(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa theo giao thức LEACH và ZIGBEE luận văn ths máy tính 604801

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN HỒNG HẢI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA
TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội – Năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN HỒNG HẢI
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA
TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE

Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền DL & MMT
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THƠNG TIN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hồi Sơn

Hà Nội – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các cơng
trình khác. Nếu khơng đúng nhƣ đã nêu trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm
về đề tài của mình.
Học viên

Trần Hồng Hải


LỜI CẢM ƠN
Đƣợc trƣờng Đại học Quốc Gia Hà Nội và Khoa Công Nghệ Thông Tin
cho phép tôi nghiên cứu, viết luận văn về đề tài : “Nghiên cứu xây dựng mạng
cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee”. Đầu tiên tôi xin
chân thành cảm ơn quý thầy cô đã giảng dạy, chỉ dẫn tôi trong thời gian tôi học
tập tại trƣờng. Những kiến thức quý báu của thầy cô đã giúp tôi rất nhiều trong
học tập cũng nhƣ trong cuộc sống. Tiếp theo tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất
đến thầy Nguyễn Hoài Sơn. Cảm ơn thầy đã gắn bó, chỉ dạy tận tình tơi trong
q trình tơi nghiên cứu và viết luận văn. Một lần nữa xin cảm ơn quý thầy quý
cô trong khoa và nhà trƣờng. Luận văn thạc s này đƣợc thực hiện dƣ i sự tài
trợ t đề tài NC H cấp ĐHQ HN, mã số đề tài: Q . 6. .
Học viên

Trần Hồng Hải


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN ......................................... 4

1.1. Gi i thiệu về mạng cảm biến: .................................................................... 4
1.2. Cấu trúc của mạng cảm biến: ..................................................................... 6
1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây ................................... 7
1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến:................................................................... 9
CHƢƠN II: CÁC IAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN ........... 12
2.1 Tổng quan:................................................................................................. 12
2.2 Giao thức LEACH:.................................................................................... 12
2.3 Giao thức cải tiến LEACH-C: ................................................................... 16
2.4 ZigBee: ...................................................................................................... 17
Chƣơng III. XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN LEACH VÀ
ZIGBEE ............................................................................................................... 21
. . Đặt vấn đề: ............................................................................................... 21
3.2. Giải pháp đề xuất: .................................................................................... 22
3.3. Cách thức triển khai giai pháp: ................................................................ 23
Chƣơng IV. XÂY DỰNG HỆ THỐN VÀ ĐÁNH IÁ IẢI PHÁP ............. 30
4.1. Tổng quan hệ thống:................................................................................. 30
4.2. Các thiết bị phần cứng:............................................................................. 30
4.2.1. Thiết bị truyền thông Xbee: .............................................................. 30
4.2.2. Bo mạch Arduino Nano: ................................................................... 32
4.2. . Cài đặt hệ thống cơ bản ..................................................................... 33
4.3. Xây dựng nút SINK: ................................................................................ 39
4.4. Xây dựng nút Cluster Head: ..................................................................... 41
4.5. Lắp đặt chạy thử hệ thống: ....................................................................... 41
4.6. Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện: ................................................... 41
Chƣơng V. ẾT LUẬN ...................................................................................... 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 : Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây () .. 6

Hình 1.2 Sensor node ............................................................................................ 7
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến khơng dây ............................... 7
Hình 1.4 SmartHouse(www.vietnamnet.vn) ......................................................... 9
Hình 2.1. Phân loại và so sánh các giao thức chọn đƣờng trong WSN [6] ........ 12
Hình 2.2 : Mơ hình giao thức LEACH () ............ 13
Hình 2. : Ngƣỡng thiết lập Cluster Head .......................................................... 15
Hình 2.4 : Lƣu đồ thuật tốn cài đặt LEACH(www.slideshare.net) ................... 15
Hình 2.5 : Lƣu đồ thuật tốn giai đoạn ổn định LEACH(www.slideshare.net) . 16
Hình 2.6 : iai đoạn cài đặt của LEACH-C (www.slideshare.net) .................... 17
Hình 2.7 : Cấu trúc của mạng ZigBee(adlt.com.au) ........................................... 18
Hình 2.8 : Mơ hình mạng ZigBee ( 19
Hình . . Sơ đồ chức năng của nút chủ SINK .................................................... 25
Hình 3.2. Khung dữ liệu nút SINK nhận đƣợc ................................................... 25
Hình 3.3. Khung dữ liệu nút SINK gửi đi. .......................................................... 26
Hình .4. Sơ đồ chức năng nút thành phần ......................................................... 27
Hình 3.5. Khung dữ liệu Broad Cast của Cluster Head ...................................... 28
Hình 3.6. Khung dữ liệu đƣợc gửi t nút thành phần đến Cluster Head ............ 28
Hình 4. Sơ đồ hệ thống...................................................................................... 30
Hình 4.2 : Thiết bị Xbee ( ...................................................... 31
Hình 4.3 : Bộ kết hợp của Xbee và Arduino ( ....................... 31
Hình 4.4 : Cấu trúc Xbee ( ..................................................... 32
Hình 4.5 : Arduino Nano ( ..................................................... 32
Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc Arduino Nano ( .............................. 33
Hình 4.7 : Đế chuyển đổi t 2.0 sang 2.5 ( ............................ 33
Hình 4.8 : Xbee và Arduino Nano trên Bread Board .......................................... 34
Hình 4.9 : Bộ cấu hình cho Xbee ........................................................................ 34
Hình 4.10 : Nhận diện Xbee ................................................................................ 35
Hình 4.11 : Cấu hình Xbee .................................................................................. 36
Hình 4. 2 : Sơ đồ mạch kết nối Xbee và Arduino Nano ( .... 37

Hình 4.13 : Code cho nút SINK ( Coordinator ) ................................................. 38
Hình 4.15 : Giao diện Arduino IDE .................................................................... 40
Hình 4.19: Pin sạc dự phịng ............................................................................... 42
Hình 4.19. Gói tin trong ZigBee thuần ............................................................... 42
Hình 4.2 . ói tin trong phƣơng pháp m i của tơi ............................................. 43
Hình 4.21. Mơ hình 7 node ZigBee thuần........................................................... 43
Hình 4.22. Mơ hình mạng của phƣơng pháp m i v i 7 node ............................. 44


CƠNG THỨC TRONG LUẬN VĂN
Cơng thức ( ) : Xác định Cluster Head trong giao thức LEACH ... Trang 15
Công thức (2) : Tính hiệu suất truyền dữ liệu thành công ……...... Trang 29


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay khoa học k thuật đƣợc đƣa vào áp dụng cho công nông nghiệp
rất nhiều. V i nhu cầu tiêu thụ thực phẩm sạch an toàn ngày càng cao cho nên
những vƣờn trồng hay trang trại có quy mơ đƣợc mở ra. Nhằm giúp cho ngƣời
trồng quản lý đƣợc môi trƣờng của vƣờn trồng nhanh và chính xác thì những
thiết bị cảm biến đƣợc sử dụng. Tính cấp thiết đối v i thực tế, vì vậy tơi đã tìm
hiểu và nghiên cứu về đề tài xây dựng mạng cảm biến v i mong muốn mang lại
hiệu quả hơn cho ngƣời sử dụng.
Mạng cảm biến không dây là hệ thống tập hợp, liên kết nhiều cảm biến
v i nhau sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu
thập thông tin dữ liệu v i quy mô l n trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng
địa lý nào. Mạng cảm biến khơng dây có thể liên kết trực tiếp v i nút quản lý
giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trƣờng
mạng công cộng nhƣ Internet hay vệ tinh. Mỗi một cảm biến chịu một hoặc

nhiều nhiệm vụ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Hiện nay mạng cảm biến
khơng dây đƣợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực ví dụ nhƣ: y tế, công nghiệp, nông
nghiệp, nghiên cứu,… Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng
đã tạo ra nhiều khả năng m i cho con ngƣời. Các đầu đo v i bộ vi xử lý rất nhỏ
gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thƣ c rất nhỏ, tiết kiệm về
khơng gian. Chúng có thể hoạt động trong mơi trƣờng dày đặc v i khả năng xử
lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các
chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức
tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh
quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
Công nghệ k thuật phát triển mạnh nhƣ hiện nay mạng cảm biến không
dây đƣợc cải tiến liên tục mang lại hiểu quả to l n cho nhiều ngành nghề trong

1


nhiều lĩnh vực. Đi kèm v i công nghệ 4.0 và công nghệ IOT đang phát triển
vƣợt bậc cho ta thấy tƣơng lai tƣơi sáng của mạng cảm biến không dây.
Xbee là một thiết bị truyền thông không dây đƣợc sử dụng rộng rãi trong
mạng cảm biến không dây. Xbee có những thế mạnh cần thiết nhƣ: sự tin cậy,
tính mở rộng, dễ sử dụng, tiết kiệm năng lƣợng,… Xbee sử dụng giao thức
Zigbee cơ bản để hình thành mạng cảm biến không dây. V i những thế mạnh
của Xbee nêu ở trên đề tài của tôi lựa chọn Xbee là thiết bị để xây dựng mạng
cảm biến không dây ZigBee.
Đề tài này có thể giúp tơi tìm hiểu và vận dụng các kiến thức vào thực tế,
cùng v i đó tích lũy thêm kinh nghiệm và chun mơn. [2]
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Hiện nay nhiều những thiết bị cảm biến và nhiều mạng cảm biến đƣợc
thiết kế ra. Mỗi mạng cảm biến lại có thế mạnh riêng, cách thức sử dụng riêng.

Vì vậy trong đề tài tơi chọn hai giao thức mạng cảm biến dùng nhiều nhất và
phù hợn v i điều kiện ở Việt Nam là LEACH và Zigbee. Mục tiêu của tôi là đƣa
ra phƣơng pháp để kết hợp thế mạnh của hai giao thức mạng cảm biến lại v i
nhau nhằm xây dựng một mạng cảm biến hoạt động hiệu quả hơn.
Đề tài tập trung nghiên cứu và thay đổi phƣơng thức định tuyến của mơ
hình mạng cảm biến ZigBee theo phƣơng thức định tuyến của giao thức
LEACH. Hệ thống đƣợc áp dụng trên 7 thiết bị truyền phát dữ liệu Xbee, sử
dụng Arduino để định tuyến đƣờng truyền gói tin. Phân tích hiệu quả của mơ
hình mang lại về ba mặt : hiệu quả truyền tin, kéo dài sự sống của mạng, hiệu
suất tiêu thụ năng lƣợng.
Kiến thức về mạng cảm biến không dây tôi có đƣợc học trong chƣơng
trình đào tạo cao học của nhà trƣờng. Tài liệu nghiên cứu chủ yếu đƣợc lấy t
những bài báo trong và ngoài nƣ c và những kiến thức thu nhặt đƣợc t các
trang chia sẽ thông tin trên mạng Internet.
Đi sâu tìm hiểu về cách thức đóng gói, định tuyền gói tin của mạng cảm
biến khơng dây nhằm thay đổi theo cách thức mình mong muốn.

2


3. Cấu trúc đề tài:
Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu tôi đã viết luận văn v i các nội dung
nhƣ sau:
- Chƣơng một là tổng quan về mạng cảm biến : Chƣơng này tập trung gi i thiệu
về mạng cảm biến không dây, một số mạng cảm biến đƣợc áp dụng hiện nay.
- Chƣơng hai là mạng cảm biến liên quan: Gi i thiệu về mạng cảm biến ZigBee
và hai giao thức liên quan trong đề tài là LEACH, LEACH-C.
- Chƣơng ba là đặt vấn đề, đƣa ra giải pháp đề xuất và phƣơng pháp thực hiện giải
pháp trên.
- Chƣơng bốn là xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH

và ZigBee, đánh giá hiệu quả mang lại.
- Chƣơng năm là kết luận : Nêu ra những thế mạnh và kết quả của đề tài, rút ra
những kinh nghiệm và những khó khăn, những vấn đề chƣa giải quyết đƣợc.
Phƣơng hƣ ng tiếp theo sẽ nhƣ thế nào.

3


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN

1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến:
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết
bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu
thập thông tin dữ liệu v i quy mô l n trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng
địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp v i nút quản lý
giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi
trƣờng mạng công cộng nhƣ Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến khơng dây
có thể đƣợc triển khai cho các mục đích chuyên dụng nhƣ điều khiển giám sát và
an ninh; kiểm tra môi trƣờng; thu thập thông tin môi trƣờng; giám sát sức khỏe
cho bệnh nhân trong y tế; ... Thế mạnh chủ yếu của chúng sự linh hoạt cũng nhƣ
không dây nên có thể triển khai ở những khu vực đặc biệt mà thiết bị có dây
khơng thể xây dựng.
Các thiết bị cảm biến không dây đƣợc liên kết v i nhau tạo thành một
mạng hoặc các cụm mạng có cấu trúc theo chuẩn nhất định. Giúp cho chúng ta
có thể tùy chỉnh về mơ hình, cách thức hoạt động, quy mơ của mạng. Các thiết
bị thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm về không gian và năng lƣợng tiêu thụ
thấp. Hiện nay khoa học tiên tiến đã đẩy khả năng xử lý của chip điện tử lên cao
vì vậy các thiết bị cảm biến tuy nhỏ gọn nhƣng có thể thực hiện đƣợc rất nhiều
công việc. V i độ bền thiết bị đƣợc đảm bảo cho nên mạng cảm biến không dây
thƣờng hoạt động liên tục, đƣa lại cho chúng ta những thông tin cần thiết và kịp

thời. Hệ thống mạng cảm biến đƣợc áp dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa
học cũng nhƣ cuộc sống. [2] [7]
Mạng cảm biến khơng dây có nhƣng đặc điểm nổi bật nhƣ sau: [2] [6]
- Kích thước vật lý nhỏ gọn:
Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc thiết kế nhỏ
gọn để tiện dụng. Mặc dù kích thƣ c luôn tỉ lệ nghịch v i tốc độ xử lý, gi i hạn
lƣu trữ, thời gian hoạt động. Nhƣng v i những mục đích mình mong muốn thì
việc phát triển và thiết kế sao cho hợp lý và hài hòa nhất. V i công nghệ tiên
4


tiến bây giờ các thiết bị trong mạng cảm biến không dây cũng khá đủ cho nhu
cầu của ngƣời dùng: kích thƣ c bé, năng lƣợng tiêu thu thấp, xử lý nhanh,…
- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao
Do nhu cầu của ngƣời dùng nên việc một mạng cảm biến khơng dây
thƣờng hoạt động liên tục và chính xác cao trong thời gian dài. Ví dụ nhƣ việc
giám sát sức khỏe ngƣời bệnh trong y tế chẳng hạn, ngƣời dùng phải đƣợc theo
dõi thƣờng xuyên và liên tục. Những thông số môi trƣờng hay thông tin dữ liệu
thƣờng đƣợc ngƣời dùng u cầu tức thì và chính xác cho nên các thiết bị mạng
cảm biến không dây đƣợc thiết kế v i nhƣng tiêu chí nhƣ trên. Việc thiết kế
phần cứng ảnh hƣởng trực tiếp trong quá trình trên nhƣng khi chúng ta thiết kế
phần mềm hợp lý cũng mang lại hiệu quả khá bất ngờ.
- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Hiện nay có rất nhiều dạng cảm biến, những cảm biến đƣợc dành riêng
cho một số lĩnh vực nhất định. Những hệ thống đƣợc thiết kế cho những công
việc đặc thù nhƣ đo lƣợng dầu trong nƣ c hay đo nồng độ khí CO2 trong khơng
khí chẳng hạn. Cho nên những ngƣời phát triển mạng cảm biến không dây đã
đƣa ra nhƣng giải pháp thích hợp là xây dựng một nền tảng chung có thể áp
dụng, kết hợp nhiều thiết bị lại v i nhau. Sử dụng linh hoạt phần mềm để có thể
thích ứng v i phần cứng riêng nhằm đƣa lại hiệu quả công việc.

- Hoạt động tin cậy
Những thông tin dữ liệu mà mạng cảm biến mang lại rất quan trọng và
cần thiết. Đối v i những lĩnh vực đặc biệt thì điều đó là tối cần thiết. Hiện nay
khoa học công nghệ phát triển đã thiết kế ra những thiết bị có độ tin cây cao và
cung cấp thơng tin nhanh chóng. Nhƣ việc linh động đã nêu ở trên thì việc ngƣời
dùng sử dụng phần mềm thích hợp sẽ cho chúng ta hiệu quả cao, độ tin cậy
thông tin cao. Có rất nhiều yếu tố mang lại sự tin cậy cho mạng cảm biến khơng
dây cũng nhƣ có rất nhiều yếu tố bên ngoài gây ra việc giảm độ tin cậy. Trong
mỗi trƣờng hợp chúng ta phải đƣa ra những giải pháp hợp lý để sự tin cậy của
mạng cảm biến không dây là tốt nhất.

5


1.2. Cấu trúc của mạng cảm biến:
Một mạng cảm biến khơng dây thƣờng có số lƣợng l n các nút đƣợc phủ
trong một vùng, khu vực nào đấy mà chúng ta muốn thăm dị hay thu thập thơng
tin dữ liệu. Do có sự gắn kết trong mạng nên các nút có thể tùy chỉnh vị trí sao
cho phù hợp v i địa hình cũng nhƣ yêu cầu ngƣời dùng. V i khả năng mở rộng
cho nên mạng cảm biến không dây có thể tiếp cận những khu vực nguy hiểm
hoặc địa hình đặc thù. Khả năng liên kết cũng nhƣ cơng tác làm việc của các
cảm biến khơng dây chính là đặc trƣng cơ bản nhất. V i số lƣợng l n các cảm
biến không dây đƣợc triển khai gần nhau thì truyền thơng đa liên kết đƣợc lựa
chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so v i truyền thông đơn liên kết) và
mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so v i truyền khoảng cách xa.

Hình 1.1 : Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây ()
Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây đƣợc thể hiện trên hình
1.1. Các nút cảm biến đƣợc xây dựng trong một trƣờng cảm biến chính là khu
vực đƣợc bao viền xanh trên hình. Mỗi nút cảm biến đƣợc sắp đặt trong mạng có

khả năng thu thập thơng tin dữ liệu, định tuyến gói tin về nút chủ là bộ thu nhận
(Sink) để chuyển t i ngƣời dùng (User) qua internet hoặc một mơi trƣờng khác.
Nút Sink có thể yêu cầu việc định tuyến để các nút cảm biến truyền bản tin theo
mong muốn. Số liệu đƣợc nút Sink nhận về thƣờng khơng có một định dạng cụ
thể, có thể tùy chỉnh sao cho phù hợp v i mục đính của mình.

