Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh
Lớp: D2001VT
Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
----------------*



*----------------

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài
CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG Hà Nội 2005


TS. ĐINH VĂN DŨNG NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005 NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN:

Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005 I
MỤC LỤC

1.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS ........................................... 26
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 37
CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................. 37
2.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây ............................................ 37
2.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp ..................................................................... 37
2.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng ............................................................... 40
2.1.3 Cảm biến trong quân sự ....................................................................................... 42
2.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ ............................................................ 43
2.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh ................................................ 44
2.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island .............................. 46
2.4 Kế hoạch thi hành ....................................................................................................... 51
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 57
MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........ 57
3.1 Mô hình hoá mô phỏng............................................................................................... 57
3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường ......................................... 57
3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California ........................................... 64
3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây ........................................... 70
3.2.1 Phần mềm NS-2 .................................................................................................. 70 II
3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 .................................... 73
3.2.3 Các bổ sung vào NS-2 ......................................................................................... 74
3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 .................................................................................... 76
3.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng ...................................................................................... 78
3.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu ........................................................... 78
3.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon .......................................... 79
3.3.3 Thiết lập các node Phenomenon ........................................................................... 79
3.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................................... 79
3.3.5 Định hình node cảm biến ..................................................................................... 80

Distributed Aggregate
Management
Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán
DSDV
Destination-Sequenced
Distance-Vector
Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động
GLONASS
Global Navigation Satellite
System
Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu
GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
HVAC
Heating, Ventilation, and Air
Conditioning
Hơi ấm, thông gió và các điều kiện
không khí
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
PDA Personal Digital Assistant Trợ tá số cá nhân
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
RFM RF Monolithic Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến
RKE Remote Keyless Entry Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa
SMP
Sensor Management
Protocol
Giao thức quản lý cảm biến
SQDDP
Sensor Query and Data

hợp mật độ cao
WINS
Wireless Integrated Network
Sensors
Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến
WLAN
Wireless Local Area
Network
Mạng nội hạt vô tuyến
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng vùng cá nhân vô tuyến
Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ
đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc
sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của
con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên,
trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm
môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo,
các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt
là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn
thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây
được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong
mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày
càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các
lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi
Ngày 25 tháng 10 năm 2005
Sinh viên thực hiện

Đỗ ngọc Anh
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 3 -
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp
các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng
mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên
hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như
Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho
các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra
không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi
thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa
lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có
dây truyền thống được.
Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả
năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết
bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể
hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó,
với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện
tượng rất khó thấy trước đây.
Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối
không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành
phần quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc
acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được nên
nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi
các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ.
Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node
cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 5 -
cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ
được phân công.

Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến
1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây
1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần
với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong
các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các
thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các
huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng
đến một vài năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công
nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào
thiết bị được giám sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như
giám sát môi trường các vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị
nên không thể thay đổi nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó
không thể tận dụng một nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng
này phải nhận nguồn năng lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ

Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 6 -
1.3.2 Chi phí thấp
Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí
sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi
phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng
cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần
phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải
thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài
các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến,
bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng
tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi
phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được
giới hạn trong giá thành thấp hơn 1 Dollar.
1.3.3 Mức độ khả dụng
Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các
thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng
có mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và
hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không
dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi
trong vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ)
dây truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng
vận hành trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử
dụng bởi việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc
GLONASS (Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều
chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu
nhận thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để
nhận các yêu cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp
này là không tồn tại. Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít

Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong
nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư
bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến
không dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều
bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó
với nội dung đó.
Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể
xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể
nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu
bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn
của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity
Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các
trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication
Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 8 -
thể với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người
gửi chia sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với
người nhận để phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi.
Để tránh “replay attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và
truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại
trong trường tính toán MIC. Trong cách này, không có hai bản tin xác thực -
thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng.
Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó
khăn:
- Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được
cân bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong
muốn cho các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte
(128 bit) thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống

1.3.6 Thông lượng dữ liệu
Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các
yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với
các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu
mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết
lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu
điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc
thấp hơn trong một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không
phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể.
Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số
lượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu
quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng
gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được
lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một
cách rõ ràng: người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm
hiệu quả truyền thông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao
thức.
1.3.7 Trễ bản tin
Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng
không hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông
lượng dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong
nhiều ứng dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy
rất thoải mái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng
dụng, một độ trễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 10 -
1.3.8 Tính di động
Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động.
Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường

Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 11 -
liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất,
khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ
quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp.
1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng
Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng
dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì
có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu
thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng
tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần
cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức
độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển
chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập
các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi
giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ.
1.4.5 Hoạt động tin cậy
Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng
dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng
độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc
tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể
tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự
hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn
không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy.
1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây
Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các
node cảm biến được minh họa trong hình 1.3.
Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng,
kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng
thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm

hướng tới node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi
được các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các node cảm biến lân
cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 13 -
bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ
thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ
cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện
nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những
mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng
với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một
mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu
không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm
xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có
thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng.
1.5.1 Lớp ứng dụng
Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề
xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là
một vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát
ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP

(Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu
TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy
vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data
Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ
đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng
cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên
cứu có tính mở.
1.5.2 Lớp giao vận

thuật định tuyến trong mạng Ad hoc thông thường không phù hợp những yêu
cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế theo những
nguyên tắc sau :
- Hiệu suất năng lượng luôn là yếu tố quan trọng.
- Hầu hết các mạng cảm biến là số liệu tập trung.
- Việc tập hợp số liệu chỉ được thực thi khi nó không cản trở hoạt động hợp
tác của các node cảm biến.
- Một mạng cảm biến lý tưởng phải nhận biết được việc đánh địa chỉ thuộc
tính cơ sở và vị trí.
1.5.4 Lớp liên kết số liệu
Lớp liên kết số liệu chịu trách nhiệm ghép kênh cho các dòng số liệu và tách
khung số liệu, điều khiển truy nhập môi trường và sửa lỗi. Nó đảm bảo sự tin
cậy cho kết nối điểm - điểm (Point to Point) và điểm - đa điểm (Point to
Multipoint) trong mạng truyền thông. Hai phần dưới sẽ trình bày về chiến lược
truy nhập môi trường truyền dẫn và điều khiển sửa lỗi cho mạng cảm biến.
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 15 -
1.5.5 Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số mang, tách sóng, điều
chế và mã hoá số liệu. Kế hoạch chọn tần số đã được trình bày trong bảng 1.2.
Việc tạo tần số và tách sóng thuộc phạm vi thiết kế phần cứng và bộ thu phát
nên sẽ không được xem xét ở đây. Các phần tiếp theo sẽ chú trọng về các hiệu
ứng phát sóng, hiệu suất năng lượng và các phương pháp điều chế trong mạng
cảm biến.
Hiển nhiên là truyền thông vô tuyến với khoảng cách xa là rất tốn kém xét cả
về năng lượng và độ phức tạp của hoạt động. Trong khi thiết kế lớp vật lý cho
mạng cảm biến, việc tối thiểu hoá năng lượng được coi là rất quan trọng, ngoài
ra còn các vấn đề về suy hao, phát tán, vật cản, phản xạ, nhiễu, các hiệu ứng
fading đa đường. Thông thường, công suất đầu ra tối thiểu để chuyển một tín

cậy trong truyền thông của mạng cảm biến. Trong khi một phương pháp điều
chế cơ số M có thể giảm có thể giảm thời gian truyền dẫn bằng việc gửi nhiều
bit trên một kí hiệu thì nó lại làm tăng độ phức tạp của mạch điện và tăng công
suất vô tuyến. Với điều kiện công suất khởi kích vượt trội thì phương pháp điều
chế cơ số hai có hiệu quả về năng lượng hơn. Vì thế, phương pháp điều chế cơ
số M chỉ có lợi với các hệ thống có công suất khởi kích thấp.
Thiết bị băng tần cực rộng UWB (Ultrawideband) hay vô tuyến xung IR
(Impulse Radio) từng được sử dụng cho hệ thống radar xung băng tần gốc và các
hệ thống đo khoảng cách, gần đây được chú ý trong các ứng dụng thông tin đặc
biệt là các mạng không dây trong nhà. UWB truyền dẫn với băng tần gôc nên
không cần các tần số mang hoặc trung tần. Thông thường, điều chế vị trí xung
được sử dụng. Ưu điểm chính của UWB là khả năng mau phục hồi với đối với
hiên tượng phát đa đường. Việc sử dụng công suất truyền thông thấp và thiết kế
mạch đơn giản đã làm cho UWB rất thích hợp với các mạng cảm biến.
1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây
1.6.1 Hệ điều hành TinyOS
Hệ điều hành TinyOS cung cấp các khái niệm trừu tượng các thiết bị vật lý rất
thuận tiện và những thực thi phối hợp mức cao các nhiệm vụ chung. Mục đích
này là thách thức đặc biệt bởi vì sự ràng buộc ngữ cảnh tài nguyên và các thiết
bị ứng dụng riêng biệt cao.
Một ứng dụng TinyOS bao gồm một bộ lập lịch (scheduler) và các thành phần
(component). Mỗi một thành phần được mô tả bởi giao diện của nó và sự thực
thi bên trong của nó, trong một kiểu tương tự như các ngôn ngữ mô tả phần
cứng, giống như VHDL (VHSIC(Mạch tích hợp mật độ rất cao) Hardware
Description Language) và Verilog (một công cụ mô phỏng số các Cadence
Design System). Một giao diện bao gồm các lệnh đồng bộ và các sự kiện không
đồng bộ. Mỗi thành phần có giao diện cao hơn bên trên để đặt tên cho các lệnh
để thực thi và các sự kiện để báo hiệu, và một giao diện thấp hơn mà nó đặt tên
cho các lệnh để sử dụng và các sự kiện để điều khiển. Sự thực thi này được viết
nên nhờ sử dụng không gian tên giao diện. Một thành phần cũng có phần lưu trữ

biến hoặc gửi một thông báo, di chuyển toán tử được tải ra ngoài đồng thời với
các kích hoạt khác, nhờ sử dụng song song phần cứng hoặc các tác vụ.
Các sự kiện được khởi tạo tại mức thấp nhất nhờ các ngắt phần cứng. Các sự
kiện có thể báo hiệu cho các sự kiện ở mức cao hơn, gọi các lệnh, hoặc đẩy lên
các tác vụ. Các lệnh không thể báo hiệu cho các sự kiện. Dù vậy, một sự kiện
riêng rẽ có thể truyền qua nhiều mức các thành phần, gây ra kích hoạt phụ. Mỗi
khi công việc không thể hoàn tất trong một khoảng thời gian nhỏ có giới hạn,
thành phần có thể ghi lại thông tin liên tục trong khung làm việc của nó và đẩy
lên một tác vụ để hoàn thành công việc. Theo quy ước, các thành phần trừu
tượng hoá phần cứng mức thấp thực thi quá trình ngắt vừa đủ để cho phép các
ngắt hoạt động trước khi báo hiệu sự kiện. Các sự kiện (hoặc các tác vụ được
Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Đỗ ngọc Anh - D2001VT
- 18 -
đẩy lên trong vòng các sự kiện) thực hiện các hoạt động split-phase được khởi
tạo bởi các lệnh, báo hiệu đến thành phần mức cao hơn để hoạt động được hoàn
thành và có thể thông qua dữ liệu của nó.

Hình 1.4: Một biểu đồ thành phần ứng dụng mạng
Bản tin kích hoạt (AM - Active Message) là một kiểu đơn giản, mở rộng cho
truyền thông dựa trên bản tin (message-based) nhờ sử dụng các cuộc gọi thủ tục.
Mỗi thông điệp chứa đựng tên một điều khiển được triệu gọi tới một node đích
theo hướng đến, và một tải trọng dữ liệu. Chức năng điều khiển handler phục vụ
cho hai mục đích là lấy bản tin từ mạng và kết hợp dữ liệu vào đến máy tính
hoặc gửi đi một đáp ứng. Kiểu truyền thông AM là kiểu điều khiển sự kiện và
được thiết kế riêng cho phép một ngăn xếp truyền thông rất nhỏ để xử lý trực
tiếp các gói ra khỏi mạng, trong khi đó nó hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng.
Khởi tạo một AM bao gồm các chỉ định về các đối số dữ liệu, đánh tên điều
khiển handle, yêu cầu truyền dẫn, dò tìm đầy đủ hướng truyền đi. Quá trình
nhận AM bao gồm triệu gọi điều khiển handle trên một bản sao của dữ liệu