bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
-----------XW-----------

LUậN VĂN THạC Sỹ KHOA HọC

WSN MNG CM BIN KHễNG DY V NG DNG

NGNH: K THUT IN T
M Số:

NGUYN TH VIT PHNG

NGI HNG DN KHOA HC: TS. NGUYN VN KHANG

Hà Nội - 2009


1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn “WSN –
Mạng cảm biến không dây và ứng dụng” được viết dựa trên kết quả nghiên
cứu theo đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn
Khang.
Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ nguồn và
sử dụng đúng luật bản quyền quy định.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình.

Học viên

2.4 Định tuyến và phân phối dữ liệu........................................................... 31


3

Chương 3: CẤU TRÚC MẠNG ..................................................................... 33
3.1 Các kịch bản mạng cảm biến ................................................................ 33
3.1.1 Các loại nguồn và sink..................................................................... 33
3.1.2 Mạng single hop và multihop .......................................................... 34
3.1.3 Nhiều sink và nhiều nguồn ............................................................. 36
3.2 Mục tiêu tối ưu và hệ số phẩm chất ...................................................... 39
3.2.1 Chất lượng dịch vụ.......................................................................... 39
3.2.2 Hiệu suất năng lượng ....................................................................... 41
3.2.4 Độ ổn định....................................................................................... 44
3.3 Nguyên lý thiết kế WSN ....................................................................... 44
3.3.1 Phân bố tổ chức............................................................................... 44
3.3.2 Xử lý trong mạng ............................................................................ 45
3.3.3 Tính tương thích và độ tin cậy ........................................................ 49
3.3.4 Trung tâm dữ liệu............................................................................ 49
3.4 Phân loại trúc mạng cảm biến không dây ............................................. 53
3.4.1 Loại 1(C1WSN):.............................................................................. 53
3.4.2 Loại 2(C2WSN):.............................................................................. 54
Chương 4: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY.............................. 57
4.1

Quá trình truyền sóng : ....................................................................... 57

4.2

Điều chế tín hiệu:................................................................................ 59


Ứng dụng trong giám sát xe cộ và thông tin liên quan: ............... 69

5.2

Các ví dụ về ứng dụng dạng 2 WSN: ................................................ 70

5.2.1

Điều khiển các thiết bị trong nhà: ................................................ 71

5.2.2

Các tòa nhà tự động: .................................................................... 72

5.2.3

Quản lý quá trình tự động trong công nghiệp: ............................. 73

5.2.4

Các ứng dụng trong y học: ........................................................... 74

5.3 Ứng dụng điều khiển hệ thống HVAC ................................................ 75
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 84
TÓM TẮT ....................................................................................................... 85
SUMMARY .................................................................................................... 86



Asynchronous Transfer Mode

Chế độ truyền bất đồng bộ

BE

Back-off Exponent

Thời gian chờ để được truy
cập

BTS

Base Transceiver Station

Trạm thu phát cơ sở

CAP

Contention Access Period

Thời gian tranh chấp truy
cập

CCA

Clear Channel Assessment

Ước định kênh truyền trống


Đa truy nhập cảm biến sóng
mang và phát hiện đụng độ

CTS

Clear to send

Sẵn sàng nhận

CW

Congestion Window

Cửa sổ tranh chấp

DCE

Data Circuit-Terminating
Equipment

Thiết bị kết cuối kênh số
liệu

DSSS

Direct-Sequence Spread
Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp


GTS

Guaranteed Time Slot

Khe thời gian đảm bảo

HbH

Hop-by-Hop

Truyền từng bước

IEEE

Institute of Electrical and
Electronic Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

IrisNet

Internet-Scale ResourceIntensive Sensor Networks
Services

Dịch vụ mạng cảm biến tài
nguyên liên mạng

ITU

International


Medium access control

Điều khiển truy cập môi
trường

MANET
s
MIB

Mobile ad hoc Network

Mạng ad hoc di động

MiLAN
NAV
NB
NM

Management Information Base
Cơ sở thông tin quản lý
Middleware Linking Application Phần mềm liên kết ứng dụng
and Network
và mạng
Network Allocation Vector
Number of Back-off
Network Management

