NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2020 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực ` TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NĂM 2020 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .3 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT .4 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Định nghĩa: .9 1.2 Cấu trúc WSN: 1.2.1 Vi điều khiển 1.2.2 Sensor 1.2.3 Bộ phát radio .10 1.3 Chức thành phần mạng cảm biến 13 1.3.1 Thành phần mạng cảm biến .13 1.3.2 Cấu trúc chức nút mạng cảm biến .16 1.4: Những yêu cầu cho mạng cảm biến 17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Sensor-MAC (S-MAC) 22 2.3 Timeout-MAC (T-MAC) 25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP CHO WSN DỰA TRÊN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN 28 3.1 Tổng quan chung đồng mạng cảm biến 28 3.1.1 Đồng hố mạng khơng dây .29 3.2 Mơ hình hoạt động điều khiển truy nhập mạng WSN đồng thời gian 36 3.2.1 Mơ hình kết nối mạng cảm biến khơng dây dải tần 2.4GHz 36 3.2.2 Nút mạng cảm biến 39 3.2.3 Mơ hình điều khiển truy nhập kết nối mạng dựa đồng thời gian 41 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO .47 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BI Y Hình 1.1 Ví dụ mạng cảm biến khơng dây Hình 1.2 Phân bố node cảm biến trường hợp cảm biến 10 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 12 Hình 1.4 Mơ hình mạng cảm biến không dây thông thường 14 Hình 1.5 Cấu trúc kết nối chức thành phần WSN 15 Hình 1.6 Cấu trúc chung nút mạng cảm biến không dây 16 Bảng 2.1 Phân loại giao thức kiểm sốt truy cập trung bình 20 Hình 2.2 Giao thức cảm biến MAC 22 Hình 2.3 Chu kì ngủ hoạt động S-MAC T-MAC 23 Hình 2.4 Tiêu thụ lượng so với thời gian đến nơi để truyền thơng hội tụ 25 Hình 2.5 Ảnh hưởng thay đổi thời gian TA đến tỷ lệ phân phối mức tiêu thụ lượng 26 Hình 3.1 Các thành phần trì hỗn gói 30 Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động phương pháp 34 Hình 3.4 Các khoảng thời gian chu kỳ truyền thông 35 Hình 3.5 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây dải tần 2,4GHz 38 Hình 3.6 Cấu trúc nút mạng cảm biến 40 DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt WSN CPU MAC Từ đầy đủ Wireless Sensor Network Central Processing Unit Media Access Control Tiếng Việt Mạng cảm biến không dây Bộ xử lý trung tâm Điều khiển truy nhập môi Analog to Digital Converter Time division multiple access trường Bộ chuyển đổi tương tự số Đa truy nhập phân chia theo ACK ROM RAM CSMA Acknowledgement Read Only Memory Random Access Memory Carrier sense multiple access thời gian Báo nhận Bộ nhớ đọc Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Đa truy nhập cảm nhận sóng CSMA/CA mang Carrier-sense multiple access Đa truy cập cảm nhận sóng TA FRTS RBS TPSN with collision avoidance Adaptive Timeout Future request to send Radio Base Station Time Synchronization mang với tránh va chạm Thời gian chờ thích ứng Yêu cầu gửi tương lai Trạm gốc vơ tuyến in Đồng hố thời gian GPS CRC Wireless Networks Global Positioning System Cyclic Redundancy Check mạng khơng dây Hệ thống Định vị Tồn cầu Mã vịng ADC TDMA TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Sinh viên thực hiện: Mục tiêu đề tài: - Phân tích đánh giá số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển truy nhập nhằm nâng cao khả kết nối mạng cảm biến không dây mật độ cao Tính sáng tạo: - Xây dựng, thử nghiệm chức hệ thống mạng cảm biến không dây tầm gần, hoạt động dải tần 2,4GHz, cho phép thu thập thông tin cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm môi trường) - Hệ thống mạng cảm biến triển khai với mật độ cao, đáp ứng việc chuyển tải thông tin qua mạng, áp dụng vùng khơng gian rộng - Phát triển chế, chức đồng hòa thời gian cho thành phần mạng, qua cho phép thực thi chế điều khiển truy nhập theo khe thời gian, tăng hiệu truy nhập kết nối mạng Kết nghiên cứu: - Nội dung báo cáo - Hệ thống mạng cảm biến thử nghiệm với nút mạng, bao gồm thiết bị nút mạng phần mềm chức Đóng góp mặt kinh tế - xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: - Hệ thống mạng cảm biến xây dựng, thử nghiệm đề tài có áp dụng cho nhiều ứng dụng thực tế: giám sát, quan trắc thông tin môi trường, điều khiển thiết bị từ xa,… - Hệ thống mạng chức mở rộng nghiên cứu phịng thí nghiệm Cơng bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài: Không Ngày tháng năm 2020 Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài: ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Ngày 2020 Xác nhận trường đại học (ký tên đóng dấu) tháng Người hướng dẫn (ký, họ tên) năm MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài: Trong vài năm gần mạng cảm biến không dây trở nên quan trọng đời sống hàng ngày Bắt đầu phát triển với ứng dụng quân đội, mạng cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực khác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngơi nhà thơng minh hay điều khiển giao thông Với hội tụ công nghệ kỹ thuật vi điện tử, cơng nghệ mạch tích hợp, cơng nghệ cảm biến xử lý tín hiệu tạo thiết bị cảm biến nhỏ, đa chức với giá thành thấp làm tăng khả ứng dụng mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây công nghệ mới, nước có khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi thu nhiều thành tựu Tuy nhiên Việt Nam, công nghệ nghiên cứu triển khai lĩnh vực quy mô nhỏ, song với ưu điểm khả tương thích cao nên tương lai, công nghệ mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác sống Lý chọn đề tài, mục tiêu đề tài Lý chọn đề tài: Tìm hiểu đánh giá phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây Mục tiêu đề tài: - Phân tích đánh giá số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển truy nhập nhằm nâng cao khả kết nối mạng cảm biến không dây mật độ cao Phương pháp nghiên cứu - Tìm hiểu sở lý thuyết dựa tài liệu công bố mạng Internet, sách tham khảo - Sử dụng cơng cụ mã nguồn mở, miễn phí để xây dựng, phát triển hệ thống thí nghiệm - Đánh giá kết Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến không dây tầm gần, mật độ cao, không đòi hỏi cao tốc độ truyền liệu, mức tiêu hao lượng - Phạm vi nghiên cứu: mơ hình, hệ thống mạng cảm biến khơng dây thử nghiệm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 1.1 Định nghĩa: Mạng cảm biến khơng dây (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến, node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… có số lượng lớn, đựợc phân bố cách khơng có hệ thống diện tích rộng, sử dụng nguồn lượng hạn chế hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…) Hình 1.1 Ví dụ mạng cảm biến khơng dây 1.2 Cấu trúc WSN: Node cảm biến Một node cảm biến cấu tạo thành phần sau: Vi điều khiển, Sensor, phát radio Ngoài cịn có cổng kết nối máy tính 1.2.1 Vi điều khiển Bao