6


Hình 1.2 Sensor node
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: hệ thống cảm biến,
bộ xử lý, bộ phận lƣu trữ nếu cần, thiết bị thu phát không dây và nguồn năng
lƣợng. Tùy theo nhu cầu ngƣời dùng nên có những nút cảm biến cịn đƣợc gắn
thêm các thiết bị nhƣ hệ thống định vị, hệ thống năng lƣợng mặt trời,… Các
thành phần cơ bản trong một nút cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 1.2. Hệ thống
cảm biến bao gồm các đầu đo Sensor và một bộ chuyển đổi tƣơng tự/số ADC.
Các tín hiệu tƣơng tự đƣợc thu nhận t đầu đo đƣợc chuyển sang tín hiệu số
bằng bộ chuyển đổi ADC, những tín hiệu số đƣợc đƣa vào bộ xử lý. Bộ xử lý
thƣờng đƣợc gắn thêm một bộ nh nhỏ, nhằm xử lý tín hiệu số và truyền dữ liệu
cho thiết bị thu phát khơng dây. Ở đây bộ xử lý có thể định dạng gói tin cũng
nhƣ định tuyến gói tin cho thiết bị khơng dây. Thiết bị khơng dây có nhiệm vụ
thu phát các thông tin dữ liệu giữa các nút cảm biến v i nhau. [2] [6]
1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến khơng dây

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây
7


Kiến trúc giao thức đƣợc sử dụng trong nút chủ (Sink) và tất cả các nút
cảm biến đƣợc thể hiện trên hình 1.3. Kiến trúc giao thức bao gồm l p ứng dụng

(Application Layer), l p giao vận (Transport Layer), l p mạng (Network Layer),
l p liên kết số liệu (Datalink Layer), l p vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản
lý năng lƣợng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility
Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane).
Kiến trúc gồm ba mặt phẳng quản lý là : Mặt phẳng quản lý nguồn, mặt phẳng
quản lý tính di động, mặt phẳng quản lý tác vụ.
- Mặt phẳng quản lý nguồn : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lƣợng của nó. Ví dụ : một nút cảm biến có thể bật hoặc tắt bộ thu nhận
sau khi nhận đƣợc một bản tin. Các nút cảm biến có thể broadcast đến
các nút bên cạnh rằng mình khơng đủ năng lƣợng để thực hiện cơng
việc đƣợc nữa.
- Mặt phẳng quản lý tính di động : Có nhiệm vụ quản lý tính di động của
nút. Có thể phát hiện các nút bên cạnh và thông báo vị trí của nó cho các
nút đấy.
- Mặt phẳng quản lý tác vụ : Làm nhiệm vụ sắp xếp các công việc giữa
các nút trong vùng liên quan.
- 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. Trong mạng cảm biến thì băng
tần sử dụng nhiều nhất là ISM 915 MHZ.
- Lớp liên kết dữ liệu: L p này có nhiệm vụ liên kết dữ liệu, phát hiện dữ
liệu hay các frame dữ liệu cần thiết. Vì một mạng cảm biến thƣờng nhận
đƣợc nhiều tín hiệu tạp âm nên nhiệm vụ của l p này rất cần thiết.
- Lớp mạng: L p mạng đƣợc thiết kế dùng để phân biệt các mạng cảm
biến khác nhau. Trong l p này có nhƣng số liệu mà ngƣời dùng cài đặt
để xây dựng một mạng cảm biến riêng cho mình.
- Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống đƣợc thiết kế cho việc truy cập
qua internet hoặc mạng bên ngoài.

8

- Lớp ứng dụng: Tùy theo nhiệm vụ của cảm biến, các loại ứng dụng, phần
mềm khác nhau đƣợc xây dựng và sử dụng ở l p ứng dụng này. [2]
1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến:
 Giám sát và điều khiển công nghiệp
Hiện nay nên công nghiệp cực kỳ phát triền, rất nhiều lĩnh vực cần đến
tự động hóa. Hay có những cơng việc phải điều khiển t xa, sức khỏe con ngƣời
không thể lại gần. Những khu vực nguy hiểm cần phải giám sát thƣờng xuyên
nhƣ hầm mỏ, khu sản xuất vật liệu nguy hiểm, khu vực thử nghiệm thuốc súng
thuốc nổ. Mạng cảm biến không dây áp dụng rất nhiều trong công nghiệp, đem
lại nguồn thu l n lao cho con ngƣời, giảm thiểu khả năng tai nạn ảnh hƣởng sức
khỏe ngƣời lao động. Một ví dụ đơn gian và dễ thấy nhất là hệ thống phòng cháy
chữa cháy trong cơng ty bạn chẳng hạn. Đó cũng là một cảm biến nhiệt độ và
cảm biến khói trong phịng. Khi phát hiện ra nó sẽ tự động phun nƣ c dập lửa.
 Tự động hố gia đình và điện dân dụng

Hình 1.4 SmartHouse(www.vietnamnet.vn)
Hiện nay SmartHouse chắc khơng xa lạ đối v i chúng ta. Hệ thống nhà
thông minh bao gồm một hoặc nhiều mạng cảm biến khác nhau. Phục vụ rất
nhiều công việc cho con ngƣời. Một ứng dụng đƣợc điều khiển chung t xa,
9


máy nghe nhạc, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các
bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng đƣợc trang bị v i kết nối mạng cảm
biến không dây. V i hệ thống điều khiển t xa bạn có thể điều khiển, quản lý
ngôi nhà của bạn. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất là sự kết hợp thông minh t
nhiều dịch vụ, giống nhƣ các cánh cửa tự động đóng khi TV đƣợc bật, hoặc có
thể tự động ngƣng hệ thống giải trí gia đình khi có điện thoại hoặc chng cửa
reo. Mục đích l n của các mạng cảm biến khơng dây trong gia đình đƣợc mong

chờ là mức tiêu thụ điện thấp và tính ổn định cao là điều kiện thiết yếu của các
mạng cảm biến không dây.


Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự

Các mạng cảm biến không dây là một phần cực kỳ quan trọng trong các
ứng dụng quân sự ngày nay v i các hệ thống ra lệnh, điều khiển, thu thập tin tức
tình báo truyền thơng, tính tốn, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu.
Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của
các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực
quân sự. V i đặc điểm nhỏ gọn thì một hệ thống theo dõi mục tiêu rất đơn giản
mà khó có thể phát hiện đƣợc. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra
lực lƣợng, trang bị, đạn dƣợc, giám sát chiến trƣờng, trinh sát vùng địa lý và lực
lƣợng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các
vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân.


Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khỏe
Trong y tế hiện nay cũng áp dụng rất nhiều về mạng cảm biến khơng

dây. Ví dụ nhƣ một hệ thống theo dõi sức khỏe bệnh nhân nhƣ: Nhịp tim, nồng
độ cồn, nồng độ chất trong máu, hoạt động chân tay,… Vì những đặc điểm cơ
bản của mạng cảm biến không dây đƣợc nêu ra ở trên cho nên trong y tế rất
đƣợc coi trọng và ứng dụng.


Mạng cảm biến không dây với môi trƣờng và ngành nông nghiệp

Trong nông nghiệp hiện nay đã và đang sử dụng những mạng cảm biến

không dây l n. Việc theo dõi thông số cho cây trồng ln đƣợc ƣu tiên hàng
đâu. Ví dụ nhƣ việc theo dõi nhiệt độ, hoặc lƣu lƣợng nƣ c, nồng độ chất trong
10


dung dịch nuôi cây chẳng hạn. V i đặc điểm mở rộng và dễ lắp đặt thì việc áp
dụng mạng khơng dây trên một diện tích trơng cây l n là hoàn toàn hợp lý. Một
số các ứng dụng về môi trƣờng của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi
sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện
môi trƣờng ảnh hƣởng t i mùa màng và vật ni; tình trạng nƣ c tƣ i; 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 tốn trong nơng nghiệp; kiểm tra mơi trƣờng
khơng khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy r ng; nghiên cứu khí tƣợng và địa lý;
phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trƣờng và nghiên cứu ô
nhiễm môi trƣờng. [2]

11


CHƢƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN

2.1 Tổng quan:
Mạng cảm biến khơng dây có nhiều điểm giống v i mạng adhoc nhƣng cũng
có rất nhiều đặc tính riêng nên có thể phân loại thành một dạng mạng riêng. V i
những đặc tính đã trình bày ở chƣơng trƣ c giúp chúng ta có thể thiết kế ra nhiều
giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Để thiết kế đƣợc giao thức
định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải nắm rõ những vấn đề liên quan
đến mạng cảm biến. Trong mạng cảm biến không dây có ba giao thức định tuyến
chính hay đƣợc dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến ngang hàng hay gọi là
trung tâm dữ liệu (data-centric-protocol), định tuyến phân cấp (hierarchicalprotocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based-protocol). [6]

Hình 2.1. Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN [6]
2.2 Giao thức LEACH:
Những tiến bộ gần đây trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho phép
phát triển các mạng cảm biến giá thành thấp. Mạng cảm biến có thể đƣợc sử
dụng trong các ứng dụng khác nhau nhƣ theo dõi môi trƣờng, y tế, trong quân sự
hoặc sử dụng trong gia đình. Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các nút
12


nhỏ có khả năng cảm biến, tính tốn và trao đổi thông tin vô tuyến. Một số giao
thức chọn đƣờng, quản lý công suất và trao đổi số liệu đã đƣợc thiết kế cho
mạng cảm biến v i yêu cầu quan trọng nhất là tiết kiệm đƣợc năng lƣợng. Các
giao thức chọn đƣờng trong mạng cảm biến có thể khác nhau tuỳ theo ứng dụng
và cấu trúc mạng.
LEACH là một giao thức đƣợc xây dựng theo loại phân cấp. LEACH
đƣợc viết tắt t “Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy” nghĩa là “Phân
cấp nhóm thích ứng cơng suất thấp”. Ngƣời phát minh ra LEACH là ơng
Heinzelman. Mục đích của LEACH là lựa chọn ngẫu nhiên các nút cảm biến
làm các nút chủ cụm, do đó việc tiêu hao năng lƣợng khi liên lạc v i nút gốc
đƣợc trải đều cho tất cả các nút cảm biến trong mạng. Quá trình hoạt động của
LEACH đƣợc chia thành hai bƣ c là bƣ c cài đặt và bƣ c ổn định. Thời gian
của bƣ c ổn định kéo dài hơn so v i thời gian của bƣ c cài đặt. [4] [5]
Leach là một cụm dựa trên giao thức bao gồm các tính năng sau đây:
+ Ngẫu nhiên và tự cấu hình thành cụm.
+ Kiểm soát lƣợng dữ liệu truyền nhận.
+ Sử dụng phƣơng tiện truyền thơng năng lƣợng thấp.

Hình 2.2 : Mơ hình giao thức LEACH ()
13

Trong giao thức LEACH có 3 thành phần đó là nút Sink đảm nhận vai trò
là nút chủ thu thập thông tin của cả hệ thống mạng. Tiếp theo là nút Cluster
Head chịu trách nhiệm là nút tập trung dữ liệu của một cụm các nút xung quanh
sau đó chuyển tiếp lên nút Sink. Cuối cùng là nút Non Cluster Head chính là nút
lá trong mạng cảm biến đã gi i thiệu ở trên. Nút Non Cluster Head hoạt động
chủ yếu là thu thập thông tin hoặc điều khiển một thiết bị nào đó đƣợc ngƣời
dùng chỉ định. Hoạt động của LEACH đƣợc phân tách thành hai bƣ c, bƣ c và
bƣ c ổn định trạng thái. Ở trong bƣ c cài đặt, các nhóm đƣợc tự tổ chức và tự
lựa chọn các nút chính. Cịn ở giai đoạn ổn định trạng thái, việc truyền số liệu
thực sự về các trạm gốc đƣợc tiến hành. Bƣ c cài đặt thƣờng đƣợc triển khai khi
mạng bắt đầu hoạt động và thời gian cài đặt thƣờng rất ngắn để danh thời gian,
năng lƣợng cho cơng việc chính của mạng cảm biến. [4] [5]
Vì sự tƣơng quan dữ liệu giữa các nút gần nhau nên việc phân cụm trong
mạng chính là cơ sở của LEACH. Điều này cho phép tất cả các dữ liệu t các
nút trong cụm có thể đƣợc xử lý tại nút cluster-head, giảm b t những dữ liệu
không cần thiết chuyển đến ngƣời dùng cuối. Vì vậy, các nút thành phần Non
Cluster Head sẽ tiết kiệm năng lƣợng. Trong LEACH, các nút sẽ tự xét xem có
trở thành Cluster Head hay không, các nút không trở thành Cluster Head sẽ nhận
một nút Cluster Head nào đó để hình thành cụm. Tất cả các nút Non Cluster
Head gửi dữ liệu của nó cho nút Cluster Head, trong khi nút Cluster Head phải
nhận đƣợc dữ liệu t tất cả các thành viên trong nhóm và truyền tải dữ liệu đến
nút chủ ở xa . Cho nên nút Cluster Head sẽ tiêu tốn nhiều năng lƣợng hơn nút
Non Cluster Head. Trong thực tế các nút cảm biến khơng dây thƣờng có năng
lƣợng có hạn, khi nút Cluster Head hết năng lƣợng sẽ dẫn t i việc cụm đó bị
định trệ và khơng hoạt động nữa. Cho nên LEACH đƣa ra phƣơng thức xoay
vịng để các nút trong mạng đảm nhận cơng việc của Cluster Head trong một
thời gian. Nhƣ vậy năng lƣợng tiêu thụ của việc vận chuyển dữ liệu lên nút chủ
(SINK) và xử lý dữ liệu sẽ đƣợc chia đều cho tất cả các nút trong mạng. Điều

này dẫn đến thời gian hoạt động và tính ổn định của mạng đƣợc kéo dài đến khi
tất cả các nút hết năng lƣợng. [4] [5]
14


Đâu tiên các nút thành phần sẽ quyết định có trở thành Cluster Head hay
không. Quyết định này dựa trên tỷ lệ phần trăm trở thành Cluster Head cho các
nút do nút chủ quyết định và số lần trở thành Cluster Head. Quyết định này đƣợc
thực hiện bởi n nút lựa chọn ngẫu nhiên một số t

đến 1. Nếu con số sẽ thấp

hơn một ngƣỡng T(n), các nút sẽ trở thành Cluster Head. Ngƣỡng đƣợc thiết lập
nhƣ:
(1)
Hình 2.3 : Ngưỡng thiết lập Cluster Head
Ở đây P = tỷ lệ phần trăm mong muốn trở thành nút Cluster Head, r là chu
kỳ hiện tại, và G là tập hợp các nút chƣa đƣợc trở thành là Cluster Head trong
1/P chu kỳ . Bằng cách sử dụng so sánh v i ngƣỡng trên, mỗi nút sẽ đƣợc làm
Cluster Head tại một số thời điểm trong vòng 1/P chu kỳ. Sau 1/P - 1 chu kỳ, T
sẽ bằng 1 cho bất kỳ nút nào chƣa đƣợc làm Cluster Head, và sau 1/P chu kỳ, tất
cả các nút lại một lần nữa hội đủ điều kiện để trở thành Cluster Head.
Khi các nút trở thành Cluster Head bằng cách sử dụng công thức trên, các
nút Cluster Head phải thông báo cho tất cả các nút khác trong mạng rằng họ đã
trở thành Cluster Head trong chu kỳ hiện tại. Để làm đƣợc điều này nút Cluster
Head phát một gói tin quảng bá ( BroadCast ) bằng cách sử dụng CSMA.

Hình 2.4 : Lưu đồ thuật toán cài đặt LEACH(www.slideshare.net)
15

Trong giai đoạn ổn định trạng thái, các nút cảm biến bắt đầu cảm biến và
truyền phát số liệu về các Cluster Head. Các nút Cluster Head sau khi thu nhận
tất cả các số liệu, xử lý dữ liệu rồi gửi lên nút chủ SINK. Sau một thời gian nhất
định do nút chủ SIN quy định thì tất cả các nút sẽ bắt đầu vịng lặp m i. [4] [5]

Hình 2.5 : Lưu đồ thuật toán giai đoạn ổn định LEACH(www.slideshare.net)
2.3 Giao thức cải tiến LEACH-C:
Trong mục trƣ c LEACH đã đƣợc mơ tả chi tiết, giao thức LEACH đã
hình thành thuật toán phân cụm cho mạng, mỗi nút đều tự quyết định, lựa chọn
phân cụm và chức năng cho mình. Điều này khiến cho giao thức khơng đảm bảo
về số lƣợng các nút trong một cụm và số lƣợng các nút trở thành Cluster Head.
Nhƣ vậy nếu có một cụm quá nhiều nút hoặc quá ít các nút Cluster Head sẽ ảnh
hƣởng rất nhiều đến hiệu suất tổng thể của hệ thống. Tuy nhiên nếu để nút chủ
tự phân định nút nào là Cluster Head thì sẽ tránh đƣợc nhiều vấn đề mà LEACH
16


đang gặp phải. Đây là cơ sở cho LEACH-C (LEACH-Centralized), một giao
thức mà sử dụng một thuật toán cụm tập trung và ổn định cùng một giao thức
nhƣ LEACH (các nút gửi dữ liệu của họ vào các cluster-head, và các clusterhead tập hợp dữ liệu và gửi các tín hiệu tổng hợp cho các trạm cơ sở).

Hình 2.6 : Giai đoạn cài đặt của LEACH-C (www.slideshare.net)
Trong quá trình thiết lập các giai đoạn LEACH-C, mỗi nút gửi thông tin
về vị trí hiện tại của nó và năng lƣợng cho nút chủ SINK . Nút chủ SINK sẽ xác
định và chia cụm cho các nút trong hệ thống. Các cụm thành lập bởi nút chủ
SINK nói chung sẽ tốt hơn so v i những hình thành bằng cách sử dụng các thuật
tốn phân phối ngẫu nhiên. Sau khi hồn thành bƣ c cài đặt thì thuật tốn
LEACH-C cũng tiến hành bƣ c ổn định giống v i LEACH. [4] [5]
2.4 ZigBee:

- Giới thiệu về ZigBee:
ZigBee là một giao thức mạng không dây đƣợc dùng để kết nối các thiết
bị v i nhau. Công nghệ ZigBee đƣợc xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4
IEEE. Tiêu chuẩn này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn và có cấu trúc hai
tầng là tầng vật lý và tầng MAC. Công nghệ ZigBee dùng sóng radio và cũng có
cấu trúc hai tầng nhƣ trên.
Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng t điệu nhảy theo đƣờng zig-zag của ong
mật (honey bee), điệu nhảy này đƣợc lồi ong sử dụng để trao đổi thơng tin v i
nhau về vị trí của hoa và nguồn nƣ c. [2] [3]

17