ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀI NAM

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO
VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HOÀI NAM

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO
VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60 48 15

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN ĐÌNH VIỆT

Hà Nội - 2015

2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng
cá nhân, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận
văn, những điều được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ
nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và
được trích dẫn hợp pháp.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình./.
Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2015

HỌC VIÊN

Nguyễn Hoài Nam

3


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
 ............................................................................................
 6
 
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
 ......................................................................................................
 8
 
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
 .................................................................................................
 10
 

MỞ ĐẦU
 ..........................................................................................................................................
 11
 
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
 ..........................................................................................................
 12
 
1.1.
 Giới
 thiệu
 về
 WLAN
 và
 mạng
 MANET
 ........................................................................................
 12
 
1.1.1.
 Giới
 thiệu
 về
 WLAN
 ..................................................................................................................................
 12
 
1.1.2.
 Giới
 thiệu

 về
 MANET
 ................................................................................................................................
 13
 
1.2.
 Giới
 thiệu
 về
 WSN
 ............................................................................................................................
 14
 
1.3.
 
 Các
 chuẩn
 có
 thể
 áp
 dụng
 cho
 WLAN
 và
 WSN
 ........................................................................
 16
 
1.3.1.
 Chuẩn

 802.11
 cho
 WLAN
 .......................................................................................................................
 16
 
1.3.2.
 Chuẩn
 802.15.4
 –
 Zigbee
 ........................................................................................................................
 18
 
1.3.3.
 Các
 chuẩn
 khác
 có
 thể
 áp
 dụng
 trên
 thực
 tế
 ...................................................................................
 31
 
1.4.
 

 Các
 vấn
 đề
 phải
 giải
 quyết
 với
 mạng
 WSN
 ..............................................................................
 32
 
1.4.1.
  Mục
 tiêu
 thiết
 kế
 mạng
 WSN
 ............................................................................................................
 32
 
1.4.2.
  Các
 vấn
 đề
 đặt
 ra
 với
 WSN

 .................................................................................................................
 32
 
1.5.
 
 Mục
 tiêu
 nghiên
 cứu
 của
 luận
 văn
 ............................................................................................
 32
 
CHƯƠNG 2. MẠNG WSN
 ...........................................................................................................
 33
 
2.1.
 Kiến
 trúc
 hệ
 thống
 mạng
 WSN.
 ...................................................................................................
 33
 
2.1.1.

 Cấu
 trúc
 của
 nút
 cảm
 biến.
 .....................................................................................................................
 33
 
2.1.2
 Kiến
 trúc
 mạng
 cảm
 biến
 không
 dây.
 .................................................................................................
 35
 
2.2.
 Định
 tuyến
 trong
 mạng
 WSN.
 ......................................................................................................
 42
 
2.2.1.

 Giao
 thức
 SPIN
 ............................................................................................................................................
 42
 
2.2.2.
 Giao
 thức
 LEACH
 ........................................................................................................................................
 42
 
2.2.3.
 Giao
 thức
 PEGASIS
 ....................................................................................................................................
 48
 
2.3.
 Vấn
 đề
 xác
 định
 chính
 xác,
 kịp
 thời
 các

 sự
 kiện
 ....................................................................
 49
 
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG WSN GIÁM SÁT CÁC THAM SỐ SỨC KHOẺ CON
NGƯỜI
 .............................................................................................................................................
 50
 
3.1.
 Sự
 phát
 triển
 các
 ứng
 dụng
 WSN
 cho
 giám
 sát
 sức
 khoẻ.
 ...................................................
 50
 
3.2.
 Yêu
 cầu
 và

 các
 đặc
 điểm
 của
 WSN
 giám
 sát
 sức
 khoẻ
 ..........................................................
 52
 
3.2.1.
 Kiến
 trúc
 mạng
 ............................................................................................................................................
 52
 
3.2.2.
 Năng
 lượng
 ...................................................................................................................................................
 53
 
3.2.3.
 Các
 vấn
 đề
 an

 ninh
 trong
 WSN
 .............................................................................................................
 54
 
3.2.4.
 Các
 giao
 thức
 truyền
 không
 dây
 ..........................................................................................................
 54
 
3.3.
 Kiến
 trúc
 mạng
 cảm
 biến
 không
 dây
 giám
 sát
 sức
 khoẻ
 ....................................................
 55

 
3.3.1.
 Các
 tham
 số
 sức
 khoẻ
 được
 theo
 dõi
 .................................................................................................
 55
 
3.3.2.
 Các
 nút
 cảm
 biến
 ........................................................................................................................................
 56
 
3.3.3.
 Nút
 Sink
 ..........................................................................................................................................................
 57
 
3.3.4.
 Trạm
 giám

 sát
 từ
 xa
 ..................................................................................................................................
 57
 
3.4.
 Hệ
 thống
 các
 Sensor
 giám
 sát
 sức
 khoẻ
 có
 trên
 thị
 trường
 hiện
 nay
 .............................
 57
 
3.4.1.
 Cảm
 biến
 đo
 ô-­‐xy
 kiểu

 xung
 (Pulse
 oximeter)
 ..............................................................................
 57
 
3.4.2.
 
