Tìm hiểu Internet of Things và mạng cảm biến không dây

Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây Lịch sử phát triển GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu A Internet of things a Sơ khai Cụm từ “Internet of Things - IoT” đưa nhà sáng lập MIT AutoID Center đầu tiên, với tuyên dương đặc biệt tới Kevin Ashton 1999 David L.Brock 2001 Thuật ngữ Auto-ID tới lớp rộng kỹ thuật xác minh sử dụng công nghiệp để tự động hóa, giảm lỗi tăng hiệu Các kỹ thuật bao gồm mã vạch, thẻ thông minh, cảm biến, nhận dạng tiếng nói, sinh trắc học Nhưng từ năm 2003 Kỹ thuật Auto-ID hoạt động Radio Frequency Identification – RFID Đỉnh cao Auto-ID Center vào tháng 9-2003, hội nghị chuyên đề điều hành EPC (Electronic Product Code) tổ chức Chicago (Illinois, Mỹ) đánh dấu xuất thức hệ thống Mạng EPC – sở hạ tầng kỹ thuật mở cho phép máy tính tự động xác định vật thể nhân tạo theo dõi chúng chúng từ nhà máy tới trung tâm phân phối để lưu trữ giá Hội nghị hỗ trợ nhieuef công ty lớn giới – đại diện cho thực phẩm, hàng hóa tiêu dùng, công nghiệp bán lẻ, vận tải dược phẩm, số nhiều đại diện khác – bật RFID cho thấy trở thành chìa khóa cho phép kỹ thuật để phát triển kinh tế 55 năm tới Xem xét hội nghị giai đoạn lịch sử, Kevin Ashton dự đoán thay đổi từ máy tính xử lý thông tin sang máy tính có cảm nhận Mục đích Phòng Lab Auto-ID phát triển mạng lưới kết nối máy tính với vật thể - không phần cứng hay phần mềm để vận hành mạng, mà thật thứ cần để tạo Internet of Things, bao gồm phần cứng phù hợp, phần mềm mạng, giao thức, ngôn ngữ mô tả đối tượng theo cách máy tính hiểu Lưu ý Auto-ID Labs không tìm cách tạo mạng toàn cầu khác mà xây dựng thành phần xây dựng đỉnh cao Internet b Từ ý tưởng tới thực tiễn Giữa nhiều báo quan tâm IoT, bật mối quan tâm bắt đầu kỷ nguyên cho thương mại công nghiệp IoT xem xét RFID 1|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu mở rộng giới hạn Nhưng cụm từ Internet of Things lúc tầm nhìn máy móc tương lai: kỷ 19, máy móc học để làm, kỷ 20, chúng học để nghĩ kỷ 21, chúng cảm giác phản ứng lại - The Internet of Things – Sean Dodson 09/10/2003 - Toward a Global Internet of Things – Steve Meloan, Sun Microsystems 11/11/2003 - A Machine-to-machine Internet of Things – Business Week 26/04/2004 - The Internet of Things – Neil Gershenfeld, Raffi Krikorian, Danny Cohen – Scientific American Magazine 10/2004 - The Internet of Things: Start-ups jump into next big thing: tiny networked chips - Robert Weisman, The Boston Globe 25/10/2004 Khái niệm Internet of Things trở nên rõ ràng vào năm 2005 International Telecommunications Union – ITU công bố báo cáo chủ đề Báo cáo nêu: IoT kết nối vật thể theo cách thông minh có cảm nhận thông qua phát triển kỹ thuật liên kết nhận biết thông tin (theo vật thể), cảm biến mạng cảm biến không dây (cảm nhận vật thể), hệ thống nhúng (suy nghĩ vật thể) công nghệ nano (thu nhỏ vật thể) Trong báo cáo ITU xác định thử thách quan trọng cần giải để khai thác hết tiềm IoT – tiêu chuẩn hóa kết hợp, bảo mật, vấn đề đạo đức – xã hội c Sự phát triển Ngày với khoảng 1,5 tỷ máy tính kết nối Internet tỷ điện thoại có kết nối Internet Sư diện “Internet of PCs” chuyển sang IoT 50-100 tỷ thiết bị kết nối Internet năm 2020 Một vài nghiên cứu năm đó, số lượng máy móc di động tăng gấp 30 lần thiết bị di dộng người sử dụng Nếu không xem xét kết nôi máy-máy mà kết nối tất vật thể số lượng kết nối tăng lên tới 100.000 tỷ Trong lý thuyết mới, vật thể kết nối nhiều đến mức xóa nhà ranh giới mảnh nguyên tử Một vài tác giả tạo khái niệm để hiểu rõ lý thuyết IoT VD: “blogjects” để mô tả vật thể blog, “sprimes” để nhận thức vị trí, nhận thức môi trường, tự ghi 2|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu log, tự tạo tài liệu, vật thể mà cung cấp nhiều liệu thân chúng môi trường chúng, “informational shadows” để vật thể kết nối, d Triển vọng tương lai e Triển vọng Triển vọng