Tóm tắt Luận án Nghiên cứu phát triển thiết bị đo và chấp hành thông minh nối mạng Smart Metter dựa trên công nghệ mạng cảm biến không dây phục vụ cho việc quản lý và tiết kiệm năng lượng điện

1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài 
Hầu hết các ứng dụng chính của mạng cảm biến không dây là thu 
thập thông tin cảm nhận được trong trường cảm biến nên các giao 
thức thu thập dữ liệu nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu trong 
cộng đồng mạng cảm biến không dây. 
Giao thức cây thu thập dữ liệu - CTP (Collection Tree Protocol) 
thực thi cơ chế thu thập dữ liệu tin cậy từng bước nhảy (hop-by-hop). 
Các nút tự tổ chức thành một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn được 
gửi về nút cha cho tới khi đến được đỉnh của cây (nút gốc). 
Giao thức CTP đã được chứng minh là một giao thức thu thập dữ 
liệu đạt hiệu quả cao về mặt năng lượng tiêu thụ và tỷ lệ chuyển phát 
dữ liệu thành công trong mạng. Tuy nhiên, giao thức CTP hiện tại chỉ 
dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn tuyến đường tối ưu. 
Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được vấn đề cân bằng 
năng lượng giữa các nút mạng. Các nút mạng thuộc những tuyến 
đường có chất lượng liên kết tốt phải thực hiện nhiều việc truyền dẫn 
trong mạng. Các nút mạng này sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút 
mạng khác và tạo thành các lỗ hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng 
của toàn bộ hệ thống mạng. Đây là một trong những thách thức quan 
trọng đối với các mạng cảm biến không dây hoạt động bằng pin. 
Một số kết quả đánh giá giao thức CTP hiện tại dựa trên công cụ 
mô phỏng Cooja và thực nghiệm với phần cứng TUmote cũng cho các 
kết quả tương tự. 
Trong luận án này, tác giả đề xuất một giao thức định tuyến mới 
EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có sự nhận thức về 
năng lượng nhằm giải quyết điểm yếu này của giao thức CTP. 
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 
Đối tượng nghiên cứu của luận án là bài toán định tuyến có sự 
nhận thức về năng lượng áp dụng cho giao thức cây thu thập dữ liệu 
(bài toán định tuyến EACTP) trên mạng cảm biến không dây nhằm 
đảm bảo được sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng thuộc 
những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian 
sống của các nút mạng. 
Phạm vi nghiên cứu của luận án là tác giả tập trung vào các 
phương pháp định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng lượng trong 
mạng cảm biến không dây. 
2 
3. Mục tiêu của luận án 
Mục tiêu của luận án là đề xuất một giao thức định tuyến mới 
EACTP có sự nhận thức về năng lượng nhằm đảm bảo sự cân bằng 
năng lượng giữa các nút mạng thuộc những tuyến đường có chất 
lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian sống của các nút mạng. Từ đó, 
thực thi và đánh giá hiệu năng của giao thức này dựa trên mô phỏng 
và thực nghiệm. 
Mục tiêu cụ thể của luận án là: Nghiên cứu về các giao thức định 
tuyến có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không dây, 
phân tích đánh giá và so sánh các loại giao thức định tuyến; Nghiên 
cứu giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu CTP cho mạng cảm 
biến không dây; Đề xuất một giao thức định tuyến mới có sự nhận 
thức về năng lượng EACTP; Xây dựng mô hình và phân tích mô hình 
toán học cho giao thức EACTP dựa trên lý thuyết đồ thị; Thực thi và 
phân tích đánh giá hiệu năng của giao thức EACTP dựa trên mô 
phỏng; Xây dựng một hệ thống triển khai thực nghiệm cho phép tùy 
biến, tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng 
của các giao thức này trong điều kiện thực tế. 
4. Phƣơng pháp luận nghiên cứu 
Phương pháp nghiên cứu trong luận án được kết hợp giữa nghiên 
cứu lý thuyết với nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm. Về nghiên 
cứu lý thuyết, tác giả nghiên cứu khảo sát các giao thức định tuyến có 
sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không dây dựa vào 
các kiến thức cơ bản và các kết quả nghiên cứu lý thuyết đã được 
công bố. Về nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm, tác giả thực hiện 
cài đặt giao thức định tuyến mới, chạy thử nghiệm giao thức định 
tuyến mới dựa trên mô phỏng và thực nghiệm trên các nút cảm biến 
thật, từ đó tác giả đánh giá các kết quả mô phỏng, thực nghiệm và kết 
luận về tính ưu việt của giao thức định tuyến mới. 
5. Nội dung của luận án 
Luận án được trình bày thành 03 chương như sau: 
Chương 1: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không 
dây. Chương này trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát và 
đánh giá về các giao thức định tuyến dựa trên sự nhận thức về năng 
lượng cho mạng cảm biến không dây, phát biểu bài toán định tuyến có 
sự nhận thức về năng lượng với giao thức cây thu thập dữ liệu và lựa 
chọn phương pháp tiếp cận bài toán của tác giả trong luận án. 
3 
Chương 2: Giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về 
năng lượng. Chương này đề xuất một giao thức định tuyến mới 
EACTP có sự nhận thức về năng lượng. Giao thức EACTP được xây 
dựng nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng thuộc 
những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và nâng cao thời gian 
sống của các nút mạng. Một số kết quả thực thi và đánh giá giao thức 
EACTP dựa trên công cụ mô phỏng Cooja cũng được trình bày trong 
chương này. 
Chương 3: Triển khai đánh giá thực nghiệm. Trong chương 
này, tác giả xây dựng một hệ thống triển khai thực nghiệm dựa trên 10 
nút cảm biến phần cứng TUmote (Thainguyen University mote). Hệ 
thống triển khai thực nghiệm này cho phép tùy biến, tích hợp các chức 
năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các giao thức này 
trong điều kiện thực tế. Một số kết quả đánh giá so sánh hiệu năng 
giữa giao thức EACTP và giao thức CTP thông qua triển khai thực 
nghiệm cũng được trình bày trong chương này. 
Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự 
kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án. 
6. Đóng góp của luận án 
Trên cơ sở phân tích mô hình toán học dựa trên lý thuyết đồ thị 
cho giao thức cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng, tác 
giả đã có một số đóng góp mới trong luận án như sau: 
- Đề xuất một giao thức định tuyến mới đó là giao thức cây thu 
thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng - EACTP (Energy Aware 
Collection Tree Protocol). Trong giao thức EACTP, tác giả đã thực 
hiện một số cải tiến: Thứ nhất, tác giả đã bổ sung thêm thành phần 
ước lượng năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến; Thứ hai, tác giả 
đã đề xuất một thước đo định tuyến mới đó là trạng thái năng lượng 
còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến đường tối ưu trong mạng; 
Thứ ba, tác giả đã đề xuất một thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưu 
mới dựa trên sự kết hợp giữa hai thước đo định tuyến là chất lượng 
liên kết của tuyến đường và trạng thái năng lượng còn lại trên nút 
chuyển tiếp. 
- Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức EACTP thông qua 
một số mô hình mạng. Tác giả đã xác định các thước đo đánh giá phù 
hợp cho bài toán định tuyến EACTP và đưa ra một số kết quả đánh 
giá so sánh hiệu năng giữa giao thức EACTP và giao thức CTP. Các 
kết quả đánh giá mô phỏng cho thấy thời gian sống của mạng khi hoạt 
4 
động theo giao thức EACTP mới đề xuất được cải thiện tốt hơn so với 
giao thức CTP ban đầu. 
- Xây dựng một môi trường thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến 
phần cứng TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, 
tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các 
giao thức CTP, EACTP trong điều kiện thực tế. Môi trường thực 
nghiệm này hoàn toàn có thể sử dụng lại được cho các nghiên cứu 
thực nghiệm khác trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây và có thể 
rút ngắn thời gian để đưa các mô hình nghiên cứu lý thuyết sang các 
mô hình thực nghiệm có tính ứng dụng. Kết quả đánh giá thực nghiệm 
trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote đã kiểm chứng lại tính đúng 
đắn của các kết quả mô phỏng cũng như những lập luận về tính hiệu 
quả của giao thức EACTP mới đề xuất. 
CHƢƠNG 1 
BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG 
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 
1.1. Vấn đề năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến không dây 
Vấn đề năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến rất quan trọng bởi vì 
nhiều nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng. Các nút cảm biến 
không dây có thể hoạt động bằng pin hoặc cũng có thể từ các nguồn 
năng lượng khác được tích trữ từ môi trường. Trong cả hai trường 
hợp, năng lượng đều là một nguồn tài nguyên hạn chế. 
Trong mạng cảm biến không dây, quá trình truyền thông tiêu tốn 
nhiều năng lượng. Vì vậy, điều quan trọng là cần xây dựng được các 
giao thức truyền thông sao cho các nút cảm biến có thể sử dụng hiệu 
quả nguồn tài nguyên sẵn có. Do đó, phần cứng và phần mềm cần xác 
định được sự tiêu hao về năng lượng và cung cấp thông tin này đến 
tầng mạng để phục vụ cho việc định tuyến dữ liệu. 
1.2. Vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây 
1.2.1. Khái niệm và phân loại các giao thức định tuyến cho mạng 
cảm biến không dây 
Định tuyến là một trong những giao thức quan trọng trong mạng 
cảm biến không dây. Nhiệm vụ của các giao thức định tuyến là tìm ra 
được tuyến đường tốt nhất từ nguồn đến đích. Trong mạng cảm biến 
không dây, các nút cảm biến thực hiện đồng thời cả hai chức năng đó 
là: Chức năng sinh dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu. Các giao 
thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định 
5 
tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí 
và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ. 
Hình 1.2: Phân loại các giao thức định tuyến cho 
mạng cảm biến không dây. 
1.2.2. Những thách thức đối với vấn đề định tuyến trong mạng cảm 
biến không dây 
Các đặc điểm của mạng cảm biến không dây đã làm cho việc phát 
triển mô hình định tuyến cho các mạng này gặp nhiều khó khăn. Sau 
đây là một số thách thức cần phải giải quyết khi phát triển các giao 
thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây: 
- Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của 
pin. Các nút cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ nên nguồn 
năng lượng của chúng cũng bị hạn chế. Điều này dẫn đến những ràng 
buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến. 
- Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn 
chế nhiều đến các giao thức định tuyến. Do đó, các thuật toán định 
tuyến đơn giản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho 
các mạng cảm biến không dây. 
- Các nút không đồng nhất cần phải được tính đến khi thiết kế 
giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây. Có hai nguyên 
nhân chính dẫn đến việc các nút trong mạng không đồng nhất. Thứ 
nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năng của mạng thông qua việc 
triển khai một số nút mạng có năng lượng, có khả năng lưu trữ và tính 
toán tốt hơn các nút còn lại trong mạng. Thứ hai là sự khác biệt giữa 
các nút cảm biến có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng. 
Một số nút cảm biến có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn 
đến việc chúng bị hết năng lượng nhanh hơn các nút khác. Do đó, 
giao thức định tuyến cần phải tránh việc chuyển tiếp các bản tin thông 
6 
qua các nút mạng có trạng thái nguồn năng lượng còn lại ở mức thấp 
để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trong mạng. 
- Khả năng chịu lỗi cũng cần phải được quan tâm khi định tuyến 
các bản tin. Tuy nhiên, khi một nút bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn 
bộ các hoạt động chung của mạng. Các thuật toán định tuyến cần phải 
có các tuyến đường dự phòng hoặc cần phải xây dựng kịp thời một 
tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi. 
- Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm 
biến không dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả 
trong các mạng lớn bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. 
1.3. Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP 
Giao thức cây thu thập dữ liệu CTP thực thi cơ chế thu thập dữ 
liệu tin cậy từng bước nhảy (hop-by-hop). Các nút được tổ chức thành 
một cấu trúc dạng cây và dữ liệu luôn được gửi về nút cha cho tới khi 
đến được đỉnh của cây (nút gốc). Nút gốc được gán là đỉnh của cây và 
tất cả các nút khác được khởi tạo là các nút lá. Các nút sẽ cập nhật vị 
trí của nó trong cây và quá trình này được mở rộng dần ra với điểm 
xuất phát ban đầu là từ nút gốc. Dữ liệu được gửi qua một cấu trúc 
cây đến nút gốc. Hình 1.8 minh họa một cấu trúc liên kết mạng được 
xây dựng theo giao thức CTP. 
Hình 1.8: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP. 
Trong quá trình xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến, các 
nút cần phải xác định thước đo định tuyến để lựa chọn nút lân cận tốt 
nhất (nút cha). Hiện tại, giao thức CTP sử dụng thước đo định tuyến 
chất lượng liên kết ETX để xây dựng cấu trúc cây định tuyến. Các nút 
7 
cần phải thu thập thông tin về chất lượng liên kết của các nút lân cận 
và dựa vào thông tin đó để tính toán và lựa chọn nút cha. Để thực hiện 
điều này, các nút định kỳ trao đổi các bản tin điều khiển. Bản tin điều 
khiển mang thông tin về chất lượng tuyến đường (rtmetric) từ nút đó 
đến nút gốc. 
Giao thức CTP chỉ dựa vào thước đo định tuyến ETX để lựa chọn 
tuyến đường tối ưu. Thước đo định tuyến ETX không giải quyết được 
vấn đề cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. Bởi vậy, giao thức 
CTP dễ bị mất cân bằng năng lượng. Các nút mạng thuộc tuyến 
đường tối ưu phải thực hiện nhiều việc truyền dẫn hơn các nút khác. 
Chúng sẽ hết năng lượng nhanh hơn các nút khác và tạo thành các lỗ 
hổng trong mạng, làm giảm hiệu năng của toàn bộ hệ thống mạng. 
Một số kết quả đánh giá giao thức CTP hiện tại dựa trên công cụ 
mô phỏng Cooja và thực nghiệm với phần cứng TUmote cũng cho các 
kết quả tương tự. 
1.4. Bài toán định tuyến EACTP 
...
Điểm thu thập
Nút gốc 1 Nút gốc n
Hình 1.13: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong 
bài toán định tuyến EACTP. 
Hình 1.13 minh họa mô hình cấu trúc liên kết mạng được tác giả 
xét đến trong luận án. Mạng được chia thành nhiều cụm nhỏ khác 
nhau. Do thuật toán để xây dựng cấu trúc cây trong các cụm nhỏ này 
là hoàn toàn giống nhau nên tác giả chỉ xét đến việc tối ưu hóa thời 
gian sống của một cụm trong mạng. 
Bài toán định tuyến EACTP được phát biểu như sau: Cho một cấu 
trúc mạng G = (V, E) là một đồ thị, trong đó V là số đỉnh, E là số 
8 
cạnh. Bài toán định tuyến EACTP đặt ra đó là tìm được một cấu trúc 
cây tối ưu dựa trên hai tham số là chất lượng liên kết giữa các nút 
mạng và trạng thái năng lượng còn lại của các nút mạng. Hình 1.14 là 
ví dụ minh họa một cấu trúc hình học của bài toán định tuyến 
EACTP. 
Mỗi đỉnh thuộc cây biểu diễn một nút mạng có cả chức năng sinh 
dữ liệu và chức năng định tuyến. Mỗi nút mạng xác định được chỉ số 
năng lượng còn lại EI (Energy Indicator) của nó. Mỗi cạnh thuộc cây 
là một tuyến (link) kết nối giữa hai nút mạng (u,v) bất kỳ được biểu 
diễn bởi chất lượng liên kết giữa hai nút mạng theo tham số chất 
lượng liên kết (ETXlink). 
Hình 1.14: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học của 
bài toán định tuyến EACTP. 
Gọi độ dài đường đi P nối từ một điểm bất kỳ trên G = (V, E) đến 
nút gốc được xác định bằng tổng ETXlink của tất cả các tuyến kết nối 
thuộc tuyến đường đó. Mỗi nút được gán một nhãn (rtmetric) chính là 
độ dài đường đi tốt nhất từ nút đó đến nút gốc được xác định theo 
thước đo định tuyến chất lượng liên kết ETX. Bài toán định tuyến 
EACTP được phát biểu ... trong mạng 
Tỷ lệ các nút còn sống trong mạng ANR (Alive Node Ratio) được 
xác định bằng tỷ số giữa số nút còn sống trong mạng và tổng số nút 
ban đầu trong mạng. 
%100.(%)
_
N
N
ANR
nodesalive
 (2.9) 
Trong đó: Nalive_nodes là tổng số nút còn sống trong mạng, N là tổng 
số nút ban đầu trong mạng. 
2.3.1.2. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 
Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu DDR (Data Delivery Ratio) 
được xác định bằng tỷ số giữa số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc 
và tổng số bản tin dữ liệu được gửi đi bởi tất cả các nút trong mạng. 
%100.(%)
data
received
N
N
DDR (2.10) 
Trong đó: Nreceived là tổng số bản tin dữ liệu nhận được tại nút gốc, 
Ndata là tổng số bản tin dữ liệu được gửi bởi tất cả các nút trong mạng. 
2.3.1.3. Sự cân bằng năng lượng giữa các nút trong mạng 
Thước đo đánh giá sự cân bằng năng lượng EIB (Energy 
Indicator Balance) giữa các nút trong mạng được xác định theo công 
thức sau: 
2
1
(%) ( ) (%)
N
i
i
EIB EI EI
  (2.11) 
Trong đó: EI là chỉ số năng lượng còn lại trung bình trên các nút 
mạng. 
2.3.1.4. Thời gian sống của mạng 
Thời gian sống của mạng có thể được định nghĩa là khoảng thời 
gian bắt đầu một truyền dẫn đầu tiên ở trong mạng và kết thúc khi tỷ 
lệ phần trăm các nút hết năng lượng dưới một ngưỡng cho trước. Giá 
trị ngưỡng được thiết lập tùy thuộc vào từng ứng dụng (có thể là 
100% hoặc thấp hơn). 
18 
2.3.2. Mô hình đánh giá mô phỏng 
Một mô hình cụm gồm 30 nút cảm biến được phân bố ngẫu nhiên 
trong mặt phẳng có kích thước 100m x 100m. Các nút mạng định kỳ 
sau 20s gửi một bản tin dữ liệu về nút gốc là nút số 30. Mô hình 
truyền thông vô tuyến được sử dụng trong mô phỏng là mô hình 
truyền thông UDI, trong đó phạm vi truyền thông hiệu quả là 30m và 
phạm vi ảnh hưởng của nhiễu là 50m. Các nút số 2, 5, 8, 10, 19, 24, 
27, 28, 29 có thể truyền thông trực tiếp đến nút gốc (nút số 30). Các 
nút còn lại phải thực hiện truyền thông theo mô hình đa chặng đến nút 
gốc. 
Hình 2.14, 2.15, 2.16 lần lượt là kết quả mô phỏng đánh giá so 
sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng, tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ 
liệu và sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng đối với giao thức 
CTP và giao thức EACTP trong kịch bản mô phỏng. 
Hình 2.13: Mô hình mô phỏng. Hình 2.14: So sánh ANR. 
Hình 2.15: So sánh DDR. Hình 2.16: So sánh EIB. 
Hình 2.14, 2.15 cho thấy tỷ lệ các nút còn sống trong mạng của 
giao thức EACTP cao hơn so với giao thức CTP. Tuy nhiên, giao thức 
19 
EACTP vẫn đảm bảo được tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu ở mức 
chấp nhận được so với giao thức CTP ban đầu. 
Nếu giá trị ngưỡng được thiết lập để xác định thời gian sống của 
mạng là 100% thì hình 2.14 cũng cho thấy thời gian sống của mạng 
hoạt động theo giao thức EACTP được cải thiện đáng kể so với giao 
thức CTP: Trong kịch bản mô phỏng, thời điểm nút hết năng lượng 
đầu tiên đối với giao thức CTP là phút thứ 29 và đối với giao thức 
EACTP là phút thứ 33 (như vậy, thời gian sống của mạng tăng 14%). 
Hình 2.16 là kết quả so sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút 
mạng. Kết quả mô phỏng cho thấy giao thức EACTP đảm bảo được 
sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng tốt hơn so với giao thức 
CTP ban đầu. Điều này được thể hiện bởi chỉ số EIB của giao thức 
EACTP thấp hơn so với chỉ số EIB của giao thức CTP. 
Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy: Khi tỷ lệ các nút còn sống 
trong mạng giảm thì tỷ lệ chuyển phát thành công bản tin dữ liệu 
(DDR) và chỉ số đánh giá sự cân bằng năng lượng (EIB) của cả hai 
giao thức CTP và giao thức EACTP cũng giảm theo. Kết quả mô 
phỏng hoàn toàn phù hợp với những lập luận, phân tích lý thuyết. 
2.4. Đánh giá giao thức EACTP dựa trên phân tích lý thuyết 
Khi so sánh giao thức EACTP với các giao thức định tuyến có sự 
nhận thức về năng lượng khác (đã được trình bày ở mục 1.5) thì giao 
thức EACTP có một số ưu điểm sau: 
Thứ nhất, giao thức EACTP không làm phát sinh thêm chi phí về 
năng lượng trong việc gửi các bản tin điều khiển bởi vì giao thức này 
chỉ sử dụng 2 bit dự trữ trong cấu trúc bản tin điều khiển. 
Thứ hai, mô hình năng lượng được xét đến trong giao thức 
EACTP đầy đủ hơn khi xét đến các thành phần tiêu thụ năng lượng 
chính trong cấu trúc phần cứng của nút cảm biến. 
Thứ ba, cơ chế ước lượng năng lượng tiêu thụ dựa trên phần mềm 
cho phép thực thi giao thức EACTP trên mọi nền tảng phần cứng mà 
không làm phát sinh thêm bất kỳ một chi phí mới nào về phần cứng. 
Thứ tư, tuyến đường tối ưu được lựa chọn dựa trên sự kết hợp 
giữa hai thước đo định tuyến là chất lượng liên kết và trạng thái năng 
lượng còn lại của nút chuyển tiếp. Tuyến đường tối ưu vừa đảm bảo 
được số lần truyền cần thiết là ít nhất giúp giảm nhiễu phát sinh trong 
mạng, tiết kiệm được năng lượng của các nút mạng và cũng vừa đảm 
bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút chuyển tiếp thuộc những 
tuyến đường có chất lượng liên kết tốt, giúp tăng thời gian sống của 
mạng. 
20 
CHƢƠNG 3 
TRIỂN KHAI ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM 
3.1. Phần cứng cho mạng cảm biến không dây 
Trong thời gian qua, đã có nhiều nền tảng phần cứng khác nhau 
được nghiên cứu và phát triển cho mạng cảm biến không dây. Các nền 
tảng phần cứng có thể được chia thành hai loại cơ bản sau: 
- Các nền tảng phần cứng mức thấp: Các nền tảng phần cứng 
này được đặc trưng bởi sự hạn chế về khả năng xử lý, bộ nhớ và khả 
năng truyền thông. Các nền tảng phần cứng này thường được triển 
khai với số lượng lớn để thực hiện nhiệm vụ cảm nhận cũng như tạo 
sự kết nối giữa các nút mạng. 
- Các nền tảng phần cứng mức cao: Ngoài nhiệm vụ cảm nhận 
thì các nền tảng phần cứng này còn thực hiện nhiệm vụ tổng hợp, xử 
lý dữ liệu, kết nối mạng cảm biến không dây với các mạng khác bên 
ngoài. Các nền tảng phần cứng này đòi hỏi bộ vi xử lý có khả năng xử 
lý mạnh hơn, dung lượng bộ nhớ nhiều hơn. 
3.2. Đề xuất cấu trúc phần cứng TUmote 
Hình 3.4: Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng TUmote. 
Dựa trên những nghiên cứu khảo sát về các cấu trúc phần cứng 
cho mạng cảm biến không dây, tác giả đã đề xuất một cấu trúc phần 
cứng riêng để phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá thực nghiệm 
với giao thức EACTP. Phần cứng này hoàn toàn có thể sử dụng lại 
được cho các nghiên cứu thực nghiệm khác trong lĩnh vực mạng cảm 
biến không dây và có thể rút ngắn thời gian để đưa các mô hình 
nghiên cứu lý thuyết sang các mô hình thực nghiệm có tính ứng dụng. 
21 
Hình 3.4 là sơ đồ khối của cấu trúc phần cứng TUmote. TUmote 
sử dụng bộ vi điều khiển MSP430F1611 của Texas Instruments với 
48KB bộ nhớ chương trình và 10KB bộ nhớ RAM. Đây là bộ vi điều 
khiển 16 bit với tần số xung đồng hồ lên tới 8MHz. TUmote được 
trang bị một bộ thu phát vô tuyến CC2420 của Texas Instruments 
tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4. Bộ thu phát vô tuyến CC2420 
có công suất tiêu thụ thấp với phạm vi truyền sóng dưới 100m và có 
tốc độ truyền dữ liệu là 250kbit/s. TUmote được tích hợp sẵn trên 
board một cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT11 của hãng Sensirion AG. 
Một số loại cảm biến khác cũng có thể được kết nối với TUmote 
thông qua kết nối mở rộng. 
3.3. Triển khai mô hình đánh giá thực nghiệm 
Bảng 3.4, 3.5 tóm tắt kịch bản đánh giá thực nghiệm với hai giao 
thức CTP và EACTP. 
Bảng 3.4, 3.5: Kịch bản đánh giá thực nghiệm. 
Các tham số Kịch bản 1 Kịch bản 2 
Môi trường truyền sóng 
Trong tầm 
nhìn thẳng 
Cây cối 
tầm thấp 
Số nút mạng (nút) 10 
Khoảng cách giữa các nút mạng 
mạng (m x m) 
1,5 x 1,5 20 x 20 
Năng lượng ban đầu của mỗi nút 10J 
Công suất phát -15 dBm 0 dBm 
Chu kỳ gửi bản tin dữ liệu 60s 
Nguồn gửi bản tin dữ liệu Tất cả các nút trong mạng 
Giao thức lớp MAC CSMA/ContikiMAC 
Hình 3.7 minh họa sơ đồ bố trí các nút cảm biến TUmote trong 
kịch bản 1. Các nút cảm biến định kỳ sau 60s gửi một bản tin dữ liệu 
về nút gốc. 
Hình 3.8, 3.9, 3.10 lần lượt là kết quả thực nghiệm đánh giá so 
sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng, tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ 
liệu, sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng đối với giao thức 
CTP và giao thức EACTP trong kịch bản 1. Tương tự như vậy, hình 
3.13, 3.14, 3.15 là kết quả đánh giá thực nghiệm trong kịch bản 2. Các 
kết quả đánh giá thực nghiệm cho thấy: 
22 
 Hình 3.7: Sơ đồ bố trí các nút. Hình 3.8: So sánh ANR. 
 Hình 3.9: So sánh DDR. Hình 3.10: So sánh EIB. 
Hình 3.12: Triển khai TUmote. Hình 3.13: So sánh ANR. 
 Hình 3.14: So sánh DDR. Hình 3.15: So sánh EIB. 
- Nếu giá trị ngưỡng được thiết lập để xác định thời gian sống của 
mạng là 100% thì hình 3.8, 3.13 cho thấy thời gian sống của mạng khi 
23 
hoạt động theo giao thức EACTP được cải thiện hơn so với giao thức 
CTP: Tăng 10 phút (tương ứng với 15,4% ở hình 3.8) và tăng 5 phút 
(tương ứng với 7,7% ở hình 3.13). Như vậy, cả mô phỏng và thực 
nghiệm đều cho kết quả giống nhau đó là giao thức EACTP có thời 
gian sống của mạng tốt hơn so với giao thức CTP ban đầu. 
- Hình 3.8, 3.9, 3.13, 3.14 cũng cho thấy khi số lượng các nút 
trong mạng hết năng lượng tăng lên thì số lượng bản tin dữ liệu được 
gửi về nút gốc giảm. Do vậy, tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu trong 
mạng cũng giảm theo. Qua đó, chúng ta nhận thấy rằng kết quả đánh 
giá bằng thực nghiệm hoàn toàn phù hợp với phân tích lý thuyết. 
- Giao thức EACTP đảm bảo được sự cân bằng năng lượng giữa 
các nút mạng tốt hơn so với giao thức CTP. Điều này được thể hiện 
bởi chỉ số EIB của giao thức EACTP thấp hơn so với chỉ số EIB của 
giao thức CTP. Như vậy, các kết quả đánh giá thực nghiệm cũng 
tương đồng với các kết quả đánh giá mô phỏng. 
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 
Trong luận án này, tác giả tập trung giải quyết bài toán định tuyến 
có sự nhận thức về năng lượng áp dụng cho giao thức cây thu thập dữ 
liệu (bài toán định tuyến EACTP) trên mạng cảm biến không dây. 
Mục tiêu chính của luận án là: Đề xuất một giao thức định tuyến mới 
EACTP (Energy Aware Collection Tree Protocol) có sự nhận thức về 
năng lượng nhằm đảm bảo sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng 
thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt và nâng cao thời 
gian sống của các nút mạng. Từ đó, thực thi và đánh giá hiệu năng của 
giao thức này bằng phương pháp mô phỏng, thực nghiệm. 
Trên cơ sở phân tích mô hình toán học dựa trên lý thuyết đồ thị 
cho bài toán định tuyến cây thu thập dữ liệu có sự nhận thức về năng 
lượng EACTP, tác giả đã có một số đóng góp mới trong luận án như 
sau: 
- Đề xuất một giao thức định tuyến mới đó là giao thức cây thu 
thập dữ liệu có sự nhận thức về năng lượng - EACTP (Energy Aware 
Collection Tree Protocol). Trong giao thức EACTP, tác giả đã thực 
hiện một số cải tiến: Thứ nhất, tác giả đã bổ sung thêm thành phần 
ước lượng năng lượng còn lại trên mỗi nút cảm biến; Thứ hai, tác giả 
đã đề xuất một thước đo định tuyến mới đó là trạng thái năng lượng 
còn lại ES (Energy State) để xác định tuyến đường tối ưu trong mạng; 
24 
Thứ ba, tác giả đã đề xuất một thuật toán lựa chọn tuyến đường tối ưu 
mới dựa trên sự kết hợp giữa hai thước đo định tuyến là chất lượng 
liên kết của tuyến đường và trạng thái năng lượng còn lại trên nút 
chuyển tiếp. 
- Mô phỏng và đánh giá hiệu năng giao thức EACTP thông qua 
một số mô hình mạng. Tác giả đã xác định các thước đo đánh giá phù 
hợp cho bài toán định tuyến EACTP và đưa ra một số kết quả đánh 
giá so sánh hiệu năng giữa giao thức EACTP và giao thức CTP. Các 
kết quả đánh giá so sánh dựa trên mô phỏng cho thấy giao thức 
EACTP đạt được một số tiêu chí quan trọng đó là: Tăng được thời 
gian sống của các nút mạng, đạt được tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu 
trong mạng ở mức cao, đảm bảo được sự cân bằng năng lượng giữa 
các nút mạng thuộc những tuyến đường có chất lượng liên kết tốt, 
không làm phát sinh thêm các chi phí mới về năng lượng trong việc 
gửi các bản tin điều khiển. 
- Xây dựng một môi trường thực nghiệm dựa trên 10 nút cảm biến 
phần cứng TUmote (Thainguyen University mote), cho phép tùy biến, 
tích hợp các chức năng định tuyến mới và đánh giá hiệu năng của các 
giao thức CTP, EACTP trong điều kiện thực tế. Môi trường thực 
nghiệm này hoàn toàn có thể sử dụng lại được cho các nghiên cứu 
thực nghiệm khác trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây và có thể 
rút ngắn thời gian để đưa các mô hình nghiên cứu lý thuyết sang các 
mô hình thực nghiệm có tính ứng dụng. Kết quả đánh giá thực nghiệm 
trên 10 nút cảm biến phần cứng TUmote đã kiểm chứng lại tính đúng 
đắn của các kết quả mô phỏng cũng như những lập luận về tính hiệu 
quả của giao thức EACTP mới đề xuất đó là: Thời gian sống của 
mạng khi hoạt động theo EACTP được cải thiện tốt hơn so với giao 
thức CTP ban đầu. 
Hƣớng phát triển của đề tài: Ứng dụng phần cứng TUmote và 
giao thức EACTP cho hệ thống quan trắc nhanh môi trường đang 
được nghiên cứu và triển khai tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, 
Tự động hóa. Hiện tại, phần cứng TUmote cũng đang được nghiên 
cứu phát triển cho ứng dụng giám sát năng lượng tiêu thụ thiết bị 
điện. Đây là một trong những ứng dụng thuộc đề tài cấp Bộ Công 
thương “Nghiên cứu phát triển thiết bị đo và chấp hành thông minh 
nối mạng Smart Metter dựa trên công nghệ mạng cảm biến không dây 
phục vụ cho việc quản lý và tiết kiệm năng lượng điện” đang được 
thực hiện tại Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa. 
25 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 
1. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “EACTP: 
Giao thức cây thu thập dữ liệu cải tiến cho mạng cảm biến không 
dây,” Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông, Tạp chí 
Khoa học và Kỹ thuật - Học viện Kỹ thuật quân sự, số 157, 10/2013, 
ISSN 1859-0209, trang 65-79. 
2. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “Một 
nghiên cứu so sánh hiệu năng giao thức cây thu thập dữ liệu với các 
giao thức MAC khác nhau,” Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học 
Đà Nẵng, số 5(66), 2013, ISSN 1859-1531, trang 62-67. 
3. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “Về một hệ 
thống nghiên cứu thực nghiệm cho mạng cảm biến không dây,” Tạp 
chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 3(64), 2013, ISSN 
1859-1531, trang 103-109. 
4. Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, 
“Operating System for Wireless Sensor Networks and an Experiment 
of Porting ContikiOS to MSP430 Microcontroller,” Journal of 
Computer Science and Information, Vol 5, Issue 1, February 2012, 
ISSN: 2088-7051, pp. 50-56. 
5. Thang Vu Chien, Hung Nguyen Chan, Thanh Nguyen Huu, “A 
Comparative Study on Hardware Platforms for Wireless Sensor 
Networks,” International Journal on Advanced Science Engineering 
Information Technology, 2012, ISSN: 2088-5334, Vol 2, No. 1, pp. 
70-74. 
6. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Chấn Hùng, Lê Nhật Thăng, “EACTP: 
Giao thức cây thu thập dữ liệu với thông lượng cao và đảm bảo sự 
cân bằng năng lượng,” Chuyên san Các công trình nghiên cứu, phát 
triển và ứng dụng Công nghệ thông tin và Truyền thông, Tạp chí 
Công nghệ thông tin & Truyền thông, Chuyên san Kỳ 3, Tập V-1, 
2014, ISSN: 1859-3526, trang 41-50.