gồm: CPU; nhớ ROM, RAM; phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ngược lại 1.2.2 Sensor Chức năng: cảm nhận giới bên ngồi, sau chuyển liệu qua phận chuyển đổi để xử lý tiếp tục tất nút đồng hóa với nút gốc o Một lần nữa, q trình đồng hóa thực giống giai đoạn khám phá mức Tất giao tiếp bắt đầu với thơng tin phát sóng nút gốc đến nút cấp Giao tiếp truyền qua tất nút cấp i-1 đồng hóa với nút cấp i Tại thời điểm này, tất nút đồng hóa với nút gốc Ưu điểm TPSN  Bất kỳ gói đồng hóa có bốn độ trễ: thời gian gửi, thời gian truy cập, thời gian lan truyền thời gian nhận Loại bỏ số lợi Mặc dù TPSN không loại bỏ không chắn người gửi, nhiên, giảm thiểu Ngồi ra, TPSN thiết kế để trở thành giao thức multi-hop; phạm vi truyền tải khơng phải vấn đề  Khơng giống RBS, TPSN có không chắn người gửi Chúng cố gắng giảm khơng xác định cách dập gói lớp MAC Khẳng định không chắn người gửi đóng góp vào tổng lỗi đồng hóa Bằng cách giảm độ khơng đảm bảo với dập thời gian mức thấp, người ta khẳng định TPSN có độ xác cao 2-1 so với RBS đồng hóa người gửi người nhận vượt trội so với đồng hóa máy thu với máy thu  RBS bị giới hạn phạm vi truyền Nó tuyên bố RBS bỏ qua thời gian lan truyền phạm vi truyền tương đối nhỏ Nếu mạng multi-hop lớn, trường hợp RBS phải gửi thêm đèn hiệu tham chiếu cho nút để đồng hóa TPSN mặt khác thiết kế cho mạng multi-hop Giao thức họ sử dụng sơ đồ dựa để thông tin thời gian truyền xác qua mạng  Phương thức đồng hóa người gửi đến người nhận khẳng định xác so với phương thức đồng hóa người nhận với người nhận Ngoài TPSN thiết kế cho mạng multi-hop, RBS hoạt động tốt mạng hop đơn Vì vậy, phạm vi truyền tải khơng phải yếu tố với TPSN 3.1.1.2 Giao thức đồng hóa phát sóng tham chiếu (RBS) 33 Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động phương pháp Giao thức RBS dựa phương thức đồng máy thu máy thu để đồng hóa cụm cảm biến không dây phạm vi truyền nút cảm biến tham chiếu Một bên thứ ba phát quảng bá tin beacon tham chiếu tới nút vùng phủ Các máy thu đánh dấu thời gian nhận tin tất máy thu trao đổi thông tin thời gian với nút lân cận chúng, thơng tin để tính tốn độ dịch thời gian (offset) và đồng với xung nhịp cục nút mạng Phương pháp giúp loại bỏ thời gian gửi thời gian truy cập liên quan đến độ trễ gói, nhiên tính khơng xác định thời gian lan truyền thời gian thu nhận gian tồn Các khoảng thời gian chu kỳ truyền thơng mơ tả qua hình vẽ sau 34 Hình 3.4 Các khoảng thời gian chu kỳ truyền thơng Độ xác đồng hóa phương pháp khoảng 11μs 3.1.1.3 Giao thức đồng hóa thời gian lũ lụt (FTSP) Giao thức đồng hóa thời gian lũ lụt (FTSP) giao thức người nhận người nhận đạt độ xác micro-giây mạng multi-hop Độ mạnh mức độ xác FTSP coi tốt so sánh với giao thức có sẵn khác cho mạng cảm biến sử dụng để đồng hóa thời gian ứng dụng bắn tỉa FTSP di chuyển khỏi giao thức khác với khả tạo điểm đồng hóa với thông điệp quảng bá lời hứa loại bỏ jitter ngắt thơng qua số kỹ thuật dập thời gian Giao thức sử dụng việc tràn ngập phát thông báo đồng hóa (bao gồm thời gian gốc, cịn gọi toàn cầu) cho tất nút nút nhận tạo thời gian cục tạo cặp thời gian cục tồn cầu Do đó, thay đổi thời gian gọi cho cặp dấu thời gian nhúng thơng báo đồng hóa, phí giảm cách đạt đồng hóa thời gian qua lần truyền tin nhắn Hầu hết lỗi phát sinh từ việc gửi tin nhắn radio loại bỏ thời gian dập lớp MAC FTSP mở rộng giao thức sang đồng hóa thời gian tồn mạng thơng qua đồng hóa nhiều bước sử dụng ID nút Tính 35 cho phép mạng động nút gốc đồng hóa bầu lại cần Cơ chế mà giao thức bầu / bầu lại root sau:  Khi nút chờ đến giây ROOT TIMEOUT Số giây mà không nhận thông báo đồng hóa, tự tuyên bố nút gốc, điều đảm bảo có gốc mạng sau ROOT TIMEOUT số giây  Để đảm bảo có nút gốc mạng (tuân thủ động lực chủ), nút nhận thơng báo có ID gốc nhỏ ID gốc, cập nhật ID gốc nút với nút gốc vưa nhận  Cuối cùng, tất nút có ID gốc cao từ bỏ trạng thái chúng cho nút có ID gốc thấp phần lại thấp cịn gốc mạng  Mỗi nút sau đồng hóa với thời gian tồn cầu nút cấp cao  3.2 Mơ hình hoạt động điều khiển truy nhập mạng WSN đồng thời gian Mạng cảm biến thử nghiệm thiết kế, xây dựng nội dung nghiên cứu đề tài có chức thu thập thơng tin mơi trường, gồm nhiệt độ/độ ẩm Kết nối hệ thống mạng cảm biến dựa kết nối không dây hai dải tần 2.4 GHz 3.2.1 Mơ hình kết nối mạng cảm biến không dây dải tần 2.4GHz Kết nối không dây dải tần 2,4GHz dựa mạch thu phát nRF24L01 (nRF), hãng Nordic Cấu trúc kết nối nút mạng mô tả dạng (tree), mơ tả hình 3.5 Mỗi nút mạng đánh địa riêng, giá trị địa xác định theo quy tắc để định dạng thức kết nối nút mạng Mỗi nút mạng ấn định địa logic nhất, có độ dài 15 bít Trong chương trình giá trị địa biểu diễn dạng chuối số thập phân để mơ tả vị trí, chức nút kết nối mạng dạng Cách thức thiết lập, hay đánh địa cho nút tuân theo quy tắc sau:  Nút gốc hay nút chủ có địa mặc định, ln 00 36  Các nút cấp 1, hay nút nút gốc có địa từ 01 đến 05 (hay từ đến 5)  Các nút cấp cao (các nút con) có giá trị địa tương ứng với địa nút cha mà liên kết tới, đồng thời thêm byte để định danh nút cụm Ví dụ nút nút cấp (có địa 01) có địa từ 011 đến 051, byte cuối giá trị địa 1, byte trọng số cao có giá trị từ 01 đến 05 Với cách thức đánh địa mô hình kết nối dạng cây, cách thức truyền thơng nút phải tuân theo quy tắc: cho phép truyền thông liệu trực tiếp nút cha nút có liên kết Trong trường hợp nút muốn truyền thông với nút khác phải thơng qua nút nhánh (các nút cha) nút chủ mà không phép kết nối trực tiếp hai nút Ví dụ nút 011 muốn truyền thơng với nút 02 phải thơng qua nút 01 nút chủ (nút gốc) 00 Ngoài thực kết nối truyền thông liệu mạng, chế báo nhận phần cứng (được hỗ trợ chíp nRF) sử dụng kết nối trực tiếp Trong trường hợp kết nối gián tiếp, tức thông qua số nút trung gian, việc báo nhận thực bằng phần mềm nút đích, đồng thời bỏ qua báo nhận phần cứng chặng chuyển tiếp để giảm thiểu lưu lượng truyền mạng 37 Hình 3.5 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây dải tần 2,4GHz Một vấn đề cần đề cập mơ hình mạng kết nối dạng trình thiết lập, kết nối vào mạng nút Về nút thiết lập kết nối vào mạng phải nút chủ Còn nút khác, khởi tạo kết nối vào mạng, phải kết nối với nút cha tương ứng (theo chế đánh địa chỉ), tiếp tục nút cha khơng phải nút gốc gửi thông tin kết nối cho nút gốc để quản lý Như đánh địa cho nút cần ý vị trí đặt nút mạng phải nằm phủ sóng nút cha tương ứng, nút khơng kết nối với nút cha khơng tham gia vào mạng Với mơ hình kết nối mạng dạng cây, vấn đề tiết kiệm lượng mạng khơng hiệu tin để truyền tới đích phải chuyển tiếp qua nhiều nút, điều làm cho nút mạng tiêu tốn lượng để xử lý chuyển tiếp gói tin Tuy ta khống chế mức tiêu hao cho chuyển tiếp gói tin thơng qua số nút mà chuyển tiếp thời gian chuyển tiếp (ví dụ khoảng 3ms) Nhược điểm mơ hình mạng quy tắc logic kết nối mạng bị phá vỡ nút mạng bị ngắt kết nối khỏi mạng Khi nút cha bị ngắt kết nối khỏi mạng (có thể nguồn điện cấp) tất nút 38 bị ngắt kết nối khỏi mạng, nút mạng hoạt động bình thường 3.2.2 Nút mạng cảm biến Các nút cảm biến có chức thu thập thơng tin đề cập trên, truyền thông tin qua kết nối vô tuyến hai dải băng tần hoạt động hệ thống tới nút mạng chuyển tiếp nút mạng chủ Thành phần chíp xử lý nút mạng chíp ESP8266, IC truyền thông theo chuẩn wifi, thiết kế dạng SoC Có nghĩa bên IC tích hợp lõi vi xử lý, cho phép nạp chương trình điều khiển IC tích hợp bên khối xử lý giao thức mạng TCP/IP xử lý lớp vật lý theo chuẩn wifi Ngồi chíp cịn hỗ trợ số tính mở rộng khác như:  Cho phép thực thi hai chế độ: trạm thu (client) trạm truy nhập (Acess Point) Ở chế độ trạm thu, module tích hợp chíp ESP8266 kết nối với AP để kết nối với mạng máy tính mạng Internet Trong chế độ AP module ESP8266 cho phép nhiều thiết bị khác (như máy tính, thiết bị di động, module ESP8266 khác,…) kết nối qua  Tích hợp khối phần mềm máy chủ web bên chíp Khối phần mềm cho phép thực thi chức máy chủ mạng xử lý theo giao thức HTTP hay gọi Webserver Khối phần mềm kích hoạt module ESP8266 làm việc chế độ AP  Tương thích với chuẩn Wifi 11b/g/n, kèm theo chế độ bảo mật WEP, TKIP, AES Ngoài nút mạng ESP cịn tích hợp mạch thu/phát vơ tuyến nRF24L01 (nRF) hoạt động dải tần không cần cấp phép 2,4GHz Với mạch nRF có thơng số kỹ thuật hỗ trợ sau:  Tốc độ truyền tải liệu khơng khí 1Mbp – 2Mbp, dải tần từ 2,4GHz đến 2,525GHz với 125 kênh vô tuyến  Hỗ trợ chức xử lý truyền thơng (được tích hợp sẵn chíp) mã hóa kiển tra lỗi (CRC), chế báo nhận (ACK) truyền lại có lỗi xảy 39  Mạch thu/phát hoạt động dải điện áp 1.9V – 3.6V, với chế độ tiết kiệm lượng Ngồi kết nối vơ tuyến dải tần 2,4 GHz, thiết bị cảm biến tích hợp mạch thu phát khơng dây theo chuẩn LoRa, với chíp mã SX1278, với thông số kỹ thuật sau:  Giao tiếp qua chuẩn SPI  Công suất phát từ +5 dBm đến +20 dBm, đạt giá trị tối đa lên tới 100 mW, cho phép điều chỉnh phần mềm  Mức tiêu thụ lượng: xấp xỉ 100mA truyền với mức công suất phát +20dBm, chế độ thu mức công suất tiêu thụ vào khoảng 30mA chế độ nghỉ mức cơng suất tiêu thụ vào khoảng 300 µA  Cư ly kết nối tối đa tầm nhìn thẳng khơng có vật chắn lên tới km, với ănten không định hướng  Cấu trúc tổng quát thiết bị nút mạng cảm biến mô tả hình 3.2 Hình 3.6 Cấu trúc nút mạng cảm biến Trong cấu trúc thiết bị nút mạng cảm biến mơ tả qua hình 2, có mạch giao tiếp với mạch cảm biến bao gồm: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11/DHT22 (DHT) 40 3.2.3 Mô hình điều khiển truy nhập kết nối mạng dựa đồng thời gian Quản lý kết nối, truyền thông liệu xử lý đồng thực thông qua việc trao đổi tin Các tin định nghĩa sử dụng sau: Mỗi tin, có độ dài tối đa 32 byte, bao gồm phần tiêu đề phần tải Trong phần tiêu đề ngồi trường thơng tin địa nút mạng đích (nút mạng cần nhận gói tin) có kích thước byte, cịn có trường thơng tin “kiểu gói tin”, có kích thước byte Phần tải chiếm byte cịn lại gói, có độ dài thay đổi Trong trường hợp liệu cần truyền có kích thước lớn kích thước gói, liệu đóng nhiều gói truyền liên tiếp  Bản tin “hello”: có kiểu “T” (>65), tin dùng để thiết lập kết nối thông qua trạng thái kết nối  Bản tin đồng bộ: có kiểu “S” (>65) tin báo hiệu thực đồng thời gian  Bản tin thơng báo nhãn thời gian: có kiểu “*” (< 65), chứa thông tin nhãn thời gian  