Phát triển mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

VÕ SONG HÀ

PHÁT TRIỂN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : Điều khiển và tự động hoá

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

HÀ NỘI - 2012


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tôi cũng xin cam
đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Người thực hiện

Võ Song Hà

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian 2 năm học cao học, các thầy cô đã giúp chúng em học được
trang bị những kiến thức về chuyên ngành, phương pháp học tập, đồng thời trưởng
thành hơn.
Người đầu tiên em xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành tới
cô giáo Tiến sĩ Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ đã hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều
kiện, giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn tới tập thể các thầy cô trong khoa Điện, những
người đã mang đến cho em những kiến thức chuyên ngành, tạo mọi điều kiện giúp
đỡ em trong suốt 2 năm học tập kiến thức chuyên ngành.
Đề tài luận văn của em là "Phát triển mạng cảm biến không dây". Luận văn
bao gồm các vấn đề chính sau :
• Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng
• Nghiên cứu về cơng nghệ Bluetooth
• Thiết lập mạng cảm biến không dây.
Hà Nội ngày

tháng
Học viên

Võ Song Hà

1

năm 2012


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................... 9
Chương I. Mạng cảm biến không dây ........................................................... 9
I.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (Wireless Networks Sensor)
........................................................................................................................... 9
I.1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến ..................................................... 10
I.1.2. Mạng cảm biến không dây (WSNs) ........................................ 10
I.1.3.

Các đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây [7] ...... 13

I.1.4.

Những yêu cầu đối với một mạng cảm biến không dây ........ 16

I.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ......................................................... 17
I.2.1. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến........................................ 17
I.2.2. Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây... 20
I.2.2.1. Việc tiêu thụ năng lượng ở các trạng thái hoạt động khác
nhau ................................................................................................. 21
I.2.2.2. Việc tiêu thụ năng lượng của khối điều khiển .................... 23
I.2.2.3. Việc tiêu thụ năng lượng của bộ nhớ.................................. 25
I.2.2.4. Việc tiêu thụ năng lượng của bộ truyền nhận sóng vô tuyến
......................................................................................................... 26
I.2.2.5. Việc tiêu thụ năng lượng của các cảm biến ........................ 29
I.2.3. Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây ............... 29
I.2.3.1. Kiến trúc đơn bước (single-hop) ........................................ 30
I.2.3.2. Kiến trúc đa bước (Multi-hop) ........................................... 31
I.2.3.3. Kiến trúc mạng hỗn hợp ..................................................... 32

I.3. Một số dịch vụ và giao thức truyền thông sử dụng trong mạng cảm biến
không dây ........................................................................................................ 32
I.3.1. Lớp vật lý (Physical layer) ........................................................ 32
I.3.2. Giao thức MAC (MAC protocol) .............................................. 33
2


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
I.3.3. Vấn đề đồng bộ thời gian ........................................................... 35
I.4. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây .......................................... 36
I.4.1. Ứng dụng trong quân sự ............................................................ 36
I.4.2. Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng ................................ 37
I.5. Các công nghệ không dây trong mạng cảm biến không dây .................... 39
I.5.1. Công nghệ Zigbee ...................................................................... 39
I.5.2. Công nghệ UWB........................................................................ 41
I.5.3. Công nghệ Bluetooth ................................................................. 42
Chương II. Tổng quan về công nghệ Bluetooth ......................................... 43
II.1. Giới thiệu về công nghệ Bluetooth .......................................................... 43
II.1.1. Các đặc trưng cơ bản của công nghệ Bluetooth ....................... 45
II.1.2. Cấu trúc một hệ thống Bluetooth ............................................. 47
II.1.3. Kỹ thuật nhảy tần trong cơng nghệ Bluetooth ......................... 49
II.2. Mơ hình các tầng giao thức trong công nghệ Bluetooth ......................... 51
II.2.1. Bluetooth radio ......................................................................... 52
II.2.2. BaseBand .................................................................................. 53
II.2.3. Link Manager Protocol ............................................................. 55
II.2.4. Logical link control and adaption protocol (L2CAP) .............. 55
II.2.5. Service Discovery Protocol ...................................................... 55
II.2.6. RFCOMM Protocol .................................................................. 59
II.2.7. Host Controller Interface .......................................................... 59
II.3. Các chế độ hoạt động của thiết bị Bluetooth ........................................... 60

II.3.1. Standby ..................................................................................... 61
II.3.2. Active mode.............................................................................. 62
II.3.3. Sniff mode ................................................................................ 62
II.3.4. Hold mode ................................................................................ 62
II.3.5. Park mode ................................................................................. 62
3


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
II.4. Các kiểu địa chỉ của thiết bị Bluetooth ................................................... 64
II.5. Các kiến trúc mạng của Bluetooth .......................................................... 65
II.5.1. Mạng piconet ............................................................................ 65
II.5.2. Mạng Scatternet ........................................................................ 67
PHẦN II THIẾT LẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG
CÔNG NGHỆ BLUETOOTH ..................................................................... 70
Chương III. Thiết Lập mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ
Bluetooth ........................................................................................................ 70
III.1. Tổng quan hệ thống ................................................................................ 70
III.2. Thiết lập mạng cảm biến ........................................................................ 71
III.2.1. Thiết lập cấu hình mạng .......................................................... 73
III.2.2. Định tuyến thông tin ............................................................... 76
III.2.3. Quản lý năng lượng ................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82

4


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình I.1: Dạng 1 WSNs , liên kết multipoint-to-point, multihop dùng định
tuyến động ....................................................................................................... 11
Hình I.2: Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point, Star định tuyến tĩnh ............ 12
Hình I.3 Liên kết giữa các WSN thơng qua mạng Internet ............................ 14
Hình I.4 Kiến trúc một WSN có các nút cảm biến ở hai chế độ hoạt động .... 15
Hình I.5 Cấu trúc của một nút cảm biến ......................................................... 18
Hình I.6 Cấu trúc chung của bộ truyền-nhận (transceiver)............................. 20
Hình I.7 Quá trình chuyển trạng thái hoạt động của nút cảm biến ................. 23
Hình I.8 mối liên quan giữa năng lượng tiêu thụ với điện áp hoạt động và
xung nhịp clock của Intel StrongARM SA-1100 [6] ...................................... 25
Hình I.9 Cấu trúc một khối truyền-nhận sóng vơ tuyến ................................. 26
Hình I.10 Các liên kết trong mạng cảm biến đơn bước .................................. 30
Hình I.11 Một liên kết trong mạng cảm biến đa bước (Multi-hop) ................ 31
Hình I.12 Mạng sử dụng nhiều thiết bị nguồn (Source) và nhiều thiết bị đích
(Sink) ............................................................................................................... 32
Hình I.13 Hệ thống xác định vị trí của địch để bắn ........................................ 37
Hình I.14 Hệ thống xác định vị trí và quĩ đạo di chuyển của voi ................... 38
Hình I.15 Hệ thống cảnh báo và phát hiện cháy rừng .................................... 39
Hình II.1 Cấu trúc phần cứng của một hệ thống Bluetooth ............................ 48
Hình II.2 Các packets trên các kênh tần số và các khe thời gian khác nhau .. 49
Hình II.3 Ví dụ về việc truyền tin giữa 1 Master và 2 Slaves ........................ 50
Hình II.4 Mơ hình phân lớp của chuẩn Bluetooth .......................................... 52
Hình II.5 Ví dụ minh hoạ việc sử dụng các kiểu liên kết ACL và SCO ......... 54
Hình II.6 Định dạng một gói dữ liệu được qui định và thực hiện ở lớp
Baseband ......................................................................................................... 54
Hình II.7 : Mơ tả một giao tiếp tìm kiếm dịch vụ giữa chủ và tớ ................... 56
5


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình II.8 : Các thành phần của Bản ghi các dịch vụ-Service Record............. 57
Hình II.9 : Các thành phần của Service Attribute ........................................... 57
Hình II.10 Các quá trình để tiến đến trạng thái kết nối (connection) ............. 61
Hình II.11: Cấu trúc của một gói dữ liệu (packet) trong chuẩn Bluetooth ..... 63
Hình II.12: Mơ hình mạng piconet.................................................................. 65
Hình II.13 Mơ hình mạng Scatternet .............................................................. 67
Hình II.14 : Slave trong piconet này làm Slave của Piconet kia .................... 68
Hình II.15 : Slave trong Piconet này trở thành Master trong Piconet kia....... 69
Hình III.1 Mơ hình mạng cảm biến................................................................. 71
Hình III.2 Cấu hình mạng cảm biến khơng dây .............................................. 72
Hình III.3 Ví dụ minh họa bảng địa chỉ của nút 3.3.1 trong mạng ................. 74
Hình III.4 Lưu đồ thiết lập cấu hình mạng ..................................................... 75
Hình III.5 Lưu đồ truyền gói tin trong mạng .................................................. 77
Hình III.6 Lưu đồ hoạt động của nút chuyển tiếp và nút cảm biến ................ 78

6


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
MỞ ĐẦU
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
Với sự phát triển của không ngừng của công nghiệp vi mạch số, truyền tin không
dây và công nghệ MEMS (Micro-ElectroMechanical System), hiện nay trên thế giới
bắt đầu phát triển ứng dụng mạng cảm biến không dây (Wireless sensors
Networks). Với công nghệ này việc kết nối các thiết bị điện tử trở lên đơn giản và
linh hoạt. Do khơng bị bó buộc bởi vấn đề đi dây dẫn, hệ thống các sensor không
dây cho phép người sử dụng dễ dàng thay đổi sơ đồ bố trí cảm biến sao cho phù hợp
với yêu cầu tại từng thời điểm khác nhau cũng như trong khâu sửa chữa, bảo trì.
Một trong những cơng nghệ được sử dụng hiện nay trên thế trong mạng cảm biến
không dây đó là sử dụng cơng nghệ Bluetooth. Đây là công nghệ do hãng Ericsson

phát triển vào năm 1994 và sau đó được rất nhiều hãng hỗ trợ vào năm 1998 để trở
thành chuẩn Bluetooth (bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Nokia, và Toshiba). Ban đầu
công nghệ Bluetooth được ứng dụng trong các thiết bị đa phương tiện như máy tính,
điện thoại di động, headphone, speaker,... Tuy nhiên hiện nay công nghệ này đã bắt
đầu được tích hợp vào trong các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm để lắp đặt trong các
phương tiện giao thông, tại những nơi mà việc đi dây dẫn là rất khó khăn. Hoặc
trong các thiết bị đo và điều khiển các hệ thống điện, điều hịa khơng khí, đóng mở
cửa sổ tự động khi trời mưa ...trong mơ hình nhà thơng minh (smart home) [1].
Tính cấp thiết của đề tài
Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc áp dụng các công
nghệ truyền tin không dây vào các hệ thống đo cảm biến phân tán là một trong các
hướng phát triển mới khi xây dựng các hệ thống đo lường thông minh. Với công
nghệ không dây, việc lắp đặt các thiết bị đo trở nên đơn giản, việc sửa chữa cũng
thuận lợi hơn. Đặc biệt trong một số ứng dụng giải pháp sử dụng truyền tin không
dây từ đầu đo về bộ điều khiển trung tâm là lựa chọn tối ưu , khi mà việc nối dây trở
nên quá khó khăn, phức tạp : ví dụ trong các xe ơ tơ chở thực phẩm đơng lạnh, thì
việc nối dây từ các thiết bị đo nhiệt độ khơng khí bên trong ngăn lạnh về bộ điều

