ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
----o0o----

TRƢƠNG VĂN NHƢ THẠCH

Đề tài:

KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
LOCALIZATION IN WIRELESS SENSOR
NETWORKS
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã ngành: 60 52 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh - 07/2017


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG –Tp. HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Võ Quế Sơn ...............................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trịnh Xuân Dũng .....................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Mai Linh ....................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 06 tháng 07 năm 2017.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. GS. TS Lê Tiến Thƣờng.
2. TS. Lƣu Thanh Trà.
3. TS. Trịnh Xuân Dũng.
4. TS. Mai Linh.
5. TS. Nguyễn Thanh Hải.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRƢƠNG VĂN NHƢ THẠCH

MSHV: 13460541

Ngày, tháng, năm sinh: 28/ 01/ 1989

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông


Mã số : 60520208

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“ Kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây – Localization in Wireless
Sensor Networks”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Giới thiệu về mạng cảm biến khơng dây và các ứng dụng của nó. Tìm hiểu các kỹ
thuật đo trong kỹ thuật định vị và kỹ thuật định vị dùng RSSI với giải thuật CL và
LWCL. Mô phỏng kỹ thuật định vị dùng RSSI với thuật toán CL và LWCL, đánh
giá các ảnh hƣởng đến độ chính xác trong ƣớc lƣợng vị trí. Triển khai kỹ thuật
định vị với mơ hình đơn giản trong thực tế.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/08/2016.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/07/2017.
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Võ Quế Sơn
Tp. HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2017.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến toàn thể quý thầy cơ trƣờng

Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, Quý thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã
dạy dỗ và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt những năm học tập
và rèn luyện tại trƣờng.
Tiếp đến tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS.Võ Quế Sơn, bộ
môn Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trƣờng Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ
Chí Minh. Ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn và giúp đỡ tôi thực hiện đề tài này. Bằng kinh
nghiệm và sự hiểu biết của mình, thầy đã tận tình chỉ dẫn và giải đáp các thắc mắc
của tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn, để tơi có thể hồn thành tốt luận văn
này.

Trang i


Abstract

ABSTRACT
Wireless Sensor Networks is derived from military and has been applied into
civil applications. Nowaday, wireless sensor networks has become a main
technology for many various smart environments, and the other intensive studys
have promoted to found out the solutions for different industrial matters. Wireless
network is an important part when having a lot of sensor nodes implemented or
being in hazardous situations.
Localizating an object in a WSN system is a significant thing because it can
provide the useful information of location for many applications or user demands.
Many applications have supported for local items, such as GPS. However, these
technologies are too expensive to deploy on each single item. In this outline,
Weighted Centroid Localization algorithm (WCL) and Linear Weighted Centroid
Localization algorithm (LWCL) representing about Wireless Sensor Networks
(WSNs) have simulated the localization in WSNs.
Using a received signal strength with a suitable propagation model, the

proposed algorithm reduces the complexity of the position calculation by
optimizing the weighted coefficients to be linear with the received signal strength.
The optimization will allow the implementation with resource-limited sensor node.
Cooja based on Contiki OS is used to illuminate the algorithm. Besides, the
simulations have also mentioned the convergence over time and the localization
error corresponding to other parameters such as the speed of objects and anchor
density. The results of the simulation are used to compare the CL algorithm and
LWCL algorithm and demonstrate the advantages of the proposed algorithms.

Keywords: Wireless Sensor Networks, Localization, Weighted Centroid
Localization, Linear Weighted Centroid Localization, Received Signal
Strength.

Trang ii


Tóm tắt luận văn

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mạng cảm biến khơng dây đƣợc phát xuất từ quân đội và đƣợc ứng dụng vào
các ứng dụng dân sự. Hiện nay, mạng cảm biến không dây đã trở thành một công
nghệ chủ chốt cho các loại khác nhau của "môi trƣờng thông minh", và một nỗ lực
nghiên cứu hiện đang đƣợc tiến hành để có thể ứng dụng của mạng cảm biến khơng
dây cho một loạt các vấn đề trong công nghiệp. Các mạng không dây đặc biệt quan
trọng khi một số lƣợng lớn các nút cảm biến có thể đƣợc triển khai hoặc dùng trong
những tình huống nguy hiểm.
Định vị một đối tƣợng trong một hệ thống WSN là rất quan trọng vì nó có
thể cung cấp thơng tin vị trí hữu ích cho nhiều ứng dụng hoặc theo nhu cầu ngƣời
dùng. Nhiều ứng dụng đã hỗ trợ cho việc định vị một đối tƣợng, chẳng hạn nhƣ
GPS. Tuy nhiên, các công nghệ này là quá đắt để triển khai trên từng hạng mục

