Mạng cảm biến không dây và ứng dụng vào mô hình nông nghiệp thông minh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THƠNG BÀI TIỂU LUẬN Mạng cảm biến khơng dây ứng dụng vào mơ hình nơng nghiệp thơng minh Nhóm mơn học: Nhóm Giảng viên hướng dẫn: Đặng Thế Ngọc Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tiến Mạnh-B18DCVT282 Đặng Phương Nam- B18DCVT298 Phạm Thế Phú- B18DCVT322 Đào Mạnh Quang- B18DCVT330 Hà Nội – 6/2022 Mục lục Lời nói đầu Trong thời đại 4.0 ngày nay, cơng nghệ phần thiếu sống người Công nghệ phát triển tồn nhiều dạng, chế kỹ thuật khác Nó có mặt phục vụ tất mặt đời sống, từ giải trí, vui chơi đến quân sự, làm nông nghiệp, Bên cạnh phát triển cơng nghệ khơng thể khơng nhắc tới phát triển Internet, giúp cho sống trở nên dễ dàng, tiện nghi giúp người nhiều mặt Trong báo cáo này, nhóm chúng em nghiên cứu, đánh giá Mạng cảm biến khơng dây WSN ứng dụng để giúp người việc làm nông nghiệp  Nội dung báo cáo gồm phần chính: Mạng cảm biến không dây WSN Ứng dụng WSN vào mô hình nơng nghiệp thơng minh  Nội dung phần: ACK ADC AP Thuật ngữ viết tắt Acknowledgement Code Một tin xác nhận Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự-số Access Point Điểm truy nhập CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh có rỗi khơng CTS DA Clear-to-send Destination Address Field Programmable Gate Array MAC Media Access Control QoS Quality of Service RAM Random Access Memory ROM RTS Rx SA SMAC TDM A TMAC Tx WSN Read-Only Memory Ready-to-send Receive Source Address Xóa để gửi Địa đích Loại mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu trúc mảng phần tử logic Điều khiển truy nhập đường truyền Chất lượng dịch vụ Bộ nhớ khả biến cho phép truy xuất đọc-ghi ngẫu nhiên Bộ nhớ đọc Sẵn sàng để gửi Nhận/Thu Địa nguồn Sensor-MAC Giao thức S-MAC Time-division multiple access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Timeout-MAC Giao thức T-MAC Transmission Wireless Sensor Network Phát/Truyền Mạng cảm biến không dây FPGA Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN Trong năm gần đây, mạng cảm biến không dây chủ đề thu hút nhiều quan tâm nhiều nhà nghiên cứu công ty công nghệ điện tử - viễn thông giới Với tính ưu việt giá thành thấp, khả tự cấu hình mạng, chịu điều kiện môi trường đặc biệt, mạng cảm biến không dây kỳ vọng có nhiều tác động tích cực đến sống Tuy vậy, việc thiết kế thực có hiệu mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm biến nguồn lượng bị giới hạn khơng thể truyền lại, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng tồn mạng 1.1 Khái niệm mạng cảm biến khơng dây WSN Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network- WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết thiết bị đơn giản với kết nối không dây (vô tuyến, hồng ngoại, quang học) bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ kết hợp với sóng vơ tuyến Số lượng lớn nút triển khai dầy đặc bên gần đối tượng cần thăm dị, thu thập thơng tin liệu Vị trí cảm biến khơng cần định trước cho phép triển khai ngẫu nhiên vùng tiếp cận khu vực nguy hiểm Khả tự tổ chức mạng cộng tác làm việc cảm biến không dây đặc trưng mạng Với số lượng lớn cảm biến không dây triển khai gần truyền thơng đa liên kết lựa chọn để công suất tiêu thụ nhỏ (so với truyền thông đơn liên kết) mang lại hiệu truyền tín hiệu tốt so với truyền khoảng cách xa Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây thể hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết khơng có sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite) Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến cịn có thành phần bổ sung hệ thống tìm vị trí, sinh lượng thiết bị di động Các thành phần nút cảm biến thể hình 2.1 Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần đầu đo cảm biến (Sensor) chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Các tín hiệu tương tự thu nhận từ đầu đo, sau chuyển sang tín hiệu số chuyển đổi ADC, đưa tới xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với nhớ nhỏ, phân tích thơng tin cảm biến quản lý thủ tục cộng tác với nút khác để phối hợp thực nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin nút cảm biến mạng kết nối khơng dây, vơ tuyến, hồng ngoại tín hiệu quang Một thành phần quan trọng nút cảm biến nguồn Bộ nguồn, pin ắc quy, cung cấp lượng cho nút cảm biến không thay nên nguồn lượng nút thường giới hạn Bộ nguồn hỗ trợ thiết bị sinh điện, ví dụ pin mặt trời nhỏ Hầu hết công nghệ định tuyến mạng cảm biến nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có nhận biết vị trí với độ xác cao Do đó, nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí Các thiết bị di động cần thiết để di chuyển nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo nhiệm vụ phân công 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Các thành phần mạng cảm biến không dây Hệ thống phần cứng WSN bao gồm thành phần bản: nút nguồn hay nút cảm biến nút làm nhiệm vụ cảm biến, kết hợp gửi liệu; nút sink nút làm nhiệm vụ thu thập liệu từ nguồn chuyển cho AP, làm nhiệm vụ trung gian mạng WSN hệ thống mạng khác; AP làm nhiệm vụ trung gian trung chuyển liệu, đơi vai trị AP khơng rõ ràng Hình 1.2.1: Các thành phần nút cảm biến Nút Sink Nút sink chứa thông tin nút khác cần gửi yêu cầu tới Nút sink thành phần bên mạng (là nút cảm biến) bên mạng, thiết bị vật lý thực có khả tương tác với mạng cảm biến, gateway logic kết nối tới vùng mạng khác lớn Internet, thơng tin cần phải trích xuất từ nút mạng yêu cầu từ thành phần mạng cảm biến Nút sink chịu trách nhiệm tương tác với nút cảm biến, chuyển liệu xử lý từ nút cảm biến đến trạm gốc đến AP Nhờ sử dụng vi xử lý, nút sink có khả xử lý tín hiệu kỹ thuật số Bộ vi xử lý bao gồm nhiều khối mô-đun khác ăng ten, thu phát, xử lý, nhớ ngoài, khối đầu vào, hình hiển thị pin mạch sạc Nguồn ni nút Sink thường pin sạc có thời gian hoạt động từ 8h đến 12h Do giới hạn khả tính toán của xử lý nút mạng cũng để tiết kiệm lượng cho nút, thuật tốn xử lý tín hiệu liệu sử dụng mạng cảm biến không thường kiểu dây phi tập trung (giảm tải cho nút mạng gần hết lượng), hoặc gửi dữ liệu thô cho các trạm gốc có khả xử lý mạnh và ít phụ thuộc vào mức độ tiêu thụ lượng Nút cảm biến (Sensor Nút) Một mạng cảm biến không dây thường tập hợp nhiền nút cảm biến phân bố diện tích rộng Các nút cảm biến có khả cảm biến mơi trường xử lý thông tin thu thập cách độc lập Sau nút mạng thực gửi thông tin qua xử lý đến xử lý trung tâm cách gửi gián tiếp qua nút lân cận Thông thường nút cảm biến bao gồm thành phần như: Bộ phận thu phát sóng, xử lý, nhớ, nhiều đơn vị cảm biến nguồn hữu hạn Bộ xử lý: Là vi điều khiển hay máy tính nhỏ, mạch tích hợp có chứa lõi xử lý, nhớ đầu vào/đầu Nhiệm vụ xử lý lập trình cho tác vụ, xử lý liệu điều khiển thành phần khác Các kiểu xử lý sử dụng WSN: vi xử lý, xử lý tín hiệu số, FPGA (Field Program Gate Array) Trong vi xử lý sử dụng nhiều Ví dụ cảm biến Mica2 Mote sử dụng xử lý ATMega 128L Microcontroller Bộ thu phát tín hiệu: Đảm nhiệm việc thu phát tín hiệu vơ tuyến Bộ thu phát thường sử dụng sóng vơ tuyến, laser hồng ngoại, song sóng vơ tuyến sử dụng phổ biến khả đáp ứng ứng dụng hệ thống mạng cảm biến khơng dây Bộ thu phát tín hiệu có trạng thái như: Truyền tin, Nhận tin, Chờ Ngủ Bộ nhớ: Bao gồm nhớ flash và RAM vi xử lý Có thể có thẻ nhớ ngồi để lưu trữ thơng tin trước sau xử lý Bộ nguồn: Trong trình hoạt động nút cảm biến, việc cảm ứng môi trường, xử lý truyền liệu tiêu thụ phần lớn nguồn lượng hữu hạn nút mạng Trong tiêu tốn nhiều lượng dành cho trình truyền liệu Lựa chọn phổ biến cho nguồn lượng cảm biếnlà pin Do việc bị giới hạn nguồn lượng nên ưu tiên hàng đầu thiết kế vận hành mạng cảm biến không dây la việc tiết kiệm lượng cho nút cảm biến Hiện có nhiều nghiên cứu cải tiến nhằm tăng cường thời lượng hoạt động nút cảm biến Việc sử dụng nguồn lượng tự nhiên để thay pin lượng mặt trời cho nút cảm biến tính tốn giải pháp thay nguồn lượng Bộ cảm biến: Là thiết bị phần cứng sử dụng để quan sát thông số vật lý môi trường xung quanh Dữ liệu cảm ứng thể dạng liệu tương tự số hóa ADC Sau liệu số gửi cho xử lý để thực tác vụ Các cảm biến thường vi mạch để đảm bảo kích thước nhỏ tiêu thụ lượng Một nút cảm biến sử dụng lúc nhiều loại cảm biến Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị, sinh điện