAP

Constrained Application Protocol

Giao thức ứng dụng ép
buộc

QoS

Quanlity of Service

Chất lượng dịch vụ

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

Near Field Communication

Giao thức giao tiếp trường

NFC

gần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

1

MỞ ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ
đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của
con người, theo hướng hiện đại hơn. Song song với quá trình phát triển của con người,
những thay đổi do tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng
đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi,
v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng
được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành
điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người.
Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn
thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v...,
phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu
cầu trên các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở
nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn
là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy
tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các
nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của thầy Nguyễn Tuấn Minh, tôi đã chọn đề tài
luận văn “NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP THU THẬP DỮ LIỆU MỚI
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ẢO”. Với mục đích tìm hiểu về mạng
cảm biến không dây, ảo hóa mạng cảm biến không dây, các giao thức định tuyến và
phương pháp thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng. Trong luận văn còn thực hiện
một số mô phỏng các giao thức mạng, các giao thức định tuyến với mục đích tìm hiểu
phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một

chương trình mô phỏng. Nội dung của luận văn được thể hiện qua 5 chương :
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN)
Chương 2: Các dự án ảo hóa mạng
Chương 3: Các giao thức định tuyến trong thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng
lượng
Chương 4: Mô phỏng các giao thức mạng và giao thức định tuyến
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2

Chương 5: Kết luận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3

GIỚI THIỆU CHUNG
Cùng với sự phát triển của con người, sự góp mặt của công nghệ thực sự cần
thiết để phát triển thế giới, cải thiện đời sống con người. Trong những năm gần đây,
với sự phát triển của công nghệ 4.0, giao tiếp không dây ngày càng phát triển vượt bậc.
Đặc biệt là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSNs) [1], [2] là
thành phần cốt yếu trong sự phát triển mẫu mô hình thế giới vạn vật – Internet of
Things ( IoTs). Mạng cảm biến không dây được ứng dụng đa dạng trên mọi lĩnh vực
của cuộc sống như : Y tế, nông nghiệp, công nghiệp, môi trường, quân đội,vv. Mạng

cảm biến không dây chứa một vài đến hàng nghìn nút cảm biến không dây nhỏ có khả
năng tự cảm nhận, tính toán và giao tiếp giúp con người và máy móc có thể giao tiếp
trực tiếp với môi trường. Những tiến bộ gần đây trong truyền thông và điện tử không
dây ngày càng phát triển với chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, đa chức năng và
kích thước nhỏ [3].
Mỗi nút cảm biến được trang bị một bộ xử lý riêng. Bên cạnh đó còn tồn tại
một số mặt hạn chế như: giao tiếp trong khoảng cách ngắn; hạn chế về khả năng kết
nối giữa các nút cảm biến, cảm biến chạy bằng pin thuận tiện cho việc phân tích dữ
liệu trong từng nút yêu cầu bộ nhớ lớn, chi phí cao và hạn chế năng lượng. Trong
trường hợp này các nút cảm biến thường được phân tán một cách ngẫu nhiên và không
thể điều khiển các cảm biến hoạt động. Giải pháp cho những vấn đề này là Ảo hóa
mạng cảm biến không dây (Virtual Sensor Network - VSN) để giúp WSN có thêm
năng lượng, bộ nhớ và thời lượng pin kéo dài.
Trong bài viết này, phần đầu tôi đề cập về khái niệm mạng cảm biến không dây,
trong đó các nút cảm biến dựa vào nguồn năng lượng tiện dụng, được gọi là mạng cảm
biến không dây cung cấp bởi pin hoặc nguồn điện viết tắt là WSN-HEAP[4] và một số
phương pháp về thu thập năng lượng để sạc pin bổ sung [5], [6], nhưng chủ yếu tập
trung vào các thiết bị điều khiển trong mạng cảm biến không dây thông qua trang web
dựa trên dữ liệu được thu thập từ cảm biến hoặc ứng dụng trên điện thoại thông minh.
Khái niệm ảo hóa cho phép người dùng chuyển đổi tài nguyên vật lý thành tài
nguyên ảo. Một VSN được xây dựng từ một hoặc một vài WSN để làm cho WSN trở
nên linh hoạt, đa dạng và hiệu quả hơn. Ảo hóa WSN có thể được phân thành ba loại:
ảo hóa cấp độ nút, ảo hóa cấp mạng và ảo hóa hỗn hợp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4

