PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong quá trình phát triển của con ngƣời, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con ngƣời, theo hƣớng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con ngƣời, những thay đổi do chính tác động của con ngƣời trong tự nhiên, trong môi trƣờng sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, nhƣ ô nhiễm môi trƣờng, khí hậu thay đổi, v. Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng đƣợc hình thành và phát triển theo.
Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con ngƣời. Công nghệ cảm biến không dây đƣợc tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v., phạm vi này ngày càng đƣợc mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Công nghệ cảm biến không dây chƣa đƣợc áp dụng một cách rộng rãi ở nƣớc ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng.
Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tƣơng lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Ngày nay, có rất nhiều ứng dụng của mạng cảm biến đƣợc triển khai. Đó là các ứng dụng theo dõi, tự động hóa, y tế, quân đội và an ninh, Trong một tƣơng lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con ngƣời nếu chúng ta phát huy đƣợc hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có đƣợc nhƣ mạng cảm biến. Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải viii Trong quá trình phát triển, những thay đổi do chính tác động của con ngƣời trong tự nhiên, trong môi trƣờng sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, nhƣ ô nhiễm môi trƣờng, khí hậu thay đổi ., làm ảnh hƣởng đến sức khỏe chúng ta.
Một trong những ứng dụng của mạng cảm biến trong y tế là cung cấp khả năng giao tiếp của ngƣời khuyết tật; kiểm tra tình trạng của bệnh nhân; chuẩn đoán; quản lý dƣợc phẩm trong bệnh viện; kiểm tra từ xa về các số liệu sinh lý con ngƣời; giám sát, kiểm tra các bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện. Chính vì những lý do trên mà học viên đã chọn đề tài „ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHỎE 2. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, các ứng dụng của mạng cảm biến, các kỹ thuật truyền dẫn và cảm biến Nghiên cứu mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc giám sát sức khỏe 3. Phạm vi nghiên cứu Xây dựng mô hình, giải pháp lựa chọn mô hình, giải pháp lựa chọn phần cứng và phần mềm 4.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Với mô hình này có thể ứng dụng vào thực tế, áp dụng trong y tế để kiểm tra tình trạng của bệnh nhân, chuẩn đoán, quản lý dƣợc phẩm trong bệnh viện, kiểm tra từ xa các số liệu về sinh lý con ngƣời. Giám sát, kiểm tra các bác sỹ và bệnh nhân trong bệnh viện. Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải ix 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu Nghiên cứu các đề tài, các công trình khoa học về mạng cảm biến không dây rút kinh nghiệm và làm cơ sở phát triển đề tài.
Nghiên cứu lý thuyết về mạng cảm biến không dây, mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế Phƣơng pháp thực nghiệm Ứng dụng của mô hình cảm biến không dây trong việc giám sát sức khỏe tìm ra mô hình thực tế Phƣơng pháp hội thảo Tham gia các hội thảo và học hỏi kinh nghiệm từ các giảng viên, giáo viên chuyên ngành 6. Kết cấu của luận văn:Luận văn gồm 3 chƣơng Chƣơng 1: tổng quan về mạng cảm biến không dây Chƣơng 2: kỹ thuật cảm biến và truyền dẫn trong mạng cảm biến không dây Chƣơng 3: mô hình mạng cảm biến không dây trong việc giám sát sức khoẻ Do nội dung của đề tài rất rộng và khó, thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót,Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của Thầy Cô và các bạnđể Luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình của các Thầy Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Viễn thông – Trƣờng Ðại Học Giao Thông Vận Tải, đặc biệt là thầy giáo TS. Trịnh Quang Khải.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải x đến gia đình và bạn bè đã luôn động viên, ủng hộ và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. HCM, Ngày 20 tháng 05 năm 2014 Hồ Văn Hải Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ADC Analog- to-Digital Converter Chuyển đổi tƣơng tự sang số AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền bất đồng bộ BE Back-off Exponent Thời gian chờ để đƣợc truy cập BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy nhập CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến xihon mang CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến xihon with Collision Avoidance mang tránh đụng độ DCE Data Circuit-Terminating Thiết bị kết nối kênh số liệu Equipment DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ liệu E2E End-to-End Đầu cuối tới đầu cuối Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xii FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access tần số FFD Full-Function Device Thiết bị đầy đủchức năng FM Frequency modulation Điều chế tần số FSK Frequency shift keying Điều chế khóa dịch tần số GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo HVAC Heating, ventilation, and Air Sƣởi ấm, xiihong gió và điều conditioning hòa không khí IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện tử và điện Electronic Engineers tử IDE Integrated Development Môi trƣờng phát triển tích Environment hợp IR Impulse Radio Vô tuyến xung ISM Industrial, Scientific and Medical Công nghiệp, khoa học và y tế LAN Local Area Network Mạng nội bộ LR-WPANs Low Rate Wireless Personal Area Mạng WPAN tốc độ thấp Networks MAC Medium access control Điều khiển truy nhập môi trƣờng MANETs Mobile ad hoc Network Mạng ad hoc di động Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xiii MIC Massage Integrity Code Tin nhắn xác thực mã NM Network Management Quản lý mạng NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng OS Operating System Hệ điều hành PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PDA Personal Digital Assistant Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân PSK Phare Shift Keying Điều chế số dịch pha PHY Physic Layer Lớp vật lý RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFD Reduced-Function Device Thiết bị với chức năng hạn chế RFICs Radio Frequency Intergrated Mạch tích hợp tần số vô Circuits tuyến RFID Radio Frequency Identify Device Thiết bị nhận dạng bằng xiiihon vô tuyến RTS Ready to send Sẵn xiiihon gửi SAP Service access point Điểm truy nhập dịch vụ S-MAC sensor MAC Giao thức MAC cho cảm biến Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xiv SQDDP Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến Dissemination Protocol và phổ biến số liệu SPIN Sensor Protocols for Information Giao thức xivhong tin cảm via Negotiation biến xivhong qua sự thỏa thuận TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TS Timeslot Khe thời gian UDP User Datagram Protocol Giao thức cho dịch vụ truyền datagram UWB Ultrawideband Thiết bị băng tần cực rộng WAN Wide Area Networks Mạng diện rộng WPAN Wireless Personal Area Network Mạnh không dây cá nhân WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số Tên bảng Trang hiệu 1 Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây 3 2 Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến 4 3 Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây 14 4 Hình 2.1: Các thành phần cứng của node cảm biến 41 5 Hình 2.2: Các thành phần mềm của node cảm biến 42 6 Hình 2.3: Mô hình truyền sóng 47 7 Hình 2.4: Minh họa quá trình truyền sóng 48 8 Hình 2.5: Sơ đồ dánh giá hiệu quả của các kỹ thuật điều chế 50 số 9 Hình 2.6: Đồ thi so sánh các giao thức truyền dẫn không 51 dây phổ biến 10 Hình 2.7: Mô hình mạng WLAN kết hợp với mạng LAN 53 truyền thống 11 Hình 2.8: Băng tần IEEE802.9: Đánh giá đặc tính IEEE802.11b theo 55 khoảng cách 13 Hình 2.10: Mô hình giao thức Zigbee 58 14 Hình 3: Kiến trúc WSN tổng quát cho chăm sóc sức khỏe. 62 Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải xvi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số Tên hình vẽ Trang hiệu 1 Bảng 1: Các dải tần cho các ứng dụng công nghiệp, khoa 19 học và y tế 2 Bảng 2.1: Phân biệt các node theo đặc điểm 43 3 Bảng 2.2: Dẫn ra một số suy hao đƣờng truyền do vật liệu 48 làm nhà theo tần số 4 Bảng 2.3: So sánh các giao thức 52 5 Bảng 2.4: So sánh chuẩn thông dụng 55 6 Bảng 3.1: Tốc độ dữ liệu điển hình cho bốn lựa chọn phổ 68 biến của công nghệ vô tuyến 7 Bảng 3.2: Phổ sóng vô tuyến 69 8 Bảng 3.3: Khoảng sóng vô tuyến 70 Hồ Văn Hải – Cao học KTÐT K20.1 Ðại học Giao thông Vận tải 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG 1 Mạng cảm biến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thƣờng là các (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp .