i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
------

------

NGUYỄN THỊ HIẾU

MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG
CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG
TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH

Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60480101

Luận văn Thạc sỹ khoa học máy tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình

THÁI NGUYÊN - 2016

LỜI CAM ĐOAN



Nguyễn Thị Hiếu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................. vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY... 3
1.1. Giới thiệu............................................................................................... 3
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .......................................... 4
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ................................ 5
1.3.1. Lớp vật lý ............................................................................................ 6
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu ............................................................................. 8
1.3.3. Lớp mạng ............................................................................................ 9
1.3.4. Lớp truyền tải ...................................................................................... 9
1.3.5. Lớp ứng dụng ...................................................................................... 9
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN ....................................... 9
1.5. Cấu trúc mạng cảm biến không dây ................................................ 10
1.6. Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến ............. 12
1.7. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây13
1.8. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây ......... 16
1.9. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5] ......... 17

3.4.1. Giao diện phần mềm ....................................................................... 59
3.4.2. Phần cứng của hệ thống giám sát môi trường nhà kính .................... 61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
AODV

Từ gốc

Nghĩa tiếng việt

Ad hoc On Demand Distance Định tuyến dựa vào chuỗi chỉ
Vector
hướng theo yêu cầu tạm thời

ACK

Acknowledgement

Bản tin xác nhận


Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ liệu

ETX

Expected Transmission

Số lần truyền kỳ vọng

IEEE

Institute of Electrical
Electronic Engineers

LEACH

Multiple

and

Viện kỹ thuật điện và điện tử

Low
Enery
Adaptive Kiến trúc phân cụm thích ứng
Clustering Hỉearchy
năng lượng thấp


Sensor
Protocols
for Giao thức định tuyến thông
information via Negotiation – qua thương lượng – Bảo tồn
Enery
năng lượng
Task Assignment and Data
Advertisement Protocol

công nghệ đa truy nhập phân
chia theo thời gian

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. .......................................... 4
Hình 1. 2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5]. .............................. 6
Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ................................ 7
Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không
dây. .......................................................................................................... 15

Hình 3.13. Giao diện giám sát môi trường không khí ............................ 59
Hình 3.14. Giao diện giám sát môi trường giá thể .................................. 60
Hình 3.15. Giao diện cài đặt truyền thông .............................................. 60
Hình 3.16. Nút thu thập số liệu môi trường không khí ........................... 61
Hình 3.17. Nút thu thập số liệu môi trường giá thể ................................ 61
Hình 3.18. Mô hình hệ thống giám sát môi trường nhà kính.................. 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều
kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Network-WSN). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa
chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và
ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế,
quân sự, môi trường, giao thông....
Tuy nhiên do mạng cảm biến không dây sử dùng truyền dẫn thông tin
bằng môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông này xảy ra sự mất
mất dữ liệu do môi trường vô tuyến không ổn định. Đây là thách thức lớn đối
với quá trình truyền thông trong WSN, cũng như cần phải thiết kế được
những mạng cảm biến truyền thông đa chặng và có thể giảm thiểu tối đa sự
mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông.
Trong khi đó, các nghiên cứu về WSN đã chỉ ra rằng có tới trên 70%

Cuối cùng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của
Luận văn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu
Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc
độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây.
Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của
hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp,
giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín
hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ,
đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời.
Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối
tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một
bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến liên
kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó 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 số lượng lớn, được phân bố một cách
không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (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) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu
thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự
nhiên [3].




5

- WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ
biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao
thức truyền vô tuyến riêng.
- Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin...), giá thành và yêu
cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu
chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.
- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động
lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc
nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ...).
- Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức
tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng.
- Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của
từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây
thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung
(giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các
node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng.
1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.2. Kiến
trúc này 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên
thế giới. Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại
châu Âu, 802.15.4 sử dụng băng tần 868- 868.8MHz. Phần còn lại của thế
giới, 802.15.4 sử dụng băng tần 2400-2483.5MHz.
IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi
băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1.3. Channel 0 được quy
định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy
định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là
2MHz.
Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh
được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.
IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số
kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó
các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các
kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

Hình 1.3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến.
Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là
40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s.
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số
vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh

tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho
quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây.
1.3.4. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung
cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.
1.3.5. Lớp ứng dụng
Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau
có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên
tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu
cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN.
1.4. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN
Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được
đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể
được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp,
định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.
Hình 1.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.

Hình 1.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây [4].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Bên cạnh những thuật toán định tuyến trên, thì hiện nay người ta sử
dụng chuẩn Zigbee để thực hiện việc thiết lập môi trường truyền thông không
dây trong mạng cảm biến. Chuẩn Zigbee là chuẩn được dùng phổ biến bởi ưu
điểm như tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp [7]. Chuẩn Zigbee có thể dùng
được trong các mạng mắt lưới. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ

- Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: cần có kết hợp giữa
các dữ liệu của một hay nhiều nút để chuyển tới được nút gốc từ đó tiết kiệm
được băng thông, năng lượng.
Hiện nay, cấu trúc mạng cảm biến không dây được chia thành các cấu
trúc như sau:
- Cấu trúc phẳng: Trong cấu trúc này, tất cả các nút đều ngang hàng và
đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với trạm gốc thông
qua truyền thông đa chặng, sử dụng các nút trung gian làm bộ tiếp sóng.
- Cấu trúc phân cấp: trong cấu trúc này thì phân thành các cụm, mỗi
cụm có nút chủ cụm. Các nút trong cụm thu thập số liệu rồi gửi đơn chặng
hay đa chặng tới nút chủ cụm. Do đó, cấu trúc này tạo thành hệ thống cấp bậc
mà mỗi nút có mức độ cấp bậc khác nhau, từ đó có các nhiệm vụ đã được xác
định trước. Tức là chức năng sẽ được phân cấp như thực hiện việc thu thập số
liệu, tín toán số liệu, hoặc phân phối số liệu…
Theo các nghiên cứu về mạng cảm biến không dây thì mạng cảm biến
không dây theo cấu trúc phân cấp hoạt động hiệu quả hơn so với dạng cấu
trúc phẳng bởi những lý do sau:
+ Cấu trúc phân cấp giảm được chi phí mạng cảm biến không dây bằng
việc xác định được tài nguyên của mỗi nút trong quá trình thiết kế, đảm bảo
được tối ưu và hiệu quả nhất. Điều này giúp cho giảm chi phí, tránh được lãng
phí cho toàn mạng.
+ Thời gian sống của cấu trúc phân cấp cao hơn so với cấu trúc phẳng.
Bởi vì, khi thực hiện tính toán sẽ được đơn vị xử lý phân cấp thực hiện, với
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12



13

1.7. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây
Với các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát
triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn và thách thức
trong quá trình nghiên cứu trong lĩnh vực hệ thống mạng cảm biến không dây.
Dưới đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi nghiên cứu và phát
triển giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây:
Thời gian sống dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo
dài từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được
tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các nút cảm biến không dây có
kích thước rất nhỏ nên nguồn năng lượng của chúng cũng bị hạn chế. Điều
này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm
biến. Trong cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây, bộ thu phát vô
tuyến là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Do đó,
giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian sống của toàn
mạng. Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó là:
Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu. Một số nút bị
ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi về cấu trúc liên kết mạng và có
thể cần phải tổ chức lại mạng. Để giảm năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán
định tuyến được đề xuất cho mạng cảm biến không dây sử dụng chiến thuật
định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhau như
các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng,
tập hợp dữ liệu.
Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến
không dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng
lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Việc định tuyến trong các trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

nhiên hoặc cũng có thể được xác định trước vị trí của từng nút trong mạng.
Trong trường hợp triển khai ngẫu nhiên, các nút cảm biến bị phân tán ngẫu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

nhiên và các tuyến đường cần phải được xác định theo cách phân tán. Trong
trường hợp còn lại, các nút cảm biến được triển khai thủ công và các bản tin
có thể được chuyển tiếp thông qua các tuyến đường đã được xác định trước.
Trong trường hợp mạng có kích thước lớn thì việc xác định tuyến đường sẽ
được phân cấp.
Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến các
bản tin. Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các
hoạt động chung của mạng. Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến
đường dự phòng hoặc xây dựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường
hợp liên kết mạng bị lỗi.
Phạm vi truyền thông có ảnh hưởng nhiều đến hoạt động của mạng.
Các nút cảm biến có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền
nhưng cùng với đó là sự tiêu hao nhiều hơn về nguồn năng lượng. Việc gửi
các bản tin với công suất phát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo
dài thời gian sống của một nút mạng nhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin.
Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mở rộng thì tổng năng lượng được
sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽ giảm nhưng nhiễu
trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn.
Chất lượng dịch vụ (QoS) đặc trưng cho các yêu cầu dịch vụ cần được
đáp ứng khi vận chuyển một luồng bản tin từ nguồn đến đích. Tuy nhiên,
những yêu cầu ràng buộc về chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng mạng

- Tiết kiệm năng lượng ở lớp MAC: Sử dụng kỹ thuật đa truy cập
TDMA, CSMA-CA hiệu chỉnh nhằm mục đích giảm thiểu năng lượng tiêu
thụ của lớp này.
- Tiết kiệm năng lượng trong kỹ thuật định tuyến: Theo thống kê có tới 70%
năng lượng được tiêu thụ trong quá trình truyền thông của mạng cảm biến không
dây. Bởi vậy, việc xác định được đường đi tối ưu hay kỹ thuật định tuyến tối ưu sẽ
giúp cho việc tối ưu được năng lượng tiêu thụ của mạng cảm biến không dây.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




17

- Tiết kiệm năng lượng trong quản lý bảo mật: Sử dụng cơ chế bảo mật
tối ưu, quản lý khóa bảo mật khi một nút từ bỏ mạng cảm biến không dây,
hoặc quản lý một nhóm những nút trong mạng bắt đầu trao đổi thông tin với
nhau sao cho hiệu quả nhất, cần ít bản tin trao đổi nhất. Từ đó sẽ tiết kiệm
được năng lượng tiêu thụ của mạng.
1.9. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5]
1.9.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng
ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời. Trong nông
nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm
trong đất, sự tăng trưởng của cây. Các hệ thống mạng cảm biến không dây
được ứng dụng ngày càng phổ biến ở nước ta và trên thế giới. Hệ thống mạng
cảm biến này sẽ hỗ trợ cho nông dân thu thập thông số môi trường trên diện
tích rộng lớn một cách nhanh chóng và chính xác. Các tham số này có thể là
độ ẩm đất, độ ẩm môi trường, nhiệt độ, ánh sáng, chất dinh dưỡng,….