Nghiên cứu mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN)

Định nghĩa mạng cảm biến không dây WSN Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang đượcphát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: Theo dõi sự th

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG BIỂU ii

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ KHÔNG DÂY (WBSN) 2

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG 9

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 SPO2–Máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu 6

Hình 2.1 Kiến trúc nút cảm biến 9

Hình 2.2 Kiến trúc mạng WBSN 13

Hình 2.3 Mạng hình sao 14

Hình 2.4 Mạng sơ đồ lưới 15

Hình 2.5 Mạng hình cây 16

Hình 2.6 CSMA/CD có thể ở một trong 3 trạng thái: Tranh chấp, truyền, rảnh 17

Hình 2.7 Thời gian cần để truyền một khung 18

Hình 2.8 Ví dụ sơ đồ cây 20

Hình 2.9 Ví dụ truyền thông trong mạng 20

Hình 2.10 Kết quả phát hiện đỉnh 25

Hình 2.11 Minh họa khoảng thời gian bảo vệ 27

Hình 2.12 Các mô hình mạng Zigbee 32

Hình 4.1 Enter Name 39

Hình 4.2 Object Palette Tree 40

Hình 4.3 Cửa sổ Attributes 41

Hình 4.4 Sơ đồ kiến trúc: a) Hình sao b) Hình cây c) Mắt lưới 42

Hình 4.5 Phân tích hiệu suất của kiến trúc hình sao, cây và mắt lưới dựa trên a) độ trễ từ đầu cuối tới đầu cuối b) Thông lượng c) tải Mac d) Lưu lượng nhận 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Điều kiện ổn định của chu kỳ con điều khiển cho mạng ví dụ ở hình 2.8 21Bảng 2.2 Thông tin chu kỳ con điều khiển của các nút khác nhau 22Bảng 2.3 Bảng con 23

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Sensor Networks

Mạng cảm biến cơ thể không dây độc lập

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Đa truy nhập cảm nhận sóng mang phát hiện đụng độ

gian

sóng vô tuyến

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nhờ có sự tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ làm cho hệthống mạng ngày càng phát triển vượt bậc Nổi bật là sự xuất hiện của các mạng cảmbiến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng Hiện nay, việc ứng dụng cácmạng cảm biến vào đời sống đang được quan tâm nhiều hơn Cụ thể là được ứng dụngtrong các lĩnh vực như: Quân sự, y tế, giao thông, nông nghiệp Sự phát triển này giúpcho cuộc sống ngày càng tiện nghi hơn, tiết kiệm thời gian, công sức hơn đồng thờicũng đặt ra nhiều thách thức trong quá trình triển khai

Đặc biệt, trong nhiều lĩnh vực, sức khỏe luôn là vấn đề quan trọng nhất đối với mỗicon người Do cuộc sống cũng như công việc bận rộn nên con người mong muốn cómột thiết bị nào đó giúp theo dõi và cập nhật về sức khỏe thường xuyên Vì vậy, mộtmạng cảm biến cơ thể không dây là vô cùng cần thiết Một thiết bị y tế có thể theo dõi

và chăm sóc sức khỏe liên tục, vừa nhỏ gọn và phù hợp khi mang trên cơ thể

Với lý do trên, em xin chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến cơ thể không dây(WBSN)” Đồ án này gồm 4 chương:

Em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Trần Tuấn đã giúp đỡ em hoàn thành

đồ án tốt nghiệp này Do thời gian tìm hiểu có hạn nên đồ án không tránh khỏi thiếusót về cả nội dung và hình thức Em rất mong nhận được sự đóng góp từ phía thầy, cô

và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 12 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Đào Thị Thúy

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠNG CẢM BIẾN CƠ THỂ

KHÔNG DÂY (WBSN)

1.1 Giới thiệu về WBSN

1.1.1 Định nghĩa mạng cảm biến không dây (WSN)

Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang đượcphát triển và triển khai cho nhiều ứng dụng khác nhau như: Theo dõi sự thay đổi củamôi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn côngbằng hạt nhân, chẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, giám sát bệnh nhân cũngnhư quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông…

Trước tiên, để hiểu rõ mạng cảm biến không dây là gì, ta cần hiểu rõ về mạng cảmbiến Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảmbiến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích vàphản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó Môitrường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học

Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhaubằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏgọn, giá thành thấp…và có số lượng lớn Chúng được phân bố một cách không có hệthống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có thể hoạt độngtrong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…)

Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần:

- Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát khôngdây, nguồn nuôi Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to đến nhỏ, tùythuộc vào từng ứng dụng

- Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quantrọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới hạn

về thời gian sống của chúng Các nút cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp.Các nút cảm biến hoạt động có giới hạn và không thể thay đổi được nguồn cung cấp

Do đó, khi các mạng truyền thông tập trung vào đạt được chất lượng dịch vụ thì cácmạng cảm biến cần tập trung vào bảo toàn công suất

1.1.2 Giới thiệu về WBSN

Mạng cảm biến không dây áp dụng cho cơ thể con người thường được gọi là mạngcảm biến cơ thể không dây Mạng cảm biến cơ thể không dây (WBSN) định nghĩa một

hệ thống độc lập được sử dụng để giám sát các hoạt động trong cuộc sống hằng ngàycủa mỗi người WBSN được chú ý nhờ các ứng dụng thực tế của nó nhằm cải thiệnchất lượng cuộc sống của con người với chi phí thấp Nó bao gồm các nút cảm biếnthông minh mà không gây ảnh hưởng tới các hoạt động hàng ngày và rất hữu ích trongviệc phát hiện sớm các bệnh mãn tính như tim mạch, hen suyễn, tiểu đường…, hỗ trợngười già tại nhà, phục hồi chức năng sau phẫu thuật (như đầu gối hay khuỷu tay), đểcảnh báo bệnh nhân trong các trường hợp khẩn cấp và trợ giúp y tế trong nhiều sự kiệnthảm họa như các cuộc tấn công khủng bố, cháy rừng, động đất…

Các mạng này cung cấp dịch vụ đầy hứa hẹn trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng,nghiên cứu, các ngành công nghiệp, kinh doanh…Các nút cảm biến trong WBSN tiêuthụ ít điện năng hơn và phục vụ các ứng dụng trong huấn luyện thể thao, vui chơi giảitrí, các lực lượng đặc biệt (cứu hỏa, bộ khuyếch tán bom, quân sự, giám sát phi hànhgia…) và người tiêu dùng các thiết bị điện tử Với sự giúp đỡ của các mạng cảm biến

cơ thể không dây chúng ta có thể giám sát các hoạt động, các chuyển động và các tínhiệu quan trọng của cơ thể con người ở một địa điểm từ xa của các phương tiện mạng

Vì vậy, nó giúp tiết kiệm tiền bạc Nhu cầu của các thiết bị này đang tăng lên từngngày và một số khía cạnh như đảm bảo lỗi, độ tin cậy, chất lượng dịch vụ (QoS) vàbảo mật cần phải được ứng nghiệm Do thay đổi cấu trúc liên kết, nguồn lực có hạnnhư bộ nhớ, pin và băng thông khác nhau Các mạng cảm biến cơ thể không dây đãkhông thể thực hiện đầy đủ các yêu cầu nêu trên

Với sự phát triển của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, giao tiếpkhông dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tínhiệu… đã tạo ra các cảm biến có kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao

và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WBSN hoạt động hiệu quả vàkinh tế Để mạng có thể tồn tại lâu dài thì yếu tố hiệu quả và kinh tế luôn đứng hàngđầu

sĩ, y tá hoặc trung tâm y tế nào đó Các dữ liệu được thu thập và gửi cho bên thứ ba,nơi nó được phân tích để chẩn đoán bệnh tật Bây giờ các bên thứ ba sẽ quyết định dựatrên các dữ liệu thu được, rằng những gì sẽ được thực hiện tiếp theo hoặc những đơn

thuốc đã được đưa tới cho các bệnh nhân Mạng này được kết nối với các mạng khácthông qua WIFI hoặc GSM Ưu điểm của việc quản lý WBSN trong thực tế rằng tất cảcác dấu hiệu quan trọng có thể được phân tích và chẩn đoán tức thời Nhưng có thể cóvấn đề khi người thứ ba quá bận rộn, không thể trả lời trong khi mạng cảm biến đang

cố gắng gửi thông tin hoặc có một số vấn đề với các thông tin liên lạc tầm xa Trongtrường hợp như vậy tình hình của bệnh nhân có thể đi đến tồi tệ hơn

- Mạng cảm biến cơ thể không dây độc lập (AWBSN): Mục đích của mạng cảmbiến cơ thể không dây độc lập giống như mạng quản lý cảm biến cơ thể không dâynhưng cách thức tiến hành khác nhau Trong một AWBSN có thiết bị truyền độngcùng với các nút cảm biến có thể gây tác động lên cơ thể con người theo các dữ liệuthu thập được từ các nút cảm biến hoặc bởi sự tương tác trực tiếp với cơ thể con người

mà không cần phải chờ đợi cho bất kỳ quyết định nào của bên thứ ba AWBSN hoạtđộng tốt nhất trong trường hợp điều kiện khẩn cấp nơi quyết định được thực hiện trongthời gian thực mà không tăng độ trễ và hành động thích hợp sau đó được thực hiện bởicác phần cứng thiết bị truyền động Ở đây có các bộ điều chỉnh cơ thể (BCU) khôngyêu cầu phải được kết nối với mạng bên ngoài Điều này dẫn đến việc truyền dẫn thấp,lãng phí pin thấp Nhưng vấn đề có thể xảy ra trong trường hợp BCU không được lậptrình để phát hiện một bệnh đặc biệt

