BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ:23.04.3898
BÙI THỊ HÀ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGÔ QUỲNH THU

Hà Nội 2013


1

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, nhờ sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ cũng như
với các ưu thế như: giá thành rẻ, khả năng triển khai với số lượng thiết bị rất lớn,
tiêu thụ ít năng lượng, khả năng mở rộng dễ dàng, đa chức năng, chi phí bảo trì
thấp, mạng cảm biến khơng dây ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực
của đời sống như: y tế, quân sự, môi trường, giao thơng...
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng cảm biến không dây như vấn đề về sự tiêu
hao năng lượng, thời gian sống của mạng, vấn đề đồng bộ sensor... Năng lượng luôn
là yếu tố quan trọng của tất cả các loại mạng. Với mạng cảm biến khơng dây, do
tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và ứng dụng ở nhiều vùng địa lý
phức tạp nên vấn đề về năng lượng càng trở nên quan trọng.
Trong khn khổ luận văn đã tập trung nghiên cứu tìm hiểu về mạng cảm

biến không dây, các thông số để đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây
và định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó luận văn có sử dụng
giao thức định tuyến LEACH được cài đặt và chạy trên OMNET với nhiều kịch bản
mơ hình mạng. Kết quả cho thấy rõ nét các thông số ảnh hưởng đến tuổi thọ của
mạng cảm biến không dây như thế nào.


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này không sao chép bất cứ tài liệu nào hiện
đang sử dụng (ngoại trừ các bảng biểu số liệu tham khảo và những kiến thức cơ
bản trong các tài liệu học tập và nghiên cứu được phép sử dụng).
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, tháng 3 năm 2013

Bùi Thị Hà


3

LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành của mình tới TS Ngơ Quỳnh
Thu, người đã hướng dẫn trực tiếp và giúp đỡ tận tình trong việc định hướng nghiên
cứu, tổ chức thực hiện đến quá trình viết và hồn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện Cơng nghệ thông tin
và truyền thông, Viện đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành bản Luận văn này.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn khó tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy/ Cô giáo, các nhà

khoa học và bạn bè đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 4 năm 2013
Tác giả

Bùi Thị Hà


4

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU .......................................6
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ...............................................8
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................10
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................12
1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây ..................................................12
1.1.1 Định nghĩa ................................................................................................12
1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ...............................................13
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây ....................................................................14
1.2.1 Các thành phần của một nút cảm biến .....................................................14
1.2.2 Mơ hình mạng trong mạng cảm biến không dây......................................17
1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng .........................................................................19
1.2.4 Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây ..........................21
1.3 Thách thức khi triển khai mạng cảm biến không dây .........................................26
1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ...........................................................30
1.4.1 Ứng dụng trong quân đội .........................................................................30
1.4.2 Ứng dụng trong mơi trường .....................................................................32

1.4.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe .........................................................34
1.4.4 Ứng dụng trong gia đình ..........................................................................34
Kết luận chương I ......................................................................................................36
CHƯƠNG II: CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG .....................37
2.1 Khái niệm đánh giá hiệu năng mạng ...................................................................37
2.2 Các phương pháp đánh giá hiệu năng mạng .......................................................37
2.2.1 Phương pháp toán học .............................................................................37
2.2.2 Phương pháp đo thực tế ...........................................................................38


5

2.2.3 Phương pháp mô phỏng ...........................................................................38
2.3 Các thông số đánh giá hiệu năng mạng...............................................................39
Kết luận chương II: ...................................................................................................43
CHƯƠNG III: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........44
3.1 Đặt vấn đề ...........................................................................................................44
3.2 Những thách thức về định tuyến trong mạng cảm biến không dây ....................45
3.3 Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến .......................................................46
3.4 Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trongWSN .................................48
3.5 Giao thức phân cấp LEACH ...............................................................................55
3.5.1 Khái niệm .................................................................................................55
3.5.2 Self - Configuring Cluster Formation ......................................................57
3.5.3 Sensor Data Aggregation (Tổng hợp dữ liệu) .........................................63
Kết luận chương III: ..................................................................................................65
CHƯƠNG IV: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ......................66
4.1 Giới thiệu chương trình mơ phỏng OMNeT++...................................................66
4.1.1 Mơ hình mơ phỏng trong OMNeT++ ......................................................67
4.1.2 Các bước thực hiện một mô phỏng trên OMNeT++ ...............................69
4.2 Cài đặt giao thức định tuyến LEACH .................................................................70

4.2.1 Mơ hình tiêu thụ năng lượng ...............................................................70
4.2.2 Mơ hình mạng .......................................................................................71
4.2.3 Các bước cài đặt .................................................................................72
4.3 Chạy mô phỏng và đánh giá kết quả ...................................................................80
4.3.1 Các tham số đầu vào ...........................................................................80
4.3.2 Các thông số đánh giá kết quả .................................................................81
4.3.3 Đánh giá kết quả ...................................................................................81
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..................................................87
KẾT LUẬN ...............................................................................................................89
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................91
PHỤ LỤC ..................................................................................................................92


6

HỆ THỐNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
TT

Tên hình vẽ

Trang

1

Hình 1.1 - Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây

14

2


Hình 1.2 - Cấu tạo nút cảm biến

15

3

Hình 1.3 - Loại node cơ sở trong mạng WSN

18

4

Hình 1.4 - Kết nối 2 mạng cảm nhận qua kênh truyền Internet

18

5

Hình 1.5a - Truyền đơn bước trong WSN

18

6

Hình 1.5b - Truyền đa bước trong WSN

19

7


Hình 1.6 - Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây

20

8

Hình 1.7 - Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến khơng dây

22

9

Hình 1.8 - Cấu trúc tầng của mạng cảm biến khơng dây

22

10

Hình 1.9 - Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

23

11

Hình 1.10 - Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng

24

12


Hình 1.11 - Cấu trúc mạng phân cấp logic

25

13

Hình 1.12 - Ứng dụng trong quân đội

31

14

Hình 1.13 - Mạng WSN cảnh báo cháy rừng

33

15

Hình 1.14 - Mạng WSN cảnh báo lũ lụt

33

16

Hình 1.15 - Cảnh báo vào đo thơng số động đất

34

17


Hình 2.1 - Cấu trúc phần hạt cứng Mica

40

18

Hình 3.1 - Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN

49

19

Hình 3.2 - Định tuyến phẳng và định tuyến phân nhóm

50

20

Hình 3.3 - Giao thức định tuyến LEACH

55

21

Hình 3.4 - Time-line hoạt động của LEACH

56

22


Hình 3.5 - Giải thuật hình thành cluster trong LEACH

59

23

Hình 3.6 - Sự hình thành cụm ở 2 vịng khác nhau

60

24

Hình 3.7 - Hoạt động của pha ổn định trong LEACH

61

25

Hình 3.8 - Time - line hoạt động của LEACH trong một vòng

62


7

26

Hình 3.9 - Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng

62


27

Hình 4.1 - Cấu trúc module NED

68

28

Hình 4.2 - Mơ hình tiêu thụ năng lượng khi truyền nhận bằng

70

sóng
29

Hình 4.3 - Mơ hình các thành phần mạng mơ phỏng

73

30

Hình 4.4 - File .NED định nghĩa cấu trúc mạng mơ phỏng

74

31

Hình 4.5 - File MessageType.msg định dạng cho các message


76

32

Hình 4.6 - Tham số để chạy chương trình mơ phỏng

77

33

Hình 4.7 - Snapshot khi chạy chương trình

78

34

Hình 4.8 - Các lệnh ghi lại kết quả thực hiện chương trình

79

35

Hình 4.9 - Kết quả sau khi chạy chương trình

79

36

Hình 4.10 - So sánh các thơng số FND, HND, LAST


82

37

Hình 4.11 - Tổng năng lượng cịn lại của các nút sau mỗi vịng

83

38

Hình 4.12 - Số nút cịn sống theo từng vịng

84

39

Hình 4.13 - Năng lượng còn lại của các nút ở vòng thứ 10

85

40

Hình 4.14 - Năng lượng cịn lại của các nút ở vòng cuối cùng

85

41

Bảng 1 - Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến trong


52 + 53

mạng cảm biến không dây
42

Bảng 2 - Các tham số đầu vào của việc mô phỏng

80


8

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

STT

1

Từ viết tắt và

Tên đầy đủ

thuật ngữ
WSN

Wireless Sensor
Network
Low-Energy

2


LEACH

Adaptive Clustering
Hierarchy

3

BS

Base Station

4

CH

Cluster Head
Objective Modular

5

OMNeT++

Network Testbed in
C++

6

7


RSSI

TDMA

Received Signal
Strength Indication

Time Division
Multiple Access

8

FND

Fisrt Node Dead

9

HNA

Hafl Node Alive

Giải thích

Mạng cảm biến khơng dây
Một giao thức định tuyến phân
nhóm kinh điển trong WSN
Trạm gốc, thu thập dữ liệu từ các
cảm biến trong toàn mạng
Nút cảm biến được chọn thay cho

cả nhóm gửi dữ liệu về BS
Một cơng cụ mơ phỏng mạng sử
dụng ngơn ngữ C++
Cường độ tín hiệu, có thể sử dụng
để tính khoảng cách giữa nút thu
và nút truyền
Phương pháp đa truy cập theo thời
gian, chia và quy định các khe
thời gian cho từng truy cập
Vịng đầu tiên có nút mạng bị chết
Vòng mà còn một nửa số nút còn
sống


9

10

ADC

Analog to Digital

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự

Converter

sang tín hiệu số


10


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông đặc biệt là trong lĩnh vực vô tuyến đã đem
lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta có thể dễ dàng thu thập thông tin ở bất
kỳ điều kiện và vùng địa lý nào. Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng
ta thu thập thơng tin trong đó mạng cảm biến không dây hiện đang được dùng phổ
biến trên thế giới và đang dần xâm nhập vào nước ta. Ở những nước công nghiệp
phát triển, việc ứng dụng mạng cảm biến không dây đã trở nên phổ biến trong các
lĩnh vực như phát triển nông, lâm nghiệp, hỗ trợ y học, nghiên cứu về môi trường,
dự báo các thảm họa động đất, núi lửa, ứng dụng trong lĩnh vực quân sự…
Có nhiều vấn đề đặt ra cho mạng cảm biến không dây như vấn đề năng
lượng, sự tiêu hao năng lượng, thời gian sống của mạng, vấn đề đồng bộ sensor, vấn
đề mở rộng mạng... Năng lượng luôn là yếu tố quan trọng của tất cả các loại mạng.
Với mạng cảm biến khơng dây do tính đặc thù của mạng là hạn chế về phần cứng và
ứng dụng ở nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề năng lượng càng trở lên quan
trọng.
Qua quá trình nghiên cứu cho thấy mặc dù mạng cảm biến khơng
dây có nhiều ưu điểm và đang phát triển mạnh mẽ nhưng nó cũng đang
phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là
nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên
cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng
lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Vì vậy trong
quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến, tác giả tiến hành chọn
đề tài:“Đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây”.


11


2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
- Mục đích: Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không
dây. Sử dụng giao thức định tuyến phân nhóm LEACH trong mạng cảm biến
không dây để đánh giá hiệu quả hoạt động, năng lượng và thời gian sống của mạng.
- Đối tượng nghiên cứu: Đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây
- Phạm vi nghiên cứu: Một số giao thức định tuyến phân nhóm để đánh giá
sự tiêu hao năng lượng và thời gian sống của mạng cảm biến
3. Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Tồn bộ nội dung nghiên cứu được thể hiện trong các phần sau đây:
- Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây, những ứng dụng và
tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây trong thực tiễn
- Chương II: Tìm hiểu về các thơng số để đánh giá hiệu năng của mạng cảm
biến
- Chương III: Tổng quan về các giao thức định tuyến, so sánh và đánh giá
hoạt động của các giao thức định tuyến
- Chương IV: Cài đặt và chạy mô phỏng LEACH với một số kịch bản khác
nhau. Phân tích và đánh giá kết quả chạy mơ phỏng
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp luận: Phân tích, tổng hợp để tìm hiểu lý thuyết về
mạng cảm biến không dây làm cơ sở cho việc nghiên cứu các giao thức
định tuyến phân cấp.
- Phương pháp mô phỏng: Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên OMNET++
để đánh giá hiệu năng mạng thực thi của giao thức định tuyến phân nhóm LEACH.


12

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
1.1.1 Định nghĩa

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang
được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự
thay đổi của mơi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do
thám việc tấn cơng bằng hạt nhân, sinh học và hố học, chuẩn đốn sự hỏng hóc của
máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý
thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thơng, các phương tiện xe
cộ…
Hiện nay, có rất nhiều định nghĩa về mạng cảm biến không dây và một mạng
cảm biến không dây thường được định nghĩa như sau: Mạng cảm biến không dây là
một mạng bao gồm một số lượng các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành
thấp, có sẵn nguồn năng lượng nhỏ, có khả năng tự tổ chức, tính tốn và giao tiếp
với các thiết bị khác thông qua các kết nối không dây, được triển khai ngay trong
hoặc gần nơi xảy ra hiện tượng nhằm mục đích cảm nhận, đo đạc, tính tốn để thu
thập, tập trung dữ liệu và để đưa ra các quyết định toàn cục về hiện tượng.
Mạng cảm biến không dây được cấu thành từ các nút cảm biến (sensor) có
kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua
kênh vô tuyến. Một nút cảm biến thường bao gồm các thành phần chính: các bộ vi
xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát khơng dây, bộ
nguồn. Ngồi ra cịn có thể thêm các thành phần: hệ thống định vị, hệ thống quản lý
di động và bộ phát nguồn. Kích thước của các nút này thay đổi tùy thuộc vào từng
ứng dụng.
Do số lượng các node mạng lớn, có thể được triển khai nhiều ở những nơi
địa lý phức tạp, nên khả năng thay thế nguồn nuôi cho từng node mạng là gần như
không thể. Do vậy việc quản lý năng lượng để tăng thời gian sống của các con cảm
biến là một vấn đề trọng tâm trong mạng cảm biến không dây (bao gồm lựa chọn


13

phần cứng, chương trình nhúng tại các node). Bởi vậy mà tùy theo các loại ứng

dụng mà ta có thể lựa chọn các node mạng phù hợp.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp khơng dây, cơng nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến…đã tạo ra
những cảm biến nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng nhờ
đó làm tăng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm
quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự
giới hạn về năng lượng của chúng. Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất
thấp. Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là khơng thể thay thế
được nguồn cung cấp. Do đó, trong khi mạng truyền thông tập trung vào đạt được
các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biến phải tập trung đầu tiên
vào bảo tồn cơng suất.
1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến khơng dây thường có các đặc điểm chính sau:
- Có khả năng tự tổ chức, u cầu ít hoặc khơng có sự can thiệp của con
người.
- Truyền thơng khơng tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến đa
chặng (multi-hop).
- Được triển khai dày đặc và số kết nối được tạo giữa các nút cảm biến rất
lớn.
- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào việc mở rộng mạng
và sự hư hỏng, hết năng lượng ở các nút.
- Giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và khả năng tính tốn.
Nhờ khả năng triển khai trên một phạm vi rộng và khả năng tự cấu hình cho
mục đích giám sát, cảnh báo…. Ví dụ như giám sát cảnh báo cháy rừng, cảnh báo
lũ, và trong quân sự. Thêm vào đó sử dụng kênh truyền vô tuyến nên không phải
đầu tư triển khai cơ sở hạ tầng mạng, các thiết bị phần cứng có khả năng tích hợp


14


cao và tốn ít năng lượng. Bởi vậy các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây
ngày càng phổ biến cho các ứng dụng như: quân sự, các ứng dụng gia đình, giám
sát, cảnh báo…
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1). Mỗi
một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink.

Hình 1.1 - Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình
vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager node)
qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thơng tin được u cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngồi mạng có
thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm
biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như
Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm
biến trong mạng.
1.2.1 Các thành phần của một nút cảm biến
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:


15

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2):
đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn
(a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngồi ra có thể có thêm những
thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location
finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer).


Hình 1.2 - Cấu tạo nút cảm biến
Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tín
hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter- ADCs). Dựa trên
những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển
sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thường liên
quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho node cảm biến
hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước. Bộ thu phát kết
nối với node mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một node cảm biến
là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ
phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời. Node cảm biến cịn có thể có những bộ
phận nhỏ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
1.2.1.1 Cảm biến
Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến
tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có


16

một vài loại sensor trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại sensor
riêng: sensor nhiệt độ, sensor ánh sáng, sensor độ ẩm, sensor áp suất, sensor gia tốc,
sensor từ, sensor âm thanh, hay thậm chí là sensor hình ảnh có độ phân giải thấp…
1.2.1.2 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp
Vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong node mạng cảm nhận không dây,
thực hiện thu thập dữ liệu từ các node, sau đó xử lý trước khi gửi đi, và nhận dữ liệu
từ các node khác. Nguyên nhân nó được lựa chọn trong các hệ thống nhúng là mềm
dẻo trong kết nối với các thiết bị khác như thiết bị cảm biến, tiêu thụ năng lượng
thấp nhờ khả năng chuyển sang chế độ ngủ khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển
hoạt động, hơn nữa thường có bộ nhớ tích hợp ngay trên bộ vi xử lý. Một đặc điểm
rất được người lập trình u thích là khả năng lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao (C,
C++).

1.2.1.3 Bộ nhớ/Lưu trữ (Memory/Storage)
Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu từ các node cảm biến, hoặc gói dữ liệu
từ các node khác, có 2 loại kiến trúc bộ nhớ là: kiến trúc havard và kiến trúc von
newman. Điểm khác nhau của 2 kiến trúc này là trong kiến trúc havard thì bộ nhớ
dữ liệu và chương trình tách biệt nhau khi đó dữ liệu thường được chứa trong RAM
cịn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH, còn trong kiến trúc
von newman thì dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau, thường là trên
RAM, nhược điểm của nó là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt nguồn, bởi vậy chương trình
hoặc hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash
(gần tương tự như EEPROM). Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết
bị WSN thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp.
1.2.1.4 Bộ thu phát sóng vơ tuyến
Thiết bị WSN có tốc độ thấp (10100kbps) và là thiết bị vô tuyến không
dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong WSN thì truyền vơ tuyến là một q trình sử
dụng cơng suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả cơng suất giữa
các chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động.


17

1.2.1.5 Hệ thống định vị địa lý GPS (Geopositioning System)
Trong rất nhiều ứng dụng WSN, điều cực kỳ quan trọng là nhận biết được
vị trí của các số đo cảm biến. Cách đơn giản để nhận biết vị trí là cấu hình trước vị
trí của các cảm biến khi trải ra. Nhưng cách này chỉ khả thi trong một số điều kiện
triển khai nhất định.
Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngồi tịa nhà: Khi một mạng được triển
khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh gốc GPS. Tuy nhiên, tại các ứng dụng,
do hạn chế của mơi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các node được trang bị
GPS. Trong trường hợp này, các node khác nhau (nhưng vẫn trong cùng mạng) chỉ
thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng.

1.2.1.6 Nguồn năng lượng (Power source)
Là thành phần cốt yếu của mạng cảm nhận, trong đó 2 vấn đề cần quan tâm
là khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, và khả năng thay thế nguồn. Thường
thì nguồn ở đây thường là pin, và khả năng thay thế trong node mạng là khơng thể
do địa hình triển khai và số node mạng lớn, do vậy phải chọn nguồn ổn định có khả
năng hoạt động phù hợp với yêu cầu của ứng dụng và môi trường hoạt động.
1.2.2 Mơ hình mạng trong mạng cảm biến khơng dây
1.2.2.1 Node nguồn và node cơ sở
Một vài kiểu đối tượng giám sát của mạng cảm biến theo kiểu phát hiện sự
kiện, hoặc theo chu kỳ; chức năng của chúng là phát hiện và gửi dữ liệu tại khu vực
mà nó giám sát về node cơ sở, nơi tập trung và xử lý toàn bộ dữ liệu của các node
khác gửi về, thường có 3 loại node cơ sở: có thể là một node trong mạng tương tự
như các node con khác với loại node cơ sở này thường nó chỉ dùng để nhận dữ liệu
sau đó chuyển tới PC để xử lý; loại node cơ sở thứ 2 có thể là một thiết bị cầm tay
hoặc PDA được sử dụng để tương tác với mạng cảm nhận; loại thứ 3 là node cảm
nhận có thể được nối qua gateway để tới một mạng lớn hơn là internet.


18

Hình 1.3 - Loại node cơ sở trong mạng WSN

Hình1.4 - Kết nối 2 mạng cảm nhận qua kênh truyền trên internet
1.2.2.2 Mạng đơn bước và mạng đa bước

Trạm gốc

Trạm con

Hình1.5a - Truyền đơn bước trong WSN



19

- Mạng đơn bước đơn giản là từ node con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về
node cơ sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ, thông thường trường hợp mạng
đơn bước được coi là một trường hợp đặc biệt của mạng đa bước khi xem xét trên
một phạm vi nhỏ.
- Trong trường hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ node
con về node cơ sở thì dữ liệu sẽ được gửi qua các node trung gian trước khi tới node
cơ sở, ta gọi đây là truyền đa bước. Đôi khi không phải vì khơng thể truyền trực tiếp
từ node con tới node cơ sở mà người ta mới dùng node trung gian, do dùng node
trung gian để giảm công suất và chia đều tiêu tán năng lượng giữa các node.

Trạm gốc

Trạm trung gian

Trạm con

Hình1.5b - Truyền đa bước trong WSN
Như vậy các node con ngồi nhiệm vụ thu nhận dữ liệu cịn phải chuyển tiếp
dữ liệu về trạm cơ sở. Tuy truyền đa bước có thể giải quyết bài tốn về khoảng cách
nhưng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lượng hiệu quả, và xung đột khi có quá
nhiều node có yêu cầu gửi dữ liệu tới một trạm để chuyển tiếp, ví dụ trong một topo
mạng phổ biến dạng cây, dạng lưới thì những node càng gần trạm gốc thì càng phải
chuyển tiếp nhiều gói tin.
1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình
(1.6).



20

Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng
quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất,
định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút
cảm biến.

Hình 1.6 - Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
- Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng
lượng của nó. Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin.
Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên
cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó khơng thể tham gia vào quá
trình định tuyến .
- Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng.
- Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút
trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm
vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm.
- 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 được sử dụng rộng
rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét


21

ở lớp vật lý, ví dụ: điều biến M hoặc điều biến nhị phân.
- 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 đường truyền và điều khiển lỗi. Vì mơi

trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập
môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất và phải có khả năng tối thiểu hố
việc va chạm với thơng tin quảng bá của các nút lân cận.
- Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên
tắc sau :
+ Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng
+ Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
+ Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó khơng cản trở sự cộng tác có
hiệu quả của các nút cảm biến.
- Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thơng
qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngồi khác.
- Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
1.2.4 Các cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây
1.2.4.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.7), tất cả các nút đều ngang
hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua
multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định,
các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai tṛị của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn
nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu,
vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là
có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số…


22

Hình 1.7 - Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến không dây
1.2.4.2 Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.8), các cụm được tạo ra
giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy

thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster
head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở
một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.

Hình 1.8 - Cấu trúc tầng của mạng cảm biến không dây


23

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính tốn và phân phối dữ liệu
khơng đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính tốn, và cấp trên
cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.9).

Hình 1.9 - Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Nói cách khác, những nhiệm vụ xác định có thể được chia khơng đồng đều
giữa các lớp, mỗi lớp có thể đảm nhận một nhiệm vụ xác định trong tính tốn. Khi
đó, các sensor ở cấp thấp nhất có vai trị là một bộ lọc thông dải đơn giản, tách
nhiễu khỏi dữ liệu, đồng thời các nút ở cấp cao hơn ngừng lọc dữ liệu này. Sự phân
tích chức năng của các mạng cảm biến phản ánh các đặc điểm tự nhiên của các nút,
cịn gọi là sự phân biệt theo logic. Ví dụ, một tập hợp con các nút với khả năng
truyền thơng ở phạm vi rộng có thể tạo nên cấu hình mạng kiểu phân lớp xếp chồng
vật lý (hình 1.10).


24

Hình 1.10 - Cấu trúc mạng phân lớp xếp tầng
Như vậy, một tập hợp con các nút trong mạng có thể được phân biệt một
cách logic bởi chúng đại diện thực hiện một nhiệm vụ cho các nút khác. Những

chức năng như vậy phải bao gồm sự tập trung dữ liệu, truyền thông qua mạng
xương sống, hoặc kết hợp định tuyến giữa các nút. Những qui tắc logic này tạo nên
mạng phân cấp logic (hình 1.11). và có thể thay phiên nhau định kì để đảm bảo sự
cơng bằng. Khi các nút có khả năng tính tốn cao hơn hoạt động, các nhiệm vụ tính
tốn sẽ được chuyển sang các nút này từ các nút ít khả năng hơn. Nếu khơng có
“computer servers” như vậy, một cụm các sensor cần chọn ra một nút để thực hiện
các nhiệm vụ như tập trung dữ liệu. Tuy nhiên trong một số trường hợp chỉ có nút
có tài ngun vật lý thích hợp thích hợp cho việc thực hiện các nhiệm vụ định sẵn.
Một nút với hệ thống định vị toàn cầu (global positioning system - GPS) đóng vai
trị chủ chốt trong việc định vị hoặc đồng bộ thời gian là một ví dụ. Do vậy, rất
nhiều các mạng cảm biến hiện nay được thiết kế theo cấu trúc phân cấp là điều tất
yếu.