ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thế Sơn

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, VẬN HÀNH VÀ ĐO THỬ NGHIỆM
MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2006

TIEU LUAN MOI download :


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thế Sơn

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, VẬN HÀNH VÀ ĐO THỬ NGHIỆM
MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY

Ngành:
Mã số:

Cơng Nghệ Thơng tin
1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Vương Đạo Vy

Hà Nội - 2006

TIEU LUAN MOI download :


Mục lục
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY. ..........................5
1.1. Mạng cảm nhận khơng dây . ........................................................................5
1.1.1. Các dạng ứng dụng của mạng cảm nhận. ............................................5
1.1.1.1. Thu thập dữ liệu môi trƣờng. ......................................................5
1.1.1.2. Giám sát an ninh. ........................................................................6
1.1.1.3. Theo dõi đối tƣợng. ....................................................................7
1.1.2. Các chỉ tiêu hệ thống. ..........................................................................8
1.1.2.1.Thời gian sống .............................................................................8
1.1.2.2. Độ bao phủ ..................................................................................9
1.1.2.3. Chi phí và tính dễ triển khai .......................................................9
1.1.2.4. Thời gian đáp ứng .....................................................................10
1.1.2.5. Độ chính xác về thời gian .........................................................11
1.1.2.6. Bảo mật .....................................................................................11
1.1.2.7. Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả ...........................................12
1.1.3. Các chỉ tiêu nút mạng. .......................................................................12
1.1.3.1. Năng lƣợng. ..............................................................................13
1.1.3.2. Tính mềm dẻo. ..........................................................................13
1.1.3.3. Sức mạnh. .................................................................................13
1.1.3.4. Bảo mật. ....................................................................................14

1.1.3.5. Truyền thơng. ............................................................................14
1.1.3.6. Tính tốn. ..................................................................................15
1.1.3.7. Đồng bộ thời gian. ....................................................................15
1.1.3.8. Kích thƣớc và chi phí................................................................15
1.2. Một số hƣớng phát triển trong lĩnh vực WSN ........................................16

TIEU LUAN MOI download :


1.2.1. Hệ điều hành nhỏ TinyOS. ................................................................16
1.2.2. Zigbee. ...............................................................................................18
1.2.2.1. Ngăn xếp Zigbee. ......................................................................18
1.2.2.2. Các mơ hình mạng của Zigbee. ................................................19
1.3. Kết luận ...................................................................................................21
CHƢƠNG 2. NÚT MẠNG. ......................................................................................22
2.1. Giới thiệu một số VĐK có thể làm nút mạng cảm nhận. ........................22
2.2. Giới thiệu vi điều khiển CC1010. ...........................................................23
2.2.1. Các đặc điểm chính . .........................................................................23
2.2.2. Cổng . ................................................................................................23
2.2.3. Ngắt . .................................................................................................23
2.2.3.1. Mặt nạ ngắt ...............................................................................25
2.2.3.2. Xử lý ngắt .................................................................................25
2.2.3.3. Thứ tự ƣu tiên ...........................................................................25
2.2.4. Biến đổi ADC . ..................................................................................26
2.2.5. Bộ định thời. ......................................................................................26
2.2.5.1. Timer0/Timer1 ..........................................................................26
2.2.5.2. Timer2/Timer3 ..........................................................................27
2.2.6. Bộ thu phát không dây. .....................................................................27
2.2.6.1. Miêu tả chung ...........................................................................27
2.2.6.2. Mạch ứng dụng RF ...................................................................29

2.2.6.3. Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lƣợng ...................31
2.2.6.4. Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu .....................................32
2.2.6.5. Tốc độ Baud ..............................................................................34
2.2.6.6. Truyền và nhận dữ liệu .............................................................35
2.2.7. Module CC1010EM ..........................................................................37
2.3. Kết luận. ..................................................................................................38

TIEU LUAN MOI download :


CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP GHÉP NỐI CC1010 VỚI CÁC LOẠI ĐẦU
ĐO VÀ CHƢƠNG TRÌNH THỰC HIỆN CHỨC NĂNG THU THẬP DỮ LIỆU. 39
3.1. Giới thiệu cảm biến .................................................................................39
3.1.1. Khái niệm. .........................................................................................39
3.1.2. Phân loại các bộ cảm biến . ...............................................................40
3.1.2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích ...........40
3.1.2.2. Theo dạng kích thích ................................................................41
3.1.2.3. Theo tính năng ..........................................................................42
3.1.2.4. Theo phạm vi sử dụng ..............................................................43
3.1.2.5. Theo thông số mơ hình mạch thay thế ......................................43
3.1.2.6. Theo dạng tín hiệu đầu ra .........................................................43
3.1.3. Các đặc trƣng cơ bản của bộ cảm biến . ............................................43
3.1.3.1. Hàm truyền ...............................................................................43
3.1.3.2. Độ lớn của tín hiệu vào .............................................................44
3.1.3.3. Sai số và độ chính xác ..............................................................44
3.1.4. Cảm biến số nối tiếp và cách ghép nối . ............................................45
3.2. Ghép nối giữa CC1010 với các loại cảm biến. .......................................48
3.2.1. Ghép nối với cảm biến áp suất MS5535 ...........................................48
3.2.2. Ghép nối với cảm biến nhiệt độ dạng tƣơng tự . ...............................51
3.3. Kết luận. ..................................................................................................52

CHƢƠNG 4. PHẦN MỀM NHÚNG .......................................................................53
4.1. Phần mềm nhúng. ....................................................................................53
4.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng ........................................................53
4.1.2. Các bƣớc cơ bản xây dựng một phần mềm nhúng ............................54
4.1.3. Phần mềm nhúng viết cho CC1010 ...................................................55
4.1.4. Gỡ lỗi .................................................................................................60
4.1.4.1 Giới thiệu ...................................................................................60

TIEU LUAN MOI download :


4.1.4.2 Các dạng gỡ lỗi ..........................................................................62
4.1.4.2.1 Giám sát ROM ..................................................................62
4.1.4.2.2 Mơ phỏng trên mạch .........................................................62
4.1.4.2.3 Gỡ lỗi On-Chip..................................................................63
4.1.4.3 Tóm tắt về gỡ lỗi ........................................................................65
4.1.4.4 Gỡ lỗi cho CC1010 ....................................................................66
4.2. Kết luận. ..................................................................................................68
CHƢƠNG 5. TRIỂN KHAI CHỨC NĂNG MẠNG VÀ CÁC THỬ NGHIỆM .....69
5.1. Thử nghiệm mạng gồm hai nút mạng. ....................................................69
5.1.1. Khảo sát quan hệ độ cao cột nƣớc-áp suất . ......................................70
5.1.2. Khảo sát độ ổn định của phép đo áp suất khi thay đổi nhiệt độ. .......73
5.1.3. Kiểm tra làm việc dài ngày và mức tiêu thụ điện của hệ thống. .......74
5.1.4. Khảo sát số liệu khí áp tại Hà nội. ....................................................76
5.2. Thử nghiệm mạng gồm nhiều nút mạng .................................................78
5.1.2. Biểu diễn cây trong bộ nhớ . .............................................................79
5.1.3. Định dạng dữ liệu truyền. ..................................................................84
5.3. Kết luận. ..................................................................................................85
KẾT LUẬN ...............................................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................88

PHỤ LỤC ..................................................................................................................90
Phụ lục 1. ........................................................................................................90
Phụ lục 2. ......................................................................................................107
Phụ lục 3. ......................................................................................................113

TIEU LUAN MOI download :


Danh sách hình vẽ
Hình 1.1 - Kiến trúc thành phần của TinyOS ...........................................................16
Hình 1.2 - Kiến trúc phần mềm nhúng sử dụng TinyOS và VĐK CC1010 ...............17
Hình 1.3 – Mơ hình mạng hình cây sử dụng TinyOS ................................................18
Hình 2.1 - Sơ đồ khối của bộ thu phát RF ................................................................28
Hình 2.2 - Một mạch ứng dụng CC1010 điển hình ...................................................30
Hình 2.3 - Tuần tự bật thu phát RF ...........................................................................32
Hình 2.4 - Mã hố Manchester .................................................................................33
Hình 2.5 - Đệm dữ liệu RF ........................................................................................35
Hình 3.1 - Hệ thống tự động điều khiển qúa trình ....................................................40
Hình 3.2 - Cảm biến tích hợp ....................................................................................45
Hình 3.3 - Sơ đồ giao tiếp điển hình giữa vi điều khiển và cảm biến số nối tiếp .....46
Hình 3.4 - Quan hệ giữa xung đồng bộ SCK và xung dữ liệu DATA. ......................47
Hình 3.5 - Sơ đồ giao tiếp giữa MS-5535 và CC1010 ..............................................48
Hình 3.6 - Giản đồ chu kỳ xung của PWM ...............................................................50
Hình 3.7 - Sơ đồ ghép nối giữa VĐK và cảm biến tương tự .....................................51
Hình 4.1 - Gỡ lỗi dạng Giám sát ROM .....................................................................62
Hình 4.2 - Gỡ lỗi dạng Mơ phỏng trên mạch ............................................................63
Hình 4.3 - Gỡ lỗi On-Chip ........................................................................................64
Hình 4.4 – Module CC1010EB .................................................................................66
Hình 4.5 – Giao diện gỡ lỗi của Keil μVision ...........................................................68
Hình 5.1 - Sơ đồ tổng quát của mạng có 2 nút mạng ...............................................69

Hình 5.2 - Sơ đồ khảo sát thực nghiệm .....................................................................70
Hình 5.3 - Giải thuật phần mềm nhúng trong CC1010 của nút Master ...................71
Hình 5.4 - Sự phụ thuộc của áp suất vào độ cao cột nước .......................................73
Hình 5.5 - Độ ổn định của áp suất theo nhiệt độ ......................................................74
Hình 5.6 - Thuật tốn làm việc của khối Slave .........................................................75
Hình 5.7 - Thuật tốn làm việc của khối Master ......................................................76
Hình 5.8 - Sự thay đổi khí áp ở Hà nội từ 08 đến 18/06/2005 ..................................78
Hình 5.9 - Mơ hình mạng dạng cây .......................................................................... 78
Hình 5.10 - Cấu trúc dữ liệu biểu diễn cây trong bộ nhớ .........................................80

Danh sách bảng biểu
Bảng 1: Ngắt và các tham số .................................................................................... 24
Bảng 2: Tốc độ baud theo tần số thạch anh ............................................................. 34

TIEU LUAN MOI download :


Bảng 3: Số liệu đo áp suất theo độ cao cột nước...................................................... 72
Bảng 4: Số liệu khí áp tại Hà nội từ 08 đến 18/06/2005 .......................................... 76

Bảng từ viết tắt.
Từ hoặc cụm từ
Mạng cảm nhận không dây
Đa truy cập trong mạng cảm nhận

Từ
viết tắt
WSN

Từ tiếng Anh

Wireless sensor network

S-MAC Sensor-Medium Access Control

Truyền nhận không dây

RF

Radio Frequency

Nhận

RX

Receive

Truyền

TX

Transmit

Vector cấp phát mạng
Nhận biết pha

NAV
PD

Network Allocation Vector
Phase Detector


Điều chế độ rộng xung

PWM

Pulse Width Modulation

Biến đổi tƣơng tự - số

ADC

Analog to Digital Converter

Khuếch đại công suất

PA

Power Amplifier

Khố chuyển dịch tần số

FSK

Frequency Shift Keyed

Mã quay về khơng

NRZ

Non-return to Zero


Khoá lặp pha

PLL

Phase Lock Loop

Dao động điều khiển bởi điện áp

VCO

Voltage Controlled Oscillators

Khuếch đại ồn thấp

LNA

Low Noise Amplifier

Truyền nhận không đồng bộ

UART

Universal Asynchronous Receiver
Transmitter

Hệ vi cơ điện tử

MEMS


Micro-Electro-Mechanical System

Vi điều khiển

VĐK

TIEU LUAN MOI download :


-

1 -

MỞ ĐẦU
Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor
Network- WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính tốn và truyền thơng vào một
thiết bị nhỏ. Thơng qua mạng hình lƣới (mesh networking protocols), những thiết bị
này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả năng của
từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hàng trăm thiết bị nhƣ vậy u cầu là phải có
cơng nghệ mới.
Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lƣợng lớn các thiết
bị nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi
theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trƣờng, để theo dõi cấu trúc hoặc tình
trạng thiết bị.
Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trƣờng từ xa với tần số lấy
dữ liệu thấp. Ví dụ, có thể dễ dàng đƣợc giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hoá học
bởi hàng trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập
tức phát hiện và báo cáo sự rị rỉ. Khơng giống những hệ thống có dây truyền thống,
chi phí triển khai cho WSN đƣợc giảm thiểu. Thay vì hàng ngàn mét dây dẫn thông
qua các ống dẫn bảo vệ, ngƣời lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào

nơi cần thiết. Mạng có thể đƣợc mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết
bị, không cần các thao tác phức tạp. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài
năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.
Để giảm thiểu chi phí lắp đặt, WSN cần phải có khả năng thay đổi linh hoạt
theo mơi trƣờng. Cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mơ hình mạng hay do mạng có
sự thay đổi giữa các chế độ làm việc. Ví dụ cùng một hệ thống mạng giám sát sự rị
rỉ trong một nhà máy hố chất có thể đƣợc cấu hình lại thành một mạng đƣợc thiết
kế từ trƣớc để khoanh vùng nguồn rò rỉ và tìm ra đúng chỗ. Mạng cũng có thể
hƣớng dẫn các cơng nhân đƣờng đi an tồn nhất khi có sự cố khẩn cấp.
Nhìn chung, khi con ngƣời nghĩ đến mạng không dây họ sẽ nghĩ đến các thiết
bị di động, PDA hay laptop. Những thiết bị này có giá thành cao và theo một mục
đích cho trƣớc và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có trƣớc. Ngƣợc lại, WSN sử dụng các

TIEU LUAN MOI download :


-

2 -

thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa dạng và không dựa trên bất
kỳ cơ sở hạ tầng đã có từ trƣớc. Khơng giống các thiết bị không dây truyền thống,
các nút mạng WSN không cần truyền trực tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới
trạm gần nó, rồi lần lƣợt truyền về trạm gốc theo dạng truyền thơng multihop.
Một ví dụ về mạng đƣợc đƣa ra trong hình 1. Nó minh hoạ một ứng dụng trong
nông nghiệp. Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập
một mô hình định tuyến, và truyền dữ liệu cho một trung tâm. Ứng dụng đòi hỏi
phải thiết thực, uyển chuyển, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng WSN. Nếu
một trong các nút lỗi, một mơ hình mạng mới đƣợc lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn
tiếp tục truyền dữ liệu. Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định

tuyến hơn.

Hình 1. Một ví dụ về ứng dụng của WSN trong nông nghiệp

Một thách thức cơ bản của WSN là đƣa các ràng buộc khắt khe vào trong một
thiết bị đơn lẻ. Các hệ xử lý nhúng với bộ nhớ cỡ kilobytes phải thực hiện các giao
thức mạng phức tạp theo dạng adhoc. Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị đƣợc
triển khai với số lƣợng lớn cần có kích thƣớc nhỏ và giá thành thấp. Kích thƣớc
giảm là điều chủ yếu dẫn đến giảm giá thành, cũng nhƣ khả năng cho phép các thiết
bị đƣợc sử dụng trong một dải rộng các ứng dụng.

TIEU LUAN MOI download :


-

3 -

Một khó khăn lớn là năng lƣợng tiêu thụ. Khi kích thƣớc vật lý giảm, cũng làm
giảm năng lƣợng tiêu thụ. Các ràng buộc về năng lƣợng sẽ tạo nên giới hạn về tính
tốn và lƣu trữ dẫn đến phải có kiến trúc mới. Nhiều thiết bị, nhƣ điện thoại di động
hay máy nhắn tin, giảm năng lƣợng tiêu thụ thông qua phần cứng truyền thông đƣợc
thiết kế đặc biệt. Một trạm WSN cần hỗ trợ cho một hệ các giao thức ứng dụng cụ
thể để làm giảm mạnh kích thƣớc, chi phí và năng lƣợng tiêu thụ cho ứng dụng đó.
Bản luận văn “Thiết kế chế tạo, vận hành và đo thử nghiệm mạng cảm nhận
không dây (wireless sensor network) trên cơ sở sử dụng chip vi điều khiển có mật
độ tích hợp cao làm nút mạng và xây dựng phần mềm nhúng nạp trong các vi
điều khiển này” sẽ tổng quát hoá WSN, đƣa ra các tiêu chí đánh giá đối với một
WSN cũng nhƣ tiêu chí đánh giá một nút mạng, đồng thời xây dựng một số thử
nghiệm mạng cảm nhận không dây dùng VĐK CC1010 của hãng Chipcon-Nauy.

Luận văn gồm 5 chƣơng nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục
và tài liệu tham khảo.
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đƣa ra những tiêu chí đánh giá cho
WSN cũng nhƣ tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận.
Chương 2: Nút mạng sẽ đƣa ra các tiêu chí đánh giá cho một nút mạng trong
WSN, đồng thời giới thiệu một vi điều khiển CC1010 để làm nút mạng.
Chương 3: Các phương pháp ghép nối CC1010 với các loại đầu đo và chương
trình thực hiện. Mục đích của chƣơng này nêu các phƣơng pháp ghép nối giữa vi
điều khiển CC1010 với các loại cảm biến bao gồm các loại cảm biến số nối tiếp và
cảm biến tƣơng tự. Chƣơng này cũng giới thiệu chi tiết về cách làm việc của
CC1010 với cảm biến áp suất MS5535 cũng là một dạng cảm biến số nối tiếp. Điều
này góp phần khẳng định khả năng ghép nối với nhiều loại cảm biến khác nhau của
CC1010.
Chương 4: Phần mềm nhúng. Mục đích của chƣơng này giới thiệu các bƣớc cơ
bản xây dựng một phần mềm nhúng và các phƣơng pháp gỡ lỗi cho phần mềm
nhúng.

