Tài liệu Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa theo giao thức leach và zigbee

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền DL & MMT Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hoài Sơn Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình. Học viên Trần Hồng Hải LỜI CẢM ƠN Được trường Đại học Quốc Gia Hà Nội và Khoa Công Nghệ Thông Tin cho phép tôi nghiên cứu, viết luận văn về đề tài : “Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee”. Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã giảng dạy, chỉ dẫn tôi trong thời gian tôi học tập tại trường. Những kiến thức quý báu của thầy cô đã giúp tôi rất nhiều trong học tập cũng như trong cuộc sống. Tiếp theo tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Hoài Sơn. Cảm ơn thầy đã gắn bó, chỉ dạy tận tình tôi trong quá trình tôi nghiên cứu và viết luận văn. Một lần nữa xin cảm ơn quý thầy quý cô trong khoa và nhà trường. Luận văn thạc sy này được thực hiện dư̛i sự tài trợ tư đề tài NCKH cấp ĐHQGHN, mã số đề tài: QG.6.3..̀ . Học viên Trần Hồng Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU...............................................................................................................6. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN..........................................4 6..6.. Gi̛i thiệu về mạng cảm biến:....................................................................4 6..2. Cấu trúc của mạng cảm biến:.....................................................................3 6...̀. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây...................................7 6..4. Ứng dụng của mạng cảm biến:...................................................................9 CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN...........6.2 2.6. Tổng quan:.................................................................................................6.2 2.2 Giao thức LEACH:....................................................................................6.2 2..̀ Giao thức cải tiến LEACH-C:...................................................................6.3 2.4 ZigBee:......................................................................................................6.7 Chương III. XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN LEACH VÀ ZIGBEE...............................................................................................................26. .̀.6.. Đặt vấn đề:................................................................................................26. .̀.2. Giải pháp đề xuất:.....................................................................................22 .̀..̀. Cách thức triển khai giai pháp:.................................................................2.̀ Chương IV. XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP...............̀ 4.6.. Tổng quan hệ thống:..................................................................................̀ 4.2. Các thiết bị phần cứng:..............................................................................̀ 4.2.6.. Thiết bị truyền thông Xbee:................................................................̀ 4.2.2. Bo mạch Arduino Nano:.....................................................................̀2 4.2..̀. Cài đặt hệ thống cơ bản......................................................................̀.̀ 4..̀. Xây dựng nút SINK:..................................................................................̀9 4.4. Xây dựng nút Cluster Head:.....................................................................46. 4.5. Lắp đặt chạy thử hệ thống:.......................................................................46. 4.3. Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện:....................................................46. Chương V. KẾT LUẬN......................................................................................5.̀ TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................55 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 6..6. : Cấu trúc mạng cảm biến không dây (https://www.researchgate.net)...3 Hình 6..2 Sensor node............................................................................................7 Hình 6...