Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẶNG DUY AN MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH... Số
Trang 1Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẶNG DUY AN
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH
Trang 2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẶNG DUY AN
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH
: 60 48 01
PGS.TS PHẠM VIỆT BÌNH
2013
Trang 3Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ i
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2
1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 2
1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 3
1.3 Cấu trúc của nút cảm biến 5
1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 6
1.4.1 Các mặt phẳng quản lý 6
1.4.2 Lớp vật lý: 7
1.4.3 Lớp liên kết dữ liệu 8
1.4.4 Lớp mạng 8
1.4.5 Lớp truyền tải 8
1.4.6 Lớp ứng dụng 8
1.5 Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 8
1.5.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây 8
1.5.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây 11
1.6 Một số thách thức của mạng WSNs 12
1.6.1 Thách thức ở cấp độ nút 12
1.6.2 Thách thức ở cấp độ mạng 13
1.6.3 Sự chuẩn hóa 14
1.6.4 Khả năng cộng tác 14
1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây 15
1.7.1 Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp 15
1.7.2 Ứng dụng WSNs trong y tế 16
1.7.3 Ứng dụng WSNs trong môi trường 16
1.7.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông 17
1.7.5 Ứng dụng WSNs trong gia đình 18
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19
2.1 Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lượng thấp - 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) 19
2.1.1 Giới thiệu 19
2.1.2 Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN 21
Trang 4Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.2 Công nghệ truyền thông lớp ứng dụng hoạt động trên mạng có năng lượng
hạn chế - CoAP (Constrained Application Protocol) 24
2.2.1 Đặc điểm 25
2.2.2 Kiến trúc CoRE 25
2.2.3 Mô hình giao thức CoAP 27
2.2.4 Phân lớp ngăn xếp giao thức CoAP 32
34
34
Request/Response 38
ủa CoAP 40
41
2.2.10 Chuyển đổi giữa CoAP và HTTP 43
2.3 Công nghệ truyền thông cho mạng có năng lượng và tổn hao thấp - RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) 44
2.3.1 Giới thiệu 44
2.3.2 Một số khái niệm trong RPL 44
2.3.3 Các loại bản tin sử dụng trong RPL - ICMP 47
2.3.4 Quá trình khởi tạo mạng 50
2.3.5 Quá trình định tuyến upward 50
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 54
3.1 Mô tả bài toán 54
3.2 Thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh 55
3.2.1 Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh 55
3.2.2 Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh 57
3.2.3 Các module chính của mô hình ngôi nhà thông minh 58
3.3 Các thuật toán quản lý mô hình ngôi nhà thông minh 62
3.3.1 Thuật toán điều khiển thiết bị 62
3.3.2 Thuật toán gửi số liệu lên máy chủ 62
3.3.3 Thuật toán gửi số liệu của nút cảm biến tới nút sink 63
3.3.4 Đánh giá hiệu năng của hệ thống 63
KẾT LUẬN 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68
Trang 5Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây 2
Hình 1 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 5
Hình 1 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 6
Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz 7
Hình 1 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây 9
Hình 1 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây 9
Hình 1 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây 10
Hình 1 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp 16
Hình 1 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường 17
Hình 1 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông 18
Hình 1 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình 18
Hình 2.1 Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer 21
Hình 2.2 Kiến trúc REST 26
Hình 2.3 Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs 27
28
28
29
30
30
31
Hình 2.10 So sánh ngăn xếp giao thức HTTP(a) với CoAP(b) 32
34
39
42
Hình 2.17 Mô hình RPL DAG 45
Hình 2.18 RPL INSTANCE và DAG sequence number 46
Hình 2.19 Cấu trúc bản tin điều khiển RPL 47
Hình 2.20 Cấu trúc bản tin DIS 48
Hình 2.21 Cấu trúc bản tin DIO 49
Trang 6Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.22 Cấu trúc bản tin DAO 49
Hình 3.1 Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh 55
Hình 3.2 Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh
Hình 3.3 Module kết nối Interenet của mô hình ngôi nhà thông minh 58
Hình 3.5 Màn hình login trên smartphone OS Android 64
Hình 3.6 Màn hình quản lý thiết bị trên smartphone OS Android 65
Hình 3.7 Màn hình giám sát môi trường trên smartphone OS Android 65
Hình 3.8 Màn hình giám sát môi trường trên máy tính 66
Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán xác định và điều khiển thiết bị 62
Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán gửi số liệu lên máy chủ 62
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink 63
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink 66
Trang 7Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỞ ĐẦU
Với khái niệm Internet của mọi thứ - IoT (Internet of Things) và Web của mọi thứ - WoT (Web of Things) sẽ cho phép mọi thiết bị như máy tính, máy in, thiết bị cầm tay, thiết bị điện, cảm biến, tủ lạnh, tàu hỏa, điện thoại vv đều có khả năng kết nối, truyền thông, thông báo tình trạng (hết hàng, hết thực phẩm trong tủ lạnh, hạn sử dụng của thực phẩm, ) và điều khiển như các máy tính qua mạng IP dựa trên nền Web, đã mở ra hướng phát triển tương lai đầy triển vọng cho mạng Internet trong việc tích hợp các mạng thông tin khác nhau trên cùng một nền tảng IP thống nhất, trong đó có mạng cảm biến không dây đang là chủ
đề rất được quan tâm
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) gồm nhiều nút được trang bị cảm biến và liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến với mức tiêu thụ năng lượng thấp Mục đích của mạng cảm biến là thu thập thông tin từ các nút trong mạng và chuyển tới trung tâm xử lý một cách hiệu quả nhất Mạng WSNs được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quốc phòng, an ninh, giám sát môi trường, y tế, công nghiệp và dân dụng
Trong những năm gần đây, chủ đề nghiên cứu liên kết các giữa nút cảm biến cũng như giữa các mạng WSNs với nhau qua mạng IP nhằm kế thừa nền tảng giữa các mạng WSNs đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu và triển khai trong thực tế Do đó, nhiều công nghệ truyền thông kết nối mạng cảm biến không dây với mạng IP được đề xuất, nghiên cứu và triển khai
Chính vì vậy, đề tài “Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh” có mục tiêu
nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP có hỗ trợ cho mạng
cảm biến không dây Bố cục của luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: trình bày về kiến trúc,
phương thức truyền thông, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế như y tế, nông lâm nghiệp, gia đình
Chương 2: Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không dây: trình bày chi tiết về một số công nghệ truyền thông qua mạng IP của mạng
cảm biến
Trang 8Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Chương 3: Xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh: phân tích và thiết
kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh sử dụng công nghệ CoAP
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây
Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử
và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh trong hầu hết các lĩnh vực của xã hội như
y tế, nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và dân dụng Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến và mạng cảm biến là một trong những yếu tố then chốt cho các hệ thống thông minh này
Mạng cảm biến không dây – WSNs (Wireless Sensor Networks) gồm các nút cảm biến có khả năng với nhau thông qua truyền thông vô tuyến Trong đó, các nút thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn và diện tích giám sát bất kỳ, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, cũng như điều khiển nhằm có được những quyết định phù hợp với môi trường tự nhiên đang được giám sát Mô hình của mạng cảm biến được minh họa như sau:
Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây
Trang 9Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Với minh họa như hình 1.1, các nút cảm biến được phân bố một cách phù hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau, dữ liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node) Các nút cảm biến thường có chức năng như thu thập số liệu môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này sử dụng môi trường vô tuyến để truyền số liệu, liên kết theo cấu trúc xác định, có khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút khác để truyền tới nút chủ
Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có khả năng xử lý, bộ nhớ, và thu thập số liệu của các nút khác, cũng như đưa ra những yêu cầu tới từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình Nút chủ của mạng cảm biến có thể được chia sẻ qua hệ thống mạng IP như mạng Internet, hay mạng viễn thông theo mục đích của người dùng Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm biến không những không bị hạn chế, mà còn có thể phát triển thành liên kết giữa các mạng cảm biến với nhau
1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có những đặc điểm tiểu tiểu như sau:
Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng,
số lượng node cảm biến lớn và có thể được phân bố một cách ngẫu nhiên, hoặc theo quy luật xác định Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi
sơ đồ bố trí mạng Do vậy, mạng cảm biến không dây có tính linh động
và các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs
Mạng WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế
& giao thức truyền vô tuyến riêng
Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây
Có khả năng chịu lỗi: trong trường hợp một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc
do ảnh hưởng của môi trường Bởi vạy, khả năng chịu lỗi của mạng
Trang 10Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
WSNs thể hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động Ở đây, người ta sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t):
Rk (t) = e –λkt Trong đó:
- λk : tỉ lệ lỗi của nút k
- T :khoảng thời gian khảo sát
- Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự biến động về số lượng nút mạng
Dễ triển khai là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này
Trang 11Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.3 Cấu trúc của nút cảm biến
Hình 1 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau:
- Đơn vị cảm biến (sensing unit)
- Đơn vị xử lý (processing unit)
- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)
- Bộ nguồn (power unit)
Đơn vị cảm biến: bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số
(ADC) Dựa vào những hiện tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu tương
tự tạo ra bởi cảm biến được số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau đó được đưa vào bộ xử lý
Đơn vị xử lý: là bộ xử lý có khả năng lưu trữ, xử lý dữ liệu cũng như việc
chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau
Đơn vị truyền dẫn: là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín
hiệu qua môi trường không dây giữa các nút cảm biến, thông thường chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến như Zigbee
Bộ nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến
Tùy thuộc vào nút cảm biến khác nhau, mà nguồn có thể được bổ sung từ năng
lượng bên ngoài như song điện từ, năng lượng mặt trời
Trang 12Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)
1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến không dây Dưới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của kiến trúc giao thức mạng cảm biến
Hình 1 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
1.4.1 Các mặt phẳng quản lý
Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng
nguồn năng lượng của nó Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến
Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự
chuyển động của các nút cảm biến Các nút cảm biến giữ việc theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng
Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các
nút trong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện
nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm
Trang 13Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1.4.2 Lớp vật lý:
Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt
động, phương thức điều chế vô tuyến, và mã hóa tín hiệu vô tuyến Lớp vật lý
của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới Trong mỗi băng tần,
có một số kênh quy định, như trong hình 1.4 Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa
Kỳ trên băng 902-982MHz
Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz
Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh
là 5MHz IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK) Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS)
Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11 Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2
Trang 14Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802.11 Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11
được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11
1.4.3 Lớp liên kết dữ liệu
Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp
cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền
1.5 Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây
1.5.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể được chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm Mỗi mô hình truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này
1.5.1.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây
Trang 15Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây
Với mô hình truyền thông Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Trong hình phía dưới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi
vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông
1.5.1.2 Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm
Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm được minh họa như ở hình 2 Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có thể được sử dụng để gửi một lệnh thiết lập các nút trong mạng
Hình 1 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây
Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm – Đa điểm Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công được gói tin Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênh truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận
Trang 16Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhiều cơ chế và giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm –
Đa điểm trong mạng cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyền thông Điểm – Đa điểm là mạng tràn lan Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng
bá bản tin được gửi đi Khi một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại các bản tin Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần được truyền lại Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông Điểm – Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại chúng
1.5.1.3 Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm
Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thường được sử dụng để thu thập
dữ liệu từ các nút trong trường cảm biến Với mô hình truyền thông Đa điểm -
Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút Nút này thường được gọi là Sink Hình 3 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm
Hình 1 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây
Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn như nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhưng nó cũng được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới người quan sát bên ngoài
Trang 17Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể được gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn
Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy bằng không tính từ nút Sink Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là một tính từ nút Sink Lần lượt, các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink Với phương thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết
có bao nhiêu bước nhảy chúng phải trải qua được tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận gần Sink hơn Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được quan tâm Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink có thể ở vị trí phủ sóng rất tốt Để gửi gói tin đến được Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói tin có cơ hội nhận được cao hơn mà không phải truyền lại gói tin
1.5.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây
IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE) IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4
Trang 18Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
phổ biến với mạng cảm biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:
Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh
truyền vô tuyến vật lý như thế nào Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Kênh 0 được quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng 868 MHz Kênh từ 1- 10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng
902 – 982 MHz, khoảng cách kênh là 2MHz Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4 GHz, khoảng cách kênh là 5MHz
Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Mục đích của lớp MAC
là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào
Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: thiết bị có chức năng đầy
đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các FFDs có nhiều khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò như một điều phối viên các mạng PAN RFDs
là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs Các FFDs có thể truyền thông được với cả RFDs và FFDs
1.6 Một số thách thức của mạng WSNs
1.6.1 Thách thức ở cấp độ nút
Trong mạng các cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thước vật lý và giá thành Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thường sử dụng nguồn năng lượng là pin hoặc một nguồn năng lượng thấp bên ngoài Kích thước vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thước và hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thước nhỏ gọn Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi các nút mạng cảm biến không dây thường được triển khai với quy mô lớn
Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lượng có ảnh hưởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện
Trang 19Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng như hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lượng Phần mềm chạy trên các nút mạng cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng Kích thước vật lý và giá thành có ảnh hưởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì thì cần phải có kích thước nhỏ gọn, số lượng các linh kiện cần phải ít Phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lượng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trường hạn chế nghiệm ngặt về mặt tài nguyên
1.6.2 Thách thức ở cấp độ mạng
Thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là vấn
đề quy mô nhỏ của nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng các đối tượng thông minh Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lượng các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu được tạo ra bởi mỗi nút Trong nhiều trường hợp, các nút mạng cảm biến không dây thu thập một lượng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến không dây
Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến
cả hiệu năng mạng xét về số lượng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng như tốc
độ dữ liệu có thể được vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại của mạng được đảm bảo Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lượng Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lượng nhanh hơn so với các nút khác thường ở chế độ ngủ Vì vậy, giao thức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng như toàn bộ các nút lân cận gần nhất Thông tin này yêu cầu bộ nhớ Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lượng bộ nhớ hạn chế Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lưỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác
Các mạng cảm biến không dây thường hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn Tính chất không
Trang 20Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây được gọi là “tổn hao” Tổn hao nên được coi như là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thông tin liên lạc khác ít có tổn hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt động ổn định trong tất cả các trường hợp mạng có tổn hao và không có tổn hao Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một vấn
đề vô cùng khó khăn Với mạng cảm biến không dây quy mô có thể lên tới hàng ngàn nút lên việc quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng ngay được Mạng không có thành phần quản lý tập trung mà nên tự tổ chức quản lý chính nó
1.6.3 Sự chuẩn hóa
Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây được biết đến không chỉ bởi số lượng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lượng đáng kể các tiêu chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho công nghệ Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ Mỗi cấp độ công nghệ lại có một thách thức kỹ thuật riêng nhưng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp được quản lý bởi các nhóm khác nhau
1.6.4 Khả năng cộng tác
Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ tầng mạng hiện có
Khi được chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác ở nhiều mặt Các nút mạng phải tương thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý được với nhau Ở cấp độ vật lý, các nút mạng không dây phải thống nhất trên các vấn đề như là tần số vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu được truyền Ở cấp độ
Trang 21Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
mạng, các nút phải thống nhất về định dạng thông tin được gửi và nhận trên các kênh vật lý cũng như các nút mạng được đánh địa chỉ như thế nào, các bản tin sẽ được vận chuyển qua mạng bằng cách nào Ở lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp, các nút mạng phải chia sẻ một quan điểm chung là cách thức để dữ liệu được gửi vào hoặc lấy ra từ mạng các đối tượng thông minh, cũng như làm thế nào để nút mạng có thể được truy cập tới từ các hệ thống bên ngoài
Cũng như sự chuẩn hóa thì khả năng cộng tác đặt ra một số thách thức cho mạng các đối tượng thông minh Thứ nhất là kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tượng thông minh vẫn còn là một vấn đề mở Trong cuốn sách này, chúng ta chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tượng thông minh là kiến trúc IP Thứ hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng các đối tượng thông minh vẫn đang
được phát triển nhưng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể được sử dụng lại
1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây
1.7.1 Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp
Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộng lớn để đưa ra các cảnh báo và hành động kịp thời
Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây
Trong lâm nghiệp, các sensor được triển khai trên các cánh rừng để cảnh báo cháy rừng Các nút sensor cũng có thể được gắn vào cơ thể động vật để có thể giám sát sự di chuyển cũng như thân nhiệt hay hành vi của chúng, góp phần không nhỏ trong việc bảo vệ các loài động vật quý hiếm cũng như nghiên cứu tập quán hoạt động của một số loài chim di trú
Trang 22Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp
1.7.2 Ứng dụng WSNs trong y tế
Các nút cảm biến có thể được gắn vào cơ thể, ví dụ như ở dưới da để đo các thông số của máu, nhịp tim,… Từ đó, hệ thống cảm biến sẽ xử lý và đưa ra những cảnh báo và phát hiện sớm các bệnh như ung thư, nhờ đó việc chữa bệnh
sẽ dễ dàng hơn Trên thực tế, đã tồn tại những video sensor rất nhỏ có thể nuốt vào trong người, dùng một lần và được bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con người sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ
có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị
1.7.3 Ứng dụng WSNs trong môi trường
Một số ứng dụng môi trường của mạng cảm biến không dây là dùng để theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi, việc tưới tiêu, phát hiện lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí quyển Đồng thời, hệ thống có thể cảnh báo lũ lụt, thiên tai thông qua các cảm biến đo thông số môi trường và truyền về trung tâm khí tượng thủy văn để phân tích và đánh giá Những hệ thống cảnh báo lũ này đã và đang được triển khai ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt
Trang 23Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
thành công trên thị trường Mỹ Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống
đo mực nước ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây
Hình 1 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường
1.7.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông
Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến được gắn trên các phương tiện giao thông để chúng có thể xác định được vị trí của nhau, nhận biết được các biển báo hay tắc đường, từ đó định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn Hiện nay một số nước đã ứng dụng
hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm thu phí - làm giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông
Trang 24Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông
1.7.5 Ứng dụng WSNs trong gia đình
Hình 1 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy Điển hình ngày của ứng dụng loại này là ngôi nhà thông minh (Smart Home) SmartHome kết nối sản phẩm điện tử gia dụng thành mạng thiết bị và hoạt động theo các kịch bản khác nhau nhằm tạo môi trường sống tiện nghi, an toàn và tiết kiệm năng lượng Chẳng hạn, khi có người bước vào nhà, hệ thống đèn sẽ tự bật nhờ thiết bị cảm biến hồng ngoại Đèn chiếu sáng còn có thể điều chỉnh ánh sáng, màu sắc theo sở thích của chủ
Trang 25Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nhân Khi thiết bị chiếu phim hoạt động, hệ thống đèn tự động giảm độ sáng, rèm cửa cũng tự động khép lại để tạo không khí của một phòng chiếu phim Tùy theo nhu cầu, người sử dụng có thể cấu hình hệ thống hoạt động theo những kịch bản bất kỳ như lập trình hẹn giờ tắt đèn khi đi ngủ, đổ thức ăn vào bể cá khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas , khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lượng thấp - 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) 2.1.1 Giới thiệu
Các mạng cảm biến không dây tiêu thụ công suất thấp (LoWPANs) được hình thành bởi các thiết bị tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4 [1] Hầu hết các thiết bị LoWPAN được phân biệt bởi băng thông của chúng thấp, phạm vi ngắn, dung lượng bộ nhớ ít, khả năng xử lý hạn chế và các thuộc tính khác của phần cứng rẻ tiền
Các mạng IEEE 802.15.4 hỗ trợ các cấu trúc hình sao và hình lưới, bao gồm hai loại thiết bị khác nhau: các thiết bị có giảm bớt tính năng RFD (reduced function devices) và các thiết bị có đầy đủ tính năng FFD (full function devices) Các thiết bị RFD có tính năng hạn chế và nhằm mục đính thực thi các nhiệm vụ đơn giản và cơ bản, chẳng hạn như là gửi dữ liệu cảm nhận trong mạng cảm biến RFD chỉ có thể kết hợp với FFD duy nhất tại một thời điểm nhưng FFD có thể
Trang 26Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
tạo cấu trúc mạng tùy ý và triển khai nhiều chức năng nâng cao hơn, như là định tuyến đa chặng
Tổ chức làm việc về IPv6 trong các mạng PAN không dây công suất thấp được gọi là nhóm làm việc 6LoWPAN Nhóm làm việc 6LoWPAN được thành lập vào năm 2004 xác định các đặc điểm kỹ thuật của giao thức nhằm tối ưu hóa hoạt động của gói tin IPv6 trên các mạng được hình thành từ các liên kết IEEE 802.15.4
Lưu ý rằng, nhóm làm việc 6LoWPAN dùng thuật ngữ mạng cá nhân không dây công suất thấp (LoWPAN – Low Power Wireless Personal Area Network) trong khi nhóm làm việc RoLL lại sử dụng thuật ngữ các mạng tổn hao và công suất thấp (LLNs – Low Power and Lossy Networks) Các đặc điểm chính của các mạng cá nhân không dây công suất thấp bao gồm:
Kích thước gói tin nhỏ được quy định bởi chuẩn IEEE 802.15.4: Kích thước tối đa gói tin ở lớp vật lý là 127 byte, trừ đi các trường điều khiển tối đa là 25 byte, như vậy còn lại 102 byte dành cho lớp MAC Cả hai kỹ thuật nén, phân mảnh/ghép lại được quy định bởi nhóm làm việc 6LoWPAN
Hỗ trợ cả hai địa chỉ ngắn 16 bit và địa chỉ MAC mở rộng 64 bit
Với hầu hết các mạng cá nhân không dây công suất thấp thì các liên kết vốn có tốc độ dữ liệu thấp là: 250, 40 và 20 kbps cho các lớp vật lý hiện đang được quy định bởi chuẩn IEEE 802.15.4 tương ứng là: 2,4GHz; 915 MHz; 868 MHz
6LoWPAN cung cấp ba dịch vụ chính đó là:
Sự phân mảnh và ghép lại các gói tin
Nén tiêu đề gói tin
Chuyển tiếp lớp liên kết (lớp 2) khi nhiều bước nhảy được sử dụng bởi lớp liên kết
Trang 27Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.1.2 Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN
Hình 2.1 Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer
a Lớp vật lý của 6LoWPAN
Lớp vật lý trong 6LoWPAN có các đặc điểm như sau:
Lớp vật lý cung cấp các khả năng truyền thông cơ bản của sóng vô tuyến vật lý
Dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 với tốc độ dữ liệu 250 Kbps và tần số hoạt động từ 2400 – 2483,5 MHz
Lớp vật lý PDU là lớp theo chuẩn 802.15.4 với kích thước tải lớn nhất 127 bytes
b Lớp liên kết dữ liệu của 6LoWPAN
Lớp liên kết dữ liệu trong 6LoWPAN có các đặc điểm như sau:
Lớp liên kết dữ liệu cung cấp các dịch vụ cho phép độ tin cậy, các tuyến truyền thông đơn chặng liên kết giữa các thiết bị
Lớp MAC PDU tuân theo chuẩn 802.15.4
Các mạng IEEE 802.15.4 không yêu cầu hoạt động ở chế độ truyền phát các bản tin beacon Trong các mạng không có bản tin beacon, các khung
dữ liệu (bao gồm các gói tin IPv6) được gửi đi theo phương thức truy nhập unslotted CSMA/CA
Trang 28Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
c Lớp thích ứng của 6LoWPAN
Lớp thích ứng là thành phần chính của 6LoWPAN
Chức năng chính đầu tiên của lớp này là nén tiêu đề TCP/IP header Tệp tiêu đề TCP/IP là quá lớn đối với chuẩn 802.15.4, khi nó có kích thước gói lớn nhất 128 byte; thay vào đó kích thước tiêu đề IPv6 là 40 byte, kích thước tiêu đề UDP và ICMP đều là 4 byte, tiêu đề TCP là 20 byte Nếu không sử dụng nén thì các thiết bị theo chuẩn 802.15.4 không thể truyền phát được tải dữ liệu hiệu quả
Chức năng chính thứ hai của lớp thích ứng là sử lý phân đoạn và tập hợp lại gói IEEE 802.15.4 có kích thước khung lớn nhất là 128 byte, trong khi IPv6 yêu cầu MTU là 1280 byte Điều này là không phù hợp vì vậy phải
xử lý tại lớp thích ứng
Chức năng chính thứ ba của lớp thích ứng là định tuyến Các nút ở biên của mạng cảm biến WSN có thể định tuyến các gói tin IPv6 trong mạng gồm các nút mạng WSN từ bên trong ra bên ngoài mạng IP
o Các giao thức định tuyến khác nhau của lớp thích ứng được chỉ ra trong bảng
Còn có các chức năng khác của lớp thích ứng ở trong mạng liên quan đến một số thứ như là khám phá nút lân cận và hỗ trợ truyền multicast
Vấn đề định tuyến được chia làm hai bài toán trong 6LoWPAN:
o Mesh Routing: trong không gian mạng PAN
o Các tuyến có thể có của các gói tin đến/đi từ mạng IPv6 đi/đến mạng PAN
Một vài các giao thức định tuyến hiện tại đang được phát triển bởi cộng đồng 6LoWPAN, đó là LOAD, DYMO-LOW, Hi-Low
Bảng 2.1 Các giao thức định tuyến trong 6LoWPAN
Trang 29Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
là một giao thức định tuyến theo yêu cầu đơn giản dựa trên AODV [RFC3561] cho mạng 6LoWPAN Thuật toán định tuyến dựa vào vector khoảng cách AODV là một giao thức định tuyến được thiết kế cho các mạng adhoc di động
AODV có khả năng định tuyến theo cả unicast và multicast
Nó là một thuật toán định tuyến theo yêu cầu, nghĩa là nó dựng lên các tuyến giữa các nút duy nhất được mong muốn bởi nút nguồn
DYMO Low Thuật toán định tuyến theo yêu cầu động MENET
On-demand (DYMO) cho giao thức định tuyến 6LoWPAN có ý định cho các nút di động trong mạng vô tuyến không dây đa chặng
Hi-Low Giao thức định tuyến phân cấp dựa trên địa chỉ 16 bit ngắn
của mạng 6LoWPAN
d Lớp mạng của 6LoWPAN
Lớp network layer trong 6LoWPAN có các đặc điểm chính như sau:
Nó cung cấp khả năng tương tác liên mạng giữa các nút cảm biến
Yêu cầu đánh địa chỉ IPv6 cho các node
Các dịch vụ bảo mật thích hợp
Các suy xét định tuyến
Quản lý mạng với SNMP (Simple Network Management Protocol)
e Lớp giao vận của 6LoWPAN
Lớp giao vận chịu trách nhiệm cho việc phân phát dữ liệu đến các tiến trình ứng dụng thích hợp trên máy chủ
Một vài giao thức lớp giao vận là UDP và TCP
f Lớp ứng dụng của 6LoWPAN
Lớp ứng dụng trong 6LoWPAN có các đặc điểm chính như sau:
6LoWPAN quy định các ứng dụng sử dụng giao diện socket
Trang 30Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(ví dụ nhƣ mạng 6LoWPAN, mạng cảm biến không dâ
Trang 31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(Datagram Transport Layer Security - DTLS)
2.2.2 Kiến trúc CoRE
CoRE là một nhóm làm việc của IETF, nhóm này xác định giao thức CoAP dựa trên kiến trúc REST Phần này sẽ trình bày tổng quan về kiến trúc REST cũng như các thành phần và chức năng nhiệm vụ của nó
REST mô tả giao thức truyền thông client-server và có bộ nhớ cache, như
là HTTP, để tạo ra các cuộc gọi đơn giản giữa các thiết bị Kiểu kiến trúc REST bao gồm các Client và server Clients khởi tạo các yêu cầu tới server Server xử
lý các yêu cầu này và trả về các đáp ứng thích hợp Các yêu cầu và đáp ứng được xây dựng dựa trên việc chuyển giao đại diện của các tài nguyên Dưới đây là các thành phần chính của một kiến trúc REST:
Resources: Phần lớn được định danh bởi URI (Uniform Resource
Identifier) Resources có thể làđịa chỉ Web, tài nguyên vật lý hoặc đơn giản
là văn bản nằm ở một nơi nào đó trên server
Trang 32Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Represendentations: Để thao tác với resources Representations định nghĩa
định dạng của resource Các Representations điển hình là HTML, XML hoặc JSON
Methods: Cho phép Clients lấy ra, sửa đổi hoặc xóa các tài nguyên bằng
cách sử dụng các đại diện của chúng Các hoạt động/phương pháp cơ bản trên tài nguyên là GET, PUT, POST và DELETE
Hình 2.2 Kiến trúc REST
Sử dụng các dịch vụ Web trên Internet phụ thuộc vào kiến trúc REST RESTful là giao thức truyền tải đơn giản để phục vụ các requirements cho môi
trường giới hạn tài nguyên Hỗ trợ URI: ví dụ như coap://fec0::1:61616/temp 4
bytes tiêu đề cơ bản, tùy chọn TLV, với 1- 270 bytes/option Cổng mặc định là
5683
Trang 33Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.3 Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs
Hình 2.3 minh họa một end-to-end IP dựa trên kiến trúc dịch vụ web
RESTful để tích hợp các thiết bị hạn chế tài nguyên với Web Kiến trúc trên cho phép thực hiện cùng thiết kế giao diện trên HTTP và CoAP vì cả hai giao thức đều thực thi theo mô hình REST
Để một client của giao thức này có thể truy nhập tới tài nguyên của một server của một giao thức khác thì một thiết bị đang cung cấp qua việc ánh xạ giao thức HTTP CoAP và HTTP-CoAP cross-protocol proxy (HC proxy) là cần thiết
2.2.3 Mô hình giao thức CoAP
: Confirmable, Non-confirmable, Acknowledgment, Reset
Confirmable Non-confirmable
Trang 34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
(ví dụ
Trang 35Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
b /Response
Trang 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.9
Trang 37Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
, PUT