HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LƯƠNG THẾ ĐẠT

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
BẰNG OPNET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2014


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LƯƠNG THẾ ĐẠT

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
BẰNG OPNET
Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số: 60.48.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS. TS. TRẦN CÔNG HÙNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2014


3

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Lương Thế Đạt


4

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Công Hùng, giảng
viên Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng – cơ sở TPHCM, thầy đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin cảm ơn q thầy cô trong khoa Công nghệ thông tin – Học viện Cơng
nghệ Bưu chính Viễn thơng TPHCM đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến
thức quý báu trong những năm học vừa qua.
Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, các anh chị, bạn bè và đồng
nghiệp đã ủng hộ, giúp đỡ và động viên tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện
luận văn này.
TPHCM, ngày 20 tháng 06 năm 2014

Lương Thế Đạt


5

MỤC LỤC



6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
CDMA

Tiếng Anh
Code Division Multiple Access

Tiếng Việt
Đa truy nhập phân chia

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

theo mã
Đa truy nhập cảm nhận

DS-SS
GAF

theo sóng mang
Direct Sequence - Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
Geographic Adaptive Fidelity
Chính xác tương thích địa
Geographic and Energy-Aware


lý
Định tuyến dựa theo sự

Routing

nhận biết về địa lý và năng

IEEE

Institute of Electrical and

lượng
Viện kỹ thuật điện và điện

ISM

Electronic Engineers
Industrial, scientific, and medical

tử
Công nghiệp, khoa học, y

LEACH

Low-Energy Adaptive Clustering

tế
Phân nhóm phân bậc tương

MAC


Hierarchy
Media Access Control

thích năng lượng thấp
Điều khiển truy nhập mơi

Personal Area Network
Power-efficient Gathering in

trường
Mạng vùng cá nhân
Tập trung hiệu suất năng

Sensor Information System

lượng trong hệ thống thông

Quality of Service
Sensor Aggregates Routing
Sensor Management Protocol
Sensor Protocols for Information

tin cảm biến
Chất lượng dịch vụ
Giao thức cảm biến kết hợp
Giao thức quản lý cảm biến
Giao thức thông tin cảm

via Negotiation


biến thông qua sự đàm

Task Assignment and Data

phán
Đa truy nhập và phân chia

GEAR

PAN
PEGASIS

QoS
SAR
SMP
SPIN

TDMA


7

WPAN

Advertisement Protocol
Wireless Personal Area Network

theo thời gian
Mạng vô tuyến cá nhân


WSN
WMSN

Wireless Sensor Network
Wireless Multimedia Sensor

Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây

Network

đa phương tiện

DANH MỤC BẢNG


8

DANH MỤC HÌNH VẼ


9

MỞ ĐẦU
Ngay từ năm 2003, tạp chí Technology Review của viện công nghệ
Massachusetts đã đánh giá mạng cảm ứng không dây (WSN) là một trong mười công
nghệ hàng đầu sẽ làm thay đổi thế giới. Trong những năm gần đây, WSN đã nhận được
sự quan tâm từ nhiều tổ chức, các nhà nghiên cứu và nhiều công ty lớn như Microsoft,
Intel, Sun Microsystems. Nhờ đó, WSN đã và đang phát triển với tốc độ chóng mặt và