nghiên cứu Các Lab Auto-ID thuộc viện nghiên cứu lục địa khác phát triển kỹ thuật RFID WSNs để cách mạng hóa thương mại toàn cầu làm gia tăng lợi ích tiêu dùng chưa thực - Ba phòng thí nghiệm – ĐH St.Gallen, ETH Zurich MIT tổ chức Zurich năm 2008 hội nghị IoT mang đến hướng cho nhà hoạt động nhà nghiên cứu từ học viện công nghiệp để tạo điều kiện chia sẻ ứng dụng, kết nghiên cứu tri thức sở 3|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu - Hội nghị Tokyo cuối năm 2010 xung quang chủ để “IoT for a Green Planet” – thảo luận yêu cầu kỹ thuật thử thách công việc để xác định thử thách xã hội ngày với công nghệ IoT: hệ thống theo dõi sức khỏe hỗ trợ xã hội hóa, lan truyền nhận thức môi trường để giúp dự đoán thảm họa tự nhiên phản ứng phù hợp, theo dõi đường để giúp giảm tắc nghẽn giao thông, tạo thông tin sống để cải thiện chu trình, độ suốt vận tải với việc giảm khí Cacbon, nhiều tri thức trình khác để nâng cao khả tối ưu - Một nghiên cứu tiến khác đưa Hewlett-Packard thực 10 năm, hệ thống thần kinh cho Trái đất, để gắn 1000 tỷ cảm biến cỡ đinh ghim quanh địa cầu Bằng cách kết hợp thiết bị điện công nghệ nano, chuyên gia nhà nghiên cứu phát triển cảm biến “bụi thông minh” với độ nhạy 1000 lần công nghệ phát chuyển động Các ứng dụng tiềm bao gồm công trình có quản lý sử dụng lượng, cầu có cảm giác chuyển động độ mỏi kim loại, ô tô theo dõi tình hình giao thông báo cáo hố ga, thuyền rau biết cảnh báo người bán chín bắt đầu hỏng - Ở Trung Quốc, nghiên cứu lĩnh vực IoT xem cần thiết để phát triển kinh tế bắt kịp nước phát triển Từ năm 2006, viện nghien cứu tập trung vào kế hoạch dài hạn với hỗ trợ lớn từ Chính phủ: phát triển tảng mạng cảm biến không dây với đặc điểm có trí thông minh bao gồm node mạng cảm biến không dây, lưu trữ liệu thiết bị đầu cuối truy cập liệu từ xa - Một khởi đầu hứa hẹn vượt qua giới hạn trí tưởng tượng, sức sáng tạo táo bạo với IoT Các cường quốc US, Liên minh nước Châu Âu, TQ, Nhật sớm đầu tư phát triển IoT để nâng cao mặt đặc biệt kinh tế, công nghiệp Triển vọng công nghiệp - Violet’s Nabaztag 2005 – thỏ chuyển thông tin xung quanh qua ánh sáng âm thành thông tin dạng ngôn ngữ nói 4|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu - ZeroG Wireless 2006 – lý thuyết kết nối Không dây với chi phí thấp, chip kích thước nhỏ nhúng vào hệ thống điện tiêu dùng, thiết bị lượng, nhà, thiết bị điều khiển, cảm biến y học mạng cảm biến, T2TIT – giải phát phần mềm cho phép bảo mật kết nối vật thể - Arduino 2008 tảng tạo mẫu điện tử mã nguồn mở cho nghệ sĩ, nhà thiết kế người không chuyên thích sáng tạo vật thể môi trường có tương tác - Alcatel – Lucent’s Touchatag 2008, dịch vụ ứng dụng cho nhà phát triển kinh doanh ứng dụng, cách sử dụng RFID, Near Field Communication (NFC) công nghệ mã vạch 2D cung cấp cho người sử dụng cách sử dụng nhanh đơn giản truy cập, thứ, thông tin, đăng ký, giấy phép chi trả - Arrayent’s Internet-Connect System 2009, hệ thống truyền thông chìa khóa trao tay cho phép công ty kết nối sản phẩm họ tới Smartphone máy tính thông qua Internet - Usman Haque’s Pachube 2009 dịch vụ cho phép người dùng gắn chia sẻ liệu cảm biến thời gian thực từ vật thể, thiết bị, công trình môi trường quanh - Haier’s Internet of Things refrigerator: thiết bị giữ lạnh lưu trữ thực phẩm có kết nối Internet để quản lý thực phẩm kết nối tới siêu thị Các ứng dụng IoT - Thành phố thông minh – Smart Cities + Công viên thông minh: giám sát không gian đỗ xe thành phố + Kiểm tra xây dựng: giám sát rung động điều kiện vật chất tòa nhà, cầu công trình lịch sử + Bản đồ tiếng ồn thành phố: giám sát âm phạm vi quán ba khu trung tâm theo thời gian thực + Tắc nghẽn giao thông: giám sát phương tiện mức độ người để tối ưu việc lái xe lại + Chiếu sáng thông minh: chiếu sáng thông minh tương ứng với thời tiết hệ thống đèn đường 5|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu + Quản lý chất thải: phát mức độ rác thải container để tối ưu đường thu lượm rác + Hệ thống vận tải thông minh: tuyến đường cao tốc thông minh với thông điệp cảnh báo điều chỉnh theo điều kiện thời tiết kiện không mong muốn tai nạn, tắc đường - Môi trường thông minh – Smart Environment + Phát cháy rừng: giám sát khí gas đốt cháy điều kiện cảnh báo cháy rừng để đưa vùng cảnh báo + Ô nhiễm không khí: điều khiển khí C02 thải từ nhà máy, khí gây ô nhiễm từ phương tiện khí độc nông trại + Phòng ngừa lũ quét lở đất: giám sát độ ẩm đất, rung chấn mật độ đất để phát mối nguy hiểm theo điều kiện đất + Phát sớm động đất: phân bố giám sát vùng đặc biệt có rung chấn - Nước thông minh – Smart Water + Chất lượng nước: nghiên cứu thích hợp nước sông, vùng biển hệ động vật tiêu chuẩn nước để sử dụng + Rò rỉ nước: phát chất lỏng bên két biến động áp suất bên đường ống + Lũ sông: giám sát biến động mực nước sông, đập nguồn nước - Đo lường thông minh – Smart Metering + Mạng lưới thông minh: giám sát quản lý tình hình tiêu thụ lượng + Tính hình bể chứa: giám sát mức nước, dầu, khí ga két bể + Cài đặt hệ thống quan điện: giám sát tối ưu hiệu thiết bị lượng mặt trời + Lưu lượng nước: đo lường áp suất nước hệ thống dẫn nước + Tính toán trữ lượng hàng: đo lượng mức độ khối lượng hàng hóa - Bảo mật tình trạng khẩn cấp – Security and Emergencies + Kiểm soát vùng hạn chế truy nhập: điều khiển truy nhập tới vùng hạn chế phát người không phận + Sự có mặt chất lỏng: phát chất lỏng trung tâm liệu, kho liệu vị trí xây dựng nhạy cảm để chống hỏng hóc ăn mòn 6|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu + Mức xạ: phân phối đo lường phạm vi xạ xung quanh khu lượng hạt nhân để cảnh báo rò rỉ kịp thời + Các khí nguy hiểm nổ khí: phát mức độ khí gas rò rỉ môi trường công nghiệp, xung quanh nhà máy hóa chất mỏ - Bán lẻ - Retail: + Điều khiển băng chuyền: giám sát điều kiện lưu trữ dây chuyền theo dõi sản phẩm cho mục đích giám sát + Thanh toán NFC: trình chi trả dựa vị trí khoảng thời gian hoạt động để chuyên chở công cộng, thể thao, công viên chủ đề… + Các ứng dụng mua sắm thông minh: đưa lời khuyên thời điểm bán theo thói quen khách hàng, sở thích, thành phần gây phản cảm với người mua hạn sử dụng + Quản lý sản phẩm thông minh: điều khiển luân phiên sản phẩm giá kho để tự động trình bổ sung - Hậu cần – Logistics + điều kiện chất lượng chuyển hàng: giám sát rung động, tác động cửa containter trì dây chuyền làm lạnh cho mục đích bảo hiểm + Vị trí vật thể: tìm đồ dùng cá nhân không gian lớn kho hay bến + Phát lưu trữ không phù hợp: cảnh báo phát xạ container lưu trữ hàng dễ cháy gần với nguyên liệu chứa chất cháy nổ + Theo dõi đoàn tàu, xe: điều khiển tuyến đường theo mặt hàng thuốc, trang sức hàng hóa nguy hiểm - Điều khiển công nghiệp – Industrial Control + Các ứng dụng M2M: kiểm soát tài sản máy tự chẩn đoán + Chất lượng không khí nhà: giám giá độc mức độ khí oxi thiết bị hóa học để đảm bảo cho công nhân hàng hóa an toàn + Giám sat nhiệt độ: kiểm soát nhiều độ công nghiệp tủ y học với hàng hóa nhạy cảm + Sự có mặt khí Ozone: kiểm soát mức độ khí Ozone làm khô sản phẩm thịt nhà máy thực phẩm + Định vị nhà: vị trí tài sản nhà cách sử dụng thẻ tích cự (ZigBee) bị động (RFID/NFC) 7|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu + Các phương tiện tự trẩn đoán: thu thập thông tin từ CanBus để gửi cảnh báo thời gian thực để nhanh chóng đưa lời khuyên cho lái xe - Nông nghiệp thông minh + Tăng chất lượng rượi: giám sát độ ẩm đất đường kính rương vườn nho để kiểm soát lượng đường nho sức khỏe nho + Nhà thân thiện môi trường: kiểm soát điều kiện thời tiết nhỏ để tăng sản lượng rau chất lượng chúng + Gold Courses: lựa chọn thủy lợi vùng khô để giảm lượng tài nguyên nước yêu cầu hệ thống + Mạng lưới trạm thời tiết: nghiên cứu điều kiện thời tiết vùng để dự báo băng, mưa, hạn hán, tuyết tốc độ gió + Phân trộn: điều khiển độ ẩm mức nhiệt cỏ linh lăng, cỏ khô rơm… để chống lại nấm chất chứa vi khuẩn - Nông trại gia súc thông minh – Smart Animal Farming + Chăm sóc cháu: kiểm soát điều kiện phát triển cháu trang trại gia súc để đảm bảo sống sót khỏe mạng + Theo dõi gia súc: vị trí định danh gia súc đồng cỏ phạm vi chăn thả + Mức độ khí độc: nghiên cứu thông chất lượng không nông trại phát khí có hại - Tự động nhà domotic + Sử dụng lượng nước: hỗ trợ giám sát tiêu dùng nước lượng lời khuyên làm để tiết kiệm chi phí tài nguyên + Các thiết bị điều khiển từ xa: bật tắt thiết bì điều khiển từ xa để tránh tai nạn tiết kiệm lượng + Các hệ thống phát xâm nhập: phát sổ vào xâm pham để chống đột nhập + Bảo quản hàng hóa nghệ thuật: giám sát điều kiện bên bảo tang nơi lưu trữ nghệ thuật - Chăm sóc sức khỏe – eHealth + Phát ngã: giúp đỡ người già người tàn tật sống độc lập + Các tủ thuốc: giám sát điều kiện bên tủ lạnh lưu trữ vaccine, thuốc, yếu tố hữu cơ, 8|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu + Chăm sóc vận động viên: giám sát dấu hiệu trung tâm chăm sóc + Giám sát bệnh nhân: giám sát điều kiện bênh nhân bệnh viện nhà họ + Bức xạ tử ngoại: đo lường lượng tia mặt trời UV để cảnh bảo người không phơi nắng định Kiến trúc hệ thống a Định nghĩa IoT phận tích hợp Future Internet định nghĩa sở hạ tầng mạng toàn cầu động với khả tự cấu hình dựa tiêu chuẩn giao thức truyền thông tương thích vật thực ảo có danh tính, thuộc tính vật lý tính cách ảo sử dụng giao diện thông minh, tích hợp hoàn toàn vào mạng lưới thông tin Trong IoT, ‘things’ dự tính trở thành người tham dự hoạt động kinh doanh, thông tin trình xã hội chúng tương tác liên lạc với với môi trường cách trao đổi liệu thông tin ‘cảm nhận được’ môi trường, tự phản ứng với kiện giới thực tạo tương tác cách chạy tiến trình mà kích hoạt hoạt động tạo dịch vụ có tác động người Các giao diện hình thức dịch vụ dễ dàng tương tác với vật thông minh qua Internet, truy vấn thay đổi trạng thái chúng thông tin liên quan với chúng, tham gia bảo mật tài khoản vấn đề riêng tư Tầm nhìn Internet tương lai dựa giao thức truyền thông lưu ý đến hợp mạng máy tính, Internet of Media – IoM, Internet of Services – IoS, Internet of things – IoT vào tảng IT toàn cầu mạng thứ nối mạng 9|Page Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây Anytime GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Anyone Any context Anybody Any Service Anything IoT Any Devices Any Business Any Place Any Path Anywhere Any Network IoS thành phần tảng phần mềm sử dụng qua mạng khác Internet: SOA, Web/Enterprise 3.0/X.0, Enterprise Interoperability, Service Web, Grid Services and Semantic Web IoM xác định thách thức mã hóa video mở rộng xử lý video 3D, game di động Mạng tương lai gồm sở hạ tầng mạng công cộng/ cá nhân khả mở rộng thiện ‘things’ đặt gần kết nối với Các kết nối không người mà người với môi trường Truyền thông xem nhiều thiết bị đầu cuối trung tâm liệu (dữ liệu nhà, điện toán đám mây…) Tăng khả lưu trữ tính sẵn sang kết nối 10 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu tập hợp nút mạng tương đương nhìn từ giao thức lớp GAF chia vùng quan sát thành hình vuông đủ nhỏ, nút hình vuông giao tiếp vô tuyến với nút nằm hình vuông bên cạnh.GAF dự trữ lượng cách tắt nút không cần thiết mạng mà không ảnh hưởng đến mức độ xác định tuyến Nó tạo lưới ảo cho vùng bao phủ Mỗi nút dùng GPS - vị trí xác định để kết hợp với điểm lưới mà coi tương đương tính đến giá việc định tuyến gói Sự tương đương tận dụng để giữ nút định vị vùng lưới xác định trạng thái nghỉ để tiết kiệm lượng Vì GAF tăng đáng kể thời gian sống mạng cảm biến mà số lượng nút tăng lên Một ví dụ cụ thể đưa hình (3.7) Trong hình vẽ này, nút truyền đến nút số nút 2, và nút 2, 3, truyền tới nút Do nút 2, 3, tương đương số nút trạng thái nghỉ Các nút chuyển trạng thái từ nghỉ sang hoạt động tải cân Có ba trạng thái định nghĩa GAF, phát (discovery), để xác định nút lân cận lưới, hoạt động (active), thể tham gia vào trình định tuyến nghỉ (sleep) sóng tắt Sự chuyển trạng thái GAF miêu tả hình (3.8) Nút nghỉ liên quan đến thông số điều chỉnh trình định tuyến Để điều khiển độ di động, nút lưới ước đoán thời gian rời khỏi lưới gửi thông tin đến nút lân cận Các nút không hoạt động điều chỉnh thời gian nghỉ chúng phù hợp thông tin nhận từ nút lân cận để giữ cho việc định tuyến xác Trước thời gian rời khỏi lưới nút hoạt động hạn, nút nghỉ thoát khỏi trạng thái số nút trở nên hoạt động GAF triển khai cho mạng bao gồm nút không di động (GAF bản) mạng bao gồm nút di động (GAF thích ứng di động) GAF cố gắng giữ mạng hoạt động cách giữ cho nút đại diện chế độ hoạt động vùng lưới 35 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu ảo Các kết mô GAF thực tối thiểu giao thức định tuyến mạng ad hoc thông thường nói đến tổn thất gói làm tăng thời gian sống mạng cách tiết kiệm lượng Mặc dù GAF giao thức dựa vị trí, coi giao thức phân cấp mà cụm dựa vị trí địa lý Đối với vùng lưới xác định, nút đại điện hoạt động nút chủ để truyền liệu đến nút khác Tuy nhiên nút chủ không thực nhiệm vụ hợp hay tập trung liệu giao thức phân cấp thông thường 3.2 GEAR Yu et al đưa việc sử dụng thông tin địa lý phổ biến yêu cầu đến vùng thích hợp yêu cầu liệu thường bao gồm thuộc tính địa lý Giao thức GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) dùng nhận biết lượng phương pháp thông báo thông tin địa lý tới nút lân cận Việc định tuyến thông tin theo vùng địa lý có ích hệ thống xác định vị trí, đặc biệt mạng cảm biến Ý tưởng hạn chế số lượng yêu cầu Directed Diffusion cách quan tâm đến vùng xác định gửi yêu cầu tới toàn mạng GEAR cải tiến Directed Diffusion điểm dự trữ nhiều lượng Trong giao thức GEAR, nút giữ estimated cost learned cost trình đến đích qua nút lân cận Estimated cost kết hợp lượng dư khoảng cách đến đích Learned cost cải tiến estimated cost giải thích cho việc định tuyến xung quanh hốc mạng Hốc xảy mà nút nút lân cận gần so với vùng đích Trong trường hợp hốc estimated cost với learned cost Learned cost truyền ngược lại hop lần gói đến đích làm cho việc thiết lập đường cho gói điều chỉnh Có pha giải thuật này: Chuyển tiếp gói đến vùng đích: GEAR dùng cách tự chọn nút lân cận dựa nhận biết lượng vị trí địa lý để định tuyến gói đến vùng đích Có trường 36 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu hợp cần quan tâm: tồn nhiều nút lân cận gần so với đích: GEAR chọn hop số tất nút lân cận gần đích Khi mà tất nút xa hơn: trường hợp có lỗ hổng GEAR chọn hop mà làm tối thiểu giá chi phí nút lân cận Trong trường hợp này, số nút lân cận chọn để chuyển tiếp gói dựa learned cost Lựa chọn cập nhật sau theo hội tụ learned cost suốt trình truyền gói Chuyển tiếp gói vùng gói chuyển đến vùng, truyền liệu vùng cách chuyển tiếp địa lý đệ quy flooding có giới hạn Flooding có giới hạn áp dụng tốt trường hợp sensor triển khai không dày đặc Ở mạng có mật độ sensor cao, flooding địa lý đệ quy lại hiệu mặt lượng flooding có giới hạn Trong trường hợp đó, người ta chia vùng thành vùng nhỏ tạo copy gói Việc chia nhỏ trình chuyển tiếp tiếp tục vùng nút, ví dụ hình (3.9) Để thỏa mãn điều kiện dùng giải thuật chuyển tiếp địa lý đệ qui để truyền gói vùng Tuy nhiên, với vùng mật độ thấp, chuyển tiếp địa lý đệ quy không hoàn thành, định tuyến vô tác dụng vùng đích rỗng trước số hop gói qua vượt giới hạn Trong trường hợp dùng flooding có giới hạn V Phần mềm cho mạng cảm biến không dây Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN: Theo kiến trúc mạng, giao thức mạng lớp ứng dụng cần có chức thích ứng để thỏa mãn yêu cầu đặc biệt mạng cảm biến không dây tính đa dạng ứng dụng Chức thích nghi cung cấp chất lượng dịch vụ cho ứng dụng điều kiện tài nguyên hạn chế mạng WSN kéo dài thời gian sống mạng Phần mềm (Middleware) cách để đáp ứng yêu cầu thích nghi 37 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Mạng