`
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện:
Lớp:
TRẦN HỮU CƯƠNG
KSTN-ĐTVT-K52
Giảng viên hướng dẫn:
TS. PHẠM VĂN TIẾN

Hà Nội, 6-2012
`
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

…………………………………………………………………………………………………………… ………
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
…………………………………… …………………………………………… …… ……………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………….
… ……………………… …………………………………………………………………………………….
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….……………
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
………………………………………………………………………………………………………………………………
… ….……………………………………………………………………………………………
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
…………………………………………………………………………………………………………………… ……….…
……………………………………………………………………………………………………….
5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….……………
7. Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… ………

Ngày tháng năm
Chủ nhiệm Bộ môn
Giảng viên hướng dẫn

Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
`
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 5

LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật
cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một
thế hệ mạng mới ra đời – mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network -
WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm
biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời
sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường sống, giao
thông
Trong một tương lai không xa, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến
được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không
thể thiếu trong xã hội hiện đại nhàm mạng lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết
thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và
nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển
khai có hiệu quả mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều thử
thách do những đặc điểm riêng biệt của nó nhu các nút cảm biến bị giới hạn về phần
cứng, khả năng tính toán, mật độ dày đặc của các nút trong hệ thống
Sau một thời gian làm việc rất cố gắng trên phòng Lab 411 Khoa Điện tử-
Viễn thông dưới sự hướng dẫn tận tình của TS.PHẠM VĂN TIẾN cùng sự hợp tác
chặt chẽ với các thành viên của nhóm nghiên cứu phát triển phòng Lab 411, em đã
hoàn thành đồ án với đề tài “THIẾT KẾ GIAO THỨC TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY”.
Với những nỗ lực thật sự, đồ án của em đã đạt được một số kết quả nhất

thụ năng lượng. Nếu không có chính sách kiểm soát thích hợp, bản tin dữ liệu có thể
được truyền qua các tuyến đường đã cạn kiệt năng lượng, nhanh chóng làm gián
đoạn kết nối mạng. Nếu một nút truyền dữ liệu ở một mức độ năng lượng quá cao,
nó không chỉ khiến năng lượng của mình cạn kiệt nhanh chóng, mà còn ảnh hưởng
nhiễu tới các các nút khác đang trao đổi bản tin trong mạng. Trong nghiên cứu này,
em giới thiệu một phương phát điều khiển năng lượng hợp tác, trong đó các nút của
các tuyến đường cùng điều chỉnh công suất phát của chúng thường xuyên theo thời
gian và sau khi tái định tuyến. Lựa chọn tuyến đường được thực hiện qua việc xem
xét các số liệu liên kết như cường độ tín hiệu, năng lượng còn lại, và xem xét tới
khả năng hết năng lượng trong tương lai. Đồng thời, để giữ cân bằng tiêu thụ năng
lượng trên toàn mạng, nhận thức năng lượng được tiến hành định kỳ. Truyền tải
điện năng của mỗi nút được thiết lập ở một mức độ đủ cao theo gợi ý của nút kế tiếp
trên tuyến.
Cụ thể nội dung đồ án bao gồm 5 chương :
 Chương 1 : Mở đầu
Giới thiệu tổng quan về khái niệm, cấu trúc và ứng dụng của mạng cảm biến
không dây.
 Chương 2 : Tổng quan mạng cảm biến không dây
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 8

Giới thiệu tổng quan về chuẩn ZigBee / IEEE802.15.4 và một số thiết bị thu
phát hỗ trợ chuẩn ZigBee.
 Chương 3 : Chuẩn ZigBee/IEEE802.15.4
Trình bày chi tiết về những vấn đề liên quan như thiết bị thu phát, cảm biến,
động cơ điều khiển rào chắn.
 Chương 4 : Thiết kế hệ thống
Trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối của các thành phần

the hint of its adjacent downstream node. Simulation outputs do support our
proposals in connectivity and throughput.

Keywords: WSN, routing, power control, link quality.
Content of Thesis includes 5 chapters:
 Chapter 1 :
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 10

Overview of wireless sensor network and applications.
 Chapter 2 : WSN Overview
Overview of ZigBee/IEEE802.15.4 Standard and IEEE 802.15.4™ Standard
Compliant RF Transceivers.
 Chapter 3 : ZigBee/IEEE802.15.4 Standard
Presentation on issues of concern in design process such as tranceiver,
sensor, motor.
 Chapter 4 : System Design
Propose design model of modules and cooperating mechanisms.
 Chapter 5 : System Implementation and Results

Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 11

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

CHƯƠNG 4. Thiết kế hệ thống 61
4.1 Cơ sở lý thuyết 61
4.1.1 Tổng quan hệ thống 61
4.1.2 Điều khiển công suất phát 62
4.1.3 Định tuyến 66
4.2 Thiết kế mô phỏng 69
4.2.1 Lựa chon công cụ mô phỏng NS-2 69
4.2.2 Thiết kế các mô-đun trong mô phỏng NS-2 70
4.3 Thiết bị phần cứng 71
4.3.1 Thiết bị thu phát 71
4.3.2 Microchip Stack 72
4.3.3 Thiết kế mô-đun giám sát năng lượng nút mạng WSN 73
4.3.4 Thiết kế mô-đun điều khiển công suất 74
4.3.5 Thiết kế mô-đun định tuyến 76
CHƯƠNG 5. Mô phỏng, thí nghiệm và đánh giá kết quả 77
5.1 Quá trình cài đặt và thiết lập hoạt động cho hệ thống mô phỏng 77
5.1.1 Mô tả kịch bản 77
- Kịch bản 100 nút 77
5.1.2 Kết quả mô phỏng 78
- Kết luận 80
5.2 Triển khai thực tế 80
5.2.1 Kịch bản thí nghiệm 80
5.2.2 Kết quả thí nghiệm 81
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 13

KẾT LUẬN 87


HÌNH 4-1 TƯƠNG TÁC XUYÊN TẦNG 61
HÌNH 4-2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 62
HÌNH 4-3 QUAN HỆ GIỮA MỨC CÔNG SUẤT PHÁT VÀ CHẤT LƯỢNG
LIÊN KẾT 64
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 15

HÌNH 4-4 MỐI QUAN HỆ GIỮA LQI VÀ CÔNG SUẤT PHÁT. 65
HÌNH 4-5 THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 67
HÌNH 4-6 VÍ DỤ VỀ THAY ĐỔI BẢNG ĐỊNH TUYẾN 68
HÌNH 4-7 KIẾN TRÚC CỦA BỘ THU PHÁT MRF24J40 71
HÌNH 4-8 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐO ĐIỆN ÁP MỖI NODE 74
HÌNH 4-9 HÌNH MÔ TẢ CÁC BƯỚC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 75
HÌNH 5-1 KỊCH BẢN 100 NÚT 77
HÌNH 5-2 SO SÁNH TỈ LỆ GÓI ĐẾN 78
HÌNH 5-3 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG 78
HÌNH 5-4 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI 79
HÌNH 5-5 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 60 NÚT 79
HÌNH 5-6 SO SÁNH ĐỘ DÀI KẾT NỐI ỨNG VỚI KỊCH BẢN 100 NÚT 80
HÌNH 5-8 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU
BẢNG 3-2 DẢI TẦN HOẠT ĐỘNG VÀ TỐC ĐỘ DỮ LIỆU 42
BẢNG 4-1 BẢNG CHỈNH SỬA CÁC CẤU TRÚC THUỘC LỚP ĐỊNH TUYẾN

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
STT
Thuật ngữ viết tắt
Thuật ngữ tiếng anh
Thuật ngữ tiếng việt
1
WSN
Wireless Sensor Network
Mạng cảm biến không
dây
2
LR-WPAN
Low Rate Wireless
Personal Area Network
Mạng cá nhân không
dây tốc độ thấp
3
SAP
Offset – Quadrature
Phase – Shift Keying
Điều chế cầu phương
bù
4
O-QPSK
Ultra High Frequency
Siêu cao tần
5
RSSI / ED
Received Signal Strength
Indicator / Energy

PLME
Physical Layer
Management Entity
Thực thể quản lý lớp
vật lý
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 18

12
CSMA - CA
Carrier Sense Multiple
Access – Collision
Avoidance
Đa truy cập cảm nhận
sóng mang tránh xung
đột
13
GTS
Guaranteed Time Slot
Khe thời gian bảo vệ
14
MSDU
MAC Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp MAC
15
MPDU
MAC Protocol Data Unit

Đơn vị dữ liệu dịch vụ
lớp mạng
20
NSDU
Network Service Data
Unit
Thực thể quản lý lớp
mạng
21
NLME
Network Layer
Thực thể dữ liệu lớp
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 19

Management Entity
mạng
22
NLDE
Network Layer Data
Entity
Cơ sở dữ liệu lớp mạng
23
NIB
Network Information
Base
Đơn vị dữ liệu giao
thức lớp ứng dụng

hỗ trợ ứng dụng
29
APL
Application Layer
Lớp ứng dụng
30
ZDO
ZigBee Device Object
Đối tượng thiết bị
ZigBee Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 20

CHƯƠNG 1. Mở đầu
1.1 Đặt vấn đề
Với những tiến bộ gần đây về kỹ thuật và công nghệ WSN (mạng cảm biến
không dây) hiện nay, nó không chỉ đáp ứng cho các thiết bị thu thập thông tin thời
gian thực mà còn đáp ứng được các ứng dụng thời gian thực phức tạp. Vì vậy, WSN
có thể được triển khai trên các thiết bị truyển động. Mỗi nút mạng bao gồm một
hoặc nhiều thiết bị cảm biến, một bộ vi xử lý và một bộ phát sóng. Tất cả chúng đều
được cung cấp bởi một nguồn pin không đổi và hạn chế. Các nút mạng thu thập dữ
liệu từ môi trường mà họ giám sát và gửi chúng tới các nút khác hoặc về bộ điều
phối. Bộ điều phối nhận dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển thích hợp.
Những nỗ lực trong giới các nhà nghiên cứu đối với mạng WSN (mạng cảm
biến không dây) tập trung vào khéo dài tuổi thọ mạng tương ứng với năng lượng pin
hạn chế. Tuy nhiên, khi các ứng dụng thời gian thực triển khai dựa trên mạng cảm

- Các giao thức tiến kiệm năng lượng cho hệ thống cảm biến không
dây trên thế giới.
- Công cụ mô phỏng hợp lý.
- Thiết bị testbet.
Bước 2. Làm thí nghiệm testbet và mô phỏng để mô hình hóa các quan
hệ rằng buộc giữa các thống số trong mạng từ đó mô hình hóa được
hệ thống và các phương trình phụ thuộc.
Bước 3. Mô phỏng kiểm chứng mô hình thiết kế.
- Kết quả xấu quay về bước 2.
- Kết quả tốt tiến hành tiếp bước 4.
Bước 4. Triển khai thiết kế trên testbed, khi mô phỏng cho kết quả tốt.
Bước 5. Thí nghiệm kiểm chứng kết quả testbet.
- Kết quả xấu quay về bước 6
- Kết quả tốt hoàn thành thiết kế.
Bước 6. Bắt đầu lại tại bước 2 với các số liệu mô phỏng có được từ thưc
nghiệm.
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 22

Khảo sát
Đo đạc các thông số qua mô phỏng và
testbet &Mô hình hóa hệ thống và các
phương trình phụ thuộc
Kết quả có tốt
không?
Mô phỏng kiểm chứng
mô hình thiết kế
Triển khai thiết kế trên

thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi tùy
thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi
trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa
học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và
đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
Với 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 phần cảm biến… đã tạo
ranhững con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ
năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
- Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop.
- Được triển khai với mật độ sensor lớn.
- Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc và fadinh và hư
hỏng ở các nút.
Đồ án tốt nghiệp Trần Hữu Cương – KSTN-ĐTVT-K52 Trang | 24

- Các nút trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.
- Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
- Vị trí các nút mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác
định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức
tạp.
- Khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến: các nút cảm biến có gắn bộ
xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ
liệu đã qua tính toán đơn giản.
2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài 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.
Giám sát từ xaGiám sát từ xa
Robot (Actor)
Actor
Actor
Sensor
Sensor
Sensor
Sensor

Hình 2-1 Cấu trúc mạng cảm biến không dây
Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng
lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc