XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
----------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THÔNG MINH
Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Giảng Viên Hướng Dẫn: THS. NGUYỄN HỒNG ANH
THS. ĐINH THỊ NHUNG

Hà Nội, 12-2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG
----------

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

XÂY DỰNG MƠ HÌNH NHÀ THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện:
MSSV:
Lớp:
Giảng Viên Hướng Dẫn:

THS. NGUYỄN HỒNG ANH
THS. ĐỊNH THỊ NHUNG

Cán bộ phản biện: …………………………………….
Hà Nội, 12-2019


ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho giảng viên hướng dẫn)
Tên giảng viên đánh giá:.................................................................................................
Họ và tên sinh viên:.......................................................MSSV:.....................................
Tên đồ án:.......................................................................................................................
........................................................................................................................................
Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng

1

2

3

4

5

của đồ án
2

Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)

1

2

3

4

5

3

Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề

1

2

3

4

5

4

Có kết quả mơ phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
6

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt

7

được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất
hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp
mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
8

được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận
logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)


Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)
Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH
10a

giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc trong

5

nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
10b

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

2

quốc gia và quốc tế khác về chun ngành (VD: TI contest)
10c

Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác (về thái độ và tinh thần làm việc của sinh viên)
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

Ngày: … / … / 20…
Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)

1.1


ĐÁNH GIÁ QUYỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dùng cho cán bộ phản biện)
Giảng viên đánh giá:.......................................................................................................
Họ và tên sinh viên:....................................................... MSSV:....................................
Tên đồ án:.......................................................................................................................
........................................................................................................................................

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây:
Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)
Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)
Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và các giả
1

thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như phạm vi ứng dụng

1

2

3

4

5

của đồ án
2

Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế)

1

2

3

4

5

3

Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề

1

2

3

4

5

4

Có kết quả mơ phỏng/thực nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả đạt được

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)
5
6

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp thực hiện
dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ thống
Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết quả đều
được phân tích và đánh giá thỏa đáng
Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa kết quả đạt

7

được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất
hướng giải quyết có thể thực hiện trong tương lai

Kỹ năng viết quyển đồ án (10)
Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương logic và đẹp
mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được đánh số thứ tự và
8

được giải thích hay đề cập đến; căn lề thống nhất, có dấu cách sau dấu
chấm, dấu phảy v.v.), có mở đầu chương và kết luận chương, có liệt kê
tài liệu tham khảo và có trích dẫn đúng quy định

9

Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận
logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)


Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/Đạt giải SVNCKH
10a

giải 3 cấp Viện trở lên/Có giải thưởng khoa học (quốc tế hoặc trong

5

nước) từ giải 3 trở lên/Có đăng ký bằng phát minh, sáng chế
Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị SVNCKH nhưng
10b

không đạt giải từ giải 3 trở lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi

2

quốc gia và quốc tế khác về chun ngành (VD: TI contest)
10c

Khơng có thành tích về nghiên cứu khoa học

0

Điểm tổng

/50

Điểm tổng quy đổi về thang 10

Nhận xét khác của cán bộ phản biện
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................

Ngày: … / … / 20…

Người nhận xét
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI NĨI ĐẦU
Trong q trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về cơng
nghệ đóng một vai trị rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ
cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Các công nghệ của các
ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông được áp dụng vào trong thực
tiễn cuộc sống con người. Như là công nghệ cảm biến khơng dây hay IOT
được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong
mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh,..
Hiện nay, Internet of Things đang bước đầu được áp dụng một cách rộng
rãi ở nước ta. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai nhiều hơn,
đã có khơng ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay
đổi trong công nghệ này.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Cô Đinh Thị Nhung và Cô Nguyễn
Hồng Anh, em đã chọn đề tài đồ án “Xây dựng mơ hình nhà thơng minh ”. Nội
dung của đồ án được thực hiện qua 4 chương chính :
Chương 1 : Tổng quan đề tài
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết
Chương 3 : Thực hiện và thiết kế
Chương 4 : Kết quả, nhận xét và đánh giá
Trong quá trình thực hiện đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
ThS. Đinh Thị Nhung và ThS. Nguyễn Hồng Anh, giảng viên Viện Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý,
chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để em
hồn thành tốt đề tài.
Trong q trình thực hiện đề tài và soạn thảo báo cáo dù đã rất cố gắng tuy
nhiên khơng tránh khỏi những sai sót và hạn chế. Vì vậy, em rất mong nhận
được sự góp ý, bổ sung của các quý Thầy/Cô để đề tài được tối ưu và hoàn

thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!


1. LỜI CAM ĐOAN

Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2019
Người cam đoan


MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT...............................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................................iv
TĨM TẮT ĐỒ ÁN............................................................................................................v
ABSTRACT......................................................................................................................vi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI.............................................................................1
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................................1
1.2 Mục tiêu...............................................................................................................1
1.3 Nội dung nghiên cứu..........................................................................................2
1.4 Kết luận................................................................................................................2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................3
2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây...........................................................3
2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây..........................................................3
2.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây..............................................................3
2.1.3 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây..........................................4
2.1.4 Các khó khăn khi thiết kế mạng cảm biến khơng dây..................................5
2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến..............................................................................6
2.2.1 Cấu trúc phẳng..............................................................................................6

2.2.2 Cấu trúc tầng.................................................................................................7
2.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây................................8
2.3.1 Công nghệ Bluetooth....................................................................................8
2.3.2 Công nghệ Zigbee.......................................................................................14
2.3.3 Công nghệ Wifi...........................................................................................20
2.4 So sánh các công nghệ trong mạng cảm biến không dây ..............................24
2.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.......................................................25
2.6 Tổng quan về IOT.............................................................................................26


2.6.1 Định nghĩa...................................................................................................26
2.6.2 Các lớp trong một hệ thống IOT.................................................................26
2.6.3 Các giao thức phổ biến...............................................................................27
2.6.4 Các chuẩn truyền dữ liệu............................................................................29
2.6.5 Ứng dụng....................................................................................................34
CHƯƠNG 3. THỰC HIỆN VÀ THIẾT KẾ................................................................38
3.1 Thiết kế phần cứng............................................................................................38
3.1.1 Sơ đồ khối...................................................................................................38
3.1.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................39
3.1.3 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in..............................................................39
3.1.4 Các linh kiện và thông số............................................................................41
3.2 Thiết kế phần mềm............................................................................................51
3.2.1 Firebase database........................................................................................51
3.2.2 Phần mềm Android Studio..........................................................................53
3.2.3 Phần mềm Arduino.....................................................................................54
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ............................................56
4.1 Kết quả đạt được................................................................................................56
4.2 Nhận xét và đánh giá........................................................................................57
KẾT LUẬN......................................................................................................................59
Kết luận chung........................................................................................................59

Hướng phát triển.....................................................................................................59
Kiến nghị và đề xuất................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................60
PHỤ LỤC.........................................................................................................................61
Source Code ESP8266............................................................................................61
Source Code Arduino Pro Mini..............................................................................63


DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Thuật ngữ đầy đủ

1

WSN

Wireless Sensor Network

2

IEEE

Institute of Electrical and Electronic Engineers

3

WPAN

Wireless Personal Area Network

4

MAC

Media Access Control

5

IP

Internet Protocol

6

CSMA\CD

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect

7

MCU

Micro Controller Unit

8

IOT

Internet Of Things

9

MQTT

Message Queue Telemetry Transport

10

CoAP

Constrained Applications Protocol

11

XMPP

Entensible Messaging Presence Protocol

12

I2C

Inter-Intergrated Circuit

13

AMWP

Advanced Message Queue Protocol

14

DSS

Data Distribution Service

15

SPI

Serial Peripheral Interface

16

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

17

TCP/IP

Transport Control Protocol/Internet Protocol


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây..............................................................4
Hình 2.2 Cấu trúc phẳng..................................................................................................7
Hình 2.3 Cấu trúc tầng.....................................................................................................7
Hình 2.4 Các tầng giao thức trong Bluetooth.............................................................10
Hình 2.5 Cấu trúc gói tin packet...................................................................................11
Hình 2.6 Quy trình kết nối trong Bluetooth................................................................12
Hình 2.7 Mơ hình mạng Zigbee....................................................................................15
Hình 2.8 Cấu trúc các tầng của giao thức Zigbee......................................................17
Hình 2.9 Thành phần của mạng Zigbee......................................................................18
Hình 2.10 Phương pháp tiếp cận trong cơng nghệ Zigbee........................................19
Hình 2.11 Q trình tiếp nhận Device qua các Coordinetor....................................19
Hình 2.12 Mơ tả quá trình truyền Wifi........................................................................22
Hình 2.13 Thiết bị Access point.....................................................................................23
Hình 2.14 Thiết bị Wireless Router..............................................................................24
Hình 2.15 Thiết bị Wireless NICs.................................................................................24
Hình 2.16 Ví dụ mơ hình MQTT..................................................................................27
Hình 2.17 Ví dụ mơ hình CoAP....................................................................................28
Hình 2.18 Ví dụ mơ hình XMPP...................................................................................28
Hình 2.19 Ví dụ mơ hình AMQP..................................................................................29
Hình 2.20 Ví dụ mơ hình chuẩn UART.......................................................................29
Hình 2.21 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi..................................................................31
Hình 2.22 Trình tự truyền bit trên đường truyền......................................................32
Hình 2.23 Điều kiện star stop........................................................................................33
Hình 2.24 Cơ chế giao thức SPI....................................................................................34
Hình 2.25 Tổng quan về ứng dụng IOT.......................................................................34
Hình 2.26 Theo dõi lộ trình đi của xe chở hàng..........................................................35

2

Hình 2.27 Theo dõi tình trạng sinh trưởng của cây trồng........................................36
Hình 2.28 Mơ hình ứng dụng nhà thơng minh...........................................................37
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch.......................................................................................38
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch.............................................................................39
Hình 3.3 Sơ đồ mạch in lớp top của mạch...................................................................40
Hình 3.4 Sơ đồ mạch in 3D của mạch..........................................................................40
Hình 3.5 Module ESP8266 Node MCU........................................................................41
Hình 3.6 Sơ đồ chân của Module ESP8266 Node MCU............................................42
Hình 3.7 Arduino Pro Mini............................................................................................43
Hình 3.8 Sơ đồ khối của một hệ thống RFID..............................................................44
Hình 3.9 Bộ đầu đọc thẻ RFID......................................................................................46
Hình 3.10 Động cơ Servo SG90.....................................................................................47
Hình 3.11 Module cảm biến DHT11.............................................................................48
Hình 3.12 Cảm biến khí gas MQ2................................................................................49
Hình 3.13 Module cảm biến ánh sáng..........................................................................50
Hình 3.14 Relay 5V 10A.................................................................................................50
Hình 3.15 Ứng dụng Firebase database.......................................................................52
Hình 3.16 Giao diện phần mềm lập trình Android Studio........................................53
Hình 3.17 Giao diện phần lập trình cho ứng dụng....................................................54
Hình 3.18 Giao diện phần mềm Arduino.....................................................................55
Hình 4.1 Sản phẩm mơ hình sau khi hồn thành.......................................................56
Hình 4.2 Giao diện màn hình thu được từ App Android..........................................57


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 So sánh một số công nghệ trong mạng cảm biến không dây....................25
Bảng 3.1 Sơ đồ chân ICSP.............................................................................................42

4


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Hiện nay, IOT và những ứng dụng trực tiếp vào xây dựng nhà thông minh
đang là xu hướng, tuy khơng mới nhưng đang rất thịnh hành. Vì vậy, nhà thơng
minh đang ngày càng địi hỏi sự thay đổi, cải tiến để đáp ứng được xu thế của
thời đại. Song song với đó, hệ thống nhà thơng minh ngày càng được ứng dụng
rộng rãi, góp phần nâng cao sự tiện ích trong cuộc sống hiện đại ngày nay.
Với mục đích muốn tiếp cận với các cơng nghệ đang phát triển rất nhanh
và mạnh mẽ. Vì vậy, em thực hiện đồ án với mong muốn chế tạo ra thiết bị
trung tâm điều khiển nhà thông minh thông qua các ứng dụng trên Smartphone
hay Tablet trong đó bao gồm:
Mơ hình có các chức năng như sau:
- Các thiết bị trong nhà thông minh được điều khiển hay tự động điều
khiển bằng App điện thoại thơng qua sóng Wifi, hay 3g, 4g..
- Chức năng giám sát nhiệt độ và độ ẩm, cảnh báo khí gas trong nhà..
Thiết bị sử dụng kit NodeMCU ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm để
điều khiển các module mở rộng như module cảm biến hay động cơ.


ABSTRACT

Currently, Internet of Things or applications in advance to build smart
homes are a trend, though not new but very popular. Therefore, smart home is
increasingly demanding change and improvement to meet the trend of the
times. Along with that, the smart home system is increasingly widely used,
contributing to improving the convenience in modern life today.
With the aim of accessing technology that is developing very fast and

strong. Therefore, I carry out the project with the desire to create a smart home
control center device through applications on Smartphone or Tablet which
include:
The model has the following functions:
- The devices in the smart home are controlled or automatically controlled
by Wifi signal, or 3g, 4g,..
- Monitoring function of temperature and humidity, indoor gas warning,.
The device uses NodeMCU ESP8266 kit as the central microcontroller to
control expansion modules such as sensor modules or motors.

6


CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Nội dung chính của chương này gồm:
- đặt vấn đề
- mục tiêu
- nội dung nghiên cứu
- kết luận

1.2 Đặt vấn đề
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng trong lĩnh vực khoa học công nghệ, việc
đưa các sản phẩm công nghệ với đời sống thường ngày ngày càng phổ biến, nhằm mục
đích phục vụ nhu cầu sống ngày càng cao của con người, trong đó có “Nhà thông
minh” là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh trong thời gian gần đây.
Vì mục tiêu cơng nghệ hiện đại hóa ngày càng phát triển, em đã quyết định làm
một đồ án “Xây dựng mơ hình nhà thơng minh”. Khi dự án hồn thành chúng ta có thể

cảnh báo trộm, báo khí gas rị rỉ, tự động tưới cây theo lịch trình và điều khiển các
thiết bị điện trong nhà… bằng cách tương tác qua các nút nhấn để hiển thị trạng thái
hoạt động trên web, giao diện Android và WPF trên máy tính. Như vậy, dù chúng ta ở
bất cứ nơi nào có internet đều có thể giám sát và điều khiển được các thiết bị đã kết
nối với module điều khiển. Khi dự án thành công và được áp dụng rộng rãi thì sẽ rất
tiện lợi cho cuộc sống thường ngày, giúp cho đất nước ngày càng phát triển.

1.3 Mục tiêu
Thiết kế và xây dựng được hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị trong nhà, điều
khiển các thiết bị thông qua App Android, Web trên các thiết bị như Smartphone hay
Tablet. Hệ thống tự động báo khí gas rị rỉ và bật tắt đèn vườn khi trời tối, đóng mở của
bằng RFID kiểm tra trạng thái cửa. Các thông số hiển thị như trạng thái cửa, trạng thái
thiết bị, nhiệt độ, độ ẩm, khí gas được hiển thị trên trên các giao diện App Android,
Web một cách trực quan và phải ứng dụng được vào thực tế.

1


1.4 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm 4 phần:
Nội dung 1: Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây, IOT và các chuẩn
truyền thông UART, I2C, SPI,.
Nội dung 2: Tìm hiểu về các ứng dụng thực tế, các giải pháp xây dựng mơ hình
nhà thơng minh.
Nội dung 3: Tính tốn và thiết kế xây dựng gồm có phần cứng và phần mềm.
Nội dung 4: Tiến hành chạy thử và đánh giá kết quả đạt được.

1.5 Kết luận
Kết luận về những gì đạt được trong quá trình thực hiện đồ án. Đưa ra thêm
những hướng phát triển khả thi cho đề tài để có thể ứng dụng tốt trong thưc tế.

2


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nội dung chính của chương này gồm:
- tổng quan về mạng cảm biến không dây
- các cấu trúc của mạng cảm biến
- các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến
- lý thuyết tổng quan về IOT

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các
thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang
học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô
lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến khơng dây có
thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một
điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Lợi thế
chủ yếu của chúng là khả năng xử lý tốc độ cao, triển khai hầu như trong bất kì loại
hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có
dây truyền thống.
Hệ thống mạng cảm biến không dây bao gồm các node cảm biến độc lập được bố
trí trong khơng gian, thường xun tương tác với nhau, với môi trường thông qua chức
năng cảm biến hoặc các tham số vật lý điều khiển và phương thức truyền thông không
dây để phối hợp, hỗ trợ lẫn nhau thực hiện các chức năng nhất định.
Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay
còn gọi là mote. Việc kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vơ tuyến tạo thành
mạng lưới trong không gian. Tùy vào giao thức cũng như ứng dụng khác nhau mà

mạng cảm biến sẽ được bố trí và truyền nhận khác nhau.

3


2.1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây trong thực tế khá phong phú và đa dạng, nhìn chung nó
được cấu thành từ các thành phần chính sau:
Node cảm biến: Thành phần chính của mạng cảm biến. Các node có chức năng thu
thập dữ liệu từ môi trường và truyền dữ liệu cho node Sink.
Trường cảm biến: Khoanh vùng không gian mạng cảm biến. Trong trường cảm
biến, các node có thể tương tác với nhau để gửi dữ liệu lên node chủ.
Node Sink: Là nút chịu trách nhiệm tương tác với các nút cảm biến. Các dữ liệu từ
các nút cảm biến được xử lý và chuyển đến các trạm cơ sở hoặc đến các AP ( Access
point ).

Hình 2.1 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây

Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến. Mỗi nút cảm biến
có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút trung tâm (sink),
node sink có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh.
Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm
biến, tích hợp phần cứng, mơi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất.

4


2.1.3 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây
Các node cảm biến phân bố dày đặc: Do đặc tính của mạng, các node được phân

bố dày đặc để đảm bảo việc giám sát, theo dõi các sự kiện được chính xác, khơng để
bỏ sót thơng tin.
Các node dễ bị hư hỏng: Các node được đặt trong phạm vi rộng lớn, trong các môi
trường khác nhau và chịu sự ảnh hưởng trực tiếp của các yếu tố môi trường tác động
nên dễ bị hư hỏng.
Giao thức mạng thay đổi thường xuyên: Do một mạng có thể thực hiện nhiều
nhiệm vụ khác nhau, mỗi nhiệm vụ đòi hỏi một số giao thức thích hợp, đồng thời, sự
biến đổi của sự kiện,.. đòi hỏi giao thức mạng phải thay đổi đáp ứng yêu cầu của ứng
dụng.
Node bị giới hạn về công suất, khả năng tính tốn và bộ nhớ: Đây chính là điểm
hạn chế nhất đối với WSN, các node cảm biến được phân bố rộng rãi trong một phạm
vi nhất định, liên lạc với nhau và với thiết bị bên ngoài thông qua truyền thông không
dây nên bị hạn chế về nguồn cung cấp, đồng thời kích thước của node phải đủ nhỏ để
không bị phát hiện.
Các node không đồng nhất vì số lượng node là lớn, và được phân bố không đồng
đều dựa trên nhu cầu giám sát, theo dõi thực tế. Hơn nữa, do hạn chế về năng lượng và
hỏng hóc,.. nên mật độ node cảm biến trong mạng sẽ khơng đồng nhất.
Do đó, sự phát triển mạng cảm biến phải được thực hiện dựa trên cải tiến về cảm
biến, thơng tin và tính tốn (giải thuật trao đổi dữ liệu , phần cứng và phần mềm),.. để
đáp ứng yêu cầu cơ bản của các ứng dụng.
2.1.4 Các khó khăn khi thiết kế mạng cảm biến không dây
 Giới hạn về năng lượng: đây là vấn đề đáng chú nhất nhất khi thiết kế mạng
cảm biến. Thông thường các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng
các nguồn năng lượng có sẵn như pin. Khi số lượng nút mạng tăng lên, u cầu tính
tốn là nhiều, khoảng cách truyền lớn thì năng lượng tiêu thụ là rất lớn.
Để đảm bảo được các node mạng hoạt động trong thời gian dài, việc tối ưu hóa về
năng lượng khi thiết kế là điều vô cùng cần thiết. Đây là bài toán đặt ra cho người thiết

5

kế làm sao lựa chọn phần cứng tiêu thụ ít năng lượng cũng như lựa chọn các giao thức
định tuyến phù hợp.
 Giới hạn về băng thông (tốc độ truyền): tốc độ truyền thông vô tuyến hiện nay
chỉ giới hạn ở 10-100kbits/s. Sự giới hạn này ảnh hưởng đến truyền tin giữa các nút:
Tốc độ chậm sẽ dẫn đến kéo dài thời gian chết của các nút mạng dẫn đến lãng phí năng
lượng.

 Giới hạn về phần cứng: do có một số ứng dụng yêu cầu số lượng nút mạng
phải lớn trong phạm vi diện tích hẹp , do đó u cầu các nút mạng phải có kích thước
đủ nhỏ. Điều này sẽ hạn chế về năng lực tính tốn và khơng gian lưu trữ trên mỗi nút.
Ngồi việc nhỏ, các nút cảm biến cần phải tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí sản xuất
thấp, có khả năng hoạt động mà khơng cần kiểm sốt, thích nghi với nhiều mơi trường.
 Mơi trường hoạt động: do sử dụng sóng vơ tuyến nên bị ảnh hưởng bởi những
loại nhiễu bên ngoài : Sóng điện từ, sóng điện thoại mà có cùng dải tần. Do đó thơng
tin có thể bị mất mát hoặc sai lệch khi về trạm gốc. Vậy khi thiết kế ta cũng cần chú ý
đến môi trường để chọn loại nút cảm biến cho phù hợp.
 Khả năng chịu lỗi: thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường ngay cả
khi một số nút mạng không hoạt động do thiếu năng lượng hay do ảnh hưởng môi
trường, hư hỏng vật lý.
 Khả năng mở rộng, di động: khi thiết kế mạng ta cần quan tâm đến việc mạng
có khả năng mở rộng để đáp ứng được các yêu cầu thực tế. Vì khi nghiên cứu một số
hiện tượng, số lượng nút cảm biến có thể lên đến hàng trăm nghìn nút. Ngồi ra, các
nút có thể di động hoặc cố định, do đó khi thiết kế mơ hình định tuyến phải tính đến
điều này.

2.2 Cấu trúc của mạng cảm biến
2.2.1 Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng
và chức năng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của

bộ tiếp sóng (Router) đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn
đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ và phân chia thời

6


gian truyền nhận một cách dễ dàng. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện
là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số.

2.2.2 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm
gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định
sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ
thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định
sẵn.
Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu khơng
đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp:
Cấp 0: Cảm nhận
Cấp 1: Tính tốn
Cấp 2: Phân phối
Cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính tốn, và
cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu.

7
Hình 2.3 Cấu trúc tầng
Hình 2.2 Cấu trúc phẳng


2.3 Các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến không dây
2.3.1 Công nghệ Bluetooth

2.3.1.1 Tổng quan về Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử có thể giao
tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vơ tuyến qua băng tần chung trong
dãy tầng 2,40-4,48 GHz. Nó là một chuẩn điện tử, những tiêu chuẩn kỹ thuật này đảm
bảo cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ
Bluetooth. Ngày nay phần lớn các nhà máy đều sản xuất các thiết bị có sử dụng
Bluetooth. Các thiết bị này gồm có điện thoại di động, máy tính và thiết bị hỗ trợ cá
nhân.
Mục đích: Thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân,
kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện từ lại với nhau một cách thuận lợi, giá thành rẻ.
2.3.1.2 Đặc điểm của Blutooth
Bluetooth có những tính năng nổi bật sau :
 Tốc độ truyền dữ liệu tối đa: 1Mb/s
 Kết nối: Vô hướng
 Giải tần sử dụng: 2,4 GHz
 Vùng phủ sóng: 10m


Năng lượng tiêu thụ: Tương đối thấp, cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết
bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.

 Khoảng cách giao tiếp cho phép

8


Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngồi trời và 5m trong
tịa nhà. Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access Point có thể lên đến 100m ngoài trời
và 30m trong nhà.
 Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này

với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thể
độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
 Bluetooth dùng được trong giao tiếp tiếng nói: Có 3 kênh để truyền tiếng nói

là 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
 An toàn và bảo mật: Được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa.

2.3.1.3 Chuẩn IEEE 802.15
Công nghệ Bluetooth chỉ được truyền thông trong mạng WPAN. Mặc dù nó đã
được phát triển từ giữa những năm 1990, nhưng mãi đến năm 2002 sự hiện diện của nó
mới trở lên thơng dụng ở các thiết bị từ máy tính xách tay (laptops) cho tới chuột, máy
quay phim và điện thoại di động nhỏ (cell phones). Viện công nghệ Điện và Điện Tử
IEEE đã đưa ra chuẩn 802.15 và được sử dụng trong mạng WPAN với các tốc độ
truyền dữ liệu khác nhau như: 802.15.1 có tốc độ truyềndữ liệu trung bình, trong khi
802.15.3 có tốc độ truyền dữ liệu cao và 802.15.4 có tốc độ truyền thấp.
IEEE 802.15.1 đặc tả công nghệ Bluetooth đã được thiết kế để cho phép kết nối
không dây băng thông hẹp cho các thiết bị như: máy tính xách tay, chuột, bàn phím,
máy in, tai nghe, điện thoại di động, ...truyền thông với nhau.
IEEE 802.15.3 đang được phát triển cho mạng Ad hoc với lớp MAC phù hợp cho
truyền dữ liệu đa phương tiện. Chuẩn 802.15.3 đặc tả tốc độ truyền dữ liệu lên tới
55Mbps trong dải tần 2,4Ghz.
IEEE 802.15.4 định nghĩa giao thức liên kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thơng
sóng vơ tuyến trong hệ thống mạng một người dùng. Chuẩn này sử dụng phương pháp
đa truy cập cảm nhận sóng mang tránh xảy ra xung đột (CSMA/CA). IEEE 802.15.4
cũng chỉ định lớp vật lý sử dụng kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp (DSSS) ở băng tần
2,45GHz hỗ trợ tốc độ lên tới 250 Kbps và trải phổ từ 868 đến 20,915MHz tốc độ dữ
liệu khoảng 20 Kbps đến 40 Kbps, phạm vi phủ sóng < 20m.

9