LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và
ứng dụng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng.
Trong thời gian làm luận văn này, tôi đã nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của
thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn
này.
Các số liệu và kết quả trong luận văn của tôi bao gồm các công thức và hình
ảnh mô tả các quá trình phân chia, năng lượng còn lại và thời gian sống hay sự
tồn tại của mạng (cảm biến không dây). Đây là kết quả một quá trình làm việc
nhiệt tình nghiêm túc của thầy và trò tạo cơ sở thực tiễn.

Thái nguyên, ngày 10 tháng 5 năm 2015

Hoàng Tiến Long

1


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và làm việc để hoàn thành luận văn này, tôi đã
nhận được sự hướng dẫn, nhiệt tình quý báu của thầy giáo. Với lòng kính trọng
và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:
Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tính trường
Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái nguyên đã tạo
điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, dạy
bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho tôi, trong suốt quá trình
học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn các

1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây .......................... 20
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây. .............................................. 20
1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây .......................................... 23
1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây .............................................. 24
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây .................................. 25
1.2.1: Bài toán .................................................................................................... 25
1.2.2: Công thức ................................................................................................. 25
Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. .. 26
2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây............................ 26
2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng ....................................................... 26
2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng......................................................... 27
2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ.................................................................. 27
2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây ............................................................. 28
3


2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu ............................................................................ 29
2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu ..................................................... 29
2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây ............................................. …34
2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý .................................................................... 34
2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây ..................... 36
2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây ................................ 39
2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost
Routing) ............................................................................................................. 39
2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware
Routing) ............................................................................................................. 40
2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) 40
2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải ............... 41
2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensisons)........ ................. 41
2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) ............ 41

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của hệ thống mạng. ......................................... 61
Bảng 3.2: Năng lượng cho từng trường hợp. ..................................................... 66

6


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng ........................................................ 16
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây. .................................................. 18
Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure. ............................................................. 19
Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng ............................................................ 20
Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm. ......................................................... 30
Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm. ..................................................... 30
Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm ....................................................... 32
Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây. ................................. 34
Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến ..................................................................... 35
Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH . ................................................................... 45
Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình. ......................................... 48
Hình 3.2: Hồ chứa nước và cửa nhận nước. . ..................................................... 49
Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy. .................................................................... 49
Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv. .......................................... 50
Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv. ................................................................ 51
Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống. .......................................... 52
Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm. .................... 53
Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng. ................................................... 55
Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t). .............. 56
Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t+1). ......... 56

Nghĩa tiếng việt

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây

N

Node

Nút

IoT

Internet of Things

Tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau

SN

Sink Node

Nút chủ

IEEE

Institute of Electrical and Electronics

SEA

Spokesman Election Algorithm

Thuật toán

MIC

Melage Integrity Code

Mã của gói tin

OSI

Operating System

Hệ điều hành

RAM

Random Access Memory

Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc


PG

Power Generator

Bộ phát nguồn

DSSS

Direct-Sequence Spresd Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp
9


TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo
thời gian

MTPR

Minimum Total Power Rauting

Giao thức định tuyến tổng
năng lượng tối thiểu

MBRC


Balanced Collection Tree Protocol

Giao thức định tuyến BCTP

ICTP

Improved Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu cải tiến

ETX

Expected Transmission

Số lần truyền kỳ vọng

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ
liệu

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering

Kiến trúc phân cụm thích

có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó
đảm bảo được nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng lượng
còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng. Vì vậy mạng cả biến
không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà máy thủy
điện Hòa Bình có tính năng ưu việt hơn các hệ thống mạng khác. Vì thế em chọn
đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng”. Trong đó Luận
văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ thuật định tuyến
11


trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa Bình, làm những
công việc sau: Cảm nhận mực nước hồ chứa nước, các cửa sả và nhận nước,
cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trường trong phòng lắp đặt thiết bị xả, nhiệt độ
turbin, giá đỡ turbin.... Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá tải dòng điện, quá tải
hồ chứa nước...............
Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ
gọn, tiêu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực xã hội như: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công
nghiệp, y tế và dân dụng.
Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn
đề như mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẻ
dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của
quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây.
Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng
đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất
lượng truyền. Tức là, ta xác định được chất lượng truyền dữ liệu trước khi thực
hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ được cải thiện chất
lượng. Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công việc rất quan
trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây.
Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tín

13


CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây
Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông
tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội
tụ công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn.
Dựa vào những thông tin được thiết bị cảm biến mà hệ thống đưa ra
những đáp ứng phù hợp. Bởi vậy, việc phát triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại
nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các hệ thống hiện đại đó.
Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)
đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai
mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu. Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần
phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây
WSNs (Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng
cao khả năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống. Mạng cảm biến
không dây có thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến
với nhau, nhằm để trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu cầu người dùng. Mỗi
nút cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và
các cảm biến. Mạng cảm biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó các nút
cảm biến trao đổi với nhau thông qua giao tiếp không dây và các nút trong mạng
thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công
suất tiêu thụ thấp và có một phạm vi hoạt động lớn có thể liên kết với các mạng
khác để tạo ra mạng cảm biến có phạm vi rộng lớn hơn. Các nút cảm biến có thể
sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động.
Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc
đáp ứng yêu cầu của người dùng, như theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết

cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở (Hình 1.1), bộ cảm
nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit)
và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy

15


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 1.1: Các thành phần của một nút cảm ứng
Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi
tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter). Dựa trên những hiện tượng
quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được chuyển sang tín hiệu
số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý.
Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết
định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định
sẵn.
Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Chúng gửi và nhận các
dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.
Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn. Bộ nguồn
có thể là một số loại pin. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan
trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng
mặt trời.
Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều
yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị. Các bộ
phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực
hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào
đó.


không dây như (Hình 1.2). Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu
17


và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một
cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task
manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.

Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây
+ Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau
Đơn vị cảm biển (sensing unit)
Đơn vị xử lý (Processing unit)
Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
Bộ nguồn (power unit)
+ Đơn vị cảm biến
Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC). Dựa vào những hiện
tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được
số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau
đó được đưa vào bộ xử lý.
+ Đơn vị xử lý
Là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc chấp hành yêu cầu
của mạng theo ngữ cảnh khác nhau.

18


+ Đơn vị truyền dẫn
Là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín hiệu qua môi trường không
dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn truyền thông trong mạng cảm
biến như Zigbee.

Hình 1.4: Mô hình vật lý
1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây
Sự tiện lợi: Mạng không dây cũng như hệ thống mạng thông thường. Nó
cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực
được triển khai (nhà hay văn phòng). Với sự gia tăng số người sử dụng máy tính
xách tay (laptop), đó là một điều rất thuận lợi.
Khả năng di động: Với sự phát triển của các mạng không dây công cộng,
người dùng có thể truy cập Internet ở bất cứ đâu. Chẳng hạn ở các quán Cafe,
người dùng có thể truy cập Internet không dây miễn phí.
Hiệu quả: Người dùng có thể duy trì kết nối mạng khi họ đi từ nơi này đến nơi
khác.

20


Triển khai: Việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít
nhất 1 access point. Với mạng dùng cáp, phải tốn thêm chi phí và có thể gặp khó
khăn trong việc triển khai hệ thống cáp ở nhiều nơi trong tòa nhà.
Đơn giản về mặt tính toán, dễ thực hiện, và lắp đặt trên mọi địa hình, giả
thiết một tín hiệu chạy trong mạng nhờ có cách phân bổ các nút trong toàn mạng
cảm biến mà vẫn đảm bảo sự hội tụ do đó có thể triển khai và phát triển ứng
dụng này trên hệ thống mạng có quy mô lớn, giảm chi phí truyền thông, cho độ
chính xác cao hơn, lượng tiêu thu năng lượng trong mạng ít, vì vậy tuổi thọ
trong dàn mạng lâu hơn…..... Mặc dù không tránh khỏi những hạn chế tất yếu
trong việc chấp nhận sai số nhỏ (dần theo sự gia tăng số cảm biến), phương pháp
này vẫn được coi là có tính khả thi cao nhờ những ưu điểm vượt trội do mạng
cảm biến không dây mang lại.
+ Tiêu thụ điện năng thấp
Những ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu tiêu thụ điện trung

dụng thì những kiểu mạng hỗ trợ lộ trình đa mức multi - hop hoặc những mạng
kiểu này phải được sử dụng, bộ nhớ và năng lực tính toán cũng như chi phí cho
những lộ trình hoặc những giải thuật, sự bảo trì mạng phải được hỗ trợ không để
có giá thành quá cao và mức tiêu thụ điện năng quá mức.
+ An toàn bảo mật
Do sử dụng môi trường truyền là sóng radio, nên có khả năng bị nhiễu … Do
đó, sự an toàn bảo mật của những mạng cảm biến không dây có hai khía cạnh
quan trọng như nhau là:
- Mạng thật sự an toàn như thế nào và việc mạng được lĩnh hội cho những
người dùng đặc biệt là những người dùng tiềm năng.
- Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm
cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi
thông tin bên trong bằng bất kỳ cách nào.

22


+ Lưu lượng dữ liệu
Những mạng cảm biến không dây có yêu cầu lưu lượng dữ liệu thấp hơn
so với các mạng không dây như: Bluetooth (IEEE 802.15.1), WPANs và
WLANs khác. Tuỳ vào mục đích thiết kế tốc độ dữ liệu cực đại có thể là 512b/s
(64bytes/s) mặc dù tốc độ dữ liệu thường dưới tốc độ này ở khoảng 1b/s hoặc
thấp hơn trong một vài ứng dụng.
+ Tiềm ẩn thông báo
Những mạng cảm biến không dây có chất lượng dịch vụ (QoS) bởi vì
trong chúng không hỗ trợ truyền thông đồng thời hoặc trùng hợp. Yêu cầu tiềm
ẩn thông báo cho những mạng cảm biến không dây được giảm nhẹ khi so sánh
với WPANs khác. Trong nhiều ứng dụng sự tiềm ẩn thông báo có khi đến cỡ vài
giây hoặc vài phút thì có thể chấp nhận được.
+ Khả năng di động

 Quân sự: Phát hiện mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch,…
 Công nghiệp: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy, rò rỉ,…
 Dân dụng: Hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…
 Điều khiển:
 Quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự,…
 Công nghiệp: điều khiển tự động các thiết bị, robot,…
 Môi trường: Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải...
 Y tế: Định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp,…
 Hệ thống giao thông thông minh:
 Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết
lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe,…
 Hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện
giao thông,…
 Gia đình: nhà thông minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp và điều khiển
các thiết bị thông minh,…
24


WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết bị
thông minh và con người, giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và các hệ thống
viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet,…).
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây
1.2.1: Về một toán học khi truyền K bít của một thông điệp qua khoảng cách d
cần có một năng lượng như sau:
ETX = EelecK + Eapmpd2K

(1.1)

ERX(k) = Eelec K
1.2.2: Năng lượng Truyền trực tiếp đến trạm gốc.