10412_Nghiên cứu hệ điều hành mã nguồn mở Contiki cho mạng cảm biến không dây

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Homenabounlat Chanh, học viên lớp cao học K17 – Khoa
học máy tính – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái
Nguyên.

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu hệ điều hành mã nguồn mở
Contiki cho mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong hệ thống nông
nghiệp chính xác tại Lào” do Thầy giáo TS. Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, là
công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của
Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Thái Nguyên, năm 2020
Học viên

Homenabounlat Chanh

ii

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài
nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:
Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình
về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn.
Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, Trường đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện
về thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả.
Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý
báu đó.
Thái Nguyên, năm 2020
Học viên

Homenabounlat Chanh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ………………………………………………………………………………………….. i
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………………………………. ii
MỤC LỤC
…………………………………………………………………………………………………… iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU …………………………………………………………………. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ………………………………………………………………………… ix
MỞ ĐẦU
…………………………………………………………………………………………………….. xi
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
…………………….. 1
1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây ………………………………………………… 1
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
……………………………….. 2
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút
………………………………………………………… 2
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng …………………………………………………….. 3
1.2.3. Sự chuẩn hóa
…………………………………………………………………………………. 6
1.2.2. Khả năng cộng tác …………………………………………………………………………. 7
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
…………………….. 7
1.3.1. Lớp vật lý
……………………………………………………………………………………… 9
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu
………………………………………………………………………… 9
1.3.3. Lớp mạng ……………………………………………………………………………………. 10
1.3.4. Lớp giao vận ……………………………………………………………………………….. 11
1.3.5. Lớp ứng dụng
………………………………………………………………………………. 11
1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây …………. 12
1.4.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây…………………….. 12
1.4.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây ………………… 14
1.5. Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến không dây
……………………………………. 21
1.6. Phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây …………………………………. 23
1.6.1. Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây
…………………………………… 24
1.6.2. Những thách thức ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ điều hành cho mạng
cảm biến không dây ………………………………………………………………………………. 24
1.7. Kết luận chương 1 ……………………………………………………………………………… 25
Chương 2. HỆ ĐIỀU HÀNH MÃ NGUỒN MỞ CONTIKI ……………………………… 26
2.1. Giới thiệu về hệ điều hành Contiki
……………………………………………………….. 26
2.2. Cấu trúc hệ điều hành Contiki
……………………………………………………………… 27
iv

2.3. Ngăn xếp truyền thông trong hệ điều hành Contiki ………………………………… 28
2.3.1. Ngăn xếp truyền thông uIP ……………………………………………………………. 29
2.3.2. Ngăn xếp truyền thông RIME………………………………………………………… 30
2.4. Mô hình lập trình trong hệ điều hành Contiki ………………………………………… 31
2.4.1. Mô hình lập trình Event-driven ……………………………………………………… 31
2.4.2. Mô hình lập trình Multithreads
………………………………………………………. 32
2.4.3. Mô hình lập trình Protothreads ………………………………………………………. 32
2.4.4. So sánh ba mô hình lập trình trong hệ điều hành Contiki ………………….. 33
2.5. Các bộ định thời trong hệ điều hành Contiki …………………………………………. 34
2.6. Cài đặt môi trường phát triển với hệ điều hành Contiki
…………………………… 35
2.7. Kết luận chương 2 ……………………………………………………………………………… 37
Chương 3. ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TRONG NÔNG NGHIỆP CHÍNH
XÁC TẠI LÀO …………………………………………………………………………………………… 38
3.1. Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu trong nông nghiệp chính xác tại Lào …… 38
3.1.1. Giới thiệu về nông nghiệp chính xác ………………………………………………. 38
3.1.2. Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu trong nông nghiệp chính xác tại Lào 39
3.2. Phần cứng Tmote Sky cho ứng dụng nông nghiệp chính xác …………………… 40
3.3. Giao thức truyền thông cây thu thập dữ liệu CTP
…………………………………… 41
3.3.1. Giới thiệu giao thức CTP
………………………………………………………………. 41
3.3.2. Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP ………………….. 43
3.3.3. Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP
………………………………………… 43
3.3.4. Các thành phần chính của giao thức CTP
………………………………………… 46
3.4. Thực thi giao thức CTP trên hệ điều hành Contiki …………………………………. 47
3.4.1. Ngăn xếp truyền thông RIME………………………………………………………… 47
3.4.2. Các thành phần ……………………………………………………………………………. 49
3.4.3. Hoạt động
……………………………………………………………………………………. 50
3.5. Mô phỏng hệ thống thu thập dữ liệu trong nông nghiệp chính xác với công cụ
mô phỏng Cooja ………………………………………………………………………………………. 53
3.5.1. Công cụ mô phỏng Cooja ……………………………………………………………… 54
3.5.2. Mô hình nhiễu trong Cooja
……………………………………………………………. 54
3.5.3. Kịch bản mô phỏng đánh giá …………………………………………………………. 57
3.5.4. Các thước đo đánh giá ………………………………………………………………….. 59
3.5.5. Kết quả đánh giá ………………………………………………………………………….. 60
3.6. Kết luận chương 3 ……………………………………………………………………………… 63
v

KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………………… 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
…………………………………………………………………………….. 65
vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
Chữ đầy đủ
ACK
Acknowledgement
ARQ
Automatic Repeat Request
API
Application Programming Interface
CCA
Clear Channel Assessment
CTP
Collection Tree Protocol
ETX
Expected Transmission
FFDs
Full Function Devices
ICMP
Internet Control Message Protocol
IP
Internet Protocol
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers
MAC
Medium Access Control
RAM
Random Access Memory
RFDs
Reduced Function Devices
EC
Error Control
FEC
Forward Error Control
PAN
Personal Area Network
TDMA
Time Division multiple access
TCP
Transport Control Protocol
UDP
User Datagram Protocol
UDG
Unit Disk Graph
UDI
UDG with Distance Interference
vii

WiFi
Wireless Fidelity
WSN
Wireless Sensor Network

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng.
…………………………………………………………. 58
Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm. ……….. 60

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác trong
trường cảm biến…………………………………………………………………………………………….. 1
Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
……………………. 8
Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm – Điểm trong mạng cảm biến không dây.
…. 12
Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.
12
Hình 1.5: Mô hình truyền thông Đa điểm – Điểm trong mạng cảm biến không dây.14
Hình 1.6: Một mạng IEEE 802.15.4 với các nút FFDs thể hiện như các chấm đen và
các nút RFDs thể hiện bởi các chấm trắng. Hai FFDs là điều phối viên PAN trong
hai mạng PAN được biểu diễn bởi những vòng tròn đen. Mạng PAN bên phải bao
gồm hai FFDs nhưng chỉ một FFD là điều phối viên PAN. ………………………………. 15
Hình 1.7: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và địa
chỉ ngắn (16 bit). …………………………………………………………………………………………. 16
Hình 1.8: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý.
……………………. 18
Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11. Kênh 25
và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11. …. 18
Hình 1.10: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC. ………….. 20
Hình 1.11: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến
không dây. ………………………………………………………………………………………………….. 22
Hình 1.12: Bo mạch MicaZ của hãng Crossbow Technology. ………………………….. 22
Hình 1.13: Quá trình phát triển phần mềm cho một nút cảm biến không dây.
Mã nguồn được biên dịch thành mã máy và được ghi vào ROM trong bộ vi điều
khiển của nút cảm biến.
………………………………………………………………………………… 23
Hình 2.1: Lịch sử phát triển Contiki. ……………………………………………………………… 26
Hình 2.2: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki. ………………………………………….. 28
Hình 2.3: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki. …………………………………… 29
Hình 2.4: Ngăn xếp truyền thông uIP. ……………………………………………………………. 29
x

Hình 2.5: Tổ chức của RIME. ……………………………………………………………………….. 30
Hình 2.6: Bộ đệm và Thao tác gói trong RIME.
………………………………………………. 31
Hình 2.7: Phương thức sử dụng bộ nhớ của Multithreads và Event-driven. ………… 33
Hình 2.8: Các luồng điều khiển trong Multithreads và Event-driven.
…………………. 33
Hình 2.9: Ví dụ về lập trình đa luồng (trái) và lập trình hướng sự kiện (phải).
…….. 34
Hình 2.10: Ví dụ của lập trình Protothreads. …………………………………………………… 34
Hình 2.11: Giao diện VMware Player. …………………………………………………………… 35
Hình 2.12: Chọn đường dẫn đến Instant-Contiki.
…………………………………………….. 36
Hình 2.13: Giao diện đăng nhập username. …………………………………………………….. 36
Hình 2.14: Giao diện nhập Password.
…………………………………………………………….. 37
Hình 2.15: Giao diện Instant-Contiki được cài trên Ubuntu.
……………………………… 37
Hình 3.1: Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển tưới chính xác trong nhà
kính.
…………………………………………………………………………………………………………… 40
Hình 3.2. phần cứng Tmote Sky. …………………………………………………………………… 41
Hình 3.3: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP.
……………….. 42
Hình 3.8: Giao thức CTP được xây dựng trên ngăn xếptruyền thông RIME trong
Contiki.
………………………………………………………………………………………………………. 48
Hình 3.9: Quá trình xử lý một số sự kiện trong giao thức CTP.
…………………………. 52
Hình 3.10: Lưu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật rtmetric của nút lân cận. ……………… 53
Hình 3.11: Công cụ mô phỏng Cooja. ……………………………………………………………. 54
Hình 3.12: Mô hình UDI [16]. ………………………………………………………………………. 56
Hình 3.13: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng.
…………. 57

xi

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Contiki [1, 2] là một hệ điều hành mã nguồn mở được thiết kế cho các hệ
thống mạng nhúng nói chung và mạng lưới các thiết bị đo nói riêng. Hệ điều hành
Contiki được phát triển bởi Adam Dunkels đến từ nhóm Embedded Systems của
Viện Khoa học Máy tính Thụy Điển. Nhóm phát triển Contiki gồm nhiều thành viên
đến từ SICS, CISCO, cùng nhiều tổ chức và các trường đại học khác trên thế giới.
Hệ điều hành Contiki được thiết kế cho các vi điều khiển có bộ nhớ nhỏ, với thông
số 2KB RAM và 40KB ROM. Nhờ đó, Contiki có thể được sử dụng cho các hệ
thống nhúng. Trong thực tế, Contiki đã được ứng dụng trong nhiều dự án như giám
sát đường hầm xe lửa, theo dõi nước trong biển Baltic…
Mạng cảm biến không dây (Wireless Senssor Network – WSN) là mạng liên
kết các thiết bị tự vận hành, liên kết với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF
connection) trang bị sensor để giám sát các tham số của một môi trường vật lý.
Trong vài năm gần đây, mạng cảm biến không dây thu hút nhiều sự quan tâm
nghiên cứu [3]-[11], và chúng được hình dung là có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng khác
nhau bao gồm giám sát trong quân đội [12], giám sát môi trường [13], và bảo vệ cơ
sở hạ tầng [14]…
Cho đến nay, mạng cảm biến không dây vẫn đang trong quá trình phát triển
và hoàn thiện để có thể ứng dụng vào thực tế một cách rộng rãi và hiệu quả. Một
trong những vấn đề lớn nhất đối với mạng cảm biến hiện nay là tối ưu hóa việc sử
dụng năng lượng để kéo dài thời gian sống của một nút mạng cảm biến. Có thể liệt
kê một số tiêu chí mà các nghiên cứu về WSN đang hướng đến là:
 Giảm năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến;
 Tăng thời gian sống của nút cũng như cả hệ thống WSN;
 Giảm giá thành nút cảm biến để dễ dàng triển khai quy mô lớn;
 Tăng tính tương thích của hệ thống WSN để có thể dễ dàng kết nối vào các
hệ thống khác như mạng Internet, mạng gia đình;
xii

 Đưa ra các mô hình ứng dụng mới có khả năng thay đổi cuộc sống của con
người trong tương lai.
Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu hệ điều hành mã nguồn mở
Contiki cho mạng cảm biến không dây và xây dựng mô hình ứng dụng nông nghiệp
chính xác tại Lào. Nông nghiệp chính xác là một nền nông nghiệp được ứng dụng
kết hợp những công nghệ mới, tiên tiến để sản xuất, còn gọi là công nghệ cao nhằm
nâng cao hiệu quả, tạo bước đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn
nhu cầu ngày càng cao của xã hội và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hệ điều hành mã nguồn mở Contiki
cho mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong nông nghiệp chính xác tại Lào.
Trong luận văn này, tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ thông tin trong nông
nghiệp tại Lào nhằm giúp cho người nông dân có thể kiểm soát được các điều kiện
sinh trưởng và phát triển của cây trồng (nhiệt độ, độ ẩm…). Các nghiên cứu, đánh
giá được tác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja.
3. Mục tiêu của đề tài
Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng,
tính hiệu quả khi sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở Contiki cho mạng cảm biến
không dây trong hệ thống nông nghiệp chính xác nhằm nâng cao hiệu quả, tạo bước
đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã
hội và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững. Dựa trên những phân tích,
nghiên cứu lý thuyết, tác giả xây dựng mô hình ứng dụng nông nghiệp chính xác tại
Lào. Mô hình ứng dụng này được tác giả đánh giá dựa trên mô phỏng. Kết quả mô
phỏng là cơ sở lý thuyết tốt để phục vụ cho việc triển khai ứng dụng mạng cảm biến
không dây trong thực tế.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ở
trong và ngoài nước để làm chủ hệ điều hành mã nguồn mở Contiki từ đó xây dựng
mô hình ứng dụng thu thập dữ liệu trong nông nghiệp chính xác tại Lào. Dựa trên
xiii

các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiến hành cài đặt, mô phỏng
hệ thống.
5. Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày thành 03 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Hệ điều hành mã nguồn mở Contiki.
Chương 3: Ứng dụng thu thập dữ liệu trong nông nghiệp chính xác tại Lào.
Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các nội dung nghiên cứu và dự kiến hướng
nghiên cứu tiếp theo của luận văn.
6. Đóng góp của luận văn
Hiện nay, nền nông nghiệp tại Lào vẫn còn thủ công, ứng dụng khoa học
công nghệ còn chậm; sản xuất nông nghiệp còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết dẫn
đến năng suất thấp. Trong luận văn này, tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ thông
tin trong nông nghiệp tại Lào nhằm giúp cho người nông dân có thể kiểm soát được
các điều kiện sinh trưởng và phát triển của cây trồng (nhiệt độ, độ ẩm…). Do vậy,
vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY

1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện,
hiện tượng trong một môi trường xác định. Các ứng dụng điển hình của mạng cảm
biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học…
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường
được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường
dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt
động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt
độ cao,…).