Vector phân phối mạng
Số lần back-off

RTS
RVF
SAP
S-MAC
SMACS
SNMP

Hệ thống quản lý mạng
Hệ điều hành
Mạng cá nhân

Tập trung hiệu suất trong
Lớp vật lý ế
Đơn vị dữ liệu lớp vật lý
Phát hiện năng lượng máy
Tần số vô tuyến
Thiết bị chức năng hạn chế
Mạch tích hợp tần số vô
ế
Radio Frequency Identify Device Thiết bị nhận dạng bằng
sóng vô tuyến

Ready to send
Routing Vector Field
Service access point
sensor MAC
Self-Organizing Medium Access
C
l Network
f S

Time Division Duplex
Time Division Multiple Access
Telecom Operation Map
Timeslot

UDP

User Datagram Protocol

Song công phân chia thời
Đa truy cập phân chia theo
Lược đồ các hoạt động viễn
Khe thời gian
Giao thức cho dịch vụ truyền
datagram

WAN
WPAN
WSN
ZDO

Wide Area Networks
Wireless Personal Area Network
Wireless Sensor Networks
ZigBee Device Object

SPIN

Mạng diện rộng
Mạng không dây cá nhân

Hình 4. 3 Sơ đồ đánh giá hiệu quả các kỹ thuật điều chế số .......................... 60
Hình 4. 4 Đồ thì so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến ........ 61
Hình 4. 5 Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN truyền thống ........ 63
Hình 4. 6 Băng tần IEEE 802.11 b/g............................................................... 64
Hình 4. 7 Mô hình giao thức ZingBee ............................................................ 65

Hình 5. 1 Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng ............................................. 69
Hình 5. 2 Ứng dụng trong quân sự.................................................................. 69
Hình 5. 3 Hệ thống cảm biến trên đường cao tốc. .......................................... 70
Hình 5. 4 Thời gian hoạt động của pin trong BT và ZigBee ......................... 71
Hình 5. 5 Các ứng dụng điều khiển................................................................. 72
Hình 5. 6 Điều khiển ánh sáng trong phòng ................................................... 73
Hình 5. 7 Các ứng dụng trong công nghiệp .................................................... 73
Hình 5. 8 Ứng dụng trong y học ..................................................................... 74
Hình 5. 9 Sơ đồ bố trí các vùng trong tòa nhà ................................................ 76
Hình 5. 10 Tmote cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, bức xạ quang và bức xạ phân
cực ................................................................................................................... 78
Hình 5. 11 NSLU2 mặt trước và sau với 02 cổng USB và 1 cổng Ethernet .. 78
Hình 5. 12 Giao tiếp giữa bộ dẫn động HVAC và bộ ổn nhiệt....................... 79
Hình 5. 13 Thiết kế cửa thông gió Tmode điều khiển motor.......................... 80
Hình 5. 14 Cấu trúc server và client nhúng không dây................................... 80
Hình 5. 15 Cấu trúc phần mềm hệ thống server – client................................. 81


10

LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của Internet, truyền thông và công nghệ thông tin kết hợp
với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các thế hệ cảm biến
mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao.

không nằm ngoài quy luật đó.
Sự hội tụ của các công nghệ vi điện tử, mạch tích hợp, xử lý tín hiệu…
đã cho phép tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ đáng kể, thực hiện nhiều
chức năng khác nhau với năng lượng tiêu hao thấp… tạo điều kiện cho việc
triển khai các ứng dụng về mạng cảm biến không dây: theo dõi sự thay đổi
của môi trường, khí hậu, giám sát, cảnh báo các hiện tượng thiên tai, lũ lụt,
hỏa hoạn, theo dõi người bệnh…
Thông qua việc phân tích các ứng dụng cụ thể của WSN và khái quát
hóa trên nền tảng công nghệ hiện nay cũng như nhu cầu về mặt kỹ thuật, ta
có thể đưa ra các giải pháp cả phần cứng lẫn giải mạng cho mạng cảm biến
không dây.
1.1.1 Tổng quan về môi trường thông minh – Hệ thống nhúng và WSN
Ngày nay, quá trình xử lý thông tin được thực hiện trong hầu hết các hệ
thống thiết bị đa năng, từ các hệ thống mainframe thế hệ cũ cho đến các hệ
thống máy tính hiện đại. Thực chất của quá trình này là thực hiện các thao tác
điện toán xử lý thông tin trong mạng lõi để thực hiện các yêu cầu của một số
lượng lớn người dùng một cách gián tiếp thông qua việc sử dụng hệ thống
nhúng, đó là việc tích hợp việc điều khiển với các thao tác điện toán thông
qua môi trường vật lý.


12

Hệ thống nhúng (Embedded system): là một thuật ngữ để chỉ một hệ
thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ
thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ
các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều
khiển, quan trắc và truyền tin.
Từ định nghĩa trên, ta có thể thấy, hệ thống nhúng có những đặc tính
chung đó là:

là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều
thiết bị ngoại vi.
Ngày nay, các hệ thống nhúng trở nên hết sức phổ biến, nó không chỉ
được trang bị trong các thiết bị có kích thước lớn như máy giặt để thực hiện
các thao tác tính toán và điều khiển mà còn xuất hiện trong các thiết bị nhỏ
hơn, thậm chí là không cần thiết như hàng tạp phẩm… Bằng việc ứng dụng hệ
thống nhúng, tích hợp chức năng điều khiển và tính toán trong môi trường vật
lý, dần dần hình thành khái niệm môi trường thông minh, trong đó các thiết bị
kết hợp với nhau và xử lý thông tin từ nhiều nguồn khác nhau để điều khiển
các quá trình vật lý và tương thích với người dùng. Mối quan hệ người –
người, người – máy được thay thế bằng mối quan hệ giữa người và môi
trường vật lý, thay thế hoàn toàn việc thao tác dữ liệu bằng tay.
Quá trình này được thực hiện thông qua việc thu thập thông tin từ nhiều
nguồn khác nhau, tập trung lại và được xử lý thông qua các thao tác điện toán
kết hợp với các chức năng điều khiển… để đem lại thông tin chính xác về thế
giới thực như mong muốn. Ban đầu, điều này được thực hiện trong mạng có
dây, tuy nhiên, cùng với nhu cầu phát triển của ứng dụng thì việc giá thành
của dây dẫn, kích thước của thiết bị… trở thành vấn đề cản trở sự phát triển
của hệ thống. Mô hình mạng truyền thông không dây giữa các thiết bị là một


14

lựa chọn phát triển tất yếu. Điều này dẫn đến sự hình thành của một lớp mạng
mới: mạng cảm biến không dây (WSN).

Hình 1. 1 Mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là mạng gồm các node cảm biến độc lập
được bố trí trong không gian, thường xuyên tương tác với nhau, với môi

Tòa nhà thông minh để hạn chế việc lãng phí năng lượng do sử dụng
không hiệu quả hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí , WSN
được sử dụng để giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác trong tòa nhà.
Điều này làm tăng độ an toàn cho những người sống trong tòa nhà và giảm
năng lượng tiêu thụ. Cảm biến cũng được sử dụng trong tòa nhà để giám sát
mức ứng suất của máy móc thiết bị trong các vùng địa chấn. Bằng việc sử
dụng các cảm biến không dây đo các thông số cơ học như mức độ tải uốn
cong của các gầm cầu có thể xác định được mức độ an toàn để làm việc khi có
động đất hoặc sắp sập để có biện pháp ưu tiên khi giải cứu. Cũng có thể sử


16

dụng các cảm biến để tìm kiếm người bị nạn trong tòa nhà bị sập và cung cấp
thông tin cho đội cứu nạn. Ưu điểm chính ở đây là sự phối hợp của các thông
số vật lý, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các cảm biến có thể được trang bị
thêm vào các tòa nhà (kiểu ứng dụng HVAC) hay tích hợp vào cấu trúc của
tòa nhà. Đối với ứng dụng này, do không có nguồn cung cấp nên đòi hỏi cảm
biến có vòng đời lên tới vài chục năm và số lượng và giá vừa phải vì liên quan
đến giá của toàn bộ tòa nhà.
Ngoài ra, hệ thống cảm biến không dây còn được sử dụng để quản lý
các chức năng tiện ích trong tòa nhà như dùng thẻ để giám sát người ra vào
cửa và các khu vực, theo dõi phương tiện, kiểm tra rò rỉ hóa chất trong nhà
máy, trong nông nghiệp, y học, viễn tin…
1.1.3 Đặc điểm chung cơ bản cấu trúc mạng cảm biến:
Thông qua khái niệm và ứng dụng cơ bản, ta có thể thấy được một số
đặc điểm chung của WSN là:
- Các node cảm biến phân bố dày đặc: do đặc tính của mạng, các node
được phân bố dày đặc để đảm bảo việc giám sát, theo dõi các sự kiện được
chính xác, không để bỏ sót thông tin.

biến không dây, khái niệm này không mang ý nghĩa cụ thể. WSN được tạo ra
để cung cấp các thông tin có nghĩa và thực hiện các nhiệm vụ, hơn nữa các
khái niệm như mục đích của các tương tác trong một không gian và thời gian
xác định là rất quan trọng. Do đó mô hình mạng mới đòi hỏi các giao diện
mới và cách nhìn mới về các loại hình dịch vụ.
Chất lượng dịch vụ có quan hệ chặt chẽ với loại hình dịch vụ. Các yêu
cầu về giới hạn trễ hay băng thông tối thiểu trong các dịch vụ đa phương tiện
truyền thống không có ý nghĩa đối với các ứng dụng có giới hạn trễ hay băng
thông ban đầu rất bé. Trong một số trường hợp khi phân chia các gói nhiều


18

hơn cần thiết hoặc yêu cầu rất cao về độ tin cậy hay khi cơ cấu truyền được
điều khiển trực tiếp theo thời gian thực thông qua mạng cảm biến thì thông số
trễ là quan trọng…
Ngoài ra, khối lượng và chất lượng thông tin tại một không gian xác
định có thể xác định được tại sink, vì vậy các khái niệm chất lượng dịch vụ
trong WSN sẽ phụ thuộc vào độ tin cậy của việc dò sự kiện, khả năng gần
đúng của bản đồ nhiệt độ…
Chịu lỗi: các node có thể hết năng lượng hay bị hư hỏng do việc truyền
thông không dây giữa chúng thường xuyên bị gián đoạn. Nếu các node cảm
biến được triển khai nhiều hơn cần thiết thì việc node lỗi không ảnh hưởng
nhiều đến mạng nhưng nếu với các ứng dụng đòi hỏi tất cả các node đều phải
hoạt động thì yêu cầu về khả năng chịu lỗi của WSN là thông số quan trọng
nhất.
Thời gian sống là thời gian hoạt động của mạng cho đến khi node đầu
tiên trong mạng bị lỗi (hoặc hết năng lượng); thời gian hoạt động đến khi
mạng không kết nối trong một vài phân đoạn hoặc khi một điểm trong vùng
giám sát không được bao phủ bởi một node cảm biến nào. Việc thay thế


Chương 2 CẤU TRÚC NODE CẢM BIẾN
Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến như
hình 2. 1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để
chuyển số liệu tới nút trung tâm (sink). Việc chọn đường tới sink theo đa
bước nhảy được minh hoạ trong hình 2.1, trong đó sink có thể liên lạc với nút
quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh. Việc thiết kế mạng cảm
biến như mô tả trong hình vẽ dưới đây phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả
năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng
cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất.