Bản tin liệu: có kiểu “U” (>65), chứa liệu truyền thông nút mạng  Bản tin thơng báo: có kiểu “N” (>65), chứa thơng báo GW (nút cổng mạng) với nút gửi liệu tới,để tạp dừng truyền thông liệu (khi GW thực chuyển tiếp liệu nhận trước lên máy chủ mạng)  Bản tin đồng thời gian: có kiểu “W” (>65), chứa thơng tin thời gian GMT nút sink GW để đồng giá trị thời gian, sau kết nối, nhằm đồng giá trị thời gian liệu cảm biến Trong hệ thống mạng nRF phát triển, việc kết nối nút mạng thông qua chế kết nối chíp nRF, dựa báo nhận ACK Tuy chế báo nhận thực kết nối điểm-điểm Trong trường hợp kết nối nút thông qua nút trung gian việc báo nhận thực phần mềm Tuy việc báo nhận phần mềm thực tin có giá trị trường kiểu tin lớn 65, trường hợp giá trị trường thông tin nhỏ 65 việc báo nhận phần mềm khơng thực 41 mà thực báo nhận phần cứng chặng chuyển tiếp liệu Để mạng hoạt động cần có nút chủ (nút gốc) nút nhánh (nút cha), nút mạng cảm biến hay nút mạng đầu cuối hiểu nút (nút con) Mạng phân chia thành cụm kết nối hình sao, với nút chủ cụm nút nhánh quản lý tối đa nút (giống mơ hình đề cập mục trên) Hệ thống mạng thiết kế dựa kết nối logic dạng cây, cho phép nút trao đổi liệu theo quy tắc quản lý thông qua nút chủ cụm Trong cụm mạng, nút truyền thông với thông qua nút chủ cụm hay nút cha, hay nút cha có vai trị chuyển tiếp liệu nút Trong trường hợp nút muốn kết nối với nút cụm mạng khác phải thơng qua nút chủ cụm nút gốc Để đảm bảo hiệu kết nối, hay hiệu truy xuất vào mạng nút, đặc biệt nút cảm biến, cần thực thi chế đồng thời gian, qua điều khiển truy nhập theo khe thời gian ấn định riêng cho nút, đảm bảo không xảy xung đột Việc điều khiển truy nhập theo khe thời gian, kết hợp với chế điều khiển truy nhập đặc thù mạng WSN (như chế Aloha, hay CSMA/CA,…) làm tăng khả truy nhập kết nối mạng Đối với mạng cảm biến nRF, chế thiết lập kết nối đồng thời gian mơ tả hình vẽ sau: 42 Các bước xử lý truyền thông mạng cảm biến không dây nRF: Thiết lập kết nối Khi nút mạng khởi tạo xong, để kết nối với mạng cần gửi tin hello, hay tin “T” cho nút chủ cụm mà cần kết nối tới (theo mơ hình kết nối logic đề cập phần trên) Bản tin “T” chứa thông tin nút nhãn thời gian, trạng thái, chức năng,… để giúp nút chủ cụm quản lý sau này… Với nút chủ mạng, nhận tin thêm thơng tin nút mạng vào danh sách kết nối, kiểm tra tính đồng thời gian để thực bước xử lý Trong trường hợp nút mạng kết nối, đồng thời gian với nút mạng cha, định thời gửi tin để thơng báo, trì kết nối với nút mạng cha, cho phép hệ thống mạng xác định diện nút mạng 43 Bản tin “T”, sử dụng để báo hiệu, thông báo kết nối nút mạng ngang hàng, ví dụ nút sink nút GW (các nút có chức chuyển tiếp liệu) Quá trình đồng thời gian Quá trình thực cụm thường thực từ mức cao (hay mức trên, từ cụm mạng chứa nút gốc) xuống mức thấp (cụm mạng chứa nút lá) Quá trình đồng thực giá trị “nhãn” thời gian, hay biến đếm thời gian, nút mạng cụm có chênh lệch, nhãn thời gian nút chủ cụm thành phần tham chiếu, có nghĩa nhãn thời gian nút cụm phải thay đổi (tăng dần) theo nhịp tăng nhãn thời gian nút chủ cụm Đề đạt điều nút chủ cụm thực chu kỳ đồng với nút con, để đảm bảo tính xác chu kỳ đồng thực nhiều bước, kết thúc khoảng chêch lệch giá trị nhãn thời gian nút không đáng kể, lý tưởng phải Một bước đồng thực mơ tả hình vẽ trên, việc nút cha gửi tin “S” cho nút Khi nút nhận tin gửi tin thơng báo “$”, có chứa nhãn thời gian