̀ Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây...............................7 Hình 6..4 SmartHouse(www.vietnamnet.vn).........................................................9 Hình 2.6.. Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN [3].........6.2 Hình 2.2 : Mô hình giao thức LEACH (http://www.spiroprojects.com)............6..̀ Hình 2..̀ : Ngưỡng thiết lập Cluster Head...........................................................6.5 Hình 2.4 : Lưu đồ thuật toán cài đặt LEACH(www.slideshare.net)...................6.5 Hình 2.5 : Lưu đồ thuật toán giai đoạn ổn định LEACH(www.slideshare.net). .6.3 Hình 2.3 : Giai đoạn cài đặt của LEACH-C (www.slideshare.net).....................6.7 Hình 2.7 : Cấu trúc của mạng ZigBee(adlt.com.au)............................................6.8 Hình 2.8 : Mô hình mạng ZigBee (http://arduino.vn/)........................................6.9 Hình .̀.6.. Sơ đồ chức năng của nút chủ SINK....................................................25 Hình .̀.2. Khung dữ liệu nút SINK nhận được....................................................25 Hình .̀..̀. Khung dữ liệu nút SINK gửi đi...........................................................23 Hình .̀.4. Sơ đồ chức năng nút thành phần.........................................................27 Hình .̀.5. Khung dữ liệu Broad Cast của Cluster Head......................................28 Hình .̀.3. Khung dữ liệu được gửi tư nút thành phần đến Cluster Head.............28 Hình 4.6. Sơ đồ hệ thống.......................................................................................̀ Hình 4.2 : Thiết bị Xbee (http://arduino.vn/).......................................................̀6. Hình 4..̀ : Bộ kết hợp của Xbee và Arduino (http://arduino.vn/).........................̀6. Hình 4.4 : Cấu trúc Xbee (http://arduino.vn/)......................................................̀2 Hình 4.5 : Arduino Nano (http://arduino.vn/)......................................................̀2 Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc Arduino Nano (http://arduino.vn/)...............................̀.̀ Hình 4.7 : Đế chuyển đổi tư 2. sang 2.5 (http://arduino.vn/).............................̀.̀ Hình 4.8 : Xbee và Arduino Nano trên Bread Board...........................................̀4 Hình 4.9 : Bộ cấu hình cho Xbee.........................................................................̀4 Hình 4.6. : Nhận diện Xbee.................................................................................̀5 Hình 4.6.6. : Cấu hình Xbee...................................................................................̀3 Hình 4.6.2 : Sơ đồ mạch kết nối Xbee và Arduino Nano (http://arduino.vn/)......̀7 Hình 4.6..̀ : Code cho nút SINK ( Coordinator )..................................................̀8 Hình 4.6.5 : Giao diện Arduino IDE....................................................................4 Hình 4.6.9: Pin sạc dự phòng...............................................................................42 Hình 4.6.9. Gói tin trong ZigBee thuần................................................................42 Hình 4.2 . Gói tin trong phương pháp m̛i của tôi.............................................4.̀ Hình 4.26.. Mô hình 7 node ZigBee thuần...........................................................4.̀ Hình 4.22. Mô hình mạng của phương pháp m̛i v̛i 7 node.............................44 CÔNG THỨC TRONG LUẬN VĂN Công thức (6.) : Xác định Cluster Head trong giao thức LEACH ... Trang 6.5 Công thức (2) : Tính hiệu suất truyền dữ liệu thành công ……...... Trang 29 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay khoa học ky thuật được đưa vào áp dụng cho công nông nghiệp rất nhiều. V̛i nhu cầu tiêu thụ thực phẩm sạch an toàn ngày càng cao cho nên những vườn trồng hay trang trại có quy mô được mở ra. Nhằm giúp cho người trồng quản lý được môi trường của vườn trồng nhanh và chính xác thì những thiết bị cảm biến được sử dụng. Tính cấp thiết đối v̛i thực tế, vì vậy tôi đã tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài xây dựng mạng cảm biến v̛i mong muốn mang lại hiệu quả hơn cho người sử dụng. Mạng cảm biến không dây là hệ thống tập hợp, liên kết nhiều cảm biến v̛i nhau sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu v̛i quy mô l̛n trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp v̛i nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Mỗi một cảm biến chịu một hoặc nhiều nhiệm vụ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Hiện nay mạng cảm biến không dây được áp dụng trong nhiều lĩnh vực ví dụ như: y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu,… Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng m̛i cho con người. Các đầu đo v̛i bộ vi xử lý rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thư̛c rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc v̛i khả năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Công nghệ ky thuật phát triển mạnh như hiện nay mạng cảm biến không dây được cải tiến liên tục mang lại hiểu quả to l̛n cho nhiều ngành nghề trong 6. nhiều lĩnh vực. Đi kèm v̛i công nghệ 4. và công nghệ IOT đang phát triển vượt bậc cho ta thấy tương lai tươi sáng của mạng cảm biến không dây. Xbee là một thiết bị truyền thông không dây được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây. Xbee có những thế mạnh cần thiết như: sự tin cậy, tính mở rộng, dễ sử dụng, tiết kiệm năng lượng,… Xbee sử dụng giao thức Zigbee cơ bản để hình thành mạng cảm biến không dây. V̛i những thế mạnh của Xbee nêu ở trên đề tài của tôi lựa chọn Xbee là thiết bị để xây dựng mạng cảm biến không dây ZigBee. Đề tài này có thể giúp tôi tìm hiểu và vận dụng các kiến thức vào thực tế, cùng v̛i đó tích lũy thêm kinh nghiệm và chuyên môn. [2] 2. Mục tiêu nghiên cứu: Hiện nay nhiều những thiết bị cảm biến và nhiều mạng cảm biến được thiết kế ra. Mỗi mạng cảm biến lại có thế mạnh riêng, cách thức sử dụng riêng. Vì vậy trong đề tài tôi chọn hai giao thức mạng cảm biến dùng nhiều nhất và phù hợn v̛i điều kiện ở Việt Nam là LEACH và Zigbee. Mục tiêu của tôi là đưa ra phương pháp để kết hợp thế mạnh của hai giao thức mạng cảm biến lại v̛i nhau nhằm xây dựng một mạng cảm biến hoạt động hiệu quả hơn. Đề tài tập trung nghiên cứu và thay đổi phương thức định tuyến của mô hình mạng cảm biến ZigBee theo phương thức định tuyến của giao thức LEACH. Hệ thống được áp dụng trên 7 thiết bị truyền phát dữ liệu Xbee, sử dụng Arduino để định tuyến đường truyền gói tin. Phân tích hiệu quả của mô hình mang lại về ba mặt : hiệu quả truyền tin, kéo dài sự sống của mạng, hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Kiến thức về mạng cảm biến không dây tôi có được học trong chương trình đào tạo cao học của nhà trường. Tài liệu nghiên cứu chủ yếu được lấy tư những bài báo trong và ngoài nư̛c và những kiến thức thu nhặt được tư các trang chia sẽ thông tin trên mạng Internet. Đi sâu tìm hiểu về cách thức đóng gói, định tuyền gói tin của mạng cảm biến không dây nhằm thay đổi theo cách thức mình mong muốn. 2 3. Cấu trúc đề tài: Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu tôi đã viết luận văn v̛i các nội dung như sau: - Chương một là tổng quan về mạng cảm biến : Chương này tập trung gi̛i thiệu về mạng cảm biến không dây, một số mạng cảm biến được áp dụng hiện nay. - Chương hai là mạng cảm biến liên quan: Gi̛i thiệu về mạng cảm biến ZigBee và hai giao thức liên quan trong đề tài là LEACH, LEACH-C. - Chương ba là đặt vấn đề, đưa ra giải pháp đề xuất và phương pháp thực hiện giải pháp trên. - Chương bốn là xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và ZigBee, đánh giá hiệu quả mang lại. - Chương năm là kết luận : Nêu ra những thế mạnh và kết quả của đề tài, rút ra những kinh nghiệm và những khó khăn, những vấn đề chưa giải quyết được. Phương hư̛ng tiếp theo sẽ như thế nào. .