Mạng cảm biến không dây

..

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

Lê Thị Mai Liên

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Chuyên ngành : Điện Tử Viễn Thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
…......................................
Điện Tử Viễn Thông

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Chấn Hùng

Hà Nội – Năm 2010


Lời cam đoan

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan : Luận văn “ Mạng cảm biến không dây” là kết quả nghiên cứu riêng
của tôi.
Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực. Kết quả nghiên cứu được trình bày
trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin chân thành cám ơn các Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền
đạt cho tôi kiến thức trong suốt những năm học ở trường.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Chấn Hùng đã tận tình hướng dẫn tơi hồn
thành tốt luận văn này.
Hà Nội, ngày 27 tháng 10 năm 20010
Tác giả luận văn
Lê Thị Mai Liên

1


Mục lục
MỤC LỤC

Lời cam đoan .........................................................................................................................1
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................6
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................................9
DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................10
Lời nói đầu ..........................................................................................................................13
Chương 1 .............................................................................................................................14
1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY .............................................14
1.1

Giới thiệu cơng nghệ mạng cảm biến khơng dây ..........................................................................14

1.2

Cấu trúc mạng cảm biến không dây ..............................................................................................17

1.2.1

Cấu trúc mạng điểm điểm ........................................................................................ 18

1.2.2

Cấu trúc mạng đa điểm ............................................................................................. 19

1.2.3

Cấu trúc mạng web ................................................................................................... 20

1.2.4

Các thành phần cơ bản trong cấu trúc mạng cảm biến ............................................. 22

1.2.5

Quá trình phát triển mạng cảm biến ......................................................................... 26

Chương 2 .............................................................................................................................28
2. KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ....................................................................28
2.1

Khái quát về NODE cảm biến:......................................................................................................28

2.2

Phần cứng và phần mềm : ..............................................................................................................30

2.3

Môi trường hoạt động của node cảm biến.....................................................................................31

2.4

Xu hướng phát triển của Node cảm biến :.....................................................................................32

Chương 3..............................................................................................................................33
3. KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHƠNG DÂY ..............................................................33
3.1

Q trình truyền sóng :..................................................................................................................33

3.2

Điều chế tín hiệu: ..........................................................................................................................35

3.3

Các cơng nghệ khơng dây: ............................................................................................................37
2


Mục lục
3.3.1

Bluetooth: ................................................................................................................. 38

3.3.2

WLAN: ..................................................................................................................... 39

3.3.3

ZigBee: ..................................................................................................................... 42

3.4

Kết luận: ........................................................................................................................................44

Chương 4 .............................................................................................................................45
4. GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP TRONG MẠNG WIRELESS SENSOR
NETWORKS .......................................................................................................................45
4.1

Mơ hình giao thức cho WSNs: ......................................................................................................45

4.2

Giao thức MAC: ............................................................................................................................47

4.2.1

Các thông số : ........................................................................................................... 48

4.2.2

Các giao thức chung: ................................................................................................. 51

4.3

Các giao thức MAC cho mạng WSNs: .........................................................................................64

4.3.1

Schedule-Based Protocols: ....................................................................................... 65

4.3.2

Random Access-Based Protocols: ............................................................................ 70

4.4

Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC: .....................................................................................72

4.4.1

Tổng quát:................................................................................................................. 72

4.4.2

Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep): .................................................... 73

4.4.3

Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc: ..................................................................... 74

4.4.4

Đồng bộ khung thời gian: ......................................................................................... 76

4.4.5

Lắng nghe thích ứng: ................................................................................................ 77

4.4.6

Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu: ................................................................... 77

4.4.7

Chuyển thông điệp: ................................................................................................... 79

4.5

Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs: ..............................................................................................80

4.5.1

Lớp vật lý (PHY): ..................................................................................................... 82

4.5.2

Lớp MAC:................................................................................................................. 84

4.6

Kết luận: ......................................................................................................................................101
3


Mục lục

Chương 5............................................................................................................................102
5. PHẦN MỀM CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..........................................102
5.1

Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN:....................................................................................102

5.2

Kiến trúc phần mềm:....................................................................................................................103

5.2.1

Các chức năng liên quan đến dữ liệu: ..................................................................... 104

5.2.2

Kiến trúc: ................................................................................................................ 106

5.3

Một số phần mềm đang sử dụng: .................................................................................................106

Chương 6............................................................................................................................107
6. QUẢN LÝ MẠNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................................107
6.1

Các kiểu quản lý mạng truyền thống: .........................................................................................107

6.2

Vấn đề thiết kế quản lý mạng:......................................................................................................108

6.3

Các vấn đề khác:..........................................................................................................................110

Chương 7............................................................................................................................111
7. HỆ ĐIỀU HÀNH CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................111
7.1

TinyOS: .......................................................................................................................................113

7.2

Mate: ...........................................................................................................................................114

7.3

MagnetOS: ..................................................................................................................................114

7.4

MANTIS: ....................................................................................................................................114

Chương 8............................................................................................................................116
8. QUẢN LÝ SỰ VẬN HÀNH VÀ LƯU LƯỢNG THÔNG TIN ...............................116
8.1

Vấn đề thiết kế cho WSN ............................................................................................................116

8.1.1

Giao thức MAC:...................................................................................................... 116

8.1.2

Giao thức định tuyến: .............................................................................................. 117

8.1.3

Giao thức chuyển vận: ............................................................................................ 117

8.2

Mơ hình hóa sự vận hành của WSN: ..........................................................................................118

8.2.1

Metric: .................................................................................................................... 118
4


Mục lục
8.2.2

Các mơ hình cơ bản: ............................................................................................... 119

8.2.3

Các mơ hình mạng: ................................................................................................. 123

8.3

Tính tốn thời gian sống của hệ thống: .......................................................................................125

8.3.1

Phân tích ................................................................................................................. 127

8.3.2

Thảo luận: ............................................................................................................... 130

Kết luận .............................................................................................................................133
Tài liệu tham khảo ..............................................................................................................134

5


Danh sách các từ và thuật ngữ viết tắt

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

ACK

Acknowledge

Gói xác nhận đúng

AES

Advanced Encrytion Standard

Tiêu chuẩn mã hóa tiên tiến

API

Application Programming
Interface

Giao diện lập trình ứng dụng

APS

Application Support Sublayer

Lớp phụ cung cấp ứng dụng

ATM

Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

BE

Back-off Exponent

Thời gian chờ để được truy cập

BTS

Base Transceiver Station

CAP

CCA

Trạm thu phát cơ sở

Contention Access Period

Clear Channel Assessment

Thời gian tranh chấp truy cập

Ước định kênh truyền trống

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance

Đa truy cập cảm biến sóng

CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection

Đa truy cập cảm biens ống
mang phát hiện đụng độ.

CTS

Clear to send

Sẵn sàng nhận

CW

Congestion Window

Cửa sổ tranh chấp

DCE

Data Circuit-Terminating
Eqiupment

Thiết bị kết cuối kênh số liệu

6

mang tránh đụng độ


Danh sách các từ và thuật ngữ viết tắt
DSSS

Direct-Sequence Spread
Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp

DTE

Data Terminal Equipment

Thiết bị dữ liệu đầu cuối

DTMC

Discrete-Time Markov Chain

Chuỗi Markov thời gian rời rạc

E2E

End to End

Đầu cuối tới đầu cuối

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo tần

FFD

Full-Function Device

Thiết bị đầy đủ chức năng

GTS

Guaranteed Time Slot

Khe thời gian đảm bảo

HbH

Hop by Hop

Truyền từng bước

IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IrisNet

Internet-Scale Resource-

Dịch vụ mạng cảm biến tài
nguyên lớn mức liên mạng

Intensive Sensor Networks
Services

số

ITU

International
Telecommunication Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LEACH

Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy

Cấu trúc phân bậc tương thích
năng lượng thấp

LQI

Link Quality Indicator

Bộ chỉ thị chất lượng liên kết

LR-WPANs

Low Rate Wireless Personal
Area Networks

Mạng WPAN tốc độ thấp

MAC

Medium access control

Điều khiển truy cập môi trường

MANETs

Mobile ad hoc Network

Mạng Ad hoc di động
7


Danh sách các từ và thuật ngữ viết tắt
MIB

Management Information Base

Cơ sở thông tin quản lý

MiLAN

Middleware Linking
Application and Network

Phần mềm liên kết ứng dụng và
mạng

NAV

Network Allocation Vector

Vector phân phối mạng

NB

Number of Back-off

Số lần Back-off

NM

Network Management

Quản lý amngj

NMS

Network Management system

Hệ thống quản lý mạng

OS

Operating System

Hệ điều hành

PAN

Personal Area Network

Mạng cá nhân

PEGASIS

Power-effcident Gathering in

Sensor Information System

Hệ thống quản lý mạng

PHY

Physis Layer

Lớp vật lý

WAN

Wide Area Networks

Mạng diện rộng

WPAN

Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân

WSNs

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

ZDO

ZigBee Device Object

Đối tượng thiết bị ZigBee

8


Danh sách mục bảng

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Dẫn ra một số suy hao đường truyền do vật liệu làm nhà theo tần số .....................35
Bảng 2 So sánh đặc tính 2 chuẩn IEEE 802.11b/g và IEEE 802.11a .................................41
Bảng 3 Kênh truyền và tần số .............................................................................................83
Bảng 4 Băng tần và tốc độ dữ liệu. ....................................................................................84
Bảng 5 Các dạng thiết bị trong mạng ZigBee .....................................................................86

9


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Thiết bị mạng cảm ứng khơng dây ..................................................................... 15
Hình 1-2 Các cảm ứng dị tìm về nhiệt độ, mức độ ánh sáng và độ ẩm đất đau tại
hàng trăm điểm trong trang trại và giao tiếp dữ liệu với nhau để lấy dữ liệu phân
tích. ..................................................................................................................................... 17
Hình 1-3 Mơ hình mạng cảm biến thơng thường ................................................................ 22
Hình 1-4 Các thành phần trong một Node ........................................................................ 23
Hình 1-5 Giao thức chung cho mạng cảm biến................................................................... 24
Hình 1-6 Dạng 1 WSNs , liên kết multipoint-to-point, multihop dùng định tuyến
động .................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 1-7 Dạng 2 WSNs liên kết point-to-point , Star định tuyến tĩnhError! Bookmark not defined
Hình 1-8 Các node theo mơ hình hợp tác và bất hợp tác..... Error! Bookmark not defined.
Hình 2-1 Sự phát triển cơng nghệ chế tạo cảm biến............................................................ 29
Hình 2-2 Các thành phần cứng và mềm của node (WNs). ................................................. 31
Hình 3-1 Mơ hình truyền sóng ........................................................................................... 33
Hình 3-2 Minh họa q trình truyền sóng. ......................................................................... 35
Hình 3-3 Sơ đồ đánh giá hiệu quả của các kỹ thuật điều chế số ........................................ 36
Hình 3-4 Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến. ............................ 38
Hình 3-5 Mơ hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống. ............................ 40
Hình 3-6 Băng tần IEEE 802.11b/g ................................................................................... 41
Hình 3-7 Đánh giá đặc tính IEEE 802.11a và 802.11b theo khoảng cách (các ứng
dụng trong nhà). .................................................................................................................. 42
Hình 3-8 Mơ hình giao thức ZigBee.................................................................................. 43

10


Danh mục hình vẽ

Hình 4-1 Mơ hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu..................................... 46
Hình 4-2 Hiện tượng hidden-node trong mạng WSNs ...................................................... 58
Hình 4-3 Hiện tượng exposed-node trong mạng WSNs ..................................................... 59
Hình 4-4 Tránh xung đột dùng thủ tục bắt tay RTS/CTS................................................... 61
Hình 4-5 Hạn chế trong chống đụng độ của giao thức bắt tay RTS/CTS. ......................... 62
Hình 4-6 một ví dụ khác về lỗi khi dùng thủ tục RTS/CTS................................................. 63
Hình 4-7 Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSNs. .................................. 65
Hình 4-8 Khung thời gian hoạt động của node. ................................................................. 74
Hình 4-9 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên ................................................ 75
Hình 4-10 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát. ................................................................. 76
Hình 4-11 Mơ hình tránh đụng độ trong S-MAC .............................................................. 78

Hình 4-12 Q trình truyền thơng điệp trong S-MAC ....................................................... 79
Hình 4-13 (a) Mơ hình tham khảo IEEE 802.15.4 và ZigBee; (b) Mơ hình tham khảo
ngăn xếp ZigBee. ................................................................................................................ 81
Hình 4-14 Băng tần hoạt động lớp PHY IEEE 802.15.4.................................................... 83
Hình 4-15 Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 ....................................... 84
Hình 4-16 Cấu trúc liên kết mạng...................................................................................... 88
Hình 4-17 (a)Cấu trúc siêu khung; (b)Khung đảm bảo QoS; (c)Siêu khung tiết kiệm
năng lượng........................................................................................................................... 90
Hình 4-18 (a) định dạng khung tổng quát; (b) Khung Beacon;(c) Khung dữ liệu và
xác nhận ACK; (d) Khung lệnh MAC. ................................................................................ 93
Hình 4-19 Khoảng trống liên khung. .................................................................................. 94
Hình 4-20 Giải thuật Slotted CSMA ................................................................................... 99

11


Danh mục hình vẽ

Hình 4-21 Giải thuật Unslotted CSMA. ........................................................................... 100
Hình 5-1 Kiến trúc middleware tổng quát cho mạng WSN. ............................................. 104
Hình 8-1 Mạng WSN. ...................................................................................................... 117
Hình 8-2 Tiêu thụ năng lượng trong mỗi hoạt động của node cảm biến. ......................... 121
Hình 8-3 Mơ hình node cảm biến DTMC ....................................................................... 123
Hình 8-4 Mơ hình vịng kín cho hệ thống. ....................................................................... 125
Hình 8-5 Cấu hình hai tầng của một mạng WSN............................................................. 126
Hình 8-6 So sánh chỉ số năng lượng và chiều dài gói: (a) packet overhead (O) là 2
byte; (b) O là 10 byte. ........................................................................................................ 131

12

Lời nói đầu

Lời nói đầu
Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và cơng
nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm nhận khơng dây ra đời là một trong những thành
tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin. Một trong các lĩnh vực của
mạng cảm biến không dây ( Wireless Sensor Network – WSN ) là sự kết hợp của
việc cảm nhận, tính tốn và truyền thơng vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu
cầu ngày càng cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của
con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công nhưng hiệu
quả công việc vẫn cao. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số
lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống. Sử dụng
những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để giám sát điều kiện
môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị…
Trong những nghiên cứu mới nhất hiện nay thì hầu hết các ứng dụng của WSN là
giám sát mơi trường từ xa hoặc có thể mang theo một thiết bị nhỏ gọn nhưng có sức
mạnh có thể làm việc hiệu quả không kém một hệ thống thiết bị cồng kềnh. Ví dụ
như có thể ứng dụng WSN vào trong cơng việc phịng cháy rừng bằng rất nhiều nút
cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng khơng dây để có thể ngay lập tức
phát hiện những vùng có khả năng cháy và gây cháy có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo
động cần thiết. Một trong những ưu điểm lớn của mạng không dây WSN là chi phí
chiển khai và lắp đặt được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử
dụng.Thay vì hàng ngàn km dây dẫn thơng qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ
làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã được lắp đặt nhỏ gọn vào vị trí cần thiết.
Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của WSN, rất đơn giản
ta chỉ việc thêm vào các thiết bị, linh kiện không cần thao tác phức tạp

13

Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Chương 1
1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu công nghệ mạng cảm biến không dây
Khái niệm các mạng cảm ứng không dây bao gồm sự cảm ứng, các tính tốn, và sự
giao tiếp trong một thiết bị nhỏ. Thông qua các giao thức mạng lưới nâng cao, các
thiết bị ở một vùng kết nối có thể cảm ứng mở rộng không gian điện từ tới thế giới
vật lí. Ví dụ như khi nước tràn ngập các phịng trong một con thuyền chìm nào đó,
mạng lưới kết nối sẽ tìm kiếm ra con đường giao tiếp có thể bằng cách truyền dữ liệu
giữa điểm với điểm để tìm ra được đích đến của nó. Trong khi khả năng của một thiết
bị đơn lẻ là hữu hạn, nhưng sự tổng hợp của hàng trăm thiết bị cho phép tạo ra một
công nghệ mới mạnh mẽ.
Sức mạnh của mạng cảm ứng không dây là khả năng mở rộng một số lượng lớn các
điểm nhỏ, các điểm này có kết hợp với nhau và cấu hình được. Những thiết bị này có
thể được sử đụng cho các ứng dụng dị tìm thời gian thực, quản lí các điều kiện mơi
trường, tổng hợp tính tốn mơi trường, quản lí tình trạng các thiết bị. Ngồi ra mạng
cảm ứng khơng đây có thể dùng để điều khiển tự động hóa từ khơng gian bên ngoài
tới thế giới vật lý.
Ứng dụng đơn giản nhất của công nghệ mạng cảm ứng không dây dùng để giám sát
từ xa các môi trường cho các xu thể dữ liệu xuất hiện thấp. Ví dụ, một dự án hóa học
sẽ được giám sát các vấn đề rỏ rỉ đơn giản với hàng trăm cảm ứng tự động và tạo
thành một mạng liên kết nối không dây và báo cáo ngay lập tức khi phát hiện bất cứ
sự rò rỉ hóa học nào. Khơng giống như các hệ thống có dây truyền thống, giá thành
của mạng cảm ứng khơng dây sẽ nhỏ hơn. Thay vì phải triển khai hàng nghìn các

14

Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

định tuyến trong mạng có dây quan các đường dẫn, với mạng cảm ứng không dây ta
phải cài đặt các thiết bị kích thước nhỏ, như hình vẽ, tại mỗi điểm cảm ứng

Hình 1-1 Thiết bị mạng cảm ứng khơng dây
Mạng cảm ứng không dây dễ dàng mở rộng bằng cách thêm vào các thiết bị - khơng
cần cấu hình lại mạng. Thêm vào đó giá thành cài đặt được giảm đáng kể, vì các
mạng cảm ứng khơng dây có đáp ứng tự động với các sự thay đổi của môi trường.
Các cơ chế đáp ứng có thể phản ứng với những kiến trúc mạng khác nhau hoặc có thể
dịch chuyển giữa các chế độ hoạt động khác nhau. Ví dụ, với hệ thống nhúng cũng có
chức năng giám sát việc rị rỉ hóa chất trong một cơng ty hóa học sẽ phải được cấu
hình lại trong thiết kế mạng để định vị nguồn rị rỉ và dị tìm sự khuếch tán khí độc.
Mạng sau đó sẽ hướng cơng nhân tới đường an tồn nhất để giải thốt khẩn cấp.
Thơng thường, khi con người xem xét các thiết bị không dây, chúng ta nghĩ trới các
thiết bị như điện thoại cầm tay, các thiết bị hỗ trợ số, hoặc máy tính xách tay với
chuẩn 802.11. Những thiết bị này có giá trị hàng trăm đô la, với các ứng dụng đặc
biệt và cần phải nghiên cứu triển khai dựa vào cơ sở hạ tầng có trước. Ngược lại, các

15


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

mạng cảm ứng không dây sử dụng các thiết bị nhúng kích thước nhỏ, giá thành thấp
cho các ứng dụng phạm vi rộng và không cần phải dựa vào kiến trúc hạ tầng có trước
nào.
Khơng giống như những thiết bị khơng dây truyền thống, các node cảm ứng không
dây không cần giao tiếp trực tiếp với đâi điều khiển công suất cao hoặc trạm gốc gần

nhất, mà chỉ cần giao tiếp với các điểm ngang hàng trong khu vực. Các giao thức
mạng Peer-to-peer cung cấp liên kết nối dạng lưới để truyền dữ liệu giữa hàng nghìn
các thiết bị nhúng kích thước nhỏ. Các kiến trúc mạng lưới linh hoạt thích ứng dễ
dàng hỗ trợ việc tạo thêm các node mới hoặc mở rộng vùng phủ địa lý. Thêm vào đó,
hệ thống có thể tự động áp ứng để đáp ứng cân bằng cho những node bị lỗi.
Sức mạnh của mạng lưới này là so số lượng thiết bị tạo thành. Không giống như các
hệ thống điện thoại, dịch vụ sẽ bị từ chối nếu như có quá nhiều điện thoại cùng hoạt
động trong một khu vực nhỏ, trong khi mạng cảm ứng không dây liên kết nối sẽ càng
lớn mạnh hơn khi các node được thêm vào. Với mỗi node, phạm vi giao tiếp khoảng
50m2 và giá thành khoảng 1$.

16


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến khơng dây

Hình 1-2 Các cảm ứng dị tìm về nhiệt độ, mức độ ánh sáng và độ ẩm đất đau tại
hàng trăm điểm trong trang trại và giao tiếp dữ liệu với nhau để lấy dữ liệu phân tích.

Nếu như một node bị lỗi, một kiến trúc mạng mới sẽ được lựa chọn và tồn bộ mạng
có thể tiếp tục để truyền nhận dữ liệu. Nếu như có nhiều node hơn được đặt trong khu
vực, chúng có thể tạo ra nhiều khả năng định tuyến hơn. Như những thuật toán và
giao thức cho mạng cảm ứng không dây phát triển, chúng phải được hỗ trợ với
paltform phần cứng công suất thấp, hiệu quả và linh hoạt.

1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Sự phát triển của các loại công nghệ mạng đã mau chóng thúc ép cảm biến đi tìm
những giải pháp thay thế mới có giá thành thấp, độ phức tạp giảm và độ tin cậy tăng.
Những kiến trúc mạng cảm biến trước đây sử dụng loại dây đôi xoắn bọc kim đơn
giản cho mỗi cảm biến. Tiếp đến, các bus đa điểm (như Ethernet) được sử dụng. Và

17


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

giờ đây chúng ta bắt đầu nhìn thấy tiềm năng thực sự của kiến trúc mạng dựa trên
nền tảng web (như World Wide Web) sẽ được đưa vào nhà máy.
Khi cảm biến không dây trở thành thương phẩm quen thuộc trên thị trường thì việc
lựa chọn giữa các loại cảm biến và kiểu mạng mới và cũ làm đau đầu các chuyên gia
và làm cho họ phải xem xét lại những chiến lược xây dựng kiến trúc mạng mà trước
đây đã từng bị gạt sang một bên. Sau đây, chúng ta cùng tìm hiểu về 3 kiểu mạng cơ
bản sử dụng cho cảm biến (kiểu mạng điểm - điểm, đa điểm và mạng web - một kiểu
mạng của tương lai), đánh giá sức mạnh và điểm yếu của mỗi kiểu mạng và quy luật
bị xoay chuyển như thế nào khi hệ thống khơng dây đi vào ứng dụng.
Bên cạnh đó, để xây dựng được một mạng cảm biến khả dụng, cũng phải xét đến việc
tích hợp phần cứng và phần mềm từ nhiều nhà cung cấp thiết bị. Đi kèm theo đó là
những vấn đề về giao thức và các chuẩn đã có và sẽ có cho cảm biến. Chúng là yếu tố
đảm bảo sự tương thông trong nhà máy.

1.2.1 Cấu trúc mạng điểm điểm
Trên lý thuyết, kiểu mạng này là an tồn nhất vì chỉ có 1 điểm trong mạng có khả
năng xảy ra sự cố, đó là điểm mạng chủ hay còn gọi là host. Để nâng cao khả năng
của hệ thống mạng chỉ cần bổ sung thêm 1 host dự phòng. Tuy nhiên, việc nối dây 2
host lại là vấn đề đáng bàn. Một số cấu trúc mạng này hỗ trợ tín hiệu điều biến tần
(FM - frequency modulated) cho dây dẫn để truyền tải tín hiệu của nhiều cảm biến
trên các kênh FM riêng biệt. Một số chuẩn (như HART bus) hỗ trợ đường truyền tín
hiệu số song cơng cho những đường truyền tín hiệu analog sẵn có trong một số nhà
máy cơng nghệ cũ. Kiểu kiến trúc như vậy xóa nhịa danh giới khác biệt giữa cấu trúc
mạng điểm-điểm và cấu trúc mạng đa điểm.

18


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Những kiểu mạng khơng dây đầu tiên sử dụng tín hiệu tần số radio (RF - Radio
Frequency) đơn giản cho cấu trúc mạng điểm-điểm. Cấu trúc mạng nảy sử dụng
modem RF ở 2 đầu mạng. Một cái đặt tại đầu phát làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu RS232 thành tín hiệu radio và cái còn lại đặt tại đầu nhận làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu
về trạng thái vốn dĩ của nó. Fluke (Everett, Washington) đã phát triển một loại vơn kế
số có thể nhận tín hiệu điện áp và truyền đi qua một kênh tần số radio chuyên biệt.
Tuy nhiên, cách này bị nghi ngờ về độ tin cậy vì thiết bị này được thiết kế cho những
tín hiệu FM mã hóa đơn giản. Cịn trong mơi trường nhà máy, các yếu tố gây nhiễu
có thể làm giảm đáng kể chất lượng của tín hiệu, do vậy mạng trở nên khơng đáng tin
cậy, trừ khi nó được chăm sóc rất chu đáo.
Kiểu mạng LAN không dây cũng được sử dụng trong cấu trúc mạng này nhưng nó
chỉ tỏ ra hợp với mơi trường văn phịng hơn là sàn máy. Những nhà thiết kế sử dụng
hệ thống thu thập dữ liệu từ xa kết hợp với cấu trúc mạng này bằng cách dùng bộ
gom dữ liệu và đẩy dữ liệu này tới bộ truyền tín hiệu radio để truyền tới host, tại đây,
tín hiệu sẽ được đưa trở về hình hài ban đầu vốn có của nó.

1.2.2 Cấu trúc mạng đa điểm
Những cấu trúc mạng đa điểm bắt đấu xuất hiện vào cuối những năm 70, đầu 80 (thế
kỷ XX). Một trong số đó là Modbus của Modicon (Cty Schneider) đã mở đường vào
môi trường công nghiệp. Modbus ra đời tiếp sau một số bus mở và bus độc quyền
như Qbus và VMEbus.
Sự ra đời của cảm biến thông minh và vi máy tính chịu được mơi trường cơng nghiệp
đã làm thay đổi mạnh mẽ bối cảnh của mạng cảm biến. Cấu trúc mạng đa điểm đã
giảm đáng kế lượng dây dẫn nối các thiết bị hiện trường với host. Nhưng vẫn còn
một điểm dễ bị tổn thương đối với kiểu mạng này đó là cáp nối. Nhiều nhà cung cấp

19


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

giới thiệu các giải pháp nối dây dự phòng, nhưng rốt cuộc chúng chỉ làm phức tạp
thêm.
Khi cấu trúc mạng đa điểm được chấp nhận, thì lại nảy sinh vấn đề số hóa dữ liệu.
Với cấu trúc mạng điểm-điểm thì số hóa dữ liệu được thực thi ngay tại host, mỗi host
có một đồng hồ đo thời gian thu thập tín hiệu analog từ các cảm biến. Còn với kiểu
mạng đa điểm được trang bị trí tuệ nhân tạo phân tán thì vấn đề đồng bộ hóa các
đồng hồ trở nên rất quan trọng trong một số ứng dụng. Sự ra đời của Ethernet vào
giữa những năm 80 là cột mốc của sự chuẩn hóa. Nhiều cơng ty đồng thuận rằng,
tương lai của của mạng phụ thuộc vào một chuẩn kết nối mở cho phép nhiều nhà
thiết kế hệ thống hợp tác cùng nhau, giảm thiểu rào cản khó khăn ngăn cách. Giờ
đây, hầu hết các nhà máy đã chuyển sang dùng Ethernet vì cả giá thành và khả năng
của nó mang lại.
Hệ thống mạng không dây sử dụng chung những giao thức cho cấu trúc mạng đa
điểm, tức là mô phỏng kiểu mạng nối dây cứng với các điểm truyền RF. Chuẩn
IEEE-802.11 là chuẩn không dây đầu tiên hứa hẹn đưa tính kết nối tương thơng của
Ethernet và mạng khơng dây. Tuy nhiên, vẫn có nhiều vấn đề về tương thích nếu đưa
tín hiệu truyền qua khơng khí.

1.2.3 Cấu trúc mạng web
Mạng cảm biến thường làm việc ở mức tốt nhất nếu biết bố trí cấu trúc mạng phù hợp
với ứng dụng nhất, chẳng hạn như nếu ứng dụng của bạn cần kiểu mạng điểm-điểm,
thì việc gi bạn phải đi tìm một kiểu mạng khác.
Tiềm năng của việc đưa web vào thế giới cảm biến là vô cùng lớn. Web sẽ giúp cảm
biến hoạt động hợp tác với nhau tạo nên một kiểu mạng thông minh để giải quyết

những tồn tại hiện này mà mạng cảm biến đang gặp phải, hay những yêu cầu nảy

20


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

sinh trong tương lai. Khi công nghệ phần mềm và phần cứng trưởng thành hơn nữa
chúng ta sẽ được chứng kiến nhiều hơn công nghệ web trong sàn máy.
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4.Hoạt động tại
tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học(ISM), cung cấp đường truyền dữ
liệu với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cách 30 đến 200 feet. Zigbee/IEEE 802.15.4
được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ khơng dây như là Bluetooth, Wifi
,Ultrawideband(UWB), mục đích phục vụ cho các ứng dụng thương mại.
Với sự ra đời của tiêu chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo
hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thơng tin qua kênh truyền được tiêu
chuẩn hóa.
Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mạng mobile ad hoc (MANETs). WSNs tương tự như
MANETs theo một vài đặc điểm .Cả hai đều là chuẩn mạng wireless ,multihop . Tuy
nhiên , các ứng dụng và kỹ thuật giữa hai hệ thống có khác nhau.
-

Dạng thông thường của WSN là đa nguồn dữ liệu truyền đến nơi nhận, khác hẳn

điểm-điểm trong MANETs.
- Các node trong WSNs ít di động, trong khi ad hoc các node là di động
- Trong WSNs, dữ liệu từ các cảm biến chủ yếu từ các hiện tượng sự kiện ở thế giới
thực.
- Nguồn năng lượng trong WSNs được quản lý sử dụng rất chặt chẽ.Trong MANETs
có thể khơng bị ràng buộc bởi nguồn cung cấp do các thiết bị thơng tin có thể được thay

thế nguồn cung cấp thường xuyên bởi người dùng .
- Số lượng node trong WSNs rất lớn, MANETs ít hơn .
=>Do sự khác biệt giữa 2 mơ hình giao thức mà các giao thức định tuyến trong
MANETs khơng thể áp dụng hồn tồn cho WSNs. Tuy nhiên WSNs có thể coi như một
phần trong MANETs (ad hoc) .

21


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.2.4 Các thành phần cơ bản trong cấu trúc mạng cảm biến
Hình 1.3 cho thấy mơ hình cấu trúc của mạng cảm biến thường dùng. Các cảm biến liên
kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng tốt nhất làm
node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính. Nhờ vậy, năng
lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể thấy
cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên khó
khăn hơn.

Hình 1-3 Mơ hình mạng cảm biến thông thường
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến :
- Các node phân bố dày đặc.
- Các node dễ bị hư hỏng.
- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.

22


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

- Node bị giới hạn về cơng suất, khả năng tính tốn, và bộ nhớ.
- Các node có thể khơng được đồng nhất tồn hệ thống vì số lượng lớn các node.

Hình 1-4 Các thành phần trong một Node
Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên Hình 1-3
- Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có)
- Đơn vị xử lý
- Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến
- Nguồn cung cấp
- Các phần ứng dụng khác…
Phần mềm (Operating Systems and Middleware)
Để cung cấp sự hoạt động cho các node, phần quan trọng là các hệ điều hành nguồn mở
được thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thường, các hệ điều hành như thế dùng kiến
trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kích thước
code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của sensor networks. TinyOS là một ví dụ về
dạng này, đây là một chuẩn khơng chính thức. Thành phần của TinyOS gồm giao thức
mạng, phân phối các node, drivers cho cảm biến và các ứng dụng. Rất nhiều nghiên cứu
23


Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây

sử dụng TinyOS trong mô phỏng để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật
mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho
các dịch vụ mạng tương thích.
Chuẩn hóa của các giao thức truyền tải
Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn
về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp-trung bình, tiêu thụ
công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống. Vị trí các node cảm biến
hầu như khơng xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khả năng

tự xây dựng. Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong
đó vấn đề căn bản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể. Chủ yếu tập
trung vào giao thức định tuyến, bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền thống (
phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng).

Hình 1-5 Giao thức chung cho mạng cảm biến.
Giao thức mạng cảm biến có chức năng quản lý và liên lạc giữa các node trong mạng
cảm biến.Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp như mơ hình OSI:
24