MỞ ĐẦU
1. Lời nói đầu:
Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học
kỹ thuật nói chung và ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng
cảm biến không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của
khoa học công nghệ. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm biến
không dây là sự kết hợp của việc cảm biến, tính toán và truyền
thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng
cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi
ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức
lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao. Sức mạnh của
WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết
bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống. Sử dụng
những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để
giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng
thiết bị...
Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến
không dây, căn cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các
hệ thống giám sát các thông số trong môi trường để phục vụ cho
nhiều nghành, nhiều lĩnh vực, đề tài hướng tời nội dung cần
nghiên cứu là ”Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây
vào giám sát sự thay đổi của môi trường”.
2. Mục đích nghiên cứu
 Tìm hiểu về mạng máy tính, công nghệ mạng không
dây.

1 | Page


 Nghiên cứu công nghệ mạng cảm biến.
 Xây dựng mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây.

Ngoài ra chương 2 cũng đi vào tìm hiểu khả năng ứng dụng rộng
rãi của mạng cảm biến trong đời sống.
Chương 3: Mô hình giao thức của ZỉgBee/IEEE 802.15.4.
ZigBee/IEEE802.15.4 là công nghệ mới phát triển. Công
nghệ này xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng
trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE
802.15.4. Trong chương này sẽ trình bày gồm các phần:
Tầng vật lý ZigBee/ IEEE 802.15.4
Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/ IEEE 802.15.4 MAC
Tầng mạng của ZigBee/ IEEE 802.15.4
Tầng ứng dụng của ZigBee/ IEEE 802.15.4

Chương 4 : ứng dụng mạng không dây giám sát sự thay đổi của môi
trường.
Chương này sẽ xây dựng mô hình ứng dụng của đề tài, các
phần của chương gồm:

3 | Page


 Mô hình tổng quan Hệ thống.
 Tính toán và Thiết kế phần cứng.
 Thiết kế phần mềm cho việc thu thập tín hiệu.
 Kết quả mô phỏng.

4 | Page


PHẦN l: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1.

1.3. TỔNG QUAN VÈ MẠNG KHÔNG DÂY
1.3.1. Khái niêm
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị được nhóm
lại với nhau, có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay
vì các đường truyền dẫn bằng dây. Nói một cách khác mạng
không dây là mạng sử dụng công nghệ mà cho phép hai hay
nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một giao thức
chuẩn, nhưng không cần kết nối vật lý hay chính xác là không
cần sử dụng dây mạng.
1.3.2. Phân loại mạng không dây
Một cách truyền thống để phân loại các công nghệ mạng
vô tuyến là dựa vào vùng phủ sóng của một trạm phát sóng.

Hình 1.1 Phân loại mạng vô tuyến

6 | Page


1.3.3. Kỹ thuật truyền tín hiệu trong mạng không dây
Kỹ thuật trải phổ tuần tự trực tiếp.
CSMA/CA.
RTS/CTS.
1.3.4. Các mô hình mạng không dây
Access Point.
Mô hình Ad-Hoc.
Mô hình Infrastructure.
1.3.5. Bảo mật trong mạng không dây
1.4. ĐÁNH GIÁ MẠNG KHÔNG DÂY
1.4.1. Ưu điểm:
 Cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ

mạng hữu tuyến, thi công lắp đặt nhanh, thích hợp với địa hình
không bằng phẳng đồi núi nơi mạng hữu tuyến rất khó triển khai,
lắp đặt, vận hành, cùng với sự đơn giản và tiện lợi trong việc kết
nối, tính ổn định và không ngừng cải tiến về kỹ thuật đã giúp cho
mạng không dây có mặt hầu hết trong các ứng dụng hiện đại, trở
thành xu hướng kết nối tất yếu của tương lai. Vì vậy mà luận văn
đã chọn nghiên cứu theo hướng công nghệ mạng không dây.

9 | Page


PHẦN II: CÁC KỸ THUẬT XÂY DƯNG MẠNG CẢM BIÉN KHÔNG
DÂY

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này trình bày những khái niệm của mạng cảm biến,
phân tích các đặc điểm của mạng cảm biến không dây ZigBee và các
giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến..
Ngoài ra chương 2 cũng phân tích những ứng dụng của mạng cảm
biến trong hiện tại và phát triển trong tương lai.
2.2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.2.1. Giới thiêu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây
đã được phát triển và được triển khai trong nhiều ứng dụng như: theo
dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự,
chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc thiết bị, theo dõi và giám sát
các bác sỹ, bệnh nhân, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương
tiện xe cộ...
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ
thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử...đã tạo ra những mạch

Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay
các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm
điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua
11 | P a g e


Internet hay vệ tinh (Satellite).

Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến,
bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể,
nút cảm biến còn có thể có các thành phần bổ sung như hệ thống tìm vị trí,
bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một nút cảm
biến được thể hiện trên hình 2. Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành
phần là đầu đo cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC).
Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo, sau đó được chuyển sang
tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử
lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và
quản lý các thủ tục cộng tác với các nút khác để phối hợp thực hiện nhiệm
vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa nút 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 nút cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là
pin hoặc ắcquy, cung cấp năng lượng cho nút cảm biến và không thay thế
được nên nguồn năng lượng của nút thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể
được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh điện, 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 nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết
bị di động đôi khi cũng cần thiết để di chuyển các nút cảm biến theo yêu
cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công.



Các ứng dụng không dây
Theo như hình trên có thể thấy rằng chuẩn Zigbee có đặc điểm là
phạm vi hoạt động hẹp, tốc độ truyền Zigbee thích hợp cho các sensor
không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển.
2.3.2. Ưu nhược điểm của Zigbee:
 Ưu điểm :
 Giá thành thấp.
 Tiêu thụ công suất nhỏ.
 Kiến trúc mạng linh hoạt.
 Được hỗ trợ bởi nhiều công ty.
 Nhược điểm:
 Số lượng các nút lớn (65k).
 Lỗi ở một điểm chính có thể gây lỗi hệ thống.
 Tốc độ truyền thấp.
 Chưa có đầy đủ các thiết bị để phát triển.
2.3.3. Thành phần của mạng LR-WPAN:
Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần
cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full function
device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt
động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị
14 | P a g e


đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD (reduced-function
device). Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động
như một bộ điều phối mạng PAN. FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái
: là điều phối viên của toàn mạng PAN (personal area network), hay là điều
phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong
mạng. RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi

nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ
sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo
lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm
kê (cảnh báo cháy rừng….).

16 | P a g e


Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree):
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa
số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một
nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể
hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các
thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui
mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này mặc dù có
thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng
PAN (PAN coordinator). Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra
nhóm đầu tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán
cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là
CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0 (cluster
identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá
nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung tin này có
thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN
(PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị
đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của
nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể
kết nối vào mạng. Từ đó có thể hình thành được các CLH1,CLH2,...
17 | P a g e



trường hợp tất cả các nút đều rất gần sink nhưng trong hầu hết các trường
hợp các nút đều được rải ngẫu nhiên trong một vùng rộng, do vậy định
tuyến đa bước nhảy hay được sử dụng hơn. Trong WSN đa bước nhảy, mỗi
nút đóng hai vai trò là truyền số liệu và chọn đường. Một số nút cảm biến
hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi
18 | P a g e


cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc tổ chức
lại mạng.
 Phương pháp báo cáo số liệu:
Tùy thuộc vào từng ứng dụng của mạng mà việc báo cáo số liệu
trong WSN có thể được chia thành: báo cáo theo thời gian, theo sự kiện,
theo yêu cầu hoặc ghép lại các phương pháp này.
Phương pháp báo cáo theo thời gian phù hợp với các ứng dụng yêu
cầu giám sát số liệu định kỳ. Khi đó, các nút cảm biến sẽ bật bộ phận cảm
biến và bộ phận phát theo định kỳ, cảm nhận môi trường, phát số liệu yêu
cầu theo chu kỳ thời gian xác định.
Trong phương pháp báo cáo theo sự kiện và theo yêu cầu, các nút
cảm biến sẽ phản ứng tức thì đối với những thay đổi giá trị của thuộc tính
cảm biến do xuất hiện một sự kiện xác định nào đó hoặc để trả lời một yêu
cầu được tạo ra bởi nút gốc hay các nút khác trong mạng.
Do vậy, những phương pháp này phù hợp với các ứng dụng phụ
thuộc thời gian. Các giao thức định tuyến chịu ảnh hưởng đáng kể từ
phương pháp báo cáo số liệu, đặc biệt khi tính đến việc tối thiểu hóa năng
lượng và sự ổn định tuyến.
 Khả năng của các node:
Các nghiên cứu trước đây đều giả thiết các nút là đồng nhất, nghĩa là
có khả năng như nhau trong việc tính toán, truyền tin và có công suất như
nhau. Tuy nhiên phụ thuộc vào từng ứng dụng khác nhau mà một nút có

thuật xử lý tín hiệu.
2.4.2. Định tuyến trung tâm dữ liệu
Flooding và gossiping.
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)
Là giao thức định tuyến thông tin dựa trên sự dàn xếp dữ liệu. Mục
tiêu chính của giao thức này đó là tập trung việc quan sát môi trường có
hiệu quả bằng một số các nút cảm biến riêng biệt trong toàn bộ mạng.
Nguyên lý của giao thức này đó là sự thích ứng về tài nguyên và sắp xếp
dữ liệu. Ý nghĩa của việc dàn xếp dữ liệu (data negotiation) này là các nút
trong SPIN sẽ biết về nội dung của dữ liệu trước khi bất kỳ dữ liệu nào
được truyền trong mạng . Nơi nhận dữ liệu có thể bày tỏ mối quan tâm đến
nội dung dữ liệu bằng cách gửi yêu cầu để lấy được dữ liệu quảng bá. Điều
này tạo ra sự sắp xếp dữ liệu để đảm bảo rằng dữ liệu chỉ được truyền đến
nút quan tâm loại dữ liệu này. Do đó mà loại trừ khả năng bản tin kép và
giảm thiểu đáng kể việc truyền dữ liệu dư thừa qua mạng. Việc sử dụng bộ
miêu tả dữ liệu cũng loại trừ khả năng chồng chất vì các nút có thể chỉ giới
hạn về lọai dữ liệu mà chúng quan tâm đến. Mỗi nút có thể dò tìm tới bộ
quản lý để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng của mình trước khi truyền
20 | P a g e


hoặc xử lý dữ liệu. Khi mức năng lượng còn lại thấp các nút này có thể
giảm hoặc loại bỏ một số hoạt động như là truyền miêu tả dữ liệu hoặc các
gói. Chính việc thích nghi với tài nguyên làm tăng thời gian sống của
mạng. Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu các nút sử dụng giao thức
này sử dụng ba loại bản tin.

Hoạt động của SPIN gồm 6 bước:
 Bước 1: ADV (Advertise) để thông báo dữ liệu mới tới các
nút.

liệu đáp ứng truy vấn của sink để tiết kiệm năng lượng.
Thành phần chính của giao thức này bao gồm 4 thành phần: interest
(thông tin yêu cầu), data message (các bản tin dữ liệu), gradient,
reinforcements. Directed disffusion sử dụng mô hình publish- and subcribe
trong đó một người kiểm tra (tại sink) sẽ miêu tả mối quan tâm (interest)
bằng một cặp thuộc tính-giá trị.
Như vậy, yêu cầu dữ liệu gửi từ cảm biến nhiệt độ trong vòng 10’s
và trong một miền chi tiết như hình chử nhật có thể được trình bày như
sau:
Cặp thuộc tính – giá trị
mô tả
Type = temperature
kiểu dữ liệu cảm biến
Start = 01:00:00
thời gian bắt đầu
Interval =1s
báo cáo sự kiện chu kỳ là 1s
Duration = 10s
thời gian sống của interes (cho 10s)
Location = [24,48,36,40]
ở trong miền này
Và dữ liệu trả lời từ node chi tiết có thể là:
Type = temperature
kiểu của dữ liệu cảm biến
Valus = 38.3
giá trị nhiệt độ được đọc
Timestamp = 1:02:00 nhãn thời gian (t/g ngay tại thời điểm đọc)
Location = [30,38]
báo cáo từ cảm biến trong vùng x,y
2.4.3. Định tuyến phân cấp:


Mô hình mạng LEACH
24 | P a g e


Các nút chủ sẽ quảng bá mô hình TDMA cho các nút thành viên
trong cụm của nó. Để giảm thiểu khả năng xung đột giữa các nút cảm biến
trong và ngoài cụm, LEACH sử dụng mô hình truy cập đa phân chia theo
mã CDMA.Quá trình hoạt động của LEACH được chia thành hai pha là
pha thiết lập và pha ổn định. Pha thiết lập bao gồm hai bước là lựa chọn
nút chủ và thông tin về cụm. Pha ổn định trạng thái gồm thu lượm dữ liệu,
tập trung dữ liệu và truyền dữ liệu đến các trạm cơ sở. Thời gian của bước
ổn định kéo dài hơn so với thời gian của bước thiết lập để giảm thiểu mào
đầu.
Ở bước thiết lập, một nút cảm biến lựa chọn 1 số ngẫu nhiên giữa 0
và 1.
Nếu số này nhỏ hơn ngưỡng T(n) thì nút cảm biến là nút chủ. T(n)
được tính như sau:

Trong đó:
P : tỉ lệ phần trăm nút chủ
r : sổ ngẫu nhiên giữa 0 và 1
G: tập hợp các nút không được lựa chọn làm nút chủ trong 1/p chu
kì cuối.
Sau khi được chọn làm nút chủ, các nút chủ sẽ quảng bá vai trò mới
của chúng cho các nút còn lại trong mạng. Các nút còn lại trong mạng dựa
vào bản tin đó và cường độ tín hiệu nhận được hoặc một số tiêu chuẩn nào
đó để quyết định xem có tham gia vào cụm đó hay không. Và sau đó các
nút này sẽ thông báo cho nút chủ biết là mình có mong muốn trở thành
thành viên của cụm do nút chủ đó đảm nhận.