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến
phân bố rải rác trong trường cảm biến.
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh
họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến
một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô
tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể
truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay
bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần
đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối. Lưu ý
2

rằng, có thể có nhiều Sink/Gateway và nhiều người dùng cuối trong kiến trúc thể
hiện ở hình 1.1.
Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng
đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền
thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:
 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực
hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.
 Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc
chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp
trong tuyến đường đa chặng đến Sink.
1.2. Những thách thức đối với mạng cảm biến không dây
1.2.1. Những thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần
phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành. Công suất tiêu
thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng
thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên
ngoài. Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình
thức quyết định đến các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút
mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng
đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì mạng cảm biến không dây thường
được triển khai với quy mô lớn. Với việc triển khai hàng ngàn các nút mạng cảm
biến thì việc tiết kiệm giá thành một vài đôla cho mỗi nút sẽ cho phép tiết kiệm
được một khoản tiền đáng kể.
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến
việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng.
Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện phần cứng
có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗ trợ chế độ ngủ
hiệu quả về mặt năng lượng. Phần mềm chạy trên các nút cảm biến không dây cần
phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng và đặt các thành phần phần cứng
ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Nhờ sự hỗ trợ của các nhà phát triển phần mềm,
các nút mạng cảm biến có thể chạy hệ điều hành và nó cung cấp các cơ chế hoạt
động công suất thấp giúp tiết kiệm năng lượng.
3

Vấn đề hiệu quả năng lượng ảnh hưởng đáng kể đến kiến trúc mạng cũng
như việc thiết kế các giao thức mạng. Bởi vì quá trình truyền thông tiêu tốn nhiều
năng lượng nên điều quan trọng là xác định hướng các kiểu truyền thông để chúng
sử dụng hiệu quả tài nguyên sẵn có. Để giúp các giao thức mạng làm được điều này,
phần cứng và phần mềm cần biết được thông tin về sự tiêu hao năng lượng và cung
cấp thông tin này đến tầng mạng. Ngoài ra, để tiết kiệm năng lượng, người thiết kế
hệ thống cần phải đặt các thiết bị phần cứng ở chế độ ngủ càng nhiều càng tốt. Tuy
nhiên, chế độ ngủ cũng ảnh hưởng đến trễ truyền thông của hệ thống.
Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần
cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì ảnh hưởng ở đây là các
phần cứng cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít, mỗi
linh kiện cần phải có kích thước nhỏ và rẻ tiền. Những ảnh hưởng đối với các nhà
thiết kế phần mềm là ít rõ rệt hơn. Với chi phí thấp, kích thước vật lý nhỏ, công suất
tiêu thụ thấp thì các bộ vi xử lý mà trên đó các phần mềm hoạt động trở nên nhỏ
gọn hơn, tốc độ tính toán và kích thước bộ nhớ của các bộ vi xử lý cũng bị giảm
bớt. Các nhà thiết kế phần mềm cho một hệ thống mạng cảm biến không dây
thường chỉ có vài ngàn Byte bộ nhớ để làm việc so với hàng triệu hoặc hàng tỉ Byte
bộ nhớ trong các hệ thống máy tính thông dụng. Do đó, phần mềm cho các nút
mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả
năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiêm ngặt về tài nguyên.
1.2.2. Những thách thức ở cấp độ mạng
Những thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết
là sự hạn chế về nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ
mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các
nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều
trường hợp, các nút cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều
điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng cảm biến không dây bao gồm hàng ngàn các
nút cảm biến.
Kích thước mạng ảnh hưởng đến việc thiết kế giao thức định tuyến trong
mạng cảm biến không dây. Định tuyến là quá trình mạng xác định những tuyến
đường tốt nhất để truyền bản tin qua mạng. Định tuyến có thể được thực hiện hoặc
là tập trung hoặc là phân tán. Với định tuyến tập trung thì một máy chủ tính toán
4

bản đồ định tuyến cho toàn bộ mạng, còn với định tuyến phân tán thì mỗi nút thực
hiện tự quyết định lựa chọn tuyến đường để gửi mỗi bản tin.
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến
cả hiệu năng mạng xét về lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc độ dữ
liệu để có thể vận chuyển dữ liệu thành công qua mạng và hơn hết là khoảng thời
gian tồn tại của mạng được đảm bảo. Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền
thông tin đòi hỏi năng lượng. Các nút thực hiện truyền thông tin nhiều sẽ mất năng
lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định
tuyến phải lựa chọn đầy đủ thông tin khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng.
Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn thông tin định tuyến thì nó yêu cầu
các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất. Thông tin này
đòi hỏi cần phải có bộ nhớ. Tuy nhiên, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế. Vì
vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông
tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết
khác.
Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không
đáng tin cậy, điều này làm cho vấn đề định tuyến càng gặp nhiều khó khăn. Trong
kênh truyền thông vô tuyến công suất thấp thì không chắc chắn rằng nếu một bản
tin đã được gửi đi bởi một nút thì bản tin đó sẽ nhận được bởi một nút đích được dự
kiến trước trong mạng. Bản tin này có thể bị gián đoạn hoặc có thể bị chặn hoàn
toàn bởi một vật lớn bằng kim loại vừa được đặt giữa phía gửi và phía nhận. Ngay
cả khi bản tin không bị chặn hoàn toàn thì các bit của nó có thể bị thay đổi trên
đường truyền.
Tính chất không đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là “tổn
hao”. Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không
dây. Vấn đề tổn hao trong mạng cảm biến không dây là một thách thức đối với các
giao thức định tuyến. Các giao thức định tuyến phải tính toán vấn đề tổn hao khi
quyết định tuyến đường để truyền các bản tin và có thể bản tin cần phải được gửi
lại. Các bản tin sẽ được định tuyến sao cho các nguy cơ mất mát bản tin là thấp
nhất. Nhưng nếu một bản tin được truyền qua một tuyến đường xảy ra việc mất dữ
liệu thì bản tin cần được gửi lại một vài lần trong trường hợp bản tin không thể gửi
được qua mạng trong lần thử đầu tiên.
5

Tổn hao là một thuộc tính khó xác định, đặc biệt là trong các mạng không
dây. Tổn hao bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm của
không khí cũng như môi trường vật lý xung quanh của các mạng cảm biến không
dây. Ví dụ, nếu một lò vi sóng được bật lên, các trường điện từ mà nó tạo ra có thể
can thiệp vào băng tần truyền không dây 2.4GHz. Tương tự như vậy, một mạng
máy tính WiFi có thể ảnh hưởng tới một mạng cảm biến không dây, do đó các mạng
cảm biến không dây thường bị mất dữ liệu nhiều hơn vào ban ngày, khi mà mọi
người đang sử dụng mạng WiFi hơn là vào ban đêm. Các giao thức định tuyến cho
mạng cảm biến không dây cần phải được chuẩn bị trước cho những vấn đề này.
Tính chất quy mô lớn của các mạng cảm biến không dây làm phức tạp thêm
việc định địa chỉ các nút. Trong một mạng quy mô lớn, mỗi nút phải có địa chỉ riêng
để các bản tin có thể được gửi tới nó. Các địa chỉ cần có độ dài đủ lớn sao cho mỗi
nút trong các mạng quy mô lớn phải có một địa chỉ riêng biệt. Và ngay cả khi mạng
có quy mô nhỏ thì nó có thể tương tác với các nút mạng khác bên ngoài. Trong
trường hợp này, địa chỉ của các nút trong hai mạng phải là duy nhất.
Vì số lượng các mạng cảm biến không dây có thể tương tác với các mạng
khác bên ngoài ngày tăng, nên chúng ta cần phải chuẩn bị cho quy mô phát triển
theo cấp số nhân. Do đó, cơ chế định địa chỉ cho các mạng cảm biến không dây phải
xác định duy nhất vài triệu, thậm chí vài tỷ các nút mạng riêng biệt.
Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một
thách thức vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng
ngàn nút thì việc thực hiện quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng
ngay được. Quản lý theo cách truyền thống đòi hỏi sự điều chỉnh cơ sở hạ tầng
mạng thủ công bởi một quản trị viên hệ thống. Với các mạng cảm biến không dây ở
dạng Ad-hoc, mạng phải được chuẩn bị để tự quản lý chính nó mà không có bất kỳ
sự điều hành mạng nào của con người. Ngoài ra, trong mạng máy tính truyền thống,
mỗi máy tính kết nối mạng có thể yêu cầu cấu hình thủ công hoặc bán thủ công. Ví
dụ như người dùng ở các máy tính có thể cần phải nhập mật khẩu để truy cập mạng.
Đối với mạng cảm biến không dây thì điều đó là không khả thi khi cho một người
nhập mật khẩu vào từng nút mạng cảm biến tại các thời điểm khi cần truy cập
mạng.
6

1.2.3. Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố then chốt đối với sự thành công của các mạng cảm
biến không dây. Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng
lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn được biết đến với việc có nhiều tiêu
chuẩn, nhiều nhà sản xuất và nhiều công ty khác nhau cùng quan tâm đóng góp về
mặt công nghệ. Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau.
Một nhà sản xuất thiết bị cảm biến chuyên về cảm biến độ ẩm chính xác cao có thể
không quan tâm đến các hệ thống công nghệ thông tin. Tuy nhiên, cả hai phải làm
việc cùng nhau trong hệ thống tòa nhà tự động, ở đó các cảm biến độ ẩm tạo ra đầu
vào cho việc kiểm soát môi trường trong toà nhà. Hệ thống kiểm soát môi trường
được điều khiển bởi một hệ thống công nghệ thông tin tiên tiến, chúng tiếp nhận
đầu vào từ các cảm biến độ ẩm.
Nếu không có sự chuẩn hóa thì các nhà sản xuất thiết bị và các nhà tích hợp
hệ thống cần phải xây dựng toàn bộ hệ thống đối với mọi hệ thống mới được cài
đặt. Ngoài ra, nhà sản xuất và nhà tích hợp sẽ sử dụng một công nghệ độc quyền từ
một nhà cung cấp riêng lẻ. Công nghệ độc quyền này có thể cung cấp các lợi ích
trong thời gian ngắn, nhưng nó làm cho nhà sản xuất và nhà tích hợp đều gặp khó
khăn trong việc phát triển hệ thống của họ vượt ra ngoài công nghệ độc quyền bởi
các nhà cung cấp. Ngoài ra, khi công nghệ này là độc quyền thì các nhà cung cấp
công nghệ sẽ điều khiển tương lai của công nghệ mà không phải là các nhà sản xuất
và các nhà tích hợp.
Với việc chuẩn hóa công nghệ thì công nghệ là độc lập với nhà cung cấp, nhà
sản xuất và người dùng. Bất kỳ nhà cung cấp nào đều có thể lựa chọn để cung cấp
các hệ thống dựa trên công nghệ. Các nhà sản xuất thiết bị, các nhà tích hợp hệ
thống có thể lựa chọn để xây dựng hệ thống của họ dựa trên công nghệ từ bất kỳ
nhà cung cấp nào.
Tiêu chuẩn hóa công nghệ có một ưu điểm lớn đó là việc chấp nhận các điều
khoản. Khi công nghệ được chuẩn hóa thì các nhà cung cấp, nhà sản xuất và các
nhà tích hợp hệ thống có thể dễ dàng chọn các công nghệ mà không có rủi ro từ các
nhà cung cấp chính nữa.
Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức
không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng
cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ, từ công nghệ
7

truyền thông công suất thấp đến kỹ thuật mạng, định tuyến, truy cập mức ứng dụng
và tích hợp hệ thống công nghệ thông tin. Mỗi cấp độ có những thách thức kỹ thuật
riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi
các nhóm khác nhau.
1.2.2. Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp
khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các
nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ tầng
mạng hiện có.
Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác ở
nhiều mặt. Các nút cảm biến phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp
ứng dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ
các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút cảm
biến không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện
truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền. Ở cấp độ mạng,
các nút phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật
lý cũng như các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận
chuyển qua mạng bằng cách nào. Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút cảm
biến phải chia sẻ cách thức để dữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng, cũng như
làm thế nào để nút cảm biến có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài.
1.3. Kiến trúc ngăn xếp giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc ngăn xếp giao thức được sử dụng bởi Sink và các nút cảm biến
được minh họa ở hình 1.2. Kiến trúc ngăn xếp giao thức này là sự kết hợp giữa vấn
đề năng lượng và vấn đề định tuyến có quan tâm đến năng lượng, các giao thức tổng
hợp dữ liệu và truyền thông hiệu quả năng lượng qua môi trường không dây. Kiến
trúc ngăn xếp giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp giao
vận và lớp ứng dụng, cũng như các mặt phẳng đồng bộ, mặt phẳng định vị, mặt
phẳng quản lý cấu trúc liên kết mạng, mặt phẳng quản lý công suất, mặt phẳng quản
lý di động và mặt phẳng quản lý nhiệm vụ. Lớp vật lý xác định các yêu cầu cần thiết
đó là các kỹ thuật điều chế, truyền dẫn, tiếp nhận dữ liệu. Bởi vì môi trường có
nhiễu và các nút cảm biến có thể di động, nên lớp liên kết có trách nhiệm đảm bảo
việc truyền thông tin cậy nhờ các kỹ thuật điều khiển lỗi và quản lý truy nhập kênh
thông tin thông qua lớp MAC để hạn chế tối đa xung đột với các bản tin quảng bá
8

của nút lân cận. Tùy thuộc vào các nhiệm vụ cảm biến thì các chương trình ứng
dụng khác nhau có thể được xây dựng và được sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp
mạng quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu từ lớp giao vận. Lớp giao vận giúp duy
trì dòng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Thêm vào đó là các mặt
phẳng quản lý năng lượng, di động và quản lý nhiệm vụ để giám sát năng lượng tiêu
thụ, sự di chuyển và sự phân phối nhiệm vụ giữa các nút cảm biến. Những mặt
phẳng này giúp các nút cảm biến phối hợp với nhau trong việc cảm nhận môi
trường và giảm tổng năng lượng tiêu thụ.

Hình 1.2: Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây.
Mặt phẳng quản lý năng lượng quản lý việc sử dụng năng lượng của một nút
cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt bộ thu của nó sau khi nhận được một bản
tin từ một nút lân cận. Điều này nhằm tránh việc nhận được các bản tin trùng lặp.
Ngoài ra, khi mức năng lượng của một nút cảm biến xuống thấp thì nút cảm biến sẽ
thông báo quảng bá đến các nút lân cận để các nút lân cận biết rằng năng lượng của
nó đang ở mức thấp và nó không thể tham gia vào việc định tuyến các bản tin. Năng
lượng còn lại chỉ để dành riêng cho việc cảm nhận và truyền dữ liệu của riêng nút
đó. Mặt phẳng quản lý di động phát hiện và đăng ký sự di chuyển của các nút cảm
biến, do đó một tuyến đường đến người dùng cuối luôn luôn được duy trì và các nút
cảm biến có thể theo dõi các nút lân cận của chúng. Bằng việc nhận biết các nút lân
cận thì các nút cảm biến có thể cân bằng giữa việc sử dụng năng lượng và nhiệm vụ
của chúng. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ cân bằng và lập lịch các nhiệm vụ cảm
nhận cho một khu vực cụ thể. Không phải tất cả các nút cảm biến trong khu vực đó
9

được yêu cầu thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Do đó, một số
nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác, tùy thuộc vào mức năng
lượng của chúng. Những mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có
thể làm việc cùng nhau sao cho chúng đạt được hiệu quả cao nhất về năng lượng, về
định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm
biến. Nếu không có các mặt phẳng quản lý này thì mỗi nút cảm biến chỉ có thể làm
việc riêng lẻ. Từ góc độ toàn mạng thì sẽ hiệu quả hơn nếu các nút cảm biến có thể
cộng tác với nhau, nhờ đó thời gian tồn tại của mạng có thể được kéo dài.
1.3.1. Lớp vật lý
Lớp vật lý có trách nhiệm lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mạng, phát hiện
tín hiệu và điều chế dữ liệu.
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu
Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm ghép các dòng dữ liệu, phát hiện khung
dữ liệu, điều khiển lỗi và điều khiển truy nhập kênh truyền. Nó đảm bảo sự tin cậy
của các kết nối điểm – điểm và điểm – đa điểm trong mạng.
1.3.2.1. Điều khiển truy nhập kênh truyền
Giao thức MAC (Medium Access Control) trong mạng cảm biến đa chặng và
tự tổ chức cần phải đạt được hai mục tiêu. Mục tiêu thứ nhất là tạo cơ sở hạ tầng
mạng. Bởi vì hàng trăm nút cảm biến có thể nằm rải rác với mật độ cao trong một
trường cảm biến, nên cơ chế MAC cần phải thiết lập các liên kết truyền thông để
truyền dữ liệu. Điều này tạo thành cơ sở hạ tầng mạng cần thiết cho việc truyền
thông không dây đa chặng và cung cấp khả năng tự tổ chức. Mục tiêu thứ hai là chia
sẻ hiệu quả các tài nguyên truyền thông giữa các nút cảm biến. Những tài nguyên
này bao gồm thời gian, năng lượng và tần số. Trong suốt một thập kỷ qua, một số
giao thức MAC đã được phát triển cho các mạng cảm biến không dây để giải quyết
những yêu cầu này.
Với bất kể một cơ chế truy nhập kênh truyền nào thì vấn đề hiệu quả năng
lượng là vô cùng quan trọng. Một giao thức MAC chắc chắn phải hỗ trợ các chế độ
hoạt động tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Việc bảo tồn năng lượng rõ ràng
nhất là tắt bộ thu phát khi không cần thiết. Mặc dù phương pháp tiết kiệm năng
lượng này dường như có lợi đáng kể cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng nó có thể
cản trở việc kết nối mạng. Sau khi bộ thu phát tắt thì nút cảm biến không thể nhận
được bất kỳ gói tin nào từ các nút lân cận, bởi vì nó bị ngắt kết nối mạng. Ngoài ra,
10

việc bật và tắt bộ thu phát vô tuyến đều có một chi phí về năng lượng tiêu thụ do
các thủ tục khởi động và tắt bộ thu phát vô tuyến đều yêu cầu cả về phần cứng và
phần mềm. Có một số chế độ hoạt động hữu ích khác cho nút cảm biến không dây
tùy thuộc vào số lượng các trạng thái của bộ vi xử lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A/D và
bộ thu phát. Mỗi chế độ này được đặc trưng bởi năng lượng tiêu thụ, thời gian trễ để
chuyển đổi giữa các chế độ năng lượng đó.
1.3.2.2. Điều khiển lỗi
Một chức năng quan trọng của lớp liên kết dữ liệu là điều khiển lỗi (Error
Control – EC). Hai chế độ quan trọng của phương thức điều khiển lỗi trong các
mạng truyền thông là sửa lỗi trước (Forward Error Control – FEC), yêu cầu lặp lại
tự động (Automatic Repeat Request – ARQ). Lợi ích của ARQ trong các ứng dụng
mạng cảm biến bị hạn chế do việc tổn hao năng lượng khi truyền lại và việc giải mã
cũng phức tạp hơn ở FEC, cũng như các khả năng sửa lỗi cần phải được xây dựng.
Do đó, các mã điều khiển lỗi đơn giản với việc mã hóa và giải mã ít phức tạp có thể
là các giải pháp hiện tại tốt nhất cho các mạng cảm biến. Để thiết kế một cơ chế như
vậy thì điều quan trọng là phải hiểu rõ về các đặc tính kênh truyền.
1.3.3. Lớp mạng
Các nút cảm biến nằm rải rác với mật độ cao trong một trường cảm biến, có
thể ở gần hoặc ngay trong hiện trường như được chỉ ra trong hình 1.1. Thông tin thu
thập được liên quan đến hiện trường được truyền đến Sink có thể được đặt xa so với
trường cảm biến. Tuy nhiên, phạm vi truyền thông của các nút cảm biến bị hạn chế
đã không cho phép việc truyền thông trực tiếp giữa mỗi nút cảm biến với Sink. Điều
này đòi hỏi các giao thức định tuyến không dây đa chặng giữa các nút cảm biến và
Sink bằng việc sử dụng các nút cảm biến trung gian để thực hiện chuyển tiếp. Các
kỹ thuật định tuyến hiện có đã được phát triển cho các mạng Ad-hoc không dây
thường không phù hợp với các yêu cầu của mạng cảm biến. Lớp mạng của các
mạng cảm biến thường được thiết kế theo quy tắc sau đây:
 Vấn đề hiệu quả năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm nhất.
 Các mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu.
 Ngoài việc định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp các dữ liệu từ các
nút lân cận thông qua việc xử lý cục bộ.
11

 Do số lượng lớn các nút trong một mạng cảm biến không dây nên có thể các
nút không có nhận dạng duy nhất và chúng có thể cần phải được đánh địa chỉ
dựa trên dữ liệu và vị trí của chúng.
Một vấn đề quan trọng đối với việc định tuyến trong các mạng cảm biến
không dây là việc định tuyến có thể dựa trên các truy vấn tập trung dữ liệu. Dựa
trên các thông tin được yêu cầu bởi người dùng, các giao thức định tuyến sẽ xác
định các nút khác nhau trong mạng để cung cấp thông tin yêu cầu. Cụ thể là người
dùng quan tâm nhiều hơn đến truy vấn một thuộc tính của hiện trường chứ không
phải là truy vấn một nút riêng lẻ. Ví dụ “các khu vực có nhiệt độ trên 21oC” là một
truy vấn phổ biến hơn so với “nhiệt độ đọc bởi nút số #47”.
Một chức năng quan trọng khác của lớp mạng là cung cấp kết nối liên mạng
với các mạng bên ngoài chẳng hạn như các mạng cảm biến khác, các hệ thống chỉ
huy, điều khiển và mạng Internet. Các nút Sink có thể được sử dụng như một
Gateway kết nối với các mạng khác, trong khi ở một trường hợp khác chúng tạo ra
một đường trục kết nối các nút Sink với nhau và kết nối đường trục với các mạng
khác thông qua một Gateway.
1.3.4. Lớp giao vận
Sự phát triển của các giao thức lớp giao vận là một nhiệm vụ đầy thách thức
bởi vì các nút cảm biến bị ảnh hưởng bởi những hạn chế về phần cứng như là năng
lượng và bộ nhớ hạn chế. Do đó, mỗi nút cảm biến không thể lưu trữ một lượng lớn
dữ liệu như một máy chủ trên mạng Internet.
Để thực hiện việc truyền thông trong mạng cảm biến không dây thì các giao
thức lớp giao vận yêu cầu hai chức năng chính đó là: Đảm bảo độ tin cậy và điều
khiển tắc nghẽn. Do tài nguyên hạn chế và chi phí cao về năng lượng đã ảnh hưởng
đến độ tin cậy của các cơ chế truyền thông điểm cuối đến điểm cuối được sử dụng
trong các mạng cảm biến không dây. Do vậy cần thiết phải có các cơ chế đáng tin
cậy. Ngoài ra, tắc nghẽn có thể xuất hiện bởi lưu lượng lớn dữ liệu được tạo ra trong
suốt quá trình xảy ra các sự kiện trong trường cảm biến. Tắc nghẽn cần được giảm
thiểu bởi các giao thức lớp giao vận.
1.3.5. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng chính cũng như một số chức năng quản
lý. Ngoài các chương trình ứng dụng cụ thể cho mỗi ứng dụng thì các chức năng
quản lý và xử lý truy vấn cũng nằm ở lớp này.
12

1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây
1.4.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được
chia thành ba loại: Điểm – Điểm, Điểm – Đa điểm và Đa điểm – Điểm. Mỗi mô hình
truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử
dụng kết hợp các mô hình truyền thông này.
1.4.1.1. Mô hình truyền thông Điểm – Điểm
Mô hình truyền thông Điểm – Điểm xảy ra khi một nút mạng cảm biến không
dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy nhiên, việc
truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình 1.3,
hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau nhưng có hai nút mạng cảm
biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin
giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông.

Hình 1.3: Mô hình truyền thông Điểm – Điểm trong mạng cảm biến không dây.
1.4.1.2. Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm được minh họa như ở hình 1.4.

Hình 1.4: Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm trong mạng cảm biến không dây.