1
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐHTN
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
MÔN: THIẾT KẾ VI ĐIỀU KHIỂN
Đề bài:
TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN
QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Giáo viên hướng dẫn: KS Phạm Quốc Thịnh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Dũng
Thân Quang Linh
Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009
Mục lục
Trang
Lời nói đầu 3
Mở đầu 3
Chương 1: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) 4
1 - Đặt vấn đề 4
2- Tổng quan về mạng cảm biến không dây 4
2.1. Khái niệm 4
2.2. Cấu tạo của một nút cảm biến 5
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 6
2.4. Kiến trúc giao thức mạng 8
3 - Một số vấn đề về mạng cảm biến không dây 9
3.1. Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 9
3.2. Tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây 10
3.3. Giao thức trong mạng cảm biến không dây 16
Chương 2: Chuẩn truyền thông Zigbee IEEE 802.15.4 19
1 - Tổng quan về chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 18
1.1. Đặt vấn đề 18

không dây sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau của
cuộc sống.
3
CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
(WIRELESS SENSOR NETWORKS - WSNs)
1 - ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
linh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn
trong cuộc sống. Mô hình mạng cảm biến không dây ra đời dựa trên cơ sở
ứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây. Nó ra
đời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng dụng rộng rãi.
Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như phán
đoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật
tự động trong sản xuất công nông nghiệp, điều khiển quy trình, quản lý
kiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát kết cấu công
trình xây dựng. Hiện nay tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụng
mạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy,
hệ thống điều hòa nhiệt độ... nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệ
rất mẻ ở Việt Nam.
2 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - WSNs:
2.1. Khái niệm:
Mạng cảm biến không dây (WSNs) có thể hiểu đơn giản là mạng
liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection)
trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá
thành thấp ... và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ
thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng),
sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài
(vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ...).
Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây là vừa có chức năng

nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng.
Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ
nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào
năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc
vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ 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 nút 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. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt
khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá
thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường.
2.3. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây - WSNs:
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 biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc
điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc
điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không
hoạt động.
+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng
dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có
khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi
phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo
kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của

biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Vì vậy, việc duy trì và quản lý
nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Do đó hiện nay người ta đang tập
trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm
biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra
các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu
đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),
giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing).
* Ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền
thống:
- Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồm nhiều
hơn một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau mà
không cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm. Mỗi nút trong mạng tùy biến không
dây hoạt động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến.
7
- Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút còn mạng cảm
biến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng.
- WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạng
được xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng.
- Thêm các dịch vụ như thông tin định vị có thể được yêu cầu trong mạng
cảm biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số
liệu cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc.
- Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thông
nhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn.
- Truyền thông trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn.
2.4. Kiến trúc giao thức mạng WSNs:
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và các
mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các 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.
+ Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn

3.1. Định tuyến trong WSNs:
Định tuyến trong WSNs rất khó khăn do các đặc tính riêng phân
biệt những mạng này với các mạng không dây khác như các mạng ad-hoc
hoặc các mạng tế bào.
Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây
dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiển
cho việc thiết lập ID là cao. Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyền
thống không áp dụng được cho WSNs.
Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng
dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nút tới
một nút gốc.
Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý
và dung lượng nhớ.
Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút mạng WSNs thường
có vị trí cố định. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến có
thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí.
Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì
việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí. Hiện nay chưa thích hợp cho
9
việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) cho
mục đích này vì phụ thuộc vào giá thành triển khai mạng.
Nhìn chung, dựa vào cấu trúc mạng WSNs có thể chia thành:
 Định tuyến ngang hàng (flat-based routing)
 Định tuyến phân cấp (hierarchical-based routing)
 Định tuyến theo vị trí (location-based routing)
Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc
chức năng như nhau. Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ đóng vai trò
khác nhau trong mạng. Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của các
nút cảm biến được sử dụng để định tuyến số liệu.

(năng lượng cung cấp cho bộ khếch đại
công suất phía trước anten).
Để giảm năng lượng E
tr
thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lượng
(liên quan đến công nghệ và cấu trúc ...) và giải thuật xử lý tín hiệu cũng
không quá phức tạp, tối ưu về tiêu thụ năng lượng. Để giảm năng lượng E
tr
thì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa Coding, interleaver,
modulation... channel estimation, combination, Decoding) để thiết bị thu có
thể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít năng
lượng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất).
Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêu
thụ của processor và số lượng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nên
không phù hợp với WSN (giá thàng node < 10 usd). Giải quyết bài toán
năng lượng ở physical laỷe chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lượng
truyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu.
Đối với khoãng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trường
truyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị E
c
thường > E
tr
. Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì năng
lượng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênh
truyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyền
sóng cáng lớn, E_tr chiếm tỷ trọng càng lớn.
+ Liên quan đến routing protocol: Trong mạng adhoc nói chung, và
sensor nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theo
thời gian (do node di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời
tiết, do node hết năng lượng). Do đó, làm thế nào để xây dựng được thuật

tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng mang) được sử dụng.
Trong kiểu mạng này, các bộ định tuyến có bộ thu phát luôn luôn tích cực,
nên yêu cầu cung cấp năng lượng cũng phải linh hoạt hơn.
12
Hình 1.5. Phương pháp truy nhập kênh CSMA-CA
CSMA/CA là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng
không dây IEEE 802.15.4. Các thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liên
tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền Đa truy cập (multiple
access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài nguyên
của một mạng (ở đây là mạng không dây). Tất cả các thiết bi đều có quyền
truy cập như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả khi thiết bị tìm cách
nhận biết mạng đang sử dụng hay không,vẫn có khả năng là có hai trạm
tìm cách truy cập mạng đồng thời.Trên các mạng lớn, thời gian truyền từ
đầu cáp nầy đến đầu kia là đủ để một trạm có thể truy cập đến cáp đó
ngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến.Nó tránh xung đột bằng
cách là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyền
thật sự.
Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trứớc khi phát
dữ liệu hoặc trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP. Thuật toán
này sẽ không sử dụng để phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack,
hoặc là khung tin dữ liệu trong phần CFP. Nếu bản tin báo hiệu đựơc sử
dụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian được
dùng, ngựợc lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian sẽ đựợc sử
dụng. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp thuật toán đều được bổ xung bằng
cách sử dụng khối thời gian backoff bằng với thời gian của tham số
aUnitBackoffPeriod. Trong thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA gán khe
thời gian, biên của khoảng thời gian backoff của mỗi thiết bị trong mạng
PAN được sắp thẳng hàng với biên của khe siêu khung của thiết bị điều
phối mạng PAN. Trong thuật tóan này, mỗi lần thiết bị muốn truyền dữ liệu
trong CAP thì nó phải xác định biên thời gian backoff kế tiếp. Trong thuật

khe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi.
* Trong mạng báo hiệu: Truy nhập kênh sử dụng cấu trúc
superframe. Định dạng của superframe được định nghĩa bởi coordinator và
được chia thành 16 khe thời gian bằng nhau. Khung báo hiệu được truyền
trong khe thời gian đầu tiên của mỗi superframe. Nếu coordinator không
muốn sử dụng cấu trúc superframe, nó chỉ việc tắt sự truyền nhận báo hiệu.
Báo hiệu được sử dụng để đồng bộ những thiết bị gắn vào, để nhận ra PAN
và mô tả cấu trúc của superframe. Bất kỳ thiết bị nào muốn truyền thông
trong thời gian truy nhập tranh giành giữa hai báo hiệu sẽ tranh đua với các
thiết bị khác sử dụng một khe cơ chế CSMA-CA. Tất cả các giao dịch sẽ
được hoàn thành bởi thời gian báo hiệu mạng tiếp theo. Superframe có thể
có một phần tích cực và một phần không tích cực.
Hình 1.6. Cấu trúc superframe
Đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông dữ liệu, coordinator PAN
có thể dành những phần của superframe tích cực cho ứng dụng đó. Những
14
phần này gọi là những khe thời gian đảm bảo (GTS). GTS hình thành chu
kỳ tự do tranh giành (CFP), nó luôn hiện ra ở phần cuối của superframe
tích cực, bắt đầu ở một slot ranh giới ngay sau CAP. Coordinator PAN có
thể cấp phát tới bẩy GTS này. Mỗi GTS có thể chiếm giữ nhiều hơn một
khe thời gian. Tuy nhiên một phần của CAP sẽ để lại dành cho các thiết bị
khác truy nhập mạng hay các thiết bị mới muốn tham gia vào mạng.
Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt động
trong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng cho
thiết bị đó. Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi
mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó. Thiết
bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khe
thời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong mạng. Một khe thời
gian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung. Thiết bị điều phối
mạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn

Khi thiết bị điều phối quyết định xem xem nó có sẵn sàng cho yêu cầu GTS
không, nó sẽ phát đi mô tả về GTS với chi tiết yêu cầu và đoạn ngắn địa chỉ
của thiết bị yêu cầu. Nó sẽ chỉ ra độ dài và khe GTS đầu tiên trong siêu
khung rồi thông báo cho tầng trên về việc cấp phát khe GTS mới này. Nếu
sau khi kiểm tra mà thấy khả năng của siêu khung là không đủ để cấp phát
theo yêu cầu về GTS, thì khe đầu tiên sẽ được đánh số 0 tới độ dài khe GTS
lớn nhất có thể cung cấp được hiện thời. Những mô tả về GTS sẽ đựơc giữ
trong khung tin báo hiệu beacon cho aGTSPersistenceTime. Trong khi xác
nhận khung tin báo hiệu beacon, thiết bị sẽ xử ly và thông báo lên tầng trên.
Tượng tự như khi yêu cầu cấp phát GTS, một thiết bị cho biết nó yêu
cầu được giải phóng sự chiếm hữu GTS thông qua lệnh yêu cầu giải phóng
với các thông số của GTS đang tồn tại. Sau đó thì khe thời gian này sẽ được
tự do. Thiết bị điều phối PAN phải đảm bảo rằng không có khoảng trống náo
xuất hiện trong CFP khi giải phóng khe thời gian GTS, độ dài maximum
CAP nhờ thế mà được tăng lên (độ tăng đúng bằng độ dài của khe thời gian
đựoc giải phóng).
3.3. Giao thức trong WSNs:
Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của các
nút sao cho việc tiêu hao năng lượng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫn
đảm bảo độ tin cậy. Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà ngư ời
ta sử dụng các giao thức khác nhau.
Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:
+ Giao thức đồng bộ theo thời gian.
+ Giao thức theo vị trí.
3.3.1. Đồng bộ theo thời gian:
- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một
hiện tượng xảy ra.
- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu. Do đó
cần đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến Sink mạng.
- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hình