i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Văn Toán

ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRONG CẢNH BÁO CHÁY CHO NHÀ CAO TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên, tháng 06 năm 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này do tôi tự nghiên cứu,
đọc, dịch tài liệu, tổng hợp và thực hiện. Trong luận văn tôi có sử dụng một số tài
liệu tham khảo nhƣ đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo.
Ngƣời viết luận văn

Phạm Văn Toán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


1.1.3. Các mô hình mạng không dây ............................................................ 8
1.1.4. Các thiết bị mạng không dây: ............................................................. 9
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây ................................................................. 10
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến ................................................... 10
1.2.2. Phần cứng và phần mềm .................................................................. 11
1.2.3. Phân loại cảm biến ........................................................................... 13
1.2.4. Môi trƣờng hoạt động của sensor node (WNs) ................................ 15
1.2.5. Xu hƣớng phát triển của Node cảm biến .......................................... 15
1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ................................................ 16
1.3.1. Các ví dụ về ứng dụng dạng 1 WSN (C1WSN) :............................. 16
1.3.2. Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN (C2WSN) : ............................. 18
CHƢƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY .......................................................................................................................... 22
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu ............................................................. 22
2.2. Thiết kế trong kỹ thuật định tuyến không dây ........................................ 23
2.2.1. Kích thƣớc mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian: ..................... 23
2.2.2. Tài nguyên hạn chế: ......................................................................... 24
2.3. Giao thức điều khiển truy nhập trong mạng cảm biến không dây .......... 24
2.3.1. Mô hình giao thức cho WSNs .......................................................... 25
2.3.2. Giao thức MAC ................................................................................ 26
2.3.3. Các giao thức MAC cho mạng WSNs: ............................................ 28
2.3.4. Nghiên cứu trƣờng hợp SENSOR-MAC: ........................................ 29
2.4 Giao thức, giao vận trong mạng cảm biến không dây ............................. 36

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin trong Bluetooth(BT) và ZigBee ....................... 19
Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển ......................................................................... 20
Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng trong phòng ........................................................... 20
Hình 1.13 Các ứng dụng trong công nghiệp. ............................................................ 21
Hình 1.14 Các ứng dụng trong y khoa. ..................................................................... 21
Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN ......................................................................... 22
Hình 2.2 Truyền dữ liệu đa chặng. ........................................................................... 23
Hình 2.3 Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu ........................... 26
Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động của node. ........................................................ 31
Hình 2.5 Sự đồng bộ và lựa chọn lịch trình của node biên....................................... 32
Hình 2.6 Đồng bộ giữa máy thu và máy phát. .......................................................... 33
Hình 2.7 Quá trình truyền thông điệp trong S-MAC ................................................ 35
Hình 2.8 Quá trình truyên thông Điệp trong S-MAC ............................................... 36
Hình 2.9 Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin .......................................... 39
Hình 2.10 Bùng nổ lƣu lƣợng do flooding. .............................................................. 40
Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn do flooding. ................................................................. 40
Hình 2.12 Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN. .................................................... 43

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

Hình 2.13 Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP. ............................................... 43
Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC. ................................................................................ 45
Hình 3.1 Mô hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng ................................................ 47
Hình 3.2 Cây đƣờng đi ngắn nhất - SPT ................................................................... 48
Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng .......................................................................................... 48

Nghĩa tiếng Việt

LAN

Locanl Area Network

Mạng nội bộ

WAN

Wide Ara Networks

Mạng diện rộng

WPAN

Wireless Personal Area Network

Mạng không dây cá nhân

WSNs

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

OS

Operating System


S-MAC

Sensor MAC

Giao thức MAC cho cảm biến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CHÁY NỔ

TTTM thành phố Hồ Chí Minh

Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD)

TTTM thành phố Hải Dƣơng (500 tỷ)

Tiệm bọc yên xe (2 ngƣời chết)

Hình 1.1 Hình ảnh về một số vụ cháy lớn
Cháy nổ luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày. Mặc dù đã có những biện pháp, hệ thống đƣợc xây dựng để phát hiện và
cảnh báo cháy nổ nhƣng nhiều thảm họa do cháy nổ gây ra vẫn hoành hành và gây
thiệt hại nhiều về ngƣời và của.
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh

Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến.
- Công cụ mô phỏng để xây dựng mạng cảm biến
Phạm vi nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu liên quan, phân tích các thông tin liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng mô hình và mô phỏng bằng chƣơng trình giao thức đƣờng định
tuyến đúng dần ngắn nhất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

Hƣớng nghiên cứu của đề tài
- Tim hiểu về mạng máy tính
- Nghiên cứu các kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến không dây.
- Nghiên cứu các giao thức định tuyến trên mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng giao thức đƣờng định tuyến đúng dần ngắn nhất.
Những nội dung nghiên cứu chính
Chƣơng 1
Tổng quan về mạng không dây
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Chƣơng 2
Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây
2.1. Sự phân phối và tập hợp dữ liệu

- Tìm hiểu các kiến thức về mạng không dây.
- Xây dựng ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng hệ thống mô phỏng để phân tích các tín hiệu về mạng cảm
biến không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu chung về mạng không dây
1.1.1. Mạng không dây là gì ?
Mạng không dây là một hệ thống các thiết bị đƣợc nhóm lại với nhau, có khả
năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đƣờng truyền dẫn bằng dây.
* Ưu điểm:
- Giá thành giảm nhiều đối với mọi thành phần ngƣời sử dụng.
- Công nghệ không dây đã đƣợc tích hợp rộng rãi trong bộ vi xử lí dành cho
máy tính xách tay của INTEL và AMD.
- Mạng Wireless cung cấp tất cả các tính năng của công nghệ mạng LAN
nhƣ là Ethernet và Token Ring mà không bị giới hạn về kết nối vật lí (giới hạn về
cable).
- Tính linh động: tạo ra sự thoải mái trong việc truyền tải dữ liệu giữa các
thiết bị có hỗ trợ mà không có sự ràng buộc về khoảng cách và không gian nhƣ
mạng có dây thông thƣờng.
- Mạng WLAN sử dụng sóng hồng ngoại (Infrared Light) và sóng Radio
(Radio Frequency) để truyền nhận dữ liệu.
* Nhược điểm:

khác nhau thuộc gia đình 802.11 a/b/g/h/i/... Công nghệ Wifi đã gặt hái đƣợc những
thành công to lớn trong những năm qua. Bên cạnh WiFi thì còn một cái tên ít nghe
đến là HiperLAN và HiperLAN2, đối thủ cạnh tranh của Wifi đƣợc chuẩn hóa bởi
ETSI.
- WMAN: mạng vô tuyến đô thị. Đại diện tiêu biểu của nhóm này chính là
WiMAX. Ngoài ra còn có công nghệ băng rộng BWMA 802.20. Vùng phủ sóng của
nó sẽ tằm vài km (tầm 4-5km tối đa).
- WWAN: Mạng vô tuyến diện rộng: Nhóm này bao gồm các công nghệ
mạng thông tin di động nhƣ UMTS/GSM/CDMA2000... Vùng phủ của nó cũng tầm
vài km đến tầm chục km.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

- WRAN: Mạng vô tuyến khu vực. Nhóm này đại diện là công nghệ 802.22
đang đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi IEEE. Vùng phủ có nó sẽ lên tầm 40100km. Mục đích là mang công nghệ truyền thông đến các vùng xa xôi hẻo lánh,
khó triển khai các công nghệ khác.
Bảng 1: So sánh các nhóm mạng
Công nghệ
UWB (Ultra

Mạng

Chuẩn

WPAN


3G

wideband)

Edge/GPRS
(TDMAGMS)
CDMA
2000/1x EVDO
WCDMA/
UMTS

Tốc độ
110-480

Vùng phủ
sóng

Băng tần

Trên 30 feet

7.5 GHz

Trên 30 feet

2.4 GHz

Trên 54 Mbps


400-2100
MHz
1800-2100
MHz

Tất cả các công nghệ này đều giống nhau ở chổ chúng nhận và chuyển tin
bằng cách sử dụng sóng điện từ (EM).
B. Dựa trên các công nghệ mạng, mạng không dây được chia thành 3 loại:
• Kết nối sử dụng tia hồng ngoại
• Sử dụng công nghệ Bluetooth
• Kết nối bằng chuẩn Wi-fi[1],[5]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

1.1.3. Các mô hình mạng không dây
1. Mô hình mạng AD-HOC:
a. Khái niệm:
- Là mạng gồm hai hay nhiều máy tính có trang bị card không dây
- Tƣơng tự mô hình peer to peer trong mạng có dây
- Các máy tính có vai trò ngang nhau
- Khoảng cách liên lạc 30-100m
- Sử dụng thuật toán Spokesman Election Algorithm(SEA)
b. Mô hình vật lí:

Hình 1.3 Mô hình mạng AD-HOC
2. Mô hình mạng INFRASTRUCTURE

trƣờng là sóng điện từ , cho phép PC hay Laptop trao đổi dữ liệu
đƣợc với nhau thông qua sóng vô tuyến.
4. Cầu nối Wi-Fi:
Thêm cầu nối Wi-Fi là ta có thể kết nối hầu nhƣ bất cứ
thiết bị nào có giao tiếp cổng Ethernet, chẳng hạn một máy in
mạng, vào mạng không dây. Ta dùng cáp nối thiết bị vào
cổng Ethernet của cầu nối, và cầu nối sẽ truyền dữ liệu từ
thiết bị này đến thiết bị không dây. Lúc này, bản thân thiết bị

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

hoạt động chẳng khác gì với khi lắp vào mạng có dây. Chúng ta nên mua cầu nối và
router của cùng nhà sản xuất, nhất là khi muốn tận dụng các chế độ nhƣ Super G,
Afterburner, và nhớ chọn loại có hỗ trợ mã hóa WPA.
5. Camera không dây
6. Thiết bị nghe nhạc và xem phim
7. Router du lịch
1.2. Kỹ thuật cảm biến không dây
1.2.1. Khái quát về các NODE cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lí.
Các node (sensor nodes hay còn gọi là WSNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các
node lân cận và các chức năng cơ bản nhƣ xử lí tín hiệu, quản lý giao thức mạng và
bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng
cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số
chức năng chính:

- Các sự kiện
Cảm biến kích thƣớc nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin
cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.

Hình 1.5 Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến
Công nghệ cảm biến phát triển giai đoạn gần đây nhƣ trên hình ... Node kết
hợp cảm biến và xử lí giai đoạn 1999 có kích thƣớc lớn hơn một đồng xu, các IC
tích hợp cảm biến. Các năm tiếp theo, kích thƣớc node giảm đi rất nhiều. Với sự
phát triển của các công nghệ nano, MEMS kích thƣớc giảm đi đáng kể, kèm theo
giảm năng lƣợng tiêu thụ, tăng thời gian sử dụng, khả năng xử lí, độ ổn định cao
hơn, ... Những năm đầu 2000, thể tích trung bình node cỡ 16.387mmm3, đến 2007
là 1-mm3.[1],[5]
1.2.2. Phần cứng và phần mềm
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có:
chức năng cơ bản của node; chức năng xử lí tín hiệu, gồm xử lí số tín hiệu, nén,
phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng;
thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối. Để có các chức năng này, phần
cứng của node phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lí, nguồn, và các phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

phục vụ cho chức năng khác. Hình 1.6 chỉ ra các phần cấu tạo nên node cảm biến
thông thƣờng gồm phần cứng và phần mềm.
Rõ ràng, cấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng.
Phần cứng gồm 4 nhóm chính:

thước
Rất lớn
(103mm3)

Khả
năng
di động

Công
suất
nguồn

Khả năng
lưu trữ,
tính toán

Di
động

Tự nạp Bộ xử lí, Đa
lại
lƣu trữ mức năng,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Chế độ

Giao thức ở
các lớp thấp


biến thông số
hóa – sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; động
IEEEMAC

Di
động

Pin 101 Bộ xử lí
giờ
mức thấp,
lƣu trữ mức
cao

Đa chức năng
cảm
biến
thông số vật
lí, hóa sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;

Ít
di Pin 103 Bộ xử lí, Đa
chức
Rất nhỏ động
giờ
lƣu
trữ năng,
cảm
-1
3
trung bình
biến thông số
(10 mm )
hóa sinh

Đa
Định
đƣờng/lƣới;
tuyến
2
4
10 – 10 m; tĩnh
IEEE MAC

Ít
di Pin 104 Bộ xử lí
động
giờ
mức thấp,
Cực nhỏ

cảm
biến thông số
vật lí

Một
đƣờng/lƣới;
101 – 102m;
IEEE MAC

Lớn
(102mm3)

Trung
bình
(101mm3)

Nhỏ
(100mm3)

Cỡ nano
(
1.2.4. Môi trường hoạt động của sensor node (WNs)
Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:
- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lƣợng cung cấp, việc sử
dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng
WSNs.
- Liên lạc: mạng vô tuyến thƣờng bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh
truyền. Các yếu tố này ảnh hƣởng đến độ tin cận, chất lƣợng dịch vụ và độ bảo mật
của hệ thống.
- Tính toán: các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn. Điều này
ảnh hƣởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lí dữ liệu hoạt động tại node.
- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu tập có thể kèm theo
nhiễu từ môi trƣờng. Sự hƣ hỏng các node có thể làm sai dữ liệu. Sự sắp đặt các
node gây sai lệch hoạt động node.[1],[2]
1.2.5. Xu hướng phát triển của Node cảm biến
Để mạng WSNs có thể đƣợc triển khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thƣớc,
giá thành và công suất tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông minh của
node phải tăng lên. Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiến nhƣ
công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng, ...
Sự thu nhỏ kích thƣớc, giá thành là vấn đề quan trọng hàng đầu. Sự tích hợp
cảm biến, vi xử lí, nguồn năng lƣợng và giao tiếp mạng thông tin trên một chip sẽ
làm việc trao đổi dữ liệu giữa cảm biến và môi trƣờng bên ngoài trở nên dễ dàng
hơn.
Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp
mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các
mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên cứu
đang hƣớng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân
bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thƣơng mại, hỗ trợ hiệu quả cho các quá
trình ra quyết định.[1,3]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

- Phát hiện và phân loại các chất hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng xạ
hạt nhân, chất nổ...
- Giám sát sự thay đổi khí hậu, rừng, biển..
- Giám sát xe cộ trên đƣờng
- Giám sát an ninh trong các khu vực dân cƣ, thƣơng mại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17

- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh.

Hình 1.7 Ứng dụng WSNs trong an ninh quốc gia và luật pháp

Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến trong quân sự
Hình 1.8 đƣa ra các ví dụ về ứng dụng cảm biến trong quân sự .Các cảm biến
trang bị trên các phƣơng tiện kỹ thuật phục vụ cho việc giám sát các hoạt động
chiến trƣờng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN