Xây dựng hệ thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây

Nguyễn Thái Hà - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã nghiên cứu từ lý thuyết về các vấn đề như: Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế, thiết kế ứng dụng một hệ thống

LỜI CAM ĐOAN

Nội dung của luận văn này được thiết kế dựa trên tính cấp thiết của tình trạng quá tải tại các bệnh viện hiện nay Bên cạnh đó, ý tưởng xây dựng một hệ thống nhằm mục đích giám sát thông số sức khỏe của đồng thời nhiều bệnh nhân sẽ giảm tải công việc cho bác sỹ và tăng hiệu quả điều trị Dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của TS Nguyễn Thái Hà - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã nghiên cứu từ lý thuyết về các vấn đề như: Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế, thiết kế ứng dụng một hệ thống phục vụ trong chăm sóc sức khỏe của bệnh nhân Ưu điểm của hệ thống này là khả năng hoạt động ổn định, chính xác và đảm bảo tính kinh tế của toàn hệ thống Tôi xin cam đoan những nội dung của luận văn này là hoàn toàn trung thực, chính xác và chưa được ai công bố trong các công trình khoa học nào khác

TÁC GIẢ

NGUYỄN THẾ DŨNG

Em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Việt Dũng đã giúp đỡ, hỗ trợ em về những kiến thức để em bổ sung cho sự hoàn thiện của luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 12

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 12

1.2 Mục tiêu của đề tài: 13

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu đề tài: 14

1.4 Dự kiến sản phẩm của đề tài: 14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 15

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Cấu tạo của một node cảm biến 17

2.1.3 Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây 19

2.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 22

2.2 Một số vấn đề trong mạng cảm biến không dây 24

2.2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 24

2.2.2 Tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây 26

2.2.3 Giao thức trong mạng cảm biến không dây 28

2.3 Tổng quan về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4 32

2.3.1 Giới thiệu về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4 32

2.3.2 Sự ra đời của chuẩn Zigbee: 32

2.3.3 Ưu điểm của chuẩn Zigbee 34

2.3.4 Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee 35

2.3.5 Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee 35

2.3.6 Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee 36

2.4 Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee 40

2.4.1 Tầng vật lý 40

2.4.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 42

2.4.3 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 49

2.4.4 Tầng ứng dụng của ZigBee/IEEE 802.15.4 51

2.5 Một số sản phẩm sử dụng công nghệ Zigbee 53

2.5.1 Module Microchip [18] 53

2.5.2 Module XBee [19] 54

2.5.3 Module CC2420 [20] 54

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT BỆNH NHÂN QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56

3.1 Giới thiệu bài toán 56

3.2 Cơ sở lý thuyết về nhịp tim và nhiệt độ cơ thể người 57

3.2.1 Tổng quan về nhịp tim cơ thể con người 57

3.2.2 Tổng quan về thân nhiệt cơ thể con người 59

3.3 Thiết kế hệ thống 61

3.3.1 Thiết kế thứ nhất 61

3.3.2 Thiết kế thứ hai 64

3.4 Thiết kế phần cứng 68

3.4.1 Trung tâm điều khiển 68

3.4.2 Cảm biến nhiệt độ 69

3.4.3 Cảm biến nhịp tim 70

3.4.4 Ghép nối giao tiếp module XBee 72

3.5 Thiết kế phần mềm và lưu đồ thuật toán 73

3.5.1 Thiết kế phần mềm 73

3.5.2 Lưu đồ thuật toán 73

3.6 Linh kiện thiết bị sử dụng trong thiết kế 76

3.6.1 Vi điều khiển PIC 16F877a 76

3.6.2 Module truyền thông XBee 80

3.6.3 Sensor cảm biến nhiệt độ DS18B20 88

3.6.4 Sensor cảm biến nhịp tim 91

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 94

4.1 Tính năng của hệ thống 94

4.2 Một số hình ảnh về hệ thống 94

4.3 Đánh giá kết quả thử nghiệm hệ thống 96

4.4 Hướng dẫn sử dụng hệ thống 99

4.5 Đánh giá kết quả đạt được 100

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1-Mô hình của một mạng cảm biến không dây 16

Hình 2.2-Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế 17

Hình 2.3-Cấu tạo của một node cảm biến 18

Hình 2.4-Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 23

Hình 2.5-Giao thức định tuyế N dự e ại tiêu chuẩn 26

Hình 2.6-Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận 30

Hình 2.7-Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận 30

Hình 2.8-Mạng hình sao 36

Hình 2.9 – Mô hình mạng hình mắ ƣới 37

Hình 2.10-Mạng hình mắt lưới với các thiết bị 38

Hình 2.11-Mạng hình cây 39

Hình 2.12-Mô hình phân lớp của chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 43

Hình 2.13-Khoảng cách giữa hai khung IFS 45

Hình 2.14-Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon 47

Hình 2.15-Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon 48

Hình 2.16-Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon 48

Hình 2.17-Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon 49

Hình 2.18-Lớp mạng của chuẩn Zigbee 50

Hình 2.19-Lớp ứng dụng của chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4 52

Hình 2.20-Module Microchip MRF24J40 53

Hình 2.21-Module XBee 54

Hình 2.22-Module CC2420 55

Hình 3.1-Nhịp tim là một trong những dấu hiệu sống quan trọng 58

Hình 3.2-Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống phát hiện xâm nhập 61

Hình 3.3-Sơ đồ khối hệ thống giám sát thông số cơ thể bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây 62

Hình 3.4-Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối ZED 63

Hình 3.5-Sơ đồ khối thiết bị điều phối ZC 64

Hình 3.6-Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống giám sát thông số cơ thể bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây 65

Hình 3.7-Sơ đồ khối trung tâm điều khiển 66

Hình 3.8-Sơ đồ khối nút cảm biến 67

Hình 3.9-Sơ đồ thiết kế của đơn vị xử lý trung tâm 68

Hình 3.10-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhiệt độ 69

Hình 3.11-Sơ đồ thiết kế của khối cảm biến nhịp tim 70

Hình 3.12-Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2 [21, 22] 70

Hình 3.13-Sơ đồ ghép nối module truyền thông XBee 72

Hình 3.14-Lưu đồ thuật toán chương trình chính 74

Hình 3.15-Khối nhận dữ liệu từ cổng COM 75

Hình 3.16-Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC 16F877A loại 40 chân 80

Hình 3.17-Hình ảnh XBee ZB24 80

Hình 3.18-Hoạt động truyền thông RF của module XBee 83

Hình 3.19-Khung truyền UART 83

Hình 3.20-Cấu trúc khung API chế độ 1 84

Hình 3.21-Khung API ở chế độ 2 84

Hình 3.22-Cấu trúc cụ thể khung API 85

Hình 3.23-API truyền 64 bít địa chỉ 86

Hình 3.24-API truyền 16 bít địa chỉ 86

Hình 3.25-Khung trạng thái truyền 87

Hình 3.26-Khung nhận 64 bít địa chỉ 87

Hình 3.27-Khung nhận 16 bít địa chỉ 87

Hình 3.28-Cảm biến nhiệt độ DS18B20 88

Hình 3.29-Sơ đồ mạch đo nhịp tim bằng hồng ngoại 92

Hình 4.1-Module giám sát thông số nhịp tim và nhiệt độ cơ thể bệnh nhân 94

Hình 4.2-Kết quả hiển thị trên màn hình máy tính của bác sỹ điều trị 95

Hình 4.3-Cảnh báo hiển thị khi thân nhiệt của bệnh nhân cao hơn mức bình thường 95

Hình 4.4-Kết quả thực nghiệm trên màn hình máy tính của hệ thống 96

Hình 4.5-Kết quả đo lường thử nghiệm với thiết bị Monitor BSM-2301K 97

Hình 4.6-Thực hiện thao tác với các đầu dò cảm biến trên cơ thể bệnh nhân 99

Hình 4.7-Kết quả hiển thị trên màn hình theo dõi của bác sỹ điều trị 100

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1-Bảng so sánh các thông số hoạt động trong nhóm chuẩn WPAN 34

Bảng 2.2-Băng tần và tốc độ dữ liệu [17] 40

Bảng 2.3-Kênh truyền và tần số [17] 41

Bảng 3.1- Hiển thị màu theo thân nhiệt/nhịp tim 66

Bảng 3.2-Mô tả các chân pin 82

Bảng 4.1-Kết quả kiểm nghiệm thiết bị cảm biến nhịp tim của hệ thống 98

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) đã dần trở nên rất quan trọng trong đời sống hàng ngày Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trong quân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hay điều khiển giao thông Với

sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… Các nhà khoa học đã tạo ra những thiết

bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây đang là một công nghệ mới, công nghệ này đã được các nước có nền khoa học phát triển (Mỹ, Nhật, Châu Âu ) nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiều thành tựu đáng kể Ở Việt Nam, công nghệ này vẫn còn mới mẻ do

đó chưa có nhiều sản phẩm ứng dụng được triển khai trong thực tế

Tại Việt Nam, với tốc độ dân số tăng nhanh, theo thống kê của Bộ Y

tế, nước ta hiện nay có khoảng 90 triệu công dân (tính tới tháng 11/2013),

đã dẫn tới tình trạng quá tải tại rất nhiều bệnh viện trên cả nước Tình trạng quá tải, chen lấn ở các bệnh viện từ lâu đã trở thành nỗi trăn trở của ngành

Y tế nói riêng và của toàn xã hội nói chung Việc ứng dụng công nghệ nói chung và công nghệ mạng cảm biến không dây nói riêng sẽ là những giải pháp hiệu quả cho vấn đề này

Xuất phát từ những thực tế trên, em đã chọn đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây" để làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp của mình Luận văn phát triển thành sản phẩm góp phần chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân một cách hiệu quả, đồng thời sẽ hỗ trợ tích cực cho quá trình điều trị cho bệnh nhân của bác sỹ

Để làm rõ hơn về nội dung thực hiện của đề tài này, luận văn được chia thành 4 chương bao gồm những nội dung như sau:

C ƣơ 1: Đặt vấn đề

C ƣơ 2: Cơ sở lý thuyết về mạng cảm biến không dây

C ƣơ 3: Thiết kế hệ thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến

không dây

C ƣơ 4: Kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết củ đề tài

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, những ứng dụng

về công nghệ thông tin và công nghệ điện tử đã được đưa vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống, đặc biệt là những ứng dụng được thiết kế nhằm mục đích chăm sóc sức khoẻ cho con người Sự ra đời của công nghệ mạng cảm biến không dây đã

và đang mang lại những thành quả lớn lao đối với ngành y tế của nhiều nước trên thế giới, nó đáp ứng được yêu cầu theo dõi, giám sát những thông số khác nhau trong cơ thể con người như: Thông số nhiệt độ cơ thể, huyết áp, nhịp tim và phản hồi chính xác những thông số này tới thiết bị theo dõi của bác sỹ để phục vụ tốt hơn quá trình điều trị cho bệnh nhân

Hiện nay, ở nước ta có khoảng 30 bệnh viện tuyến trung ương và 300 bệnh viện đa khoa, chuyên khoa tuyến tỉnh, ước tính mỗi năm có tới hơn 150 triệu lượt khám bệnh dẫn đến tình trạng hệ thống bệnh viện nước ta luôn trong tình trạng bị quá tải Trước thực trạng này, Bộ y tế đã và đang triển khai rất nhiều phương án nhằm giải quyết thực trạng trên Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân khác nhau như nguồn nhân lực còn hạn chế, trang thiết bị phục vụ còn thiếu thốn, chủ yếu là thiết bị cổ điển, thông thường do đó chưa thể đáp ứng được yêu cầu chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân một cách tốt nhất

Để giải quyết được những vấn đề nêu trên có rất nhiều giải pháp, một trong những giải pháp được đưa ra là kết hợp giữa công nghệ thông tin, công nghệ điện tử

và y học để thiết kế ra một thiết bị nhỏ gọn, có khả năng theo dõi thông số thân nhiệt, nhịp tim của bệnh nhân một cách liên tục Qua đó, bác sỹ có thể giám sát được tình hình bệnh nhân thông qua máy tính, đồng thời cũng có thể xác định được vị trí của bệnh nhân trong bệnh viện một cách dễ dàng

Tại Việt Nam, hiện chưa có đơn vị nào trong nước nghiên cứu, thiết kế thiết bị hoạt động như đã nêu trên Các thiết bị tương đương hiện có đều phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao, trong khi đó nhu cầu điều trị của bệnh nhân là rất lớn

Việc thiết kế thành công thiết bị này sẽ mang lại những lợi ích to lớn về mặt khoa học

và kinh tế

Dựa trên những tìm hiểu trên em đã đề xuất đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây" nhằm nâng cao hiệu quả, hỗ trợ quá trình điều của bác sỹ cho các bệnh nhân, bên cạnh đó góp phần giải quyết nhu cầu rất lớn của xã hội hiện nay Thiết bị sau khi được chế tạo và ứng dụng thành công sẽ làm giảm suất đầu tư thiết bị của các bệnh viện (do giá thành thấp hơn nhập ngoại), giảm nhập siêu góp phần thực hiện chính sách Quốc gia về trang thiết bị y tế của chính phủ Đồng thời nhiệm vụ cũng sẽ góp phần thúc đẩy đào tạo nguồn nhân lực có trình

độ cao cho ngành thiết bị y tế

1.2 Mục tiêu củ đề tài:

Mục tiêu của đề tài là làm chủ được công nghệ thiết kế, chế tạo thiết

bị có khả năng giám sát thông số nhiệt độ, nhịp tim của bệnh nhân qua mạng cảm biến không dây Thông qua sản phẩm của đề tài, các thông số sức khỏe trên của bệnh nhân sẽ được theo dõi và tự động chuyển kết quả đến thiết bị giám sát của bác sỹ Đồng thời, quá trình điều trị cũng linh hoạt và mềm dẻo hơn do sản phẩm là những thiết bị nhỏ gọn, không ảnh hưởng tới quá trình vận động của bệnh nhân Thiết bị cũng sẽ cho biết vị trí chính xác của bệnh nhân trong bệnh viện, do đó không nhất thiết phải yêu cầu bệnh nhân nằm điều trị tại giường bệnh mà có thể tự do hoạt động động Thông qua đó bác sỹ có thể dễ dàng đánh giá định lượng hiệu quả quá trình điều trị của bệnh nhân Thiết bị khi được đưa vào ứng dụng giúp bác sỹ trị liệu, theo dõi nhiều bệnh nhân cùng một lúc nên sẽ giảm tải cho các bác sỹ

1.3 Nội du và ươ á iê cứu đề tài:

Các nội dung khoa học công nghệ chủ yếu cần giải quyết bao gồm:

- Tìm hiểu về các thông số hoạt động của ti m và nhiệt độ trên cơ thể bệnh nhân

- Tìm hiểu về mạng cảm biến không dây và chuẩn truyền thông Zigbee

- Thiết kế module phần cứng gồm:

+ Module tích hợp cảm biến nhịp tim và nhiệt độ

+ Module điều khiển trung tâm có kết nối với máy tính

- Thiết kế chương trình phần mềm gồm:

+ Thiết kế phần mềm theo dõi thông số cơ thể của bệnh nhân + Thiết kế module cảnh báo

- Lắp ráp, đo lường và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật của thiết bị

- Thử nghiệm, đánh giá hiệu quả của thiết bị

- Xác định vị trí của bệnh nhân trong phạm vi bệnh viện

- Cho phép đánh giá quá trình trị liệu của bệnh nhân

CHƯƠNG 2: CƠ Ở LÝ THUYẾT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên một diện tích rộng,

có thời gian hoạt động lâu dài và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt

mà không cần có sự can thiệp của con người

Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây là vừa có chức năng mạng vừa có chức năng cảm nhận Tại mỗi một node mạng sẽ cảm nhận thông số của môi trường cần đo, đo đạc thông số và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua một trường không dây về node gốc Trên cơ sở đó node gốc có thể đưa ra các lệnh xử

lý cần thiết hoặc thực hiện công việc truyền thông số thu thập được về máy tính Bản thân của node gốc không nhất thiết phải là một máy vi tính mà cũng có thể

là những thiết bị được chế tạo với kích thước nhỏ, phụ thuộc vào đặc thù của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể [2]

Hình 2.1-Mô hình của một mạng cảm biến không dây

Các node mạng thường có chức năng cảm nhận: Công việc của những node mạng này là theo dõi thông số, giám sát môi trường xung quanh như các yếu tố: Nhiệt độ, áp suất, ánh sáng Những node mạng này cũng có khả năng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node mạng giao tiếp với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp thông qua các node mạng khác Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các node mạng thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạng thái nghỉ khác nhau Thông thường thời gian

mà một node ở trạng thái nghỉ lớn thường nhiều hơn thời gian ở trạng thái hoạt động Đặc trưng cơ bản nhất của một mạng cảm biến không dây chính là giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động

Với những đặc điểm trên, mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống như: Ứng dụng trong các thiết kế dân dụng (dùng để giám sát hệ thống thiết bị điện), ứng dụng trong giám sát các thông số môi trường (dùng để giám sát núi lửa, động đất) Đặc biệt là trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến không dây đang dần trở nên quan trọng trong những ứng dụng phục vụ sức khỏe của con người

Một trong những ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến điển hình

là theo dõi thông số cơ thể của bệnh nhân như: Theo dõi những triệu chứng trên

cơ thể, giám sát sự chuyển động bên trong của cơ thể, theo dõi và định vị vị trí

của bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện Để giám sát được thông số của cơ thể, mỗi bệnh nhân được gắn một node cảm biến nhỏ, mỗi một node cảm biến này có những nhiệm vụ riêng, ví dụ có node cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu Bác sĩ cũng có thể mang node cảm biến để định vị vị trí của họ trong bệnh viện [1]

Hình 2.2-Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây trong y tế

2.1.2 Cấu tạo của một node cảm biến

Node cảm biến là một thiết bị điện tử nhỏ, có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông thông tin đến các node khác và ra thế giới bên ngoài

Mỗi node cảm biến trong mạng cảm biến không dây có nhiệm vụ thu thập thông số của môi trường theo dõi và gửi kết quả về khối xử lý trung tâm Tín hiệu

mà khối xử lý trung tâm nhận được có thể là tín hiệu tương tự hoặc tín hiệu số Tuy nhiên, hầu hết những cảm biến hiện đại ngày nay đều được tích hợp thêm bộ chuyển đổi ADC (chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số) Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi những cảm biến được

chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý [1, 5]

Hình 2.3-Cấu tạo của một node cảm biến

Bộ xử lý trung tâm thường được kết nối với một bộ nhớ Trong bộ nhớ thường được lưu trữ những thủ tục cho các node mạng kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Bên cạnh đó, thông tin thu thập được cũng được lưu trữ tại bộ nhớ để phục vụ quá trình truyền nhận thông tin với những node mạng khác trong mạng cảm biến không dây

Để thực hiện chức năng mạng, trong mỗi node mạng đều có một bộ thu phát vô tuyến RF Thông tin sau khi được xử lý bởi khối xử lý trung tâm sẽ được truyền đến khối thu phát vô tuyến RF Quá trình điều chế và giải điều chế thông tin sẽ được khối thu phát vô tuyến RF xử lý trong quá trình truyền nhận thông tin

Một thành phần quan trọng một node mạng cảm biến là bộ nguồn Do các node mạng thường có kích thước nhỏ, song lại yêu cầu về mặt hoạt động trong thời gian lâu dài Để đảm bảo được những yêu cầu đó, ngoài việc thiết kế những thuật toán tối ưu về năng lượng người ta còn thiết kế bộ nguồn cấu tạo bởi các bộ phận lọc như tế bào năng lượng mặt trời nhằm duy trì năng lượng cho node mạng

Khối cảm biến

Khối bộ nhớ Khối xử lý trung tâm

Khối di động Khối thu/phát RF

Nguồn cung cấp

Khối định vị GPS

hoạt động lâu dài Ngoài ra trong một node mạng cảm biến cũng có những thành phần phụ khác như bộ phận định vị, bộ phận quản lý chuyển động Những thành phần này được thiết kế tùy thuộc vào từng ứng dụng Bộ định vị GPS có nhiệm vụ xác định vị trí, tọa độ của node mạng, trong khi đó các bộ phận di động đuợc thiết

kế để có khả năng dịch chuyển các node mạng khi cần thiết Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module để đảm bảo tính nhỏ gọn, linh hoạt Ngoài kích cỡ ra các node cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác như tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích biến với sự biến đổi của môi trường

2.1.3 Đặc điểm của một mạng cảm biến không dây

Đặc trưng của một mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến này có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt

là yêu cầu về năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu trúc của một mạng cảm biến

có đặc điểm rất khác so với các mạng truyền thống trước đây Một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến: [1,4]

- Khả năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi của mạng thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của mạng ngay cả khi một số node mạng không hoạt động

- Môi trường hoạt động: Các node cảm biến được thiết kế để hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt mà không cần có sự can thiệp của con người Do đó, hệ thống mạng cảm biến không dây có thể hoạt động ở những môi trường như dưới đáy biến, trong những vùng ô nhiễm hóa học, trong những vùng thường hay xảy ra động đất, núi lửa

- Cấu hình mạng: Trong mạng cảm biến, mật độ các node mạng dày đặc có thể lên tới

20 node/m3 Do số lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình chung cho toàn mạng để mạng hoạt động được ổn định Bên cạnh đó, việc cấu

hình cho mỗi node mạng cần được thiết lập sao cho khi có những node mạng mới tham gia vào mạng song vẫn không ảnh hưởng tới hoạt động chung của toàn mạng

- Ràng buộc về phần cứng: Do số lượng các node trong mạng rất nhiều nên các node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như: Kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi được với môi trường hoạt động

- Năng lượng tiêu thụ: Các node mạng trong mạng cảm biến không dây có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah/1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng cho node mạng hoạt động không thể thực hiện được Vì vậy khoảng thời gian sống của các node mạng cảm biến phụ thuộc vào thời gian sống của pin Do đó, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xây dựng một hệ thống mạng cảm biến không dây Hiện nay, ngoài việc sử dụng những nguồn năng lượng tái tạo được cho các node mạng, các nhà khoa học cũng đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật về giao thức để tối ưu được năng lượng hoạt động cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các node cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền

dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: Cảm nhận, truyền thông, và xử lý dữ liệu

- Thời gian đáp ứng: Trong các ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng hệ thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống Một bản tin cảnh báo cần được tạo ra ngay lập tức khi nhận thấy có sự thay đổi về hoạt động của đối tương được theo dõi

Dù hoạt động năng lượng thấp, các node cần có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanh càng tốt Trong khi những sự kiện như vậy là không thường xuyên, chúng có thể xảy ra tại bất cứ thời điểm nào mà không được báo trước

Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với các kỹ thuật làm tăng thời gian sống của mạng Thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách để các node chỉ

hoạt động trong thời gian ngắn Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số node trong toàn bộ thời gian Những node này có thể nghe các thông điệp cảnh báo và chuyển tiếp chúng theo đường khi cần Tuy nhiên điều này sẽ gây khó khăn trong quá trình triển khai hệ thống

- Tốc độ lấy mẫu: Trong một mạng thu thập dữ liệu Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là tham số đánh giá hiệu suất của hệ thống Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả là

số mẫu lấy được từ mỗi node riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trung tâm Thông thường, các ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2 mẫu trong 1 phút Trong một cây thu thập dữ liệu, một node cần điều khiển dữ liệu của tất cả các node con Nếu mỗi node con truyền một dữ liệu và một node có 60 node con, nó phải truyền 60 lần Thêm vào đó nó còn phải nhận 60 lần trong một chu kỳ lấy mẫu Tốc

độ và kích thước mạng ảnh hưởng tới tốc độ lấy mẫu hiệu quả

- Khả năng mở rộng: Khi triển khai một mạng cảm biến không dây trong thực tế, một yêu cầu không thể bỏ qua đối với người thiết kế đó là khả năng mở rộng của mạng

Do đó cần xây dựng một cấu trúc mạng có khả năng làm việc với số lượng lớn các node mạng đồng thời vẫn đảm bảo hoạt động của mạng khi tiếp tục triển khai thêm một số lượng lớn các node mạng mới

- Giá thành sản xuất: Các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí chung của toàn mạng Do đó khi thiết kế mạng, yêu cầu cho chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp nhất có thể

- Môi trường truyền dẫn: Trong mạng cảm biến không dây, các node được kết nối với nhau qua môi trường không dây Các kết nối này có thể được tạo ra bởi sóng vô tuyến

RF, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Hiện nay, nhiều phần cứng của các node cảm biến được thiết kế dựa vào mạch thu phát vô tuyến RF, tuy nhiên tần số

vô tuyến RF được sử dụng phải tuân thủ theo quy định của Cục tần số mà mỗi quốc gia cấp phát Thông thường, những thiết bị cảm biến năng lượng thấp sử dụng kỹ thuật thu phát vô tuyến RF thường hoạt động ở tần số 915MHz

Một phương pháp kết nối khác giữa các node mạng trong mạng cảm biến không dây là phương pháp giao tiếp bằng hồng ngoại Việc thiết kế mạch thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại có giá thành rẻ hơn và dễ dàng hơn Cả hai loại thiết bị thu phát hồng ngoại và thu phát quang học đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được

2.1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các node có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất nhằm mục đích định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến [1,3]

- Mặt phẳng quản lý năng lượng: Mặt phẳng này quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó Một node cảm biến thường hoạt động ở chế độ nghỉ để tiết kiệm năng lượng, bên cạnh đó một node cảm biến cũng có thể tắt bộ thu sau khi nhận xong một bản tin Khi một node cảm biến không còn đủ năng lượng cho hoạt động thu thập và truyền thông tin, node cảm biến này sẽ gửi bản tin quảng bá tới những node cảm biến bên cạnh để thông báo việc không thể tham gia vào quá trình định tuyến

- Mặt phẳng quản lý di động: Mặt phẳng này có nhiệm vụ phát hiện chuyển động của những node mạng xung quanh và đăng ký sự chuyển động với các node bên cạnh Ngoài việc quản lý quá trình di chuyển tới những vị trí thích hợp để theo dõi thông số của môi trường hoạt động, mặt phẳng quản lý di động này cũng luôn theo dõi các node xung quanh để xem ai là node hàng xóm của nó

- Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Mặt phẳng này có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các node mạng trong một vùng giám sát Để tiết kiệm năng lượng, không phải tất cả các node cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

Hình 2.4-Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

- Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến

- Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vì môi trường

có tạp âm và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc

va chạm với thông tin quảng bá của các node lân cận

- Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc:

 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác

có hiệu quả của các node cảm biến

- Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

- Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

2.2 Một số vấ đề trong mạng cảm biến không dây

2.2.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Việc định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây thường rất khó khăn

do đặc tính riêng của mạng này với các mạng không dây khác như các mạng ad-hoc

hoặc các mạng tế bào Một số nguyên nhân chính gây ra khó khăn này như sau: [1,5]

-Do số lượng node cảm biến trong mạng cảm biến không dây thường là rất lớn nên không thể xây dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai Vì vậy, các giao thức dựa trên kỹ thuật IP truyền thống sẽ không thể áp dụng được cho các node mạng của mạng cảm biến không dây

- Khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây đều yêu cầu truyền số liệu thu thập được tại môi trường giám sát từ nhiều node tới một node gốc

- Các node mạng cảm biến bị hạn chế về công suất cũng như khả năng xử lý và dung lượng nhớ Do đó sẽ rất khó khăn trong việc lưu trữ thông tin của quá trình định tuyến tại mỗi node, bên cạnh đó yêu cầu giới hạn về mặt công suất cũng sẽ làm ảnh hưởng tới tốc độ xử lý và truyền tin trong mạng

- Trong hầu hết các ứng dụng, các node mạng trong mạng cảm biến không dây

thường có vị trí cố định Tuy nhiên, trong một số ứng dụng đặc biệt, các node cảm biến có thể được phép di chuyển và thay đổi vị trí Điều này khiến cho những node mạng khi di chuyển phải liên tục tìm kiếm hàng xóm của chúng để thực hiện quá trình định tuyến

- Do mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiết những lĩnh vực khác nhau Đối với mỗi một ứng dụng, việc triển khai mạng cảm biến không dây sẽ được thực hiện theo những phương thức khác nhau, do đó thuật toán định tuyến được sử dụng trong mỗi ứng dụng cũng sẽ khác nhau

- Ngoài ra, vị trí của các node cảm biến đóng vai trò quan trọng vì việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí Hiện nay hầu hết các ứng dụng chưa được tích hợp thêm phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS), do đó việc định vị vị trí thường được lựa chọn và thiết lập trước Trong trường hợp này, cần xây dựng những thuật toán định tuyến phù hợp cho mục đích này, đồng thời cũng cần đảm bảo tối thiểu giá thành triển khai mạng

Dựa vào cấu trúc mạng mạng cảm biến không dây có thể phân loại thành các kỹ thuật định tuyến như sau:

sử dụng để định tuyến số liệu [5]