phận di động Các thành phần phần cứng mơ hình mạng cảm biến không dây thường sử dụng hệ điều hành nhúng với thiết kế đơn giản tập trung vào nhiệm vụ nút, đồng thời ưu tiên việc tối ưu hóa sử dụng lượng Do đó, nút cảm biến sử dụng xử lý có khả đảm bảo kỹ thuật sử dụng không tốn nhiều tài nguyên cần thiết cho trình hoạt động nút mạng 1.2.2 Các mơ hình cấu trúc mạng cảm biến khơng dây Khi thiết kế cấu trúc mạng cảm biến không dây cần đảm bảo việc sử dụng nguồn tài nguyên hạn chế mạng tối ưu có thể, từ kéo dài thời gian sống mạng Vì thiết kế cấu trúc mạng kiến trúc mạng phải cần phải quan tâm đến yếu tố sau: Giao tiếp không dây đa chặng: Khi sử dụng chủ yếu giao tiếp vơ tuyến giao tiếp trực tiếp hai nút có nhiều hạn chế khoảng cách vật lý tồn vật cản Trong trường hợp nút phát nút thu vị trí cách xa cần tăng cơng suất phát so với khoảng cách gần Để xử lý vấn đề này, sử dụng nút trung gian đóng vai trị chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp đa chặng Sử dụng hiệu lượng: Để kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến không dây, đảm bảo hiệu suất sử dụng lượng đạt yêu cầu kĩ thuật quan trọng Tự động cấu hình: Mạng cảm biến khơng dây cần phải có khả tự cấu hình thơng số thân Một ví dụ khả nút xác định vị trí địa lý thông qua nút khác (gọi tự định vị) Công tác, xử lý mạng tập trung liệu: Trong số ứng dụng, nút cảm biến đảm bảo công việc thu thập đủ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thu thập đủ liệu đáng tin cậy Trong trường hợp đó, nút thu liệu gửi đến trạm gốc hao phí băng thơng lượng Việc kết hợp liệu nhiều nút vùng trước gửi tới trạm gốc tiết kiệm băng thông lượng cần cho phiên truyền tin Các tác vụ xác định nhiệt độ trung bình, hay cao khu vực Hình 1.2.2a: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây với nút cảm biến phân bố rải rác trường cảm biến Do vậy, cấu trúc mạng cảm biến không dây cần thiết kế để thỏa mãn:     Kết hợp tiết kiệm lượng với khả tự định tuyến Tích hợp liệu giao thức mạng Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm biến phân bố vùng cảm biến hình 1.2.2a Mỗi nút cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến trạm gốc Hình vẽ thể cấu trúc đa điểm định tuyến liệu Các trạm gốc giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (nút task manager) thông qua mạng Internet vệ tinh Có thể phân chia cấu trúc mạng cảm biến thành loại: cấu trúc phẳng cấu trúc phân cấp  Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (hình 1.2.2b), tất nút bình đẳng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với trạm gốc qua hình thức đa chặng sử dụng nút ngang hàng khác tiếp sóng Do có phạm vi truyền cố định, nút gần trạm gốc đảm nhiệm vai trị tiếp sóng cho lượng lớn nút nguồn Trong trường hợp tất nguồn dùng tần số để truyền liệu, tài nguyên mạng chia sẻ thời gian Hình 1.2.2b: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến khơng dây  Cấu trúc phân cấp Trong cấu trúc phân cấp hình 1.2.2c, mạng cảm biến phân chia thành cụm, cụm có nút chủ cụm Các nút khác cụm thu thập liệu, gửi đơn chặng đa chặng tới nút chủ cụm (tùy theo kích thước cụm vị trí nút nguồn) 10 tính cho Vào thời điểm NAV hoạt động, nút cảm biến giảm giá trị NAV giá trị Khi nút có liệu gửi, kiểm tra đồng hồ NAV, giá trị khác xác định đường truyền bận khơng phát liệu kỹ thuật gọi cảm nhận sóng mang ảo (Virtual Carrier Sense) Cảm nhận sóng mang vật lý thực lớp vật lý cách thực nghe kênh để truyền đường truyền xác định rỗi cảm nhận sóng mang vật lý lẫn cảm nhận song mang ảo xác định đường truyền rỗi Tất nút gửi thực cảm nhận sóng mang trước bắt đầu phát liệu Nếu nút thất bại việc thăm dị đường truyền, chuyển sang trạng thái ngủ thức giấc thời điểm nút nhận trạng thái nghe đường truyền rỗi Những gói tin Unicast theo RTS/CTS/Data/ACK nút gửi nút nhận b) Tránh nghe thừa S-MAC tránh nghe thừa cách cho nút có khả gây nhiễu khơng tham gia q trình truyền phát liệu, chuyển sang trạng thái ngủ sau nhận gói tin RTS CTS Khi gói liệu ln dài gói tin điều khiển, cách tiếp cận ngăn cản nút lân cận nghe thừa gói liệu dài sử dụng gói tin ACK theo sau Phần mơ tả cách truyền có hiệu gói tin dài kết hợp tránh nghe thừa Hình 1.8.2b Thực tránh nghe thừa Nút nên chuyển tới trạng thái ngủ Trong Hình 1.8.2b, nút A, B, C, D, E, Và F hình thành mạng đa bước nhảy mà nút nghe thông tin truyền từ lân cận thời Giả thiết nút A truyền gói liệu tới nút B Câu hỏi đặt nút phải chuyển sang trạng thái ngủ Xung đột dễ xảy nút nhận, nút D cần phải ngủ truyền ảnh hưởng tới tiếp nhận tín hiệu B Cũng dễ để nhận nút E nút F khơng phát sinh nhiễu, chúng khơng cần phải ngủ Nút C có nên ngủ hay không? C cách hai bướcc tới B, truyền khơng gây nhiễu tới tiếp nhận B, tự phép truyền tới lân cận nó, ví dụ E Tuy nhiên, C nhận trả lời từ E, truyền E xung đột với truyền A nút C Nhờ truyền C đơn giản tiêu phí lượng Tóm lại, tất lân cận tức thời nút gửi nút nhận cần phải chuyển trạng thái ngủ chúng nghe thấy gói RTS CTS truyền thời kết thúc 22 Mỗi nút trì NAV để báo động khu lân cận Khi nút nhận gói, cập nhật NAV trường duration định dạng gói tin Một giá trị NAV lớn báo có nút gửi số liệu khu vực lân cận Giá trị NAV giảm dần theo thời gian Một nút cần phải trạng thái ngủ để tránh nghe thừa giá trị NAV khác 1.8.3 Xử lý thông điệp Truyền liệu dài gói tin chi phí cho việc truyền lại có vài bít lỗi lần truyền cao Tuy nhiên, chia nhỏ thơng điệp vào nhiều gói nhỏ độc lập, phải xử lý nhiều gói tin điều khiển độ trễ truyền tăng S-MAC xử lý vấn đề cách chia nhỏ thông điệp dài thành nhiều phân đoạn nhỏ truyền chúng cụm (burst) sử dụng gói tin RTS gói tin CTS Chúng chiếm dụng đường truyền truyền tất đoạn Mỗi lần đoạn liệu truyền, nơi gửi đợi xác nhận ACK từ nơi nhận Nếu khơng nhận ACK, mở rộng thời gian chiếm dụng đường truyền cho đủ phân đoạn nữa, truyền lại phân đoạn liệu thời Như biết, tất gói tin có trường thời gian, thời gian cần cho phát tất phân đoạn liệu lại gói ACK Nếu nút vùng lân cận nhận gói RTS CTS, chuyển sang trạng thái ngủ khoảng thời gian truyền tất phân đoạn Mục đích việc sử dụng ACK sau phân đoạn liệu nhằm ngăn ngừa vấn đề nút ẩn (hidden terminal) Có thể nút lân cận thức dậy nút gia nhập vùng lân cận trình truyền Nếu nút lân cận nút nhận nút gửi, khơng nghe thấy phân đoạn liệu phát từ nút gửi Nếu nút nhận khơng gửi ACK thường xun, nút gây nhiễu cảm nhận sóng mang việc thăm dị đường truyền thơng báo đường truyền rỗi Nếu khởi động tiến trình phát, q trình truyền thời bị hỏng nút nhận Mỗi phân đoạn liệu gói tin ACK có trường thời gian Bằng cách này, nút tỉnh dậy nút gia nhập trình truyền, chuyển sang trạng thái ngủ bẩt kể lân cận nút gửi hay nút nhận Ví dụ, giả sử nút lân cận nhận RTS nút gửi CTS từ nút nhận, chuyển trạng thái ngủ tồn thời gian cung cấp thông điệp Nếu bên gửi mở rộng thời gian truyền phân đoạn liệu lỗi, ngủ nên nút lân cận không ý thức mở rộng Tuy nhiên, nút biết điều từ phân đoạn mở rộng gói tin ACK tỉnh dậy Ưu-Nhược điểm S-MAC: 23  Ưu điểm: Việc sử dụng pin tăng lên thực lịch trình ngủ Giao thức đơn giản để thực hiện, thông tin dài được chuyển thành thạo cách sử dụng chuyển cách kĩ thuật  Nhược điểm: RTS / CTS không sử dụng việc phát sóng dẫn đến va chạm Thích nghi việc lắng nghe gây tình trạng nghe nghe không hoạt động dẫn đến việc sử dụng pin không hiệu Trong thời gian ngủ nghe tải lưu lượng truy cập biến cố định làm cho thuật toán hiệu 1.9 Time out – MAC Mặc dù thực giảm tiêu hao lượng việc giảm thời gian chờ nghe qua giải pháp thực chu trình thức/ngủ cố định, giải pháp S-MAC chưa đạt hiệu tối ưu S-MAC có hai tham số quan trọng: độ lớn khung thời gian (frame time) độ dài thời gian thức (active time) Độ lớn khung thời gian bị giới hạn yêu cầu độ trễ cho phép độ lớn đệm Độ lớn thời gian thức phụ thuộc chủ yếu tốc độ phát sinh thơng điệp: phải đủ lớn để nút cảm biến phát tất thơng điệp khoảng thời gian thức Trong yêu cầu độ trễ không gian đệm nói chung cố định tốc độ phát sinh thông điệp thường thay đổi Để đảm bảo tất thông điệp phát mong muốn, nút cảm biến phải cài đặt thời gian thức cho xử lý mức thơng lượng cao Nhưng thơng lượng xuống thấp thời gian thức không sử dụng tối ưu lượng bị lãng phí vấn đề nghe rỗi (idle listening) Ý tưởng giao thức T-MAC giảm bớt thời gian nghe rỗi việc truyền tất thông điệp cụm (burst) có độ dài thay đổi tùy theo, thực ngủ cụm, xác định cách mềm dẻo độ dài tối ưu thời gian thức theo thay đổi lưu lượng đường truyền Một số vấn đề bản: 1.9.1 Lược đồ Hình 1.9.1: Lược đồ T-MAC với thời gian thức thay đổi Hình 1.9.1 cho thấy lược đồ giao thức T-MAC Mỗi nút định kỳ tỉnh dậy liên lạc nút lân cận, sau ngủ tiếp khung Trong lúc đó, thơng điệp đưa vào hàng đợi T-MAC sử dụng kỹ thuật RTS, CTS, Data, ACK để tránh xung đột truyền số liệu tin cậy 24 Một nút đặt chế độ nghe sẵn sàng thực truyền số liệu trạng thái thức Trạng thái thức kết thúc kiện kích hoạt (activation event) xuất khoảng thời gian TA Một kiện kích hoạt là:  Sự kết thúc khung thời gian theo định kỳ  Sự tiếp nhận liệu sóng vơ tuyến  Sự xuất kiện cảm biến phát qua thành phần vô tuyến  Sự kết thúc truyền liệu nút có sở hữu gói liệu biên nhận ACK;  Thông tin kết thúc trao đổi liệu nút lân cận qua nhận gói RTS, CTS Thơng số TA xác định thời gian tối thiểu cho việc thức chờ nghe khung thời gian Lược đồ timeout chuyển tất giao dịch vào cụm điểm bắt đầu khung Khi thơng điệp thời gian hoạt động phải đưa vào đệm Độ lớn đệm xác định cận độ lớn khung thời gian cực đại 1.9.2 Phân nhóm đồng Đồng khung thời gian thực qua hình thành phân nhóm ảo mô tả giao thức S-MAC Khi nút cảm biến bắt đầu q trình hoạt động mình, bắt đầu việc đợi nghe Nếu khơng nghe thấy khoảng thời gian định, tự chọn cho lịch làm việc truyền gói tin đồng SYNC chứa đựng thời gian khởi tạo khung lịch làm việc Nếu nút cảm biến thời gian khởi động nghe thấy gói tin đồng từ nút khác, theo lịch làm việc gói tin đồng quảng bá gói tin đồng tương ứng Các nút cảm biến thực phát lại gói tin đồng chúng Chúng thực nghe đầy đủ khung cách khơng thường xun, chúng phát tồn thời gian biểu khác Điều này cho phép nút nút di động chấp nhận gia nhập nhóm tồn trước Nếu nút có thời gian biểu lại nghe từ gói tin đồng thời gian biểu khác (từ nút khác), chấp nhận hai thực phát gói tin đồng chứa thời gian biểu nút khác biết có tồn thời gian biểu Việc chấp nhận hai thời gian biểu làm việc có nghĩa nút có kiện kích hoạt thời điểm bắt đầu hai khung Muốn truyền liệu, nút cảm biến phải khởi động điểm bắt đầu khoảng thời gian thức quy định lịch biểu chúng Tại thời điểm đó, nút lân cận có thời gian biểu, lân cận mà chấp nhận thời gian biểu nhờ bổ sung trạng thái thức Nếu thực điểm bắt đầu khung nút lân cận, 25 phát lân cận trạng thái ngủ Với lược đồ làm thực quảng bá mà cần phát lần 1.9.3 Thực gửi RTS chọn TA T-MAC T-MAC cần bổ sung số đặc tính so với S-MAC để thực điều chỉnh tối ưu thời gian thức a) Khoảng cạnh tranh cố định (Fixed contention interval): Trong giao thức cạnh tranh, IEEE 802.11, nút đợi ngẫu nhiên khoảng thời gian định, gọi khoảng thời gian cạnh tranh, sau phát có xung đột Chỉ đường truyền rỗi thời gian chúng khởi động lại truyền Thông thường, lược đồ back-off sử dụng: khoảng thời gian cạnh tranh tăng thêm lưu lượng đường truyền tăng Lược đồ back-off giảm bớt xác suất xảy xung đột tải tăng cao, tối thiểu độ trễ tải thấp Trong giao thức T-MAC, nút truyền thông điệp hàng đợi vào cụm điểm bắt đầu khung Trong thời gian truyền cụm này, đường truyền bão hịa: thơng điệp truyền tốc độ cực đại Mọi nút muốn giành quyền truy nhập đường truyền gửi gói tin RTS Khoảng cạnh tranh ngày tăng lại khơng có ích tải phần lớn cao không thay đổi Bởi vậy, truyền RTS T-MAC bắt đầu việc đợi nghe khoảng thời gian ngẫu nhiên phạm vi khoảng cạnh tranh cố định Khoảng điều chỉnh phù hợp với tải cực đại Khoảng thời gian cạnh tranh ln ln sử dụng dù khơng có xung đột Hình 1.9.3a: Lược đồ trao đổi liệu Nút C nghe CTS từ nút B không làm phiền giao tiếp A B TA phải đủ dài để C nghe phần đầu CTS b) Thử lại phát lại RTS Khi nút phát gói tin RTS, khơng nhận trở lại CTS, ba trường hợp xảy ra:  Nút nhận không nghe RTS xung đột 26  Nút nhận bị ngăn cản trả lời nghe RTS CTS,  Nút nhận ngủ Khi nút phát gói tin RTS, khơng nhận trở lại CTS, ba trường hợp xảy ra: + Nút nhận khơng nghe RTS xung đột + Nút nhận bị ngăn cản trả lời nghe RTS CTS + Nút nhận ngủ Khi nút gửi khơng nhận câu trả lời khoảng TA, chuyển sang trạng thái ngủ Tuy nhiên, điều khơng hợp lý trường hợp 2: xảy tượng nút muốn gửi chuyển sang trạng thái ngủ nút nhận thức Khi trường hợp xảy chí thông báo khung, thông lượng giảm đáng kể Bởi vậy, nút cần phải cố gắng gửi lại RTS khơng nhận câu trả lời Nếu khơng có cịn trả lời sau thử lại, cần phải từ bỏ ý định truyền sang trạng thái ngủ c) Xác định khoảng TA Một nút không nên chuyển sang trạng thái ngủ nút lân cận cịn trao đổi số liệu, nút lân cận nút nhận thơng báo Khi bắt đầu nhận gói tin RTS CTS nút lân cận đủ thực tác vụ kích hoạt khởi tạo khoảng TA Khơng nằm vùng lân cận, nên nút không nhận thông điệp RTS từ nút mà khởi tạo truyền thơng với lân cận Khoảng TA phải đủ dài để nhận bắt đầu gói CTS (Hình 1.9.3a) Sự quan sát cho cận độ dài khoảng TA: TA > C + R + T Ở C chiều dài khoảng cạnh tranh, R độ dài gói RTS, T thời gian turnaround (khoảng thời gian ngắn kết thúc gói RTS bắt đầu gói CTS) Chọn thời gian TA lớn làm tăng tiêu phí lượng Tránh nghe thừa tùy chọn giao thức T-MAC để giảm lượng tiêu thụ Tuy nhiên, chúng làm xung đột thông tin điều khiển (overhead collision) cao hơn: nút khơng nhận gói tin RTS CTS ngủ làm phiền giao tiếp tỉnh dậy trở lại Do vậy, lưu lượng cực đại giảm bớt Mặc dù việc tránh nghe thừa tiết kiệm điện không sử dụng muốn đạt băng thông cực đại 1.9.4 Truyền thông bất đối xứng Do lưu lượng mạng cảm biến phần lớn đẳng hướng, dạng truyền thông từ nhiều nút tới nút gốc (Notes-to-Sink), nên T-MAC xuất hiện tượng làm giảm thông 27 lượng cực đại mạng Hiện tượng mô tả sau (Hình 1.9.4): Các nút từ A đến D hình thành tế bào với lân cận Các thơng điệp di chuyển từ xuống dưới, nút A phát tới B, B phát tới C, C phát tới D Hình 1.9.4: Hiện tượng ngủ sớm D ngủ trước C gửi RTS cho Khi nút C muốn phát liệu tới nút D, phải tiến hành cạnh tranh, thăm dò đường truyền để giành quyền phát Việc thăm dị khơng tiến hành trước nhận thơng điệp RTS từ nút B, nghe thông điệp CTS từ nút B trả lời tới nút A Khi C không tiến hành việc thăm dò đường truyền nhận thơng điệp RTS từ nút B, trả lời B thông điệp CTS, D nghe thông điệp đặt lịch chuyển sang trạng thái thức truyền thông C B kết thúc Tuy nhiên, C không tiến hành nghe thơng điệp CTS từ B trả lời A (Hình 1.9.4), phải giữ im lặng Ở trường hợp này, D truyền thông A B, không nhận thông điệp muốn truyền liệu từ C, chuyển sang trạng thái ngủ thời gian thức theo lịch kết Chỉ điểm bắt đầu khung tiếp theo, nút C có hội để thực thăm dò tiến hành trao đổi liệu với nút D Những vấn đề quan sát gọi tượng ngủ sớm (early sleeping problem), tức nút chuyển sang trạng thái ngủ nút lân cận thức muốn trao đổi liệu với Trong dạng truyền thông từ nút đến nút gốc, ngủ sớm làm giảm thơng lượng T-MAC tới nửa thông lượng cực đại giao thức truyền thống, so với S-MAC Ưu-Nhược điểm T-MAC:  Ưu điểm: TMAC dễ dàng xử lý tải trọng thay đổi lịch ngủ động  Nhược điểm: điểm TMAC vấn đề ngủ sớm nút ngủ theo thời gian kích hoạt liệu bị đặc biệt tin dài 28 Chương 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀO MƠ HÌNH NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 2.1 Giới thiệu chung Theo truyền thống nông nghiệp việc thực nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn trồng thu hoạch, với lịch trình định trước Nhưng cách thu thập liệu thời gian thực thời tiết, đất chất lượng khơng khí, theo dõi trưởng thành trồng chí trang thiết bị chi phí lao động, phân tích sử dụng để đưa định thông minh Đây gọi nơng nghiệp xác (hoặc canh tác xác) Một định nghĩa nơng nghiệp xác sau: kỹ thuật áp dụng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào vị trí vào thời điểm để tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng Với nơng nghiệp xác, trung tâm kiểm sốt thu thập xử lý liệu thời gian thực để giúp nông dân đưa định tốt liên quan đến trồng, bón phân thu hoạch trồng có Các nút cảm biến đặt nơi trồng để đo nhiệt độ độ ẩm đất khơng khí xung quanh Ứng dụng cảm biến khơng dây nơng nghiệp xác nâng cao hiệu quả, suất lợi nhuận nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng Các thông tin thời gian thực thu từ lĩnh vực cung cấp sở vững cho nông dân để điều chỉnh chiến lược lúc Thay đưa định dựa vào số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chủ quan cá nhân, khơng tồn nơi thực tế, cách tiếp cận nơng nghiệp xác nhận khác biệt điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nơng nghiệp xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào phân bón, nước, thuốc trừ sâu sử dụng tăng sản lượng Nông dân thu lợi nhuận đầu tư cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch thực vật phân bón Áp dụng số lượng đầu vào nơi thời điểm đem lại lợi ích cho trồng, tiết kiệm nguồn tài nguyên đất nước ngầm, tối ưu hóa tồn chu kỳ trồng trọt Nơng nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo nguồn cung cấp liên tục thực phẩm giới hạn sinh thái, kinh tế xã hội cần thiết để trì sản xuất dài hạn Do độ xác nơng nghiệp cách sử dụng mạng cảm biến không dây cho phép theo đuổi mục tiêu Ngồi ra, mạng cảm biến khơng dây cịn sử dụng để điều khiển nhà kính Một nhà kính cấu trúc bao phủ mặt đất thường sử dụng cho tăng trưởng phát triển Cấu trúc gắn với mục đích bảo vệ trồng cho phép mơi trường tốt để phát triển Sự bảo vệ đủ để đảm bảo đem lại chất lượng cao sản xuất trồng Chức nhà kính để cung cấp mơi trường thuận lợi so với bên ngồi Các yếu tố liên quan đến hệ thống điều khiển nhà kính: nhiệt độ, 29 độ ẩm, khí CO2, nồng độ, xạ, nước chất dinh dưỡng điều khiển mạng cảm biến không dây Hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng mạng cảm biến không dây nghiên cứu quan tâm nhiều lợi việc tiết kiệm nhân lực tiết kiệm nước Cây trồng cần ánh sáng mặt trời, chất dinh dưỡng nước để phát triển Tất nhà sản xuất nơng nghiệp có u cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn yêu cầu lượng nước tối ưu hàng năm cho sản xuất tối đa Do hệ thống tưới tiêu thơng minh cần thiết để nâng cao suất trồng 2.2 Xây dựng mạng cảm biến không dây phục vụ nơng nghiệp 2.2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống Hình 2.2.1: Mơ hình tổng thể hệ thống Hình 2.2.1 mơ tả mơ hình tổng thể hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp xác Tại khu vực canh tác nút cảm biến triển khai nhằm theo dõi thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng trồng nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí, ánh sáng, thông số liên quan đến điều kiện đất trồng độ ẩm đất, độ pH, Tại khu vực, liệu thu thập, lưu trữ truyền tải không dây nút quản lý vùng, sau liệu tiếp tục truyền tải đến trung tâm điều hành cuối trung tâm tổng điều hành thông qua 30 mạng Internet Dựa thông số thu thập được, người dùng xử lý điều khiển từ trung tâm điều hành trung tâm tổng điều hành để đưa biện pháp thích hợp sản xuất nông nghiệp nhằm tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng Ví dụ, xác định độ ẩm đất khu vực thấp yêu cầu, người dùng lệnh từ xa kích hoạt máy bơm nước khu vực để cải thiện độ ẩm Do mơ hình hệ thống có khả mở rộng nên hệ thống triển khai quy mô nhỏ (như cánh đồng canh tác cá thể) đến quy mô lớn (như khu vực diện rộng cấp huyện, cấp thị xã, thành phố chí cấp quốc gia) 2.2.2 Mơ hình chi tiết khu vực giám sát Hình 2.2.2: Mơ hình chi tiết khu vực giám sát Hình 2.2.2 mơ tả chi tiết cấu trúc hệ thống khu vực giám sát, bao gồm nút cảm biến nút quản lý vùng a) Nút cảm biến ( Sensor Nodes ) Nút cảm biến (Sensor nodes) thiết bị trang bị khả cảm biến môi trường độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH, lượng mưa, tốc độ hướng gió, cường độ ánh sáng, hình ảnh (tùy vào cảm biến trang bị) Ngoài ra, nút cảm biến 31 cịn có khả giao tiếp với nút cảm biến khác vùng phủ sóng truyền tải không dây liệu thu thập trạm trung gian nội b) Nút quản lý vùng ( Field Managemnent Nodes) Nút quản lý vùng nút có nhiệm vụ quản lý nút cảm biến vùng phủ sóng đóng vai trị nút trung gian nút cảm biến trung tâm điều hành, nhận liệu từ nút cảm biến khu vực truyền liệu trung tâm điều hành gần Ngoài ra, nút quản lý vùng cịn có nhiệm vụ nhận truyền lệnh từ trung tâm điều hành đến nút cảm biến để thực thi lệnh theo yêu cầu trung tâm điều hành 2.3 Phần cứng Phần mô tả phần cứng hệ thống xây dựng khu vực giám sát trung tâm điều hành 2.3.1 Khu vực giám sát a) Nút cảm biến (DHLA-WSN) Hình 2.3.1a mơ tả cấu trúc nút cảm biến hệ thống Một nút cảm biến gồm thành phần sau đây:  Khối cung cấp lượng: khối cấp nguồn điện 12V cho thiết bị hoạt động Điện lấy từ lượng mặt trời, pin dự trữ …  Khối thu thập liệu: bao gồm cảm biến: - Ánh sáng: thu thập cường độ ánh sáng - Nhiệt độ: thu thập nhiệt độ môi trường - Độ ẩm: thu thập thông số độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí - Độ pH: đo độ pH nước  Khối trung tâm xử lý: Đảm nhận việc tập hợp liệu từ khối thu thập liệu sau điều khiển khối giao tiếp để truyền nút quản lý vùng, lệnh cho khối thị xuất hình  Khối giao tiếp: Sau khối trung tâm xử lý tập hợp liệu gửi cho khối giao tiếp, khối giao tiếp thực công việc truyền liệu nút quản lý vùng  Khối lưu trữ: Công việc lưu lại liệu vào thẻ nhớ 32 Hình 2.3.1a: Cấu trúc Node cảm biến (DHLA-WSN) b) Nút quản lý vùng DHLA-WMN Nút trung gian DHLA-WMN nơi nhận liệu từ nút cảm biến truyền cho trung tâm điều hành đồng thời nhận lệnh từ trung tâm điều hành truyền cho nút cảm biến để thực thi 33 Hình 2.3.1b: Cấu trúc nút quản lý vùng Hình 2.3.1b mơ tả cấu trúc nút quản lý vùng Một nút quản lý vùng thành phần sau:  Khối cung cấp lượng: khối cấp nguồn điện 12V cho thiết bị hoạt động Điện lấy từ lượng mặt trời, pin dự trữ …  Khối trung tâm xử lý: xử lý thông tin nhận từ khối giao tiếp trả liệu v ề n ế u cần  Khối giao tiếp: đảm nhận công việc giao tiếp nút cảm biến trung tâm điều hành  Khối điều khiển: thực đóng, mở thiết bị máy bơm, máy phun sương, đèn, quạt gió… 2.3.2 Trung tâm điều hành Trung tâm điều điều hành nơi nhận xử lý số liệu, trung tâm nhận liệu lưu hiển thị PC, giúp nhà sản xuất, nhà nghiên cứu có liệu xác thời điểm Với liệu lưu PC số thuật tốn phân tích số liệu đặc thù giúp cho nông dân, nhà sản xuất có góc nhìn tổng thể khu vực họ cần giám sát, hỗ trợ cho họ số định (hệ hỗ trợ định) Từ PC họ điều khiển lập lịch cho hệ thống tưới tiêu hay hoạt động thỏa số yêu cầu mà họ đề PC tự động gởi lệnh hệ thồng tưới tiêu Tại trung tâm có kết nối với Internet, GPRS, SMS hỗ trợ giám sát điều khiển từ xa Hệ thống máy tính, thiết bị trung tâm DHLA_CENTER xây dựng sau: Phần cứng  Máy Server: chức quản lý thiết bị ngoại vi  Modem SMS: gửi, nhận SMS qua nhà mạng  Modem wireless: thiết bị thu phát liệu không dây  Modem ADSL: thiết bị thu phát mạng băng thông rộng Phần mềm giám sát điều khiển DHLA_SOFT Phần mềm DHLA_SOFT triển khai trung tâm điều hành tổng trung tâm điều hành Phần mềm DHLA_SOFT gồm chứng sau: - Hiện thị đồ vùng giám sát  Hiển thị lưu trữ thông liệu thông số môi trường phục vụ việc theo dõi lâu dài cho người sử dụng  Lập lịch lập kế hoạch điều khiển tự động vùng giám sát quản lý Các nhà nơng dân sử dụng lập kế hoạch cho hệ thống hoạt động theo chu trình Ví dụ hệ thống tưới tiêu từ đến h ngày từ thứ đến thứ Tuy nhiên việc lập lịch linh hoạt theo thay đổi môi trường, nên hệ thống phần mềm cung cấp cho việc lập kế hoạch điều khiển tự động dựa vào thông số mà nút quản lý vùng gửi (Ví dụ nhiệt độ tăng cao 300C hệ 34 thống phun sương để làm mát môi trường tăng độ ẩm, đến nhiệt độ hạ xuống 250C hệ thống tắt phun sương Hệ hỗ trợ định, với liệu mà hệ thống thu thập theo thời gian, liệu trồng phần mềm giúp người dùng chăm sóc trồng tốt Hết 35 Tài liệu tham khảo [1] J Edgar H Callaway, Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, Auerbach Publications , 2004 [2] P Mohapatra, "Computer Networks," ScienceDirect, vol 51, no 4, pp 919-1232, 2007 [3] W Y & J Heidemann, "Springer Link," [Online] Available: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4020-7884-2_4 [4] L Đ T & T D Ngọc, "Xây dựng mạng cảm biến khơng dây nơng nghiệp xác," Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, pp 155-122, 2013 36 ... trúc mạng cảm biến không dây thể hình 1.1 Hình 1.1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thông. .. giá Mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng để giúp người việc làm nơng nghiệp  Nội dung báo cáo gồm phần chính: Mạng cảm biến khơng dây WSN Ứng dụng WSN vào mơ hình nơng nghiệp thơng minh  Nội... mạng cảm biến không dây phục vụ nơng nghiệp 2.2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống Hình 2.2.1: Mơ hình tổng thể hệ thống Hình 2.2.1 mơ tả mơ hình tổng thể hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nơng nghiệp