̀ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu v̛i quy mô l̛n trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp v̛i nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; thu thập thông tin môi trường; giám sát sức khỏe cho bệnh nhân trong y tế; ... Thế mạnh chủ yếu của chúng sự linh hoạt cũng như không dây nên có thể triển khai ở những khu vực đặc biệt mà thiết bị có dây không thể xây dựng. Các thiết bị cảm biến không dây được liên kết v̛i nhau tạo thành một mạng hoặc các cụm mạng có cấu trúc theo chuẩn nhất định. Giúp cho chúng ta có thể tùy chỉnh về mô hình, cách thức hoạt động, quy mô của mạng. Các thiết bị thường được thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm về không gian và năng lượng tiêu thụ thấp. Hiện nay khoa học tiên tiến đã đẩy khả năng xử lý của chip điện tử lên cao vì vậy các thiết bị cảm biến tuy nhỏ gọn nhưng có thể thực hiện được rất nhiều công việc. V̛i độ bền thiết bị được đảm bảo cho nên mạng cảm biến không dây thường hoạt động liên tục, đưa lại cho chúng ta những thông tin cần thiết và kịp thời. Hệ thống mạng cảm biến được áp dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học cũng như cuộc sống. [2] [7] Mạng cảm biến không dây có nhưng đặc điểm nổi bật như sau: [2] [3] - Kích thước vật lý nhỏ gọn: Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường được thiết kế nhỏ gọn để tiện dụng. Mặc dù kích thư̛c luôn tỉ lệ nghịch v̛i tốc độ xử lý, gi̛i hạn lưu trữ, thời gian hoạt động. Nhưng v̛i những mục đích mình mong muốn thì việc phát triển và thiết kế sao cho hợp lý và hài hòa nhất. V̛i công nghệ tiên 4 tiến bây giờ các thiết bị trong mạng cảm biến không dây cũng khá đủ cho nhu cầu của người dùng: kích thư̛c bé, năng lượng tiêu thu thấp, xử lý nhanh,… - Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Do nhu cầu của người dùng nên việc một mạng cảm biến không dây thường hoạt động liên tục và chính xác cao trong thời gian dài. Ví dụ như việc giám sát sức khỏe người bệnh trong y tế chẳng hạn, người dùng phải được theo dõi thường xuyên và liên tục. Những thông số môi trường hay thông tin dữ liệu thường được người dùng yêu cầu tức thì và chính xác cho nên các thiết bị mạng cảm biến không dây được thiết kế v̛i nhưng tiêu chí như trên. Việc thiết kế phần cứng ảnh hưởng trực tiếp trong quá trình trên nhưng khi chúng ta thiết kế phần mềm hợp lý cũng mang lại hiệu quả khá bất ngờ. - Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Hiện nay có rất nhiều dạng cảm biến, những cảm biến được dành riêng cho một số lĩnh vực nhất định. Những hệ thống được thiết kế cho những công việc đặc thù như đo lượng dầu trong nư̛c hay đo nồng độ khí CO2 trong không khí chẳng hạn. Cho nên những người phát triển mạng cảm biến không dây đã đưa ra nhưng giải pháp thích hợp là xây dựng một nền tảng chung có thể áp dụng, kết hợp nhiều thiết bị lại v̛i nhau. Sử dụng linh hoạt phần mềm để có thể thích ứng v̛i phần cứng riêng nhằm đưa lại hiệu quả công việc. - Hoạt động tin cậy Những thông tin dữ liệu mà mạng cảm biến mang lại rất quan trọng và cần thiết. Đối v̛i những lĩnh vực đặc biệt thì điều đó là tối cần thiết. Hiện nay khoa học công nghệ phát triển đã thiết kế ra những thiết bị có độ tin cây cao và cung cấp thông tin nhanh chóng. Như việc linh động đã nêu ở trên thì việc người dùng sử dụng phần mềm thích hợp sẽ cho chúng ta hiệu quả cao, độ tin cậy thông tin cao. Có rất nhiều yếu tố mang lại sự tin cậy cho mạng cảm biến không dây cũng như có rất nhiều yếu tố bên ngoài gây ra việc giảm độ tin cậy. Trong mỗi trường hợp chúng ta phải đưa ra những giải pháp hợp lý để sự tin cậy của mạng cảm biến không dây là tốt nhất. 5 1.2. Cấu trúc của mạng cảm biến: Một mạng cảm biến không dây thường có số lượng l̛n các nút được phủ trong một vùng, khu vực nào đấy mà chúng ta muốn thăm dò hay thu thập thông tin dữ liệu. Do có sự gắn kết trong mạng nên các nút có thể tùy chỉnh vị trí sao cho phù hợp v̛i địa hình cũng như yêu cầu người dùng. V̛i khả năng mở rộng cho nên mạng cảm biến không dây có thể tiếp cận những khu vực nguy hiểm hoặc địa hình đặc thù. Khả năng liên kết cũng như công tác làm việc của các cảm biến không dây chính là đặc trưng cơ bản nhất. V̛i số lượng l̛n các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so v̛i truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so v̛i truyền khoảng cách xa. Hình 1.1 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây (https://www.researchgate.net) Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 6..6.. Các nút cảm biến được xây dựng trong một trường cảm biến chính là khu vực được bao viền xanh trên hình. Mỗi nút cảm biến được sắp đặt trong mạng có khả năng thu thập thông tin dữ liệu, định tuyến gói tin về nút chủ là bộ thu nhận (Sink) để chuyển t̛i người dùng (User) qua internet hoặc một môi trường khác. Nút Sink có thể yêu cầu việc định tuyến để các nút cảm biến truyền bản tin theo mong muốn. Số liệu được nút Sink nhận về thường không có một định dạng cụ thể, có thể tùy chỉnh sao cho phù hợp v̛i mục đính của mình. 3 Hình 1.2 Sensor node Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: hệ thống cảm biến, bộ xử lý, bộ phận lưu trữ nếu cần, thiết bị thu phát không dây và nguồn năng lượng. Tùy theo nhu cầu người dùng nên có những nút cảm biến còn được gắn thêm các thiết bị như hệ thống định vị, hệ thống năng lượng mặt trời,… Các thành phần cơ bản trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 6..2. Hệ thống cảm biến bao gồm các đầu đo Sensor và một bộ chuyển đổi tương tự/số ADC. Các tín hiệu tương tự được thu nhận tư đầu đo được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, những tín hiệu số được đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thường được gắn thêm một bộ nh̛ nhỏ, nhằm xử lý tín hiệu số và truyền dữ liệu cho thiết bị thu phát không dây. Ở đây bộ xử lý có thể định dạng gói tin cũng như định tuyến gói tin cho thiết bị không dây. Thiết bị không dây có nhiệm vụ thu phát các thông tin dữ liệu giữa các nút cảm biến v̛i nhau. [2] [3] 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây 7 Kiến trúc giao thức được sử dụng trong nút chủ (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 6...̀. Kiến trúc giao thức bao gồm l̛p ứng dụng (Application Layer), l̛p giao vận (Transport Layer), l̛p mạng (Network Layer), l̛p liên kết số liệu (Datalink Layer), l̛p vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). Kiến trúc gồm ba mặt phẳng quản lý là : Mặt phẳng quản lý nguồn, mặt phẳng quản lý tính di động, mặt phẳng quản lý tác vụ. - Mặt phẳng quản lý nguồn : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : một nút cảm biến có thể bật hoặc tắt bộ thu nhận sau khi nhận được một bản tin. Các nút cảm biến có thể broadcast đến các nút bên cạnh rằng mình không đủ năng lượng để thực hiện công việc được nữa. - Mặt phẳng quản lý tính di động : Có nhiệm vụ quản lý tính di động của nút. Có thể phát hiện các nút bên cạnh và thông báo vị trí của nó cho các nút đấy. - Mặt phẳng quản lý tác vụ : Làm nhiệm vụ sắp xếp các công việc giữa các nút trong vùng liên quan. - 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. Trong mạng cảm biến thì băng tần sử dụng nhiều nhất là ISM 96.5 MHZ. - Lớp liên kết dữ liệu: L̛p này có nhiệm vụ liên kết dữ liệu, phát hiện dữ liệu hay các frame dữ liệu cần thiết. Vì một mạng cảm biến thường nhận được nhiều tín hiệu tạp âm nên nhiệm vụ của l̛p này rất cần thiết. - Lớp mạng: L̛p mạng được thiết kế dùng để phân biệt các mạng cảm biến khác nhau. Trong l̛p này có nhưng số liệu mà người dùng cài đặt để xây dựng một mạng cảm biến riêng cho mình. - Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống được thiết kế cho việc truy cập qua internet hoặc mạng bên ngoài. 8 - Lớp ứng dụng: Tùy theo nhiệm vụ của cảm biến, các loại ứng dụng, phần mềm khác nhau được xây dựng và sử dụng ở l̛p ứng dụng này. [2] 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến:  Giám sát và điều khiển công nghiệp Hiện nay nên công nghiệp cực kỳ phát triền, rất nhiều lĩnh vực cần đến tự động hóa. Hay có những công việc phải điều khiển tư xa, sức khỏe con người không thể lại gần. Những khu vực nguy hiểm cần phải giám sát thường xuyên như hầm mỏ, khu sản xuất vật liệu nguy hiểm, khu vực thử nghiệm thuốc súng thuốc nổ. Mạng cảm biến không dây áp dụng rất nhiều trong công nghiệp, đem lại nguồn thu l̛n lao cho con người, giảm thiểu khả năng tai nạn ảnh hưởng sức khỏe người lao động. Một ví dụ đơn gian và dễ thấy nhất là hệ thống phòng cháy chữa cháy trong công ty bạn chẳng hạn. Đó cũng là một cảm biến nhiệt độ và cảm biến khói trong phòng. Khi phát hiện ra nó sẽ tự động phun nư̛c dập lửa.  Tự động hoá gia đình và điện dân dụng Hình 1.4 SmartHouse(www.vietnamnet.vn) Hiện nay SmartHouse chắc không xa lạ đối v̛i chúng ta. Hệ thống nhà thông minh bao gồm một hoặc nhiều mạng cảm biến khác nhau. Phục vụ rất nhiều công việc cho con người. Một ứng dụng được điều khiển chung tư xa, 9 máy nghe nhạc, dàn âm thanh nổi và các thiết bị điện tử gia đình khác hay các bóng đèn, các cánh cửa, và các ổ khoá cũng được trang bị v̛i kết nối mạng cảm biến không dây. V̛i hệ thống điều khiển tư xa bạn có thể điều khiển, quản lý ngôi nhà của bạn. Tuy nhiên, khả năng hấp dẫn nhất là sự kết hợp thông minh tư nhiều dịch vụ, giống như các cánh cửa tự động đóng khi TV được bật, hoặc có thể tự động ngưng hệ thống giải trí gia đình khi có điện thoại hoặc chuông cửa reo. Mục đích l̛n của các mạng cảm biến không dây trong gia đình được mong chờ là mức tiêu thụ điện thấp và tính ổn định cao là điều kiện thiết yếu của các mạng cảm biến không dây. Triển vọng của mạng cảm biến không dây trong quân sự  Các mạng cảm biến không dây là một phần cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng quân sự ngày nay v̛i các hệ thống ra lệnh, điều khiển, thu thập tin tức tình báo truyền thông, tính toán, theo dõi kẻ tình nghi, trinh sát và tìm mục tiêu. Các đặc tính triển khai nhanh chóng, tự tổ chức và khả năng chịu đựng lỗi của các mạng cảm biến cho thấy đây là một công nghệ đầy triển vọng trong lĩnh vực quân sự. V̛i đặc điểm nhỏ gọn thì một hệ thống theo dõi mục tiêu rất đơn giản mà khó có thể phát hiện được. Một số ứng dụng của mạng cảm biến là: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng địa lý và lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát và phát hiện các vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân. Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khỏe  Trong y tế hiện nay cũng áp dụng rất nhiều về mạng cảm biến không dây. Ví dụ như một hệ thống theo dõi sức khỏe bệnh nhân như: Nhịp tim, nồng độ cồn, nồng độ chất trong máu, hoạt động chân tay,… Vì những đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây được nêu ra ở trên cho nên trong y tế rất được coi trọng và ứng dụng.  Mạng cảm biến không dây với môi trường và ngành nông nghiệp Trong nông nghiệp hiện nay đã và đang sử dụng những mạng cảm biến không dây l̛n. Việc theo dõi thông số cho cây trồng luôn được ưu tiên hàng đâu. Ví dụ như việc theo dõi nhiệt độ, hoặc lưu lượng nư̛c, nồng độ chất trong 6. dung dịch nuôi cây chẳng hạn. V̛i đặc điểm mở rộng và dễ lắp đặt thì việc áp dụng mạng không dây trên một diện tích trông cây l̛n là hoàn toàn hợp lý. Một số các ứng dụng về môi trường của mạng cảm biến không dây bao gồm theo dõi sự di chuyển của các loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra các điều kiện môi trường ảnh hưởng t̛i mùa màng và vật nuôi; tình trạng nư̛c tư̛i; các công cụ vĩ mô cho việc giám sát mặt đất ở phạm vi rộng và thám hiểm các hành tinh; phát hiện hóa học, sinh học; tính toán trong nông nghiệp; kiểm tra môi trường không khí, đất trồng, biển; phát hiện cháy rưng; nghiên cứu khí tượng và địa lý; phát hiện lũ lụt; vẽ bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu ô nhiễm môi trường. [2] 6.6. CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN 2.1 Tổng quan: Mạng cảm biến không dây có nhiều điểm giống v̛i mạng adhoc nhưng cũng có rất nhiều đặc tính riêng nên có thể phân loại thành một dạng mạng riêng. V̛i những đặc tính đã trình bày ở chương trư̛c giúp chúng ta có thể thiết kế ra nhiều giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Để thiết kế được giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải nắm rõ những vấn đề liên quan đến mạng cảm biến. Trong mạng cảm biến không dây có ba giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến ngang hàng hay gọi là trung tâm dữ liệu (data-centric-protocol), định tuyến phân cấp (hierarchicalprotocol) và định tuyến dựa vào vị trí (location-based-protocol). [3] Hình 2.1. Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN [6] 2.2 Giao thức LEACH: Những tiến bộ gần đây trong thông tin vô tuyến và điện tử đã cho phép phát triển các mạng cảm biến giá thành thấp. Mạng cảm biến có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như theo dõi môi trường, y tế, trong quân sự hoặc sử dụng trong gia đình. Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) bao gồm các nút 6.2