Mạng cảm biến không dây sử dụng cho việc giám sát sức khỏe con người

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀI NAM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HOÀI NAM MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CHO VIỆC GIÁM SÁT SỨC KHOẺ CON NGƯỜI NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH: TRUYỀN DỮ LIỆU VÀ MẠNG MÁY TÍNH MÃ SỐ: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN ĐÌNH VIỆT Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân, không chép lại người khác Trong toàn nội dung luận văn, điều trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm lời cam đoan mình./ Hà Nội, ngày 27 tháng 05 năm 2015 HỌC VIÊN Nguyễn Hoài Nam MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT    6   DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH    8   DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU    10   MỞ ĐẦU    11   CHƯƠNG GIỚI THIỆU    12   1.1  Giới  thiệu  về  WLAN  và  mạng  MANET    12   1.1.1  Giới  thiệu  về  WLAN    12   1.1.2  Giới  thiệu  về  MANET    13   1.2  Giới  thiệu  về  WSN    14   1.3    Các  chuẩn  có  thể  áp  dụng  cho  WLAN  và  WSN    16   1.3.1  Chuẩn  802.11  cho  WLAN    16   1.3.2  Chuẩn  802.15.4  –  Zigbee    18   1.3.3  Các  chuẩn  khác  có  thể  áp  dụng  trên  thực  tế    31   1.4    Các  vấn  đề  phải  giải  quyết  với  mạng  WSN    32   1.4.1   Mục  tiêu  thiết  kế  mạng  WSN    32   1.4.2   Các  vấn  đề  đặt  ra  với  WSN    32   1.5    Mục  tiêu  nghiên  cứu  của  luận  văn    32   CHƯƠNG MẠNG WSN    33   2.1  Kiến  trúc  hệ  thống  mạng  WSN    33   2.1.1  Cấu  trúc  của  nút  cảm  biến    33   2.1.2  Kiến  trúc  mạng  cảm  biến  không  dây    35   2.2  Định  tuyến  trong  mạng  WSN    42   2.2.1  Giao  thức  SPIN    42   2.2.2  Giao  thức  LEACH    42   2.2.3  Giao  thức  PEGASIS    48   2.3  Vấn  đề  xác  định  chính  xác,  kịp  thời  các  sự  kiện    49   CHƯƠNG ỨNG DỤNG WSN GIÁM SÁT CÁC THAM SỐ SỨC KHOẺ CON NGƯỜI    50   3.1  Sự  phát  triển  các  ứng  dụng  WSN  cho  giám  sát  sức  khoẻ    50   3.2  Yêu  cầu  và  các  đặc  điểm  của  WSN  giám  sát  sức  khoẻ    52   3.2.1  Kiến  trúc  mạng    52   3.2.2  Năng  lượng    53   3.2.3  Các  vấn  đề  an  ninh  trong  WSN    54   3.2.4  Các  giao  thức  truyền  không  dây    54   3.3  Kiến  trúc  mạng  cảm  biến  không  dây  giám  sát  sức  khoẻ    55   3.3.1  Các  tham  số  sức  khoẻ  được  theo  dõi    55   3.3.2  Các  nút  cảm  biến    56   3.3.3  Nút  Sink    57   3.3.4  Trạm  giám  sát  từ  xa    57   3.4  Hệ  thống  các  Sensor  giám  sát  sức  khoẻ  có  trên  thị  trường  hiện  nay    57   3.4.1  Cảm  biến  đo  ô-­‐xy  kiểu  xung  (Pulse  oximeter)    57   3.4.2    Điện  tim  (EKG)    58   3.4.3  Mạch  sensor  phân  tích  chuyển  động    59   3.4.4  Pluto:  Một  thiết  kế  cảm  biến  không  dây  có  thể  đeo  được    60   3.5    WSN  giám  sát  sức  khoẻ  của  LOBIN    61   3.5.1  Mô  tả  hệ  thống    61   3.5.2  Các  kết  quả  đạt  được  của  hệ  thống  LOBIN    65   CHƯƠNG MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT CÁC THAM SỐ SỨC KHOẺ BẰNG NS-2    70   4.1  Các  công  cụ  mô  phỏng    70   4.1.1  TOSSIM    70   4.1.2  OMNeT++    70   4.1.3  NS-­‐2    70   4.2  Bộ  mô  phỏng  mạng  NS-­‐2    71   4.3  Mô  phỏng  mạng  WSN  sử  dụng  cho  việc  giám  sát  sức  khoẻ    74   4.3.1  Thiết  lập  Topo  mạng    75   4.3.2  Thiết  lập  các  tham  số  mô  phỏng    75   4.3.3  Thiết  lập  các  kịch  bản  mô  phỏng    76   4.4  Kết  quả  mô  phỏng  và  đánh  giá    77   KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN    81     Kết  luận    81     Hướng  phát  triển  của  luận  văn    81   TÀI LIỆU THAM KHẢO    82   PHỤ LỤC    83   DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement ADC Analog Digital Converter Adhoc Mạng tự hợp di động APS Application Provided Sublayer BPSK Binary Phase Shift Keying CAP Contention Access Period CFP Contention Free Period CSMA/CA Carier Sense Multiple Access / Collision Avoidance CSMA/CD Carier Sense Multiple Access / Collision Detection CTS Clear To Send DAPB Data Acquisition and Processing Board DCF Distributed Coordination Function ECG Electrocardiogram EEG Electroencephalogram EMG Electromyogram FFD Full-Function Device GTS Guaranteed Time Slot LAN Local Area Network LOBIN LOcalización y Biomonitorización de pacientes a través de redes INalámbricas en entornos hospitalarios MAC Media Access Control MANET Mobile Adhoc Network MLME MAC Sublayer Management Entity MTU Maximum Transfer Unit NAM Network Animator NS-2 Network Simulator version O-QPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying PAN Personal Area Network Pbeacons Period Beacon PCF Point Coordination Function PD-SAP PHY Data Service Access Point PLME Physical Layer Management Entity PSDU PHY Service Data Unit Ptx_log Period of time LWTBs LWTBs Location Wireless Transmission Boards RFD Reduced Function Device RTS Request To Send SAP Service Access Point SpO2 Blood Oxygen Saturation SSCS Service Specific Convergence Sublayer Tlisten Time LWTBs spend listening to each channel available for location UDP User Datagram Protocol WDAD Wearable Data Acquisition Device WLAN Wireless Local Area Network WMAN Wireless Metropolitan Area Network WPAN Wireless Personal Area Network WSN Wireless Sensor Network WTB Wireless Transmission Board WWAN Wireless Wide Area Network DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hidden Terminal 16   Hình 1.2 Exposed Terminal 17   Hình 1.3 DCF sử dụng giao thức CSMA/CA 17   Hình 1.4 DCF + RTS/CTS sử dụng giao thức CSMA/CA 18   Hình 1.5 Mô hình 802.15.4 Zigbee 19   Hình 1.6 Cấu trúc liên kết mạng 20   Hình 1.7 Cấu trúc mạng hình 20   Hình 1.8 Cấu trúc mạng mắt lưới 21   Hình 1.9 Cấu trúc mạng hình 22   Hình 1.10 Mô hình tham khảo lớp PHY 23   Hình 1.11 Cấu trúc khung liệu lớp PHY 24   Hình 1.12 Mô hình tham khảo lớp MAC 24   Hình 1.13 Cấu trúc khung beacon 25   Hình 1.14 Cấu trúc siêu khung 26   Hình 1.15 Định dạng khung tin MAC 27   Hình 1.16 Khung tin mã hoá MAC 30   Hình 1.17 Khung tin mã hoá lớp Mạng 30   Hình 2.1 Kiến trúc nút cảm biến 33   Hình 2.2 Cấu trúc Mạng cảm biến không dây 36   Hình 2.3 Các kiểu Sink mô hình Single Hop 37   Hình 2.4 Kiến trúc phân tầng WSN 38   Hình 2.5 Cấu trúc phẳng WSN 40   Hình 2.6 Cấu trúc tầng WSN 40   Hình 2.7 Cấu trúc phân cấp chức theo lớp 41   Hình 2.8 Giao thức SPIN 42   Hình 2.9 Mô hình giao thức LEACH 43   Hình 2.10 Time-line hoạt động giao thức LEACH 43   Hình 2.11 Giải thuật hình thành Cluster LEACH 45   Hình 2.12 Sự hình thành cụm hai vòng khác 46   Hình 2.13 Mô hình LEACH sau ổn định trạng thái 46   Hình 2.14 Hoạt động pha ổn định LEACH 47   Hình 2.15 Time-line hoạt động LEACH vòng 47   Hình 2.16 Sự ảnh hưởng kênh phát sóng 47   Hình 3.1 Kiến trúc tổng quan hệ thống giám sát sức khoẻ 50   Hình 3.2 Kiến trúc tổng quan hệ thống WSN giám sát sức khoẻ 51   Hình 3.3 Sơ đồ khối chi tiết WSN giám sát sức khoẻ 55   Hình 3.4 Sơ đồ khối thành phần nút cảm biến 56   Hình 3.5 Cảm biến pulse oxymeter 58   Hình 3.6 EKG 59   Hình 3.7 Motion capture EMG 59   Hình 3.8 Pluto 61   Hình 3.9 Hệ thống WSN giám sát sức khoẻ LOBIN 61   Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống giám sát sức khoẻ 62   Hình 3.11 Hệ thống sensor giám sát sức khoẻ 62   Hình 3.12 Bộ thu thập liệu (a) WADA, mạch giám sát sức khoẻ truyền tải không dây (b) WTB 63   Hình 3.13 Mô hình kiến trúc hệ thống định vị 64   Hình 3.14 Mô hình kiến trúc hệ thống WCI 64   Hình 3.15 Kiến trúc hệ thống quản lý Client-Server 65   Hình 3.16 Kiểm tra mạng DP 67   Hình 3.17 Kết kiểm tra topo mạng DP 67   Hình 3.18 Kiểm network gateway 68   Hình 3.19 Mô hình kiểm tra hệ thống 69   Hình 3.20 Kết ECG thời gian thực 69   Hình 4.1 Mô hình kiến trúc NS-2 71   Hình 4.2 Kiến trúc tổng quan NS-2dưới góc độ người dùng 72   Hình 4.3 Luồng kiện cho file Tcl chạy NS-2 73   Hình 4.4 Cửa sổ minh hoạ Gnuplot 74   Hình 4.5 Topo WSN giám sát sức khoẻ 75   Hình 4.6 Kết chương trình thể tham số 77   Hình 4.7 Hình ảnh tệp vết 78   Hình 4.8 Đồ thị thể tham số SK giám sát theo kịch 78   Hình 4.9 Đồ thị thể tham số SK giám sát theo kịch 78   Hình 4.10 Hình ảnh tệp vết với cảnh báo 79   Hình 4.11 Đồ thị thể tham số Body temp giám sát 79   Hình 4.12 Đồ thị thể tham số BP giám sát 80   Hình 4.13 Đồ thị thể tham số HR giám sát 80   DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Băng tần tốc độ liệu 23   Bảng 1.2 Kênh truyền tần số 23   Bảng 1.3 Một số chuẩn áp dụng thực tế 31   Bảng 3.1 Các tham số sức khoẻ theo dõi 56   Bảng 3.3 Bảng thông số giám sát LOBIN 63   Bảng 3.4 Các dạng kiểm tra hệ thống định vị 66   Bảng 4.1 Các tham số sức khoẻ người bình thường 74   Bảng 4.2 Các tham số thiết lập cho WSN giám sát sức khoẻ 76   Bảng 4.3 Các tham số kịch 76   Bảng 4.4 Các tham số kịch 76   Bảng 4.5 Các tham số kịch 77   Bảng 4.6 Các tham số kịch 77   Bảng 4.7 Các tham số kịch 77   10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt PGS.TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Mạng Truyền số liệu nâng cao PGS TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Đánh giá hiệu mạng Ngô Quang Anh Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZIGBEE/IEEE 802.15.4, 2005 Tiếng Anh www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES) S Lindsey and C Raghavendra (2002), PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conf Proc Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES) Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), WIRELESS SENSOR NETWORKS: Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons Anna Hác (2003), Wireless Sensor Network Designs, Jonh Wiley and Sons 10 Edgar H Callaway (2004), Wireless Sensor Network: Architectures and Protocol, CRC Press 11 Miloš Jevtić, Nikola Zogović, Goran Dimić (2009), Evaluation of Wireless Sensor Network Simulators, 17th Telecommunication forum TELFOR 12 www.isi.edu/nsnam/ns 13 IEEE Standart for Infomation Technology-Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) 14 Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), USA Fundamentals of Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons 15 Holger Karl and Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons 16 P.S.Pandian Journal of Networks, Vol.3, No.5, May 2008: Wireless Sensor Network for Wearable Physiological Monitoring 17 Víctor Custodio *, Francisco J Herrera, Gregorio López and José Ignacio Moreno: A Review on Architectures and Communications Technologies for Wearable HealthMonitoring Systems-Sensors 2012 18 Sheng Hu, Hongxing Wei, Youdong Chen, and Jindong Tan:A Real-Time Cardiac Arrhythmia Classification System with Wearable Sensor Networks 19 www.omnetpp.org 20 Victor Shnayder, Bor-rong Chen, Konrad Lorincz, Thaddeus R F Fulford-Jones, and Matt Welsh Division of Engineering and Applied Sciences Harvard University Sensor Networks for Medical Care 21 http://www.mannasim.dcc.ufmg.br 82 [...]...TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 PGS.TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Mạng và Truyền số liệu nâng cao 2 PGS TS Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Đánh giá hiệu năng mạng 3 Ngô Quang Anh Nghiên cứu chuẩn kết nối không dây ZIGBEE/IEEE 802.15.4, 2005 Tiếng Anh 4 www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf 5 Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010),... (2010), Routing Protocols in Wireless Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES) 6 S Lindsey and C Raghavendra (2002), PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conf Proc 7 Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES) 8 Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), WIRELESS SENSOR... Dimić (2009), Evaluation of Wireless Sensor Network Simulators, 17th Telecommunication forum TELFOR 12 www.isi.edu/nsnam/ns 13 IEEE Standart for Infomation Technology-Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) 14 Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), USA Fundamentals of Wireless Sensor Networks,