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng của nó Những giao thức này cũng có thể được chia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kết hoặc dựa vào chất lượng của dịch vụ tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, các giao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương tác hoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà bản tin từ nguồn tìm đường tới đích Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi có yêu cầu,

trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tính toán theo yêu

cầu Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên Khi các node cảm

biến cố định, nó thích hợp với các giao thức định tuyến theo bảng hơn là với

các giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể được sử dụng để định

tuyến và thiết lập các giao thức tương tác Một số giao thức khác dựa vào định

thời và thông tin vị trí Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc

mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (định tuyến tiêu chuẩn) như sau:

Hình 2.5-Giao thức định tuyế N dự e ại tiêu chuẩn

2.2.2 Tối ưu ă ượng trong mạng cảm biến không dây

2.2.2.1 Vấn đề năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm, các node

mạng cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp Việc tiêu thụ năng lượng thấp chỉ đạt

được bằng cách kết hợp các thành phần phần cứng năng lượng thấp và chu trình

hoạt động ngắn Trong thời gian hoạt động, truyền thông vô tuyến sẽ tiêu thụ một

phần năng lượng đáng kể trong tổng mức tiêu thụ năng lượng của node mạng

[1,8,9] Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm thiểu hoạt động

truyền nhận vô tuyến Nhìn chung, năng lượng trong mạng cảm biến không dây

thường bị lãng phí do:

- Trong quá trình truyền tin bị xung đột phải truyền lại

- Các node mạng luôn hoạt động ở trạng thái tích cực sẽ lãng phí năng lượng

Thường thì các node mạng hoạt động ở trạng thái nghỉ và chỉ hoạt động ở trạng thái tích cực khi cần sẽ tiết kiệm năng lượng

- Năng lượng cũng bị tổn hao trong quá trình điều khiển việc nhận và gửi bản tin tại các node mạng

Về cơ bản, năng lượng tiêu thụ tại một node mạng cảm biến gồm 2 phần: Năng lượng thiết bị Etb gồm năng lượng tiêu hao trong quá trình cảm nhận, xử

lý tín hiệu Năng lượng truyền sóng Etr là năng lượng cung cấp cho bộ khếch đại công suất phía trước anten

Để giảm năng lượng Etr thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lượng (liên quan đến công nghệ và cấu trúc ) và giải thuật xử lý tín hiệu cũng không quá phức tạp, tối ưu về tiêu thụ năng lượng Để giảm năng lượng Etr thì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa, điều chế, giải điều chế ) để thiết bị thu

có thể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít năng lượng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất)

Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêu thụ tại node mạng, do đó số lượng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nên không phù hợp với mạng cảm biến không dây Một phương pháp giải quyết bài toán năng lượng ở lớp vật lý chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lượng truyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu

Đối với khoảng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trường truyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị Etb > Etr Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì năng lượng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênh truyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyền sóng cáng lớn, Etr chiếm tỷ trọng càng lớn

2.2.2.1 Giải pháp tiết kiếm ă ượng tại phần cứng

Nhằm duy trì thời hoạt động của một node mạng, giải pháp đưa ra đơn giản nhất là phương thức thiết kế phần cứng tiết kiệm năng lượng bằng cách: Tăng công suất nguồn nuôi, sử dụng năng lượng tự nhiên [1]

Bên cạnh đó việt thiết kế phần cứng hiệu quả sẽ giảm tiêu hao năng lượng của toàn hệ thống

2.2.2.2 Giải pháp tiết kiệm ă ượng bằ ươ ức truyền tin:

Trong mạng adhoc nói chung và mạng cảm biến nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theo thời gian (do node di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thời tiết, do node hết năng lượng) Ngoài

ra nếu một node mà năng lượng của nó thấp hơn một mức nào đó thì node mạng đó có thể sẽ không tham gia vào việc chuyển tiếp thông tin từ node này sang node khác Có những thuật toán nhằm tìm những đường đi mà sao cho tổng năng lượng tiêu tốn là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữa lượng thông tin truyền đi truyền và năng lượng tiêu thụ là cao nhất Ngoài ra một node có thể chuyển sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng, sau đó wake-up để nhận và gửi thông tin đi

Mặt khác, đối với mạng cảm biến không dây thì vấn đề tiêu tốn năng lượng thường chủ yếu dùng vào việc sử dụng bộ thu phát vô tuyến RF Vì vậy

cơ chế quản lý điều khiển bộ thu phát RF vô cùng quan trọng Nếu không cần thiết, node mạng có thể đi vào trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng Nhưng khi truyền bị xung đột, dữ liệu truyền bị mất, quá trình truyền thất bại, năng lượng tiêu tốn không nhỏ Để quá trình này hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nhất nên sử dụng hai phương pháp truy cập kênh trong mạng báo hiệu và không báo hiệu

2.2.3 Giao thức trong mạng cảm biến không dây

Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của các node sao cho việc tiêu hao năng lượng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫn

đảm bảo độ tin cậy Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà người ta

sử dụng các giao thức khác nhau

Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:

- Giao thức đồng bộ theo thời gian

- Giao thức theo vị trí [1, 6, 7]

2.2.3.1 Đồng bộ theo thời gian

- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào một hiện tượng xảy ra

- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu Do đó cần đồng bộ giữa các node để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến nút gốc của mạng

- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hình mạng

- Các node cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao động thường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng lượng nên thường có chế

độ sleep để tiết kiệm năng lượng

Các node có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ cục bộ lấy từ các bộ dao động Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và làm trôi tốc độ của bộ dao động, do vậy thời gian cục bộ của các node sẽ bắt đầu sai khác đi làm cho mạng mất đi sự đồng bộ Do vậy việc đồng bộ thời gian có vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến

Đồng bộ thời gian là phương thức các thực thể riêng biệt trong một nhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầu phối hợp

Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là cộng tác giữa các node trong toàn mạng Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pair-wise) giữa các node trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng

Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai node trong mạng đó là:

+ Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận: Yêu cầu liên kết hai chiều giữa hai node lân cận

Hình 2.6-Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận

+ Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận: Yêu cầu nhiều node nhận của các gói

có nhãn thời gian như nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộ với bên gửi

Hình 2.7-Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận

2.2.3.2 Đồng bộ theo vị trí

Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên của các node trong mạng cảm biến là rất cần thiết, nó có ý nghĩa hoặc là mục đích của mạng cảm biến Ví dụ: Như trong ứng dụng quan sát môi trường và khí tư-ợng học, dữ liệu sẽ không còn có ý nghĩa nếu như không được đánh dấu thời gian và vị trí [9,10] Đồng bộ theo vị trí có hai loại cơ bản là:

+ Đồng bộ dựa vào mốc có sẵn:

Phương pháp này giả sử như sau: Có một vài con cảm biến đã biết vị trí Những node này sẽ gửi tín hiệu mốc (dẫn đường) theo chu kỳ Các node khác

sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác, trễ để đánh giá vị trí RSSI

(Receiver Signal Strength Indicator) được dùng để xác định sự tương quan tín hiệu với khoảng cách

Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF, và rất nhạy cảm với vật cản, nhiễu đa đường, ảnh hưởng của môi trường Hơn nữa tín hiệu RF phải có phạm vi tốt: Khoảng vài chục mét Ngoài ra người ta còn sử dụng RF

và sóng siêu âm: Node mốc truyền tín hiệu RF và một sóng siêu âm tới bộ thu Thời gian đến khác nhau giữa hai tín hiệu đợc sử dụng để đo khoảng cách Phạm vi lên tới 3 m, độ chính xác 2cm

+ Đồng bộ theo vị trí tương đối

Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vật mốc rất hiệu quả đối với một

số ứng dụng nào đó, một số mạng cảm ứng khác có thể được triển khai ở vùng

mà không thể bị ảnh hưởng bởi vật mốc hoặc GPS, lúc đó chúng có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển Để khắc phục những khó khăn này, các thông tin vùng được đặt theo từng bước truyền từ nguồn cho đến gốc Để thu được các thông tin vùng chính xác, các node cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho nhau Hơn nữa, năng lượng có thể được dự trữ thêm bằng việc cho phép các node cảm ứng dò theo vị trí của các node lân cận

Để tăng độ chính xác của việc ước lượng vị trí, gốc có thể yêu cầu tất cả các node dọc theo đờng từ nguồn phải lọc từng phần để tăng số lượng vật mẫu Quá trình tác động cục bộ này không yêu cầu bất kì một vật mốc nào Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quyết định vị trí của các nguồn

2.3 Tổng quan về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4

2.3.1 Giới thiệu về chuẩn truyền thông Zigbee - IEEE 802.15.4

Với sự phát triển và tiến bộ không ngừng của công nghệ truyền thông, thì truyền thông trong mạng không dây đang là một công nghệ mới với nhiều tính năng ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống Song những yêu cầu về tối ưu năng lượng, truyền thông luôn là những vấn đề quan trọng trong mạng truyền thông không dây (đặc biệt là mạng cảm biến không dây - WSNs) Hiện nay, ngoài những vấn đề trên thì mạng cảm biến không dây có những yêu cầu khác như là:

- Dễ dàng lắp đặt, vận hành, ít lỗi, khả năng tương thích cao và giá thành thấp

- Độ rộng phổ lớn, không cần phải mở rộng thêm băng thông, tốc độ đường truyền cao, ổn định Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sử dụng các băng tần cao hơn, nhưng công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp Do đó người

ta đã sử dụng một số phương pháp khác như sử dụng lại kênh tần số nhưng vẫn còn những vấn đề phát sinh như gây nhiễu lẫn nhau giữa các thiết bị cùng tần số, hoặc xung đột giữa các thiết bị

Do đó ứng dụng Chuẩn Zigbee vào mạng cảm biến không dây sẽ là một giải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề trên

2.3.2 Sự đời của chuẩn Zigbee:

* Chuẩn Zigbee (chuẩn IEEE 802.15.4) là một chuẩn thuộc nhóm chuẩn IEEE 802.15 Nhóm chuẩn này ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN Chuẩn

WPAN là chuẩn của mạng cá nhân không dây, dùng để điều khiển dữ liệu trong không gian nhỏ và truyền tin trong khoảng cách tương đối ngắn (bán kính hoạt động nhỏ hơn 30m) Song chuẩn WPAN tiêu tốn ít năng lượng hơn, độ suy hao năng lượng thấp, vận hành trong không gian nhỏ, cơ sở hạ tầng không yêu cầu cao nhưng vẫn liên lạc hiệu quả [12]

Nhóm chuẩn WPAN (IEEE 802.15) đƣợc chia ra làm 3 loại:

Sự phân chia này đƣợc dựa vào 3 yếu tố là:

- IEEE 802.15.1: (Bluethoot): Sử dụng trong mạng điện thoại tế bào, máy tính cá nhân bỏ túi PDA, có QoS phù hợp Chuẩn này đƣợc phát triển có khả năng kết nối với 7 thiết bị con, đƣợc thiết kế để thay dây dẫn trong kết nối các thiết bị ngoại vi Phiên bản mới nhất là 2.0 + ERD có khả năng truyền 3Mbit/s trong khoảng 100

- IEEE 802.15.4: (Zigbee): Ứng dụng vào mạng cảm biến dùng để điều khiển, cảm biến và truyền dữ liệu

+ IEEE 802.15.4 hoạt động ở dải tần 2,4GHz với 255 thiết bị Phạm vi truyền khoảng 10m với tốc độ truyền 250kbps

+ IEEE 802.15.4a hoạt động ở dải tần 868MHz, 900MHz với 65000 thiết

bị Phạm vi hoạt động 75m với tốc độ truyền tin 20kbps

Tùy vào từng ứng dụng mà chuẩn Zigbee sẽ hoạt động trên từng băng tần khác nhau (Băng tần 2,4GHz chỉ truyền đƣợc 10m so với 75m của băng tần

868MHz và 900MHz nhƣng tốc độ truyền tin là 250kbps) [12,17]

IEEE.802.15.3 IEEE.802.15.1 IEEE.802.15.4

QoS Cao Trung bình Thấp

Ứng dụng Đa phương tiện Điện thoại, TB ngoại

vi

Cảm biến, truyền D.liệu

PP giao tiếp Truyền file có

d.lượng lớn

Truyền file hình ảnh,

thoại

Truyền gói tin nhỏ

Bảng 2.1-Bảng so sánh các thông số hoạt động trong nhóm chuẩn WPAN

2.3.3 Ưu điểm của chuẩn Zigbee

- Áp dụng cho hệ thống điều khiển, cảm biến (do mạng cảm biến không dây chỉ truyền được tối đa là 250kbps ở dải tần 2,4GHz cho nên ứng dụng chủ yếu của mạng là cảm biến và điều khiển, mạng không dùng để truyền dữ liệu)

- Tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài

- Mạng tiêu hao ít năng lượng (chỉ với 2 nguồn pin AA, một node mạng có thể sống từ 6 tháng đến 2 năm tùy vào từng ứng dụng) Thời gian nhận gửi một gói tin của mạng khoảng 15msec Các node mạng giao tiếp với nhau bằng phương thức truyền từng gói tin nhỏ

- Giá thành thấp, ít lỗi dễ mở rộng, có khả năng tương thích cao với các điều kiện tự nhiên

- Tầng mạng của Zigbee có một ưu điểm nổi bật là giảm được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối [12]

(Đây là mạng không dây mắt lưới tiêu chuẩn cho nên nó có những ưu điểm của mạng mắt lưới: Các node truyền tải dữ liệu, âm thanh, câu lệnh với nhau, cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ node này sang node khác cho đến khi thiết lập được kết nối)

2.3.4 Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee

Mạng cần phải có tối thiểu 2 phần tử:

- FFD (Full Function Devide): Đảm nhận các chức năng trong mạng FFD

có khả năng hoạt động như một:

+ Điều phối viên của toàn mạng PAN + Điều phối viên của một mạng con + Thành viên trong mạng

- RFD (Reduced Function Devide): Đảm nhận một số chức năng hạn chế với các ứng dụng đơn giản, dữ liệu nhỏ [11]

2.3.5 Những kiểu thiết bị của hệ thống Zigbee

- ZC (Zigbee Coordinator): Đây là 1 FFD, nó là gốc mạng hình cây, là thiết

bị bắc cầu tới mạng khác Đặc trưng của ZC:

+ Thiết lập một mạng mới

+ Truyền tín hiệu mạng

+ Quản lý node mạng

+ Hoạt động tiêu biểu là nhận trạng thái

+ Lưu trữ thông tin mạng, khoá bảo mật

- ZR (Zigbee Router): Đây là 1 FFD, nó có các chức năng như:

+ Định tuyến trung gian truyền dữ liệu

+ Cho phép mở rộng mạng

+ Theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như node bình thường

- ZED (Zigbee End Devide): Đây là 1 FFD hoặc 1 RFD, nó không chuyển tiếp dữ liệu nhưng có một số đặc điểm như:

+ Yêu cầu bộ nhớ, khả năng tính toán thấp nên giá thành thấp

+ Chức năng chủ yếu là thu thập dữ liệu, theo dõi, điều khiển

2.3.6 Một số cấu hình mạ cơ bản của chuẩn Zigbee

Chuẩn Zigbee có 3 cấu hình mạng cơ bản:

+ Mạng hình sao

+ Mạng mắt lưới + Mạng hình cây Tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể mà người ta thiết lập mạng theo những cấu hình mạng khác nhau [12, 13]

2.3.6.1 Mạng hình sao:

Hình 2.8-Mạng hình sao

Mạng chỉ có FFD và RFD (hay ZC và ZED) Khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao có PAN ID riêng để mạng hoạt động độc lập Mạng chỉ có một ZC duy nhất, kết nối với các FFD và RFD khác ZED không truyền trực tiếp dữ liệu cho nhau

Mạng chỉ có một ZC duy nhất đóng vai trò như một điều phối viên toàn mạng, khi được kích hoạt, ZC này sẽ hoạt động Tuỳ vào năng lượng kênh và số mạng tìm được trên mỗi kênh mà ZC sẽ thành lập mạng với một PAN ID 16bit Sau đó nó sẽ cho phép các node con tham gia liên kết với mạng Trong mạng này ZED đóng vai trò là một RFD Hoạt động của RFD này chỉ là thu thập dữ liệu, điều khiển và cảm biến Các ZED này không thể truyền tin trực tiếp cho nhau được mà chỉ có thể truyền qua ZC

2.3.6.2 Mạng mắ ưới

Mạng mắt lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có khả năng

tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ node này sang node khác cho đến khi thiết lập được kết nối

Hình 2.9 – Mô hình mạng hình mắ ưới

Hình 2.10-Mạng hình mắt lưới với các thiết bị

- Được kết hợp bởi cấu trúc mạng hình sao và cấu trúc mạng ngang hàng

- Đây là mạng chuyển của Zigbee, tất cả các node trong mạng có thể truy cập ngang hàng trong truyền thông

- Ứng dụng trong đo lường, điều khiển, theo dõi cảnh báo

2.3.6.3 Mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết

bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một node rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác

vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao

Những thiết bị của Zigbee lưu trữ thông tin về node cha và node con trong khoảng bộ nhớ không đổi gọi là bảng neighbor Khi được kích hoạt, một thiết bị con được xác định thông qua bảng này Nó sẽ thực hiện một thông báo mồ côi để phát quảng bá trong mạng Những thiết bị nhận được thông báo (là các node cha)

sẽ kiểm tra bảng neighbor của chúng Nếu đúng thì sẽ thông báo lại địa chỉ cho node con Còn nếu sai thì node con sẽ tham gia vào mạng như một thiết bị mới ở mức độ sâu nhất

2.4 Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee

- Dịch vụ dữ liệu PHY(phy protocol data unit): Điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý

* Chức năng của tầng PHY: Là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ

phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền

- Có 27 kênh truyền, từ 0-26 trên ba dải tần số khác nhau như sau:

Tần số trung tâm Số l ượng kênh (N) Kênh Tần số kênh trung