7


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
khiển trung tâm rất khó khăn. Hay tại các bệnh viện, việc theo dõi tình hình sức
khỏe của các bệnh nhân trong khi họ vẫn có thể di chuyển là vấn đề hết sức khó
khăn nếu sử dụng các thiết bị theo dõi có dây truyền thông tin thông thường. Trong
ngành chế tạo công nghiệp robot, việc nối dây các cảm biến đo tại các bộ phận về
bộ xử lý trung tâm sẽ trở nên phức tạp nếu số lượng cảm biến tăng.
Các công nghệ không dây thông dụng hiện nay chủ yếu là công nghệ truyền tin
IrDA (Infrared Data Association), công nghệ RFID (Radio Frequency
Identification), công nghệ Bluetooth, công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4), công nghệ

Wi-Fi (IEEE 802.11) hay công nghệ UWB (Ultra-Wideband). Trong các ứng dụng
khi khoảng cách truyền tin ngắn và yêu cầu tốc độ truyền tin khơng cao thì cơng
nghệ Bluetooth là một lựa chọn thích hợp, nó cũng được sử dụng và phát triển trong
các hệ thống mạng cảm biến không dây. Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ
này là hướng nghiên cứu ứng dụng có nhiều triển vọng. Vì vậy, em chọn đề tài
“phát triển mạng cảm biến không dây” với mục tiêu thiết kế, chế tạo một mô hình
mạng cảm biến khơng dây sử dụng cơng nghệ Bluetooth.
Luận văn bao gồm hai phần chính:
Phần I: là tồn bộ các nghiên cứu lý thuyết để ứng dụng cho mục tiêu thiết kế của
đề tài. Phần I được gói gọn trong 2 chương.
- Chương I: Mạng cảm biến không dây trình bày một cách chi tiết về các kiến trúc
mạng, cấu tạo phần cứng và các dịch vụ sử dụng trong mạng cảm biến không dây
cũng như những ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- Chương II: Tổng quan về cơng nghệ Bluetooth trình bày về cấu trúc của một hệ
thống Bluetooth, các giao thức của chuẩn Bluetooth và các chế độ hoạt động, chế độ
bảo mật của thiết bị sử dụng công nghệ truyền tin không dây Bluetooth.
Phần II: Thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng cơng nghệ Bluetooth. Phần II
có một chương.
- Chương III: Thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Blueooth
trình bày chi tiết thiết kế một mạng cảm biến khơng dây: kiến trúc, mơ hình, giao
thức của mạng cảm biến khơng dây và q trình định tuyến thơng tin trong mạng.

8


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

PHẦN I
Chương I.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạng cảm biến khơng dây

Chương I trình bày những lý thuyết cơ bản về cấu trúc của mạng cảm biến không
dây: cấu trúc phần cứng, kiến trúc mạng, các dịch vụ, giao thức được sử dụng trong
mạng cảm biến không dây và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Để
có thể thiết kế một mạng cảm biến khơng dây ứng dụng cho một nhiệm vụ cụ thể
trong thực tế, người thiết kế cần phải có những hiểu biết cơ bản về mạng cảm biến
không dây, những yêu cầu thiết kế mạng và những vấn đề cần lưu ý khi thiết kế.
Toàn bộ phần cơ sở lý thuyết về mạng cảm biến khơng dây nhằm mục tiêu trình bày
hai vấn đề lớn hỗ trợ cho người thiết kế trong q trình thiết kế các mạng cảm biến
khơng dây: Những đặc điểm nào của mạng cảm biến không dây là nguyên nhân
khiến cho việc thực hiện các ứng dụng trở nên khó khăn hơn cũng như khác biệt
hơn so với mạng cảm biến thông thường? Vấn đề hạn chế năng lượng sử dụng cũng
là vấn đề được đặt ra. Những dịch vụ nào cần phải sử dụng cho một mạng cảm biến
không dây, nhằm đảm bảo cho mạng luôn hoạt động đạt được những yêu cầu đặt ra
khi thiết kế?
I.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây (Wireless Networks Sensor)
Sự phát triển của internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ kĩ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến mới với giá
thành thấp, khả năng triển khai với quy mơ lớn và độ chính xác cao. Các tiến bộ
trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước, trọng lượng, và
chi phí sản xuất đồng thời tăng khả năng hoạt động và độ chính xác. Trong tương
lai gần, mạng cảm biến khơng dây có thể tích hợp hàng triệu cảm biến và hệ thống
để cải thiện chất lượng.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn khơng chỉ trong khoa học và
nghiên cứu mà quan trong hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng liên
quan đến các cơng trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, vảo vệ mơi trường, năng
lương, an toàn thực phẩm, sản xuất nâng cao chất lượng cuộc sống và kinh tế. Với

