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

Phan Tuấn Hải

THUẬT TỐN ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN LOGIC MỜ
TÍCH HỢP MÁY HỌC NHẰM CẢI TIẾN THỜI GIAN
SỐNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


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

Phan Tuấn Hải

THUẬT TỐN ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN LOGIC MỜ
TÍCH HỢP MÁY HỌC NHẰM CẢI TIẾN THỜI GIAN
SỐNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
Mã số:

8.48.01.04

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. TRẦN CƠNG HÙNG

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023

TP.HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng đề án tốt nghiệp thạc sĩ: “Thuật tốn định tuyến dựa trên
logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến khơng
dây” là cơng trình nghiên cứu của chính tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Khơng có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong đề án
này mà khơng được trích dẫn theo đúng quy định.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 08 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Phan Tuấn Hải


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề án tốt nghiệp thạc sĩ,
ngoài nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình q báu của q
Thầy Cơ, cùng với sự động viên và ủng hộ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Với

lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới:
Thầy PGS.TS. Trần Cơng Hùng, người thầy kính u đã hết lòng giúp đỡ,
hướng dẫn, động viên, tạo điều kiện cho tơi trong suốt q trình thực hiện và hồn
thành đề án tốt nghiệp thạc sĩ.
Ban Giám Đốc, Phòng đào tạo sau đại học và quý Thầy Cô đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành đề án.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong cơ quan đã
động viên, hỗ trợ tôi trong lúc khó khăn để tơi có thể học tập và hồn thành đề án.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nỗ lực, nhưng do thời gian và kinh nghiệm nghiên cứu
khoa học cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Tơi rất mong nhận
được sự góp ý của quý Thầy Cô cùng bạn bè đồng nghiệp để kiến thức của tơi ngày
một hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 08 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Phan Tuấn Hải


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................v
DANH SÁCH BẢNG ...............................................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài ..........................................................4
3. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................5
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................5
4.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................5
4.2. Phạm vi nghiên cứu ...........................................................................6
5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................6
5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ....................................................6
5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ..............................................6
6. Bố cục đề án ........................................................................................................6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ......................................................................7
1.1. Giới thiệu chung ...............................................................................................7
1.1.1. Mạng cảm biến khơng dây (WSN) .................................................7
1.1.2. Đặc điểm và tính chất của WSN .....................................................9
1.1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ....................................10
1.2. Fuzzy logic và ứng dụng trong mạng cảm biến không dây ...........................15
1.3. Học máy và ứng dụng trong mạng cảm biến khơng dây ................................17
1.4. Một số thuật tốn định tuyến phổ biến trong WSN........................................19
1.4.1. Thuật toán LEACH .......................................................................19
1.4.2. Thuật toán LEACH mở rộng ........................................................21


iv

1.4.3. Các thuật tốn khác.......................................................................21
1.5. Mơ phỏng WSN ..............................................................................................24
1.5.1. Matlab ...........................................................................................24
1.5.2. Python ...........................................................................................25
CHƯƠNG 2: CÁC CƠNG TRÌNH LIÊN QUAN ................................................26
2.1. Các cơng trình liên quan thuật tốn LEACH .................................................26

2.1.1. LEACH .........................................................................................26
2.1.2. LEACH-C .....................................................................................30
2.2. Các cơng trình liên quan đến Fuzzy Logic .....................................................31
2.3. Các cơng trình liên quan đến học máy ...........................................................35
CHƯƠNG 3: THUẬT TỐN ĐỀ XUẤT .............................................................39
3.1. Mơ hình nghiên cứu........................................................................................39
3.2. Thuật tốn đề xuất ..........................................................................................40
3.3. Tiêu chí đánh giá ............................................................................................49
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................51
4.1. Môi trường thực nghiệm.................................................................................51
4.2. Kết quả thí nghiệm mơ phỏng ........................................................................52
4.3. Nhận xét và thảo luận .....................................................................................57
KẾT LUẬN ..............................................................................................................59
1. Kết quả nghiên cứu của đề tài ...........................................................................59
2. Hạn chế đề tài ....................................................................................................59
3. Vấn đề kiến nghị và hướng đi tiếp theo của đề tài ............................................59
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................61


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

BS


Base Station

Trạm gốc hay còn gọi là sink

CH

Cluster Head

Trưởng cụm

LEACH

Low-Energy
Adaptive
Clustering Hierarchy
Cluster Head Election
mechanism using Fuzzy
logic
Analog-To-Digital
Converte

Phân cụm thích ứng năng
lượng thấp

SP

Bộ chuyển đổi tương tự sang
số
Time Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo
Access

thời gian
Set up phase
Pha thiết lập

SSP

Steady state phase

Pha ổn định

ADV

Advertisement

Bản tin quảng cáo

FL

Fuzzy Logic

Suy luận mờ

FIS

Fuzzy Inference System

Hệ thống suy luận mờ

CHEF
ADC

TDMA

Cơ chế lựa chọn trưởng cụm sử
dụng logic mờ


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Chín quy tắc mờ if-then của thuật toán CHEF Fuzzy ..............................34
Bảng 3.1: Tập mờ đề xuất .........................................................................................42
Bảng 4.1: Bảng tham số mô phỏng ...........................................................................51
Bảng 4.2: Bảng so sánh tuổi thọ mạng giữa LEACH, LEACH-C, LEACH-CD và
thuật toán đề xuất LEACH-FK .................................................................................56


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1: Một mạng cảm biến khơng dây điển hình [1] ................................................1
Hình 2: Ứng dụng trong cơng nghiệp .........................................................................1
Hình 3: Ứng dụng trong nơng nghiệp đo nhiệt độ, độ ẩm ..........................................2
Hình 4: Ứng dụng trong quân sự.................................................................................2
Hình 5: Ứng dụng trong y tế .......................................................................................2
Hình 6: Ứng dụng trong giao thơng ............................................................................3
Hình 7: Ứng dụng trong gia đình ................................................................................3
Hình 1.1: Một mạng cảm biến khơng dây điển hình [5] .............................................8
Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản một nút trong mạng cảm biến [6] .....................................9
Hình 1.3: Cảm biến mơi trường ................................................................................11
Hình 1.4: Ứng dụng trong chăn ni và trồng trọt....................................................12

Hình 1.5: Ứng dụng trong cơng nghiệp ....................................................................13
Hình 1.6: Ứng dụng trong giao thơng .......................................................................13
Hình 1.7: Ứng dụng trong thiết bị tự động gia đình .................................................14
Hình 1.8: Ứng dụng trong quân sự............................................................................14
Hình 1.9: Ứng dụng trong y tế ..................................................................................15
Hình 1.10: Ví dụ về Logic mờ trong hiệu điện thế ...................................................16
Hình 1.11: Các thuật tốn học máy [16] ...................................................................17
Hình 1.12: Kiến trúc IoT kết nối cho mẫu nông trại thông minh [16]. .....................18
Hình 1.13: Mơ hình giao thức LEACH .....................................................................19
Hình 1.14: Hoạt động giao thức LEACH..................................................................20
Hình 1.15: Mơ hình WSN cài đặt trong MatLab ......................................................25
Hình 2.1: Hoạt động giao thức LEACH....................................................................26
Hình 2.2: Cấu trúc của hệ thống suy luận mờ (FIS) .................................................32
Hình 2.3: Các WSN sử dụng ML [35] ......................................................................36
Hình 2.4: Ứng dụng ML giải quyết các vấn đề của WSN [35] ................................38
Hình 4.1: Mạng khởi tạo ban đầu bởi fuzzy logic ....................................................52


viii

Hình 4.2: k-Means thay đổi các cụm và trọng tâm của cụm .....................................53
Hình 4.3: Kết quả chạy thuật tốn đề xuất LEACH-FK ...........................................53
Hình 4.4: Kết quả chạy thuật tốn LEACH ..............................................................54
Hình 4.5: Kết quả chạy thuật tốn LEACH-C ..........................................................55
Hình 4.6: Kết quả chạy thuật tốn LEACH-CD .......................................................55
Hình 4.7: So sánh 4 thuật toán ..................................................................................56


1


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết, con người đã ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không
dây (WSN - Wireless Sensor Network) [1] trong nhiều lĩnh vực quan trọng và tiện
dụng như trong công nghiệp và kinh tế - xã hội. Mỗi nút cảm biến trong mạng có khả
năng thu thập dữ liệu từ mơi trường xung quanh, xử lý dữ liệu đó và truyền tải thông
tin thu được qua mạng. Nhờ vào sự linh hoạt, khả năng tự cấu hình và khả năng phục
hồi sau khi bị lỗi, WSN đã tạo ra nhiều giải pháp mới trong việc giám sát và kiểm
sốt mơi trường, quản lý năng lượng, và hỗ trợ các quyết định thông minh. WSN
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như mơi trường, y tế, cơng nghiệp, qn
sự,…

Hình 1: Một mạng cảm biến khơng dây điển hình [1]

Một số ứng dụng của WSN:
Trong công nghiệp: nhận biết độ ẩm, nhiệt độ, mức độ, mật độ trong nhà máy
lớn [2], điều khiển các thiết bị tự động, robot, phát hiện các vật liệu độc hại hoặc nguy
hiểm của hóa chất,…

Hình 2: Ứng dụng trong cơng nghiệp


2

Môi trường, nông nghiệp: dựa vào độ ẩm, nhiệt độ để phát hiện cháy rừng,
tưới tiêu, giám sát lũ lụt, gió, mưa, bão, phát hiện ơ nhiễm, độ PH,…

Hình 3: Ứng dụng trong nông nghiệp đo nhiệt độ, độ ẩm

Quân sự: phát hiện mìn, kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự, theo dõi mục tiêu,…


Hình 4: Ứng dụng trong quân sự

Trong y tế: cảm biến để theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…

Hình 5: Ứng dụng trong y tế


3

Giao thông: Hệ thống định vị phương tiện, hệ thống báo hiệu kẹt xe,…

Hình 6: Ứng dụng trong giao thơng

Trong gia đình: hệ thống cảm biến giao tiếp và điều khiển với các thiết bị
thơng minh.

Hình 7: Ứng dụng trong gia đình

Tuy nhiên, thời gian sống của các nút cảm biến rất ngắn vì đặc điểm của mạng
cảm biến khơng dây là năng lượng bị giới hạn (thường là pin), các nút cảm biến khó
có thể nạp bổ sung năng lượng do các cảm biến phân tán rộng nên khó thu hồi lại,


4

một số cảm biến nằm trong môi trường nguy hiểm, độc hại, vì vậy phải có giải pháp
để kéo dài thời gian sống của WSN.
Nhằm nâng cao thời gian sống của các cảm biến, bằng cách quản lý tốt và hiệu
quả năng lượng, cần phải xây dựng một thuật toán định tuyến sau:

•

Xét trên một mạng lưới cảm biến khơng dây với các nút cảm biến được

triển khai trong không gian điện tốn đám mây.
•

Do các nút cảm biến tiêu hao năng lượng không đồng đều, dẫn đến một số

nút cảm biến ngưng hoạt động gây ảnh hưởng đến việc thu thập dữ liệu, truyền dữ
liệu về trạm gốc, gây ảnh hưởng đến thời gian sống của mạng.
Từ đó, đề xuất một thuật toán xác định nút trưởng cụm hiệu quả, loại bỏ một
số nút khơng thích hợp làm trưởng cụm nhằm thu thập đầy đủ dữ liệu và để cải thiện
thời gian sống của mạng cảm biến không dây. Đề tài như sau: “Thuật toán định
tuyến dựa trên logic mờ tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng
cảm biến khơng dây”.

2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Trên thế giới, có nhiều giải thuật đã hạn chế mức tiêu thụ năng lượng của các
cảm biến bằng cách tổ chức các nút mạng thành nhiều khu vực hoặc nhiều cụm, mỗi
cụm được quản lý bởi một nút trưởng cụm, nút trưởng cụm thu thập dữ liệu từ các
nút thành viên và xử lý dữ liệu tại nút trưởng cụm trước vì có thể có dữ liệu trùng lặp
nhằm giảm năng lượng tiêu thụ của tồn hệ thống, sau đó truyền về trạm gốc để hạn
chế tiêu thụ năng lượng.
Hiện nay, các nhà khoa học đã đưa ra một trong những cách mới để nâng cao
hiệu suất (thời gian sống của mạng, số nút còn sống, năng lượng cịn lại, năng lượng
trung bình) của các WSN là sử dụng các giải thuật định tuyến giúp giảm tiêu hao năng
lượng.
Việc kéo dài thời gian sống của WSN dựa trên các thuật toán định tuyến phân
cụm LEACH, LEACH – C, CHEF (Cluster Head Election mechanism using Fuzzy

logic), DCHFC (Dynamic Cluster Head Selection Using Fuzzy Logic on Cloud) [3].


5

Trong số các cơng trình nghiên cứu ứng dụng nêu trên, nghiên cứu về vấn đề
giải thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây đã và đang được các nhà khoa
học trên thế giới cũng như trong nước quan tâm.

3. Mục tiêu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Mục tiêu chính của đề tài là đề xuất thuật tốn định tuyến dựa trên logic mờ
tích hợp máy học nhằm cải tiến thời gian sống của mạng cảm biến không dây.
Xuất phát từ mục tiêu chính trên, đề án hướng tới những mục tiêu cụ thể như
sau:
•

Nghiên cứu các thuật toán cải thiện thời gian sống của các nút mạng trên

WSN như: các thuật toán như giao thức phân cụm LEACH, LEACH-C, LEACH-CD,
logic mờ. Nghiên cứu cách thực hiện tối ưu trong việc chọn cụm để kéo dài thời gian
sống trong WSN.
•

Nghiên cứu logic mờ và máy học, tích hợp máy học và logic mờ để tăng

thời gian sống của WSN.
•

Đề xuất thuật tốn định tuyến hợp lý với logic mờ tích hợp máy học để


tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ của các nút nhằm kéo dài thời gian sống của
WSN.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
•

Mạng cảm biến khơng dây và tính chất, đặc điểm mạng cảm biến khơng

dây (WSN).
•

Các thuật tốn phân cụm LEACH, LEACH-C, LEACH-CD… nhằm tăng

thời gian sống của WSN.
•
WSN.

Các thuật tốn Fuzzy logic và máy học nhằm cải thiện thời gian sống cho


6

4.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu:
•

Nghiên cứu các kiến trúc WSN.


•

Tìm hiểu về giao thức phân cụm LEACH và các biến thể của LEACH.

•

Các giao thức dựa trên logic mờ, máy học.

5. Phương pháp nghiên cứu
5.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
•

Tìm hiểu các phương pháp định tuyến hiện nay, tìm hiểu về mạng và kiến

trúc WSN.
•

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về thuật tốn phân cụm k-Means.

•

Tìm hiểu sự kết hợp của phân cụm k-Means với logic mờ trên WSN.

5.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Mô phỏng thuật tốn đề xuất thơng qua phần mềm Matlab hoặc ngơn ngữ
Python, phân tích kết quả đạt được so với một số thuật toán được nghiên cứu trước
đây.

6. Bố cục đề án
Bên cạnh phần mở đầu, phần kết luận và phần tài liệu tham khảo, phần nội

dung chính của đề án được chia thành 4 chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương 2: Các cơng trình liên quan
Chương 3: Thuật toán đề xuất
Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá


7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Giới thiệu chung
1.1.1. Mạng cảm biến không dây (WSN)
Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) có thể hiểu đơn
giản là mạng liên kết các cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vơ tuyến, hồng ngoại
hoặc những phương tiện quang học, trong đó các nút cảm biến thường là các thiết bị
đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp... và có số lượng lớn, được phân bố một cách khơng
có cấu trúc cụ thể (non-topology) sử dụng nguồn năng lượng có giới hạn (pin), có
thời gian hoạt động từ vài tháng đến vài năm và có thể hoạt động trong mơi trường
khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...). Một số các nút cảm biến có khả năng di
chuyển, bằng cách gắn các cảm biến này vào các thiết bị di động.
Các nút cảm biến mạng không dây (sensor node) thường có chức năng: Cảm
ứng, quan sát mơi trường xung quanh (như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng...), theo dõi hay
định vị các mục tiêu cố định hoặc di động... Các nút giao tiếp với nhau và truyền dữ
liệu về trung tâm một cách gián tiếp [4], tất cả các nút được theo dõi và giám sát bởi
một trạm gốc (BS hay base station) [5]. Các nút có thể truyền dữ liệu trực tiếp hoặc
truyền đa chặng (multihop) về trạm điều khiển để tiếp tục phân tích dữ liệu và đưa ra
các kết luận về môi trường đang được theo dõi, kiểm sốt.
Lưu lượng dữ liệu có mức độ thấp và khơng liên tục, do đó, để tối ưu năng
lượng, các nút cảm biến thường sử dụng nhiều chế độ hoạt động/nghỉ khác nhau. Đặc
biệt, thời gian mà một nút cảm biến dành cho chế độ nghỉ thường nhiều hơn rất nhiều

so với thời gian hoạt động, giúp tối đa hóa việc sử dụng năng lượng.
Để thu thập toàn diện dữ liệu về môi trường xung quanh, mạng cảm biến không
dây được triển khai với một số lượng đáng kể các nút cảm biến, số lượng này có thể
lên đến hàng trăm hoặc thậm chí hàng ngàn tùy thuộc vào diện tích của khu vực được
giám sát. Do đó, việc quản lý các nút trong mạng cảm biến trở nên đầy thách thức và
phức tạp.


8

Các nút mạng cảm biến có giới hạn về năng lượng, cũng như khả năng lưu trữ
và xử lý dữ liệu còn hạn chế. Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm
biến không dây là việc tiêu thụ năng lượng. Các nút cảm biến trong mạng thường
hoạt động bằng năng lượng từ pin, và việc thay thế pin cho hàng trăm hoặc hàng ngàn
nút cảm biến có thể là cơng việc khó khăn và tốn kém. Do đó, cách duy nhất để duy
trì kết nối mạng là sử dụng năng lượng có hiệu quả để kéo dài tuổi thọ của toàn bộ
mạng. Các ứng dụng sử dụng mạng cảm biến khơng dây địi hỏi phải duy trì kết nối
không ngừng với khu vực mà chúng được triển khai, và bất kỳ sự cố nào có thể làm
giảm hiệu quả của việc sử dụng cảm biến. Để đảm bảo tuổi thọ mạng, việc tối ưu hóa
và sử dụng hiệu quả năng lượng có sẵn là lựa chọn duy nhất và cần thiết. Ngoài ra,
tiết kiệm năng lượng trong WSN không chỉ giúp gia tăng tuổi thọ của mạng, mà cịn
giúp tiết kiệm chi phí và giảm tác động đến mơi trường.

Hình 1.1: Một mạng cảm biến khơng dây điển hình [5]


9

1.1.2. Đặc điểm và tính chất của WSN
Mạng cảm biến [6] gồm các nút cảm biến, các nút này phải thỏa mãn một số

yêu cầu nhất định tùy theo ứng dụng: chúng có thể cảm biến chính xác các thơng số
mơi trường, có khả năng tính tốn và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng
thu phát sóng để truyền thơng với các nút lân cận. Mỗi nút cảm ứng được cấu thành
bởi bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử lý (processing unit),
bộ thu phát không dây (transmission unit) và bộ nguồn (power unit). Tuỳ theo ứng
dụng cụ thể, nút cảm biến cịn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị
trí (position finding system), bộ sinh năng lượng (power generator) và thiết bị di động
(mobilizer). Các thành phần trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2: Cấu trúc cơ bản một nút trong mạng cảm biến [6]

Bộ cảm biến gồm đầu cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Đầu
cảm biến thu thông tin từ môi trường và ADC chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu
số để bộ xử lý có thể xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với một bộ nhớ nhỏ để phân tích thơng tin từ
cảm biến và quản lý các quy trình tương tác với các nút khác, nhằm phối hợp thực
hiện các tác vụ cần thiết.
Bộ thu phát trong mạng cảm biến đảm bảo việc giao tiếp giữa nút cảm biến và
mạng thông qua các kết nối không dây như vô tuyến, hồng ngoại hoặc tín hiệu quang.
Một yếu tố thiết yếu trong một nút cảm biến trong mạng cảm biến là bộ nguồn.
Bộ nguồn thường được hỗ trợ bằng các bộ phận lọc như các tế bào năng lượng mặt


10

trời. Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, có thể có thêm các thành phần phụ trợ
khác. Đa số các phương pháp định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều địi
hỏi độ chính xác vị trí cao. Do đó, sẽ cần các bộ định vị, cũng như các thành phần di
động có thể được yêu cầu để di chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện
các nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như theo dõi sự di chuyển của một vật thể nào đó.

Tất cả các thành phần của nút cảm biến trong mạng phải được thiết kế sao cho
phù hợp với kích thước của module tương ứng. Bên cạnh yêu cầu về kích cỡ, nút cảm
biến cịn phải đáp ứng một số tiêu chuẩn nghiêm ngặt khác, bao gồm việc tiêu thụ
năng lượng ở mức tối thiểu, khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện mật độ nút
cảm biến cao, chi phí sản xuất thấp, khả năng tự hoạt động và thích nghi với mơi
trường.
Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây [6]: Bên cạnh những
ưu điểm và các ứng dụng hữu ích, mạng cảm biến khơng dây cũng tồn tại những hạn
chế và khó khăn khi triển khai thực tế. Nhiều yếu tố tác động đến hoạt động của một
mạng cảm biến khơng dây:
•

Thời gian sống bên ngồi

•

Sự đáp ứng

•

Hiệu suất và khả năng tự cấu hình

•

Tính khơng đồng nhất

•

Khả năng thích nghi và mở rộng


1.1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSN đã được áp dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự. Cùng với sự tiến bộ
của ngành công nghiệp tự động, robot, thiết bị thông minh, môi trường và y tế, WSN
ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều khía cạnh khác nhau của cuộc sống con người.
Sự đa dạng trong ứng dụng của WSN đã góp phần đáng kể vào việc cải thiện và nâng
cao chất lượng công việc của chúng ta. Một số ứng dụng phổ biến phải kể đến của
WSN như là:
Cảm biến thu thập thông tin về điều kiện môi trường: Các mạng cảm biến
không dây được dùng để theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm,


11

lượng mưa; cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai hay theo dõi chất lượng nước,
khơng khí hay độ ơ nhiễm môi trường,…cụ thể như:
Phát hiện sớm những thảm họa như cháy rừng: Bằng việc phân tán các nút
cảm ứng trong rừng, mỗi nút cảm ứng có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên
quan đến cháy như: nhiệt độ, khói,… Các dữ liệu thu thập được truyền đến trung tâm
điều khiển để phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm. Nếu phát hiện các yếu tố
nguy cơ, trung tâm điều khiển sẽ đưa ra cảnh báo, điều này sẽ giúp phát hiện sớm và
ngăn chặn được thảm họa cháy rừng lan rộng.
Cảnh báo lũ lụt: Hệ thống bao gồm các cảm biến về lượng mưa, mực nước.
Những cảm biến này truyền tải thông tin đến hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm, cho
phép phân tích và cảnh báo lũ lụt kịp thời.
Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: Các cảm biến đo độ rung được
phân bố trên mặt đất hoặc dưới lòng đất ở các khu vực dễ xảy ra động đất hoặc gần
các ngọn núi lửa. Mục đích của việc này là để theo dõi và đưa ra cảnh báo sớm về các
hiện tượng như động đất và phun trào núi lửa.

Hình 1.3: Cảm biến môi trường


Nông nghiệp là lĩnh vực mà WSN có thể cung cấp một giải pháp khả thi và
tối ưu để theo dõi độ ẩm, độ ẩm, nhiệt độ v.v… Trong nơng nghiệp chính xác, nhiều
thơng số cần được kiểm sốt ví dụ như đo lượng mưa. Các trang trại trồng trọt có quy


12

mơ diện tích lớn, và có thể nhận được mưa nhiều hay ít điều quan trọng là phải biết
được khu vực nào đã nhận được đủ lượng nước, tiết kiệm chi phí trong việc tưới tiêu.
Ngồi ra hệ thống cũng có thể cung cấp cho người nơng dân cái nhìn toàn diện về các
yếu tố như độ ẩm của đất, nhiệt độ, nhu cầu sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và
phân bón, cũng như mức độ tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và nhiều yếu tố khác được
đo lường. Nhiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây cũng được sử dụng trên các
vật nuôi, xác định nhu cầu điều trị để ngăn ngừa ký sinh trùng hay có thể được sử
dụng để theo dõi nhiệt độ trong tồn trại, giữ cho động vật an tồn.

Hình 1.4: Ứng dụng trong chăn nuôi và trồng trọt

Cảm biến điều khiển, giám sát và tự động hóa: Điều khiển, giám sát trong
công nghiệp: Công nghệ mạng không dây đã chứng tỏ tiềm năng lớn cho các ứng
dụng công nghiệp: các phép đo có thể được thu thập, theo dõi hệ thống dây chuyền
sản xuất. Một cơ sở cơng nghiệp có phịng điều khiển theo dõi có các chỉ số và hiển
thị mô tả trạng thái của nhà máy (trạng thái van, điều kiện của thiết bị, nhiệt độ và áp
suất của vật liệu lưu trữ...). Ngoài ra mạng cảm biến khơng dây có thể sử dụng các
cảm biến để phát hiện các vật liệu độc hại hoặc nguy hiểm, xác định các rị rỉ hoặc sự
đổ tràn các hóa chất độc hại có thể gây ra nguy hiểm đến tính mạng con người.


13


Hình 1.5: Ứng dụng trong cơng nghiệp

Trong giao thơng các cảm biến được lắp đặt trong các phương tiện ô tơ với
mục đích hỗ trợ q trình điều khiển và tương tác với cơ sở hạ tầng giao thông như
đường sá và biển báo. Nhờ sử dụng cảm biến, việc di chuyển trở nên an toàn hơn,
giảm thiểu rủi ro tai nạn giao thơng và hỗ trợ q trình điều tiết, phân luồng giao
thơng hiệu quả hơn.

Hình 1.6: Ứng dụng trong giao thông

SmartHome là thuật ngữ chỉ ngôi nhà thông minh với các ứng dụng tự động
thông minh không dây. Ứng dụng điều khiển từ xa có thể áp dụng cho nhiều thiết bị
như TV, máy DVD, hệ thống âm thanh, đèn, cửa và khóa khi chúng được tích hợp
với kết nối cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây (WSN) cịn có thể hoạt
động như một hệ thống an ninh gia đình tồn diện, giúp phát hiện ra sự cố như cửa
sổ bị hỏng hay các vấn đề khác.


14

Hình 1.7: Ứng dụng trong thiết bị tự động gia đình

Ứng dụng qn sự: một trong những lợi ích tuyệt vời của mạng cảm biến
khơng dây là chúng có thể được sử dụng để thay thế con người khỏi nguy hiểm, bằng
cách này, con người có thể dị tìm các mìn sát thương, khảo sát chiến trường, quân
địch với sự tấn cơng bằng vũ khí hạt nhân, hóa học... Ngồi ra, các mạng cảm biến
khơng dây cịn được sử dụng để định vị và xác định các mục tiêu tấn công tiềm năng
và để hỗ trợ tấn công bằng cách tìm qn đội liên minh và xe khơng người lái, hay
được trang bị micro âm thanh, cảm biến rung động địa chấn, cảm biến từ trường,

radar băng thông cực đại và các cảm biến khác.

Hình 1.8: Ứng dụng trong quân sự

Ứng dụng trong y tế để theo dõi sức khỏe thể lực như nhịp tim, tốc độ hô hấp
của người bệnh thông qua các bộ cảm biến đeo và gửi thơng tin tới máy tính để phân
tích hay theo dõi và lưu lại chỉ số đường huyết mỗi ngày của người bệnh tiểu đường
và theo dõi bệnh nhân rối loạn mãn tính [7]. Ngày nay việc ứng dụng các cảm biến
sinh học ngày một phổ biến, các cảm biến có thể phát hiện enzyme, axit nucleic…và
không đắt tiền, nên đã hình thành nhiều ứng dụng trong dược phẩm và chăm sóc y tế.


15

Hình 1.9: Ứng dụng trong y tế

Nói chung, WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và
con người và giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống viễn thông khác
nhằm đem lại lợi ích thiết thực trong đời sống con người.

1.2. Fuzzy logic và ứng dụng trong mạng cảm biến không dây
Fuzzy Logic (Logic Mờ) [8] là một kỹ thuật trong lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo
(Artificial Intelligence - AI) được sử dụng để xử lý thông tin không chắc chắn, với
các giá trị đo lường có thể là mờ mờ, khơng chính xác. Fuzzy Logic được ứng dụng
rộng rãi trong các lĩnh vực như điều khiển tự động, điện tử, robot, hệ thống truyền
thông, kỹ thuật môi trường, và các ứng dụng trong các mạng cảm biến khơng dây.
Ví dụ về ứng dụng Fuzzy Logic là hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm trong
một phòng. Với một hệ thống điều khiển thông thường, bạn sẽ cần thiết lập một
ngưỡng nhiệt độ cụ thể (ví dụ: 25 độ C), và khi nhiệt độ tăng lên trên ngưỡng này, hệ
thống sẽ bật máy điều hòa để giảm nhiệt độ. Tuy nhiên, sử dụng Fuzzy Logic, các giá

trị nhiệt độ sẽ được đánh giá dưới dạng mờ, chứ không phải là chính xác, và các điều
kiện độ ẩm cũng được xem xét. Khi áp dụng Fuzzy Logic, hệ thống có thể chuyển
đổi máy điều hòa ở các chế độ khác nhau, để giữ nhiệt độ và độ ẩm trong phòng ở
mức độ tốt nhất mà không bị quá lạnh hoặc quá khô.