riêng lẽ. Trong đề cƣơng này, thuật toán định vị hệ số trọng tâm (WCL) và thuật
toán định vị hệ số trọng tâm tuyến tính (LWCL) đƣợc nghiên cứu và dùng để mô
phỏng định vị trong WSNs.
Sử dụng cƣờng độ tín hiệu thu với một mơ hình truyền phù hợp, các thuật
toán đề xuất làm giảm sự phức tạp của việc tính tốn vị trí bằng cách tối ƣu các hệ
số trọng tâm tuyến tính với cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc. Tối ƣu hóa này cho phép
thực hiện đƣợc việc định vị trong một nút cảm biến có nguồn lực hạn chế.
Mô phỏng sử dụng phần mềm Cooja trên hệ điều hành Contiki để nghiên cứu
các thuật toán. Các mô phỏng cũng xem xét sự hội tụ theo thời gian và sai số tƣơng
ứng với các thông số khác nhƣ tốc độ của các đối tƣợng và mật độ các cảm biến.
Các kết quả mô phỏng đƣợc dùng để so sánh hai thuật toán CL và LWCL để thấy
những ƣu điểm của các thuật toán đƣợc đề xuất.
Từ Khóa: Mạng Cảm Biến Khơng Dây, Định Vị, Định Vị Hệ Số Trọng Tâm,
Định Vị Hệ Số Trọng Tâm Tuyến Tính, Cƣờng Độ Tín Hiệu Thu.

Trang iii


Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, đƣợc xuất phát
từ yêu cầu phát sinh trong thực tế để hình thành hƣớng nghiên cứu. Các số liệu có
nguồn gốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn
đƣợc thu thập đƣợc trong quá trình nghiên cứu là trung thực chƣa từng đƣợc ai công
bố trƣớc đây.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017
Tác giả luận văn

Trƣơng Văn Nhƣ Thạch


Trang iv


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
ABSTRACT ............................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv
MỤC LỤC .................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ......................................................................... viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................... x
DANH MỤC KÍ HIỆU............................................................................................. xi
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI................................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề và hƣớng giải quyết ............................................................................... 1
1.2 Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 2
1.3 Mục đích nghiên cứu .................................................................................................. 2
1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 3
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 3
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WSNs VÀ CÁC ỨNG DỤNG ........................... 5
2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây .............................................................. 5
2.1.1 Đặc điểm chung của mạng cảm biến không dây......................................... 5
2.1.2 Công nghệ mạng cảm biến không dây .......................................................... 7
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ....................................................................... 8
2.2.1 Khái niệm về node cảm biến ........................................................................... 8
2.2.2 Cấu tạo của node cảm biến .............................................................................. 8
2.2.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ........................................................... 11
2.2.3.1 Cấu trúc tổng quát về mạng cảm biến ...........................................11

2.2.3.2 Kiến trúc giao thức mạng ................................................................12
2.2.3.3 Hai cấu trúc đặc trƣng của mạng cảm biến .................................14
2.3 Những ảnh hƣởng và hạn chế của mạng cảm biến không dây ....................... 17
2.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ........................................................... 18
2.4.1 Ứng dụng trong giám sát và điều khiển trong công nghiệp ................... 18

Trang v


Mục lục

2.4.2 Ứng dụng tự động hóa trong gia đình và điều khiển dân dụng ............ 20
2.4.3 Ứng dụng trong quân sự ................................................................................ 22
2.4.4 Ứng dụng trong y tế và giám sát sức khỏe ................................................. 23
2.4.5 Ứng dụng trong môi trƣờng và nông nghiệp thông minh ...................... 24
CHƢƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ ........................................................... 28
3.1 Giới thiệu về kỹ thuật định vị trong WSNs: ....................................................... 28
3.2 Các loại node cảm biến dùng trong định vị ........................................................ 29
3.3 Các kỹ thuật đo trong định vị ................................................................................. 30
3.3.1 Phép đo AOA (Angle of Arrival) .................................................................. 30
3.3.2 Phép đo TOA (Time of Arrival) ................................................................... 32
3.3.3 Phép đo TDOA (Time difference of Arrival) ............................................ 34
3.3.4 Kỹ thuật Mapping ........................................................................................... 35
3.3.5 Phép đo RSS ...................................................................................................... 35
3.3.6 Nhận xét ............................................................................................................. 36
3.4 Kỹ thuật đo định vị RSSI ........................................................................................ 37
3.4.1 Thuật toán Min-Max ...................................................................................... 37
3.4.2 Thuật toán tam giác ........................................................................................ 37
3.4.3 Thuật toán Weighted Centroid Localization............................................. 38
3.4.4 Thuật toán Linear Weighted Centroid Localization ............................... 40

3.4.4.1 Chỉ số cƣờng độ tín hiệu nhận .......................................................40
3.4.4.2 Trọng số tuyến tính định vị trọng tâm ...........................................41
3.4.4.3 LWCL trong mơi trƣờng free-space ..............................................43
3.4.4.4 LWCL trong môi trƣờng log-distance ...........................................44
3.4.4.5 Đánh giá độ chính xác ......................................................................45
CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .......................................................... 46
4.1 Mơ hình của LWCL: ................................................................................................ 46
4.1.1 Phát sóng thơng tin vị trí trong các tin nhắn báo hiệu (Beacon
Message) ............................................................................................................................ 46
4.1.2 Tính tốn vị trí các node ................................................................................ 46
4.1.3 Tinh chỉnh vị trí các node bằng chuyển tiếp thơng tin vị trí.................. 46
4.2 Định dạng của tin nhắn báo hiệu .......................................................................... 47

Trang vi


Mục lục

4.3 Mô phỏng và đánh giá.............................................................................................. 48
4.3.1 Các hệ điều hành ứng dụng trong WSNs:.................................................. 48
4.3.2 Hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mơ phỏng Cooja ....................... 48
4.3.3 Mơ hình mơ phỏng .......................................................................................... 49
4.3.4 Chu Kỳ nhiệm vụ ............................................................................................. 53
4.4 Kết quả mơ phỏng ..................................................................................................... 54
4.4.1 Mơ hình hệ thống tĩnh .................................................................................... 55
4.4.1.1 Vị trí ƣớc lƣợng ................................................................................55
4.4.1.2 Đánh giá kết quả ..............................................................................56
4.4.1.3 Đánh giá sai số ƣớc lƣợng................................................................57
4.4.2 Mơ hình hệ thống node di động .................................................................... 61
4.4.2.1 Ngun nhân gây ra sai số ...............................................................61

4.4.2.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................64
CHƢƠNG 5: TRIỂN KHAI THỰC TẾ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ DÙNG GIẢI
THUẬT LWCL ....................................................................................................... 74
5.1 Giới thiệu về cảm biến TelosB. .............................................................................. 74
5.2 Kết quả thực nghiệm. ............................................................................................... 76
5.2.1 Mô hình suy hao. .............................................................................................. 76
5.2.2 Giải thuật LWCL trong thực tế với mơ hình tĩnh.................................... 80
5.3 Kết luận ....................................................................................................................... 81
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 84

Trang vii


Danh mục hình minh họa

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
Hình 2.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ............................................................5
Hình 2.2:Thiết bị “Mote” của Berkeley ......................................................................6
Hình 2.3: Cấu tạo của node cảm biến .........................................................................9
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến khơng dây .......................................11
Hình 2.5: Mơ hình kiến trúc giao thức mạng WSNs ................................................13
Hình 2.6: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến khơng dây ...............................................15
Hình 2.7: Cấu trúc phân tầng ....................................................................................15
Hình 2.8: Phân cấp mạng WSNs ...............................................................................16
Hình 2.9: Ứng dụng trong cơng nghiệp ....................................................................19
Hình 2.10: Ứng dụng trong nhà thơng minh .............................................................21
Hình 2.11: Ứng dụng trong quân sự..........................................................................23
Hình 2.12: Ứng dụng trong giám sát sức khỏe .........................................................24
Hình 2.13: Ứng dụng trong giám sát mơi trƣờng......................................................26

Hình 2.14: Ứng dụng trong nơng nghiệp thơng minh ...............................................27
Hình 3.1: Tổng quan về kỹ thuật Localization trong WSNs. ....................................30
Hình 3.2: Tam giác của một node hai anchor ...........................................................30
Hình 3.3: Trilateration của một node với ba node anchor ........................................32
Hình 3.4: Hyperbolic định vị của một node với ba node Anchor. ............................34
Hình 3.5: Thuật tốn Min-Max .................................................................................37
Hình 3.6: Thuật tốn tam giác ...................................................................................38
Hình 3.7: Thuật tốn WCL........................................................................................39
Hình 3.8: Thuật tốn LWCL .....................................................................................40
Hình 3.9: Mơ hình truyền sóng trong một vài mơi trƣờng........................................44
Hình 4.1: Mơ hình mơ phỏng sử dụng Cooja............................................................50
Hình 4.2: Lƣu đồ giải thuật cho các node Beacon ....................................................51
Hình 4.3: Lƣu đồ giải thuật cho các node Anchor ....................................................51
Hình 4.4: Lƣu đồ giải thuật cho node Localization ..................................................52
Hình 4.5: Lƣu đồ giải thuật cho hàm Update_neighbour() của node Localization ..53
Hình 4.6: Vị trí các node đƣợc tính tốn ...................................................................55
Hình 4.7: Vị trí các node đƣợc tính tốn ...................................................................56
Trang viii


Danh mục hình minh họa

Hình 4.8: Các kết quả LE của giải thuật LWCL .......................................................58
Hình 4.9: Các kết quả LE của giải thuật CL .............................................................60
Hình 4.10: So sánh kết quả sai số LE của hai phƣơng pháp LWCL và CL..............61
Hình 4.11: Giá trị RSSI khi ở mỗi vị trí khác nhau ..................................................62
Hình 4.12: Kết quả di chuyển với chu kỳ Beacon 10s, vận tốc 0.1s của giải thuật CL
...................................................................................................................................65
Hình 4.13: Kết quả di chuyển với chu kỳ Beacon 10s, vận tốc 0.1s của giải thuật
LWCL........................................................................................................................65

