BO GIAO DUC VA DAO TAO
DAI HOC HUE
TRUONG DAI HOC KHOA HOC
VO VIET CHÍ
TIM HIEU PHUONG PHAP
ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUÁ NĂNG LƯỢNG
TRONG MANG RFID
CHUYEN NGANH : KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ Sể : 60 48 01 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐỊNH HƯỚNG NGHIấN CỨU
NGUOI HUONG DAN KHOA HỌC PGS.TS VO VIET MINH NHAT
Thừa Thiờn Huế, 2018
Trang 2LOI CAM DOAN
Tụi xin cam đoan đõy là cụng trỡnh nghiờn cứu khoa học của riờng tụi Cỏc số
liệu, trớch dẫn, kết quả thực nghiệm và cài đặt được trỡnh bày trong luận văn là trung
thực và cú nguụn gốc rừ ràng
Thừa Thiờn Huế, thỏng 10 năm 2018
Học viờn
Trang 3LOI CAM ON
Đề hoàn thành luận văn này, tụi xin bày tỏ lũng biết ơn sõu sắc đến Thầy Vừ Viết
Minh Nhật, Ban Dao tao — Dai học Huế, đó tận tỡnh hướng dẫn trong suốt quỏ trỡnh
thực hiện đề tài
Xin chõn thành cảm ơn sự giỳp đỡ về mọi mặt của Ban Giỏm hiệu, Phũng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cụng nghệ thụng tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế
cựng quý thầy cụ đó tham gia giảng dạy trong suốt quỏ trỡnh học tập
Cảm ơn tất cả bạn bố, đồng nghiệp và người thõn đó động viờn, giỳp đỡ tụi hoàn thành luận văn này
Học viờn
Vừ Viết Chớ
Trang 4MUC LUC 909.0 60979077 7 i U89 9010 0 -“Q ễỎ ii MỤC TUỰC qopnninintiniiintiniiittiontididilBDTTSĐDERBIEHEHIXSRUHUAGEHIIHS1SBTISEHHASNitữggtrgauẺ iii )0)28)/10/08:790 c7 H.HDH Vv ID) 9/:8/00/98200)201460 00007577 vi DANH MUC KY HIEU, CHU VIET TAT wo.eeccccccccssesssssssecssecssscssecesscesecesecesecesecene viii CHUONG 1: TONG QUAN VE HE THONG TICH HOP RFID VA MANG CAM-BIEN KHONG DAY ‘sssscssscsscczsssscesssesssssseessesxecsnrevcasasavesniesieesiucsiaexeasstenmasevasievns 3 1.1 GIGI THIEU CONG NGHE REID cecsssesssssssssseesssssecsssscsssssessssescesssessesseesees 4
1.1.1 Lịch sử phỏt triển của cụng nghệ RFID 222 22222212221221121122222 22 te 4
1.12 Cỏc thành phần của hệ thống RFID -2 22 22212211221251221121122122122 22e 7 1.13 Ứng dụng cụng nghệ RFID - 522222 2222221222112211211211211222212 e6 12 1.2 MẠNG CẢM BIẾN KHễNG DÂY 555ccccccvierrtertrrrrrrrrrrree 13
1.2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến 0 2n 2121 1121111 211112111 212 2E eree 13 1.2.2 Cấu trỳc của một nỳt mạng cảm biẾn à 0.20221222122212 ree 14
1.2.3 Cấu trỳc của mạng cảm biến 52-222 222222122211221121112111211212121 e0 14 1.2.4 Cỏc ứng dụng của mạng cảm biến khụng dõy 2-22222222222212222-2e 15 12.5 Phõn biệt giữa RFID và mạng cảm biến khụng dõy 222-222-2 16
13 TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHễNG DÂY 17
1.3.1 Tớch hợp thẻ RFID với cảm biến 2- 5522222 2222221222122112222121 2 e6 18 1.3.2 Tớch hợp cỏc thẻ RFID với cỏc nỳt WSN nen neheerereere 18
13.3 Tớch hợp cỏc đầu đọc RFID với cỏc nỳt WSN c cnrererree 19
1.3.4 Tớch hợp cỏc thành phần RFID với cỏc nỳt WSĐN S25 2222222 cee 20
Trang 514 TIEU KET CHUONG1
CHUONG 2: MOT SO PHUONG PHAP DINH TUYEN HIEU QUA NANG LUONG TRONG MANG RFID uocssssssssssssssessssssssccssscsssscsssscssscsssscssseessseeseseessseessseees 22 2.1 GIAO THUC EECBRuecssscssssssssssssssscssssssssssssscsssscssssccssscsssscssncsssccessecssnecsssecssse 22 2.11 GiGi hau eee ceccccecsccessseessseesssseseressreesavsssvessavessssessssestiveseseesesetaseesssensasees 22
2.12 Nguyờn lý hoạt động giao thức và giải thuật - s52: si stterrerrrerres 23 2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm -S 21 2121121211512111151111511112110151 211281 tre 27
2.2 GIAO THUC NTP eecccseccsssssssssssssessssscsssecsssccssscssssccsssccsssccssscsssscsssecsssecsssecesneessse 28 242.1 Giới thiệu Q.22 2220222222222 eee 28
2.2.2 Nguyờn lý hoạt động giao thức và giải thuật - s5 cccc series 31 2.2.3 Ưu điểm và nhược điểm S s21 2121121211512111121111511115111121 2111281 tre 36
2.3 TIỂU KẾT CHƯNG 2 -5-â5<S2+CExetEkEEEtErrtrrrrrrrrrrrkee 37
CHƯƠNG3:_ CÀI ĐẶT Mễ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 38
3.1 XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN Mễ PHỎNG 222cccccceecccee 38 3.2 PHAN TICH CÁC KẫT QUẢ Mễ PHỎNG 2-5-5 c5<ccscrsecse 39 3.3 Tiểu kết chương đ -2-â5sâ++++xEExEE111111111111111111111 1e, 40
Trang 6DANH MUC BANG
Trang 7DANH MỤC HèNH VẼ
Hỡnh 1.1 Những mốc quan trọng trong thời kỳ đầu của cụng nghệ RFID 4 Hỡnh 1.2 Những mốc quan trọng từ năm 1960 đến 1990 22-22222222221221222125e2 5 Hỡnh 1.3 Những mốc quan trọng từ năm 1990 đến nay â222222222222212212221 222 6
Hỡnh 1.4 Cỏc thành phần của hệ thống RFID 222 â22221122122212212221221221222 2e Đ Hỡnh 1.5 Cỏc thành phần của thẻ chủ động -2-â22S2222212221222122212221211 22.21 xe 9
Hỡnh 1.6 Cỏc thành phần của thẻ bỏn thụ động -2- 222222 2222221222122222.2 e6 10 Hỡnh 1.7 Một số đạng thẻ thụng dụng của ứng dụng RFID -2222222222222ee 11
Hỡnh 1.8 Sơ để thể hiện cỏc đơn vị chớnh của đầu đọc . -: s22 12E221252552552x5e5 12
Hỡnh 1.9 Cỏc thành phần của một nỳt cảm biến 22222 2222221222122212222 2e 14
Hỡnh 1.10 Cấu trỳc của mạng cảm biến 22222222222122211221122122121211 2x0 15
Hỡnh 1.11 Bến loại tớch hợp REID với -WSeeaorteeeartogpdiseagtodtlgstitritsf3iyitoggiiinoa 18
Hỡnh 1.12 Kiến trỳc tớch hợp thẻ RFID với cảm biến -2-â22222222222122212222226 18
Hỡnh 1.13 Kiến trỳc tớch hợp cỏc thẻ RFID với cỏc nỳt WSĐN 222 222cc 19
Hỡnh 1.14 Kiến trỳc tớch hợp cỏc đầu đọc REID với cỏc nỳt WĐN 20
Hỡnh 1.15 Kiến trỳc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tớch hợp cỏc thành phần RFID với
cacnutl! WISN sundgttttoihGEIEIGERGIHEERRSEERGDRIRSNGIDHIINGGSIHIIGRREERRREIEIDDRIRSNGHONRINSSB 21
Hinh 2.1 Biộu dộ luộng gidi thuật định tuyến EECBR 52-222 2222221222122ce6 25
Hỡnh 2.2 Giải thuật EECBR 2c nh H HH HH HH He 27 Hỡnh 2.3 Mạng đơn giản với đường đi được thiết lập từ trước -2 ~2 29
Hỡnh 2.4 Vớ dụ mạng cú nỳt bị tắt và mất gúi - 22 22222122211211221221.22 e6 30
Hỡnh 2.5 Vớ dụ mạng mất đồng bộ và tranh chấp gúi ¿2222222222222 31
Hỡnh 2.6 Định tuyến bằng giao thức AODV dộ tim dong di eee 32
Hỡnh 2.7 Tiến trỡnh đồng bộ cỏc nỳt của mạng . 22+2222221222122122122122 e6 33
Hỡnh 2.8 Biờu đồ luỗng thực hiện của NTP -2222222222122211221221222121.2 e6 34
Hỡnh 2:9 Giải thuật NT :¿:sczz:zsczztrbrexitrGStiitogtangt0033079X0556050133103195815301361313 6041513100018 36
Trang 8Hinh 3.1 So sỏnh tiờu thụ năng lượng của cảm biến chớnh với trung bỡnh của cụm Hỡnh 3.2 Mức tiờu thụ năng lượng của cỏc cảm biến chớnh - 2-22222z22xcce Hỡnh 3.3 Phương sai của năng lượng toàn mạng
Trang 9RFID WSN TOT EECBR NTP AODV DSDV AIDC HF
DANH MUC KY HIEU, CHU VIET TAT Radio Frequency Identification
Wireless Sensor Network Internet of Things
Energy-Efficient Content-Based Routing Network Time Protocol
Ad hoc On-Demand Distance Vector Destination Sequenced Distance Vector Automatic Identification and Data Capture High Frequency
Trang 10% Ly do chon dộ tai
Ngày nay, với sự phỏt triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, nhiều cụng nghệ mới
và tiờn tiến đó ra đời với mục đớch làm cho mọi việc trong đời sống trở nờn tiện lợi và
đơn giản hơn Đặc biệt cỏc cụng nghệ khụng dõy ngày càng được quan tõm, chỳ ý và được triển khai ở nhiều ứng dụng, trong đú phải kể đến “Cụng nghệ nhận dạng đối tượng bằng súng vụ tuyến” (Radio Frequeney Identification - RFID) Cụng nghệ RFID hiện đang được nhiều nước trờn thế giới phỏt triển và ứng đụng vào cỏc lĩnh vực như:
bảo mật, an ninh, giỏm sỏt, sản xuất kinh doanh (sản xuất nụng nghiệp, cụng nghiệp, chăn nuụi, nuụi trồng thủy sản), y tế, thương mại dịch vụ, bưu chớnh viễn thụng, thanh
toỏn điện tử Riờng ở Việt Nam, cụng nghệ RFID cũng đó được triển khai cựng với xu hướng chung của thế giới; Việt Nam đang nghiờn cứu và từng bước ứng dụng cụng nghệ này
Để triển khai cụng nghệ RFID trong cỏc ứng dụng lớn, cỏc đầu đọc RFID thường
được tớch hợp với một mạng cảm biến (Sensor Network) để cú thể truyền tải dữ liệu
đọc được từ cỏc đầu đọc RFID về mỏy chủ trung tõm dộ xử lý Do đú, một trong những vấn để quan trọng của một hệ thống mạng RFID là vấn để định tuyến hiệu quả năng lượng Mục tiờu của nghiờn cứu cỏc kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng RFID là nhằm tiết kiệm tối đa nguồn năng lượng của hệ thống, từ đú tăng thời gian sống của mạng và đú chớnh là lý do tụi chọn đề tài “Tỡm hiểu một số kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng RFID”
+ằ Mục tiờu nghiờn cứu
- Tỡm hiểu cỏc kiến thức cơ bản về hệ thống RFID tớch hợp với mạng cảm biến khụng dõy
Trang 11* Cấu trỳc luận văn
Cấu trỳc luận văn bao gồm: phần mở đõu, ba chojơng nội dung, phần kết luận và
tài liệu tham khảo, trong đú:
- Chương l - Tổng quan về cụng nghệ RFID, giới thiệu tổng quan hệ thống mạng RFID, cỏc thành phần và phương thức hoạt động của hệ thống mạng RFID, tỡm hiểu mạng cảm biến khụng dõy, RFID tớch hợp với mạng cảm biến khụng dõy
- Chương 2 - Tỡm hiểu 2 kỹ thuật định tuyến hiệu quả năng lượng trọng
mạng RFID là: EECBR và NTP
- Chương 3 - Mụ phỏng và phõn tớch kết quả, xõy dựng cỏc kịch bản mụ phỏng và phõn tớch đỏnh giỏ cỏc kết quả mụ phỏng
Trang 12CHUONG 1: TONG QUAN VE HE THONG TICH HOP RFID VA MANG CAM BIEN KHONG DAY
RFID là cụng nghệ nhận đạng đối tượng bằng súng vụ tuyến Cụng nghệ này cho phộp nhận biết cỏc đối tượng thụng qua hệ thống thu phỏt súng radio, từ đú cú thể giỏm sỏt, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng Một hệ thống RFID thường bao gồm 2 thành phan chớnh là thẻ tag (chip RFID chứa thụng tin) và đầu đọc (reader) đọc cỏc thụng tin trờn thẻ
Ban đầu, RFID được ứng dụng trong lĩnh vực quõn sự Trong thế chiến thứ II,
quõn đội cỏc nước Mỹ, Nga, Đức, đó ứng dụng cụng nghệ RFID để xỏc định mỏy bay trờn khụng phận mỡnh là bạn hay kẻ thự vỡ vậy nú cũn cú tờn là IFF (dentify Friend or Foe) Tuy nhiờn, mói đến những năm 80 nú mới được bắt đầu ứng dụng trong lĩnh vực thương mại Từ năm 1990 đến nay, RFID vẫn được chỳ trọng phỏt triển trong nhiều lĩnh vực như hàng khụng, quốc phũng cho đến lĩnh vực kiểm kờ, kiểm soỏt hàng húa, kiểm soỏt động vật, giao thụng (thẻ trả tiền tàu xe, hoặc gắn vào lốp xe để đỏnh giỏ điều kiện đường xỏ, ), quản lý việc truy cập hệ thống và bảo mật, quản lý
nhõn viờn, dược phẩm, siờu thị, thư viện
Bờn cạnh cụng nghệ RFID, mạng cảm biến khụng dõy (JWireless Sensor Network — WđSN) cũng đang phỏt triển mạnh mẽ Một mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn
cỏc nỳt cảm biến cú thể được triển khai trờn mặt đất, trong khụng trung, trong xe, bờn
trong tũa nhà, hoặc thậm chớ trờn cơ thờ người Hiện nay cú nhiều nghiờn cứu đang cố gắn kết hợp hai cụng nghệ RFID và WSN lại với nhau nhằm mở rộng và nõng cao khả năng của hệ thống
Trang 131.1 GIGI THIEU CONG NGHE RFID
Khụng giống như cụng nghệ mó vạch, cụng nghệ RFID cho phộp nhận dạng đối tượng đó được gắn thẻ bằng súng vụ tuyến khụng cần tiếp xỳc trực tiếp ở khoảng cỏch
xa, khụng thực hiện bat ky giao tiộp vat ly nao Cac thộ RFID hỗ trợ một bộ mó số ID Undentity) lon hon nhiều so với mó vạch Cỏc hệ thống cú thể phõn biệt được nhiều thẻ
khỏc nhau nằm trong cựng khu vực mà khụng cần sự hỗ trợ của con người Vỡ thế cụng nghệ này là một phương phỏp của tự động nhận dạng và thu thập dữ liệu ATDC
1.1.1 Lịch sứ phỏt triển của cụng nghệ RFID
1.1.1.1 Thời kỳ đầu của cụng nghệ RFID
Vào những năm 1930, Lục quõn (Army) và Hải quõn (Navy) thuộc Quõn đội Hoa Kỳ gặp phải những thử thỏch khi xỏc định những mục tiờu trờn mặt đất, trờn biển và trờn bầu trời Đến năm 1937 phũng nghiờn cứu Naval U.S phỏt triển hệ thống xỏc định IFF (Identification Friend or Foe) cho phộp những đối tượng thuộc về quõn ta cú thộ phõn biệt với quõn địch Từ đú, cụng nghệ này trở nờn phổ biến trong hệ thống điều khiển khụng lưu vào cuối thập niờn 50 Những ứng dụng của súng RF trong việc xỏc định vật thể trong suốt thập niờn 50 giới hạn chủ yếu trong quõn đội, trong phũng nghiờn cứu, trong cỏc doanh nghiệp lớn bởi vỡ những thiết bị này cú giỏ rất cao và kớch
thước lớn
k
oA 1958: Jack Kilby
_ 4 1922: Birth invents the
1880s: Fundamental cư 7, advance thoughts ct dey woes | circuit at
understanding of around 1950s: ơ RFID Ja Texas
Hecrommgeets Energy RFID technology Soed/in Research take ‘instruments
+ 4 + & +
T T T + T
1897: 1937: NRL developed Late Thống
Guglielmo Marconi the IFF System IFF becomes
the basis forthe Đ
Trang 141.1.1.2 Thời kỳ phỏt hiện cỏc vật thể riờng biệt
Trong suốt thập kỷ 70, cụng nghiệp sản xuất, vận chuyờn bắt đầu nghiờn cứu và phỏt triển những dự ỏn để tỡm cỏch dựng IC (Intergated Circuit) dựa trờn cụng nghệ
RFID Cú nhiều ứng dụng trong cụng nghiệp tự động, xỏc định vật nuụi, theo dừi lưu
thụng Trong thời kỳ này thẻ cú IC tiếp tục phỏt triển và cú cỏc đặc tớnh bộ nhớ ghi được, tốc độ đọc nhanh hơn và khoảng cỏch đọc xa hơn
Vào đầu thập niờn 80, cụng nghệ RFID được sử dụng vào việc giỏm sỏt cỏc
đường ray ở Mỹ, đỏnh dấu vật nuụi cỏc nụng trại ở Chõu Âu Ngoài ra, nú cũn được dựng trong nghiờn cứu động vật hoang dó, chẳng hạn đỏnh dấu cỏc loài nguy hiểm, cỏc loài cú nguy cơ tuyệt chủng
Đến thập niờn 90, cụng nghệ RFID trở nờn phổ biến và được sử dụng nhiều trong thu phớ điện tử ở cỏc nước: í, Tõy Ban Nha, Bồ Đào Nha, Mỹ, Những hệ thống này cung cấp những dạng truy cập điều khiển phức tạp hơn bởi vỡ nú cũn bao gồm cả mỏy trả tiền Cựng vào thời điểm này, khúa thẻ (RFID card) sử dụng phổ biến thay thế cho cỏc thiết bị mỏy múc điều khiển truy cập truyền thống như khúa kim loại và khúa số Những sản phẩm này cũn được gọi là thẻ thụng minh khụng tiếp xỳc cung cấp thụng tin về người dựng, trong khi giỏ thành thấp đề sản xuất và lập trỡnh APPROVED L 1960s: Electronic Đam” are “édxex
Sensormatic 1987: First commercial and Checkpoint 1970s: Numerous application of Electronic Systems RFID potents emerge Toll Collection in Norway
+ 4 + + + +
1970s: Giants 1970s and 1980s: Commercial uses of 1989:
T T T † † †
| à - RCA, Fairchild RFID under development for animal tracking Electronic 50 be Ơ { and Raytheon and factory automation Toll Collection em
\ pursue RFID s by the Dallas |
Ẳ at ce „ Yom North Turnpike - Ẽ i
xớ ỗ ộ “ hỡ =
Trang 151.1.1.3 Thời kỳ cụng nghệ RFID phỏt triển trờn phạm vi toàn cầu
Cuối thế ki 20, cụng nghệ RFID bắt đầu phỏt triển mạnh trờn phạm vi toàn cầu Dưới đõy là một số bước tiến quan trọng gúp phần đõy mạnh sự phỏt triển này
Vào những năm 1970, cỏc nước Chõu Âu đó bắt đầu sử dụng cụng nghệ RFID, cụng ty EM Microelectronic Marin da thiết kế mạch tớch hợp năng lượng thấp cho những dộng hộ cia Thuy SƠ Nam 1982 Mikron Integrated Microelectronics phat minh ra cộng nghộ ASIC (Application Specific Integrated Circuits) va nam 1987 phat triộn cụng nghệ đặc biệt liờn quan đến việc xỏc định thẻ thụng minh Ngày nay EM Microelectronic Marin va Philips Semiconductors 1a hai nhà sản xuất hàng đầu ở chõu
Âu về lĩnh vực REFID
Năm 1991, Texas Instrument đó đi tiờn phong trong cụng nghệ RFID ở Mỹ, cụng ty đó tạo ra một hệ thống xỏc nhận và đăng ký Texas Instrument Hệ thống TIRFID (Texas Instruments Radio Frequeney Identification System) đó trở thành nền tảng cho phỏt triển và thực hiện những lớp mới của ứng dụng cụng nghệ RFID
Đầu năm 2000 cỏc nhà phõn phối như Wal-Mart, Target, Metro Group và cỏc cơ quan chớnh phủ như U.S Department of Defense bắt đầu phỏt triển và yờu cầu việc sử dụng cụng nghệ RFID bởi nhà cung cấp Vào thời điểm này EPCglobal được thành lập,
EPCglobal đó hỗ trợ hệ thống mó sản phẩm điện tử EPC (Electronic Product Code) hệ
thống này trở thành tiờu chuẩn cho xỏc nhận sản phẩm tự động
tant — mt ms late 1990s: Ur Tags open 2003: RFID Technology used new possibilities by the U5 in Supply Chain — Departmentof
1990: E-Z Pass paves the way for creating application level standards for : Monagement Defense in Operation : a 1990s: U.S Railt : | interoperability eS ee solutions fraqi Freedom + † 4 † + † 4 † + T + † 4 T + T
1990s: RFID 1991: Texas Instruments 2000s: Wal-Mart, 2003: EPCglobal
applications establishes TIRIS Target and other established from earlier
Trang 16Ngày nay, cụng nghệ RFID duoc tng dung rat rộng rói trong cỏc lĩnh vực như: cải tiến quỏ trỡnh hoạt định và điều hành dõy chuyền cung ứng cho cỏc nhà sản xuất; tăng hiệu quả trong kinh doanh và hạn chế mất cắp đối với cỏc nhà bỏn lẻ; quản lý
dụng cụ, trỏnh thay nhầm dụng cụ và theo dừi xem cỏc dung cụ làm việc như thế nào đối với cỏc cửa hàng bỏn mỏy múc; kiểm soỏt lỗi ra vào ở cỏc tũa nhà; nhận dạng nguồn gốc vật nuụi, theo dừi trỏnh thất lạc và bị đỏnh cắp cho cỏc trang trại; xỏc định
thụng tin mó số series, nguồn gốc sản phẩm, kiểm soỏt được sản phõm nhập xuất cho cỏc ngành cụng nghiệp; quản lý bạn đọc, quản lý sỏch, giỳp giảm thời gian tỡm kiếm, kiểm kờ và chống đơiợc tỡnh trạng mất sỏch ngành như viện; lưu trữ thụng tin bệnh nhõn trong ngành y khoa Ngoài ra, cụng nghệ RFID cũn xỏc định vị trớ, theo dừi, xỏc thực sự đi lại của mọi người giỳp nõng cao an ninh ở biờn giới và cửa khẩu như mụ hỡnh hệ thống quản lý bằng RFID tại sõn bay đoyợc DHS (hội an ninh quốc gia Mỹ) ỏp
dụng từ 1/2005 Tại Mỹ từ thỏng 10/2006 và tại Anh, Đức, Trung Quốc từ 2008, hộ
chiếu và CMND gắn chip RFID lơiu cỏc thụng tin như tờn tuổi, quốc tịch, giới tớnh, ngày thỏng năm sinh, nơi sinh, ảnh số của người sử dụng đó được ỏp đụng
1.12 Cỏc hành phần của hệ thụng RFID
Trong hệ thống RFID, kỹ thuật truyền thụng khụng đõy trong dóy tần số vụ tuyến
được sử dụng để truyền dữ liệu từ cỏc thẻ đến đầu đọc Trờn thẻ cú thể được gắn VI chip, ăng-ten và được đớnh kốm vào đối tượng được nhận dạng như sản phẩm, xe ụtụ
Thẻ được đầu đọc nhận dạng và lấy thụng tin, sau đú thụng tin cú thể chuyển tiếp đến một phần mềm ứng dụng trờn mỏy tớnh (Hỡnh 1.4)
Trang 17
Hỡnh 1.4 Cac thanh phan ctia hộ thộng RFID
1.1.2.1 Thộ RFID
Thẻ RFID là một thiết bị cú thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến đầu đọc trong mụi
trường khụng tiếp xỳc bằng súng vụ tuyến Thụng thường mỗi thẻ RFID cú một cuộn
dõy hoặc ăng-ten (4zemna), một số thẻ cú gắn vi chớp (microclip) và nguồn năng
lượng riờng
Vi chip đựng để lưu trữ thụng tin, bộ nhớ của chip cú thể chứa tới 96 bit đến 512
bit gấp 64 lần so với mó vạch, mỗi chớp lưu trữ một mó số là duy nhất Dựa trờn chức
năng của vi chip, cac thộ RFID co thộ duoc phan loai la read-only (chi doc), read-write
(doc-ghi), write-once-read-many (đọc một lần và ghi nhiều lần)
Ăng-ten được gắn với vi mạch truyền thụng tin từ vi chip đến đầu đọc, phạm vi
đọc và truyền dữ liệu phụ thuộc vào độ lớn ăng-ten
Nguồn năng lượng (ứ#) dược tớch hợp vào thẻ RFID để cung cấp năng lượng
hoạt động cho thẻ Dựa trờn nguồn năng lượng, cỏc thẻ RFID cú thể được phõn làm ba loại chớnh là chủ động (active), thu dong (passive) va ban thụ động (semi-passive hay
sime-acfive)
Cỏc thẻ chủ động cú một nguồn năng lượng bờn trong để phỏt tớn hiệu liờn tục và
truyền dữ liệu cho đầu đọc mà khụng cần nguồn năng lượng từ đầu đọc, đối với loại
thẻ này trong quỏ trỡnh truyền giữa thẻ và đầu đọc, thẻ luụn truyền trước, do sử dụng nguồn năng lượng riờng nờn khoảng cỏch đọc và bộ nhớ của thẻ chủ động lớn hơn
nhiều so với thẻ thụ động Thành phan bộn trong gồm bộ vi mạch, cảm biến và cỏc
Trang 18thụng tớn hiệu tức thỡ khi nú ở trong vựng phỏt súng của đầu đọc do đú nú duy trỡ được tuổi thọ pin Đối với Beacons RFID chủ động sẽ truyền thụng tin nhận đạng theo một
chu kỳ thời gian được người sử dụng thiết đặt và đầu đọc sẽ xỏc định vị trớ của thẻ đú Connections for External Sensors RF Module ~On-board Power Supply (Battery) | TT On-board Electronics đè|/ Active Tag Hỡnh 1.5 Cac thành phần của thẻ chủ động
Cỏc thẻ thụ động khụng cú nguồn năng lượng riờng bờn trong Thẻ thụ động cú cấu trỳc đơn giản gồm duy nhất một vi chip và một ăng-ten; đo đú nú cú tuổi thọ cao
và chịu được điều kiện mụi trường khắc nhiệt Đối với loại thẻ này khi thẻ và đầu đọc
truyền thụng với nhau thỡ đầu đọc luụn truyền trước rồi mới đến thẻ thẻ RFID thụ động sẽ chờ kớch hoạt bởi súng tương tỏc từ đầu đọc RFID khi thẻ trong vựng phủ súng: ăng-ten của thẻ cú được nguồn năng lượng từ súng này Khi chip được nạp năng lượng nú sẽ tiến hành truyền phỏt tớn hiệu Do khụng cú nguồn năng lượng riờng nờn khoảng cỏch đọc và bộ nhớ của thẻ sẽ thấp hơn so với thẻ chủ động nhưng bự lại cú
những đặc điểm nỗi trội hơn như kớch thước nhỏ gọn hơn Một số thẻ được sản xuất cú
thờ mỏng chỉ bằng một vài tờ giấy và giỏ thành rẽ hơn nhiều so với thẻ chủ động Thẻ
thụng minh (swarÊ card) là một loại thẻ RFID thụ động và được sử dụng trong nhiều
Trang 19Microchip w (Wl enill Tag Antenna
Hinh 1.6 Cac thanh phần của thẻ thụ động
- Cỏc thẻ bỏn thụ động cú nguồn năng lượng bờn trong, nhưng nguụồn năng lượng
này chỉ được sử dụng để hỗ trợ cho việc lưu trữ dữ liệu Trong quỏ trỡnh truyền dữ liệu
giữa thẻ và đầu đọc thỡ thẻ bỏn thụ động vẫn sử dụng nguồn năng lượng từ đầu đọc Đối với loại thẻ này, trong quỏ trỡnh truyền đữ liệu thỡ đầu đọc luụn truyền trước rồi
Trang 20
Hỡnh 1.8 Mot sộ dang thẻ thụng dụng của ứng đụng RFID
Dựa vào sự khỏc nhau giữa cỏc loại thẻ người sử dụng lựa chọn loại thẻ phự hợp với mục đớch sử dụng, Error! Reference source not found cho thấy sự khỏc nhau cơ bản của cỏc loại thẻ núi trờn
Bảng 1.1 Bảng so sỏnh sự khỏc nhau của cỏc loại thẻ Đặc điểm Thẻ chủ Thể thụ Thẻ bỏn thụ động động động
Năng lượng riờng để truyền dữ liệu Cú Khụng Khụng
Năng lượng riờng cho chịp Cú Khụng Cú
Pham vi doc Xa Ngắn Trung bỡnh
Chi phi the Cao Thap Trung binh
1.1.2.2Dau doc RFID
Đầu doc RFID la mot thiết bi dộ doc và ghi dữ liệu lờn thẻ Hai khối chức năng
chinh cia dau doc 1a: giao diộn HF (High Frequency) va don vi diộu khiộn (Control
Unit) v6i b6 phỏt và bộ thu
Cỏc nhiệm vụ của giao diện HE:
Trang 21e HF chuyộn tiộp nang lwong dộ kich hoạt thẻ và cung cấp năng lượng cần thiết
cho thẻ
° Truyền tớn hiệu đó được điều biến để chuyển dữ liệu đến thẻ e _ Giải mó tớn hiệu HF nhận được từ thẻ
Như được chỉ ra trong Hỡnh 1.8, cú hai cỏch truyền dữ liệu độc lập: gửi dữ liệu đến thẻ và nhận dữ liệu từ thẻ Dữ liệu được truyền đến thẻ bởi mỏy phỏt Ngược lại, đữ liệu nhận được từ thẻ bởi mỏy thu
Cỏc nhiệm vụ của đơn vị điều khiển:
- Giao tiếp với phần mềm ứng dụng và thực thi cỏc lệnh của nú - Kiểm soỏt giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ
- Mó húa và giải mó tớn hiệu
Dau doc RFID 1 1 Ứng dụng Ty - — Don vị | 7 _ 1 I điờu khien i 1 1 - ! Nhận Truyền Ă Thẻ Ị đỡ liệu dỡ liệu ! 1 HE ' 1 1 1 1 1 1 \ 1 ` gf
Hỡnh 1.9 So dộ thể hiện cỏc đơn vị chớnh của đầu đọc
1.1.3 Ung dung cong nghộ RFID
Cụng nghệ RFID cú một số ứng dụng sau:
- Trong quản lý thu phớ đường bộ tự động, với tần số 900 Mhz và 2.45 Ghz cho phộp đọc đữ liệu từ thẻ RFID ở khoảng cỏch xa (vài một đến vài chục một) và lướt rất nhanh qua đầu đọc đó mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả vào việc thu phớ giao thụng đường bộ tự động, khi cỏc xe khụng phải đừng lại mua vộ như truyền thống mà
chỉ cần gắn thẻ RFID trờn xe, khi chạy qua đầu đọc sẽ tự nhận dang và trừ phớ tự động
Trang 22Việc này giỳp xe cơ giới lưu thụng thuận tiện và trỏnh kẹt xe tại cỏc điểm thu phớ, cũng như thất thoỏt từ việc thu phớ theo truyền thống
- Trong hệ thống bỏn lẻ, cửa hàng bỏn lẻ sử dụng RFID để đõm bảo an toàn cho hàng húa và kiểm tra hàng húa Cỏc bộ phận vận chuyển sử dụng RFID để theo dừi kiện hàng trong nhà kho và trong suốt quỏ trỡnh vận chuyển Thẻ RFID, cú thờ đớnh lờn bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp đổ uống, để giày, cho đến trục ụtụ Cỏc cụng ty chỉ việc sử dụng mỏy tớnh để quản lý cỏc sản phẩm từ xa RFID cú thể thay thế kỹ thuật mó vạch hiện nay do RFID khụng chỉ cú khả năng xỏc định nguồn gốc sản phẩm mà cũn cho phộp nhà cung cấp và đại lý bỏn lẻ biết chớnh xỏc hơn thụng tin những mặt hàng trờn quõy và trong kho của họ
- Trong Bưu Chớnh Viễn Thụng, cỏc cụng ty bưu chớnh viễn thụng sử dụng RFID để giỏm sỏt cỏc bưu phõm được vận chuyển quốc tế giữa cỏc trung tõm bưu chớnh với nhau Họ cú thể giỏm sỏt thời gian vận chuyển cỏc bưu phẩm cú gắn thẻ RFID, diộu đú giỳp quản lý và giải quyết cỏc vấn đề một cỏch nhanh gọn, tiết kiệm
- Trong lĩnh vực an nỉnh, quyền ra vào cho mọi người được lưu trữ và mỗi
người được kết nối với một con số Con số này được lưu trờn thẻ RFID Nếu hệ thống
kiểm soỏt ra vào lấy thụng tin từ đầu đọc thẻ, nú sẽ tỡm kiếm trong cơ sở đữ liệu để kiểm tra xem người này cú quyền vào hay khụng Nếu cú, hệ thống sẽ gửi tớn hiệu tới
cửa khiến nú cú thể mở ra được
1.2 MẠNG CẢM BIẾN KHONG DAY
Mạng cảm biến khụng dõy (WSN) cú thể hiểu đơn giản là mạng liờn kết cỏc nỳt với nhau bằng kết nối súng vụ tuyến, trong đú cỏc nỳt mạng thường là cỏc thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giỏ thành thấp và cú số lượng lớn, được phõn bố một cỏch khụng cú
hệ thống trờn một diện tớch rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và cú thể hoạt động trong mụi trường khắc nghiệt (chất độc, ụ nhiễm, nhiệt độ cao )
1.2.1 Đặc điển của mạng cẩm biến
- Cú khả năng tự tổ chức, yờu cầu rất ớt hoặc thậm chớ khụng cú sự can thiệp của
COn nBƯỜi
Trang 23- Truyền thụng khụng chắc chắn, dựa trờn định tuyến đa chặng
- Cỏc nỳt cảm biến được triển khai đày đặc và cú khả năng kết nối với nhau
- BỊ giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ và khả năng tớnh toỏn
- Hoạt động được trong cỏc mụi trường khắc nghiệt
1.2.2 Cấu trỳc của một nỳt mạng cảm biến
Cỏc nỳt mạng cảm biến phải thỏa món một số yờu cầu nhất định tựy theo ứng dụng: Chỳng phải cú kớch thước nhỏ, giỏ thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng,
cú cỏc thiết bị cảm biến chớnh xỏc cú thể cảm nhận, thu thập cỏc thụng số mụi trường,
cú khả năng tớnh toỏn và cú bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải cú khả năng thu phỏt súng dộ truyền thụng với cỏc nỳt lõn cận Mỗi nỳt cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần
cơ bản, như ở Hỡnh 1.9, bộ cảm biến (sensing unit), b6 xt ly (a processing unit), bd
thu phat (a transceiver unit) va b6 nguộn (a power unit) Ngoai ra c6 thộ cd thộm những thành phần khỏc tựy thudc vao ting tmg dung nhw 1a hộ thộng dinh vi (Jocation finding system), b6 phat nguộn (power generator) va b6 phan di động (mobilizer) r~~~~~~~~~~~~~~~—~~ 1 Ị Ị 1 | Hệ thống định vị | Bộ phận di động | A ơ ễ 4 L~—~ è -========——= Ị Cảm biến| ADCl— | XIý —„ Bộ thu phỏt Lưu trữ A a A a | Bopha | 5 h Ị Bộ nguồn al - nguồn - | Hỡnh 1.10 Cỏc thành phần của một nỳt cảm biến 1.2.3 Cấu trỳc của mạng cảm biến
Vỡ giao tiếp khụng dõy là kĩ thuật chớnh, giao tiếp trực tiếp giữa hai nỳt sẽ cú
nhiều hạn chế do khoảng cỏch hay cỏc vật cản Đặc biệt là khi nỳt phỏt và nỳt thu cỏch
xa nhau thỡ cần cụng suất phỏt lớn.Vỡ vậy cần cỏc nỳt trung gian làm nỳt chuyền tiếp
Trang 24dộ giảm cụng suất tụng thể Do vậy cỏc mạng cảm biến khụng dõy cần phải đựng giao tiộp da chang (multihop)
Mang cam biến bao gồm rất nhiều cỏc nỳt cảm biến được phõn bố trong một trường cảm biến như Hỡnh 1.10 Mỗi một nỳt cảm biến cú khả năng thu thập dữ liệu và
định tuyến lại đến cỏc nỳt sink! Dữ liệu được định tuyến lại đến cỏc sink bởi một cấu
trỳc đa điểm Cỏc sink cú thể giao tiếp với cỏc nỳt quản lý nhiệm vụ (fứsk manager
node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh Thiết bị thu Internet —————> phỏt (mỳt sink) O_O O O 0 Oo â XS â ự 2 “ ° Nut quan ly of& 9 So 2 tac vu ° 990 oo Nỳt cảm biờn Người dựng tỏng â Trường 4 biến
Hỡnh 1.11 Cau trỳc của mạng cảm biến 1.2.4 Cỏc ứng dụng của mạng cảm biến khụng dõy
Mạng cảm biến khụng đõy cung cấp rất nhiều cỏc ứng dụng hữu ớch ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống Sau đõy là một số ứng dụng nỗi trội:
- Trong thu thập dữ liệu mụi trường, số lượng lớn cỏc nỳt thu thập dữ liệu một cỏch liờn tục từ mụi trường và chuyển chỳng tới trạm cơ sở
- Trong quản lý chuỗi cung ứng, hiệu quả xử lý được cải thiện bởi việc ứng dụng WSN trong chuỗi cung ứng Cảm biến cú thể theo dừi nhiệt độ cần được duy trỡ của cỏc sản phẩm Nỳt của mỗi sản phẩm cú thể giao tiếp với cỏc nỳt khỏc Hơn nữa, cỏc nỳt thụng minh cú thờ phỏt hiện cỏc loại sản phẩm cú khả năng ảnh hưởng tiờu cực đến cỏc sản phõm khỏc
1 Nỳt sink là trạm cơ sở (Base Sfafion-BS) thường được sử dụng như một phõn trung tõm để thu thập thụng tin từ cỏc nỳt
Trang 25- Trong giam sat an ninh, cac nut duoc cố định ở một vị trớ nhất định và liờn tục
kiểm tra tỉnh trạng của cỏc cảm biến Cỏc nỳt sẽ gửi đữ liệu bỏo cỏo chỉ khi cú cỏc trường hợp vi phạm an ninh xuất hiện
- Trong cỏc ứng dụng y tế, tỡnh trạng thể chất của cỏc bệnh nhõn trong bệnh viện cú thể được theo dừi bằng cỏch sử dụng cỏc mạng cảm biến khụng dõy
1.2.5 Phõn biệt giữa RFID và mạng cảm biến khụng dõy
Hầu hết cỏc ứng dụng của mạng cảm biến khụng dõy là trong việc giỏm sỏt cỏc
đối tượng và nhận biết cỏc điều kiện mụi trường Ngược lại, RFID được sử dụng để phỏt hiện sự hiện diện và vị trớ của cỏc đối tượng Trong mạng cảm biến khụng dõy, việc gửi dữ liệu từ cỏc nỳt và chuyển dữ liệu đến nỳt sink được thực hiện thụng qua
cỏc nỳt chuyền tiếp Núi cỏch khỏc, cỏc mạng cảm biến khụng dõy là cỏc mạng đa chang (multi-hop), trong khi dộ hộ thộng RFID 1a don chang (single-hop) Firmware của cỏc nỳt trong mạng cảm biến khụng dõy cú thờ được lập trỡnh một cỏch dễ dàng, nhưng đối với hầu hết cỏc đầu đọc RFID thỡ khụng thờ được lập trỡnh bởi người dựng
Bảng 1.2 Sự khỏc nhau giữa WSN và RFID
Cỏc thuộc tớnh WSN Hệ thộng RFID
Nhận biệt cỏc tham sụ mụi trường
, Phỏt hiện sự hiện diện của
Mục đớch hoặc cung cõp thụng tin vộ tinh trang , ,
h , cỏc đụi tượng được găn thẻ
của cỏc đụi tượng được găn thẻ
Cỏc nỳt cảm biến, cỏc nỳt chuyển
Thanh phan , ; Cac thộ va cac dau doc
tiộp, cac nut sink
Giao thức Zigbee, Wi-Fi Cỏc chuẩn RFID
Truyền thụng Đa chặng Đơn chặng
Khả năng di Cỏc nỳt cảm biến thường là cố định | Cỏc thẻ di chuyển cựng cỏc
Trang 26
Cỏc thuộc tớnh WSN Hệ thộng RFID
dong đối tượng được gắn vào
Cung cấp năng Tớch hợp pin để cung cấp năng
Tựy theo loại thẻ, được tớch
hợp pin đối với thể chủ
lượng lượng động, bỏn thụ động, và
khụng đối với thẻ bị động Thụng thường là khụng thờ Khả năng lập , Cú thờ lập trỡnh được lập trỡnh bởi người trỡnh dựng Nỳt cảm biến: trung bỡnh Đầu đọc: đất Giỏ Nỳt sink: đất Thẻ: rẻ Triển khai Ngẫu nhiờn hoặc cố định Cố định, thường phải sắp xếp cõn thận
13 TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẫN KHễNG DÂY
Tớch hợp giữa RFID và mạng cảm biến khụng dõy cú thờ được phõn làm 4 loại
chớnh (Hỡnh 1.12): tớch hợp thẻ RFID với cảm biến, tớch hợp cỏc thẻ RFID với cỏc nỳt
WSN, tớch hợp cỏc đầu đọc RFID với cỏc nỳt WSN, tớch hợp cỏc thành phần RFID với
cỏc nỳt WSN
Trang 27Cảm Nỳt Nỳt TY biến WSN WSN — phõn - J J RFID voi Thộ RFID ‹ cỏc nỳt Thẻ Đõu WSN RFID doc
Hinh 1.12 Bộn loai tich hop RFID với WSN
1.3.1 Tớch hợp thộ RFID với cảm biến
Loại tớch hợp này cho phộp thờm vào cỏc hệ thống RFID khả năng cảm biến
(Hỡnh 1.13) Cỏc thẻ RFID được tớch hợp cỏc cảm biến (được gọi là thẻ cảm biến) sử
dụng cựng giao thức và cơ chế của cụng nghệ RFID để đọc ID của thẻ, cũng như để
thu thập dữ liệu cảm nhận được Bởi vỡ cỏc cảm biến tớch hợp bờn trong cỏc thẻ RFID chỉ được sử dụng với mục đớch cảm biến, do đú cỏc giao thức hiện tại của cỏc thẻ
RFID cũng dựa trờn truyền thụng đơn chặng, hay núi cỏch khỏc là cỏc thẻ khụng cú khả năng giao tiếp với nhau
me (đ Thẻ tớch
je: a a mm Dau doc
đ“ “ Trạm cơ sở
Hỡnh 1.13 Kiến trỳc tớch hợp thẻ RFID với cảm biến
1.3.2 Tớch hợp cac thộ RFID voi cac nit WSN
Khả năng giao tiếp của cỏc thẻ cảm biến là rất hạn chế Một giải phỏp được sử dụng là tớch hợp thẻ RFID với cỏc nỳt WSN (Hỡnh 1.14) Trong trường hợp này, thẻ cú thờ giao tiếp với cỏc thiết bị khụng dõy và với cỏc thẻ khỏc, nú cú khả năng hoạt động tương tự như cỏc nỳt trong cỏc mạng ngang hàng Loại tớch hợp này khụng những cú
Trang 28thộ tương thớch với cỏc tiờu chuẩn của RFID, mà chỳng cũng cú thể cú giao thức riờng của chỳng Mỗi thẻ cú thể giao tiếp với cỏc thẻ khỏc dựa trờn giao thức mạng ngang hàng Thụng tin của một nỳt (thẻ) cú thể được gửi đến cỏc nỳt khỏc Nú được thiết kế để theo dừi cỏc điều kiện của mụi trường xung quanh hoặc cú thể được sử dụng trong
cỏc xe chở húa chất Trong một tỉnh huống quan trọng, bỏo động được bật, cỏc húa
chất cú thể phản ứng với nhau sẽ được tỏch ra xa nhau
Hỡnh 1.14 Kiến trỳc tớch hợp cỏc thẻ RFID với cỏc nỳt WSN 1.3.3 Tớch hợp cỏc đầu đọc RFID với cỏc nỳt WSN
Loại tớch hợp này cú thờm nhiều chức năng hơn và cho phộp nú được sử dụng trong cỏc ứng dụng mới Bằng cỏch tớch hợp cỏc đầu đọc RFID với cỏc nỳt WSN
(Hỡnh 1.15) đầu đọc cú thể cảm nhận được tỡnh trạng của cỏc tham số mụi trường Cỏc
đầu đọc cú thể giao tiếp khụng dõy với nhau trong mạng Bờn cạnh đú, cỏc đầu đọc đọc dữ liệu của thẻ và gửi thụng tin đến mỏy chủ một cỏch hiệu quả hơn
Trang 29Sink hoac trạm co sở Đầu đọc tớch hợp nỳt Thẻ Hỡnh 1.15 Kiến trỳc tớch hợp cỏc đầu đọc RFID với cỏc nỳt WSN 1.3.4 Tớch hợp cỏc thành phần RFID với cỏc nỳt WSN
Khụng giống cỏc loại tớch hợp trờn, về mặt vật lý, cỏc thẻ, cỏc dau doc RFID va
cỏc cảm biến hoạt động tỏch biệt nhau (Hỡnh 1.16) Một hệ thong RFID va một WSN,
cả hai tồn tại trong cựng một ứng đụng và chỳng làm việc độc lập nhau Tuy nhiờn,
trong đú cú sự hợp tỏc của RFID và WSN ở lớp phần mềm, dữ liệu từ cỏc thẻ RFID và
cỏc nỳt WSN đều dược chuyển tiếp đến cỏc trung tõm kiểm soỏt chung Trong trường
hợp này, hoạt động của một hệ thống RFID hoac WSN cú thể yờu cầu sự hỗ trợ từ phớa cũn lại Vớ dụ, hệ thống RFID cung cấp nhận dạng cho WSN để tỡm cỏc đối tượng cụ
thờ và WSN cung cấp thờm thụng tin, chẳng hạn như vị trớ và điều kiện mụi trường,
cho hệ thống RFID Lợi thế của việc tớch hợp cỏc thành phần RFID và cỏc nỳt WSN là
khụng cần phải thiết kế cỏc nỳt tớch hợp mới, tất cả cỏc hoạt động và sự phối hợp giữa
RFID và WSN cú thể được thực hiện tại cỏc lớp phần mềm
Trang 30Thẻ Nỳt thụng minh : - iso dice ; The — đõu đọc Đõu đọc USB Thẻ x Loc va TCP Luong sự kiện :ờ H chuyển đổi Socket ockets : Cảm biờn : - Cảm biến Giao dig n Host cảm biờn s Serial Cảm biờn - Cảm biờn Hỡnh 1.16 Kiến trỳc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tớch hợp cỏc thành phần RFID với cỏc nỳt WSN
14 TIEU KET CHUONG 1
Chương này của Luận văn đó giới thiệu tổng quan về cụng nghệ RFID và mạng cảm biến khụng dõy: Tỡm hiểu về hệ thống mạng RFID cũng như cỏc thành phần và
phương thức hoạt động của một hệ thống mang RFID Dac biệt việc tớch hợp RFID với
mạng cảm biến khụng đõy đó cho thấy lợi ớch trong việc tớch hợp hai cụng nghệ này lại với nhau, từ đú giỳp hiểu rừ thờm về cụng nghệ mới này
Trang 31CHUONG 2: MOT SO PHUONG PHAP DINH TUYEN HIEU QUA NANG LUQNG TRONG MANG RFID
Cụng nghệ RFID đó phỏt triển và được ỏp dụng rộng rói vào việc được tớch hợp
VỚI mạng cảm biến khụng dõy Với việc tớch hợp này, định tuyến dữ liệu cú thể được thực hiện từ một dau doc RFID đến mỏy trạm thụng qua cỏc cảm biến được tớch hợp
với đầu đọc RFID (sau đõy được gọi chung là nỳt mạng tớch hợp) bằng cỏch sử dụng cỏc giao thức sẵn cú của mạng cảm biến khụng dõy Lỳc này, cỏc nỳt mạng tớch hợp sẽ cú hai chức năng là thu thập và chuyền tiếp dữ liệu
Tuy nhiờn, khi ỏp dụng cụng nghệ này vào cỏc hệ thống phạm vi lớn thỡ cú nhiều vấn đề cần được được giải quyết Đặc biệt vấn đề định tuyến hiệu quả năng lượng trờn mạng RFID vỡ nú cú ý nghĩa quan trọng đối với thời gian sống của mạng
Chương này sẽ trỡnh bày một số phương phỏp định tuyến hiệu quả trờn mạng RFID:
- Giao thie EECBR (Energy-Efficient Content-Based Routing): phan cum cac
thiết bị loT (nỳt mạng tớch hợp) thành cỏc topo ảo và sau đú lựa chọn thiết bị “chớnh”
(nỳt chủ) để quản lý cỏc thiết bị khỏc trong phạm vi của mỡnh
- Giao thức định tuyến NTP (Network Timing Protocol): cỏc cụm được hỡnh
thành bằng cỏch nhúm cỏc nỳt Vai trũ chủ cụm được luõn phiờn để cõn bằng năng lượng và sau đú cõn bằng tải trờn tất cả cỏc nỳt
2.1 GIAO THUC EECBR 2.1.1 Giới thiệu
Giả định ngụi nhà thụng minh khi cỏc thiết bị được kết nối với cỏc cảm biến như:
cảm biến điều khiển cửa, cảm biến chuyển động, cảm biến õm thanh, cảm biến độ õm và hệ thống RFID Cac cam biộn tich hop, kết nối với nhau và được điều khiển
từ xa thụng qua mạng internet Trong viễn cảnh đú, hoạt động của một số cảm biến là
Trang 32liờn quan đến cỏc cảm biến khỏc vớ dụ như trường hợp: cảm biến ỏnh sỏng cú thể điều
chỉnh dựa vào cảm biến chuyển động, trong khi đú cảm biến độ õm cú thể điều chỉnh
dựa vào cảm biến ỏnh sỏng Vỡ vậy, ý tưởng được đưa ra là xem xột và đỏnh giỏ sự phụ thuộc của cảm biến này với với cảm biến khỏc theo cỏc trường hợp khỏc nhau Từ đú xõy đựng nờn một cấu trỳc liờn kết ảo dộ cú thể truyền thụng trong mạng
2.1.2 Nguyờn lý hoạt động giao thức và giải thuật
Giao thức được thực hiện dựa vào cỏc giả định sau:
- Hệ thống loT bao gồm cỏc thiết bị được tớch hợp cảm biến;
- _ Mỗi cảm biến cú khả năng nhận biết về những cảm biến xung quanh; - _ Cỏc cảm biến cú một nguồn năng lượng ngẫu nhiờn ban đầu;
- _ Năng lượng giảm cho mỗi lần thực hiện truyền thụng:
- Cấu trỳc liờn kết của mạng là ad hoc;
- Cỏc thiết bị được cú định;
- — Liờn kết giữa cỏc thiết bị là đỏng tin cậy và khụng bị mất mỏt dữ liệu;
- _ Hệ thống IoT là một lớp mạng trung gian giỳp đảm bảo cho việc truyền tải dữ
liệu
EECBR là một giao thức giỳp định tuyến hiệu quả năng lượng dựa trờn nội dung bằng cỏch cõn bằng mức năng lượng tiờu thụ của cỏc thiết bị IoT Trước hết nú tạo ra
một mạng topo ảo cú cấu trỳc là cõy hoặc một nhúm cỏc cụm tựy thuộc vào cấu trỳc liờn kết của mạng Dựa vào cỏc nhúm cảm biến cú cựng liờn quan đến một sự kiện nào đú, EECBR đỏnh dấu một cảm biến thành cảm biến chớnh nếu nú cú vai trũ lớn nhất
trong phạm vi hoạt động của mỡnh EECBR cú thể cú nhiều cấp hơn tựy thuộc vào cấu trỳc liờn kết của cỏc thiết bị trong mạng
Sự khỏc biệt của EECBR với cỏc giao thức khỏc là nú thiết lập một lịch trỡnh để
quyết định việc tắt/bật cảm biến bằng cỏch chọn cảm biến chớnh để điều khiển một
vựng nhất định, từ đú hợp thành một cấu trỳc lờn kết ảo để giảm chỉ phớ truyền thụng
trong mạng Cảm biến chớnh cú 2 nhiệm vụ là thu thập dữ liệu và chuyển tiếp cỏc sự
Trang 33kiện đến cỏc cảm biến trong khu vực mà nú quản lý EECBR tớnh toỏn sự đúng gúp của cỏc cảm biến để lựa chọn cảm biến chớnh Sự đúng gúp của cảm biến s được tớnh bằng cụng thức:
Số lượng cỏc cảm biến liờn quan hoặc cảm biến chớnh mức Œ—l),1=1,2, ,n với n là tổng số cảm biến, tại khu vực hoạt động nhận năng lượng của cảm biến s
Cảm biến chớnh được lựa chọn là cảm biến cú sự đúng gúp lớn nhất và cho phộp
nú cú thể truyền một sự kiện đến những thiết bị quan tõm
Thụng qua việc xõy dựng mạng topo ảo nhiều mức này việc định tuyến được thực hiện bằng quy tắc sau:
1 Cỏc sự kiện sẻ được gửi đến cảm biến chớnh
2 Cỏc cảm biến chớnh gửi cỏc sự kiện được nhận đến cỏc cảm biến cần nhận mà
mỡnh quản lý và cỏc cảm biến chớnh khỏc kết cú kết nối với nú
Trang 34# ( Bắtđầu ) \ oh 'cầu thực hiện truyền th << Đó thực hiện phõn cum > >——Đỳng—>= Sai v Thực hiện phõn cụm theo nội dung Ỷ Cập nhật mức độ đúng gúp của cảm biến ——————————Đỳng Cảm biến cú mức đúng Sai _ gốp'eng nhất Đỳng * Chọn làm cảm biờn chớnh a Sai Ỷ Cập nhật thụng tin cỏc cụm Ỷ Sai Thực hiện truyền thụng trong mạng v fs > ( Kếtthỳc ) ` / Hinh 2.1 Biộu dộ luộng gidi thuật dinh tuyộn EECBR Giải thuật EECBR Input: -: / Số lượng cảm biến
-S, i= 1 m, //N6i dung cua cam biến thứ i
- Eị, // Năng lượng của cảm biến thir i
Trang 35
- &; // Số loại nội dung tương ứng với số cụm được phõn của mạng
Output:
- Ởy, 7=1 k; / Danh sỏch cỏc cảm biến của cụm j
-Tj,/Ƒ1.k;;⁄ Thiết bị chớnh của cum]
- Imp, // Đúng gúp của thiết bị thứ ù
Method:
1 Begin
2 isEstablish:= false; // Chua thuc hiộn phan cum
3 While ( hasRequest()) ) { // khi cú yờu cầu truyền thụng
4 If (lisEstablish) {// kiộm tra đó thực hiện phõn cụm chưa
3 ƒor(J :=0; j < k; J++){ /Duyệt cỏc cụm
6 for(i :=0; i <n; i++){/ Duyột cdc cam biộn
7 if( Si =) Ê
8 Cj.adsd(Si); // Cap nhật cảm biộn vao cum J
9 Imp;:= |S| *Ey /Tớnh nức độ đúng gúp của cảm biến 10 } i, T; := MaxE(Imp); // Chon cam biộn cộ dộng gdp cao nhat 12, } 13 isEstablish := true; 14 3
IS, If (isTimeRefresh() ) {// kiộm tra thời gian cần cập nhật cụm chủ 16 /#or(7 := 0; j <k; j+D€ // Duyột cac cum
17 for (i:=0; i<n; i++) { //Duyột tat ca cdc cam biộn
Trang 3622 } 23 3 24 End Ham MaxE Input: - Impi, i = L.n, // Dong gop cia thiột bi thir i Output: Thiết bị cú đúng gúp lớn nhất Method: 1 Begin 2: gtmax := 0; for (i:=0;i<n; i++) { //Duyột tất cả cỏc thiết bị Lexy 4 if (gtmax < Impi) { 5 gtmax := i; // Gan gtmax cho thiột bi cộ dộng gop lon nhat 6 ? 7 } 8 return gtmax ; 9 End
Hinh 2.2 Giai thuat EECBR
2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm
Giao thức EECBR cú một số ưu nhược điểm như sau:
Ưu điểm:
- _ Giải thuật đơn giản, dộ cài đặt và ứng dụng
Trang 37- Giam truyộn thụng nội bộ trong mạng, cỏc cảm biến được tắt / bật bởi cảm
biến chớnh nờn tiết kiệm năng lượng của toàn mạng
Nhược điểm:
- _ Phải tốn chỉ phớ tớnh toỏn mức độ đúng gúp của cỏc thiết bị
- Cam biộn chinh cú thể mất nhiều năng lượng hơn so với cỏc cảm biến khỏc nếu khụng được luõn chuyờn vai trũ kịp thời
2.2 GIAO THUC NTP
2.2.1 Giới thiệu
Trong kỹ thuật NTP, một hoặc nhiều cụm được hỡnh thành bằng cỏch phõn nhúm cỏc nỳt Chủ cụm sẽ được chọn sao cho cỏc thành viờn trong cụm cú thể giao tiếp VỚI
nú Chủ cụm được luõn phiờn lựa chọn để cõn bằng năng lượng và từ đú cõn bằng tải giữa cỏc nỳt trong cụm
Cỏc chủ cụm cú thờ giao tiếp với nhau bằng cỏch sử dụng thuật toỏn định tuyến DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) Tat ca cdc thanh viộn cia cum cung
cấp dữ liệu cho chủ cụm và chủ cụm chuyển tiếp dữ liệu đến cỏc cụm khỏc cho đến khi
đến đớch cần đến
Trong toàn mạng, đường đi giữa cỏc chủ cụm là cố định và đường đi này khụng bị thay đổi cho đến khi tất cả cỏc nỳt cảm biến khụng bị tắt (do giảm nguồn) Trường hợp một số nỳt trung gian bị tắt làm cho đường đi giữa nguồn và dich bi mat từ đú gúi tin sẽ khụng được truyền đến đớch, mất gúi tin Khi đú, phải tiến hành khởi tạo mạng
cảm biến mới, phõn cỏc cụm và chủ cụm lại để truyền gúi tin Việc này sẽ làm mat nhiộu thoi gian va nang luong để thực hiện mà vẫn cú thể khụng hoàn thành được việc
truyền thụng
Hỡnh 2.3 cho thấy mạng khi một nỳt tắt sớm hơn cỏc nỳt khỏc thỡ sẽ tăng cỏc gúi tin bị mất và gúi tin truyền lại Trong Hỡnh 2.3 cú 4 cụm và cỏc nỳt màu đen là chủ cụm Ở đõy cú Đ và D là nguồn và đớch cần đến Giữa nguồn và đớch cú đường đi cố
định được thiết lập từ cụm 1, cụm 2, cụm 4 Cú thể thấy dữ liệu được truyền từ S đến
Trang 38chủ cụm 1, đến chủ cụm 2, đến chủ cụm 4 Tại cụm 4 nú được truyền đến và cỏc nỳt trung gian đến đớch CỤM1 CỤM4
Hỡnh 2.3 Mạng đơn giản với đường đi được thiết lập từ trước
Trong Hỡnh 2.4, chủ cụm 2 bị tắt và khụng thể nhận dữ liệu từ chủ cụm 1 vỡ hết
thời gian hoạt động hoặc hết pin Lỳc này gúi tin sẽ bị mất và khụng thể truyền đến dich vỡ khụng cú đường đi được thiết lập giữa nguụn và đớch Trường hợp này cần phải cấu hỡnh mạng cảm biến mới để ỏp ứng được việc truyền dữ liệu
Trang 39CỤM1 CỤM3 Hỡnh 2.4 Vớ dụ mạng cú nỳt bị tắt và mất gúi
Hỡnh 2.5 mụ tả trường hợp mạng cảm biến mất đồng thời giữa cỏc nỳt cảm biến Trong hỡnh cú 2 nỳt nguồn và 2 nỳt đớch nhưng lại cú chung đường truyền tải dữ liệu
Cụm 1 cú nguồn gửi dữ liệu cho đớch ở Cụm 4 và Cụm 3 cú nguồn gửi cho đớch ở Cụm
2 Khi Cum 1 và Cụm 2 đồng thời gửi dữ liệu tương ứng lờn cụm chủ của chỳng thỡ cụm chủ này sẽ cựng đường truyền dữ liệu đến nguồn cựng một lỳc Do biến mắt đồng thời của chủ Cụm 2, cỏc gúi dữ liệu sẽ tranh chấp với nhau dẫn đến mất gúi tin và
khụng đến đớch được
Trang 40
Hỡnh 2.5 Vớ dụ mạng mất đồng bộ và tranh chấp gúi
Do đú chỳng ta cần tạo một đường dẫn ảo giữa nguồn và đớch bằng cỏch sử dụng AODV Cỏc nỳt cảm biến phải được đồng bộ với nhau để trỏnh tranh chấp bằng cỏch
sử dụng NTP (Network Time Protocol)
2.2.2 Nguyờn lý hoạt động giao thức và giải thuật
Hỡnh 2.6 mụ tả mạng cảm biến được thiết lập giao thức định tuyến AODV giữa nguụn và đớch, chủ cụm sẻ phỏt quảng bỏ gúi tin chứa địa chỉ đớch đến toàn mạng để tỡm đường đi và nỳt cú đường đi đến nỳt đớch sẽ cho kết quả trả về Trong trường hợp
này sẽ tỡm ra đường đi đến đớch là từ cụm 1 đến cụm 2 và cụm 4