ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀI NAM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 20
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN HOÀI NAM
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội - 2015
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN HOÀI NAM
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO
VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI
NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT
Hà Nội - 2015
Trang 33
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng
cá nhân, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều 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 về những lời cam đoan của mình./
Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2015
HỌC VIÊN
Nguyễn Hoài Nam
Trang 4MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.4.1
1.4.2
CHƯƠNG 2 MẠNG WSN
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG WSN GIÁM SÁT CÁC THAM SỐ SỨC KHOẺ CON
NGƯỜI
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT CÁC THAM
SỐ SỨC KHOẺ BẰNG NS-2
Trang 55
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1.
2.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Trang 6DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACK Acknowledgement
ADC Analog Digital Converter
Adhoc Mạng tự hợp di động
APS Application Provided Sublayer
BPSK Binary Phase Shift Keying
CAP Contention Access Period
CFP Contention Free Period
CSMA/CA Carier Sense Multiple Access / Collision Avoidance
CSMA/CD Carier Sense Multiple Access / Collision Detection
CTS Clear To Send
DAPB Data Acquisition and Processing Board
DCF Distributed Coordination Function
ECG Electrocardiogram
EEG Electroencephalogram
EMG Electromyogram
FFD Full-Function Device
GTS Guaranteed Time Slot
LAN Local Area Network
LOBIN LOcalización y Biomonitorización de pacientes a través de
redes INalámbricas en entornos hospitalarios MAC Media Access Control
MANET Mobile Adhoc Network
MLME MAC Sublayer Management Entity
MTU Maximum Transfer Unit
NAM Network Animator
NS-2 Network Simulator version 2
O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying
PAN Personal Area Network
Trang 77
Pbeacons Period Beacon
PCF Point Coordination Function
PD-SAP PHY Data Service Access Point
PLME Physical Layer Management Entity
PSDU PHY Service Data Unit
Ptx_log Period of time LWTBs
LWTBs Location Wireless Transmission Boards
RFD Reduced Function Device
RTS Request To Send
SAP Service Access Point
SpO2 Blood Oxygen Saturation
SSCS Service Specific Convergence Sublayer
Tlisten Time LWTBs spend listening to each channel available for
location UDP User Datagram Protocol
WDAD Wearable Data Acquisition Device
WLAN Wireless Local Area Network
WMAN Wireless Metropolitan Area Network
WPAN Wireless Personal Area Network
WSN Wireless Sensor Network
WTB Wireless Transmission Board
WWAN Wireless Wide Area Network
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hidden Terminal 16
Hình 1.2 Exposed Terminal 17
Hình 1.3 DCF sử dụng giao thức CSMA/CA 17
Hình 1.4 DCF + RTS/CTS sử dụng giao thức CSMA/CA 18
Hình 1.5 Mô hình 802.15.4 và Zigbee 19
Hình 1.6 Cấu trúc liên kết mạng 20
Hình 1.7 Cấu trúc mạng hình sao 20
Hình 1.8 Cấu trúc mạng mắt lưới 21
Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình cây 22
Hình 1.10 Mô hình tham khảo lớp PHY 23
Hình 1.11 Cấu trúc khung dữ liệu lớp PHY 24
Hình 1.12 Mô hình tham khảo lớp MAC 24
Hình 1.13 Cấu trúc khung beacon 25
Hình 1.14 Cấu trúc siêu khung 26
Hình 1.15 Định dạng khung tin MAC 27
Hình 1.16 Khung tin mã hoá MAC 30
Hình 1.17 Khung tin mã hoá lớp Mạng 30
Hình 2.1 Kiến trúc của một nút cảm biến 33
Hình 2.2 Cấu trúc Mạng cảm biến không dây 36
Hình 2.3 Các kiểu Sink trong mô hình Single Hop 37
Hình 2.4 Kiến trúc phân tầng của WSN 38
Hình 2.5 Cấu trúc phẳng của WSN 40
Hình 2.6 Cấu trúc tầng của WSN 40
Hình 2.7 Cấu trúc phân cấp chức năng theo lớp 41
Hình 2.8 Giao thức SPIN 42
Hình 2.9 Mô hình giao thức LEACH 43
Hình 2.10 Time-line hoạt động của giao thức LEACH 43
Hình 2.11 Giải thuật hình thành Cluster trong LEACH 45
Hình 2.12 Sự hình thành cụm tại hai vòng khác nhau 46
Hình 2.13 Mô hình LEACH sau khi ổn định trạng thái 46
Hình 2.14 Hoạt động của pha ổn định trong LEACH 47
Hình 2.15 Time-line hoạt động của LEACH trong vòng 47
Hình 2.16 Sự ảnh hưởng của kênh phát sóng 47
Hình 3.1 Kiến trúc tổng quan của hệ thống giám sát sức khoẻ 50
Hình 3.2 Kiến trúc tổng quan của hệ thống WSN giám sát sức khoẻ 51
Hình 3.3 Sơ đồ khối chi tiết của WSN giám sát sức khoẻ 55
Trang 99
Hình 3.4 Sơ đồ khối các thành phần của nút cảm biến 56
Hình 3.5 Cảm biến pulse oxymeter 58
Hình 3.6 EKG 59
Hình 3.7 Motion capture và EMG 59
Hình 3.8 Pluto 61
Hình 3.9 Hệ thống WSN giám sát sức khoẻ của LOBIN 61
Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống giám sát sức khoẻ 62
Hình 3.11 Hệ thống các sensor giám sát sức khoẻ 62
Hình 3.12 Bộ thu thập dữ liệu (a) WADA, mạch giám sát sức khoẻ và truyền tải không dây (b) WTB 63
Hình 3.13 Mô hình kiến trúc hệ thống con định vị 64
Hình 3.14 Mô hình kiến trúc hệ thống con WCI 64
Hình 3.15 Kiến trúc hệ thống con quản lý Client-Server 65
Hình 3.16 Kiểm tra mạng DP 67
Hình 3.17 Kết quả kiểm tra topo mạng DP 67
Hình 3.18 Kiểm network gateway 68
Hình 3.19 Mô hình kiểm tra hệ thống 69
Hình 3.20 Kết quả ECG thời gian thực 69
Hình 4.1 Mô hình kiến trúc NS-2 71
Hình 4.2 Kiến trúc tổng quan NS-2dưới góc độ người dùng 72
Hình 4.3 Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS-2 73
Hình 4.4 Cửa sổ minh hoạ Gnuplot 74
Hình 4.5 Topo WSN giám sát sức khoẻ 75
Hình 4.6 Kết quả chương trình thể hiện các tham số 77
Hình 4.7 Hình ảnh tệp vết 78
Hình 4.8 Đồ thị thể hiện các tham số SK được giám sát theo kịch bản 1 78
Hình 4.9 Đồ thị thể hiện các tham số SK được giám sát theo kịch bản 2 78
Hình 4.10 Hình ảnh tệp vết với các cảnh báo 79
Hình 4.11 Đồ thị thể hiện tham số Body temp được giám sát 79
Hình 4.12 Đồ thị thể hiện tham số BP được giám sát 80
Hình 4.13 Đồ thị thể hiện tham số HR được giám sát 80
Trang 10DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu 23
Bảng 1.2 Kênh truyền và tần số 23
Bảng 1.3 Một số chuẩn được áp dụng trong thực tế 31
Bảng 3.1 Các tham số sức khoẻ được theo dõi 56
Bảng 3.3 Bảng các thông số được giám sát của LOBIN 63
Bảng 3.4 Các dạng kiểm tra hệ thống định vị 66
Bảng 4.1 Các tham số sức khoẻ của người bình thường 74
Bảng 4.2 Các tham số thiết lập cho WSN giám sát sức khoẻ 76
Bảng 4.3 Các tham số của kịch bản 1 76
Bảng 4.4 Các tham số của kịch bản 2 76
Bảng 4.5 Các tham số của kịch bản 3 77
Bảng 4.6 Các tham số của kịch bản 4 77
Bảng 4.7 Các tham số của kịch bản 5 77
Trang 1182
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1 PGS.TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Mạng và Truyền số liệu nâng cao
2 PGS TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Đánh giá hiệu năng mạng
3 Ngô Quang Anh Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZIGBEE/IEEE 802.15.4, 2005
Tiếng Anh
4 www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf
5 Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless
Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES)
6 S Lindsey and C Raghavendra (2002), PEGASIS: Power-Efficient Gathering in
Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conf Proc
7 Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless
Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES)
8 Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), WIRELESS SENSOR NETWORKS: Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons
9 Anna Hác (2003), Wireless Sensor Network Designs, Jonh Wiley and Sons
10 Edgar H Callaway (2004), Wireless Sensor Network: Architectures and Protocol, CRC Press
11 Miloš Jevtić, Nikola Zogović, Goran Dimić (2009), Evaluation of Wireless Sensor Network Simulators, 17th Telecommunication forum TELFOR
12 www.isi.edu/nsnam/ns
13 IEEE Standart for Infomation Technology-Part 15.4: Wireless Medium Access
Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)
14 Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), USA Fundamentals of Wireless
Sensor Networks, John Wiley & Sons
15 Holger Karl and Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless
Sensor Networks, John Wiley & Sons
16 P.S.Pandian Journal of Networks, Vol.3, No.5, May 2008: Wireless Sensor Network
for Wearable Physiological Monitoring
17 Víctor Custodio *, Francisco J Herrera, Gregorio López and José Ignacio Moreno: A
Review on Architectures and Communications Technologies for Wearable Health-Monitoring Systems-Sensors 2012
18 Sheng Hu, Hongxing Wei, Youdong Chen, and Jindong Tan:A Real-Time Cardiac
Arrhythmia Classification System with Wearable Sensor Networks
19 www.omnetpp.org
20 Victor Shnayder, Bor-rong Chen, Konrad Lorincz, Thaddeus R F Fulford-Jones, and
Matt Welsh Division of Engineering and Applied Sciences Harvard University
Sensor Networks for Medical Care
21 http://www.mannasim.dcc.ufmg.br