WSN bị giới hạn nguồn tài nguyên lượng, băng thông, khả tính toán thông tin Cấu hình WSN đa dạng tính di động node, suy giảm lượng, chuyển đổi trạng thái ngủ tích cực, tầm phủ sóng radio khả định tuyến Một mạng WSN cần cung cấp nhiều ứng dụng tức thời Do đó, mạng WSN mạng không dây/di động tài nguyên hạn chế với ứng dụng rộng lớn Vấn đề môi trường mạng để thiết kế phần mềm có khả thích nghi ứng dụng giao thức mạng Phần mềm thường lớp ứng dụng phía hệ điều hành giao thức mạng Các chức phần mềm cho WSN: • Hệ thống cung cấp ứng dụng đa dạng Để xây dựng ứng dụng cách dễ dàng, middleware cần cung cấp hệ thống dịch vụ tiêu chuẩn hóa • Một môi trường phối hợp cung cấp đa ứng dụng • Các kỹ thuật để đạt thích ứng sử dụng hiệu tài nguyên hệ thống, kỹ thuật cung cấp thuật toán động để quản lý tài nguyên mạng hạn chế WSN • Tương nhượng tín hiệu QoS, middleware dùng để hiệu chỉnh tối ưu tài nguyên mạng Để thực thi nhiệm vụ, middleware cần biết đặc điểm ứng dụng giao thức mạng Phầm mềm cần phân tích nắm đặc điểm quan trọng ứng dụng giao thức mạng Nhiệm vụ lại tạo ánh xạ hiệu ứng dụng giao thức mạng dựa trạng thái mạng QoS yêu cầu ứng dụng Việc ánh xạ thực thi dịch vụ phần mềm để gọi ứng dụng Các dịch vụ phầm mềm cung cấp ứng dụng QoS 38 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu nó, trạng thái mạng điều khiển quản lý tài nguyên mạng Kiến trúc phần mềm: Kiến trúc mạng tổng quát hình 8.1 Middleware tập hợp thông tin từ ứng dụng giao thức mạng định cách để cung cấp ứng dụng lúc hiệu chỉnh thông số mạng Thỉnh thoảng middleware giao tiếp với hệ điều hành cách trực tiếp bỏ qua giao thức mạng Sự khác chủ yếu WSN phần mềm middleware truyền thống phần mềm cho WSN cần tự động điều chỉnh thông số giao thức mạng cấp thấp cấu hình node cảm biến cho mục đích cải thiện chất lượng bảo toàn lượng Ví dụ phần mềm bao gồm chức năng: quản lý tài nguyên, quản lý phát kiện giao tiếp lập trình ứng dụng (API) Phần tử chức quản lý nguồn giám sát trạng thái mạng nhận yêu cầu ứng dụng Sau tạo lệnh để hiệu chỉnh tài nguyên mạng Kiến trúc middleware tổng quát cho mạng WSN 39 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu VI Quản lý mạng cảm biến Vấn đề thiết kế quản lý mạng Mạng WSN dạng đặc biệt mạng không dây có cấu trúc theo mô hình mạng ad hoc có tài nguyên giới hạn Quản lý mạng cho WSN yêu cẩu dùng hiệu tài nguyên giới hạn chúng Nhiều vấn đề phải cách cẩn thận trước thiết kế công cụ quản lý mạng cho WSN Chức quản lý đòi hỏi cho WSN phải nhận trước tiên SNMP cung cấp chức quản lý: quản lý hư hỏng, quản lý cấu hình, quản lý công việc tính toán, quản lý chất lượng quản lý an ninh; TOM, chức phân lớp phần tử mạng, quản lý mạng quản lý dịch vụ Trong lớp, chức quản lý khác thể Do đó, WSN cần cấu trúc quản lý phân lớp với chức quản lý khác cho lớp WSN cần thuật toán quản lý khóa hiệu cho an ninh WSN cần chức quản lý để quản lý liệu vi dạng mục đích liệu thu thập mạng WSN khác so với mạng truyền thống Vấn đề kiến trúc quản lý cho mạng WSN phải xem xét cẩn thận Quản lý mạng gồm phần chính: người quản lý, trung gian MIB Người quản lý dùng để quản lý điều khiển mạng gốc công việc giao diện với hệ thống khác Trung gian đặt thành phần quản lý MIB có cấu trúc hướng đối tượng để thông tin cho người quản lý trung gian xếp thông tin quản lý Thỉnh thoảng hệ thống quản lý mạng gồm nhiều người quản lý phân bố, thứ quản lý phần mạng Phương pháp truy cập thông tin quản lý thay nhà quản lý hay trung gian thường xác định kiến trúc quản lý Phương pháp dựa trung gian tiết kiệm băng thông tường trình thông tin quản lý cuối Mặc dù WSN có điểm tập hợp liệu tập trung (trạm gốc), chúng giống với mạng phân bố Kiến trúc quản lý ghép dựa trung gian thích hợp cho WSN 40 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Trong WSN, thông tin quản lý dùng để cải thiện chất lượng hệ thống Các chức quản lý mạng nên xem xét tất điểm đặc biệt WSN như: • tuyến Giải pháp quản lý phải tiết kiện lượng, dùng lượng nhỏ băng thông vô Giải pháp quản lý có khả mở rộng • Giải pháp quản lý phải đơn giản thực tế W SN hệ thống phân bố có tài • nguyên hạn chế • MIB cho WSN nên chứa thông tin tổng quát cho node cảm biến, đặc điểm WSN ứng dụng W SN • Giải pháp quản lý cho WSN phải cung cấp giao diện tổng quát cho ứng dụng Giải pháp quản lý phải xây dựng phần mềm Các vấn đề khác Có nhiều vấn đề khác liên quan đến quản lý mạng cảm biến, quan trọng đặt tên (naming), định vị (localization), bảo quản dung sai lỗi Naming mô hình dùng để phân biệt node cảm biến Một mô hình đặt tên hiệu có overhead cho tính toán giao thức định tuyến hiệu Mô hình định vị xác định vị trí node thông tin quan trọng ứng dụng cảm biến Vấn đề bảo dưỡng liên quan hành động thay pin, trì khả kết nối cấu hình node cảm biến Hoạt động bảo dưỡng dùng để xây dựng hoạt động bình thường mạng Nhiều nhân tố gây hư hỏng cho hoạt động mạng, gồm lỗi phần cứng phần mềm Do đó, mô hình khác phải thực thi để cung cấp dung sai lỗi Mô hình khôi phục phần cứng dùng để vượt qua vấn đề phần cứng Các kỹ thuật phần mềm dùng để cung cấp phát hư hỏng dung sai hư hỏng cho phần cứng Một kỹ thuật dung sai hỏng đưa cho mạng cảm biến không dây dùng tập hợp cảm biến nhiều chế độ Dùng đồng cảm biến đa mode giải thuật phân chi nguồn phù hợp, dung sai 41 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu hỏng cung cấp giá trị phục hồi phần cứng Trong mạng WSN, giao thức giải thuật mạng nên có khả cung cấp dùng sai hỏng Chức quản lý tạo thách thức chủ yếu cho thiết kế WSN NM Điều gồm kiến trúc quản lý thực tế hiệu quả, MIB hiệu phương pháp để dùng quản lý mạng để tăng hiệu suất hoạt động Đối tượng cuối quản lý kéo dài thời gian sống mạng WSN đảm bảo chất lượng ứng dụng chúng 42 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu C Thử nghiệm mô Contiki: Hệ điều hành chạy hệ thống nhúng mạng cảm biến không dây http://www.contiki-os.org/start.html Cooja simulator: ứng dụng mô Khởi chạy Cooja: cd contiki/tools/cooja/ ant run Tạo mô Tạo kiểu mote cho mô phỏng: Mote Types/ Create mote type/ Sky Mote Type 43 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Tìm đến kiểu mote cần sử dụng: example-collect.c Compile/ Create Sau tạo mote kiểu mote, chọn số mote muốn sử dụng: 20 Create and Add Trong cửa số Simulation Visualizer nhấn chuột chọn chế độ: Mote Id để xem định danh mote, Radion Traffic để xem đường định tuyến cho mote, Radio Environment để xem thông số mote Nhấn chuột tiếp chọn Show traffic history 44 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Trong cửa sổ Simulation Control nhấn Start để bắt đầu mô 45 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Các ID xa sink liên lạc với sink mote gần sink: ID 4, 5, 9, 13, 19 46 | P a g e Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây Kết 47 | P a g e GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Tìm hiều Internet of Things mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Mục lục Mục lục 48 48 | P a g e Tài liệu tham khảo Ebook Architecting the Internet of Things Internet of Things (Paper Prepared for the 1st Berlin Symposium on Internet and Society October 25-27, 2011) Ebook Internet of Things 2012 new horizons http://wiki.aspire.ow2.org/xwiki/bin/download/Main/Services/RFID_EPC_Netwo rk_Architecture.pdf http://www.iot-a.eu/public/public-documents/d1.2 Mạng cảm biến không dây – BKHCM Ebook Wirelesss Sensor Networks – A networking perspective [...]... mại cá nhân 17 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu B Mạng cảm biến không dây I Tổng quan về mạng cảm biến 1 Giới thiệu Mạng cảm biến (sensor network) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường... tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường Mạng cảm biến 19 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Mô hình cấu trúc mạng cảm biến thường dùng: các cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra node có khả năng nhất làm node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính Mạng cảm biến có một số... phép cân đối chi phí và lợi ích cũng như các mô hình kinh doanh mới và các cơ hội tạo doanh thu cho doanh nghiệp và người sử dụng dựa trên thương mại nhỏ các thông tin trong IoT 15 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây Kiến trúc EPCglobal mở rộng cho IoT tương lai 16 | P a g e GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh... vực và trình bày trong bảng 1 Trong kiến trúc IoT, thông minh trung gian sẽ cho phép tạo ra một bản đồ động của thế giới thực / vật lý trong không gian kỹ thuật số / ảo bằng cách sử dụng một giải pháp không gian và thời gian mạnh và kết hợp các đặc điểm của mạng cảm biến khắp nơi và "things" khác b Các thành phần liên quan 12 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây IoT và các... thiết kế mạng cảm biến Các phần mềm: Hệ điều hành và ứng dụng trung gian Các giao thức truyền thông 20 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Giao thức mạng cảm biến gồm giao thức truyền thông và giao thức quản lý - Lớp 1: lớp vật lý Các quy ước về kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu Lớp 2: liên kết dữ liệu Các cấu trúc khug, định thời Lớp 3: lớp mạng. . .Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Các thiết bị đầu cuối có thể tạo mạng liên lạc cục bộ và có thể phục vụ như cầu nối giữa các mạng truyền thông IoT tạo ra mạng lưới năng động của hàng tỷ hoặc nghìn tỷ các things kết nối không dây liên lạc với nhau và hợp thành sự phát triển Pervasive Computing, Ubiquitous... bản cấu tạo nên một mạng cảm biến: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hoặc phân bố - Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến - ĐIểm trung tâm tập hợp dữ liệu - Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm 2 Các thành phần cấu tạo Mỗi nút cảm biến Cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản: Đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý , đơn vị truyền dẫn và bộ nguồn Các đơn vị cảm biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương... thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn 22 | P a g e Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu 4 Phân loại - Mạng di động và tĩnh Mạng tất định và bất định Mạng mobile-sink và static-sink Mạng. .. thời điểm nhưng lại không quan tâm đến năng lượng và cấu hình mạng cho nên không thể áp dụng vào mạng cảm biến Vì đặc điểm của mạng cảm biến cho nên giao thức đồng bộ thời gian cần chú ý về các vấn đề về độ chính xác, chi phí năng lượng và các yêu cầu về bộ nhớ Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến là cộng tác giữa các nút trong toàn mạng Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pair-wise)... GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Tìm hiều Internet of Things và mạng cảm biến không dây GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Kịch bản tổng thể IoT bao gồm các công ty, các tổ chức công cộng và con người Mục tiêu cho kiến trúc IoT tương lai hướng tới là: - Cơ sở hạ tầng mở, có khả năng mở rộng, linh hoạt và có tính bảo mật cho IoT và con người - Người sử dụng làm trung tâm, tính tùy biến cho Web of Things bao gồm các khả năng ... chúng cảm giác phản ứng lại - The Internet of Things – Sean Dodson 09/10/2003 - Toward a Global Internet of Things – Steve Meloan, Sun Microsystems 11/11/2003 - A Machine-to-machine Internet of Things... trạng thái thiết bị - Hỗ trợ thiết bị không IP – Support for non-IP devices: tích hợp vào IoT qua cổng vào - Sự tích hợp giao diện truy cập – Intergration of an actuator interface: - Sự tích hợp có... GVHD: TS Ngô Quỳnh Thu Phân loại - Mạng di động tĩnh Mạng tất định bất định Mạng mobile-sink static-sink Mạng single-sink multisink Mạng đơn bước đa bước – single-hop and multihop Mạng không tự