Hình 2. 1 Phân bố các node trong trường cảm biến

Để hiểu rõ hơn về cấu trúc mạng cảm biến, trong phần này sẽ bắt đầu từ
việc tìm hiểu thành phần cơ bản nhất trong một mạng cảm biến, đó là node
cảm biến.
Khi xây dựng WSN, yêu cầu đầu tiên là phải thiết lập các node đảm
bảo khả năng mở rộng và tiện dụng. Các node phải đáp ứng các yêu cầu cơ
bản của ứng dụng như: kích thước, giá thành, hiệu suất năng lượng, bộ nhớ…
và trang bị đầy đủ các tính năng truyền thông khác.
Ở đây, sẽ tập trung mô tả thành phần phần cứng và chức năng của


21

node, sự tiêu hao và trao đổi năng lượng … của một node độc lập.

Hình 2. 2 Các thành phần trong một node

Cấu tạo của một node cảm biến bao gồm: cảm biến và đơn vị thực thi

truyền thông và điều khiển cần được duy trì càng lâu càng tốt. Có thể lập trình
để các thành phần ngắt ứng dụng và dùng bộ định thời để khởi động lại.
Đối với các chức năng cảnh báo cần có sự phối hợp giữa các thành
phần, ngoài ra thông tin điều khiển và dữ liệu được trao đổi qua các kết nối


23

trong node, nó có thể gửi giá trị tương tự tới bộ điều khiển hoặc tự nó có thể
xử lý thông tin và chỉ kích thích bộ điều khiển nếu xảy ra sự kiện (ví dụ cảm
biến nhiệt), điều này cải thiện hiệu suất năng lượng.
2.1.1 Bộ điều khiển: là khối xử lý trung tâm CPU của node cảm biến.
Dữ liệu thu nhận được tại mỗi node được xử lý và gửi đi thông qua bộ điều
khiển, ngoài ra, bộ điều khiển nhận dữ liệu từ các node cảm biến khác thông
qua actuator, để thực hiện các chương trình khác nhau từ xử lý tín hiệu thời
gian thực, các giao thức truyền thông đến các chương trình ứng dụng.
Mặc dù các nhiệm vụ khác nhau có thể thực hiện trên các cấu trúc điều
khiển khác nhau nhưng để đảm bảo cân bằng giữa tính linh động, hiệu năng
và giá thành của node thì giải pháp tối ưu là sử dụng bộ xử lý đa năng.
Bằng việc ứng dụng công nghệ nhúng, các vi xử lý đa năng được sử
dụng trong bộ điều khiển của node cảm biến góp phần vào việc giảm kích
thước, giá thành, tiêu hao năng lượng… và tăng khả năng ứng dụng của các
node cảm biến.
Hiện nay, một số vi xử lý sử dụng công nghệ nhúng cơ bản đó là: DSP,
FPGA, ASIC... Tuy nhiên, với các ứng dụng WSN, nhiệm vụ của một node
cảm biến không thay đổi trong suốt thời gian tòn tại và số lượng node lớn thì
việc sử dụng ASIC là một giải pháp tốt. Các kỹ thuật WSN thường bị hạn chế
và ứng dụng chỉ ở mức đơn giản. Tuy nhiên với khả năng phân tách nhiệm vụ
xử lý của các chức năng cố định ở mức thấp của ASIC tạo sự ổn định, nâng
cao hiệu suất sử dụng năng lượng và độ linh động của mạng thì ASIC là lựa

chuyển các luồng bit (byte hoặc frame) tới một vi điều khiển và chuyển thành sóng RF.
Thực tế, hai chức năng này được kết hợp với nhau trong một thiết bị là máy thu phát thực
hiện đầy đủ các chức năng truyền, nhận, điều chế, giải điều chế, khuyếch đại, trộn… Các
đặc tính quan trọng cần lưu ý khi lựa chọn thiết bị thu phát là: