Nghiên cứu mạng cảm biến không dây và các thuật toán tìm đường

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

ĐỖ VÂN NAM

ĐỖ VÂN NAM

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU
KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ CÁC
THUẬT TỐN TÌM ĐƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ 2014-2016

Hà Nội – Năm 2016


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

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ CÁC THUẬT TỐN
TÌM ĐƯỜNG

Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. ĐÀO TRUNG KIÊN
2. PGS.TS. NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Đỗ Vân Nam, học viên lớp Cao học 2014B ĐKTĐH.VT. Sau gần
hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô trường Bách Khoa
Hà Nội và đặc biệt là sự giúp đỡ của TS. Đào Trung Kiên, PGS. TS. Nguyễn Thị Lan
Hương, giáo viên hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, tơi đã đi đến cuối chặng đường để kết
thúc khóa học.
Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu mạng cảm biến khơng
dây và các thuật tốn tìm đường”. Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của
cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Trung Kiên, PGS. TS. Nguyễn Thị Lan
Hương và chỉ tham khảo các tài liệu đã liệt kê. Tôi không sao chép cơng trình của các
cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào. Nếu có tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan

ĐỖ VÂN NAM

1


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin cám ơn TS. Đào Trung Kiên, PGS. TS. Nguyễn Thị Lan
Hương, giáo viên hướng dẫn khoa học của tôi về sự định hướng đề tài, sự hướng dẫn
của cô và thầy trong việc tiếp cận và khai thác các tài liệu tham khảo cũng như các
chỉ bảo trong q trình tơi viết luận văn.
Tơi xin cám ơn Ban Lãnh Đạo của xí nghiệp liên doanh Việt Nga,
Vietsovpetro, Ban công tác lặn và kỹ thuật ngầm là nơi tôi đã công tác đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tôi về mặt thời gian cũng như thiết bị trong q trình hồn thành
luận văn báo cáo này.
Cuối cùng tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn đối với gia đình, các thầy cơ giáo, các
bạn lớp cao học 2014B ĐKTĐH.VT và các bạn đồng nghiệp đã ủng hộ và động viên
tơi trong suốt q trình làm luận văn này.

Tác giả

ĐỖ VÂN NAM

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ....................................................................... 5
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... 7
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................................... 8
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 10
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 10
2. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 11
3. Mục tiêu của đề tài ......................................................................................... 11

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................. 12
1. Mạng cảm biến không dây ............................................................................. 12
1.1 Khái niệm .............................................................................................. 12
1.2 Cấu trúc ................................................................................................. 13
1.3 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................... 15
2. Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ không dây WiFi ..................... 17
2.1 Các hệ thống định vị .............................................................................. 17
2.2 Giải pháp định vị dựa trên sóng vơ tuyến WiFi .................................... 18
a) Các phương pháp dựa trên tính tốn hình học ................................ 20
b) Phương pháp dựa trên dấu vân tay.................................................. 20
3. Các phương pháp tìm đường và dẫn đường ................................................... 21
3.1 Thuật tốn Dijkstra ................................................................................ 22
3.2 Giải thuật A* ......................................................................................... 24
3.3 Thuật toán tìm điểm nhảy (jump point search - JPS) ............................ 25
3.4 Giải thuật HPA* ....................................................................................... 26
3.5 Giải thuật giản đồ nhìn thấy được (visibility graph - VG) .................... 28
3.6 Giải thuật giản đồ nhìn thấy được tối ưu (visibility graph optimized - VGO)
............................................................................................................... 28
3.7 Thuật toán BSP* .................................................................................... 29

3


CHƯƠNG 2 : XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP THÔNG TIN CƯỜNG
ĐỘ TÍN HIỆU KHƠNG DÂY.................................................................................. 31
1. Kiến trúc hệ thống .......................................................................................... 31
2. Server ............................................................................................................. 33
1.1 Webserver .............................................................................................. 33
1.2 Máy chủ cơ sở dữ liệu (database server) ............................................... 35
3. Client .............................................................................................................. 36

2.1 Thu thập dữ liệu WiFi trên thiết bị di động chạy hệ điều hành
Android .................................................................................................. 36
2.2 Thu thập trên Windows ......................................................................... 40
CHƯƠNG 3

: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐỊNH VỊ ...................................... 43

1. Mơ hình suy hao tín hiệu sóng WiFi .............................................................. 43
2. Mơ hình phân bố xác suất .............................................................................. 44
3. Thuật toán định vị người dung ....................................................................... 46
4. Ước lượng các tham số................................................................................... 48
5. Giảm độ phức tạp của thuật tốn.................................................................... 51
CHƯƠNG 4

: TÌM ĐƯỜNG VÀ DẪN ĐƯỜNG ............................................... 53

1. Xây dựng bản đồ số theo dõi vị trí đối tượng ................................................ 53
2. Xây dựng thuật tốn tìm đường ..................................................................... 55
3. Phép cộng trừ đa giác ..................................................................................... 56
4. Xây dựng đồ thị trực quan.............................................................................. 58
5. Thực hiện thuật toán tìm đường ..................................................................... 59
CHƯƠNG 5