 Điện
 tim
 (EKG)
 ...........................................................................................................................................
 58
 
3.4.3.
 Mạch
 sensor
 phân
 tích
 chuyển
 động
 .................................................................................................
 59
 
3.4.4.
 Pluto:
 Một
 thiết
 kế
 cảm

 biến
 không
 dây
 có
 thể
 đeo
 được.
 .......................................................
 60
 
3.5.
 
 WSN
 giám
 sát
 sức
 khoẻ
 của
 LOBIN
 ...........................................................................................
 61
 
3.5.1.
 Mô
 tả
 hệ
 thống
 ............................................................................................................................................
 61
 

3.5.2.
 Các
 kết
 quả
 đạt
 được
 của
 hệ
 thống
 LOBIN
 ......................................................................................
 65
 
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT CÁC THAM
SỐ SỨC KHOẺ BẰNG NS-2
 .......................................................................................................
 70
 
4


4.1.
 Các
 công
 cụ
 mô
 phỏng
 ....................................................................................................................
 70
 

4.1.1
 TOSSIM
 ............................................................................................................................................................
 70
 
4.1.2
 OMNeT++
 .......................................................................................................................................................
 70
 
4.1.3
 NS-­‐2
 ..................................................................................................................................................................
 70
 
4.2.
 Bộ
 mô
 phỏng
 mạng
 NS-­‐2
 ...............................................................................................................
 71
 
4.3.
 Mô
 phỏng
 mạng
 WSN
 sử

 dụng
 cho
 việc
 giám
 sát
 sức
 khoẻ
 ...............................................
 74
 
4.3.1.
 Thiết
 lập
 Topo
 mạng
 ................................................................................................................................
 75
 
4.3.2.
 Thiết
 lập
 các
 tham
 số
 mô
 phỏng
 ..........................................................................................................
 75
 
4.3.3.

 Thiết
 lập
 các
 kịch
 bản
 mô
 phỏng
 .........................................................................................................
 76
 
4.4.
 Kết
 quả
 mô
 phỏng
 và
 đánh
 giá
 ....................................................................................................
 77
 

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
 .................................................................................
 81
 
1.
  Kết
 luận
 ..............................................................................................................................................

 81
 
2.
  Hướng
 phát
 triển
 của
 luận
 văn
 ...................................................................................................
 81
 
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 ............................................................................................................
 82
 
PHỤ LỤC
 .........................................................................................................................................
 83
 

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledgement

ADC


Analog Digital Converter

Adhoc

Mạng tự hợp di động

APS

Application Provided Sublayer

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CAP

Contention Access Period

CFP

Contention Free Period

CSMA/CA Carier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
CSMA/CD Carier Sense Multiple Access / Collision Detection
CTS

Clear To Send

DAPB


Data Acquisition and Processing Board

DCF

Distributed Coordination Function

ECG

Electrocardiogram

EEG

Electroencephalogram

EMG

Electromyogram

FFD

Full-Function Device

GTS

Guaranteed Time Slot

LAN

Local Area Network


LOBIN

LOcalización y Biomonitorización de pacientes a través de
redes INalámbricas en entornos hospitalarios

MAC

Media Access Control

MANET

Mobile Adhoc Network

MLME

MAC Sublayer Management Entity

MTU

Maximum Transfer Unit

NAM

Network Animator

NS-2

Network Simulator version 2


O-QPSK

Offset Quadrature Phase Shift Keying

PAN

Personal Area Network
6


Pbeacons

Period Beacon

PCF

Point Coordination Function

PD-SAP

PHY Data Service Access Point

PLME

Physical Layer Management Entity

PSDU

PHY Service Data Unit


Ptx_log

Period of time LWTBs

LWTBs

Location Wireless Transmission Boards

RFD

Reduced Function Device

RTS

Request To Send

SAP

Service Access Point

SpO2

Blood Oxygen Saturation

SSCS

Service Specific Convergence Sublayer

Tlisten


Time LWTBs spend listening to each channel available for
location

UDP

User Datagram Protocol

WDAD

Wearable Data Acquisition Device

WLAN

Wireless Local Area Network

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

WPAN

Wireless Personal Area Network

WSN

Wireless Sensor Network

WTB

Wireless Transmission Board


WWAN

Wireless Wide Area Network

7


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hidden Terminal...................................................................................................................... 16
 
Hình 1.2 Exposed Terminal.................................................................................................................... 17
 
Hình 1.3 DCF sử dụng giao thức CSMA/CA......................................................................................... 17
 
Hình 1.4 DCF + RTS/CTS sử dụng giao thức CSMA/CA .................................................................... 18
 
Hình 1.5 Mô hình 802.15.4 và Zigbee ................................................................................................... 19
 
Hình 1.6 Cấu trúc liên kết mạng............................................................................................................. 20
 
Hình 1.7 Cấu trúc mạng hình sao ........................................................................................................... 20
 
Hình 1.8 Cấu trúc mạng mắt lưới ........................................................................................................... 21
 
Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình cây. .......................................................................................................... 22
 
Hình 1.10 Mô hình tham khảo lớp PHY. ............................................................................................... 23
 
Hình 1.11 Cấu trúc khung dữ liệu lớp PHY ........................................................................................... 24

 
Hình 1.12 Mô hình tham khảo lớp MAC ............................................................................................... 24
 
Hình 1.13 Cấu trúc khung beacon. ......................................................................................................... 25
 
Hình 1.14 Cấu trúc siêu khung. .............................................................................................................. 26
 
Hình 1.15 Định dạng khung tin MAC. ................................................................................................... 27
 
Hình 1.16 Khung tin mã hoá MAC. ....................................................................................................... 30
 
Hình 1.17 Khung tin mã hoá lớp Mạng. ................................................................................................. 30
 
Hình 2.1. Kiến trúc của một nút cảm biến.............................................................................................. 33
 
Hình 2.2 Cấu trúc Mạng cảm biến không dây. ....................................................................................... 36
 
Hình 2.3 Các kiểu Sink trong mô hình Single Hop . .............................................................................. 37
 
Hình 2.4 Kiến trúc phân tầng của WSN. ................................................................................................ 38
 
Hình 2.5 Cấu trúc phẳng của WSN. ....................................................................................................... 40
 
Hình 2.6 Cấu trúc tầng của WSN. .......................................................................................................... 40
 
Hình 2.7 Cấu trúc phân cấp chức năng theo lớp. ................................................................................... 41
 
Hình 2.8. Giao thức SPIN. ..................................................................................................................... 42
 
Hình 2.9. Mô hình giao thức LEACH. ................................................................................................... 43

 
Hình 2.10. Time-line hoạt động của giao thức LEACH. ....................................................................... 43
 
Hình 2.11. Giải thuật hình thành Cluster trong LEACH. ....................................................................... 45
 
Hình 2.12. Sự hình thành cụm tại hai vòng khác nhau. ......................................................................... 46
 
Hình 2.13. Mô hình LEACH sau khi ổn định trạng thái. ....................................................................... 46
 
Hình 2.14. Hoạt động của pha ổn định trong LEACH. .......................................................................... 47
 
Hình 2.15. Time-line hoạt động của LEACH trong vòng. ..................................................................... 47
 
Hình 2.16. Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng. ....................................................................................... 47
 
Hình 3.1 Kiến trúc tổng quan của hệ thống giám sát sức khoẻ. ............................................................. 50
 
Hình 3.2 Kiến trúc tổng quan của hệ thống WSN giám sát sức khoẻ. ................................................... 51
 
Hình 3.3 Sơ đồ khối chi tiết của WSN giám sát sức khoẻ. .................................................................... 55
 

8


Hình 3.4 Sơ đồ khối các thành phần của nút cảm biến. ......................................................................... 56
 
Hình 3.5 Cảm biến pulse oxymeter. ....................................................................................................... 58
 
Hình 3.6 EKG. ........................................................................................................................................ 59

 
Hình 3.7 Motion capture và EMG. ......................................................................................................... 59
 
Hình 3.8 Pluto......................................................................................................................................... 61
 
Hình 3.9 Hệ thống WSN giám sát sức khoẻ của LOBIN. ...................................................................... 61
 
Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống giám sát sức khoẻ. ................................................................................ 62
 
Hình 3.11 Hệ thống các sensor giám sát sức khoẻ ................................................................................. 62
 
Hình 3.12 Bộ thu thập dữ liệu (a) WADA, mạch giám sát sức khoẻ và truyền tải không dây (b) WTB.
................................................................................................................................................................ 63
 
Hình 3.13 Mô hình kiến trúc hệ thống con định vị. ............................................................................... 64
 
Hình 3.14 Mô hình kiến trúc hệ thống con WCI. ................................................................................... 64
 
Hình 3.15 Kiến trúc hệ thống con quản lý Client-Server. ...................................................................... 65
 
Hình 3.16 Kiểm tra mạng DP. ................................................................................................................ 67
 
Hình 3.17 Kết quả kiểm tra topo mạng DP. ........................................................................................... 67
 
Hình 3.18 Kiểm network gateway. ......................................................................................................... 68
 
Hình 3.19 Mô hình kiểm tra hệ thống. ................................................................................................... 69
 
Hình 3.20 Kết quả ECG thời gian thực. ................................................................................................. 69
 

Hình 4.1 Mô hình kiến trúc NS-2. .......................................................................................................... 71
 
Hình 4.2 Kiến trúc tổng quan NS-2dưới góc độ người dùng. ................................................................ 72
 
Hình 4.3 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2. .................................................................... 73
 
Hình 4.4 Cửa sổ minh hoạ Gnuplot. ....................................................................................................... 74
 
Hình 4.5 Topo WSN giám sát sức khoẻ. ................................................................................................ 75
 
Hình 4.6 Kết quả chương trình thể hiện các tham số. ............................................................................ 77
 
Hình 4.7 Hình ảnh tệp vết. ..................................................................................................................... 78
 
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện các tham số SK được giám sát theo kịch bản 1. ............................................. 78
 
Hình 4.9 Đồ thị thể hiện các tham số SK được giám sát theo kịch bản 2. ............................................. 78
 
Hình 4.10 Hình ảnh tệp vết với các cảnh báo......................................................................................... 79
 
Hình 4.11 Đồ thị thể hiện tham số Body temp được giám sát. .............................................................. 79
 
Hình 4.12 Đồ thị thể hiện tham số BP được giám sát . .......................................................................... 80
 
Hình 4.13 Đồ thị thể hiện tham số HR được giám sát. .......................................................................... 80
 

9



DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu. ........................................................................... 23
 
Bảng 1.2 Kênh truyền và tần số.................................................................................... 23
 
Bảng 1.3 Một số chuẩn được áp dụng trong thực tế..................................................... 31
 
Bảng 3.1 Các tham số sức khoẻ được theo dõi............................................................. 56
 
Bảng 3.3 Bảng các thông số được giám sát của LOBIN. ............................................. 63
 
Bảng 3.4 Các dạng kiểm tra hệ thống định vị. ............................................................. 66
 
Bảng 4.1 Các tham số sức khoẻ của người bình thường. ............................................. 74
 
Bảng 4.2 Các tham số thiết lập cho WSN giám sát sức khoẻ. ..................................... 76
 
Bảng 4.3 Các tham số của kịch bản 1. .......................................................................... 76
 
Bảng 4.4 Các tham số của kịch bản 2. .......................................................................... 76
 
Bảng 4.5 Các tham số của kịch bản 3. .......................................................................... 77
 
Bảng 4.6 Các tham số của kịch bản 4. .......................................................................... 77
 
Bảng 4.7 Các tham số của kịch bản 5. .......................................................................... 77
 

10



TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. PGS.TS. Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Mạng và Truyền số liệu nâng cao.
2. PGS .TS. Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Đánh giá hiệu năng mạng.
3. Ngô Quang Anh. Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZIGBEE/IEEE 802.15.4, 2005.
Tiếng Anh
4. www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf
5. Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless
Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES).
6. S. Lindsey and C. Raghavendra (2002), PEGASIS: Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conf. Proc.
7. Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless
Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES).

8. Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), WIRELESS SENSOR
NETWORKS: Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons.
9. Anna Hác (2003), Wireless Sensor Network Designs, Jonh Wiley and Sons.

10. Edgar H. Callaway (2004), Wireless Sensor Network: Architectures and
Protocol, CRC Press.
11. Miloš Jevtić, Nikola Zogović, Goran Dimić (2009), Evaluation of Wireless
Sensor Network Simulators, 17th Telecommunication forum TELFOR.
12. www.isi.edu/nsnam/ns.
13. IEEE Standart for Infomation Technology-Part 15.4: Wireless Medium Access
Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless
Personal Area Networks (LR-WPANs)
14. Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), USA Fundamentals of Wireless
Sensor Networks, John Wiley & Sons.
15. Holger Karl and Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless

Sensor Networks, John Wiley & Sons.
16. P.S.Pandian. Journal of Networks, Vol.3, No.5, May 2008: Wireless Sensor Network
for Wearable Physiological Monitoring
17. Víctor Custodio *, Francisco J. Herrera, Gregorio López and José Ignacio Moreno: A
Review on Architectures and Communications Technologies for Wearable HealthMonitoring Systems-Sensors 2012.
18. Sheng Hu, Hongxing Wei, Youdong Chen, and Jindong Tan:A Real-Time Cardiac
Arrhythmia Classification System with Wearable Sensor Networks.

19. www.omnetpp.org.
20. Victor Shnayder, Bor-rong Chen, Konrad Lorincz, Thaddeus R. F. Fulford-Jones, and
Matt Welsh Division of Engineering and Applied Sciences. Harvard University.
Sensor Networks for Medical Care
21. .

82