9


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
mục tiêu giảm giá thành tăng tính hiệu quả trong cơng nghiệp, thương mại, mạng
cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện dụng và các ứng dụng thiết thực nâng cao
chất lượng cuộc sống cho con người.
I.1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến
Mạng cảm biến (Sensor Network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng
của cảm biến, xử lí thơng tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát,
phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ
thể nào đó.
Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo lên một mạng cảm biến:
- Cảm biến được phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố dải
- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hoặc khơng dây)
- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (clustering)
- Bộ phận xử lý dữ liệu trung tâm
Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý
I.1.2. Mạng cảm biến không dây (WSNs)
Mạng cảm biến không dây (WSNs) là mạng cảm biến trong đó các kết nối
giữa các node cảm biến bằng sóng vơ tuyến
Mạng WSNs (Wireless Sensor Networks) có đặc điểm bị giới hạn công suất.
Thời gian cung cấp năng lượng nguồn( chủ yếu dùng Pin) có thời gian ngắn, chu kì
thực hiện nhiệm vụ ngắn, quan hệ đa điểm – điểm, số lượng lớn các nút (node) cảm
biến.
Do đặc tính của mạng WSN trước dây chủ yếu dùng cho các ứng dụng qn
sự nên địi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSN mở rộng cho các
ứng dụng thương mại việc tiêu chuẩn hóa tạo nên tính thương mại cho WSN (theo
chuẩn IEEE 1451).

Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các nút (node)
xử lí giá thành thấp, có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng
và giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng

10


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
lượng cho các node bị giới hạn.
Mạng WSN được phân ra làm hai loại theo mơ hình kết nối và định tuyến mà
các node sử dụng :
Loại 1 ( C1WSNs) (Category 1 Wireless Sensor Networks) :
Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vơ tuyến

Hình I.1: Dạng 1 WSNs , liên kết multipoint-to-point, multihop dùng định
tuyến động
- Sử dụng giao thức định tuyến động
- Các node tìm đường tốt nhất đi tới đích
- Vai trị của các node sensor này với các node kế tiếp như các trạm lặp (repeater)
- Khoảng cách rất lớn ( hàng ngàn mét)
- Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp
- Mạng phức tạp.
Loại 2 (C2WSNs) (Category 2 Wireless Sensor Networks):

11


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình I.2: Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point, Star định tuyến tĩnh

- Mơ hình đa điểm – điểm hay điểm – điểm, 1 kết nối radio đến node trung tâm
- Sử dụng gia thức định tuyến
- Một node không cung cấp thông tin cho các node khác
- Khoảng cách vài trăm mét
- Các node không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác
- Hệ thống tương đối đơn giản
Tiêu chuẩn tần số được áp dụng cho WSN là IEEE 802.15.4. Hoạt động tại tần
số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học, cung cấp đường truyền dữ liệu lên
tới 250kbps với khoảng cách lên từ 10m đến 100m. Mạng kết nối không dây theo
tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 nhằm bổ sung cho các cơng nghệ khơng dây Bluetooth,
Wifi... nhằm mục đích thương mại.
Sự ra đời của chuẩn IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo hứơng
tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thơng tin qua kênh truyền được tiêu chuẩn
hóa.
Kết luận:

12


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Để tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của WSN trong phạm vi lớn, mạng WSN
có thể dùng một số cơng nghệ đã phát triển thành chuẩn có sẵn như Bluetooth,
Zigbee, WLAN...
I.1.3. Các đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây [7]
1. Mỗi nút cảm biến (sensor node) trong mạng cảm biến không dây hoạt động một
cách độc lập, trao đổi thông tin với nhau và truyền về nút cảm biến gốc trong mạng
bằng tín hiệu sóng vơ tuyến. Thơng thường thì các nút cảm biến trong mạng không
dây sử dụng nguồn năng lượng không tự hồi phục lại được (như pin , ắc qui) do vị
trí đặt nút cảm biến xa các nguồn điện lưới. Các nút cảm biến không dây sử dụng bộ
truyền nhận vô tuyến ở dải tần cỡ MHz-GHz để truyền và nhận thơng tin như:

Zigbee,

Bluetooth,

UWB

(Ultra-wide

band),

RFID

(Radio-frequency

indentification). Mỗi loại tín hiệu vô tuyến tuân theo các chuẩn khác nhau, do đó
mạng cảm biến khơng dây tương ứng cũng có những đặc điểm riêng (về khoảng
cách truyền, năng lượng tiêu thụ, số thiết bị tối đa trong mạng, kiến trúc mạng, giá
thành, độ tin cậy…). Việc nút cảm biến lựa chọn bộ truyền nhận theo chuẩn truyền
không dây nào tuỳ thuộc vào từng ứng dụng và mục đích thiết kế mạng cụ thể.
2. Các nút cảm biến khơng dây có thể được triển khai và phân bố một cách dày đặc
trong khu vực mà chúng ta quan tâm. Sự phân bố dày đặc này không những không
gây ra nhiễu (do tương tác của các sóng vơ tuyến gần nhau) mà cịn có tác dụng
tăng độ tin cậy của thơng tin đo, giúp các nút cảm biến trong mạng có thể thiết lập
đường truyền trao đổi thông tin với nhau một cách ngắn nhất, nhờ đó tăng thời gian
và độ chính xác cho thông tin truyền về nút cảm biến chủ.
3. Việc phân bố dày đặc một số lượng lớn các nút cảm biến không dây trong cùng
một khu vực giúp tăng khả năng tránh lỗi ở mức cao hơn. Khi các nút cảm biến đặt
ở ngay gần sát nhau, sẽ cùng có cảm nhận về các sự kiện xảy ra tại khu vực quan sát
mà không hề bị ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu vì lý do nào đó, một trong số các nút cảm
biến gặp sự cố, bị hư hỏng hoặc đo khơng chính xác thì căn cứ vào thơng tin nhận

được của các nút cảm biến lân cận, trạm chủ vẫn thu được các thơng tin chính xác

13


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
để đưa ra các nhận xét và phán đốn hợp lý, ngồi ra cịn có thể phát hiện được nút
cảm biến hư hỏng trong mạng để thay thế, sửa chữa.
4. Mạng cảm biến không dây cho phép chúng ta có thể quan sát, đo đạc thông số
trong một khu vực lớn bằng cách kết hợp lại từ các khu vực nhỏ (hình I.3 là ví dụ
đơn giản ghép 2 WSN lại với nhau [6]). Chú ý rằng việc liên kết các WSN với nhau
có thể sử dụng các mơ hình mạng và cơng nghệ truyền khác nhau điều này tuỳ
thuộc vào ứng dụng và đặc trưng của khu vực mà chúng ta cần quan sát.

Hình I.3 Liên kết giữa các WSN thông qua mạng Internet
5. Mạng cảm biến khơng dây có thể giám sát, thu thập được cả ở những khu vực có
địa hình khó khăn hay thậm chí là ở những khu vực nhiều đồi núi, đường hầm, có
nhiều lỗ, các vật chắn.
6. Mạng cảm biến khơng dây có thể thay đổi kiến trúc (topology) mạng thường
xuyên. Đặc tính này giúp cho mạng dễ dàng khắc phục các sự cố như: lỗi phần
cứng, hết pin của các nút cảm biến, sự giao thoa của các sóng radio với nhau trong
khơng gian gây ra gián đoạn sóng, các nhân tố mơi trường hay việc thêm vào, bớt ra
các nút cảm biến trong mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động. Trên thực tế, việc
một hệ thống có thể tự tránh lỗi, tự cấu hình lại hệ thống, tự cấu hình lại kiến trúc
mạng giống như mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển và tỏ ra có ưu
thế trong nhiều ứng dụng, nó giúp cho các ứng dụng mềm dẻo hơn.
7. Do mục tiêu tiêu thụ nguồn năng lượng thấp nên các nút cảm biến trong WSN
được thiết kế có 2 chế độ hoạt động: chế độ tích cực (tiêu thụ năng lượng lớn nhất)

14

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
và chế độ nghỉ (tiết kiệm năng lượng). Thông thường các nút cảm biến đều hoạt
động ở chế độ nghỉ, chỉ khi nào có sự kiện xảy ra (sự kiện xảy ra có thể là sự thay
đổi thông số của môi trường tác động trực tiếp hoặc lệnh yêu cầu hoạt động), nút
cảm biến mới chuyển sang trạng thái hoạt động tích cực. Khi đã thực hiện xong
nhiệm vụ yêu cầu, nút cảm biến lại chuyển về trạng thái nghỉ. Điều này giúp tiết
kiệm đáng kể năng lượng vì ở trạng thái nghỉ, các thiết bị tiêu thụ rất ít năng lượng.
Xem minh họa hình I.4 [7]

Hình I.4 Kiến trúc một WSN có các nút cảm biến ở hai chế độ hoạt động
Kết luận:
Với toàn bộ các đặc trưng cơ bản nói trên, WSN được áp dụng trong các thiết kế
cho rất nhiều ứng dụng thực tế về quân sự, công nghiệp và dân dụng. Đặc biệt là tại
các mơi trường nguy hiểm, địa hình phức tạp, khó khăn. Để có thể thiết kế chi tiết
một WSN cho các ứng dụng cụ thể, chúng ta cần phải có những hiểu biết cơ bản về
cấu trúc phần cứng cũng như các đặc điểm, các giao thức phần mềm nói chung cho
một mạng cảm biến khơng dây để thực hiện tốt mục tiêu thiết kế.
Khi nghiên cứu về WSN, người ta thường quan tâm tới hai vấn đề chính sau: Những
đặc trưng nào của cảm biến khơng dây là nguyên nhân khiến cho việc thực hiện các

15


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
ứng dụng trở nên khó khăn hơn cũng như khác biệt hơn so với cảm biến thông
thường? Một trong những vấn đề được đặt ra là hạn chế năng lượng sử dụng cho
mỗi nút cảm biến khơng dây hoạt động trong mạng (sẽ được trình bày chi tiết trong
phần I.2.2), tuy nhiên nảy sinh cùng với vấn đề này đó là việc có nên hạn chế bộ

nhớ hay bộ xử lý của nút cảm biến trong ứng dụng hay khơng? Bởi vì điều này
đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng tới khả năng phát triển, mở rộng ứng
dụng. Những dịch vụ nào cần phải sử dụng cho một mạng cảm biến không dây,
nhằm đảm bảo cho mạng luôn hoạt động đạt được những yêu cầu đặt ra từ đầu?
Một số các dịch vụ thông thường hay sử dụng trong mạng cảm biến không dây như:
đồng bộ thời gian và sự xác định vị trí (sẽ được thảo luận trong phần I.4). Ngồi ra,
cịn có các dịch vụ cần thiết khác để hỗ trợ cho yêu cầu cơ sở dữ liệu như sự định
tuyến thơng tin (message routing), quản lý các cấu hình liên kểt mạng (topology
management), sự tổng hợp và lưu trữ dữ liệu.
I.1.4. Những yêu cầu đối với một mạng cảm biến không dây
Việc hạn chế nguồn năng lượng sử dụng ở WSN khiến cho người thiết kế cần phải
chú ý và phát triển các đặc tính như mật độ phân bố nút cảm biến cao, có khả năng
tránh lỗi (fault-tolerent), hiệu suất năng lượng sử dụng cao trong một bộ nhớ nhỏ.
Đối với các mạng cảm biến không dây, yêu cầu bắt buộc là việc quản lý và giám sát
năng lượng hoạt động của thiết bị một cách linh hoạt để cho thiết bị có thời gian
sống lâu. Đây cũng là yêu cầu chủ yếu nhất hiện nay đối với bất kỳ một mạng cảm
biến không dây nào.
Hầu hết các hệ thống WSN được thiết kế cần phải đảm bảo các u cầu đặc tính
sau:
• Kiểu dịch vụ (Type of service)
• Chất lượng dịch vụ (Quality of service)
• Khả năng tránh lỗi (Fault tolerance)
• Tuổi thọ (Lifetime)
• Tính thương mại hố (Scalability)

16


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Mật độ phân bố các nút cảm biến lớn trong một phạm vi.

• Có thể lập trình được
• Có khả năng phục hồi lại
I.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Về cấu trúc phần cứng, một WSN được cấu tạo từ các nút cảm biến và phân bố theo
kiến trúc phù hợp với ứng dụng thiết kế. Thực chất, một nút cảm biến chính là một
thiết bị đo nhưng có kết hợp thêm bộ truyền-nhận bằng sóng radio để truyền thơng
tin khơng dây.
Với mục tiêu là nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ di chuyển và lắp đặt. Khi thiết
kế các nút cảm biến ngồi việc chọn lựa đầu đo cảm biến có độ nhạy và độ chính
xác cao, người kỹ sư thiết kế cần phải thiết kế một thiết bị đo với các lựa chọn giải
pháp về phần cứng cũng như phần mềm đảm bảo các yêu cầu: sai số thiết bị đo nhỏ,
độ chính xác cao, thời gian xử lý, thời gian đáp ứng nhỏ, tuân theo các giao thức
truyền tin xác định.
I.2.1. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến
Một nút cảm biến không dây bao gồm 5 khối chức năng cơ bản (xem hình I.5): khối
nguồn cung cấp, khối đầu đo cảm biến/cơ cấu chấp hành, khối điều khiển (khối xử
lý uC/uP), bộ nhớ và khối truyền thông.
Khối nguồn cung cấp: do đặc trưng của nút cảm biến là làm việc độc lập, dễ di
chuyển, có thể được gắn ở những vị trí, mơi trường làm việc nguy hiểm hay xa
trung tâm, vì vậy nguồn sử dụng cho nút cảm biến thường là loại nguồn như pin
lithium, ắcqui hoặc pin sử dụng năng lượng mặt trời (solar battery).

17


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình I.5 Cấu trúc của một nút cảm biến
Khối đầu đo cảm biến: được lựa chọn tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng của nút
cảm biến như: cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, nồng độ khí CO2,

O2. Các đầu đo cảm biến này có chức năng chuyển đổi đại lượng cần đo thành các
tín hiệu điện như điện trở, điện áp hoặc dịng điện, từ đó đi vào khối mạch chuẩn
hóa và đo để đo lường và tính tốn, lưu trữ, hiển thị, truyền tin.
Khối xử lý và bộ nhớ: tín hiệu ra khỏi khối đầu đo cảm biến sẽ được đo, tính tốn,
lưu trữ (nhờ khối bộ nhớ) và truyền đi nhờ khối xử lý. Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý
tất cả các sự kiện xảy ra đối với nút cảm biến và có ảnh hưởng lớn tới chất lượng,
độ chính xác của thiết bị đo. Thơng thường lựa chọn linh kiện các khối xử lý là các
vi điều khiển (MCU) hoặc vi xử lý (uP), hay bộ xử lý tín hiệu số (DSP) có tích hợp
ln khối bộ nhớ chưong trình và dữ liệu như ROM, RAM, EFROM, có cơng suất
tiêu thụ thấp. Đặc biệt, với các nút cảm biến đóng vai trị chủ (Master) trong mạng,
sẽ có yêu cầu lớn về tốc độ hoạt động xử lý, điều khiển cũng như bộ nhớ chưong
trình và bộ nhớ dữ liệu, việc chọn lựa một bộ vi xử lý phù hợp là rất quan trọng.
Một số loại vi điều khiển đã được sử dụng trong thiết kế những nút cảm biến theo
nguyên mẫu (prototype) của WSN như: bộ xử lý Texas Instrument MSP 430, Intel
Strong ARM hay Atmel ATmega128L…
Đi kèm với các dịng xử lý nói trên là các hệ điều hành thích hợp trong việc thiết kế
các hệ nhúng cỡ nhỏ, khơng địi hỏi q nhiều tài ngun như TinyOS và ngơn ngữ
lập trình NesC hỗ trợ cho quá trình thiết kế WSN.

18


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Khối truyền thông: làm nhiệm vụ truyền-nhận dữ liệu giữa các nút cảm biến với
nhau trong mạng cảm biến.
Nếu mạng cảm biến sử dụng truyền thơng bằng dây nối thì các chuẩn truyền thơng
cấp trường như LIN, CAN, Profibus thường là giải pháp thích hợp được chọn lựa,
khi đó các khối truyền thơng và giao thức truyền được tích hợp ngay trên chính các
bộ vi xử lý của mỗi nút cảm biến.
Nếu mạng cảm biến sử dụng truyền thông không dây (mạng cảm biến không dây),

một số giải pháp truyền thông tin không dây như: sử dụng sóng vơ tuyến (Radio
frequency), truyền thơng quang học, sóng siêu âm. Ngồi ra cịn có phương pháp sử
dụng độ tự cảm điện từ, phương pháp này thường được sử dụng trong những trường
hợp đặc biệt. Trong các giải pháp đã đưa ra ở trên, việc truyền thông tin sử dụng kỹ
thuật sóng vơ tuyến là giải pháp tốt và phù hợp nhất với hầu hết các ứng dụng của
WSN vì các lý do sau: phạm vi truyền và tốc độ truyền dữ liệu cao, ở mức tiêu thụ
năng lượng hợp lý thì tỉ lệ sai lệch thơng tin truyền/nhận là chấp nhận được, không
yêu cầu đường truyền thẳng của anten giữa thiết bị gửi và các thiết bị nhận dữ liệu.
Đối với hệ thống truyền không dây sử dụng sóng radio để mã hố thơng tin và
truyền đi thì việc chọn lựa tần số sóng mang là vấn đề rất quan trọng [3] [6], hiện
nay trong hầu hết các WSN tần số sóng mang thường sử dụng là khoảng từ MHz
(trong một số trườn hợp) và GHz (với hầu hết ứng dụng).
Trong thực tế, khi một nút cảm biến sử dụng kỹ thụât truyền tin không dây, nút cảm
biến cần phải có một bộ truyền tín hiệu khơng dây (transmitter) làm nhiệm vụ điều
chế tín hiệu vào sóng mang để truyền đi và một bộ nhận tín hiệu (receiver) làm
nhiệm vụ giải mã tín hiệu từ sóng mang nhận được thành tín hiệu số (dạng nhị
phân) để đi vào bộ xử lý tính tốn. Thơng thường, hai khối điều chế và giải điều chế
nói trên được chế tạo và ghép chung lại trên một module độc lập, module này được
gọi là bộ truyền-nhận (transceiver), bộ truyền-nhận này hoạt động theo chế độ bán
song cơng (half-duplex), tức là có hai bộ đệm và tín hiệu điều khiển riêng biệt cho
khối truyền và nhận tuy nhiên hai khối này không thể cùng hoạt động ở một thời

19


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
điểm. Năng lượng tiêu thụ (đặc biệt là năng lượng truyền sóng) có thể được giảm
đáng kể nếu bộ truyền-nhận được điều khiển để hoạt động một cách hợp lý.
Ngày nay, những bộ truyền-nhận giá thành rẻ đã được sử dụng và thương mại hố,
nó được dùng để kết hợp vào tất cả các mạch điện cho mục đích truyền, nhận, mã

hố, giải mã, trộn hoặc cộng tín hiệu. Để sử dụng bộ truyền-nhận một cách hiệu quả
người thiết kế cần phải tìm hiểu rõ các đặc tính kỹ thuật của một bộ truyền-nhận.
Hình vẽ I.6 mơ tả cấu trúc chung của một bộ truyền-nhận:

Hình I.6 Cấu trúc chung của bộ truyền-nhận (transceiver)
Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ các nút cảm biến không dây. Việc các
nút liên kết với nhau theo kiến trúc mạng nào, q trình chuyển tiếp thơng tin trong
mạng ra sao đều phải được người thiết kế mạng thiết kế và thực hiện dựa trên các cơ
sở lý thuyết chung về kiến trúc mạng và các giao thức, đồng thời cịn tuỳ thuộc vào
cơng nghệ sóng vơ tuyến được chọn lựa để xây dựng WSN.
I.2.2. Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây
Việc đảm bảo cho các nút cảm biến trong WSN tiêu thụ năng lượng thấp là một
trong những mục tiêu chính khi thiết kế một WSN. Khi thiết kế WSN, để đánh giá
một cách chính xác về năng lượng tiêu thụ trong mạng, chúng ta cần phải hiểu rõ về

20


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
các vấn đề tiêu thụ năng lượng của từng phần tử trong mạng. Về cơ bản, năng lượng
tiêu thụ của một nút cảm biến bao gồm hai phần:
• Năng lượng tiêu thụ của mỗi linh kiện cấu tạo nên nút cảm biến.
• Năng lượng truyền sóng khi các nút cảm biến trong mạng trao đổi thông tin
với nhau (năng lượng cung cấp cho các bộ khuếch đại cơng suất phía trước
ăng ten trong bộ truyền nhận sử dụng sóng vơ tuyến).
Do đó, để giảm năng lượng cho WSN, chúng ta có thể tiến hành giảm năng lượng
trên cả hai phần nói trên. Giảm năng lượng bằng cách chọn lựa các thành phần phần
cứng tiêu thụ ít năng lượng, hay giảm năng lượng bằng phần mềm: thực hiện việc
điều khiển các nút cảm biến có chế độ nghỉ và hoạt động phù hợp với yêu cầu trong
mạng. Cụ thể là các nút cảm biến luôn ở chế độ nghỉ và chỉ hoạt động khi có yêu

cầu làm việc. Bởi vì trên một nút cảm biến, năng lượng sử dụng để truyền đi 1 byte
dữ liệu thông qua bộ truyền nhận sóng vơ tuyến thường lớn hơn năng lượng tiêu thụ
khi thiết bị hoạt động đọc, lưu trữ, xử lý 1 byte dữ liệu. Để thực hiện được những
vấn đề nói trên, người thiết kế phải nắm rõ các cơ chế tiêu thụ năng lượng của các
thiết bị trong mạng. Cụ thế là vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến [6].

I.2.2.1. Việc tiêu thụ năng lượng ở các trạng thái hoạt động khác nhau
Một nút cảm biến có 3 chế độ hoạt động:
• Chế độ hoạt động tích cực (Active mode)
• Chế độ ngủ (Sleep mode)
• Chế độ nghỉ (Idle)
Ở chế độ hoạt tích cực, các nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ như đo lường, phát
hiện sự kiện, truyền thông tin đi hay nhận thông tin về với các thiết bị khác trong
mạng. Ở chế độ này, khối xử lý (MCU) của nút cảm biến luôn luôn hoạt động và
gần như tất cả các khối còn lại cũng đều hoạt động: bộ truyền nhận sóng radio, bộ
nhớ.
Chế độ ngủ: là chế độ mà tại khoảng thời gian ấy nút cảm biến chưa phải thực hiện
một nhiệm vụ cảm biến hay truyền thông nào, tuy nhiên nút cảm biến vẫn tham gia

21


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
hoạt động trong mạng, và sau một thời gian nghỉ t nhất định, nút sẽ hoạt động trở
lại. Ở chế độ này, khối xử lý MCU của nút cảm biến luôn ở trạng thái ngủ. Các khối
cịn lại có thể nghỉ hoặc ngủ. Thực tế việc chuyển giữa các trạng thái với nhau rất
phức tạp bởi vì cịn phải tính đến thời gian và năng lượng sử dụng để thực hiện việc
chuyển trạng thái. Cụ thể như sau:
Ký hiệu công suất tiêu thụ khi nút cảm biến hoạt động tích cực là Pactive
Ký hiệu cơng suất tiêu thụ khi nút cảm biến ở trạng thái ngủ là Psleep

Xét một nút cảm biến đang hoạt động tích cực. Tại thời điểm t1 là thời điểm đưa ra
quyết định: nút cảm biến vẫn hoạt động tích cực hay chuyển sang trạng thái ngủ để
giảm công suất tiêu thụ từ Pactive xuống Psleep :
- Trường hợp 1: nếu nút cảm biến đưa ra quyết định duy trì trạng thái hoạt động tích
cực và trạng thái ấy kéo dài đến thời điểm tevent thì tồn bộ năng lượng tiêu thụ trong
trường hợp không sử dụng trạng thái nghỉ được tính bằng Eactive = Pactive * (tevent − t1 ) .
- Trường hợp 2: nếu nút cảm biến đưa ra quyết định rơi vào trạng thái ngủ và phải
mất một khoảng thời gian  down thì nó mới chuyển hồn tồn từ trạng thái Pactive
xuống Psleep (xem hình I.7).
Giả sử như cơng suất tiêu thụ trung bình trong khoảng thời gian  down này là
( Pactive + Psleep )/2. Nó ở trạng thái Psleep cho đến thời điểm tevent. Công suất tiêu thụ
trong toàn bộ trường hợp này là:

 down * (Pactive + Psleep ) / 2 + (tevent − t1 − down ) * Psleep
Năng lượng tiết kiệm so với trường hợp (tevent − t1 ) * Pactive là :
Esaved = (tevent − t1 ) * Pactive − ( down * (Pactive + Psleep ) / 2 + (tevent − t1 − down ) * Psleep )

22


Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Hình I.7 Quá trình chuyển trạng thái hoạt động của nút cảm biến
Tuy nhiên còn có thêm trạng thái tăng thêm (overhead) xuất hiện để thực hiện quá
trình quay trở lại trạng thái ban đầu Pactive .
Eoverhead =  up * (Pactive + Psleep ) / 2

Do đó rõ ràng việc chuyện đổi giữa các trạng thái ngủ chỉ được lợi nếu
Eoverhead  Esaved hoặc tương đương với công thức sau:


Pactive + Psleep
1 
(tevent − t1 )  *  down +
* up 

2 
Pactive − Psleep


(1.1)

I.2.2.2. Việc tiêu thụ năng lượng của khối điều khiển
Phần này trình bày minh họa cơng suất tiêu thụ của các bộ điều khiển đã được thiết
kế sử dụng trong các WSN trên thực tế.
Intel StrongARM
Intel StrongARM cung cấp ba chế độ ngủ:
+ Ở chế độ bình thường (normal mode): tất cả các phần của vi xử lí hoạt động với
công suất tối đa. Công suất tiêu thụ lên đến 400mW.
+ Ở chế độ nghỉ (idle mode): khơng có xung nhịp đến CPU. Xung nhịp đến các
ngoại vi vẫn hoạt động. Bất kì một một ngắt nào từ ngoại vi cũng sẽ làm cho CPU
trở về trạng thái hoạt động bình thường (normal mode). Cơng suất tiêu thụ lên đến
100mW.

23