Hình 4.14: Dấu vết của node với v=1.5m/s và chu kỳ phát Beacon=5s dùng hai giải
thuật LWCL và CL ....................................................................................................67
Hình 4.15: Sai số của hai giải thuật LWCL và CL với v=1.5m/s và chu kỳ phát
Beacon=5s .................................................................................................................67
Hình 4.16: Dấu vết của các node ở tốc độ 1.5m/s và 5m/s với chu kỳ phát
Beacon=12s dùng giải thuật CL ................................................................................69
Hình 4.17: Sai số giải thuật CL ở hai vận tốc 1.5m/s và 5m/s. .................................69
Hình 4.18: Dấu vết của các node ở tốc độ 1.5m/s và 5m/s với chu kỳ phát
Beacon=12s dùng giải thuật LWCL..........................................................................70
Hình 4.19: Sai số giải thuật LWCL ở hai vận tốc 1.5m/s và 5m/s. ..........................71
Hình 5.1: Sơ đồ khối của TelosB ..............................................................................75
Hình 5.2: Hình ảnh cảm biến TelosB ........................................................................76
Hình 5.3: Giá trị RSSI ở các khoảng cách khác nhau ...............................................78
Hình 5.4: Giá trị trung bình RSSI ở các khoảng cách khác nhau .............................79
Hình 5.5: Vị trí ƣớc lƣợng thực tế .............................................................................80

Trang ix


Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AOA

Angle of Arrival

Phƣơng pháp góc tới

AWGN


Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm

CL

Centroid Localization

Định vị trọng tâm

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

DOA

Direction of Arrival

Phƣơng pháp hƣớng tới

DP

Direction Position

Đƣờnh dẫn trực tiếp

GPS


Global Positioning System

Hệ thống định vị tồn cầu

ID

IDentification

Định danh

LE

Localization Error

Sai số vị trí

LOS

Line of Sight

Đƣờng nhìn thẳng

LWCL

Linear Weighted Centroid
Localization

Tuyến tính hóa hệ số định vị
trọng tâm


OS

Operating System

Hệ điều hành

PDF

Probability Density Function

Mật độ xác xuất

RF

Radio Frequence

Tần số vơ tuyến Radio

RSS

Radio Signal Strength

Cƣờng độ tín hiệu cao tuyến

RSSI

Received Signal Strength Indicator

Chỉ số cƣờng độ tín hiệu nhận


SNR

Signal to Noise

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

TDOA

Time Difference of Arrival

Giải thuật thời gian tới khác
nhau

TOA

Time of Arrival

Phƣơng pháp thời gian tới

UDGM.java

Unit Disk Graph Medium

File cài đặt trong Contiki

WCL

Weighted centroid localization

Định vị hệ số trọng tâm


WSNs

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

Trang x


Danh mục kí hiệu

DANH MỤC KÍ HIỆU
d

Khoảng cách giữa các yếu tố liên tiếp.

Δt

Sự khác biệt thời gian giữa các điểm đến của tín
hiệu các phần tử mảng liên tiếp.

c

Vận tốc ánh sáng.

θ

Góc mà tại đó các tín hiệu tác động đến.


Δ

Khoảng cách giữa các yếu tố, là hệ số kênh truyền.

N

Số lƣợng của các yếu tố.

No

Mật độ quang phổ nhiễu.

B

Băng thơng tín hiệu.

 AOA

Độ lệch chuẩn dự tốn AOA.

AT , fc

Tƣơng ứng biên độ và tần số sóng mang của
nguồn tín hiệu x(t).

 DP

TOA của DP.

w (t)


Nhiễu mơ hình hóa nhƣ AWGN.

τ

Thời gian trễ.

s(t)

Tín hiệu truyền qua đƣờng truyền.

r (t)

Tín hiệu nhận đƣợc.

To

Thời gian quan sát

Trang xi


Danh mục kí hiệu

 D2

Phƣơng sai của TOA ƣớc tính.

μ và 


Độ lệch trung bình và tiêu chuẩn tƣơng ứng.

α

Gradient điện năng khoảng cách.

 sh

Phƣơng sai cho phai bóng.

 RSS

Độ lệch chuẩn của ƣớc lƣợng RSS.

n

Số node báo hiệu trong phạm vi.

CRLB

Phƣơng sai dự tốn vị trí.

wij

Trọng số của khoảng cách d ij

Pi ''( x, y)

Vị trí xấp xỉ của nút cảm biến i.


GRx

Độ lợi tại của máy thu.

GTx

Độ lợi của máy phát.

PTx

Công suất máy phát.

PRx

Công suất máy thu.

di, j

Khoảng cách giữa 2 nút i và nút j.

