Một giải pháp truyền dữ liệu hiệu quả trong iot ứng dụng trong hệ thống tưới

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN 978 604 82 2548 3 184 MỘT GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU HIỆU QUẢ TRONG IOT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG TƯỚI Phạm Tuấn Minh1, Kiều Tuấn Dũng1, Nguyễn Thị Ph[.]

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 MỘT GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU HIỆU QUẢ TRONG IOT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG TƯỚI Phạm Tuấn Minh1 , Kiều Tuấn Dũng1 , Nguyễn Thị Phương Thảo1 Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Thủy lợi, email: minhpt@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Tưới nước đối tượng sử dụng nguồn nước Theo báo cáo Tổ chức nông nghiệp thực phẩm Liên Hiệp Quốc, 70% lượng nước giới dùng cho việc tưới [1] Việc ứng dụng Internet of Things (IoT) sản xuất nông nghiệp cách để tối ưu việc sử dụng nước Các nút cảm biến IoT cung cấp liệu yếu tố môi trường nhiệt độ độ ẩm theo thời gian thực Lượng liệu lớn truyền tới hệ thống xử lý Sau đó, hệ thống tối ưu thời gian lượng nước cần tưới dựa phân tích tồn liệu môi trường trồng Trong hệ thống này, việc thu thập liệu có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu hệ thống Do nút cảm biến có lượng thấp, khả truyền ngắn, dễ mát liệu số lượng nút cảm biến lớn, vấn đề tối ưu hiệu truyền liệu cần nghiên cứu giải Vấn đề truyền liệu hiệu IoT với số lượng lớn hàng trăm nghìn nút cảm biến vấn đề thách thức cần phải giải việc nghiên cứu ứng dụng IoT [2] Các tác giả [3] đề xuất giải pháp giảm lượng truyền dùng mạng 4G để truyền liệu Tuy nhiên giải pháp dùng mạng 4G có chi phí cao, khơng phù hợp với việc truyền liệu thời gian thực từ số lượng lớn nút cảm biến ứng dụng IoT hệ thống tưới Các tác giả [4] đưa giải pháp chia sẻ kênh truyền dựa hạ tầng nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) Tuy nhiên, giải pháp khó triển khai diện tích đất nơng nghiệp rộng Trong báo này, nghiên cứu cách tiếp cận khác dựa việc kết hợp hạ tầng ISP truyền đa chặng để tăng hiệu truyền liệu tiết kiệm chi phí Cụ thể hơn, chúng tơi nghiên cứu giải pháp hiệu cho việc truyền liệu mơ hình kết hợp truyền liệu từ nút cảm biến tới nút trung tâm cách trực tiếp truyền qua nhiều nút cảm biến trung gian để tới nút trung tâm Kết nghiên cứu cho thấy việc kết hợp kết nối hạ tầng dùng WiFi kết nối trực tiếp hai nút cảm biến dùng WiFi Direct giúp cho việc truyền liệu hiệu tiết kiệm chi phí triển khai PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để giải toán truyền liệu IoT ứng dụng hệ thống tưới phạm vi rộng, kết hợp mơ hình hóa thử nghiệm với số liệu thực tế Việc mơ hình hóa giúp phân tích rõ ràng yếu tố đầu vào, ràng buộc hàm mục tiêu cần tối ưu Với số lượng nút cảm biến lớn, việc tìm lời giải tối ưu thời gian thực không khả thi Do vậy, chúng tơi dùng phương pháp gần để tìm lời giải cho toán truyền liệu Việc thử nghiệm liệu thực tế giúp cho việc đánh giá mô hình, giải thuật tác động thay đổi yếu tố đầu vào tính hiệu giải pháp KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Hệ thống IoT ứng dụng tưới nước bao gồm số lượng lớn nút cảm biến độ ẩm nhiệt độ số nút trung tâm Nút cảm biến tự động thu thập liệu nhiệt độ 184 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 độ ẩm truyền liệu qua nút trung tâm hệ thống xử lý Để điều khiển việc thu thập truyền liệu nút trung tâm, nút cảm biến phải gắn thiết bị cảm biến bo mạch vi xử lý Arduino Uno hay ESP8266 Nút trung tâm sử dụng kết nối Internet để truyền hệ thống xử lý Hệ thống xử lý triển khai điện toán đám mây Dựa liệu khứ điều kiện môi trường với liệu trình sinh trưởng phát triển trồng, hệ thống xử lý điều chỉnh lượng nước tưới tối ưu Lệnh điều khiển tưới truyền từ hệ thống xử lý nút trung tâm, từ nút trung tâm tới mạch đóng mở van tưới, để điều khiển việc tưới tới trực tiếp trồng Mơ hình hệ thống minh họa Hình Hệ thống xử lý Internet Nút trung tâm Wifi Wifi Direct truyền Kết nối trực tiếp hai nút cảm biến dùng Wifi Direct khơng cần trạm phát sóng WiFi Kết nối gọi kiểu kết nối đa chặng (Multihop) Kiểu kết nối dựa hạ tầng thường yêu cầu mức lượng truyền cao kiểu kết nối đa chặng khoảng cách kết nối xa Hệ thống biểu diễn đồ thị G với tập đỉnh V = V1  V2 tập cạnh E Mỗi đỉnh tập V1 nút cảm biến Mỗi đỉnh tập V2 nút trung tâm Mỗi cạnh tập cạnh E biểu diễn kết nối không dây nút cảm biến qua WiFi Direct, kết nối không dây nút cảm biến nút trung tâm qua WiFi Năng lượng nút i  V i Mức lượng sử dụng kết nối dựa hạ tầng chế độ hoạt động nút i i Mức lượng sử dụng kết nối đa chặng chế độ hoạt động nút i i Chúng ta bỏ qua lượng chế độ nghỉ mức lượng chế độ nghỉ nhỏ khoảng miliwatt lượng chế độ hoạt động khoảng vài trăm miliwatt Mỗi nút cảm biến phải lựa chọn việc truyền tới nút cảm biến liền kề hay truyền trực tiếp tới nút trung tâm để tối thiểu tổng lượng tiêu thụ Kí hiệu xij = nút i lựa chọn kết nối với nút j để truyền liệu, xij = trường hợp ngược lại Tổng lượng tiêu thụ cho kịch truyền là: Nút cảm bi ến   iV1,jV2 Hình Mơ hình truyền liệu Trong hệ thống đề xuất, sử dụng hai kiểu kết nối để truyền liệu hệ thống Kiểu kết nối thứ nút cảm biến truyền liệu trực tiếp tới nút trung tâm hai nút nằm phạm kết nối WiFi Kiểu truyền cần có trạm phát sóng WiFi Kết nối nút cảm biến nút trung tâm gọi kết nối dựa hạ tầng Kiểu kết nối thứ hai nút cảm biến truyền liệu qua nút cảm biến trung gian khác nút trung tâm Kiểu truyền sử dụng nút cảm biến không kết nối với nút trung tâm khoảng cách xa để tối ưu lượng   x ij i   j    x ij i   j  iV1 ,jV1 Mục tiêu toán tìm phương án truyền để tối thiểu tổng lượng tiêu thụ  Ràng buộc tổng lượng truyền nút i phải không lớn lượng nút i với ràng buộc khả truyền nút i Do lượng liệu từ nút cảm biến ổn định, xem xét phương án truyền cố định Việc tìm lời giải tối ưu cho toán truyền liệu theo thời gian thực hệ thống IoT không khả thi số lượng lớn nút cảm biến kết nối hệ thống Vì vậy, chúng tơi đề xuất lời giải xấp xỉ cho toán theo ý tưởng giải thuật mơ luyện kim Ý tưởng giải thuật xuất 185 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 phát từ lời giải khả thi, sau điều chỉnh cân lưu lượng nút cảm biến với nút láng giềng Sau giá trị ngưỡng số lần điều chỉnh mà không cải tiến giá trị hàm mục tiêu, giải thuật dừng lại Chúng thử nghiệm với mơ hình gồm 10.000 nút cảm biến bố trí theo mơ hình lưới diện tích kilơmét vng nút trung tâm Chúng xem xét hai kịch với vị trí nút trung tâm thay đổi Hình Trong kịch 1, nút trung tâm đặt đường biên Trong kịch 2, nút trung tâm đặt vùng diện tích 500 mét vng Năng lượng tiêu thụ nút trung tâm 432 mW Năng lượng tiêu thụ nút cảm biến 432 mW truyền liệu dùng kết nối hạ tầng 200 mW truyền liệu dùng kết nối đa chặng [5] Các nút cảm biến dùng pin với mức lượng 7.5 Wh Bán kính phủ sóng WiFi 40 mét bán kính WiFi Direct 10 mét Dữ liệu từ nút cảm biến gửi phút lần trạm trung tâm Nút trung tâm nghĩa việc xác định vị trí để triển khai nút trung tâm Kết việc triển khai nút trung tâm phân bố tồn vùng diện tích giúp việc truyền liệu hiệu mơ hình truyền liệu kết hợp kết nối hạ tầng kết nối KẾT LUẬN Chúng nghiên cứu giải pháp truyền liệu hiệu IoT ứng dụng hệ thống tưới tự động Giải pháp truyền liệu nghiên cứu đánh giá báo sử dụng kết hợp kết nối dùng hạ tầng ISP kết nối đa chặng Chúng công thức hóa tốn đề xuất giải thuật gần cho để giải tốn với kích thước liệu lớn Việc thử nghiệm cho thấy giải pháp đề xuất giúp việc truyền liệu hiệu với chi phí thấp Ngồi ra, kết phương án triển khai nút trung tâm để tăng hiệu giải thuật truyền liệu Các kết mở rộng cách xem xét ảnh hưởng yếu tố nhiễu tới truyền liệu TÀI LIỆU THAM KHẢO Nút cảm biến Kịch Kịch Hình Hai kịch vị trí nút trung tâm Với kịch thử nghiệm trên, thấy với bốn nút trung tâm, tất nút cảm biến truyền liệu hệ thống xử lý sử dụng kết hợp WiFi WiFi Ditect Nếu dùng kết nối WiFi, phải dùng 144 nút trung tâm Kết thử nghiệm chạy giải thuật truyền liệu cho hai kịch cho thấy tổng mức lượng tiêu thụ kịch lớn kịch Điều có ý [1] The Food and Agriculture Organization, “The State of the World's Land and Water Resources for Food and Agriculture”, 2011 [2] John A Stankovic, "Research Directions for the Internet of Things", IEEE Internet of Things Journal, (1) (2014), pp 3-9 [3] Ali Sehati, and Maijd Ghaderi, “Online energy management in IoT Applications”, in Proceedings of IEEE INFOCOM’18, Honolulu, 2018 [4] C Hu, W Bao, and D Wang, "IoT Communication Sharing: Scenarios, Algorithms and Implementation", in Proc IEEE INFOCOM'18, Honolulu, 2018 [5] Wi-Fi Alliance, https://www.wi-fi.org 186 ... giúp việc truyền liệu hiệu mơ hình truyền liệu kết hợp kết nối hạ tầng kết nối KẾT LUẬN Chúng nghiên cứu giải pháp truyền liệu hiệu IoT ứng dụng hệ thống tưới tự động Giải pháp truyền liệu nghiên... cho kịch truyền là: Nút cảm bi ến   iV1,jV2 Hình Mơ hình truyền liệu Trong hệ thống đề xuất, sử dụng hai kiểu kết nối để truyền liệu hệ thống Kiểu kết nối thứ nút cảm biến truyền liệu trực... trung tâm sử dụng kết nối Internet để truyền hệ thống xử lý Hệ thống xử lý triển khai điện toán đám mây Dựa liệu khứ điều kiện môi trường với liệu trình sinh trưởng phát triển trồng, hệ thống xử