bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o
trêng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi
------------

-------------
Ph¹m v¨n v¬ng
Nghiªn cøu m¹ng m biÕn kh«ng d©y
vµ thiÕt kÕ nót m¹ng
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
ngµnh : ®iÖn tö – viÔn th«ng
ngêi híng dÉn:
ts. Ph¹m ngäc nam
Hµ néi - 2012
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây thiết
kế nút mạng công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của bất kỳ ai.
Nội dung của luận n được trình bày từ những kiến thức tổng hợp của nhân,
tổng hợp từ các nguồn tài liệu xuất xứ ràng trích dẫn hợp pháp. Kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận văn y chưa từng được công bố tại bất kỳ
công trình nào khác.
Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2012
Tác giả
Phạm Văn Vương
Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể n bộ giảng viên Khoa
Sau đại học Trường Đại học Bách khoa Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho
chúng tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà giáo, các nhà khoa học đã tận tình giảng
dạy, giúp đỡ, hướng dẫn chúng tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Phạm Ngọc Nam đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
đã rất nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện đề tài, nhưng do điều
kiện nghiên cứu khả năng còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi
những thiếu sót. Tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy
giáo cùng các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 03 năm 2012
Tác giả
Phạm Văn Vương
Mục lục
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Danh mục các ký hiệu viết tắt
Danh mục hình vẽ
Danh mục bảng biểu
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1 .............................................................................................................................. 2
TỔNG QUAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............ 2
1.1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 2
1.1.1. Công nghệ Sensor Network ................................................................................ 2
1.1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến ........................................................................... 5
1.2. Tổng quan về kỹ thuật WSNs ...................................................................................... 5
1.2.1. Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến .............................................. 6
1.2.2. Quá trình phát triển mạng cảm biến ................................................................ 11
1.2.3. Các thách thức và trở ngại ............................................................................... 12
1.3. Các ứng dụng của mạng WSNs ................................................................................. 12
1.4. Kết luận ........................................................................................................................ 15
Chương 2 ............................................................................................................................ 16
KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ TRUYỀN DẪN KHÔNG DÂY ...................................... 16
2.1. Khái quát về node cảm biến ...................................................................................... 16
2.2. Phần cứng và phần mềm ............................................................................................ 17
2.3. Phân loại cảm biến ...................................................................................................... 18
2.4. Môi trường hoạt động của sensor node (WNs) ........................................................ 20
2.5. Xu hướng phát triển của Node cảm biến .................................................................. 20
2.6. Quá trình truyền sóng ................................................................................................ 21
2.7. Điều chế tín hiệu .......................................................................................................... 23
2.8. Các công nghệ không dây ........................................................................................... 23
2.8.1. Bluetooth ........................................................................................................... 25
2.8.2. WLAN ................................................................................................................ 25
2.8.3. ZigBee ............................................................................................................... 26
2.9. Kết luận ........................................................................................................................ 28
Chương 3 ............................................................................................................................ 29
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP VÀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY .......................................................................................................... 29
3.1. Mô hình giao thức cho WSNs ................................................................................... 29
3.2. Giao thức MAC ........................................................................................................... 30
3.2.1. Các thông số ...................................................................................................... 31
3.2.2. Các giao thức chung ......................................................................................... 34
3.3. Các giao thức MAC cho mạng WSNs ....................................................................... 41
3.3.1. Schedule- Based Protocols .............................................................................. 42
3.3.2. Random Accesss- Based Protocols ................................................................... 47
3.4. Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC .................................................................. 49
3.4.1. Tổng quát .......................................................................................................... 49
3.4.2. Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) ......................................... 50
3.4.3. Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc ............................................................. 50
3.4.4. Đồng bộ khung thời gian .................................................................................. 52
3.4.5. Lắng nghe và thích ứng .................................................................................... 52
3.4.6. Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu............................................................ 53
3.4.7. Chuyển thông điệp ............................................................................................ 54
3.5. Giao thức định tuyến trong WSNs ............................................................................ 54
3.5.1. Các kỹ thuật định tuyến .................................................................................... 56
3.5.2. Flooding và các biến thể ................................................................................... 57
3.5.3. Giao thức định tuyến thông tin qua sự thoả thuận ......................................... 58
3.5.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp (LEACH) ..................... 60
3.5.5. Tập trung hiệu quả công suất trong thông tin cảm biến ............................... 62
3.5.6. Truyền tin trực tiếp ........................................................................................... 63
3.5.7. Định tuyến theo vị trí ........................................................................................ 64
3.6. Kết luận ........................................................................................................................ 66
Chương 4 ............................................................................................................................ 67
THIẾT KẾ NÚT MẠNG ................................................................................................... 67
4.1. Yêu cầu của nút mạng ............................................................................................... 67
4.2. Phân tích yêu cầu ........................................................................................................ 69
4.2.1. Các nút cảm nhận và truyền dữ liệu ................................................................ 69
4.2.2. Nút mạng di động (nhận và hiện thị) ............................................................... 70
4.3. Thiết kế ........................................................................................................................ 79
4.3.1. Trường hợp truyền đơn bước (Single hop) ...................................................... 79
4.3.2. Trường hợp truyền đa bước (Multi hop) ......................................................... 84
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 91
CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Nghĩa tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt
ACK
Acknownledge
Gói xác nhận đúng
AES
Advanced Encryption
Standard
Tiêu chuẩn mã hoá tiên tiến
API
Application Programming
Interface
Giao diện lập trình ứng dụng
APS
Application Support Sublayer
Lớp phụ cung cấp ứng dụng
ATM
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 truyền thống
CDMA
Code Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo mã
CFP
Contention Free Period
Thời gian tranh chấp tự do
CID
Cluster Identity
Mã xác nhận Cluster
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
Đa truy cập cảm biến sóng mang
CSMA/CA
Carrier Sense Multiple Access
with Collision Avoidance
Đa truy cập cảm biến sóng mang
tránh đụng độ
CSMA/CD
Carrier Sense Multiple Access
with Collision Detection
Đa truy cập cảm biến sóng mang
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
Trãi phổ chuỗi trực tiếp
Spectrum
DTE
Data Terminal Equipment
thiết bị đầu cuối
DTMC
Discrete-Time Markov Chain
Chuỗi Markov thời gian rời rạc
E2E
End-to-End
Đầu cuối tới đầu cuối
FDMA
Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần số
FFD
Full-Function Device
Thiết bị chức năng đầy đủ
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 Resource-
Intensive Sensor Networks
Services
Dịch vụ mạng cảm biến tài nguyên
lớn mức liên mạng
ITU
International
Telecommunication Union
Liên minh viễn thông quốc tế
LAN
Local Area Network
Mạng nội bộ
LEACH
Low-Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Cấu trúc phân bậc tương thích ng
lượng thấp
LQI
Link Quality Indicator
Bộ chỉ thị chất lượng liên kết
LR-
WPANs
Low Rate Wireless Personal
Area Networks
Mạng WPAN tốc độ thấp
MAC
Medium access control
Điều khiển truy cập môi trường
MANETs
Mobile ad hoc Network
Mạng ad hoc di động
MIB
Management Information
Base
Cơ sở thông tin quản lý
MiLAN
Middleware Linking
Application and Network
Phần mềm liên kết ứng dụng
mạng
NAV
Network Allocation Vector
Vector phân phối mạng
NB
Number of Back-off
Số lần back-off
NM
Network Management
Quản lý mạng
NMS
Network Management System
Hệ thống quản lý mạng
OS
Operating System
Hệ điều hành
PAN
Personal Area Network
Mạng cá nhân
PEGASIS
Power-efficient Gathering in
Sensor Information System
Tập trung hiệu suất trong mạng cảm
biến
PHY
Physic Layer
Lớp vật lý
PSDU
PHY Service Data Unit
Đơn vị dữ liệu lớp vật lý
RED
Receiver Energy Detection
Phát hiện năng lượng máy thu
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RFD
Reduced-Function Device
Thiết bị chức năng hạn chế
RFICs
Radio Frequency Intergrated
Circuits
Mạch tích hợp tần số vô tuyến
RFID
Radio Frequency Identify
Device
Thiết bị nhận dạng bằng sóng
tuyến
RTS
Ready to send
Sẵn sàng gởi
RVF
Routing Vector Field
Trường vector định tuyến
SAP
Service access point
Điểm truy cập dịch vụ
S-MAC
sensor MAC
Giao thức MAC cho cảm biến
SMACS
Self-Organizing Medium
Access Control for Sensornets
Điều khiển truy cập tự sắp xếp
SNMP
Simple Network Management
Protocol
cho mạng cảm biến Giao thức quản
lý mạng đơn giản
SPIN
Sensor Protocols for
Information via Negotiation
Giao thức thông tin cảm biến thông
Qua sự thoả thuận
STEM
Sparse Topology and Energy
Quản năng ợng cấu truc hình
Management
rải rác
TDD
Time Division Duplex
Song công phân chia thời gian
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo thời gian
TOM
Telecom Operation Map
Lược đồ các hoath động viễn thông
TS
Timeslot
Khe thời gian
UDP User Datagram Protocol
Giao thức cho dịch vụ truyền
datagram
WAN
Wide Area Networks
Mạng diện rộng
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng không dây cá nhân
WSNs
Wireless Sensor Networks
Mạng cảm biến không dây
ZDO
ZigBee Device Object
Đối tượng thiết bị ZigBee
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến thông thường ....................................................... 7
Hình 1.2: Các thành phần trong một Node ................................................................. 8
Hình 1.3: Giao thức chung cho mạng cảm biến .......................................................... 9
Hình 2.1: Mô hình truyền sóng ................................................................................. 21
Hình 2.2: Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến .................. 24
Hình 2.3: Mô hình giao thức ZigBee ....................................................................... 27
Hình 3.1: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu .......................... 30
Hình 3.2: Giao thức MAC dựa trên TDMA ứng dụng trong WSNs ........................ 42
Hình 3.3: Khung thời gian hoạt động của node ........................................................ 50
Hình 3.4: Phân chia cluster ....................................................................................... 61
Hình 3.5: Hai trạng thái pha LEACH ....................................................................... 61
Hình 4.1: Mô hình các node mạng trong một hệ thống ............................................ 67
Hình 4.2: Mô hình mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 ............................. 68
Hình 4.3: Mô hình hệ thống ...................................................................................... 68
Hình 4.4: Mô hình thu phát dữ liệu. ......................................................................... 69
Hình 4.5: Mô hình nút cảm nhận và truyền dữ liệu .................................................. 70
Hình 4.6: Mô hình node mạng di động ..................................................................... 71
Hình 4.7: Các cổng vào ra chung .............................................................................. 76
Hình 4.8: Các thanh ghi của bộ định thời ................................................................. 77
Hình 4.9: Thuật toán cho node truyền trường hợp Single hop ................................. 80
Hình 4.10: Thuật toán cho node gốc trường hợp truyền Single hop ........................ 83
Hình 4.11: Thuật toán node 1 trong trường hợp truyền đa bước .............................. 85
Hình 4.12: Thuật toán node 2 trong trường hợp truyền đa bước .............................. 86
Hình 4.13: Thuật toán cho node gốc trong trường hợp truyền nối tiếp .................... 88
Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1: So sánh node cảm biến qua các giai đoạn phát triển ................................ 11
Bảng 2.1: Phân loại các node theo đặc điểm............................................................. 18
Bảng 2.2: Dẫn ra một số suy hao đường truyền do vật liệu nhà theo tần số............. 22
Bảng 2.3: So sánh các giao thức ............................................................................... 24
Bảng 2.4: So sánh đặc tính 2 chuẩn IEEE 802.11b/g và IEEE 802.11a ................... 26
1
MĐẦU
Sự phát triển của Internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với
những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo điều kiện cho các hệ cảm biến mới giá
thành thấp, khả năng triển khai quy lớn với độ chính xác cao. Công nghệ điều
khiển cảm biến gồm các cảm biến dây, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số
tuyến, cảm biến quang điện hồng ngoại, laser radar cảm biến định vị dẫn
đường.
Các tiến bộ trong lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kính
thước, trọng lượng chi phí cảm biến đồng thời tăng khả năng hoạt động độ
chính xác. Trong tương lai gần, mạng cảm biến không dây sẽ thể tích hợp hàng
triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiệt chất lượng và thời gian sống.
Công nghệ điều khiển cảm biển tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa
học nghiên cứu, quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng
dụng liên quan để bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi
trường, năng lượng, an toàn thực phẩm sản xuất, nâng cao chất ợng cuộc sống
kinh tế…Với mục tiêu giảm giá thành tăng hiệu quả trong công nghiệp
thương mại, mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi các ứng dụng
thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người.
Trong nội dung luận văn này, tôi đã trình bày về các kỹ thuật xây dựng mạng
cảm biến không dây, các giao thức để thiết kế từ đơn giản đến phức tạp. Bên cạnh
đó các ứng dụng phổ biến nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Một cái
nhìn tổng quát về công nghệ mạng cảm biến không dây. tiến hành thiết kế node
mạng trong hệ thống mạng cảm biến về nhiệt độ để đưa ra cảnh báo. Hệ thống
mạng này ứng dụng rất lớn trong thực tế, chi phí thấp khả năng phát triển
rất rộng rãi trong tương lai.
2
Chương 1
TỔNG QUAN VÀ CÁC ỨNG DỤNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1.1. Giới thiệu [2], [5], [8]
Mạng cảm biến (sensor network) một cấu trúc, sự kết hợp các khả năng
cảm biến, xử thông tin các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân
tích phản ứng lại với các sự kiện hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể
nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Các ứng dụng bản của mạng cảm biến chyếu thu thập dữ liệu, quan sát
theo dõi, c ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ng dụng của mạng cảm biến tùy
theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn.
Có bốn thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:
Các mạng cảm biến được phân bổ theo mô hình tập trung hay phân bổ rải.
Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vô tuyến)
Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)
Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
1.1.1. Công nghệ Sensor Network
Trong mạng sensor network, cảm biến được xem như phần quan trọng
nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến điều khiển bao gồm các
cảm biến trường điện từ; cảm biến tần số tuyến; quang, hồng ngoại; radars;
lasers; các cảm biến định vị, dẫn đường; đo đạc các thông số môi trường; các
cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa…Ngày nay, cảm biến được sử
dụng với số lượng lớn.
Mạng WSNs đặc điểm riêng, công suất bgiới hạn, thời gian cung cấp
năng lượng của nguồn (chủ yếu pin) thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn,
quan hệ đa điểm- điểm, số lượng lớn các node cảm biến…
Cảm biến chgồm một hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano
(1-100nm), meso (100-10000nm), micro (10-1000um), macro (vài mm-m)…
3
Do đặc tính của mạng WSNs di động trước đây chủ yếu phục vụ cho
các ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs
mở rộng cho các ng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo nên tính
thương mại cao cho WSNs.
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp vối các node xử
giá thành thấp có khả năng tự phân bổ sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng,
giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs khả năng cung cấp năng
lượng cho các node bgiới hạn. Các hình không dây, mạng tiêu thụ năng
lượng thấp được ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng
quát dựa trên 3 tiêu chí:
Chu kỳ hoạt động ngắn
Xử lý dữ liệu nội tại tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền
hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó giảm suy
hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền.
WSNs được phân ra làm hai loại, theo hình kết nối định tuyền các
nodes sử dụng:
ñ Loại 1 (C1WSNs):
Sử dụng giao thức định tuyến động
Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích.
Vai trò của các node sensor này với các node kế tiếp như các trạm lặp
(repeater)
Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét)
Kh năng xử lý dữ liệu ở các node chuyền tiếp
Mạng phức tạp.
ñ Loại 2 (C2WSNs):
Mô hình đa điểm- điểm hay điểm điểm, một kết nối với radio đến node
trung tâm
Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh
Một node không cung cấp thông tin cho các node khác.