Ảo hóa cấp nút cho phép nhiều tác vụ chạy đồng thời trên một nút cảm biến để
chia sẻ dữ liệu được thu thập từ WSN, để nút cảm biến có thể trở thành thiết bị đa mục
đích (Hình 1). Để đạt được mức ảo hóa cấp nút có hai cách: Thực thi tuần tự và thực
thi tương tự.
Trong thực thi tuần tự: Thực thi lần lượt các tác vụ.
- Ưu điểm: Đơn giản khi vận hành.
- Nhược điểm: Các tác vụ khác phải chờ trong một thời gian dài.
Trong thực thi tương tự: Thực thi nhiều tác vụ cùng một lúc.
- Ưu điểm: Mất ít thời gian hơn để thực thi, những tác vụ hoạt động nhanh hơn
sẽ không bị chặn bởi các tác vụ hoạt động chậm hơn.
- Nhược điểm: Vận hành phức tạp.

Hình 1 : Giải pháp ảo hóa cấp nút
Ảo hóa cấp mạng trong mạng cảm biến không dây (WSN) đang tích hợp cho
mạng cảm biến ảo (VSN). Một VSN được hình thành bởi một tập hợp các nút của
WSN dành riêng cho một tác vụ tại một thời điểm nhất định để đảm bảo hiệu quả tài
nguyên, bởi vì các nút còn lại có sẵn cho nhiều mức khác nhau trong các tác vụ. Ảo
hóa cấp mạng WSN có thể thực hiện theo hai cách khác nhau.
- Nhiều VSN trên cơ sở một WSN đơn (Hình 2). Các nút WSN không phải là
một phần của bất kỳ VSN nào có sẵn cho các ứng dụng khác. Như trong hình đầu tiên,
mỗi VSN sẽ thực hiện một số nhiệm vụ nhất định, nó có thể tương tác với những VSN
khác.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5

Hình 2 : Giải pháp dựa trên cụm mạng cảm biến không dây WSN

- Một VSN đơn trên cơ sở nhiều WSN (Hình 3). Tạo điều kiện trao đổi dữ liệu
giữa chúng diễn ra nhanh hơn.

Hình 3 : Giải pháp dựa trên mạng ảo VSN
Ảo hóa hỗn hợp được kết hợp từ giải pháp ảo hóa cấp nút và ảo hóa cấp mạng.
Nó có thể được chia thành ba loại:
- Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển (Hình 4a): WSN triển
khai được chia thành nhiều cụm bao gồm các nút cảm biến. Mỗi cụm được dành riêng
cho một hoặc nhiều ứng dụng và được các lập trình viên coi là một thực thể duy nhất.
Các ứng dụng có thể trải rộng trên nhiều cụm khác bằng cách chạy các tác vụ dành
riêng cho ứng dụng trong mỗi cụm. Mỗi cụm bao gồm một nút cảm biến đóng vai trò
là nút chính và một số nút cảm biến còn lại đóng vai trò là nút thành viên. Các nút cảm
biến có thể có vai trò kép, tức là một nút cảm biến có thể đóng vai trò là nút chính cho
một ứng dụng đồng thời nó có thể là nút thành viên cho một ứng dụng khác. Vai trò
của mỗi nút phụ thuộc vào các tác vụ ứng dụng nằm trong nút cảm biến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




6

Hình 4a : Các giải pháp dựa trên cụm và phần mềm trung chuyển
- Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo / lớp phủ ảo (Hình 4b): Lớp
phủ cấp mạng được tạo để nhóm các nút WSN thực thi ứng dụng tương tự, sử dụng
giao thức cây thu thập dữ liệu (CTP) [7]. Các nhóm vật lý phân tán thực thi các ứng
dụng tương tự có thể được tham gia vào một mạng lớp phủ duy nhất. Để cách ly giữa
lưu lượng truy cập từ nhiều ứng dụng khác nhau, mỗi gói ứng dụng được sửa đổi bao
gồm ID ứng dụng cùng với số thứ tự, địa chỉ gốc và địa chỉ đích. Một ứng dụng có thể

được thực hiện bởi các nút cảm biến vật lý phân tán. Liên kết các cụm phân tán này
vào một mạng được kết nối ảo duy nhất yêu cầu giao thức hình thành lớp phủ sử dụng
cấu trúc liên kết CTP cơ bản để kết nối các cụm với nhau trong một mạng được kết nối
ảo. Giao thức hoạt động bằng cách làm cho mỗi nút cảm biến định tuyến các gói của
nó đến cụm gần nhất.

Hình 4b: Các giải pháp dựa trên lớp trung gian và mạng ảo
- Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động (Hình 4c): Nhóm động của các nút
WSN được triển khai để thực thi đồng thời nhiều ứng dụng. Các nút WSN có thể là
một phần của nhiều nhóm logic cùng một lúc. Mỗi nhóm logic được dành riêng cho
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7

một ứng dụng và việc triển khai hỗ trợ tối đa 16 nhóm cùng tồn tại trong WSN. Một
mã ứng dụng mới được cập nhật một cách thụ động giữa các thành viên của nhóm
bằng cách sử dụng các mục tiêu thiết kế đã nói ở trên. Tất cả các nút WSN duy trì
thông tin phiên bản của các ứng dụng và triển khai nó trong nhóm làm cho các nút
WSN tự nhận biết khi nào cần cập nhật mã ứng dụng. Điều này tiết kiệm năng lượng
bằng cách giảm các giao tiếp không cần thiết, nhưng dễ phát sinh chi phí của độ trễ.
Các nút cảm biến trong một nhóm logic thực hiện một ứng dụng tại một thời điểm, do
đó mỗi ứng dụng có thể bị ảnh hưởng bởi lỗi thời gian chạy từ ứng dụng khác. Bài viết
trình bày dựa trên mô phỏng cũng như kết quả thực hiện.

Hình 4c: Máy ảo và các giải pháp dựa trên nhóm động

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY WSN
1.1 Giới thiệu về các nút cảm biến
Cảm nhận, xử lý và giao tiếp được diễn ra trực tiếp bên trong nút. Chất lượng,
kích thước và tần suất của dữ liệu nhận được có thể được phân tích từ mạng bị ảnh
hưởng bởi các tài nguyên vật lý có sẵn trong nút [8].
Mục tiêu thiết kế chính của nút cảm biến là tập trung vào mặt thương mại, tăng
tính linh hoạt (để dễ dàng cho quá trình triển khai và thích nghi nhanh chóng vào môi
trường) và tiết kiệm năng lượng (khả năng xử lý, giao tiếp, bộ nhớ và khả năng lưu
trữ).
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
thu phát không dây và bộ nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể
có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di
động. Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 5 . Bộ cảm biến
thường gồm hai đơn vị thành phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi
tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ
xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các
thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm
bảo truyền thông tin giữa nút cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô
tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của nút cảm
biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc nguồn năng lượng mặt trời, cung cấp
năng lượng cho nút cảm biến. Do không thể liên tục thay thế nên nguồn năng lượng
của nút thường bị giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, ví

dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các nút cảm
biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần thiết để
di chuyển các nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




9

Hình 5 : Kiến trúc nút cảm biến
Tùy vào mỗi môi trường khác nhau: dưới nước, trong lòng đất, trên mặt
đất,v.v… thì sẽ triển khai kiểu mạng không dây khác nhau. Dưới đây là một số ứng
dụng phổ biến của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.

1.2 Ứng dụng
1.2.1 Vận tải
Mạng cảm biến không dây cho phép
thu thập thông tin giao thông thời gian thực
bằng cách cài đặt mạng tại các vị trí chiến
lược xung quanh thành phố. Có thể sắp xếp
nguồn cấp dữ liệu hoạt động liên quan đến tắc
nghẽn và các vấn đề giao thông mà sau đó có
thể điều tiết giao thông cho phép các phương
tiện tiếp tục di chuyển hoặc dừng lại.

Hình 6 : Vận tải trong WSN

1.2.2 Giám sát và điều khiển công nghiệp
Đặc thù của giám sát và điều khiển công nghiệp là môi trường nhiễu lớn, không
đòi hỏi lượng lớn dữ liệu thông tin được truyền tải nhưng yêu cầu rất cao về độ tin cậy
và đáp ứng thời gian thực. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong lĩnh vực
này chủ yếu phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động của hệ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ và áp suất của nguyên liệu
được lưu trữ,vv. Ngoài ra, trong một số ứng dụng điều khiển trên diện rộng thì mạng
cảm biến không dây cũng thể hiện nhiều tính năng vượt trội. Đó là hệ thống điều khiển
không dây ánh sáng quảng cáo.
Rất nhiều chi phí trong quá trình cài đặt các bóng đèn trong một toà nhà lớn
(các chuyển mạch có dây, các bóng đèn được bật/tắt cùng nhau, điều khiển bóng
đèn,vv). Một hệ thống không dây có tính mềm dẻo có thể tận dụng một bộ điều khiển
từ xa có thể được lập trình để điều khiển một số lượng các bóng đèn trong một theo
nhiều cách khác nhau gần như vô hạn, trong khi vẫn cung cấp mức độ an ninh được
yêu cầu bởi một bộ phận lắp đặt quảng cáo. Hay việc sử dụng các mạng cảm biến
không dây trong các ứng dụng an toàn công nghiệp. Các mạng cảm biến không dây
này có thể tận dụng các cảm biến để phát hiện sự hiện diện của các chất độc hại hoặc
các vật liệu nguy hiểm, cung cấp quá trình phát hiện và nhận dạng sớm các khe hở
hoặc phát hiện tràn các tác nhân hoá học hoặc sinh học trước khi thiệt hại nghiêm
trọng có xảy ra (và trước khi các chất vượt ra ngoài vùng kiểm soát). Bởi vì mạng
không dây có thể sử dụng các thuật toán định tuyến phân tán, có nhiều đường định
tuyến và có thể tự chữa trị và tự duy trì, chúng có thể co giãn trong mặt ngoài của quá
trình bùng nổ hoặc các thiệt hại khác đến máy công nghiệp, cung cấp các thẩm quyền
với thông tin trạng thái máy quyết định dưới các điều kiện rất khó. Trong một ứng
dụng khác, đó là quá trình giám sát và điều khiển cơ cấu quay hoặc chuyển động trong

không gian là một lĩnh vực khá phù hợp với các mạng cảm biến không dây.


1.2.3 Nông nghiệp

Hình 7 : Ứng dụng WSN trong công nghiệp
Theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các
điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng và vật nuôi; tình trạng nước tưới; các
công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh;
phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không
khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ
lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường.
Các ứng dụng của các mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các trang trại
chăn nuôi. Người chăn nuôi có thể sử dụng các mạng cảm biến trong quá trình quyết
định vị trí của động vật trong trang trại và với các cảm biến được gắn theo mỗi động
vật, xác định yêu cầu cho các phương pháp điều trị để phòng chống các động vật ký
sinh. Người chăn nuôi lợn hoặc gà có các đàn trong các chuồng nuôi mát, thoáng khí.
Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng cho việc giám sát nhiệt độ khắp
chuồng nuôi, đảm bảo an toàn cho đàn.


1.2.4 Theo dõi sạt lở đá và giám sát động vật

Hình 8 : Ảo hóa WSN theo dõi đá lở và giám sát động vật
Trong các tình huống cụ thể giám sát loại sự kiện này có thể thực sự quan trọng.
Có thể có những phiến đá trên núi. Để bảo vệ động vật khỏi các phiến đá, các nút cảm
biến được triển khai dọc theo các khu vực núi. Có các hệ thống tín hiệu khẩn cấp để
làm cho người dân và động vật nhận thức được. Một WSN vật lý duy nhất được triển
khai, nhưng nó được sử dụng bởi hai VWSN. Một VWSN giám sát các slide đá và một
VWSN khác giám sát các động vật băng qua địa hình đồi núi. Cả hai ứng dụng được

kết xuất bởi hai VWSN đều sử dụng cùng một nút cảm biến vật lý và chuyển tiếp dữ
liệu đến các hệ thống tín hiệu và tới các nút thành viên.

1.3 Các cấu trúc liên kết cơ bản của mạng cảm biến không dây ảo
1.3.1 Cấu trúc liên kết mạng dạng sao.
Cấu trúc liên kết sao [9] được thiết kế với mỗi nút ( tệp máy chủ, trạm gốc và
thiết bị ngoại vi) được kết nối trực tiếp với một trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc
bộ tập trung mạng.
Dữ liệu trên mạng sao được di chuyển qua trung tâm, bộ chuyển mạch hoặc bộ
tập trung trước khi tiếp tục đến đích. Trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập
trung quản lý và kiểm soát tất cả các chức năng của mạng. Nó cũng hoạt động như một
bộ lặp cho luồng dữ liệu. Cấu hình này là phổ biến với cáp xoắn đôi, tuy nhiên nó cũng
có thể được sử dụng với cáp đồng trục hoặc cáp quang.


Hình 9 : Cấu trúc liên kết mạng sao
Ưu điểm:
- Dễ dàng cài đặt và đi dây.
- Không bị gián đoạn mạng khi kết nối hoặc tháo thiết bị.
- Dễ dàng phát hiện lỗi và loại bỏ các bộ phận.
Nhược điểm:
- Yêu cầu chiều dài cáp nhiều hơn một cấu trúc liên kết tuyến tính.
- Nếu trung tâm mạng, bộ chuyển mạch hoặc bộ tập trung bị lỗi, các nút đính
kèm sẽ bị tắt.
- Đắt hơn cấu trúc cổng liên kết vì chi phí của các trung tâm khá cao.
1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng dạng cây
Cấu trúc liên kết mạng dạng cây [9] kết hợp các đặc điểm của cấu trúc cổng liên
kết và liên kết sao. Nó bao gồm các nhóm cấu hình sao để đáp ứng nhu cầu của chúng.

Hình 10: Cấu trúc liên kết mạng cây

Ưu điểm:
- Đi dây từ điểm tới điểm cho từng đoạn riêng lẻ.
- Được hỗ trợ bởi một số nhà phát hành phần cứng và phần mềm.
Nhược điểm:
- Chiều dài tổng thể của mỗi phân đoạn bị giới hạn bởi loại cáp được sử dụng.
- Khó cấu hình và đi dây hơn các cấu trúc liên kết khác.


1.3.3 Cấu trúc liên kết dạng lưới
Mạng lưới [9] là một cấu trúc liên kết mạng cục bộ trong đó các nút cơ sở (nghĩa
là cầu, chuyển mạch và các thiết bị cơ sở khác) kết nối trực tiếp, linh hoạt và không
phân cấp với càng nhiều nút càng tốt và hợp tác với một nút khác để định tuyến hiệu
quả dữ liệu đến khách hàng. Tính độc lập trong một nút cho phép mọi nút tham gia
vào quá trình chuyển tiếp thông tin. Mạng lưới có khả năng tự tổ chức và tự cấu hình,
có thể giảm chi phí cài đặt. Khả năng tự cấu hình cho phép phân phối khối lượng công
việc chủ động, đặc biệt trong trường hợp một vài nút bị lỗi. Điều này lần lượt góp phần
vào khả năng chịu lỗi và giảm chi phí bảo trì.

Hình 11: Cấu trúc liên kết dạng lưới
Cấu trúc liên kết lưới có thể được xây dựng với các cấu trúc liên kết mạng cục bộ
hay mạng cây thông thường trong đó các cầu nối hay công tắc được liên kết trực tiếp
với chỉ một tập hợp nhỏ của các cầu nối hoặc công tắc khác và các liên kết giữa các cơ
sở hạ tầng lân cận này được phân cấp. Mặc dù các cấu trúc liên kết giữa sao và cây
được thiết lập rất hợp lý, được tiêu chuẩn hóa cao và trung lập với nhà cung cấp tuy
nhiên các nhà cung cấp thiết bị mạng lưới vẫn chưa hợp nhất các tiêu chuẩn chung và
khả năng tương tác giữa các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau vẫn chưa được
đảm bảo.
Ưu điểm:
- Một nút bị hỏng sẽ phá vỡ việc truyền dữ liệu trong mạng lưới. Mỗi nút được
kết nối với một số nút khác giúp việc chuyển tiếp dữ liệu dễ dàng hơn. Một thiết bị bị

hỏng sẽ bị bỏ qua bởi các tín hiệu và sau đó sẽ tự động tìm kiếm một thiết bị mới được
kết nối với nút.
- Các thiết bị bổ sung trong cấu trúc liên kết lưới sẽ không ảnh hưởng đến kết nối
mạng của nó. Do đó nó sẽ cải thiện lưu lượng trong mạng. Cấu trúc liên kết lưới làm
cho một trung tâm dữ liệu lớn mô phỏng thông tin hữu ích cho các nút của nó.


- Một cấu trúc liên kết lưới có thể xử lý lưu lượng mạng lớn vì mỗi thiết bị bổ
sung vào mạng được coi là một nút. Các thiết bị được kết nối có thể đồng thời truyền
dữ liệu trơn tru và sẽ không làm phức tạp kết nối mạng.
Nhược điểm:
- Duy trì mạng lưới có thể rất khó quản lý. Nó đòi hỏi sự giám sát liên tục vì sự
dư thừa trong mạng. Quản trị viên mạng có kỹ năng tốt, dày dặn kinh nghiệm mới có
thể quản lý loại cấu trúc liên kết này.
- Do việc xây dựng cấu trúc liên kết này đòi hỏi rất nhiều thiết bị, nó sẽ cần rất
nhiều vốn để đầu tư. Nó có thể rất tốn kém nhưng dịch vụ mà nó cung cấp chắc chắn
sẽ sớm hoàn lại vốn đầu tư.