- Mạng cảm biến cơ thể không dây thông minh (IWBSN): Mạng này là sự kết hợpcủa cả hai loại mạng trên Nếu tình huống đơn giản, quyết định được đưa riêng vàocho nó bởi các nút truyền động, nhưng nếu phức tạp, sau đó các thông tin được gửi tớingười thứ ba Nếu người thứ ba đang bận, IWBSN đợi trong một khoảng thời gian cụthể sau đó sẽ đưa ra quyết định riêng của mình nếu không có sự trả lời của bác sĩ

1.3 Đặc tính của các node cảm biến

Các nút cảm biến của mạng cảm biến cơ thể không dây có một số tính năng làm chochúng phù hợp để sử dụng trong nhiều ứng dụng hiện nay

- Hiệu quả năng lượng: Đa số các nút cảm biến hoạt động bằng pin, rất khó để thayđổi hay nạp điện lại cho pin của những nút này Vì vậy, các nút được thiết kế nhằmmục đích tiêu thụ năng lượng thấp hơn Sơ đồ quản lý điện năng được sử dụng để xử

lý tối ưu các nguồn tài nguyên năng lượng để các nút vẫn còn hoạt động cho thời giandài hơn và tuổi thọ của mạng tăng lên

- Phức hợp: Cảm biến được sử dụng trong WBSNs là không đồng nhất trong tựnhiên, mỗi một thành phần có chức năng riêng của nó, một số nút cảm nhận nhiệt độ,những nút khác cảm nhận được huyết áp Mỗi một nút cảm biến có khả năng lưu trữkhác nhau, khả năng tính toán và tiêu thụ năng lượng khác nhau

- Hiệu quả về giá: Kể từ khi các nút sử dụng năng lượng một cách tối ưu và đượctriển khai trên diện tích nhỏ để chúng hoạt động lâu hơn và số ít các nút được yêu cầutrong công việc hình thành mạng lưới và thay thế khi bị hư hỏng Vì vậy, tất cả điềunày dẫn đến chi phí thấp hơn của việc tạo ra một mạng lưới.

- Đơn giản: Trọng lượng nhẹ, các nút có kích thước nhỏ, gọn được sử dụng để cóthể dễ dàng mang từ nơi này sang nơi khác bằng cách đeo chúng hoặc giữ chúng trongmột cái túi

1.4 Ưu điểm của WBSN

Mạng BAN được chứng minh là tốt hơn tất cả các giao thức khác cho đến thời điểmhiện tại đang được ứng dụng trong việc hỗ trợ theo dõi bệnh nhân nói chung Nó cómột số ưu điểm sau đây:

- Không dây: Các phương pháp tiếp cận truyền thống để giám sát sức khỏe sử dụngrất nhiều dây kết nối do đó làm cho toàn bộ hệ thống cồng kềnh, khó coi Mạng cảmbiến cơ thể không dây sử dụng các thiết bị nhỏ gọn kết nối không dây với nhau

- Hiệu quả năng lương và thân thiện với người dùng: Các phương pháp trước đâykhông hiệu quả về mặt năng lượng, tính di động… nhưng cách tiếp cận mới này sửdụng các cảm biến đã dẫn đến các kỹ thuật thân thiện với người sử dụng để theo dõicác chuyển động, nhiệt độ cơ thể và tín hiệu cơ thể con người Chúng ta có thể khaithác được các thông tin trên PDA, máy tính xách tay bất cứ lúc nào chúng ta muốn và

có thể lưu trữ chúng để sử dụng cho sau này

- Hỗ trợ người dùng tính di động: Theo cách truyền thống, người sử dụng thiết bịgiám sát phải ở lại bệnh viện cho đến khi họ được giám sát bởi các dây gắn vào cơ thểcon người mà lần lượt kết nối với màn hình Bệnh nhân không thể di chuyển khỏigiường của mình Nhưng các bệnh nhân sử dụng công nghệ mới làm cho họ có thể tự

do đi lại, ngay cả khi họ đang ở nhà, văn phòng và ở những nơi xa bệnh viện, các bác

sĩ không cần phải biết vị trí của họ và có thể dễ dàng truy cập vào dữ liệu của họ trênmáy tính của mình và chẩn đoán chúng

không cần yêu cầu họ luyện tập trên một máy chạy bộ Huấn luyện viên có thể có mộtcái nhìn sâu hơn về các điểm mạnh và điểm yếu của một vận động viên bằng cách đocác điều kiện cơ thể khác nhau như thay đổi trong nhịp tim, nồng độ oxy…trong mộtcuộc đua và các tình huống thực tế đời sống khác Điều này có thể giúp đỡ trong việccải thiện những thiếu sót của họ và nâng cao kỹ năng của họ.

Hình 1.1 SPO2–Máy đo nhịp tim và nồng độ oxy trong máu

- Quân sự: Trong lĩnh vực quân sự sử dụng WBSN trong phòng thủ rất nhiều Kiểmtra tình trạng sức khỏe của những người lính, kiểm tra mức độ hydrat hóa, theo dõi vịtrí và theo dõi nhiệt độ cơ thể Tất cả các chỉ số có thể được sử dụng để cung cấp, trợgiúp cho người lính khi họ bị thương, để có được một phương án về độ bền, độ chínhxác, sự chú ý phải được tăng cường và cũng có thể được sử dụng để làm giảm sự cốđáng tiếc do sự hiểu lầm trong nhận dạng bằng cách cho họ vị trí và tính chính xác của

họ theo thời gian

- Các dịch vụ khẩn: WBSN có thể được sử dụng trong việc cung cấp các dịch vụkhẩn cấp để bắn máy bay chiến đấu Các chỉ số của những thay đổi trong điều kiện cơthể của lính cứu hỏa như mức độ oxy, mạch…được thực hiện và cùng với nó là mức

độ độc tố trong không khí được giám sát và lính cứu hỏa đã được cảnh báo trongtrường hợp các điều kiện khẩn cấp hoặc yêu cầu rời khỏi vị trí hoặc sử dụng một sốbiện pháp phòng ngừa như cách sử dụng mặt nạ phòng độc

- Phát hiện cảm xúc: Cảm xúc của con người cũng có thể được theo dõi bởi WBSN.Một chất hóa học gọi là serotonin, nó là một hợp chất, có phân bố rộng trong các mô,đặc biệt trong tiểu cầu máu, thành ruột và hệ thần kinh Giảm mức độ serotonin gây ranỗi buồn và tăng mức độ gây ra hạnh phúc hay lo âu Như vậy chúng ta có thể theo dõicác hóa chất này và biết được tâm trạng của con người.

- Giám sát sức khỏe cá nhân: Không ngừng theo dõi các thông số quan trọng củacác bệnh nhân mắc các bệnh mãn tính như bệnh tim, hen suyễn và bệnh tiểu đường cóthể được thực hiện bằng cách sử dụng WBSN Các chỉ số của ECG, EMG có thể đượcthực hiện bởi các bệnh nhân khi họ ở nhà và có thể được kiểm tra bởi bác sĩ

- Phát hiện tư thế: Các tư thế của một người có thể được phát hiện bằng cách sửdụng các nút cảm biến Trò chơi có thể được chơi trên máy tính bằng cách mặc bộ cảmbiến trên cơ thể tạo một cảm giác như thể một người đang chơi thực sự Sự chuyểnđộng của người chơi thay đổi theo mỗi chuyển động của họ Cũng có thể học khiêu vũbởi việc phát hiện cử chỉ và chuyển động cơ thể

- Y khoa: Một số bệnh viện và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WBSN vàotiền chuẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với dịch bệnh và phục hồi chức năng chongười bệnh Điều đặc biệt là bệnh nhân và bác sĩ không nhất thiết phải có mặt ở bệnhviện Nó cho phép theo dõi sức khỏe của bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, các dấuhiệu quan trọng của cơ thể như mức độ đường huyết trong máu, nhịp tim, huyết áp…

có thể được kiểm tra, làm cho việc phân tích và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thờigian điều trị tại bệnh viện WBSN còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời giandài thành cơ sở dữ liệu quan trọng, các biện pháp can thiệp hiệu quả Trong tương laigần các bệnh nhân sẽ được theo dõi phụ thuộc vào vị trí của họ và các loại thuốc cầnthiết đối với mỗi bệnh nhân

Thành công trong lĩnh vực này là sự xuất hiện của EPS, nó là thiết bị đầu tiên trênthế giới có khả năng theo dõi chính xác nhịp tim của người bệnh từ xa với khoảng cáchlên đến 1 mét trong khi họ đang nằm trên giường hay đang nghỉ ngơi tại nhà riêng VớiEPS, đội ngũ y bác sĩ giờ đây có thể trông nom các bệnh nhân của mình từ xa màkhông phải đến tận giường từng người như trước đây Các thiết bị cảm biến dải tầnrộng của EPS nhạy đến nỗi nó có thể "bắt" được cả tín hiệu của cơ, theo dõi sự chuyểnđộng của mắt người, các tín hiệu của não bộ và của dây thần kinh Và EPS sẽ báo hiệucho các nhân viên y tế biết mỗi khi nhịp tim của bệnh nhân có sự thay đổi

- Thiết bị điện tử dân dụng: Các thiết bị như micrô, máy nghe nhạc MP3 và đầu gắnmàn hình có thể tạo thành một phần của BAN và đóng vai trò tương ứng của chúng

1.6 Kết luận

Chương này đã giới thiệu một cái nhìn tổng quát nhất về mạng cảm biến cơ thểkhông dây Cụ thể là khái niệm, các loại cảm biến, các đặc tính cũng như ưu điểm vàứng dụng của mạng cảm biến cơ thể không dây trong thực tế Từ đó ta biết được thếnào là một mạng cảm biến cơ thể không dây, đồng thời hiểu rõ được các ưu điểm màmạng này đem lại Từ những ưu điểm của mình mà mạng cảm biến cơ thể không dâyđược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, thể thao, giám sát sức khỏe…Trongtương lai mạng cảm biến cơ thể không dây sẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãihơn nữa

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH KIẾN TRÚC MẠNG

2.1 Kiến trúc các node cảm biến

Một nút cảm biến thực hiện ba nhiệm vụ chính: Phát hiện tín hiệu, tín hiệu số hóa /

mã hóa / kiểm soát thông tin có liên quan đến đa truy nhập và cuối cùng là truyền dữliệu thông qua một bộ thu phát không dây Kiến trúc của một nút cảm biến được chotrên hình 2.1

Bộ thu phát

- Bộ nguồn: Cung cấp năng lượng cho nút cảm biến hoạt động Một nút cảm biếnkhông dây bao gồm nhiều thiết bị điện tử và các thiết bị đó cần năng lượng Vì vậy,mỗi nút cảm biến cần một nguồn cung cấp năng lượng Ngày nay, các nguồn cung cấpnăng lượng phổ biến là pin nhưng trong một số trường hợp sử dụng các tế bào nănglượng mặt trời hay các hình thức tích trữ năng lượng khác

- Bộ vi điều khiển: Điều khiển các hành vi, hoạt động của nút cảm biến Nó là một

bộ vi xử lý nhỏ, trên đó chạy các chương trình phần mềm của nút cảm biến, được kếtnối với bộ thu phát vô tuyến và các cảm biến Vi điều khiển là một bộ vi xử lý có bộnhớ trong, bộ định thời và các thiết bị phần cứng để kết nối với các thiết bị bên ngoài

 Do hạn chế về giá thành và năng lượng nên các vi điều khiển sử dụng trong cácnút cảm biến đơn giản hơn nhiều so với các bộ vi xử lý sử dụng trong máy tính cánhân Thông thường, một bộ vi điều khiển sử dụng trong các nút cảm biến có vài KB

bộ nhớ của chip và hoạt động ở tốc độ xung nhịp một vài MHz

ngẫu nhiên (RAM) ROM được sử dụng để lưu trữ mã chương trình phần mềm cònRAM được dùng để lưu trữ cho các dữ liệu tạm thời của các chương trình phần mềm

nhiễu Vì vậy, trước hết là các cường độ tín hiệu được tăng lên bằng cách khuếch đạitín hiệu sau đó lọc tín hiệu được thực hiện để loại bỏ nhiễu Bộ chuyển đổi tương tựsang số thực hiện chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu kỹ thuật số mà sau khi sốhóa được lưu trữ trong vi điều khiển

 Tại các vi điều khiển kết thúc gửi dữ liệu này ở dạng các gói tin thông qua bộthu phát với mạng Các vi điều khiển thực hiện điều khiển các bộ phận năng lượng từpin một cách tối ưu nhất Điều này được thực hiện thông qua các phương pháp quản lýnăng lượng bằng cách tắt các thiết bị đang trong trạng thái chờ

- Bộ truyền động: Bộ truyền động đôi khi cần dịch chuyển các nút cảm biến khi cầnthiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu độchính xác cao về vị trí Tất cả các thành phần này cần phù hợp kích cỡ từng module.Ngoài kích cỡ ra, các nút cảm biến còn có ràng buộc nghiêm ngặt khác như phải tiêuthụ ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thíchứng với sự biến đổi của môi trường

Hiện nay, tồn tại một số cảm biến cụ thể như sau:

 Cảm biến ECG: Các hoạt động điện của tim được biểu diễn dưới dạng một đồthị được gọi là điện tâm đồ và được sử dụng để chẩn đoán bệnh tim Các điện cựcđược đặt trên cơ thể con người tại những nơi như ngực, cánh tay.

trương

carbon dioxit và theo dõi nồng độ oxy trong máu trong quá trình hô hấp

quanh và nhiệt độ cơ thể Nếu có một số thay đổi trên giá trị ngưỡng thì xuất hiện tínhiệu báo động

của một người bằng cách châm nó và chuyển nó trên một số dải được tạo thành từ cáchóa chất nhạy cảm với đường Phân tích các mẫu thu thập được thực hiện bởi đường

kế đó cho thấy việc đọc số Nhưng giờ đây, theo dõi nồng độ đường mỗi ngày có thểđược thực hiện bằng cảm biến quang học và công nghệ hồng ngoại

trong não Điều này được thực hiện bằng cách đặt điện cực ở các vị trí khác nhau trên

da đầu của con người Các điện cực cảm nhận được thông tin về các hoạt động điệncủa não và chuyển nó cho một bộ khuếch đại mà sau đó tạo ra các mô hình truy tìm.Nếu hoạt động điện ở một số vùng của não được đồng bộ này có nghĩa là các khu vựcnày có một số loại mối quan hệ chức năng

 Đo độ bão hòa oxy: Cảm biến này đo độ bão hòa oxy Đối với điều này một cáikẹp có một cảm ứng được đặt trên ngón tay, ngón chân, dái tai…của con người và cảmbiến tạo ra một tín hiệu ánh sáng rơi trên da và đi qua nó

2.2 Các mô hình triển khai

- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao: Hoạt động chính của các thiết bị trongmạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lýthấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớtrong nhỏ nên cần tính toán kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mứcthấp xen vào các hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu

và khó đáp ứng tính năng thời gian thực Do đó các nút mạng phải thực hiện nhiềucông việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ

- Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế: Tính năng điều khiển ởcác nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý – lưu trữ - chuyểnmạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thôngthường Điển hình là bộ cảm biến cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ

vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) Ngược lại, các hệ thốngthông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt cácthiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp

- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng: Các thiết bị cảm biến được nối mạng cókhuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợriêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng

có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị, điều quan trọng làphải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng Như vậy, các loạithiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệuquả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép cácứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phứctạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trongkhả năng công nghệ

- Hoạt động tin cậy: Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm virộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thốngnhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến vàcông suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng

ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sựhỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn khôngnhững mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

2.2.2 Kiến trúc mạng WBSN

Hình 2.2 mô tả một vài nút cảm biến được đặt trên cơ thể con người để thực hiệncác chức năng khác nhau Có thể dùng để đo huyết áp, để đo điện tâm đồ, điện nãođồ Những nút này cũng được gọi là đơn vị cảm biến cơ thể (BSU) Những đơn vị

cảm biến cơ thể giao tiếp với nhau và thực hiện truyền thông/thu thập dữ liệu bêntrong WBSN tại pha 1 của mạng WBSN Các dữ liệu được thu thập từ các nút cảmbiến và được thông qua vào một nút được gọi là đơn vị kiểm soát cơ thể Từ đây, dữliệu được gửi đến các thiết bị hoặc các mạng khác, các thiết bị có thể là máy tính xáchtay, điện thoại di động và thực hiện liên kết WBSN với mạng bên ngoài tại pha 2 Từnhững thiết bị các dữ liệu được truyền về tiếp tục đến điểm truy cập bằng cách sử dụngcác tiêu chuẩn không dây hiện có như Bluetooth, ZigBee…Từ đây dữ liệu được thôngqua, vào các cổng được sử dụng để kết nối với một phạm vi rộng của các mạng Cácmạng này có thể là các mạng bệnh viện, mạng điện thoại hoặc một trung tâm y tếchuyên dụng.

nó Các thông tin này cũng có thể được lưu trữ trên iPod hoặc điện thoại di động vàsau đó có thể được chuyển giao cho một máy tính Các bác sĩ trong khi ngồi xa bệnhnhân có thể chẩn đoán bệnh nhân và quản lý bệnh nhân đó để có thể xác định được

những loại thuốc cần thiết Tại pha 3 thực hiện truyền tải dữ liệu thu được từ pha 1 tớimạng ngoài Có thể sử dụng mạng 3G / 4G để chuyển dữ liệu qua mạng.

2.2.3 Mô hình triển khai

Mạng cảm biến cơ thể không sử dụng công nghệ Zigbee, nó hỗ trợ 3 mô hình triểnkhai sau:

Mạng hình sao là một mạng có tất cả các trạm kết nối với một thiết bị trung tâm

có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển đến trạm đích Vai trò của thiết bịtrung tâm là thiết lập các kết nối điểm – điểm

 Khi cáp mạng bị đứt thì thường chỉ làm mất kết nối của một máy, còn nhữngmáy khác vẫn hoạt động bình thường.

 Khi có lỗi xảy ra, ta dễ dàng kiểm tra và sửa chữa

tâm gặp sự cố thì toàn mạng đều ngưng hoạt động

 Mạng yêu cầu nối độc lập riêng rẽ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trungtâm Khoảng cách từ máy đến trung tâm rất hạn chế (100 m)

 Chi phí dây mạng và thiết bị trung gian tốn kém nhiều

Kiến trúc hình sao nhìn thấy như Hình 2.3 có một cấu trúc mạng với quản lý vàtruyền thông tập trung Kiến trúc của nó được dựa trên các nút trung tâm Các ZEDkhông liên lạc trực tiếp với nhau, mà giao tiếp thông qua các ZC ở trung tâm Các ZCgiữ một ID PAN, ID này không được định nghĩa trong bất kỳ mạng ZigBee nào kháctrong môi trường Kiến trúc sao tiêu thụ năng lượng pin nhanh chóng vì nó hướng vềphía trung tâm Ngoài ra, hệ thống ZigBee là cồng kềnh trong khi giải quyết các mạngquy mô lớn Vì lý do này, các kiến trúc sao không phải là thích hợp cho các mạng cảmbiến không dây thông thường

ZR ZR

ZR ZR

ZC

ZED

ZED

ZED ZED

ZED

Hình 2.5 Mạng sơ đồ lưới 2.2.3.3 Mạng hình cây

ZC

ZR

ZR ZR

ZR

ZR

ZED ZED

phục hồi Cấu trúc liên kết không sử dụng nhiều tuyến đường Kiến trúc cây là tốt hơn

so với kiến trúc mạng lưới liên quan đến việc sử dụng bộ nhớ, như một tuyến đườngduy nhất được sử dụng từ nút nguồn đến nút đích và bộ nhớ dư thừa không được lưu

2.3 Các giao thức sử dụng trong WBSN

2.3.1 Các giao thức lớp Mac cho mạng WBSNs

Tất cả các nút trong WBSN chia sẻ cùng một kênh cho truyền thông và truyền dữliệu Nhiệm vụ kiểm soát truy nhập từ các nút tới kênh trong WBSN được thực hiệnbởi lớp Mac

2.3.1.1 CSMA

Các giao thức mà trong đó các trạm lắng nghe đường truyền trước khi đưa ra quyếtđịnh mình phải làm gì tương ứng với trạng thái đường truyền đó được gọi là các giaothức có “cảm nhận” đường truyền Cách thức hoạt động của CSMA như sau: Lắngnghe kênh truyền, nếu thấy kênh truyền rỗi thì bắt đầu truyền khung, nếu thấy kênhtruyền bận thì trì hoãn việc gửi khung

Thế nhưng, việc trì hoãn gửi khung tới khi nào là hợp lý?

là khung bị mất và toàn bộ thời gian từ lúc xung đột xảy ra cho đến khi phát xongkhung là lãng phí

Bây giờ phát sinh vấn đề mới: Các trạm có quan tâm theo dõi xem có xung đột xảy

ra hay không và khi xung đột xảy ra thì các trạm sẽ làm gì?

CSMA/CD (CSMA với cơ chế phát hiện xung đột) về cơ bản là giống CSMA: Lắngnghe trước khi truyền Nhưng CSMA/CD có 2 cải tiến quan trọng là: Phát hiện xungđột và truyền lại sau xung đột.

Các slot tranh chấp

Giai đoạn

truyền

Giai đoạn tranh chấp

Giai đoạn rảnh

t0

Thời gian

Hình 2.7 CSMA/CD có thể ở một trong 3 trạng thái: Tranh chấp, truyền, rảnh

Phát hiện xung đột: Trạm vừa truyền vừa tiếp tục dò xét đường truyền Ngay saukhi xung đột được phát hiện thì trạm ngưng truyền, phát thêm một dãy nhồi (dãy nhồinày có tác dụng tăng cường thêm sự va chạm tín hiệu, giúp cho tất cả các trạm kháctrong mạng thấy được sự xung đột) và bắt đầu truyền lại sau xung đột

Dựa trên Hình 2.6 ta thấy, tại thời điểm t0 một trạm đã phát xong khung của nó Bất

kỳ trạm nào khác có khung cần truyền bây giờ có thể truyền thử Nếu hai hoặc nhiềuhơn các trạm làm như vậy cùng một lúc thì sẽ xảy ra xung đột Xung đột có thể đượcphát hiện bằng cách theo dõi năng lượng hay độ rộng của xung tín hiệu nhận được vàđem so sánh với độ rộng của xung vừa truyền đi

A Bt

Hình 2.8 Thời gian cần để truyền một khung

Bây giờ đặt ra câu hỏi: Sau khi truyền xong khung (hết giai đoạn truyền), trạm sẽ bỏ

ra thời gian tối đa là bao lâu để biết được là khung của nó đã bị xung đột hoặc nó đãtruyền thành công?

Việc hủy bỏ truyền khung ngay sau khi phát hiện xung đột giúp tiết kiệm thời gian

và băng thông, vì nếu cứ tiếp tục truyền khung đi nữa, khung đó vẫn hỏng và vẫn phảiloại bỏ

Truyền lại sau xung đột: Sau khi bị xung đột, trạm sẽ chạy một thuật toán gọi làback-off dùng để tính toán lại lượng thời gian nó phải chờ trước khi gửi lại khung.Lượng thời gian này phải là ngẫu nhiên để các trạm sau khi quay lại không bị xung độtvới nhau nữa

Cơ chế back-off của CSMA: Một khi việc truyền tải kết thúc Nếu môi trường vẫncòn nhàn rỗi trong khoảng thời gian này Các nút chọn ra một số ngẫu nhiên của cáckhe trong một phạm vi của các giá trị để chờ đợi trước khi truyền tải gói dữ liệu của

nó Phạm vi này của các giá trị được gọi là của sổ tranh chấp Back-off được thực hiệnthông qua một bộ đếm thời gian, làm giảm giá trị back-off cho từng thời gian cụ thểgọi là khe Sau khi các nút nhập thời gian back-off, nút đầu tiên bắt đầu truyền khi

đồng hồ đếm hết hạn Thiết bị đầu cuối khác cảm nhận được truyền tải mới và đóngbăng đồng hồ back-off của nó, sẽ được khởi động lại sau khi hoàn thành việc truyền tảihiện nay trong giai đoạn tranh chấp tiếp theo.

- Mục đích: Để ngăn chặn các nút tự đồng bộ hóa vào cuối đường truyền và vachạm với nhau

- Nhược điểm:

 Trường hợp mạng lưới dày đặc, sẽ có nhiều nút tham gia vào cơ chế back-off.Một số nút có thể chọn cùng thời gian back-off và va chạm với nhau

lập lại giá trị ban đầu của nó là 32, như vậy trong khoảng thời gian chờ các nút sẽ tiêuhao năng lượng lớn

gói tin đã được truyền thành công

khác

2.3.1.2 CICADA

Nó sử dụng một cấu trúc cây để cung cấp truy cập môi trường tự do khi xung đột vàcho định tuyến dữ liệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp Nó cung cấp độ trễ thấp và có thểđược sử dụng cho các WBSN đa điểm đó là điện thoại di động trong tự nhiên Nănglượng tiêu thụ cũng ít hơn là các nút có thể đi vào chế độ chờ khi chúng không gửihoặc nhận bất kỳ dữ liệu nào

a Giới thiệu chung

CICADA là một giao thức xuyên lớp Nó sử dụng các gói dữ liệu giống nhau cho cảtruy cập môi trường cũng như định tuyến Chúng được sử dụng để phát hiện sự có mặthay vắng mặt của các nhánh và để kiểm soát truy nhập môi trường Các giao thức thiếtlập một cây mở rộng và chia trục thời gian trong khe để giảm nhiễu và tránh chế độkhông tải Sự phân chia các khe được thực hiện một cách phân tán, có thể đồng bộ khe

vì một nút biết chiều dài của mỗi chu kỳ Mỗi nút thông báo cho nhánh con của nó khinhánh con đó được phép gửi dữ liệu

nó được sử dụng để truyền các sơ đồ từ gốc cho tới nhánh Khi tất cả các nút đã nhậnđược sơ đồ của mình, chu kỳ điều khiển đã kết thúc và chu kỳ dữ liệu bắt đầu.

Hình 2.10 Ví dụ truyền thông trong mạng

Bảng 2.1 Điều kiện ổn định của chu kỳ con điều khiển cho mạng ví dụ ở hình 2.8