TIEU LUAN MOI download :


-

4 -

Chương 5: Triển khai chức năng mạng và các thử nghiệm. Mục đích của
chƣơng này là đƣa ra một cách xây dựng một WSN dựa trên vi điều khiển CC1010.
Đa truy cập đƣợc xây dựng dƣới dạng hỏi-đáp. Bảng định tuyến hình cây chứa
trong các nút mạng. Các thử nghiệm đã thực hiện theo các tiêu chí độ ổn định
truyền dữ liệu, khả năng tiết kiệm năng lƣợng của các nút mạng.

Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
đƣợc đồng thời cũng đề cập đến công việc và hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai.
Tác giả luận văn này xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vƣơng Đạo
Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trƣờng Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà
nội, ngƣời đã hƣớng dẫn tận tình và giúp đỡ tơi rất nhiều trong quá trình thực hiện
luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Thế Sơn

TIEU LUAN MOI download :


-

5 -

CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Mạng cảm nhận không dây

1.1

Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm nhận + CPU + Radio = WSN
Từ công thức đơn giản trên, rất nhiều ứng dụng xuất hiện. Tuy nhiên, việc kết
hợp các cảm biến, radios, và CPU vào một mạng cảm nhận không dây (wireless
sensor network-WSN) đòi hỏi hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của các
thành phần phần cứng, cũng nhƣ hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết
phân bố hệ thống. Một thách thức là ánh xạ toàn bộ yêu cầu hệ thống vào một thiết

bị riêng lẻ. Để làm cho WSN trở nên thực tế, một kiến trúc cần đƣợc phát triển để
tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng.
Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống
các yêu cầu phần cứng mức thấp. Để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét, cần
tập trung vào một tập các dạng ứng dụng đƣợc sử dụng nhiều trong thực tế. Sử dụng
các dạng ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ kiến trúc.
Từ các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ.
1.1.1 Các dạng ứng dụng của mạng cảm nhận
Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây: thu thập dữ liệu môi
trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng. Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của
WSN đều thuộc ba dạng này.
1.1.1.1

Thu thập dữ liệu môi trƣờng
Mạng cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trƣờng ra đời đáp ứng cho

nhu cầu thu thập thông tin về môi trƣờng tại một tập hợp các điểm xác định trong
một khoảng thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hƣớng hoặc quy luật vận động
của mơi trƣờng. Bài tốn này đƣợc đặc trƣng bởi một số lớn các nút mạng, thƣờng
xuyên cung cấp thông số môi trƣờng và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base
station) có kết nối với trung tâm xử lý (thƣờng là hệ thống máy tính) phân tích, xử

TIEU LUAN MOI download :


-

6 -

lý, đƣa ra các phƣơng án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lƣu trữ số

liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là thời gian sống phải dài hay nói
cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lƣợng ít. Mạng cho ứng dụng thu thập
dữ liệu môi trƣờng thƣờng sử dụng topology dạng cây, mỗi nút mạng có một nút
cha duy nhất. Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ sẽ đƣợc gửi đến
cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo (nút ông),
cứ nhƣ vậy, dữ liệu sẽ đƣợc chuyển về trạm gốc.
Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:
-

Hiện tƣợng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lƣợng nút mạng lớn.

-

Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, khơng hoạt động. Để mạng

tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các
nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng.
-

Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải

quyết vấn đề tiêu thụ năng lƣợng của các nút mạng tối ƣu nhất.
-

Phần mềm nhúng phải đƣợc thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất

với bài tốn truyền thơng các thông số đo đƣợc nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng...
Phần mềm phải tƣơng thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định
theo thời gian.
1.1.1.2


Giám sát an ninh

Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm nhận là giám sát an ninh. Các mạng giám
sát an ninh đƣợc tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong mơi trƣờng liên tục
theo dõi một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thƣờng. Sự khác nhau chủ yếu
giữa giám sát an ninh và giám sát môi trƣờng là các mạng an ninh không thu thập
bất kỳ dữ liệu nào. Điều này có tác động lớn đến việc tối ƣu kiến trúc mạng. Mỗi
nút thƣờng xuyên kiểm tra trạng thái các cảm biến của chúng nhƣng chỉ truyền dữ
liệu khi có sự vi phạm an ninh. Việc truyền tức thời và tin cậy của thơng điệp cảnh
báo là u cầu chính của hệ thống.

TIEU LUAN MOI download :


-

7 -

Thêm vào đó, nó cần đƣợc xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động.
Nếu một nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần đƣợc thông báo. Đối
với các ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần đƣợc cấu hình sao cho các nút chịu
trách nhiệm xác nhận trạng thái các nút khác. Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang
hàng sẽ thông báo nếu một nút không hoạt động. Mô hình tối ƣu của một mạng
giám sát an ninh sẽ hoàn toàn khác với mạng thu thập dữ liệu.
Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu. Do
đó, tối ƣu là cây ngắn và rộng. Ngƣợc lại, với mạng an ninh cấu hình tối ƣu sẽ có
mơ hình mạng tuyến tính. Cơng suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con
của nó. Trong mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng
lƣợng tiêu thụ của mạng.

Sự tiêu thụ năng lƣợng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo
hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an
ninh cần đƣợc truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua
mạng tới trạm gốc có ảnh hƣởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng. Các nút mạng
cần có khả năng trả lời nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để
chuyển tiếp dữ liệu.
Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan
trọng hơn việc giảm chi phí năng lƣợng khi truyền. Điều này do các sự kiện cảnh
báo rất hiếm khi xảy ra. Trong mạng phịng cháy các cảnh báo gần nhƣ khơng bao
giờ xảy ra. Đối với sự kiện xảy ra 1 lần năng lƣợng chủ yếu đƣợc dành cho việc
truyền. Giảm độ trễ truyền sẽ làm tăng năng lƣợng tiêu thụ vì các nút định tuyến
phải giám sát các kênh radio thƣờng xuyên hơn.
Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lƣợng tiêu thụ dành cho việc xác nhận
chức năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo. Việc
truyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lƣợng của mạng.
1.1.1.3 Theo dõi đối tƣợng
Với các mạng cảm nhận khơng dây, các đối tƣợng có thể đƣợc theo dõi đơn
giản gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ. Nút cảm biến này sẽ đƣợc theo dõi khi

TIEU LUAN MOI download :


-

8 -

chúng đi qua một trƣờng các nút cảm biến đƣợc triển khai tại những vị trí đã biết.
Thay vì cảm nhận dữ liệu môi trƣờng, những nút này sẽ đƣợc triển khai để cảm
nhận các thông điệp RF của các nút gắn với các đối tƣợng. Những nút này có thể
đƣợc sử dụng nhƣ những thẻ để thơng báo sự có mặt của một thiết bị. Một cơ sở dữ

liệu có thể đƣợc sử dụng để ghi lại vị trí tƣơng đối của đối tƣợng với các nút mạng,
do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối tƣợng.
Không nhƣ mạng cảm nhận hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên
tục thay đổi topology khi các nút đi qua mạng. Trong khi sự kết nối giữa các nút tại
các vị trí cố định tƣơng đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay
đổi. Thêm vào đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia
nhập hay rời khỏi hệ thống. Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách
hiệu quả sự có mặt của các nút mới đi vào mạng.
1.1.2 Các chỉ tiêu hệ thống
Sau đây là các chỉ tiêu để đánh giá một WSN. Các chỉ tiêu chủ yếu là thời gian
sống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác thời gian,
bảo mật, và tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Các chỉ tiêu này lại liên quan với nhau.
Thƣờng thì khi tăng hiệu quả một tham số thì lại làm giảm hiệu quả của tham số
khác, ví dụ nhƣ tăng tốc độ lấy mẫu lại làm giảm thời gian sống. Mục đích ở phần
này hiểu rõ và cân bằng các chỉ tiêu với khả năng của hệ thống.
1.1.2.1 Thời gian sống
Có một giới hạn của mạng cảm nhận khơng dây đó là thời gian sống. Cả hai
ứng dụng giám sát môi trƣờng và giám sát an ninh các nút đều đƣợc đặt ở ngồi mơi
trƣờng, khơng có ngƣời giám sát theo hàng tháng hay hàng năm.
Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lƣợng
cung cấp. Mỗi nút cần đƣợc thiết kế quản lý năng lƣợng cung cấp nội bộ để tối đa
thời gian sống của mạng. Trong trƣờng hợp mạng an ninh, mỗi nút phải sống trong
nhiều năm. Một nút bị lỗi sẽ làm tổn thƣơng hệ thống an ninh.
Trong vài tình huống có thể dùng nguồn năng lƣợng ngồi. Tuy nhiên, vì ƣu
điểm chính của mạng khơng dây là tính linh hoạt dễ triển khai. Yêu cầu nguồn năng

TIEU LUAN MOI download :


-


9 -

lƣợng ngoài cho tất cả các nút mạng lại mâu thuẫn với ƣu điểm này. Một giải pháp
thoả hiệp là có một nhóm các nút đặc biệt đƣợc cấp nguồn ngồi.
Trong hầu hết các ứng dụng, đặc điểm chính của các nút là tự cấp nguồn.
Chúng sẽ có đủ năng lƣợng cho nhiều năm, hoặc có thể lấy năng lƣợng từ môi
trƣờng thông qua thiết bị khác, nhƣ năng lƣợng mặt trời hay nguồn áp điện. Cả hai
sự lựa chọn đều yêu cầu năng lƣợng tiêu thụ trung bình của các nút càng ít càng tốt.
Yếu tố quan trọng quyết định thời gian sống là năng lƣợng tiêu thụ radio. Một
nút cảm nhận không dây khi truyền hoặc nhận tín hiệu radio sẽ tiêu thụ năng lƣợng
lớn. Năng lƣợng tiêu thụ này có thể giảm đƣợc bằng cách giảm năng lƣợng truyền,
tức là giảm chu trình làm việc của radio.
1.1.2.2

Độ bao phủ

Bên cạnh thời gian sống, độ bao phủ là cũng là tham số đánh giá cho mạng
không dây. Nó có thuận lợi là khả năng triển khai một mạng trên một vùng rộng
lớn. Điều này làm tăng giá trị hệ thống đối với ngƣời dùng cuối. Điều quan trọng là
độ bao phủ của mạng không tƣơng đƣơng với khoảng cách kết nối không dây đƣợc
sử dụng. Kỹ thuật truyền multi-hop có thể mở rộng độ bao phủ của mạng. Về mặt lý
thuyết chúng có khả năng mở rộng vô hạn. Tuy nhiên, trong một khoảng cách
truyền xác định, giao thức mạng multi-hop làm tăng năng lƣợng tiêu thụ của các
nút, và sẽ làm giảm thời gian sống của mạng. Hơn nữa, chúng đòi hỏi một mật độ
tối thiểu, và sẽ làm tăng chi phí triển khai.
Ràng buộc khoảng cách dẫn đến việc mở rộng một số lƣợng lớn các nút. Giá
trị chủ yếu của mạng cảm nhận là khả năng mở rộng. Một ngƣời dùng có thể triển
khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Tăng số lƣợng các nút
trong hệ thống sẽ ảnh hƣởng tới thời gian sống. Càng nhiều điểm cảm nhận thì càng

có nhiều dữ liệu đƣợc truyền và sẽ làm tăng năng lƣợng tiêu thụ của mạng.
1.1.2.3

Chi phí và dễ triển khai

Ƣu điểm mấu chốt của mạng cảm nhận không dây là dễ triển khai. Ngƣời sử
dụng không cần phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN.

TIEU LUAN MOI download :


- 10 -

Để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Các nút đƣợc đặt vào
mơi trƣờng và có thể hoạt động ngay.
Lý tƣởng là, hệ thống cần phải tự cấu hình đối với sự sắp đặt nút vật lý. Tuy
nhiên, các hệ thống thực cần đặt các ràng buộc vào một sự sắp đặt nút hiện thời –
các nút khơng thể có khoảng cách vơ hạn. WSN cần có khả năng phản hồi khi
những sự ràng buộc bị vi phạm. Mạng cần phải có khả năng đánh giá chất lƣợng
của việc triển khai mạng và chỉ rõ các vấn đề tiềm ẩn. Điều đó nghĩa là các nút
mạng cần có khả năng tìm kết nối và xác định chất lƣợng kết nối.
Thêm vào đó, hệ thống cần thích nghi đối với sự thay đổi điều kiện mơi
trƣờng. Trong suốt thời gian sống, sẽ có thể thay đổi vị trí hay các đối tƣợng lớn có
thể gây nhiễu tới sự truyền thông giữa hai nút. Mạng cần có khả năng tự cấu hình lại
để khắc phục những điều này.
Việc triển khai và thiết lập cấu hình ban đầu chỉ là bƣớc đầu tiên trong chu kỳ
sống của mạng. Trong thời gian dài, tổng chi phí của hệ thống có thêm chi phí bảo
dƣỡng. Ứng dụng an ninh cịn có u cầu hệ thống phải rất mạnh. Để mở rộng khả
năng kiểm tra trƣớc khi triển khai, hệ cảm nhận cần đƣợc xây dựng để có thể thực
hiện việc tự bảo trì. Khi cần, nó có thể tạo ra các u cầu bảo trì ngồi.

Trong thực tế, một phần năng lƣợng đƣợc dành cho kiểm tra và bảo trì hệ
thống. Việc tạo ra thơng tin chẩn đốn và tái cấu hình sẽ làm giảm thời gian sống
của mạng, đồng thời cũng làm giảm tốc độ lấy mẫu.
1.1.2.4

Thời gian đáp ứng

Trong các ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng hệ thống là một thông số
quan trọng để đánh giá hệ thống. Một cảnh báo cần đƣợc tạo ra ngay lập tức khi
nhận thấy có một sự vi phạm. Dù hoạt động năng lƣợng thấp, các nút cần có khả
năng truyền tức thời các thơng điệp qua mạng càng nhanh càng tốt. Trong khi
những sự kiện nhƣ vậy là khơng thƣờng xun, chúng có thể xảy ra tại bất cứ thời
điểm nào mà không đƣợc báo trƣớc. Thời gian đáp ứng cũng quan trọng khi điều
khiển máy móc trong nhà máy. Những hệ thống này chỉ thành hiện thực nếu đảm
bảo đƣợc thời gian đáp ứng.

TIEU LUAN MOI download :


- 11 -

Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với các kỹ thuật làm tăng thời
gian sống của mạng. Thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách để các nút chỉ
hoạt động radio trong thời gian ngắn. Nếu một nút chỉ bật radio một lần trong một
phút để truyền hay nhận dữ liệu, nó khơng thể đáp ứng đƣợc đối với các ứng dụng
cho hệ thống an ninh.
Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong
toàn bộ thời gian. Những nút này có thể nghe các thơng điệp cảnh báo và chuyển
tiếp chúng theo đƣờng khi cần. Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ
thống.

1.1.2.5

Độ chính xác về thời gian

Trong ứng dụng theo dõi đối tƣợng và giám sát môi trƣờng các mẫu từ nhiều
nút có liên quan theo thời gian để xác định các hiện tƣợng khác thƣờng đƣợc theo
dõi. Tính chính xác của cơ chế tƣơng quan phụ thuộc vào tốc độ lan truyền của hiện
tƣợng đƣợc đo. Trong trƣờng hợp xác định nhiệt độ trung bình của một tồ nhà, các
mẫu chỉ đƣợc liên quan với nhau trong vòng cỡ hàng giây. Tuy nhiên, để xác định
cách phản ứng của tồ nhà đối với một trận động đất thì địi hỏi độ chính xác cỡ
mili giây.
Để đạt đƣợc độ chính xác theo thời gian, một mạng cần xây dựng và duy trì
một thời gian cơ sở tồn cục có thể đƣợc sử dụng để sắp xếp các mẫu và các sự kiện
theo thời gian. Trong một hệ phân tán, năng lƣợng cần đƣợc mở rộng để duy trì và
phân phát đồng hồ. Thông tin đồng bộ thời gian cần liên tục đƣợc truyền giữa các
nút. Tần số các thông điệp đồng bộ phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác của đồng hồ
thời gian.
1.1.2.6

Bảo mật

Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trƣờng đƣờng nhƣ vơ
hại nhƣng việc giữ bí mật thơng tin là rất quan trọng. Các hoạt động của một tồ
nhà có thể thu thập đƣợc dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và ánh sáng
của tồ nhà đó. Những thơng tin này có thể đƣợc sử dụng để sắp xếp một kế hoạch

TIEU LUAN MOI download :


- 12 -


tấn cơng vào một cơng ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các thơng tin
thu thập đƣợc.
Trong các ứng dụng an ninh, dữ liệu bảo mật trở nên rất quan trọng. Khơng chỉ
duy trì tính bí mật, nó cịn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp tính
bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng.
Việc sử dụng mã hoá và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lƣợng và băng
thơng. Dữ liệu mã hoá và giải mã cần đƣợc truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó
ảnh hƣởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lƣợng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian
sống mong đợi.
1.1.2.7

Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả

Trong một mạng thu thập dữ liệu, tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là tham số
đánh giá hiệu suất của hệ thống. Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là số mẫu lấy
đƣợc từ mỗi nút riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trung tâm. Thông thƣờng, các
ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2 mẫu trong 1 phút.
Trong một cây thu thập dữ liệu, một nút cần điều khiển dữ liệu của tất cả các
con cháu. Nếu mỗi nút con truyền một dữ liệu và một nút có 60 nút con cháu, nó
phải truyền 60 lần. Thêm vào đó nó cịn phải nhận 60 lần trong một chu kỳ lấy mẫu.
Tốc độ và kích thƣớc mạng ảnh hƣởng tới tốc độ lấy mẫu hiệu quả.
Một cơ chế để tăng tốc độ lấy thông tin là truyền dữ liệu thô và xử lý dữ liệu
nội mạng (innetwork processing). Các dạng nén khơng gian và thời gian có thể
đƣợc sử dụng để giảm yêu cầu về băng thông trong khi vẫn duy trì đƣợc tốc độ lấy
mẫu hiệu quả. Xử lý dữ liệu nội mạng có thể đƣợc sử dụng để xác định khi một sự
kiện quan tâm xảy ra và tự động lƣu trữ dữ liệu. Dữ liệu sau đó đƣợc truyền qua
mạng multi-hop khi băng thơng cho phép.
1.1.3 Các chỉ tiêu nút mạng
Sau đây là những chỉ tiêu để đánh giá một nút mạng trong WSN. Mục đích là

qua các chỉ tiêu đánh giá đó để có thể lựa chọn loại VĐK thích hợp và cũng để xây
dựng hệ thống hiệu quả.

TIEU LUAN MOI download :


- 13 -

1.1.3.1

Năng lƣợng

Để đạt đƣợc yêu cầu duy trì năng lƣợng hoạt động trong nhiều năm thì các nút
mạng cần phải tiêu thụ năng lƣợng rất thấp. Việc tiêu thụ năng lƣợng thấp chỉ đạt
đƣợc bằng cách kết hợp các thành phần phần cứng năng lƣợng thấp và chu trình
hoạt động ngắn. Trong thời gian hoạt động, truyền thơng radio sẽ tiêu thụ một phần
năng lƣợng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lƣợng của nút mạng. Các thuật
toán và các giao thức cần đƣợc phát triển để giảm hoạt động truyền nhận radio.
Điều này có thể đạt đƣợc bằng cách sử dụng sự tính tốn cục bộ để giảm luồng dữ
liệu nhận đƣợc từ cảm biến. Ví dụ, các sự kiện từ nhiều nút cảm biến có thể đƣợc
kết hợp cùng nhau thành một nhóm các nút trƣớc khi truyền một kết quả đơn lẻ qua
mạng cảm nhận.
1.1.3.2

Tính mềm dẻo

Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với các ngữ cảnh
khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời
gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm
dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý do chi phí mỗi thiết

bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể. Kiến trúc cần phải
đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì vậy, những thiết bị này địi
hỏi một mức độ cao về tính modul của phần cứng và phần mềm trong khi vẫn giữ
đƣợc tính hiệu quả.
1.1.3.3

Sức mạnh

Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải càng mạnh càng
tốt. Trong sự thực tế, hàng trăm nút mạng sẽ hoạt động trong nhiều năm. Để đạt
đƣợc điều này, hệ thống cần đƣợc xây dựng để vẫn có thể hoạt động khi một nút bị
lỗi. Modul hố hệ thống là một cơng cụ mạnh để phát triển hệ thống. Bằng cách
chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có thể
đƣợc kiểm tra đầy đủ trƣớc khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh. Để
làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể và có giao tiếp
chặt chẽ, để ngăn chặn các tƣơng tác không mong đợi. Để tăng sức mạnh hệ thống

TIEU LUAN MOI download :


- 14 -

khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu ngồi. Các mạng
thƣờng cùng tồn tại cùng với các hệ thống không dây khác, chúng cần có khả năng
để thích nghi theo các hành động khác nhau. Nó cũng phải có khả năng hoạt động
trong mơi trƣờng đã có các thiết bị khơng dây khác hoạt động với một hay nhiều tần
số. Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo một sự triển khai
thành công.
1.1.3.4


Bảo mật

Để đạt đƣợc mức độ bảo mật mà ứng dụng yêu cầu, các nút riêng lẻ cần có khả
năng thực hiện sự mã hoá phức tạp và thuật toán xác thực. Truyền dữ liệu khơng
dây rất dễ bị chặn. Chỉ có một cách bảo mật dữ liệu là mã hố tồn bộ dữ liệu
truyền. CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã. Để bảo mật toàn bộ
dữ liệu truyền, các nút cần tự bảo mật dữ liệu của chúng. Trong khi chúng khơng có
lƣợng lớn dữ liệu lƣu bên trong, chúng sẽ phải lƣu các khoá mã hoá đƣợc sử dụng
trên mạng. Nếu những khoá này bị lộ, tính bảo mật của mạng sẽ mất. Để có đƣợc
tính bảo mật tốt, cần phải rất khó để lấy đƣợc khố mã hóa từ một nút.
1.1.3.5

Truyền thơng

Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kỳ WSN là tốc độ truyền, năng lƣợng tiêu thụ và
khoảng cách. Trong khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạn bởi khoảng cách
truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnh hƣởng quan trọng tới
mật độ tối thiểu có thể chấp nhận đƣợc. Nếu các nút đƣợc đặt rất xa nó khơng thể
tạo đƣợc kết nối với mạng liên kết hoặc với một nút dự trữ để có đƣợc độ tin cậy
cao. Nếu khoảng cách truyền radio thoả mãn một mật độ nút cao, các nút thêm vào
sẽ làm tăng mật độ hệ thống tới một mức độ nào đó cho phép. Tốc độ truyền cũng
có ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền cao hơn làm cho khả
năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lƣợng tiêu thụ của mạng ít hơn. Khi tốc độ tăng,
việc truyền mất ít thời gian hơn và do đó địi hỏi ít năng lƣợng hơn. Tuy nhiên, khi
tăng tốc độ cũng thƣờng làm tăng năng lƣợng tiêu thụ radio. Mọi thứ trở nên bằng
nhau, một tốc độ cao sẽ tăng hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên, tăng tốc độ có ảnh

TIEU LUAN MOI download :



- 15 -

hƣởng lớn tới năng lƣợng tiêu thụ và u cầu tính tốn của nút. Tổng thể, lợi ích của
việc tăng tốc độ có thể đƣợc bù lại bởi các yếu tố khác.
1.1.3.6

Tính tốn

Hai việc tính tốn cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng
và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp. Có những yêu cầu giới
hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến. Khi dữ liệu tới trên
mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại/giải mã (record/decode) dữ
liệu tới. Tốc độ truyền cao hơn địi hỏi tính tốn nhanh hơn. Điều tƣơng tự cũng
đúng đối với xử lý dữ liệu cảm biến. Các cảm biến tƣơng tự có thể phát ra hàng
ngàn mẫu trong một giây. Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm lọc số,
trung bình hố, nhận biết ngƣỡng, phân tích phổ… Để tăng khả năng xử lý cục bộ,
các nút láng giềng có thể kết hợp dữ liệu với nhau trƣớc khi truyền đi trên mạng.
Các kết quả từ nhiều nút mạng có thể đƣợc tổng hợp cùng nhau. Xử lý nội mạng
này đòi hỏi thêm tài ngun tính tốn. Ngồi ra, ứng dụng xử lý dữ liệu có thể tiêu
thụ một lƣợng tính toán phụ thuộc vào các phép toán đƣợc thực hiện.
1.1.3.7

Đồng bộ thời gian

Để hỗ trợ sự tƣơng quan thời gian đọc cảm biến và chu trình hoạt động ngắn
của ứng dụng thu thập dữ liệu, các nút cần duy trì đồng bộ thời gian chính xác với
các thành viên khác trong mạng. Các nút cần ngủ và thức dậy cùng nhau để chúng
có thể định kỳ truyền thơng cho nhau. Các lỗi trong cơ chế tính thời gian sẽ tạo nên
sự khơng hiệu quả dẫn đến làm tăng chu trình làm việc. Trong các hệ phân tán, việc
trôi clocks theo thời gian là do cơ chế tính thời gian khơng chính xác. Phụ thuộc vào

nhiệt độ, điện áp, độ ẩm, thời gian dựa theo dao động sẽ không nhƣ nhau. Cần có cơ
chế đồng bộ hố cao để bù lại những sự khơng chính xác nhƣ vậy.
1.1.3.8

Kích thƣớc và chi phí

Kích thƣớc vật lý và giá thành của mỗi nút riêng lẻ có ảnh hƣởng tới sự dễ
dàng và chi phí khi triển khai. Tổng chi phí vật tƣ và chi phí triển khai ban đầu là
hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc chấp nhận các công nghệ WSN. Với một ngân sách
cố định, việc giảm giá thành trên mỗi nút sẽ làm cho có khả năng mua thêm nhiều

TIEU LUAN MOI download :


- 16 -

nút, triển khai một mạng thu thập với mật độ cao hơn, và thu thập đƣợc nhiều dữ
liệu hơn. Kích thƣớc vật lý cũng ảnh hƣởng tới sự dễ dàng khi triển khai mạng. Các
nút nhỏ hơn có thể đƣợc đặt ở nhiều vị trí hơn và đƣợc sử dụng trong nhiều tình
huống hơn. Trong tình huống theo dõi nút đối tƣợng, các nút nhỏ hơn, rẻ hơn sẽ
tăng khả năng theo dõi nhiều đối tƣợng hơn.
1.2 Một số hƣớng phát triển trong lĩnh vực WSN
1.2.1 Hệ điều hành nhỏ TinyOS

Hình 1.1

Kiến trúc thành phần của TinyOS

TinyOS là hệ điều hành sử dụng trong WSN do Trƣờng đại học Berkeley
nghiên cứu và phát triển. TinyOS sử dụng cơ chế đa truy cập S-MAC [18], sử dụng

ngôn ngữ nesC [8]. Truyền thông trong mạng sử dụng TinyOS là dạng multihop.
TinyOS có kích thƣớc nhỏ, mã nguồn mở, dùng mơ hình hƣớng sự kiện, với bộ lập
lịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song song trong sự hạn chế
về tài ngun tính tốn và không gian nhớ. TinyOS sử dụng bộ lập lịch thao tác kiểu
FIFO kết nối mềm dẻo giữa phần cứng và các ứng dụng. TinyOS cung cấp giao
diện mạng tiện dụng, dùng mơ hình truyền thơng Active Message (AM), phổ biến
và hiệu quả trong tính tốn song song hiệu năng cao. TinyOS do vậy, đã tạo ra khả
năng giao tiếp mạnh cho các nút mạng trong WSN.

TIEU LUAN MOI download :


- 17 -

TinyOS tạo ra khả năng giao tiếp mạnh cho các nút mạng trong WSN. Hiện
tại TinyOS đang đƣợc nghiên cứu, chuyển đổi để làm việc với VĐK CC1010, là
loại VĐK sẽ đƣợc dùng để xây dựng các thử nghiệm trong khn khổ luận văn.

Hình 1.2 Kiến trúc phần mềm nhúng sử dụng TinyOS và VĐK CC1010
Dựa trên TinyOS và các đặc trƣng của CC1010, kiến trúc phần mềm nhúng
cho WSN đƣợc đề xuất nhƣ biểu diễn ở hình 1.2. Tầng trung gian giữa TinyOS và
CC1010 là thƣ viện HAL (Hardware Abstraction Library), cho phép TinyOS tƣơng
tác với phần cứng.
Tầng phía trên TinyOS là giao thức dẫn đƣờng trong WSN. Nó vừa cho phép
truyền dữ liệu an tồn vừa hạn chế hiện tƣợng thắt cổ chai. Tầng trên cùng là các
ứng dụng đặc thù cho WSN bao gồm: module tự cấu hình mạng và tự cầu hình lại
mạng, module thực hiện việc đo các thông số môi trƣờng và chuyển về cho trạm
gốc. Hai module này hoạt động theo chế độ định kỳ: sau một khoảng thời gian nhất
định, nó đƣợc bộ định thời của CC1010 đánh thức và chuyển sang hoạt động; thực
hiện xong nhiệm vụ, lại chuyển về nghỉ. Thời gian cấu hình lại hệ thống và đo dữ

liệu không giống nhau và phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
Mơ hình mạng sử dụng TinyOS là mạng hình cây có dạng sau:

TIEU LUAN MOI download :