Trang xii


Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề và hƣớng giải quyết
Trong thế giới hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đã có những bƣớc phát triển
khơng tƣởng, đạt đƣợc nhiều thành tựu lớn phục vụ cho cuộc sống của con ngƣời.
Cùng chung với những bƣớc tiến trong khoa học kỹ thuật đó, các cơng nghệ trong

lĩnh vực mạng cảm biến không dây cũng không ngừng phát triển và đáp ứng ngày
càng nhiều các yêu cầu trong cuộc sống cũng nhƣ cung cấp các ứng dụng phục vụ
trong các lĩnh vực nhƣ y tế, giáo dục, quân sự, dân sự, nghiên cứu…
Mạng cảm biến khơng dây có rất nhiều các ứng dụng quan trọng đƣợc sử dụng
trong cuộc sống hiện đại, một trong số chúng là ứng dụng định vị một đối tƣợng cần
quan sát. Việc xác định vị trí của đối tƣợng cần quan tâm đã trỡ thành một vấn đề
rất phổ biến và quan trọng. Chẳng hạn nhƣ trong vận chuyển hàng hóa cần biết vị trí
chính xác của kiện hàng, hay nhƣ trong việc nghiên cứu động vật cần biết đƣợc vị
trí của con vật và nhiều ứng dụng khác. Để giải quyết vấn đề này đã có nhiều hệ
thống đƣợc nghiên cứu và xây dựng nhằm định vị đƣợc vị trí của đối tƣợng mong
muốn, và dùng nhiều nhất đó chính là hệ thống GPS (Global Positioning System).
Nhƣng hệ thống GPS với chi phí lớn, phạm vi hoạt động rộng và các yếu tố khác
nhiều khi không phù hợp với các ứng dụng ở quy mô nhỏ và đơn lẽ. Vì vậy kỹ thuật
định vị trong mạng cảm biến không dây (WSNs) ra đời nhằm giải quyết vấn đề này.
Kỹ thuật định vị trong WSNs để ƣớc tính vị trí node cảm biến chƣa biết với vị
trí ban đầu trong mạng bằng cách sử dụng các thông tin về vị trí đã có sẵn trong
mạng. Các vị trí này đƣợc định sẵn trong mạng. Sử dụng các thơng tin có thể suy ra
vị trí của nó nhƣ đo lƣờng khoảng cách, sai lệch thời gian đến, hoặc góc đến và sự
liên kết thơng tin vv... Thiết bị cài sẵn vị trí thơng tin trên mạng đƣợc gọi là Anchor
và vị trí của nó có thể đƣợc sử dụng bằng GPS hoặc bằng việc cài vị trí với một hệ
tọa độ tƣơng đối nào đó...Trong các ứng dụng địi hỏi một hệ thống tọa độ tồn cầu,
các anchors này sẽ xác định vị trí của các mạng cảm biến trong hệ thống tọa độ toàn
cầu. Trong các ứng dụng có phạm vi nhỏ (ví dụ: trong nhà thơng minh, bệnh viện,
quản lý hàng tồn kho…) các anchors xác định hệ thống tọa độ địa phƣơng. Do hạn
chế về chi phí và kích thƣớc của bộ cảm biến, tiêu thụ năng lƣợng, môi trƣờng thực
Trang 1


Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài


tế (ví dụ: GPS không thể truy cập trong một số môi trƣờng) và việc triển khai các bộ
cảm biến (ví dụ: cảm biến có thể đặt ngẫu nhiên nằm rải rác trong khu vực), hầu hết
các bộ cảm biến khơng biết vị trí của mình. Các cảm biến này với thơng tin địa
điểm chƣa biết đƣợc gọi là các node non-anchors, tọa độ của chúng cần phải đƣợc
ƣớc tính bằng cách sử dụng một thuật toán định vị (Localization) trong mạng cảm
biến.
Đề tài sẽ thực hiện việc nghiên cứu các kỹ thuật định vị dùng trong mạng cảm
biến không dây, mô phỏng thuật toán tối ƣu nhất trong các kỹ thuật bằng phần mềm
mô phỏng Cooja của hệ điều hành Contiki. Đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh
hƣởng đến độ chính xác của việc định vị trong mạng cảm biến không dây. Sau đó sẽ
triển khai kỹ thuật định vị với mơ hình đơn giản vào trong thực tế.
1.2 Lý do chọn đề tài
Mạng cảm biến đã đƣợc nghiên cứu trong hơn 30 năm, nhƣng các ứng dụng
trong mạng cảm biến không dây (WSNs) mới đƣợc đƣa vào thực tế bởi những tiến
bộ gần đây trong liên lạc không dây và điện tử, nhờ vào sản xuất chi phí thấp, cảm
biến đa chức năng, khả năng xử lý của cảm biến đƣợc mở rộng và kích thƣớc nhỏ
trong kết nối ở một khoảng cách ngắn. Ngày nay, giá thành rẻ, cảm biến thông
minh, mạng kết nối thông qua các liên kết không dây và triển khai với số lƣợng lớn,
cung cấp cơ hội chƣa từng có để theo dõi và kiểm sốt các đối tƣợng mong muốn.
Ngồi ra, mạng cảm biến có khả năng kết nối một số lƣợng lớn các cảm biến
trên một khu vực xác định, tạo ra khả năng mới về các ứng dụng đƣợc dùng rộng rãi
trong thực tế cuộc sống. Chẳng hạn ứng dụng về phát hiện và giám sát về mơi
trƣờng, về sinh hóa học, về quân sự…, hay ứng dụng về thu thập xử lý thông tin và
lƣu trữ dữ liệu, hoặc ứng dụng về điều khiển quản lý và hệ thống tự động.
Hầu hết các ứng dụng trong WSNs thì vấn đề định vị có vai trị rất quan trọng.
Với kỹ thuật định vị trong WSNs ta có đƣợc thơng tin vị trí của cảm biến và thông
tin này đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng cụ thể. Chính vì những hiệu quả to lớn của
kỹ thuật định vị trong mạng WSNs mang lại mà kỹ thuật này ngày càng đƣợc
nghiên cứu và phát triển đạt đƣợc nhiều bƣớc tiến vƣợt trội. Đó là lý do mà tôi đã
chọn đề tài này để thực hiện.

1.3 Mục đích nghiên cứu

Trang 2


Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài

Các kiến thức và kết quả đƣợc thực hiện ở luận văn là:
-

Giới thiệu khái qt về mạng cảm biến khơng dây.

-

Tìm hiểu về các kỹ thuật đo định vị trong kỹ thuật định vị.

-

Tìm hiểu về kỹ thuật định vị RSSI với thuật tốn LWCL.

-

Mơ phỏng và tính tốn kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán CL và LWCL.

-

Đánh giá các ảnh hƣởng đến độ chính xác trong ƣớc lƣợng vị trí.

-


Triển khai kỹ thuật định vị với mơ hình đơn giản trong thực tế.

1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về điều kiện triển khai thực tế nên các nghiên cứu thực hiện việc
mô phỏng kỹ thuật định vị dùng thuật toán CL và LWCL, đồng thời đánh giá các
yếu tố ảnh hƣởng đến độ chính xác của vị trí cảm biến đƣợc định vị, tiếp đến triển
khai thực tế việc đo đạt chỉ số RSSI suy hao theo khoảng cách, thực nghiệm định vị
bằng giải thuật LWCL với mơ hình đơn giản thơng qua đó để biết đƣợc từ lý thuyết
mô phỏng áp dụng vào thực tế có những sự khác biệt nào do các yếu tố nào gây ra.
Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần tối ƣu việc định vị trong mạng cảm
biến không dây khi triển khai vào mơi trƣờng thực tế. Tính tốn và mơ phỏng theo
các phần sau:
-

Tìm hiểu các thuật tốn định vị trong mạng cảm biến khơng dây.

-

Sử dụng hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mơ phỏng Cooja để mô phỏng
kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây.

-

Đánh giá các yếu tố gây ảnh hƣởng đến độ chính xác của vị trí.
Chƣơng trình mơ phỏng sẽ giúp việc triển khai hệ thống vào thực tế đƣợc

thuận lợi hơn, chính xác hơn. Giúp tìm ra phƣơng pháp tối ƣu dùng trong định vị và
cách khắc phục sai số về vị trí do các yếu tố gây ra.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đƣa ra những cơ sở lý thuyết về kỹ thuật
định vị dùng trong mạng cảm biến không dây và kết quả mô phỏng dùng thuật tốn

CL và LWCL từ mơ hình, đƣa ra đƣợc các yếu tố gây sai số và cách khắc phục nó.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
 Lý thuyết:
-

Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.

-

Giới thiệu về kỹ thuật định vị trong mạng cảm biến không dây.

Trang 3


Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài

-

Các kỹ thuật đo định vị trong kỹ thuật định vị.

-

Tìm hiểu về kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán WCL và LWCL.

-

Nghiên cứu về hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mơ phỏng Cooja.

 Mô phỏng:
-


Từ các cơ sở lý thuyết về kỹ thuật định vị RSSI với thuật toán WCL và
LWCL tiến hành mô phỏng định vị cảm biến trong mạng cảm biến khơng
dây có n*m các cảm biến.

-

Từ kết quả mơ phỏng tìm ra các yếu tố ảnh hƣởng đến sai số vị trí và đƣa ra
giải pháp khắc phục.

-

Dùng hệ điều hành Contiki và chƣơng trình mơ phỏng Cooja thực hiện mơ
phỏng.

 Thực tế:
- Tìm hiểu về một thiết bị cảm biến thực tế là TelosB.
- Thực nghiệm đo suy hao trong thực tế của tín hiệu RSSI.
- Thực nghiệm định vị trong một mơ hình đơn giản tại khng viên trƣờng ĐH
Bách Khoa TP Hồ Chí Minh.

Trang 4


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ WSNs VÀ CÁC ỨNG DỤNG
2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây
2.1.1 Đặc điểm chung của mạng cảm biến khơng dây


Hình 2.1: Mơ hình mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng
liên kết các node với nhau dùng sóng vơ tuyến. Trong đó, mỗi node mạng bao gồm
đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các node
mạng thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, chi phí thấp và có số lƣợng lớn đƣợc
phân bố khơng có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lƣợng bị hạn
chế và hoạt động trong thời gian dài. Chúng có khả năng xử lý thơng tin và trao đổi
với các thiết bị khác để tạo thành khả năng quan sát, thu thập dữ liệu, phân tích các
sự kiện và hiện tƣợng xảy ra trong môi trƣờng cần cảm biến.
Một node cảm biến có các thành phần bao gồm: bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ
giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn ni. Kích thƣớc
của các con cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Các node cảm biến
có khả năng liên lạc với các node lân cận và có các chức năng cơ bản xử lý tín hiệu,
quản lý giao thức mạng, giao tiếp với các node lận cận để truyền tới node trung tâm.

Trang 5


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến khơng dây:
- Có khả năng tự tổ chức, u cầu ít hoặc khơng có sự can thiệp của con
ngƣời.
- Truyền thơng khơng tin cậy, quảng bá trong phạm vị hẹp và định tuyến
multihop.
- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến.
- Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở
các node.
- Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và cơng suất tính
tốn.

- Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác định
trƣớc. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp.
Các nhà nghiên cứu ở Berkeley đã phát triển các thiết bị mạng cảm biến
không dây gọi là các “mode”, nó đƣợc nghiên cứu và chế tạo một cách công khai và
sẵn sàng đƣa vào thƣơng mại hóa, cùng với TinyOS một hệ điều hành rất gọn nhúng
vào nó để các thiết bị này đƣợc sử dụng dễ dàng. Hình ảnh minh họa một thiết bị
“mote” của Berkeley. Sự tiện ích của các thiết bị này cùng với một hệ điều hành dễ
sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tƣơng đối rẻ cho các thí nghiệm cũng nhƣ triển
khai trong thực tế đã mang lại một cuộc cách mạng lớn trong mạng cảm biến khơng
dây.

Hình 2.2: Thiết bị “Mote” của Berkeley
Trang 6


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ
nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch cảm biến… đã tạo ra
những con cảm biến có kích thuớc nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ
năng lƣợng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu trong các lĩnh vực: điều
khiển công nghiệp, giám sát và bảo mật, thu thập dữ liệu, theo dõi đối tƣợng, và các
ứng dụng y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng
cịn rất đa dạng và khơng giới hạn
2.1.2 Cơng nghệ mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến, cảm biến đƣợc xem nhƣ là phần quan trọng nhất phục
vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến
trƣờng điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm
biến định vị, dẫn đƣờng, đo đạc các thông số môi trƣờng, và các cảm biến phục vụ

trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…..Ngày nay, cảm biến đƣợc sử dụng với số lƣợng
lớn và gần gũi với cuộc sống hơn.
Mạng WSNs có các đặc điểm riêng là: cơng suất bị giới hạn, thời gian cung
cấp năng lƣợng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ
ngắn, số lƣợng các node cảm biến lớn …
Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thƣớc rất đa dạng, từ
nano (1- 100nm), micro (10-1000um)…
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trƣớc đây chủ yếu phục vụ cho
các ứng dụng quân sự nên địi hỏi tính báo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs
mở rộng cho các ứng dụng thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thƣơng
mại cao cho WSNs.
Theo các nghiên cứu gần đây về mạng cảm biến trong các yêu cầu về sự
truyền nhận thông tin với công suất thấp của các node xử lý, giá thành rẻ và khả
năng tự phân bố vị trí, lựa chọn giao thức mạng trong WSNs thì bài tốn cần giải
quyết quan trọng nhất của WSNs là khả năng cung cấp giới hạn năng lƣợng cho các
node. Vì vậy các mơ hình khơng dây có mạch tiêu thụ năng lƣợng thấp đƣợc ƣu tiên
phát triển.

Trang 7


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

Hiệu quả sử dụng công suất của mạng cảm biến về tổng quát dựa trên ba mục
tiêu:
- Chu kỳ hoạt động ngắn.
- Xử lý dữ liệu ngay tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
- Mơ hình mạng multihop làm giảm chiều dài đƣờng truyển, qua đó giảm suy
hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đƣờng truyền.
So sánh sử dụng định tuyến bằng dây và không dây thì hệ thống giám sát

khơng dây vốn linh hoạt hơn so với mạng lƣới có dây truyền thống. Hệ thống khơng
bị khóa vào một cấu trúc liên kết mạng cố định, mở ra khả năng bổ sung, nâng cấp,
mở rộng và nhƣ vậy thuận lợi này có nghĩa là có ít chi phí cho việc đo lƣờng, có
nhiều cơ hội cho việc đo đạc bổ sung cái nhìn sâu sắc hơn về hệ thống. Tính khơng
dây cũng mở rơng tính di động của việc truyền nhận dữ liệu. Với cảm biến không
dây, thời gian thiết lập đƣợc giảm đáng kể do tính linh hoạt của nó.
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
2.2.1 Khái niệm về node cảm biến
Yếu tố quan trọng nhất trong mạng WSNs là các node cảm biến. Các node
cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng cần quan sát, chúng có khả năng liên
lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản nhƣ cảm nhận, xử lý tín
hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyển dữ liệu từ
nguồn đến trung tâm.
Các cảm biến kích thƣớc nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng
tin cậy là những điều quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và
kinh tế.
2.2.2 Cấu tạo của node cảm biến
Một node cảm biến bao gồm 4 thành phần chính sau:
- Đơn vị cảm biến (sensing unit).
- Đơn vị xử lý (processing unit).
- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit).
- Bộ nguồn (power unit).

Trang 8


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng
nhƣ là hệ thống định vị (Position Finding System), bộ phát nguồn (Power

Generator) và bộ phận di động (Mobilizer).

Hình 2.3: Cấu tạo của node cảm biến
* Đơn vị cảm biến (Sensing Unit): bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tƣơng tự - số. Phần cảm biến có chức năng cảm nhận các biến đổi về mơi trƣờng
xung quanh, các hiện tƣợng vật lý nhƣ nhiệt độ, âm thanh, ánh sáng, sự thay đổi
mực nƣớc…sau đó chúng đƣợc chuyển sang dạng số bằng bộ ADC để đƣa vào
bộ xử lý trung tâm. Cảm biến trong WSNs đòi hỏi mức độ chính xác cao đồng
thời độ nhạy cũng cao để đáp ứng đủ nhanh với nhứng thay đổi của các yếu tố
cần quan sát.
* Đơn vị xử lý (Processing Unit): bao gồm vi xử lý kết hợp với bộ lƣu trữ.
Phần vi xử lý có chức năng thực thi, tính tốn và xử lý các q trình hoạt động
của một node mạng. Đây là thành phần cốt lõi của một node cảm biến khơng dây.
Nó có chức năng nhận các dữ liệu từ cảm biến đồng thời xử lý các dữ liệu này.
Sau quá trình xử lý dữ liệu, nó sẽ quyết định thời gian và nơi để gửi dữ liệu đi
cũng nhƣ nhận dữ liệu về từ node cảm biến khác. Vi xử lý cũng phải thực thi các
chƣơng trình khác, dựa vào lập trình của ngƣời sử dụng và sử dụng các giao thức
để liên kết các chƣơng trình khác nhau. Nó phải đảm bảo đƣợc khả năng linh
hoạt, hiệu suất cao nhƣng phải tiết kiệm đƣợc năng lƣợng cũng nhƣ chi phí giá
thành sản xuất.

Trang 9


Chƣơng 2: Tổng quan về WSNs và các ứng dụng

Phần bộ nhớ có RAM để lƣu trữ tạm thời các dữ liệu cảm biến đọc về, cũng nhƣ
đọc các gói tin từ các node cảm biến khác gửi đến. Đồng thời có thêm bộ nhớ
ROM, EEPROM hoặc bộ nhớ Flash để lƣu chƣơng trình hoạt động của node.
Đồng thời bộ nhớ flash có thể thực hiện chức năng lƣu trữ ngay lập tức dữ liệu

đang chƣa trong RAM trong trƣờng hợp RAM có vấn đề xảy ra hoặc nguồn cung
cấp cho RAM bị ngắt gây mất dữ liệu.
* Đơn vị truyền dẫn (Transceiver Unit): phần truyền dẫn dùng để trao đổi dữ
liệu giữa các node khác nhau. Có nhiều cách thức, chuẩn giao tiếp khác nhau
nhƣng trong mạng cảm biến không dây ta dùng truyền thông dựa vào RF bởi lý
do nó có thể kết nối với khoảng cách xa, tốc độ dữ liệu cao, chấp nhận tỉ lệ lỗi
cao cùng với khả năng về mặt tiết kiệm năng lƣợng và nó cũng khơng địi hỏi
LOS (Light of Sight) giữa node gửi và node nhận. Thông thƣờng mạng cảm biến
không dây dùng tần số từ 433 MHz – 2.4 GHz.
* Bộ nguồn (Power Unit): cung cấp năng lƣợng cho toàn bộ các hoạt động
của cảm biến. Bộ phận này thƣờng là các pin rời, cung cấp năng lƣợng cho cảm
biến, do đó khả năng cung cấp năng lƣợng là có giới hạn, dẫn đến tiêu chí cơ
bản, quan trọng nhất trong thiết kế cho cảm biến là vấn đề tiết kiệm năng lƣợng,
kéo dài sự hoạt động của các cảm biến. Vì năng lƣợng của mỗi node cảm biến là
giới hạn, do đó trong mỗi ứng dụng định tuyến, chuyển gói thì ngồi việc đảm
bảo truyền gói tin đi đƣợc thì cịn cần thiết đến việc làm sao để tiêu thụ năng
lƣợng ít nhất. Thơng thƣờng, để tiết kiệm tối đa năng lƣợng thì mỗi node mạng sẽ
có hai mode hoạt động là active và idle. Ở trạng thái bình thƣờng, node mạng sẽ
nghỉ và chờ phát hiện tác động, lúc có tác động nó sẽ active nếu cần thiết truyền
tác động đó đến đích cuối nếu u cầu.
Ngồi ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có
độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các
node cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. Tất cả những
thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module.

Trang 10