đánh dấu T1 Tại phía nút cha, nhận tin chứa nhãn thời gian T1, phản hồi tin thông báo, chứa nhãn thời gian T2, T3 Tiếp theo phía nút con, nhận tin thông báo này, nhãn thời gian T4 ghi nhận, dựa vào nhãn thời gian T1, T2, T3, T4, nút mạng tính tốn giá trị, mơ tả hình vẽ, bao gồm:  Delay: độ truyền nút mạng nút mạng cha, khoảng thời gian lan truyền tín hiệu để thu nhận hai nút mạng Khoảng thời gian tương ứng với cự lý kết nối nút mạng, giá trị tham khảo để ước lượng khoảng thời gian trễ xử lý truyền thông  Toffset: khoảng chệnh lệch giá trị nhãn thời gian nút mạng Giá trị nút mạng dùng để hiệu chỉnh lại nhãn thời gian cục bộ, để đảm bảo tính đồng với nút mạng cha, theo công thức: Tlocal = Tlocal + Toffset 44 Như sau bước đồng bộ, nhãn thời gian hay biến thời gian nút mạng hiệu chỉnh để tăng tương ứng với nhãn thời gian nút mạng cha, nút mạng đạt yếu tố đồng mặt thời gian Quá trình truyền thông liệu Khi đạt đồng thời gian, ta thực thi chế xử lý theo khe thời gian nút mạng, nhằm phân chia khoảng thời gian phát liệu nút mạng khe thời gian, nhằm tránh xung đột với nút mạng khác Một khung thời gian, có chu kỳ 1s, phân chia thành khe thời gian, tương ứng với số nút cụm (tối đa nút) Mỗi khe thời gian có chu kỳ 125ms, mơ tả hình 3.3 Trong khe thời gian ấn định cho nút mạng, nút mạng phép phát liệu Đồng thời nút mạng khác phải chế độ thu Mơ hình tương ứng với cách thức chuyển chế độ nút mạng cảm biến, chế độ thu phát chuyển luân phiên để nút mạng phát liệu nhận liệu từ nút mạng khác KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ Kết quả: 45  Nội dung nghiên cứu đề tài tìm hiểu, đánh giá phương pháp điều khiển truy nhập cho mạng cảm biến không dây Qua phát triển phương pháp điều khiển truy nhập dựa việc phân chia theo thời gian, áp dụng cho hệ thống mạng cảm biến không dây phân bố theo dạng Nội dung nghiên cứu đề tài tập trung vào phương pháp đồng hóa xử lý dựa đồng thời gian thành phần hệ thống mạng, qua phát triển chế điều khiển truy nhập dựa khả đồng thời gian  Hệ thống mạng cảm biến không dây xây dựng thử nghiệm để đánh giá chức chức mở rộng mà nội dung nghiên cứu đề tài xây dựng Kiến nghị:  Hệ thống mạng cảm biến thử nghiệm xây dựng đề tài tích hợp chức bản, cho phép thành phần hệ thống mạng kết nối truyền tải liệu với Qua phát triển, tích hợp hay áp dụng hệ thống mạng cảm biến ứng dụng thực tế  Hệ thống mạng cảm biến cần nghiên cứu, phát triển thêm chức để đáp ứng yêu cầu đặt mạng cảm biến khơng dây nói chung hệ thống ứng dụng thực tế 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kimmo Karvinen & Tero Karvinen, “Getting Started With Sensors”, Maker Media, 2014 [2] Maik Schmidt Arduino A Quick Start Guide, The Pragmatic Bookshelf 2015 [3] Robert Faludi, “building_wireless_sensor_networks”, O’Reilly Media, 2010 47 ... cảm biến không dây Mục tiêu đề tài: - Phân tích đánh giá số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu thử nghiệm phương pháp điều khiển truy nhập nhằm... 17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ÁP DỤNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Giới thiệu 'Mạng cảm biến không dây' (WSN) mơ tả mạng cảm biến giao tiếp với không dây Những cảm biến cài đặt... truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Sinh viên thực hiện: Mục tiêu đề tài: - Phân tích đánh giá số phương pháp điều khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu thử