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

CCIR
CDMA
GFSLL

GPS

GUI
H-PEGASIS
I/O
ID
IEEE
KR

LEACH

MAC



MANET
MCPF

MECN
MEMS
NEMS

NFL

NS2
OS

TEEN
TTL
TX
UWB
Wi-Fi
Cảm biến không dây

XML


viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.
Hình
Hình 3.
Hình 4.
Hình 5.
Hình 6.
Hình 7.
Hình 8.
Hình 9.
Hình 10.
Hình 11.
Hình 12.
Hình 13.
Hình 14.
Hình 15.
Hình 16.


35.
36.

Cấu trúc mạng cảm biến ............
Sự tiến triển của công nghệ cảm
Mô hình giao thức của mạng WS
Ứng dụng của mạng WSN trong
Ứng dụng của mạng WSN theo d
Ứng dụng của mạng WSN trong
Ứng dụng của WSN trong theo d
Ứng dụng của mạng WSN trong
Ứng dụng của mạng WSN trong
Cấu tạo của nút cảm biến .........
Tổng quan về các giao thức địn
Flooding ...................................
Các vấn đề chính trong Floodin
Gossiping .................................
Các hoạt động cơ bản của giao
Các hoạt động chính của SPINHoạt động của giao thức Khuếc
Từ chối củng cố đường đi trong
Kiến trúc mạng phân bậc trong
Cấu trúc chuỗi của PEGASIS ..
Xây dựng chuỗi trong H-PEGA
Truyền dữ liệu dư thừa trong PE
C-PEGASIS (PEGASIS phân n
Kiến trúc phân cấp của TEEN v
Hình thành đồ thị con trong ME
Khái niệm vùng chuyển tiếp tro
Vùng khả thi trong định tuyến t



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

không dây và khảo sát một số giao thức định tuyến phổ biến đã được áp dụng.
•
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

chục, hàng trăm tới hàng nghìn dặm. Tuy nhiên, giới hạn về năng lượng cùng với mong
muốn giảm giá thành của nút mạng lại làm phát sinh thêm vấn đề trong mạng cảm biến
không dây. Việc xử lý các tín hiệu hợp tác giữa các nút mạng kề nhau có thể làm tăng tính
1


nhạy cảm và đặc hiệu khi dò tìm các sự kiện bất thường trong môi trường. Hiện nay, các
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.

Cấu trúc mạng cảm biến

Như vậy có thể thấy rằng, một mạng WSN bao gồm 4 thành phần chính:
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


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:
Lớp vật lý: thực hiện chức năng cảm biến, cung cấp các kênh truyền thông,
các kỹ thuật điều chế, truyền, phát và xử lý tín hiệu.
Lớp liên kết số liệu: đảm bảo khả năng truy cập và chia sẻ kênh truyền cho
các nút cảm biến, giảm thiểu đụng độ dữ liệu và kiểm soát lỗi.
5