1.4 Các giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây
1.4.1 ZigBee.
ZigBee [10] là một đặc điểm kỹ thuật để liên lạc trong các mạng không dây cá
nhân (WPANs). Được thiết kế với chi phí thấp, công suất thấp và chu kỳ nhiệm vụ
thấp, công nghệ ZigBee rất lý tưởng cho các mạng cảm biến không dây (WSN) và các
mạng năng lượng thấp khác trải rộng khoảng cách lớn. ZigBee xây dựng theo tiêu
chuẩn IEEE 802.15.4, nhưng bổ sung khả năng kết nối mạng lưới với chức năng đa
nhiệm và giao thức định tuyến. Mạng sao cũng như mạng ngang hàng (ví dụ:
mạnglưới, mạng cây, cụm) được hỗ trợ, làm cho mạng ZigBee phổ biến , có thể mở
rộng và phân cấp.

Hình 12 : Module Xbee

ZigBee và XBee không giống nhau, ZigBee là một giao thức truyền thông tiêu
chuẩn cho mạng lưới không dây, năng lượng thấp. XBee là một thương hiệu radio hỗ
trợ nhiều giao thức truyền thông, bao gồm ZigBee, 802.15.4 và Wi-Fi, cùng với các


giao thức khác. Bất kỳ thiết bị nào của nhà sản xuất có hỗ trợ đầy đủ tiêu chuẩn
ZigBee đều có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị nào khác của công ty ZigBee.
Công nghệ ZigBee không mang ý nghĩa cạnh tranh với các công nghệ như WiFi (IEEE 802.11) hoặc Bluetooth (IEEE 802.15.1). Thay vào đó, ZigBee được thiết kế
cho các ứng dụng có tốc độ truyền dữ liệu ít quan trọng hơn là hiệu suất năng lượng,
kích thước mạng và khả năng định tuyến mạng tùy biến không dây ad-hoc.
ZigBee PRO hiện là ngăn xếp ZigBee phong phú nhất và mới nhất hiện có.
Ngoài số lượng thiết bị tối đa cao hơn (lên tới 65.560 trong một mạng), ZigBee PRO
hỗ trợ gấp ba lần so với ZigBee 2007 tiêu chuẩn và có các kỹ thuật định tuyến tiên
tiến, chức năng phát đa hướng và bảo mật mạng tốt hơn [11].
Trong vài năm qua, ZigBee đã tìm được đường vào các hệ thống thương mại để
tự động hóa gia đình, hệ thống năng lượng thông minh, điện tử tiêu dùng, cảm biến
công nghiệp và chăm sóc sức khỏe. Nó có tính năng tự đánh địa chỉ đầy đủ, nhiều tùy
chọn tiết kiệm năng lượng, tối ưu hóa hiệu quả trong các ứng dụng băng thông thấp và
cách tiếp cận nhiều lớp đối với thiết kế và bảo mật truyền thông. Quan trọng nhất,
ZigBee tự động hình thành toàn bộ các mạng có thể tự chữa lành, định tuyến xung
quanh các khu vực có vấn đề mà không cần can thiệp thủ công. Nhà thiết kế, tin tặc,
nhà phát minh, nghệ sĩ và kỹ sư hiện đang sử dụng giao thức không dây phổ biến này
để tạo ra các hệ thống thông báo, kích hoạt và làm hài lòng nhiều người dùng khác
nhau của họ.
Lớp mạng bên dưới ZigBee hỗ trợ các tính năng nâng cao của nó được gọi là
IEEE 802.15.4. Đây là một bộ các tiêu chuẩn xác định quản lý năng lượng, địa chỉ, sửa
lỗi, định dạng thông báo và các thông tin cụ thể điểm-điểm khác cần thiết để liên lạc
đúng cách diễn ra từ đài này sang đài khác. ZigBee là một tập hợp các lớp được xây
dựng trên đỉnh của 802.15.4.
1.4.2 Bluetooth (BLE)

Bluetooth [12] hoặc Bluetooth Low Energy (BLE) là một tiêu chuẩn cho phép
kết nối các thiết bị điện năng thấp và cảm biến. Nó sử dụng truyền dẫn vô tuyến bước
sóng ngắn, băng tần 2.4 GHz. Sử dụng Bluetooth thông minh để cho phép truyền
thông hai chiều giữa các thiết bị không dây khác nhau với tuổi thọ pin cao. Bluetooth
kích hoạt thiết bị này cũng có thể làm việc liên tục với các thiết bị thông minh tương