LỜI CAM ĐOAN

Nội dung của luận văn này đƣợc thiết kế dựa trên tính cấp thiết của tình trạng
quá tải tại các bệnh viện hiện nay. Bên cạnh đó, ý tƣởng xây dựng một hệ thống
nhằm mục đích giám sát thông số sức khỏe của đồng thời nhiều bệnh nhân sẽ
giảm tải công việc cho bác sỹ và tăng hiệu quả điều trị. Dƣới sự hƣớng dẫn chỉ
bảo của TS. Nguyễn Thái Hà - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã nghiên
cứu từ lý thuyết về các vấn đề nhƣ: Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không
dây trong y tế, thiết kế ứng dụng một hệ thống phục vụ trong chăm sóc sức khỏe
của bệnh nhân... Ƣu điểm của hệ thống này là khả năng hoạt động ổn định, chính
xác và đảm bảo tính kinh tế của toàn hệ thống. Tôi xin cam đoan những nội dung
của luận văn này là hoàn toàn trung thực, chính xác và chƣa đƣợc ai công bố
trong các công trình khoa học nào khác.

TÁC GIẢ
NGUYỄN THẾ DŨNG

1


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn cùng sản phẩm này, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các
thầy cô giáo, các đồng nghiệp tại Trƣờng Đại học Công nghệ thông tin và
Truyền thông - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp em hoàn thiện đồ án
tốt nghiệp này. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Thái Hà, cô
đã trực tiếp hƣớng dẫn em hoàn thành luận văn này với sự nhiệt tình và ân cần
chỉ bảo, đồng thời cung cấp cho em những kiến thức chuyên môn để em có thể
hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này.
Em cũng xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Nguyễn Việt Dũng đã
giúp đỡ, hỗ trợ em về những kiến thức để em bổ sung cho sự hoàn thiện của luận
văn này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và ngƣời thân,
những ngƣời đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn.

2


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................... 10
CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................... 12
1.1 Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 12
1.2 Mục tiêu của đề tài: ............................................................................................. 13
1.3 Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu đề tài: ..................................................... 14
1.4 Dự kiến sản phẩm của đề tài: .............................................................................. 14
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........ 15
2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây ........................................................... 15
2.1.1 Khái niệm .................................................................................................. 15
2.1.2 Cấu tạo của một node cảm biến ................................................................ 17
2.1.3 Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây .......................................... 19
2.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ......................................... 22
2.2 Một số vấn đề trong mạng cảm biến không dây ................................................. 24
2.2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây ............................................ 24
2.2.2 Tối ƣu năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây ................................ 26
2.2.3 Giao thức trong mạng cảm biến không dây .............................................. 28
2.3 Tổng quan về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4................................ 32
2.3.1 Giới thiệu về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4 ....................... 32
2.3.2 Sự ra đời của chuẩn Zigbee: ...................................................................... 32
2.3.3 Ƣu điểm của chuẩn Zigbee ........................................................................ 34
2.3.4 Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee.............................................. 35
2.3.5 Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee .................................................. 35

2.3.6 Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee ..................................... 36
2.4 Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee ....................................................... 40
2.4.1 Tầng vật lý ................................................................................................. 40
2.4.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC ............................. 42
2.4.3 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 ...................................................... 49
2.4.4 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4............................................... 51

3


2.5 Một số sản phẩm sử dụng công nghệ Zigbee ...................................................... 53
2.5.1 Module Microchip [18] ............................................................................. 53
2.5.2 Module XBee [19] ..................................................................................... 54
2.5.3 Module CC2420 [20]................................................................................. 54
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỆNH NHÂN QUA MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ...................................................................................... 56
3.1 Giới thiệu bài toán ............................................................................................... 56
3.2 Cơ sở lý thuyết về nhịp tim và nhiệt độ cơ thể ngƣời ....................................... 57
3.2.1 Tổng quan về nhịp tim cơ thể con ngƣời .................................................. 57
3.2.2 Tổng quan về thân nhiệt cơ thể con ngƣời ................................................ 59
3.3 Thiết kế hệ thống ................................................................................................ 61
3.3.1 Thiết kế thứ nhất ....................................................................................... 61
3.3.2 Thiết kế thứ hai ......................................................................................... 64
3.4 Thiết kế phần cứng ............................................................................................. 68
3.4.1 Trung tâm điều khiển................................................................................ 68
3.4.2 Cảm biến nhiệt độ ..................................................................................... 69
3.4.3 Cảm biến nhịp tim .................................................................................... 70
3.4.4 Ghép nối giao tiếp module XBee ............................................................. 72
3.5 Thiết kế phần mềm và lƣu đồ thuật toán ........................................................... 73
3.5.1 Thiết kế phần mềm .................................................................................... 73

3.5.2 Lƣu đồ thuật toán ...................................................................................... 73
3.6 Linh kiện thiết bị sử dụng trong thiết kế ............................................................. 76
3.6.1 Vi điều khiển PIC 16F877a ....................................................................... 76
3.6.2 Module truyền thông XBee ....................................................................... 80
3.6.3 Sensor cảm biến nhiệt độ DS18B20 .......................................................... 88
3.6.4 Sensor cảm biến nhịp tim .......................................................................... 91
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .............................................................. 94
4.1 Tính năng của hệ thống ....................................................................................... 94
4.2 Một số hình ảnh về hệ thống ............................................................................... 94
4.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm hệ thống ............................................................... 96
4


4.4 Hƣớng dẫn sử dụng hệ thống .............................................................................. 99
4.5 Đánh giá kết quả đạt đƣợc................................................................................. 100
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 102
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 104

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1-Mô hình của một mạng cảm biến không dây. ......................................16
Hình 2.2-Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế. .................17
Hình 2.3-Cấu tạo của một node cảm biến. .............................................................18
Hình 2.4-Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ........................................................23
Hình 2.5-Giao thức định tuyế
N dự
e

ại tiêu chuẩn. ...26
Hình 2.6-Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận. ........................................................30
Hình 2.7-Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận. .....................................................30
Hình 2.8-Mạng hình sao. .........................................................................................36
Hình 2.9 – Mô hình mạng hình mắ ƣới ...............................................................37
Hình 2.10-Mạng hình mắt lưới với các thiết bị ......................................................38
Hình 2.11-Mạng hình cây. .......................................................................................39
Hình 2.12-Mô hình phân lớp của chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4. .........................43
Hình 2.13-Khoảng cách giữa hai khung IFS. ........................................................45
Hình 2.14-Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon. ...........................................47
Hình 2.15-Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. ..................................................48
Hình 2.16-Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon. ........................................................48
Hình 2.17-Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon. .....................................49
Hình 2.18-Lớp mạng của chuẩn Zigbee. ................................................................50
Hình 2.19-Lớp ứng dụng của chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4. .................................52
Hình 2.20-Module Microchip MRF24J40. .............................................................53
Hình 2.21-Module XBee. .........................................................................................54
Hình 2.22-Module CC2420. .....................................................................................55
Hình 3.1-Nhịp tim là một trong những dấu hiệu sống quan trọng. ......................58
Hình 3.2-Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống phát hiện xâm nhập. ................61
Hình 3.3-Sơ đồ khối hệ thống giám sát thông số cơ thể bệnh nhân qua mạng
cảm biến không dây..................................................................................................62
Hình 3.4-Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối ZED. ...........................................................63
Hình 3.5-Sơ đồ khối thiết bị điều phối ZC. .............................................................64
Hình 3.6-Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống giám sát thông số cơ thể bệnh
nhân qua mạng cảm biến không dây. .....................................................................65
Hình 3.7-Sơ đồ khối trung tâm điều khiển. ............................................................66
Hình 3.8-Sơ đồ khối nút cảm biến. .........................................................................67
Hình 3.9-Sơ đồ thiết kế của đơn vị xử lý trung tâm. ..............................................68
Hình 3.10-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhiệt độ. ...........................................69

Hình 3.11-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhịp tim. ...........................................70

6


Hình 3.12-Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2. [21, 22] .........................70
Hình 3.13-Sơ đồ ghép nối module truyền thông XBee. .........................................72
Hình 3.14-Lưu đồ thuật toán chương trình chính. ................................................74
Hình 3.15-Khối nhận dữ liệu từ cổng COM. ..........................................................75
Hình 3.16-Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F877A loại 40 chân. ..................80
Hình 3.17-Hình ảnh XBee ZB24. ............................................................................80
Hình 3.18-Hoạt động truyền thông RF của module XBee. ...................................83
Hình 3.19-Khung truyền UART. .............................................................................83
Hình 3.20-Cấu trúc khung API chế độ 1. ...............................................................84
Hình 3.21-Khung API ở chế độ 2. ...........................................................................84
Hình 3.22-Cấu trúc cụ thể khung API. ...................................................................85
Hình 3.23-API truyền 64 bít địa chỉ ........................................................................86
Hình 3.24-API truyền 16 bít địa chỉ. .......................................................................86
Hình 3.25-Khung trạng thái truyền. .......................................................................87
Hình 3.26-Khung nhận 64 bít địa chỉ. ....................................................................87
Hình 3.27-Khung nhận 16 bít địa chỉ. ....................................................................87
Hình 3.28-Cảm biến nhiệt độ DS18B20..................................................................88
Hình 3.29-Sơ đồ mạch đo nhịp tim bằng hồng ngoại. ...........................................92
Hình 4.1-Module giám sát thông số nhịp tim và nhiệt độ cơ thể bệnh nhân. .......94
Hình 4.2-Kết quả hiển thị trên màn hình máy tính của bác sỹ điều trị. ................95
Hình 4.3-Cảnh báo hiển thị khi thân nhiệt của bệnh nhân cao hơn mức bình
thường. ......................................................................................................................95
Hình 4.4-Kết quả thực nghiệm trên màn hình máy tính của hệ thống .................96
Hình 4.5-Kết quả đo lường thử nghiệm với thiết bị Monitor BSM-2301K ...........97
Hình 4.6-Thực hiện thao tác với các đầu dò cảm biến trên cơ thể bệnh nhân. .....99