đạt được nhiều thành tựu đáng kể trên cả hai mặt nghiên cứu và ứng dụng thực tế.
Nhiều nước trên thế giới đã sử dụng WSN trên rất nhiều lĩnh vực như quốc
phòng (theo dõi các mục tiêu, phát hiện chất nổ), môi trường (quan sát mơi trường
sống), cơng nghiệp (giám sát q trình sản xuất, theo dõi chất lượng sản phẩm), y tế
(theo dõi tình trạng sức khỏe), giao thơng (phát hiện kẹt xe, theo dõi lưu lượng giao
thơng), gia đình (xây dựng ngôi nhà thông minh)…
Một trong những vấn đề lớn nhất đối với mạng cảm biến hiện nay là tối ưu hóa
việc sử dụng năng lượng để kéo dài thời gian sống của các nút cảm biến, do năng
lượng của các nút cảm biến là có giới hạn và khơng thể nạp lại. Một số giao thức định
tuyến đã được thiết kế cho WSN để giải quyết vấn đề nêu trên. Trong số đó, giao thức
định tuyến phân cấp lợi dụng cấu trúc của mạng để đạt được hiệu quả về năng lượng,
sự ổn định và khả năng mở rộng mạng.
Mục tiêu của đề tài “Đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây” là tập trung
nghiên cứu để đưa ra một giao thức định tuyến phân cấp được cải tiến dựa trên các giao
thức định tuyến phân cấp hiện có. Từ đó phân tích và đánh giá mức tiêu thu năng lượng
của mạng sử dụng giao thức định tuyến này.
Nội dung đề tài bao gồm 4 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về Mạng cảm biến
Chương 2: Định tuyến trong mạng cảm biến
Chương 3: Mơ hình giao thức định tuyến phân cấp cải tiến.


10

-

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
1.1. Khái niệm mạng cảm biến:
1.1.1. Định nghĩa:
Mạng cảm biến là một cấu trúc mạng bao gồm một số lượng lớn các nút cảm
biến được triển khai trong môi trường vật lý khắc nghiệt[1], các cảm biến này có khả
năng cảm nhận, xử lý thơng tin và kết nối với nhau để tạo ra một hệ thống mạng có khả
năng giám sát, theo dõi, thu thập dữ liệu trong một môi trường cụ thể như: trong rừng,
trong tòa nhà, trên đường…
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo
dõi và các ứng dụng trong y học.Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu
cầu sử dụng cịn rất đa dạng và khơng bị giới hạn.

1.1.2.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến:
Có 4 thành phần cơ bản tạo nên một mạng cảm biến:
• Các cảm biến được phân bố theo mơ hình tập trung hay phân bố rãi rác.
• Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vơ tuyến).
• Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (clustering).
• Bộn phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
Trong mạng cảm biến, các cảm biến được xem là thành phần quan trọng nhất
phục vụ cho các ứng dụng. Các cảm biến bao gồm nhiều loại: các cảm biến trường điện
từ; cảm biến tần số vô tuyến; cảm biến quang, hồng ngoại; cảm biến định vị, dẫn
đường; cảm biến đo đạc các thông số môi trường; các cảm biến phục vụ trong ứng
dụng an ninh, sinh hóa… Xuất phát từ mục đích và đặc điểm mơi trường sử dụng mà


11

các loại cảm biến được thiết kế với kích cỡ (từ vài mm cho tới vài chục cm) và giá
thành khác nhau (từ vài xu cho tới hàng trăm đô la Mỹ). Sự hạn chế về kích thước và
giá thành dẫn tới sự ràng buộc các nguồn tài nguyên trong cảm biến như: nguồn năng

lượng, bộ nhớ, tốc độ tính tốn và băng thơng.

1.1.3.Đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến:
Một nút cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý hay
còn goi là nút. Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết
nối giữa các nút cảm biến bằng sóng vơ tuyến. Tùy theo lĩnh vực ứng dụng, số lượng
nút trong WSN có thể thay đổi từ hàng trăm cho tới hàng ngàn nút và sử dụng mơ hình
định tuyến single-hop hoặc multi-hope.
Do số lượng nút trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên u
cầu thơng thường đối với 1 nút mạng là giá thành thấp (10 – 50 USD) và kích thước
nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2).
Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp, giá thành và yêu cầu hoạt động
trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng
nhất trong mạng cảm biến.
Một trong những ưu điểm lớn của WNS là chi phí triển khai và lắp đặt được
giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. Mạng có thể được mở
rộng theo ý muốn và tùy theo mục đích sử dụng mà có thể thiết kế các nút mạng sao
cho phù hợp. Các nút cảm nhận có bộ vi xử lý bên trong thay vì gửi dữ liệu thơ tới nút
đích có thể xử lý đơn giản và gửi dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu.
Các nút mạng có thể hoạt động trong các điều kiện mơi trường khắc nghiệt
chính vì vậy ngày nay WSN đã trở thành một giải pháp hấp dẫn và mang đến sự tiện lợi
nhiều phương diện và đặc điểm trong nhiều trường hợp kể cả việc làm giảm sự nguy
hiểm cho con người trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Một hệ thống WSN


12

hồn thiện có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an tồn của mơi trường hoặc định
vị sự di chuyển của các đối tượng trong phạm vi của nó.


Hình 1.1: Mơ hình cấu trúc mạng cảm biến khơng dây[2]

Hình 1.1 minh họa mơ hình cấu trúc của WSN thường dùng. Các cảm biến liên
kết theo giao thức multi-hop, phân chia nhóm (cluster) và chọn ra nút có khả năng tốt
nhất làm nút trung tâm (clustering node), tất cả các nút trung tâm sẽ truyền dữ liệu về
nơi xử lý chính (final processing node). Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông
truyền tải sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp,
thuật tốn phân chia nút theo nhóm và giao thức định tuyến cho mạng cũng phức tạp
hơn.

1.1.4. Phân loại mạng cảm biến khơng dây:
Dựa theo mơ hình kết nối và định tuyến các nút sử dụng mà WSN được phân
thành hai loại: loai 1(C1WSN) và loại 2(C2WSN) [2].


13

Loại một (C1WSN): WSN loại một sử dụng giao thức định tuyến động, một nút
có thể đómg vai trị trạm lặp để chuyển tiếp dữ liệu từ các nút khác. Do sử dụng giao
thức định tuyến động và phạm vi mạng lớn, nên cấu trúc mạng WSN loại một phức tạp
và chỉ thích hợp mơi trường rộng, cần truyền tải lượng dữ liệu lớn như: trong rừng,
trong thành phố,….

Hình 1.2: WSN loại một sử dụng giao thức định tuyến động[2].

Loại hai (C2WSN): WSN loại 2 sử dụng giao thức định tuyến tĩnh, sử dụng mơ
hình kết nối nút – nút hoặc nhiều nút – nút, có một kết nối tới nút trung tâm. Trong loại
này, các nút không chuyển tiếp dữ liệu cho nhau. Do sử dụng giao thức định tuyến tĩnh
và phạm vi mạng nhỏ(khoảng vài trăm mét) nên cấu trúc mạng WSN lại hai tương đối
đơn giản và thích hợp với cách mơi trường nhỏ, lượng dữ liệu cần truyền tải thấp như :

trong gia đình, trong nhà máy,….


14

Hình 1.3: WSN loại hai sử dụng giao thức định tuyến tĩnh các nút FN- SRWR đóng vai
trị là nút trung tâm[2].

1.1.5. Một số chuẩn mạng cảm biến:
Do phạm vi ứng dụng cua WSN rất rộng lớn, tính chất, đặc trưng của mạng phụ
thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể. Do vậy, các cơng ty, các phịng thí nghiệm vẫn
thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ...) phù
hợp cho từng ứng dụng cụ thể dựa trên các thiết bị phần cứng (transceiver chip) trên thị
trường. Một số chuẩn WSN được biết đến là:
• ALOHA system (U. of Hawaii)
• PRNET system (U.S. Defense)
• WINS (U. of California)


15

• PicoRadio (U. of California)
• MicroAMPS (M.I.T)
• MANET (Mobile ad-hoc Network)
• Zigbee: dựa trên physical layer và MAC layer của chuẩn WPAN 802.15.4

1.2. Mơ hình giao thức mạng:

Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến


1.2.1. Theo mơ hình OSI:
Lớp ứng dụng: Tùy từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng
dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có
một số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng sensor (SMP), giao thức
quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP), giao thức phân phối
dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP).
Lớp truyền tải: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu khi ứng dụng mạng cảm
biến yêu cầu. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm


16

vụ) có thể là giao thức UDP hay TCP thơng qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp
giữa sink và các nút cảm biến yêu cầu các giao thức kiểu UDP do các nút cảm biến hạn
chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này cịn phải tính đến sự tiêu thụ cơng suất, tính
mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu.
Lớp mạng: Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu cung cấp bởi lớp truyền
tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến ẩn chứa rất nhiều thách thức như mật độ các
nút dày đặc, năng lượng hạn chế… Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến
phải tuân thủ các nguyên tắc sau:
 Tính hiệu quả về năng lượng phải được đặt lên hàng đầu.
 Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.
 Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
 Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí.
Nhìn chung, lớp mạng được chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng: định
tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Về mặt hoạt động,
chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến
theo truy vấn (query- based), định tuyến negotiation-based, định tuyến theo chất lượng
dịch vụ (QoS-based), định tuyến kết hợp (coherent-based).
Lớp liên kết dữ liệu: chịu trách nhiệm ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu,

điều khiển lỗi và truy nhập mơi trường. Nó đảm bảo giao tiếp điểm - điểm, điểm – đa
điểm tin cậy. Mơi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động nên giao thức
điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả
năng tối thiểu hố việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
Lớp vật lý: chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế,
lập mã và tách sóng.
Bên cạnh đó, các phần quản lý cơng suất, quản lý di chuyển và quản lý nhiệm
vụ sẽ giám sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút


17

cảm biến. Những phần này giúp các nút cảm biến phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu
thụ công suất tổng thể thấp hơn.

1.2.2. Theo mặt phẳng quản lý:
Phần quản lý năng lượng: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến.
Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút
lân cận tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Tương tự, khi mức công suất của nút cảm
biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thơng báo nó có mức công
suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Cơng suất cịn lại sẽ được
dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di động: phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để
duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến có thể lưu vết của các nút cảm biến
lân cận. Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa cơng suất của nó và nhiệm vụ
thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong
một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực
hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm nên một số nút cảm biến thực hiện
nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức cơng suất của nó.

Những phần quản lý này cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng
nhau sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và
phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến.

1.3. Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến:
1.3.1. Cấu trúc phẳng:


18

Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.5), tất cả các nút đều ngang hàng
và đồng nhất về mặt hình dạng và chức năng. Chúng giao tiếp với sink qua multihop sử
dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Hình 1.5: Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trị của bộ tiếp
sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết tất cả các nguồn đều sử dụng cùng một
tần số để truyền dữ liệu, do đó chia sẻ thời gian là có thể. Mặc dầu vậy, hiệu quả chỉ đạt
được khi có nguồn chia sẻ đơn lẻ như thời gian, tần số…

1.3.2.Cấu trúc tầng:
Đối với cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.6), 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 cụm (cluster head).
Trong cấu trúc này, các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc, mỗi nút ở một mức xác
định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.6: Cấu trúc tầng của mạng cảm biến



19

Trong cấu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu không
đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực
hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính tốn, và cấp cao nhất trên cùng
thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.7)

Hình 1.7: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia khơng đồng đều giữa
các lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính tốn. Khi đó, các
sensor ở cấp thấp nhất có vai trị là một bộ lọc thông dải đơn giản, tách nhiễu khỏi dữ
liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này. Sự phân tích chức năng
của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút, còn gọi là sự phân
biệt theo logic.
Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một cách
logic bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác. Những chức năng
như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng xương sống, hoặc
kết hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên mạng phân cấp logic
(hình 1.7), và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự cơng bằng.
Khi các nút có khả năng tính tốn cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính tốn sẽ
được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn. Nếu khơng có “computer
servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiện các nhiệm vụ
như tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút có tài nguyên vật


20

lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Một nút với hệ thống

định vị tồn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai trị chủ chốt trong việc
định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ. Do vậy, rất nhiều các mạng cảm biến hiện
nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tất yếu. Qua những phân tích trên ta
thấy mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng do:
 Tuổi thọ cao hơn mạng phẳng: trong trường hợp phải tính tốn nhiều, một bộ xử
lý nhanh, các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế
riêng sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính tốn. Tuy
nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít
năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.
 Độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu,
thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng,
W

qua phân tích, thơng lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là ( n ),
trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ.
 Tính kinh tế của cấu trúc tầng: định vị các tài nguyên ở vị trí hoạt động hiệu quả
nhất. Quả thực, nếu triển khai các phần cứng thống nhất, chỉ cần một lượng tài
nguyên tối thiểu để mỗi nút thực hiện tất cả nhiệm vụ. Do số lượng các nút cần
thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, nên chi phí tồn mạng sẽ khơng
cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút với chi phí thấp thực hiện nhiệm
vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút với chi phí cao hơn được chỉ định
phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí tồn mạng sẽ giảm.
Tóm lại, dùng cấu trúc tầng đem lại sự tương thích giữa các chức năng trong mạng.

1.4. Các kỹ thuật truyền dẫn sử dụng trong mạng cảm biến:


21


1.4.1. Bluetooth:
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện điện tử giao tiếp
với nhau trong khoảng cách ngắn bằng song vô tuyến thông qua băng tần chung ISM
(Industrial Scientific Medical) trong dải tần 2,4 – 2,8 GHz dành riêng cho các thiết bị
không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế.
Đặc điểm của Bluetooth là công suất tiêu thụ thấp, giá thành rẻ. Bluetooth dùng
kỹ thuật trải phổ, song cơng hồn tồn. Khi kết nối điểm điểm cho phép cùng lúc kết
nối với 7 thiết bị đồng thời trong đó Bluetooth đóng vai trị như “master” cịn các thiết
bị khác đóng vai trị “slave”.
Bluetooth có thể giúp các thiết bị giao tiếp được với nhau ngay cả khi chúng
khơng được để chung trong một phịng chỉ cần chúng được để trong khoảng cách tối đa
là 100m, và tùy thuộc vào mức năng lượng của thiết bị đó. Các thiết bị có thể kết nối
với nhau nằm trong 3 mức năng lượng:
 Mức 3 (1 mW): phổ biến nhất cho phép kết nối trong phạm vi 10m
 Mức 2 (2,5 mW): ít thấy nhất, cho phép kết nối trong phạm vi 20m
 Mức 3 (100 mW): là mức có phạm vi kết nối xa nhất, tối đa là 100m
Tuy nhiên Bluetooth cũng có những nhược điểm nhất đinh như tốc độ truyền tin
thấp (khoảng 720kbps).

1.4.2. WLAN:
Là mạng LAN khơng dây với đặc điểm nổi bật là tính linh động, tốc độ cao hơn
và cung cấp cho số lượng người dùng với mật độ cao. Chuẩn IEEE 802.11g và 802.11n
là cần thiết cho ứng dụng băng thông rộng và mật độ cao. Chuẩn IEEE 802.11e là công
nghệ cung cấp chất lượng dịch vụ cao qua giao tiếp không dây. Chuẩn IEEE 802.11i
đáp ứng tốt yêu cầu bảo mật thông tin.


22

Tuy vậy WLAN cũng mang một số đặc điểm hạn chế như mơi trường kết nối

khơng dây là khơng khí nên khả năng bị tấn công của người dùng là khá cao, tín hiệu bị
nhiễu do tác động của các thiết bị khác. Bên cạnh đó, một mạng chuẩn với các thiết bị
chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét, nếu muốn mở rộng thì phải
mua thêm repeater hay access point dẫn đến chi phí tăng.

1.4.3. Zigbee:
Zigbee là một công nghệ được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE, đáp ứng cho
sự phát triển rộng khắp của mạng WSN.Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 cung cấp chuẩn tốc
độ dữ liệu thấp với thời gian sử dụng pin nhiều tháng tới nhiều năm và ít phức tạp.
Zigbee mang một số đặc điểm sau:
 Tốc độ truyền dữ liệu thấp.
 Phạm vi hoạt động tốt của Zigbee là 10m – 75m.
 Sử dụng cấu hình chủ tớ cho phép kết nối tối đa 254 nút mạng.
 Nút mạng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin
trong khoảng 15ms.

1.5. Ứng dụng:
Sự phát triển của ngành công nghiệp phần cứng cho phép tạo ra các cảm biến
với kích thước ngày càng nhỏ, giá thành ngày càng rẻ và khả năng xử lý ngày càng cao.
Bên cạnh đó, sự phát triển như vũ bão của Internet cùng những tiến bộ trong kỹ thuật
truyền tải không dây hứa hẹn sự phát triển đầy tiềm năng của mạng cảm biến không
dây.
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đã đạt
được những bước phát triển mạnh mẽ, tác động lớn đến ứng dụng của WSN trong rất
nhiều lĩnh vực. Giờ đây, WSN khơng cịn bị gị bó trong lĩnh vực qn sự như lúc mới


23

ra đời, WSN có thể ứng dụng được trong tất cả các lĩnh vực của đời sống con người

như quân sự (giám sát chiến trường, theo dõi mục tiêu, phát hiện phóng xạ, rà sốt bom
mìn…), mơi trường (phát hiện hoạt động núi lửa, giám sát cháy rừng, phát hiện động
đất), thương mại (điều khiển nhiệt độ, các hệ thống tự động, robot tự hành,…), y tế
(phân tích sức khỏe con người, giám sát bệnh nhân, phân tích nồng độ các chất,…), gia
đình (điều khiển từ xa các thiết bị, hệ thống tự động trong gia đình, giám sát an ninh,
…),…
Tùy theo mục đích và phạm vi hoạt động mà mạng cảm biến không dây loại một
hoặc mạng cảm biến không dây loại hai được sử dụng [3] [4].
 Chẳng hạn khi có thảm họa thiên nhiên xảy ra, một lượng lớn cảm biến được thả
từ trên không. Mạng lưới các cảm biến sẽ cung cấp cho người giám sát đầy đủ
thơng tin về vị trí người bị nạn, vùng nguy hiểm,… đảm bảo hiệu quả và an toàn
cho các hoạt động cứu nạn. Sử dụng mạng cảm biến không dây giúp hạn chế sự
có mặt trực tiếp của con người ở vùng nguy hiểm.

Hình 1.8: Minh họa hệ thống WSN phát hiện động đất và gửi dữ liệu về trạm quan
sát


24

 Trong quốc phòng và an ninh, mạng lưới cảm biến không dây giúp phát hiện sự
di chuyển của đối phương, phát hiện chất nổ, sóng vơ tuyến, phóng xạ, theo dõi
an ninh trong khu vực dân cư, phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm,… [5]
[6]

Hình 1.9: minh họa ứng dụng WSN giúp theo dõi vị trí tội phạm

 Đối với mục đích theo dõi giao thơng [7], hệ thống cảm biến được lắp đặt dọc
theo các con đường và trên các phương tiện giao thông. Mạng cảm biến không
dây tập hợp dữ liệu về tốc độ lưu thông, mật độ xe, số lượng xe và gửi về trung

tâm để xử lý. Mạng theo dõi hệ thống giao thông liên tục, cung cấp thông tin
cập nhật thường xuyên theo thời gian thực. Các thông tin này được dùng để
giám sát lưu lượng, điều phối giao thông hoặc cho các mục đích khác.


25

Hình 1.10: ứng dụng WSN để giám sát giao thơng trên đường

 Trong gia đình, WSN được ứng dụng để xây dựng ngôi nhà thông minh [8]. Các
cảm biến được lắp trên các thiết bị hoặc vị trí cần thiết sau đó kết nối thành
mạng truyền dữ liệu về nút trung tâm.

Hình 1.11: ứng dụng WSN trong gia đình

 Trong cơng nghiệp, sử dụng WSN giúp giám sát q trình sản xuất, theo dõi
chất lượng sản phẩm, theo dõi môi trường làm việc, quản lý nhân viên [9]…
Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc sẽ gửi dữ liệu liên tục về trung tâm
giúp người quản lý theo dõi được quá trình sản xuất.