HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

DƯ MINH SÁNG

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2017


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

DƯ MINH SÁNG

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA

CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ:

KHOA HỌC MÁY TÍNH
60.48.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Vũ Văn Thỏa


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân
tôi, không sao chép lại của người khác. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những vấn
đề được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất
cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Tôi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan của mình.
Hà Nội, ngày 20 tháng 1 năm 2017
Học viên

Dư Minh Sáng

ii


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................... xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ xii
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.................................1
1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan.....................................................1
1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây ..............................................................1
1.1.2 Các thành phần chính trong mạng WSN ...............................................................3
1.1.3. Công nghệ cảm biến .............................................................................................4
1.2. Mô hình giao thức của mạng WSN ............................................................................5
1.2.1. Các lớp chức năng ................................................................................................5

2.3. Các giao thức phân bậc .............................................................................................24
2.3.1. Giao thức LEACH ..............................................................................................25
2.3.2. Static-cluster (Phân nhóm tĩnh) ..........................................................................27
2.3.3. Giao thức PEGASIS ...........................................................................................28
2.3.4. Giao thức TEEN và APTEEN ............................................................................30
2.3.5. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến phân bậc ....................................32
2.4. Các giao thức định tuyến theo địa lý .........................................................................32
2.4.1. Giao thức MECN và Small MECN ....................................................................33
2.4.2. Các giao thức chuyển tiếp theo địa lý (Geographical Forwarding) ....................34
2.4.3. Giao thức PRADA ..............................................................................................36
2.4.4. Giao thức GAF....................................................................................................38
2.4.5. Giao thức GEAR .................................................................................................39
2.4.6. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo địa lý .................................40
2.5. Các giao thức dựa trên chất lượng dịch vụ ...............................................................40
2.5.1. Giao thức SAR ....................................................................................................41
2.5.2. Giao thức MCPF .................................................................................................41
2.5.3. Giao thức SPEED ...............................................................................................43
2.5.4. Đánh giá chất lượng các giao thức định tuyến theo chất lượngdịch vụ .............45
2.6 Kết luận chương 2 ......................................................................................................45
CHƯƠNG III -ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG THU THẬP
SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG CHIP LORA SX1278................................46
3.1. Đặt bài toán ...............................................................................................................46
3.2. Thiết kế hệ thống .......................................................................................................47
3.3. Thiết kế phần cứng và phần mềm cho các Nodes Giám sát dữ liệu .........................48
iv


3.4. Thiết kế phần cứng cho các Node Giám sát dữ liệu .................................................49
3.4.1. Thiết kế của mô đun thu thập số liệu ..................................................................49
3.4.2. Thiết kế module xử lý .........................................................................................50

ACK

Acknownlegment

Tin báo nhận

ADC

Analog to Digital Converter

Chuyển đổi tương tự
sang số

APTEEN

Adaptive Threshold-sensitive
Energy-Efficient sensor Network

Giới hạn điều chỉnh
nhạy cảm Năng lượnghiệu quả Mạng cảm
biến

CCIR

Consultive Committee for
Internationnal Radio

Uỷ ban tư vấn cho Đài
phát thanh quốc tế


Hierarchical - PEGASIS

Cấu trúc PEGASIS

I/O

In/Out

Vào /Ra

ID

Identification

Định danh

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện nghiên cứu kỹ
thuật điện tử

KR

Knowledge Range

Phạm vi kiến thức


phản hồi

MECN

Minimum Energy Communication
Network

Mạng liên lạc năng
lượng thấp

MEMS

MicroElectro-Mechanical Systems

Vi điện hệ thống cơ khí

NEMS

NanoElectro-Mechanical Systems

Nano điện hệ thống cơ
khí

NFL

Neighborhood Feedback Loop

Lặp phản hồi vùng lân
cận


vi kiến thức điều chỉnh

PRR

Packet Reception Rate

Tỷ lệ nhận gói

PTKF

Partial Topology Knowledge
Forwarding

Cấu trúc liên kết từng
phần

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

Request

Yêu cầu

RX

Receiver


lý không xác định trạng
thái

SPIN

Sensor Protocols for Information
via Negotiation

Giao thức cảm biến
cho thông tin qua đàm
phán

SPIN-BC

SPIN for Broadcast Network

SPIN cho mạng băng
rộng

SPIN-EC

SPIN with Energy Consumption
awareness

SPIN với nhận thức
năng lượng tiêu thụ

SPIN-PP

SPIN for Point to Point Network

TX

Transmitter

Bộ truyền

UWB

Ultra-Wide Band

Băng thông siêu rộng

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng không dây

Cảm biến không dây

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không
dây

XML

EXtensible Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu mở

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.

Ứng dụng của mạng WSN theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã ...........7
Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng ..........................................8
Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người. .....................................8
Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình. ...........................................................9
Ứng dụng của mạng WSN trong công nghiệp....................................................10
Cấu tạo của nút cảm biến ................................................................................10
Tổng quan về các giao thức định tuyến của mạng WSN. ...............................15
Flooding ..........................................................................................................16
Các vấn đề chính trong Flooding ....................................................................17
Gossiping .........................................................................................................18
Các hoạt động cơ bản của giao thức SPIN ......................................................19
Các hoạt động chính của SPIN-BC .................................................................20
Hoạt động của giao thức Khuếch tán trực tiếp ................................................21
Từ chối củng cố đường đi trong khếch tán trực tiếp .......................................23
Kiến trúc mạng phân bậc trong mạng WSN ...................................................24
Cấu trúc chuỗi của PEGASIS .........................................................................28
Xây dựng chuỗi trong H-PEGASIS ................................................................29
Truyền dữ liệu dư thừa trong PEGASIS .........................................................30
C-PEGASIS (PEGASIS phân nhóm theo vòng tròn đồng tâm) .....................30
Kiến trúc phân cấp của TEEN và APTEEN ...................................................31
Hình thành đồ thị con trong MECN ................................................................33
Khái niệm vùng chuyển tiếp trong MECN .....................................................33
Vùng khả thi trong định tuyến theo địa lý.......................................................34
Các thuật toán chuyển tiếp theo địa lý ............................................................35
Ảnh hưởng của phạm vi kiến thức trong định tuyến địa .................................36
Ví dụ về mạng lưới ảo trong GAF ..................................................................39
Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR ..........................................................40
Thủ tục thiết lập trường chi phí của MSPF .....................................................42
Hoạt động của SNGF ......................................................................................44
Mô hình hệ thống giám sát quan trắc môi trường nước ..................................47



DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.

Phân loại cảm biến ..................................................................................... 4

Bảng 2.

Tỷ lệ tối thiểu của công suất theo loại Module ....................................... 52

Bảng 3.

Độ nhạy và thời gian truyền theo số lượng chip LORA.......................... 53

Bảng 4.

Độ nhạy và thời gian truyền .................................................................... 54

Bảng 5.

Sự gia tăng mã hóa theo thời gian ........................................................... 55

xi


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống thông tin di động được
phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây WSN (Wireless
Sensor Networks) đã và đang thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, viện

• Nghiên cứu và đánh giá công nghệ LORA
• Thiết lập kịch bản mô phỏng và mô phỏng.
xii


Để thực hiện được các mục tiêu trên, bố cục luận văn được tổ chức thành 3 chương
chính:
• Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về mạng WSN, nền tảng công nghệ của mạng WSN, các ứng dụng của mạng
WSN và các yếu tố cần quan tâm khi thiết kế, xây dựng mạng WSN.
• Chương 2: Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây: Giới thiệu về
định tuyến trong mạng WSN, đồng thời nêu ra các khó khăn và các vấn đề trong
định tuyến mạng WSN.
• Chương 3:Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thu thập số liệu môi trường
nước sử dụng chip lora sx1278.

xiii


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trong chương này luận văn sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây và
các vấn đề liên quan:
Khái niệm mạng cảm biến không dây
Mô hình giao thức của mạng cảm biến không dây
Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1 Mạng cảm biến không dây và các vấn đề liên quan
Các nội dung trình bày trong mục này được tham khảo từ các tài liệu [3], [4].

1.1.1Nền tảng công nghệ của mạng không dây [3, tr.2 – 4]

chipset CMOS đang mang lại sự tối ưu hóa cho mạng WSN và nó được coi là chìa khóa
thành công trong lĩnh vực thương mại.
Những năm đầu tiên, các nhà cung cấp linh kiện đã sử dụng các công nghệ độc
quyền để tập hợp dữ liệu thu được từ các thiết bị. Nhưng từ đầu năm 2000 đến nay,các nhà
cung cấp thiết bị cảm biến đang tìm cách chuẩn hóa công nghệ này. Các nhà thiết kế đã
loại trừ việc áp dụng các chuẩn của Wi-Fi (IEEE 802.11b) và Bluetooth (IEEE 802.15.1)
cho các cảm biến bởi nó quá phức tạp và đòi hỏi nhiều băng thông hơn thực tế cần thiết
cho các bộ cảm biến thông thường. Điều này đã mở ra cánh cửa cho một chuẩn mới đó là
ZigBee (IEEE 802.15.4). ZigBee bao gồm các lớp phần mềm mới và hỗ trợ một loạt các
ứng dụng. ZigBee hoạt động ở dải tần 2,4GHz và hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên tới
250kbps ở phạm vi 30 đến 200 ft (khoảng 9,144 métđến 60.96 mét). ZigBee được thiết kế
để bổ sung cho các công nghệ không dây đang tồn tại như Bluetooth, Wi-Fi và UWB với
mục đích là áp dụng cho các ứng dụng cảm biến điểm-điểm mà ở đó không thể kết nối
cáp, năng lượng cực thấp và chi phí bị hạn chế.
Các nghiên cứu đã chỉ ra nhiều điểm tương đồng giữa mạng WSN và mạng
MANET. Ví dụ như kiến trúc mạng là không cố định, năng lượng là một vấn đề đáng
quan tâm, các nút trong mạng được kết nối với nút khác bằng môi trường liên kết không
dây hay cả hai đều liên quan đến truyền thông multi-hop. Tuy nhiên các giao thức và kỹ
thuật được phát triển cho mạng MANET không thể ứng dụng trực tiếp cho mạng cảm
biến. Bởi vì hai mạng này có nhiều khía cạnh khác nhau sau đây:
-

-

Mạng cảm biến được sử dụng chủ yếu để thu thập thông tin trong khi đó mạng
MANET được thiết kế để tính toán phân tán nhiều hơn là việc thu thập thông tin.
Thông thường, một mạng lưới cảm biến được triển khai bởi 1 chủ sở hữu, trong khi
MANETs có thể được điều hành bởi 1 số đơn vị không liên quan.
Không giống như các nút trong mạng MANET, một nút trong mạng cảm biến
không có định danh duy nhất.


-

Tập các nút cảm biến, được trang bị cảm biến cho một hoặc một vài ứng dụng cụ
thể.
Mạng kết nối, thường là mạng vô tuyến
Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hay ngoài mạng (như
một máy tính tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng cóthể là một gateway cho
một mạng khác lớn hơn như Internet). Sink chính là nơi đưa ra các yêu cầu đối với
các thông tin lấy từ các nút cảm biến trong mạng.
Tập các tài nguyên để xử lý dữ liệu nhằm đưa ra các cảnh báo, các định hướng hay
các kết quả thống kê mà người dùng mong muốn.

Ngoài ra, chúng ta có thể thấy rằng, mạng WSN gồm 2 thành phần đặc trưng khác
đó là người dùng và trường cảm biến. Trong đó, người dùng có thể là một cơ quan an
ninh, một tổ chức xã hội hay một cá nhân người dùng đơn lẻ sở hữu nó… Còn trường cảm
biến có thể là thế giới vật lý, một hệ thống sinh học hay hóa học… mà ở đó chứa dữ liệu
cần thu thập.

3


1.1.3. Công nghệ cảm biến [2, tr.3][3, tr.75 – 91]
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã thể hiện sự quan tâm lớn tới mạng WSN và đã tập
trung vào các vấn đề quan trọng trong việc phát triển mạng WSN như sử dụng hiệu quả,
chi phí thấp, an toàn và khả năng chống chịu lỗi. Cùng với đó, công nghệ chế tạo các nút
cảm biến cũng không ngừng được cải thiện cả về chất liệu, kích thước của như tính năng.
Hình 2.

Sự tiến triển của công nghệ cảm biến theo thời gian


Lớn

Đa phương
thức, vật lý

Trung bình

Đa phương
thức, hóa
học, sinh
học

Thấp

Chức năng
duy nhất,
vật lý

Nhỏ

Kích cỡ
Micrô

Kích thước
Nanô

Cố định

Sử dụng

định tuyến
động
Single –
hop với
định tuyến
tĩnh


Cách phân loại như Bảng 1.1 chỉ mang tính tổng quát. Trên thực tế, chúng ta có thể
kết hợp tổ hợp các tiêu chí trên để đa dạng hóa các loại cảm biến nhằm đáp ứng linh động
với các điều kiện và ứng dụng cụ thể.

1.2. Mô hình giao thức của mạng WSN
Các nút mạng và sink sử dụng mô hình giao thức như được mô tả trong Hình 3
dưới đây. Mô hình này kết hợp năng lượng với định tuyến, kết hợp dữ liệu với các giao
thức mạng, sử dụng năng lượng hiệu quả với môi trường vô tuyến và thúc đẩy sự hợp tác
giữa các nút cảm biến.
Hình 3.

Mô hình giao thức của mạng WSN

Mô hình giao thức của mạng WSN được phân chia theo 2 hướng nhìn. Hướng thứ
nhất theo các lớp chức năng và hướng nhìn còn lại phân chia theo các thành phần quản lý.

1.2.1. Các lớp chức năng
Theo các lớp chức năng, mô hình giao thức của mạng WSN được chia làm 5 lớp: lớp vật
lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải và lớp ứng dụng. Trong đó mỗi lớp sẽ đảm
nhiệm những chức năng cụ thể:
-



Phần quản lý năng lượng: điều khiển quá trình sử dụng năng lượng của nút cảm
biến. Ví dụ, khi nút cảm biến bị suy hao và mức năng lượng còn lại thấp, nó sẽ phát
quảng bá tới các nút lân cận để thông báo rằng nó không thể tham gia quá trình
định tuyến trung gian khác.
Phần quản lý di chuyển: phát hiện và ghi lại sự chuyển tiếp từ các nút cảm biến do
đó dễ dàng xác định được con đường quay trở lại. Nhờ xác định được các nút cảm
biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa năng lượng của nó và nhiệm vụ
thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ: lập kế hoạch và cân bằng nhiệm vụ giữa các nút cảm biến
trong một vùng xác định.

1.3. Các ứng dụng của mạng WSN [2, 3]
Sự xuất hiện của mạng WSN hứa hẹn một phạm vi rộng lớn các ứng dụng tiềm năng như:
an ninh quốc phòng, môi trường, y tế, thương mại và công nghiệp…Có thể dự đoán trong
tương lai, các mạng cảm biến không dây sẽ gắn liền với cuộc sống của con người giống
như các máy tính điện tử hiện nay.

1.3.1. Ứng dụng trong an ninh, quốc phòng
Dựa vào các đặc tính: triển khai nhanh, khả năng tự tổ chức và sự hư hỏng một vài nút
cảm biến không ảnh hưởng nhiều tới hệ thống …Vì vậy mà mạng WSN được sử dụng phổ
biến trong nhiều hoạt động an ninh, quốc phòng. Hình 4 dưới đây là một ví dụ cụ thể, các
cảm biến có thể thu thập hình ảnh, âm thanh và xác định vị trí của các đối tượng khả nghi
trong một phạm vi nhất định.
Hình 4.

Ứng dụng của mạng WSN trong an ninh, quốc phòng

6


Ứng dụng của mạng WSN trong cảnh báo cháy rừng

1.3.3. Ứng dụng trong y tế
Trong lĩnh vực y tế, mạng WSN hỗ trợ theo dõi bệnh nhân, quản trị thuốc trong
bệnh viện, theo dõi từ xa dữ liệu vật lý của con người, kiểm tra, theo dõi bác sĩ và bệnh
nhân trong bệnh viện. Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến nhỏ và nhẹ,
mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định nhịp tim, trong khi
nút khác sẽ xác định huyết áp …
Hình 7.

Ứng dụng của WSN trong theo dõi sức khỏe con người.

8


1.3.4. Ứng dụng trong gia đình
Ngôi nhà thông minh là một trong những ứng dụng đặc trưng. Ở đó các nút cảm
biến dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo cho chủ nhà hoặc
các cơ quan an ninh. Đặc biệt, những nút cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong
những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh.Những nút cảm biến này
tương tác với nhau và với bên ngoài qua Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý
từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn.
Hình 8.

Ứng dụng của mạng WSN trong gia đình.

1.3.5. Ứng dụng trong ngành công nghiệp
Trong lĩnh vực công nghiệp, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi
chất lượng sản phẩm, điều khiển môi trường trong những tòa nhà và công xưởng, điều
khiển tự động hóa, thiết bị chống mất cắp ô tô…