: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................... 62

1. Kết quả định vị ............................................................................................... 63
1.1 Cài đặt .................................................................................................... 63
1.2 Kết quả định vị ...................................................................................... 64
2. Kết quả tìm đường .......................................................................................... 66
2.1 Cài đặt .................................................................................................... 66

2.2 Kết quả tìm đường ................................................................................. 67
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 72

4


DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1-1 Mạng cảm biến khơng dây ......................................................................... 12
Hình 1-2 Cấu trúc mạng cảm biến một cửa thốt và nhiều cửa thốt ....................... 14
Hình 1-3 Cấu trúc phần cứng nút mạng cảm biến .................................................... 15
Hình 1-4 Giải pháp định vị dựa trên sóng WiFi ....................................................... 19
Hình 1-5 Mơ hình định vị dựa trên cường độ sóng WiFi ......................................... 19
Hình 1-6 Bước 1 thuật tốn Dijkstra ......................................................................... 23
Hình 1-7 Bước 2 thuật tốn Dijkstra ......................................................................... 23
Hình 1-8 Bước 3 thuật tốn Dijkstra ......................................................................... 24
Hình 1-9 Mơ tả so sánh thuật tốn Dijkstra và thuật tốn A*................................... 25
Hình 1-10 Biểu diễn trên mạng lưới tọa độ .............................................................. 25
Hình 1-11 Thuật tốn tìm điểm nhảy JPS ................................................................. 26
Hình 1-12 Giải thuật HPA*....................................................................................... 27
Hình 1-13 Tìm đường đi theo thuật tốn HPA* ....................................................... 27
Hình 1-14 Mơ tả thuật tốn VG ................................................................................ 28
Hình 1-15 Tìm đường đi trong thuật tốn VG .......................................................... 28
Hình 1-16 Thuật tốn VGO....................................................................................... 29
Hình 1-17 Thuật tốn BSP* ...................................................................................... 29
Hình 2-1 Hệ thống thu thập thơng tin RSSI và tìm đường ....................................... 31
Hình 2-2 Module thu thập thơng tin cường độ tín hiệu WiFi ................................... 32
Hình 2-3 Định dạng gói tin từ phía client ................................................................. 34
Hình 2-4 Các bảng thơng tin về cường độ sóng WiFi .............................................. 34
Hình 2-5 Ba thành phần của bộ cơng cụ mơ hình hóa mơi trường ........................... 35

Hình 2-6 Tổng quan về bộ công cụ xây dựng bản đồ số .......................................... 36
Hình 2-7 Cấu trúc chương trình ................................................................................ 37
Hình 2-8 Giao diện chạy chương trình WifiManager ............................................... 39
Hình 2-9 Giao diện setting của chương trình ............................................................ 40
Hình 2-10 Kết quả thu tín hiệu WiFi ........................................................................ 42
Hình 3-1 Suy hao tín hiệu WiFi qua tường/sàn nhà.................................................. 44
Hình 3-2 Phân bố Gauss ............................................................................................ 44

5


Hình 3-3 Mơ hình xác suất ........................................................................................ 45
Hình 3-4 Lưu đồ thuật tốn định vị người dùng ....................................................... 46
Hình 3-5 Chia lưới khơng gian trong mơi trường ..................................................... 47
Hình 3-6 Tối ưu hóa các tham số hệ thống sử dụng giải thuật GA .......................... 49
Hình 3-7 Mơ hình lan truyền lý tưởng ...................................................................... 50
Hình 3-8 Mơ hình lan truyền xác suất....................................................................... 50
Hình 4-1 Giai đoạn 1: Số hóa bản đồ ........................................................................ 53
Hình 4-2 Giai đoạn 2: Chuyển đổi và áp dụng số hóa bản đồ .................................. 54
Hình 4-3 Bản đồ số tại khu thử nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Đình Chiểu ..... 55
Hình 4-4 Lưu đồ thuật tốn tìm đường đi ngắn nhất ................................................ 55
Hình 4-5 Sơ đồ mặt bằng khơng gian ....................................................................... 57
Hình 4-6 Bản đồ vùng di chuyển được ..................................................................... 58
Hình 4-7 Đồ thị trực quan ......................................................................................... 59
Hình 4-8 Thực hiện thuật tốn tìm đường ngắn nhất ................................................ 60
Hình 4-9 Kết quả tìm đường ngắn nhất..................................................................... 61
Hình 5-1 Sơ đồ mặt bằng trường............................................................................... 62
Hình 5-2 Các kết quả thử nghiệm độ chính xác của mơ đun định vị trong trường hợp
sử dụng phương thức định vị bằng WiFi không xét đến ràng buộc của môi trường:
(a) Sơ đồ mặt bằng với groundtruth; (b) Sai số biểu diễn trên mặt phẳng xOy, (c) Sự

phân bố của sai số theo độ tin cậy ............................................................................. 65
Hình 5-3 Các kết quả thử nghiệm độ chính xác của mơ đun định vị trong trường hợp
sử dụng phương thức định vị bằng WiFi có xét đến ràng buộc của môi trường: (a) Sơ
đồ mặt bằng với groundtruth; (b) Sai số biểu diễn trên mặt phẳng xOy, (c) Sự phân
bố của sai số theo độ tin cậy...................................................................................... 66
Hình 5-4 Kết quả thử nghiệm tìm đường đi từ điểm 1 đến điểm 5 và ngược lại ...... 68
Hình 5-5 Kết quả thử nghiệm tìm đường đi từ điểm 2 đến điểm 5 và ngược lại ...... 68
Hình 5-6 Kết quả thử nghiệm tìm đường đi từ điểm 3 đến điểm 5 và ngược lại ...... 69
Hình 5-7 Kết quả thử nghiệm tìm đường đi từ điểm 4 đến điểm 5 và ngược lại ...... 69
Hình 5-8 Kết quả thử nghiệm tìm đường đi từ điểm 1 đến điểm 4 và ngược lại ...... 70

6


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây ........................................... 16
Bảng 1-2 So sánh các hệ thống định vị ..................................................................... 18
Bảng 5-1 Bảng tọa độ các điểm đích được sử dụng trong các thử nghiệm tìm
đường......................................................................................................................... 67

7


DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tên thuật ngữ

(n/a)

Cellular-based positioning system

(n/a)

Infrared and ultrasound system

AP

Nghĩa tiếng Việt
Hệ thống định vị dựa trên mạng di
động
Hệ thống định vị dựa trên hồng
ngoại và âm thanh

Access point

Điểm truy cập mạng WiFi

AoA

Angle of arrival

Góc tới của tín hiệu

API

Application Programming
Interface

Thư viện lập trình ứng dụng

BSP

Binary space partitioning

Phân chia không gian nhị phân

GPS

Global positioning system

Hệ thống định vị tồn cầu

HPA

Hierarchical path-finding A*

Thuật tốn tìm đường phân cấp A*

HTTP

Hypertext transfer protocol

Giao thức đánh dấu siêu văn bản

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện nghiên cứu điện và điện tử

IoT

Internet of things

Internet của vạn vật

JPS

Jump point search

Tìm điểm nhảy

MAC

Media access control

Địa chỉ MAC phần cứng

RFID

Radio frequency identification tag

Nhãn nhận dạng sử dụng tần số
radio

RSSI
ToA
TDoA

VG

Received signal strength
indication

Cường độ tín hiệu sóng vô tuyến
tại nơi thu

Time of arrival

Độ trễ thời gian truyền

Time difference of arrival

Sai khác thời gian truyền

Visibility graph

Giản đồ đường nhìn thấy

8


VGO

Visibility graph optimized

Giản đồ đường nhìn thấy tối ưu

WSN

Wireless sensor network

Mạng cảm biến không dây

XML

Extensible Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

9


LỜI NÓI ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Tương lai của thế hệ Internet ngày nay được định nghĩa bằng thuật ngữ “Internet

of things” (IoT), là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng
như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Vì được xác định
bằng một địa chỉ độc nhất, mà bất kỳ vật thể nào, như là máy tính, cảm biến, các nhãn
RFID (Radio frequency identification tag - Nhãn nhận dạng sử dụng tần số radio),
hoặc điện thoại di động sẽ chủ động kết nối vào mạng chung và thu thập dữ liệu về
ngữ cảnh xung quanh cũng như thông tin môi trường.
Việt Nam trong tháng 6-2015 đã triển khai mơ hình ứng dụng cơng nghệ cao
trên nền tảng IoT cho sản xuất ni tơm ở thơn Hồ Hiệp (Long Hồ, Cần Giờ,
TP.HCM). Mơ hình IoT trên đã hoàn thiện phần cứng và phần mềm cũng như đội
ngũ chuyên gia để vận hành. Sử dụng ba đầu cảm biến (sensor) chức năng: nhiệt độ

nước, đo độ pH và nồng độ oxy trong nước. Những thay đổi của ba giá trị trên được
các sensor ghi nhận, dữ liệu sẽ được truyền về các trạm thơng tin, sau đó bằng kết nối
không dây, chuyển về các server. Thông qua các thiết bị di động hoặc máy tính được
cài đặt phần mềm, người nơng dân có thể điều chỉnh hệ thống sục khí hoạt động hay
ngưng, hoặc trực tiếp đến các vng tơm để theo dõi.
Có thể thấy mạng cảm biến không dây (wireless sensor network – WSN) là một
trong những mơ hình ứng dụng của IoT, WSN đã mở ra những viễn cảnh mới và tiếp
tục có những tác động lớn đến cuộc sống của chúng ta. Ngày nay, cảm biến xuất hiện
ở khắp mọi nơi, các bộ cảm biến trong phương tiện vận chuyển cá nhân, trong các
thiết bị di động thông minh, trong nhà máy để giám sát việc xả thải khí CO2 ra bên
ngồi, và ở trong lịng đất để theo dõi tình trạng thổ nhưỡng. Hơn nữa với sự tiến bộ
của khoa học kỹ thuật và sự hội tụ của các hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi
điện tử, công nghệ nano, giao tiếp khơng dây, giải pháp định tuyến trong mơi trường
sóng vơ tuyến, cơng nghệ mạch tích hợp, vi mạch cảm biến, xử lý và tính tốn tín

10


hiệu… đã tạo ra các thế hệ cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp,
cơng suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi.
2.

Nội dung nghiên cứu
Trong phạm vi của luận văn nghiên cứu này, chúng ta sẽ tập trung vào các

phương pháp định vị đối tượng sử dụng công nghệ không dây WiFi và các giải thuật
tìm đường trong mạng cảm biến không dây. Với xu hướng gắn liền các thiết bị di
động (điện thoại thơng minh, máy tính bảng, máy tính xách tay…) vào cuộc sống sinh
hoạt hàng ngày của người dùng đang trở nên phổ biến, bên cạnh đó ngày càng nhiều
các cơ sở hạ tầng đô thị được trang bị các mạng không dây cục bộ được xem như là

các điểm truy cập access point (AP) cho chi phí thấp và linh hoạt, như vậy giải pháp
định vị bằng cơng nghệ kh ơng dây WiFi có tính ứng dụng thực tế cao. Bên cạnh đó,
các phương pháp định tuyến, quản lý điện năng và tiêu chuẩn phân phối dữ liệu được
thiết kế đặc thù cho WSN vì đặc tính kỹ thuật chuyên biệt của nó. Giao thức định
tuyến trong WSN có thể hồn tồn khác biệt phụ thuộc vào từng ứng dụng và cấu
trúc mạng.
3.

Mục tiêu của đề tài
-

Nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây bao gồm khái niệm, các
cấu trúc căn bản, tiêu chuẩn không dây IEEE 802.15.4 và các ứng dụng.

-

Các phương pháp định vị dựa trên sóng WiFi và thuật tốn tìm đường trong
mơi trường có nhiều vật cản.

-

Nghiên cứu và phát triển hệ thống tìm đường tối ưu dựa trên thơng tin định
vị bằng WiFi, ứng dụng trợ giúp định hướng người khiếm thị trong mơi
trường ít ràng buộc.

11


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY

1.
1.1

Mạng cảm biến không dây
Khái niệm
Mạng cảm biến không dây thường được gọi là mạng cảm biến và các cơ cấu

chấp hành khơng dây (Wireless sensor and actuator networks) có thể được thể hiện
như trên Hình 1-1 [1]. Mạng phân bố các cảm biến độc lập có nhiệm vụ giám sát vật
chất hoặc theo dõi điều kiện môi trường tự nhiên như độ ẩm, âm thanh, áp suất,…
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được
nghiên cứu phát triển và triển khai với nhiều ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự
thay đổi của mơi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận qn sự, phát hiện và do thám
việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đốn sự hỏng hóc của máy
móc, thiết bị, theo dấu và giám sát bệnh nhân cũng như hỗ trợ các bác sĩ quản lý hệ
thống dữ liệu thuốc trong bệnh viện, giám sát và điều khiển hệ thống giao thông, các
phương tiện xe cộ.

Hình 1-1 Mạng cảm biến khơng dây
Mạng cảm biến là cấu trúc, sự kết hợp giữa các nút cảm biến, thực hiện q
trình xử lý thơng tin và các thành phần liên lạc để tạo ra khả năng quan sát, phân tích

12


và phản ứng lại với các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong mơi trường cụ thể nào đó.
Mơi trường có thể là thế giới vật lý hay các hệ thống sinh học.
1.2

Cấu trúc

Dữ liệu được chuyển tiếp từ các nút cảm biến, đi qua nhiều bước truyền khác

nhau, đến nơi tiếp nhận (thường được ký hiệu là bộ điều khiển hay bộ giám sát). Tại
đây có thể sử dụng chúng cục bộ hoặc tiếp tục kết nối đến một liên mạng khác, thơng
qua một nút cửa thốt (sink node) [2]. Các nút trong mạng có thể nằm cố định hoặc
di chuyển, có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến vị trí của nó, theo một cách
đồng nhất. Các kịch bản gần với thực tế hơn bao gồm nhiều cửa thoát trong mạng,
với nhiều mật độ các nút cảm biến hơn, cùng với số lượng lớn các liên kết. Điều này
giúp làm giảm xác suất của các nhóm nhỏ các nút mạng bị cô lập, và không thể chuyển
dữ liệu của chúng vì có thể sẽ gặp phải sự cố khi lan truyền tín hiệu.
Nút mạng cảm biến trong quá trình gửi dữ liệu đến một trong các cửa thoát, phải
xử lý để lựa chọn việc sẽ chuyển tiếp dữ liệu đến cửa thoát tiếp theo, hoặc gửi trực
tiếp đến người dùng cuối. Nhìn từ khía cạnh giao thức, điều đó có nghĩa để thực hiện
lựa chọn đó, cần phải dựa trên những chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp, ví dụ, giảm tối thiểu
độ trễ, tối đa năng suất, ít số lượng bước chuyển nhất. Vì thế, việc hiện hữu của nhiều
cửa thoát sẽ đảm bảo hiệu năng mạng tốt hơn so với trường hợp chỉ có một cửa thoát
(giả thiết cùng một số lượng nút được phân phối trên cùng khu vực), nhưng giao thức
truyền dẫn vô tuyến cần phải phức tạp hơn và nên được thiết kế dựa theo các tiêu chí
phù hợp.
Một nút cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp giữa con chíp cảm biến và bộ
phận xử lý, hay còn gọi là mote [3]. Các nút liên kết với nhau bằng sóng vơ tuyến
(RF connection), trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá
thành thấp, và có số lượng lớn, được phân bố một cách khơng có hệ thống (non –
topology) ngẫu nhiên trên một diện tích rộng (xem Hình 1-2).

13


Hình 1-2 Cấu trúc mạng cảm biến một cửa thốt và nhiều cửa thoát
Về phần cứng của nút cảm biến bao gồm bộ phận cảm biến, acquy (battery) tích

trữ năng lượng duy trì hoạt động cho bộ vi xử lý (microcontroller) và bộ truyền nhận
sóng vơ tuyến (RF transceiver). Cảm biến tạo ra các tín hiệu tương tự (analogue
signals), đưa vào bộ ADC (analogue digital converter) để chuyển đổi sang tín hiệu
số. Bộ vi xử lý thực hiện một chuỗi các thuật toán để xử lý dữ liệu thu được. Tất cả
dữ liệu sẽ được lưu trữ trong bộ vi xử lý và phân bố ra ngoài qua bộ truyền nhận sóng
vơ tuyến tích hợp. Ngồi ra, có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào
từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn
(power generator) và bộ phận di động (mobilizer) [4].
Một mạng bao gồm các vi cảm biến có thể tập hợp và truyền dữ liệu trong vài
năm, điều đó yêu cầu của nút mạng phải hoạt động ở hiệu suất năng lượng tốt nhất.
Các nút mạng cảm biến có lợi thế về chức năng đa dạng, chẳng hạn như có giai đoạn
nghỉ lâu giữa những chu kỳ hoặc thời điểm hoạt động. Hệ thống mạng nhận thức bản
thân nó như là một thực thể đơn, nơi mà các giao thức truyền thông cộng tác hủy bỏ

14


sự thừa thãi trong q trình truyền nhận và tính tốn, và duy trì khoảng trống năng
lượng đó (xem Hình 1-3).

Hình 1-3 Cấu trúc phần cứng nút mạng cảm biến
Việc lưu ý từng chi tiết trong quá trình thiết kế để tiết kiệm năng lượng có thể
giúp hệ thống mạng gồm 100 nút vi cảm biến khơng dây duy trì hoạt động của nó
trong thời gian hoạt động một năm. Giải pháp đưa ra để tiết kiệm năng lượng cho nút
mạng có thể hoạt động vơ hạn, là một loại cảm biến đời mới có thể chuyển đổi hiệu
quả năng lượng mơi trường thành năng lượng điện, có thể tạo ra 10µW điện năng từ
các dao động cơ học, lượng điện năng này đủ để cung cấp cho một bộ xử lý tín hiệu
số cỡ nhỏ [3].
1.3

Các ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây
Tính đa dạng của các ứng dụng của mạng cảm biến khơng dây gần như khơng

có giới hạn, từ việc giám sát mơi trường, chăm sóc sức khỏe, định vị và theo dõi, đến
hậu cần như liệt kê trong Bảng 1-1. Các công nghệ không dây sử dụng phụ thuộc vào
các ứng dụng. Tùy vào yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng, mà người thiết kế lựa chọn
cơng nghệ thỏa mãn u cầu đó. Sự phân loại các ứng dụng dựa vào sự phân bố, tính
di động, tài nguyên, chi phí, năng lượng, tính đồng nhất, phương thức, nền tảng, sơ

15


đồ mạng, vùng hoạt động, tính kết nối, kích cỡ, thời gian sống và chất lượng dịch vụ
[3].
Bảng 1-1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Lĩnh vực

Ứng dụng
Giám sát và điều khiển thiết bị máy móc cơng nghiệp

Cơng nghiệp

Điều khiển quá trình sản xuất của nhà máy và tự động hóa
cơng nghiệp.
Giám sát dây chuyền chế tạo.
Nhận thức tình hình quân sự.
Nhận biết sự xâm nhập, phát hiện sự di chuyển của kẻ thù trên

Quân đội

biển hoặc dưới mặt đất, mối nguy sinh/hóa học, hỗ trợ hậu cần
ở vùng chiến.
Chỉ huy, điều khiển, truyền thông, liên lạc, phân tích tính tốn,
giám sát, thăm dị khảo sát, và hệ thống định mục tiêu.

Địa điểm

Nhận thức vị trí.
Bộ định vị con người.

Mạng di động

Theo dõi tài sản, con người, hoặc mọi thứ có thể di chuyển

tốc độ thấp cho

trong mơi trường khác nhau, bao gồm công nghiệp, bán lẻ,

xác định vị trí

bệnh viện, khu dân cư, và văn phịng. Duy trì tốc độ truyền

chính xác

thơng thấp cho việc giám sát, nhắn tin và điều khiển
Theo dõi và điều khiển thế giới tự nhiên : Phân bố các mạng
cảm biến/ bộ chuyển đổi trong phạm vi rộng của các ứng dụng

Thế giới tự
nhiên

giám sát môi trường và sinh học, từ hàng hải đến đất liền,
quan sát các tác nhân sinh học, môi trường và hệ thống nhân
tạo; Theo dõi môi trường sống của nước và đất sỏi, đánh dấu
các con vật nhỏ trong thiên nhiên hoang dã, đánh dấu các vật
thể nhỏ và nhẹ trong nhà máy hoặc bệnh viện.

16


An tồn cơng
cộng

Cảm biến xác định vị trí tại các khu vực thiên tai.
Giám sát áp suất lốp.

Sản xuất ô tô

Hoạt động di động.
Phối hợp theo dõi phương tiện đi lại.

Sân bay
Nơng nghiệp
Tình trạng khẩn
cấp

Bảng tên và thẻ đánh dấu thông minh.
Thẻ hành lý không dây.
Cảm biến độ ẩm đất, thuốc trừ sâu, hóa chất, độ pH.
Mức độ nguy hiểm của hóa chất và lửa (lĩnh vực dầu khí ).

Phát hiện lửa/nước.
Giám sát khu vực thiên tai.

Thiết bị truyền
động
Địa chấn
Kinh tế thương
mại

Giám sát và bảo trì động cơ điện.
Hệ thống cảnh báo.
Quản lý hàng tồn kho, giám sát chất lượng sản phẩm.
Giám sát vị trí của người bệnh và tình trạng sức khỏe.

Y tế, sức khỏe

Các cảm biến: nhịp tim, huyết áp, nhịp thở, ECG, đo oxy…
Theo dõi quá trình trị bệnh và hỗ trợ bệnh nhân.

Đại dương
2.
2.1

Theo dõi hoạt động sống của quần thể động vật dưới biển.

Các phương pháp định vị sử dụng công nghệ không dây WiFi
Các hệ thống định vị
Thông tin định vị là một thông tin quan trọng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Có thể kể đến như: du lịch, giám sát, theo dõi, các ứng dụng quân sự… Hiện nay có

nhiều hệ thống định vị khác nhau về kiến trúc, cấu hình độ chính xác cũng như sự ổn
định. Hệ thống GPS định vị vệ tinh toàn cầu, hệ thống định vị mạng di động (cellularbased) cho độ chính xác đến 3m như trong Bảng 1-2 [7]. Tuy nhiên GPS hay hệ

17


thống định vị mạng di động thường chỉ sử dụng để xác định vị trí ngồi trời (outdoor
positioning). Vì vậy nhiều kĩ thuật công nghệ và cách tiếp cận khác nhau đã được xây
dựng để khắc phục nhược điểm này, cho phép định vị đối tượng trong nhà (indoor
localization). Các nghiên cứu về giải pháp định vị trong nhà bao gồm: hồng ngoại và
sóng âm thanh (ultrasound and infrared systems)... Tuy nhiên các kĩ thuật này còn bị
giới hạn bởi các yếu tố: độ chính xác, phạm vi bao phủ, độ trễ và giá thành triển khai
cao [8].
Bảng 1-2 So sánh các hệ thống định vị
Hệ thống

Độ chính xác

Chi phí

Độ bao phủ

Tính bảo mật

GPS

50m

Cao

Tồn cầu

Thấp

(ngồi trời)
Mạng di động

100m

Cao

Tồn cầu

Thấp

(ngồi trời)
1m

Trung bình

Trong nhà

Trung bình

Hồng ngoại

1m

Trung bình

Trong nhà

Trung bình

Sóng WiFi

2m

Thấp

Trong nhà

Cao

Sóng âm
thanh

2.2

Giải pháp định vị dựa trên sóng vơ tuyến WiFi
Theo bảng so sánh các cơng nghệ định vị, có thể thấy giải pháp định vị bằng

sóng WiFi cho độ chính xác cao (2m), chi phí triển khai thấp và có khả năng hoạt
động trong nhà (xem Hình 1-4). Giải pháp sử dụng tín hiệu cường độ WiFi để định
vị đang ngày càng trở nên phổ biến vì khơng cần thêm chi phí lắp đặt hệ thống, nâng
cấp hạ tầng, do sử dụng sẵn các bộ truy cập (WiFi access point) sẵn có.
WiFi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng khơng dây
sử dụng sóng vơ tuyến, hiện tại có các tiêu chuẩn 802.11 a/b/g/n. WiFi là kết nối
khơng thể thiếu trên điện thoại, laptop, máy tính bảng và các thiết bị điện tử tiêu dùng
hiện nay. Sóng WiFi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz đến 5GHz. Kết nối WiFi

có một đặc tính là khơng ổn định khi truyền trong môi trường gặp vật cản, nhiễu sóng

18


hay xung đột tần số... Phạm vi phát sóng tối đa là 100m. Dựa vào các tiêu chuẩn mã
hóa chuyên biệt mà WiFi có tính bảo mật cao.

Hình 1-4 Giải pháp định vị dựa trên sóng WiFi
Đối với mạng WiFi, các tham số AOA (Angle of arrival), TOA (Time of arrival)
và TDOA (Time difference of arrival) là các đại lượng chỉ có thể đo đạc tính tốn
được nhờ các thiết bị chun dụng, bên cạnh đó chúng cịn địi hỏi kỹ thuật đồng bộ
chính xác giữa thiết bị phát và thiết bị thu (việc rất khó có thể thực hiện được đối với
công nghệ WLAN), khác với RSSI. Thêm vào đó, các thiết bị thu phát WiFi thơng
dụng chỉ có thể đo được RSSI mà không đo được các tham số AOA, TOA hay TDOA.
Do vậy RSSI là tham số được tập trung nghiên cứu theo cách tiếp cận này (xem Hình
1-5).

Hình 1-5 Mơ hình định vị dựa trên cường độ sóng WiFi

19


Kỹ thuật định vị dựa trên cường độ sóng wifi có hai hướng tiếp cận chính:
phương pháp dựa trên tính tốn hình học (geometrical-calculation based) và phương
pháp dựa trên dấu vân tay (fingerprinting based).
a) Các phương pháp dựa trên tính tốn hình học
Tiến hành đo đạc các tham số (góc tới, khoảng cách) từ các đối tượng cần định
vị đến các bộ truy cập AP gần nó. Các tham số này sẽ cho phép ước lượng vị trí đối
tượng thơng qua tính tốn, bao gồm:

-

Góc tới (AOA – Angle of arrival): Phương pháp đo hướng của dải sóng vơ
tuyến tới anten của thiết bị nhận. Dựa vào hai hay ba giá trị góc tới đo được
mà người ta tính tốn được vị trí của thiết bị di động.

-

Độ trễ của thời gian truyền (TOA – Time of arrival): Tham số được đo nhờ
tính tốn thời gian di chuyển của sóng vô tuyến từ thiết bị phát đến thiết bị
thu. Với vận tốc của sóng vơ tuyến đã biết, từ đó có thể tính tốn được
khoảng cách giữa hai thiết bị. Dựa vào nhiều hơn ba giá trị của tham số độ
trễ thời gian truyền ta có thể định vị được vị trí của thiết bị di động.

-

TDOA (Time difference of arrival): Tham số này khác so với TOA ở hai
thiết bị nhận khác nhau. Cách định vị tương tự như TOA, dựa vào nhiều hơn
ba giá trị TDOA đo được trên một mơ hình hyperbol mà có thể xác đinh vị
trí của thiết bị.

-

Chỉ số cường độ tín hiệu RSSI (Received signal strength indication): Phương
pháp định vị này đo cường độ sóng vơ tuyến nhận được tại thiết bị di động.
Đơn vị đo là dB tham chiếu công suất ở milliwat. Mức tín hiệu càng mạnh
thì chỉ số RSSI càng cao, giá trị 0 dBm là giá trị lý tưởng nhất. Tỉ lệ nghịch
với khoảng cách từ thiết bị đo đến access point.
b) Phương pháp dựa trên dấu vân tay

Đối với phương pháp dựa trên dấu vân tay, sử dụng kỹ thuật so khớp với các
tọa độ chuẩn từ trước để ước lượng vị trí. Tương tự các phương pháp hình học, bằng
cách đo RSSI, khoảng cách đến các điểm AP gần nhất sẽ được ước lượng. Cho độ

20


chính xác cao khoảng 3m. Nhược điểm là chi phí khảo sát trước khi triển khai cao do
bản đồ RSSI được xây dựng trong q trình khảo sát mơi trường, và phải được cập
nhật lại mỗi khi có bất kì một thay đổi nào.
Bản đồ RSSI được xây dựng trong q trình khảo sát mơi trường phải được cập
nhật lại mỗi khi có bất kì một thay đổi nào của môi trường. Tuy nhiên các đặc trưng
lan truyền của WiFi trong mơi trường khơng có cấu trúc rất phức tạp, vì vậy độ chính
xác của các phương pháp hình học thấp, thường thấp lớn hơn 5m trong khi độ chính
xác của các phương pháp vân tay là tương đương 3m [7].
Trong đề tài này, sử dụng kỹ thuật kết hợp cả hai phương pháp hình học và
phương pháp vân tay để định vị đối tượng (người dùng). Tương tự các phương pháp
hình học, bằng cách đo và ghi nhận giá trị RSSI, khoảng cách đến các điểm AP gần
nhất sẽ được ước lượng. Tuy nhiên, các đặc trưng xác suất sẽ được sử dụng để khắc
phục sự không chắc chắn của RSSI. Q trình tối ưu hóa cũng được áp dụng cho các
tham số của hệ thống để thích nghi một cách tốt nhất với các thiết bị được sử dụng.
3.

Các phương pháp tìm đường và dẫn đường
Bài tốn tìm đường đi ngắn nhất trong một môi trường được số hóa là bài tốn

kinh điển, được nghiên cứu và cải thiện rất nhiều trong những năm qua [9]. Đây cũng
là một trong những bài toán được xử lý và áp dụng nhiều nhất trong nhiều ngành khác
nhau như: ứng dụng tìm đường tối ưu trong các bài tốn mơi trường thông minh, ứng
dụng cho robot tự hành thông minh hoặc ứng dụng trong các bộ phát triển game…

Tuy nhiên, mặc dù đã được nghiên cứu và cải thiện liên tục trong những năm gần
đây, việc áp dụng bài toán này vào môi trường thực tế với những yêu cầu và tính chất
đa dạng địi hỏi cần có những cải tiến và thiết kế phù hợp nhằm đưa ra kết quả tối ưu
nhất.
Có hai phương pháp tìm đường phổ biến là giải thuật Dijkstra và A*. Ban đầu
chúng được thiết kế để biểu diễn trong miền đồ thị đơn giản, nhưng hiện tại hai thuật
tốn này cịn được ứng dụng vào việc tìm đường trong hầu hết các mơi trường khác
nhau.

21


Thuật toán Dijkstra và A* được ứng dụng cơ bản trong tìm đường ở biểu diễn
giản đồ và biểu diễn mạng lưới tọa độ. Trong khi đó, người ta phát minh ra các thuật
tốn Jump point search JPS (Tìm điểm nhảy) và HPA* để tối ưu hóa hoạt động tìm
và dẫn đường trong miền biểu diễn mạng lưới tọa độ. So với các yêu cầu kỹ thuật
trong việc tìm đường của mạng lưới tọa độ, việc tìm đường trong miền đa giác gặp
rất nhiều khó khăn tương tự như trong thế giới thực. Một trong những thử thách lớn
nhất là chọn lựa vị trí nào trong vơ vàn vị trí và vô hạn các nút mạng. Người ta sử
dụng các phương pháp visibility graph (VG - giản đồ nhìn thấy được) và visibility
graph optimized (VGO - giản đồ nhìn thấy được tối ưu) và BSP* để giải quyết những
vấn đề đó.
3.1 Thuật tốn Dijkstra
Thuật tốn Dijkstra là thuật tốn tối ưu đường đi quan trọng nhất, vì nó đề ra
chiến lược cốt lõi mà tất cả các giải thuật phát triển sau này sử dụng. Dijkstra nhận
các giá trị đầu vào là giản đồ, nút bắt đầu (start node) và nút đích đến (goal node). Nó
định nghĩa ra giá trị G (G value) như sau: Với những nút mạng ở tập khám phá
(explored set), giá trị G bằng chiều dài của đường ngắn nhất trở lại nút đầu, với nút ở
tập hợp biên (frontier set), giá trị G này chỉ là tạm thời.
 Bước 1: Chúng ta có 5 nút mạng và 7 tuyến đường, bên trong mỗi nút có chi

phí để di chuyển từ một nút đến nút khác theo tuyến đường tương đương với
giá trị G đã định nghĩa ở trên. Bước đầu ta có điểm a màu xám mặc định là ở
tập khám phá, các nút còn lại ở tập biên có màu xanh. Ta có thể thấy chi phí
đi từ nút a đến c là thấp nhất. Từ đó có thể bổ sung c vào tập khám phá ở
bước tiếp theo.

22


Hình 1-6 Bước 1 thuật tốn Dijkstra
 Bước 2: Bây giờ số lượng của tập khám phá có 2 nút mạng như sơ đồ, có thể
thấy đường đi tiếp theo từ nút c là nút d hoặc b. Vì tới nút b sẽ tiêu tốn phí ít
hơn, nên ta bổ sung b vào tập khám phá.

Hình 1-7 Bước 2 thuật toán Dijkstra
 Bước 3: Sau 3 lần thực hiện giải thuật, ta đã thêm nút b vào tập khám phá.
Từ b, tìm được đường đến nút đích e gần nhất. Nút e được thêm vào tập khám
phá. Lúc này, ta có thể dị ngược lại từ nút đích về nút ban đầu, và tìm được
đường đi ngắn nhất (shortest path).

23