Hình 4.7-Kết quả hiển thị trên màn hình theo dõi của bác sỹ điều trị. ...............100

7


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1-Bảng so sánh các thông số hoạt động trong nhóm chuẩn WPAN. .......34
Bảng 2.2-Băng tần và tốc độ dữ liệu. [17] ..............................................................40
Bảng 2.3-Kênh truyền và tần số. [17]......................................................................41
Bảng 3.1- Hiển thị màu theo thân nhiệt/nhịp tim.................................................66
Bảng 3.2-Mô tả các chân pin ..................................................................................82
Bảng 4.1-Kết quả kiểm nghiệm thiết bị cảm biến nhịp tim của hệ thống. .........98

8


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
WSNs

Wireless Sensor Networks

ADC

Analog Digital Converter

RF

Radio Frequency

GPS


Global Positioning System

RSSI

Receiver Signal Strength Indicator

WPAN

Wireless personal area network

FFD

Full Function Devide

RFD

Reduced Function Devide

ZC

Zigbee Coordinator

ZR

Zigbee Router

ZED

Zigbee End Devide


9


LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor
Networks - WSNs) đã dần trở nên rất quan trọng trong đời sống hàng ngày.
Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong quân đội, giờ đây mạng cảm biến
còn đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhƣ: Giám sát môi trƣờng,
chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay điều khiển giao thông... Với
sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, công
nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… Các nhà khoa học đã tạo ra những thiết
bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả năng
ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây đang là
một công nghệ mới, công nghệ này đã đƣợc các nƣớc có nền khoa học phát
triển (Mỹ, Nhật, Châu Âu...) nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu đƣợc
nhiều thành tựu đáng kể. Ở Việt Nam, công nghệ này vẫn còn mới mẻ do
đó chƣa có nhiều sản phẩm ứng dụng đƣợc triển khai trong thực tế.
Tại Việt Nam, với tốc độ dân số tăng nhanh, theo thống kê của Bộ Y
tế, nƣớc ta hiện nay có khoảng 90 triệu công dân (tính tới tháng 11/2013),
đã dẫn tới tình trạng quá tải tại rất nhiều bệnh viện trên cả nƣớc. Tình trạng
quá tải, chen lấn ở các bệnh viện từ lâu đã trở thành nỗi trăn trở của ngành
Y tế nói riêng và của toàn xã hội nói chung. Việc ứng dụng công nghệ nói
chung và công nghệ mạng cảm biến không dây nói riêng sẽ là những giải
pháp hiệu quả cho vấn đề này.
Xuất phát từ những thực tế trên, em đã chọn đề tài "Xây dựng hệ
thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây" để làm đề tài cho
luận văn tốt nghiệp của mình. Luận văn phát triển thành sản phẩm góp phần
chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân một cách hiệu quả, đồng thời sẽ hỗ trợ
tích cực cho quá trình điều trị cho bệnh nhân của bác sỹ.

Để làm rõ hơn về nội dung thực hiện của đề tài này, l uận văn đƣợc
chia thành 4 chƣơng bao gồm những nội dung nhƣ sau:
10


C ƣơ

1: Đặt vấn đề

C ƣơ

2: Cơ sở lý thuyết về mạng cảm biến không dây

C ƣơ

3: Thiết kế hệ thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến

không dây
C ƣơ

4: Kết quả thực nghiệm

11


CHƢƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Tính cấp thiết củ đề tài
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, những ứng dụng
về công nghệ thông tin và công nghệ điện tử đã đƣợc đƣa vào rất nhiều lĩnh vực khác
nhau của cuộc sống, đặc biệt là những ứng dụng đƣợc thiết kế nhằm mục đích chăm

sóc sức khoẻ cho con ngƣời. Sự ra đời của công nghệ mạng cảm biến không dây đã
và đang mang lại những thành quả lớn lao đối với ngành y tế của nhiều nƣớc trên thế
giới, nó đáp ứng đƣợc yêu cầu theo dõi, giám sát những thông số khác nhau trong cơ
thể con ngƣời nhƣ: Thông số nhiệt độ cơ thể, huyết áp, nhịp tim... và phản hồi chính
xác những thông số này tới thiết bị theo dõi của bác sỹ để phục vụ tốt hơn quá trình
điều trị cho bệnh nhân.
Hiện nay, ở nƣớc ta có khoảng 30 bệnh viện tuyến trung ƣơng và 300 bệnh
viện đa khoa, chuyên khoa tuyến tỉnh, ƣớc tính mỗi năm có tới hơn 150 triệu lƣợt
khám bệnh dẫn đến tình trạng hệ thống bệnh viện nƣớc ta luôn trong tình trạng bị quá
tải. Trƣớc thực trạng này, Bộ y tế đã và đang triển khai rất nhiều phƣơng án nhằm
giải quyết thực trạng trên. Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau nhƣ nguồn
nhân lực còn hạn chế, trang thiết bị phục vụ còn thiếu thốn, chủ yếu là thiết bị cổ
điển, thông thƣờng do đó chƣa thể đáp ứng đƣợc yêu cầu chăm sóc sức khỏe cho
bệnh nhân một cách tốt nhất.
Để giải quyết đƣợc những vấn đề nêu trên có rất nhiều giải pháp, một trong
những giải pháp đƣợc đƣa ra là kết hợp giữa công nghệ thông tin, công nghệ điện tử
và y học để thiết kế ra một thiết bị nhỏ gọn, có khả năng theo dõi thông số thân nhiệt,
nhịp tim của bệnh nhân một cách liên tục. Qua đó, bác sỹ có thể giám sát đƣợc tình
hình bệnh nhân thông qua máy tính, đồng thời cũng có thể xác định đƣợc vị trí của
bệnh nhân trong bệnh viện một cách dễ dàng.
Tại Việt Nam, hiện chƣa có đơn vị nào trong nƣớc nghiên cứu, thiết kế thiết bị
hoạt động nhƣ đã nêu trên. Các thiết bị tƣơng đƣơng hiện có đều phải nhập khẩu từ
nƣớc ngoài với giá thành cao, trong khi đó nhu cầu điều trị của bệnh nhân là rất lớn.
12


Việc thiết kế thành công thiết bị này sẽ mang lại những lợi ích to lớn về mặt khoa học
và kinh tế.
Dựa trên những tìm hiểu trên em đã đề xuất đề tài "Xây dựng hệ
thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây" nhằm nâng cao

hiệu quả, hỗ trợ quá trình điều của bác sỹ cho các bệnh nhân, bên cạnh đó
góp phần giải quyết nhu cầu rất lớn của xã hội hiện nay. Thiết bị sau khi
đƣợc chế tạo và ứng dụng thành công sẽ làm giảm suất đầu tƣ thiết bị của
các bệnh viện (do giá thành thấp hơn nhập ngoại), giảm nhập siêu góp phần
thực hiện chính sách Quốc gia về trang thiết bị y tế của chính phủ. Đồng
thời nhiệm vụ cũng sẽ góp phần thúc đẩy đào tạo nguồn nhân lực có trình
độ cao cho ngành thiết bị y tế.
1.2 Mục tiêu củ đề tài:
Mục tiêu của đề tài là làm chủ đƣợc công nghệ thiết kế, chế tạo thiết
bị có khả năng giám sát thông số nhiệt độ, nhịp tim của bệnh nhân qua
mạng cảm biến không dây. Thông qua sản phẩm của đề tài, các thông số
sức khỏe trên của bệnh nhân sẽ đƣợc theo dõi và tự động chuyển kết quả
đến thiết bị giám sát của bác sỹ. Đồng thời, quá trình điều trị cũng linh
hoạt và mềm dẻo hơn do sản phẩm là những thiết bị nhỏ gọn, không ảnh
hƣởng tới quá trình vận động của bệnh nhân. Thiết bị cũng sẽ cho biết vị trí
chính xác của bệnh nhân trong bệnh viện, do đó không nhất thiết phải yêu
cầu bệnh nhân nằm điều trị tại giƣờng bệnh mà có thể tự do hoạt động
động. Thông qua đó bác sỹ có thể dễ dàng đánh giá định lƣợng hiệu quả
quá trình điều trị của bệnh nhân. Thiết bị khi đƣợc đƣa vào ứng dụng giúp
bác sỹ trị liệu, theo dõi nhiều bệnh nhân cùng một lúc nên sẽ giảm tải cho
các bác sỹ.

13


1.3 Nội du

và

ƣơ


á

iê cứu đề tài:

Các nội dung khoa học công nghệ chủ yếu cần giải quyết bao gồm:
- Tìm hiểu về các thông số hoạt động của ti m và nhiệt độ trên cơ thể
bệnh nhân.
- Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây và chuẩn truyền thông
Zigbee
- Thiết kế module phần cứng gồm:
+ Module tích hợp cảm biến nhịp tim và nhiệt độ.
+ Module điều khiển trung tâm có kết nối với máy tính.
- Thiết kế chƣơng trình phần mềm gồm:
+ Thiết kế phần mềm theo dõi thông số cơ thể của bệnh nhân
+ Thiết kế module cảnh báo
- Lắp ráp, đo lƣờng và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của thiết bị.
- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của thiết bị.
1.4 Dự kiến sản phẩm củ đề tài:
Sản phẩm dự kiến của đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát bệnh nhân
qua mạng cảm biến không dây" gồm có những tính năng sau:
- Giám sát thông số nhiệt độ, nhịp tim của bệnh nhân qua mạng cảm
biến không dây và gửi kết quả về thiết bị của bác sỹ điều trị.
- Xác định vị trí của bệnh nhân trong phạm vi bệnh viện.
- Cho phép đánh giá quá trình trị liệu của bệnh nhân.

14


CHƢƠNG 2: CƠ Ở LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY


2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
2.1.1 Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (WSNs - Wireless Sensor Networks) là khái
niệm chỉ một mạng không dây với các thiết bị đƣợc bố trí phân tán có khả năng
tự trị. Thiết bị tự trị này sử dụng các cảm biến và hợp tác với thiết bị khác để
theo dõi vật lý hay các điều kiện môi trƣờng nhƣ ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh...
tại những vị trí khác nhau. Có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với
nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các node mạng thƣờng là các thiết bị
đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp... [1,2]. Mạng cảm biến không dây thƣờng có
số lƣợng lớn, đƣợc phân bố một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng,
có thời gian hoạt động lâu dài và có thể hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt
mà không cần có sự can thiệp của con ngƣời.
Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây là vừa có chức năng mạng
vừa có chức năng cảm nhận. Tại mỗi một node mạng sẽ cảm nhận thông số của
môi trƣờng cần đo, đo đạc thông số và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua một
trƣờng không dây về node gốc. Trên cơ sở đó node gốc có thể đƣa ra các lệnh xử
lý cần thiết hoặc thực hiện công việc truyền thông số thu thập đƣợc về máy tính.
Bản thân của node gốc không nhất thiết phải là một máy vi tính mà cũng có thể
là những thiết bị đƣợc chế tạo với kích thƣớc nhỏ, phụ thuộc vào đặc thù của
từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể. [2]

15


Hình 2.1-Mô hình của một mạng cảm biến không dây.

Các node mạng thƣờng có chức năng cảm nhận: Công việc của những
node mạng này là theo dõi thông số, giám sát môi trƣờng xung quanh nhƣ các
yếu tố: Nhiệt độ, áp suất, ánh sáng... Những node mạng này cũng có khả năng

theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động ... Các node mạng giao
tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp thông qua các
node mạng khác. Do vậy để tiết kiệm năng lƣợng, các node mạng thƣờng có
nhiều trạng thái hoạt động và trạng thái nghỉ khác nhau. Thông thƣờng thời gian
mà một node ở trạng thái nghỉ lớn thƣờng nhiều hơn thời gian ở trạng thái hoạt
động. Đặc trƣng cơ bản nhất của một mạng cảm biến không dây chính là giá
thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, năng lƣợng tiêu thụ và thời gian ở
trạng thái hoạt động.
Với những đặc điểm trên, mạng cảm biến không dây đang đƣợc ứng dụng
rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống nhƣ: Ứng dụng trong các
thiết kế dân dụng (dùng để giám sát hệ thống thiết bị điện), ứng dụng trong giám
sát các thông số môi trƣờng (dùng để giám sát núi lửa, động đất)... Đặc biệt là
trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến không dây đang dần trở nên quan trọng trong
những ứng dụng phục vụ sức khỏe của con ngƣời.
Một trong những ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến điển hình
là theo dõi thông số cơ thể của bệnh nhân nhƣ: Theo dõi những triệu chứng trên
cơ thể, giám sát sự chuyển động bên trong của cơ thể, theo dõi và định vị vị trí
16


của bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện... Để giám sát đƣợc thông số của cơ thể,
mỗi bệnh nhân đƣợc gắn một node cảm biến nhỏ, mỗi một node cảm biến này có
những nhiệm vụ riêng, ví dụ có node cảm biến xác định nhịp tim trong khi con
cảm biến khác phát hiện áp suất máu. Bác sĩ cũng có thể mang node cảm biến để
định vị vị trí của họ trong bệnh viện. [1]

Hình 2.2-Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế.

2.1.2 Cấu tạo của một node cảm biến
Node cảm biến là một thiết bị điện tử nhỏ, có khả năng thu thập, xử lý và

truyền thông thông tin đến các node khác và ra thế giới bên ngoài.
Mỗi node cảm biến trong mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ thu thập
thông số của môi trƣờng theo dõi và gửi kết quả về khối xử lý trung tâm. Tín hiệu
mà khối xử lý trung tâm nhận đƣợc có thể là tín hiệu tƣơng tự hoặc tín hiệu số.
Tuy nhiên, hầu hết những cảm biến hiện đại ngày nay đều đƣợc tích hợp thêm bộ
chuyển đổi ADC (chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số). Dựa trên những
hiện tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi những cảm biến đƣợc
chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý. [1, 5]

17


Khối cảm biến

Khối bộ nhớ

Khối định vị GPS

Khối xử lý trung tâm

Khối thu/phát RF

Khối di động

Nguồn cung cấp

Hình 2.3-Cấu tạo của một node cảm biến.
Bộ xử lý trung tâm thƣờng đƣợc kết nối với một bộ nhớ. Trong bộ nhớ
thƣờng đƣợc lƣu trữ những thủ tục cho các node mạng kết hợp với nhau để thực
hiện các nhiệm vụ định sẵn. Bên cạnh đó, thông tin thu thập đƣợc cũng đƣợc lƣu

trữ tại bộ nhớ để phục vụ quá trình truyền nhận thông tin với những node mạng
khác trong mạng cảm biến không dây.
Để thực hiện chức năng mạng, trong mỗi node mạng đều có một bộ thu
phát vô tuyến RF. Thông tin sau khi đƣợc xử lý bởi khối xử lý trung tâm sẽ đƣợc
truyền đến khối thu phát vô tuyến RF. Quá trình điều chế và giải điều chế thông
tin sẽ đƣợc khối thu phát vô tuyến RF xử lý trong quá trình truyền nhận thông tin.
Một thành phần quan trọng một node mạng cảm biến là bộ nguồn. Do các
node mạng thƣờng có kích thƣớc nhỏ, song lại yêu cầu về mặt hoạt động trong
thời gian lâu dài. Để đảm bảo đƣợc những yêu cầu đó, ngoài việc thiết kế những
thuật toán tối ƣu về năng lƣợng ngƣời ta còn thiết kế bộ nguồn cấu tạo bởi các bộ
phận lọc nhƣ tế bào năng lƣợng mặt trời nhằm duy trì năng lƣợng cho node mạng
18


hoạt động lâu dài. Ngoài ra trong một node mạng cảm biến cũng có những thành
phần phụ khác nhƣ bộ phận định vị, bộ phận quản lý chuyển động. Những thành
phần này đƣợc thiết kế tùy thuộc vào từng ứng dụng. Bộ định vị GPS có nhiệm vụ
xác định vị trí, tọa độ của node mạng, trong khi đó các bộ phận di động đuợc thiết
kế để có khả năng dịch chuyển các node mạng khi cần thiết. Tất cả những thành
phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module để đảm bảo tính nhỏ gọn, linh
hoạt. Ngoài kích cỡ ra các node cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác
nhƣ tiêu thụ ít năng lƣợng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự
hoạt động và thích biến với sự biến đổi của môi trƣờng.
2.1.3 Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây
Đặc trƣng của một mạng cảm biến là bao gồm một số lƣợng lớn các node
cảm biến, các node cảm biến này có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt
là yêu cầu về năng lƣợng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc của một mạng cảm biến
có đặc điểm rất khác so với các mạng truyền thống trƣớc đây. Một số đặc điểm
nổi bật trong mạng cảm biến: [1,4]
- Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu

năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Khả năng
chịu lỗi của mạng thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thƣờng, duy trì những
chức năng của mạng ngay cả khi một số node mạng không hoạt động.
- Môi trƣờng hoạt động: Các node cảm biến đƣợc thiết kế để hoạt động trong những
môi trƣờng khắc nghiệt mà không cần có sự can thiệp của con ngƣời. Do đó, hệ thống
mạng cảm biến không dây có thể hoạt động ở những môi trƣờng nhƣ dƣới đáy biến,
trong những vùng ô nhiễm hóa học, trong những vùng thƣờng hay xảy ra động đất,
núi lửa...
- Cấu hình mạng: Trong mạng cảm biến, mật độ các node mạng dày đặc có thể lên tới
20 node/m3. Do số lƣợng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu
hình chung cho toàn mạng để mạng hoạt động đƣợc ổn định. Bên cạnh đó, việc cấu

19


hình cho mỗi node mạng cần đƣợc thiết lập sao cho khi có những node mạng mới
tham gia vào mạng song vẫn không ảnh hƣởng tới hoạt động chung của toàn mạng.
- Ràng buộc về phần cứng: Do số lƣợng các node trong mạng rất nhiều nên các node
cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng nhƣ: Kích thƣớc nhỏ gọn, tiêu thụ
năng lƣợng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất
thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có ngƣời kiểm soát, thích nghi đƣợc
với môi trƣờng hoạt động.
- Năng lƣợng tiêu thụ: Các node mạng trong mạng cảm biến không dây có thể đƣợc
trang bị nguồn năng lƣợng giới hạn (<0,5Ah/1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ
sung nguồn năng lƣợng cho node mạng hoạt động không thể thực hiện đƣợc. Vì vậy
khoảng thời gian sống của các node mạng cảm biến phụ thuộc vào thời gian sống của
pin. Do đó, việc duy trì và quản lý nguồn năng lƣợng đóng một vai trò quan trọng
trong quá trình xây dựng một hệ thống mạng cảm biến không dây. Hiện nay, ngoài
việc sử dụng những nguồn năng lƣợng tái tạo đƣợc cho các node mạng, các nhà khoa
học cũng đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật về giao thức để tối ƣu đƣợc

năng lƣợng hoạt động cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các node cảm biến là
phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền
dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lƣợng đƣợc chia ra làm 3 vùng: Cảm nhận, truyền
thông, và xử lý dữ liệu.
- 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 bản tin cảnh báo cần đƣợc tạo ra
ngay lập tức khi nhận thấy có sự thay đổi về hoạt động của đối tƣơng đƣợc theo dõi.
Dù hoạt động năng lƣợng thấp, các node cần có khả năng truyền tức thời các thông
điệp qua mạng càng nhanh càng tốt. Trong khi những sự kiện nhƣ vậy là không
thƣờng xuyên, chúng có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào mà không đƣợc báo
trƣớc.
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 node chỉ
20


hoạt động trong thời gian ngắn. Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp
nguồn cho một số node trong toàn bộ thời gian. Những node này có thể nghe các
thông điệp cảnh báo và chuyển tiếp chúng theo đƣờng khi cần. Tuy nhiên điều này sẽ
gây khó khăn trong quá trình triển khai hệ thống.
- Tốc độ lấy mẫu: 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 node 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 node cần điều khiển dữ liệu của tất cả các node
con. Nếu mỗi node con truyền một dữ liệu và một node có 60 node con, nó phải
truyền 60 lần. Thêm vào đó nó còn 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.
- Khả năng mở rộng: Khi triển khai một mạng cảm biến không dây trong thực tế, một
yêu cầu không thể bỏ qua đối với ngƣời thiết kế đó là khả năng mở rộng của mạng.

Do đó cần xây dựng một cấu trúc mạng có khả năng làm việc với số lƣợng lớn các
node mạng đồng thời vẫn đảm bảo hoạt động của mạng khi tiếp tục triển khai thêm
một số lƣợng lớn các node mạng mới.
- Giá thành sản xuất: Các mạng cảm biến bao gồm một số lƣợng lớn các node cảm
biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí chung của
toàn mạng. Do đó khi thiết kế mạng, yêu cầu cho chi phí của mỗi node cảm biến phải
giữ ở mức thấp nhất có thể.
- Môi trƣờng truyền dẫn: Trong mạng cảm biến không dây, các node đƣợc kết nối với
nhau qua môi trƣờng không dây. Các kết nối này có thể đƣợc tạo ra bởi sóng vô tuyến
RF, hồng ngoại hoặc những phƣơng tiện quang học. Hiện nay, nhiều phần cứng của
các node cảm biến đƣợc thiết kế dựa vào mạch thu phát vô tuyến RF, tuy nhiên tần số
vô tuyến RF đƣợc sử dụng phải tuân thủ theo quy định của Cục tần số mà mỗi quốc
gia cấp phát. Thông thƣờng, những thiết bị cảm biến năng lƣợng thấp sử dụng kỹ
thuật thu phát vô tuyến RF thƣờng hoạt động ở tần số 915MHz.
21


Một phƣơng pháp kết nối khác giữa các node mạng trong mạng cảm biến
không dây là phƣơng pháp giao tiếp bằng hồng ngoại. Việc thiết kế mạch thu phát vô
tuyến dùng hồng ngoại có giá thành rẻ hơn và dễ dàng hơn. Cả hai loại thiết bị thu
phát hồng ngoại và thu phát quang học đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi
nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau đƣợc.
2.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng
quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo
cách có hiệu quả nhất nhằm mục đích định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và
chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. [1,3]
- Mặt phẳng quản lý năng lƣợng: Mặt phẳng này quản lý cách cảm biến sử dụng
nguồn năng lƣợng của nó. Một node cảm biến thƣờng hoạt động ở chế độ nghỉ để tiết
kiệm năng lƣợng, bên cạnh đó một node cảm biến cũng có thể tắt bộ thu sau khi nhận

xong một bản tin. Khi một node cảm biến không còn đủ năng lƣợng cho hoạt động
thu thập và truyền thông tin, node cảm biến này sẽ gửi bản tin quảng bá tới những
node cảm biến bên cạnh để thông báo việc không thể tham gia vào quá trình định
tuyến.
- Mặt phẳng quản lý di động: Mặt phẳng này có nhiệm vụ phát hiện chuyển động của
những node mạng xung quanh và đăng ký sự chuyển động với các node bên cạnh.
Ngoài việc quản lý quá trình di chuyển tới những vị trí thích hợp để theo dõi thông số
của môi trƣờng hoạt động, mặt phẳng quản lý di động này cũng luôn theo dõi các
node xung quanh để xem ai là node hàng xóm của nó.
- Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Mặt phẳng này có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp
nhiệm vụ cảm biến giữa các node mạng trong một vùng giám sát. Để tiết kiệm năng
lƣợng, không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng
một thời điểm.

22


Hình 2.4-Kiến trúc giao thức mạng cảm biến.
- Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu,
điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ đƣợc sử dụng rộng rãi trong
mạng cảm biến.
- Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các
khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đƣờng truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trƣờng
có tạp âm và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi
trƣờng (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc
va chạm với thông tin quảng bá của các node lân cận.
- Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến đƣợc thiết kế tuân theo nguyên tắc:
 Hiệu quả năng lƣợng luôn luôn đƣợc coi là vấn đề quan trọng
 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
 Tích hợp dữ liệu chỉ đƣợc sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác

có hiệu quả của các node cảm biến.
- Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch đƣợc truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.

23


- Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác
nhau có thể đƣợc xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
2.2 Một số vấ đề trong mạng cảm biến không dây
2.2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Việc định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây thƣờng rất khó khăn
do đặc tính riêng của mạng này với các mạng không dây khác nhƣ các mạng ad-hoc
hoặc các mạng tế bào... Một số nguyên nhân chính gây ra khó khăn này nhƣ sau:
[1,5]
-Do số lƣợng node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thƣờng là rất lớn nên
không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai. Vì vậy, các giao
thức dựa trên kỹ thuật IP truyền thống sẽ không thể áp dụng đƣợc cho các node
mạng của mạng cảm biến không dây.
- Khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến
không dây đều yêu cầu truyền số liệu thu thập đƣợc tại môi trƣờng giám sát từ
nhiều node tới một node gốc.
- Các node mạng cảm biến bị hạn chế về công suất cũng nhƣ khả năng xử lý và
dung lƣợng nhớ. Do đó sẽ rất khó khăn trong việc lƣu trữ thông tin của quá trình
định tuyến tại mỗi node, bên cạnh đó yêu cầu giới hạn về mặt công suất cũng sẽ làm
ảnh hƣởng tới tốc độ xử lý và truyền tin trong mạng.
- Trong hầu hết các ứng dụng, các node mạng trong mạng cảm biến không dây
thƣờng có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng đặc biệt, các node cảm
biến có thể đƣợc phép di chuyển và thay đổi vị trí. Điều này khiến cho những node
mạng khi di chuyển phải liên tục tìm kiếm hàng xóm của chúng để thực hiện quá

trình định tuyến.

24


- Do mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng trong rất nhiết những lĩnh vực khác
nhau. Đối với mỗi một ứng dụng, việc triển khai mạng cảm biến không dây sẽ đƣợc
thực hiện theo những phƣơng thức khác nhau, do đó thuật toán định tuyến đƣợc sử
dụng trong mỗi ứng dụng cũng sẽ khác nhau.
- Ngoài ra, vị trí của các node cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số
liệu thƣờng dựa vào vị trí. Hiện nay hầu hết các ứng dụng chƣa đƣợc tích hợp thêm
phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), do đó việc định vị vị trí thƣờng
đƣợc lựa chọn và thiết lập trƣớc. Trong trƣờng hợp này, cần xây dựng những thuật
toán định tuyến phù hợp cho mục đích này, đồng thời cũng cần đảm bảo tối thiểu
giá thành triển khai mạng.
Dựa vào cấu trúc mạng mạng cảm biến không dây có thể phân loại thành các kỹ
thuật định tuyến nhƣ sau:
o Định tuyến ngang hàng
o Định tuyến phân cấp
o Định tuyến theo vị trí
Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các node thƣờng có vai trò hoặc chức
năng nhƣ nhau. Trong định tuyến phân cấp, các node sẽ đóng vai trò khác nhau
trong mạng. Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của các node cảm biến đƣợc
sử dụng để định tuyến số liệu. [5]
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là thích ứng nếu các tham số của hệ
thống có thể điều khiển đƣợc để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và
các mức năng lƣợng của nó. Những giao thức này cũng có thể đƣợc chia thành
các giao thức định tuyến đa đƣờng, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất
lƣợng của dịch vụ tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức. Ngoài ra, các giao
thức định tuyến có thể đƣợc chia thành ba loại là chủ động, tƣơng tác hoặc lai

ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà bản tin từ nguồn tìm đƣờng tới đích. Trong
các giao thức chủ động, tất cả các đƣờng đƣợc tính toán trƣớc khi có yêu cầu,

25