Truyền thông M2M đáp ứng các nhu cầu cụ thể của các doanh nghiệp. Công nghệ truyền thông M2M tích hợp dễ dàng vào các thiết bị trong các phương tiện giao thông, ở các vùng nông thôn và đô thị (hệ thống báo động lũ ở đồng bằng, rừng giám sát), trên cơ thể sống (con người, động vật) v.v. Truyền thông M2M có thể được phân thành các loại hình kiến trúc mạng: mạng thể chất (đối với cơ thể con người), mạng cục bộ, mạng nhận thức v.v.
- Hệ thống giao thông thông minh trong đó các xe tham gia giao thông tương tác với các công trình giao thông (cột đèn, biển báo…) nhằm mục đích tránh giảm bớt tai nạn giao thông, điển khiển lưu lượng giao thông, cung cấp thông tin phân luồng cũng như các dịch vụ lân cận.
- Mạng lưới phân phối điện (smart grid): Các tổ chức phân phối năng lượng điện giả định rằng nhu cầu về năng lượng điện cũng như việc sản xuất điện cục bộ có thể được tổ chức với sự giúp đỡ của các cảm biến. Các robot thông minh, được theo dõi từ xa, cho phép tiết kiệm đáng kể trong lĩnh vực năng lượng.
- Hệ thống thu phí cầu đường tự động.
- Hệ thống giám sát, báo động trộm, cháy, thâm nhập trong các tòa nhà, trụ sở, công xưởng.
- Các dự án liên quan đến e-health: chuẩn đoán từ xa, theo dõi bệnh nhân tại nhà, trợ giúp người già neo đơn.
+ Kiến trúc M2M đơn giản cho ứng dụng chăm sóc sức khỏe qua truyền thông không dây
32
Hình 11: Kiến trúc truyền thông M2M cho ứng dụng chăm sóc sức khỏe[10]
- Trong những năm gần đây, ETSI đã tích cực tham gia vào việc phát triển một tiêu chuẩn cho các hệ thống M2M, với mục tiêu đảm bảo khả năng tương tác giữa các thành phần M2M đa dạng và các công nghệ hiện có. ETSI đề xuất một kiến trúc ngang cao cấp, phân chia hệ thống thành ba lĩnh vực: 1) các thiết bị và cổng miền, nơi các thiết bị M2M giao tiếp với một cổng thông qua mạng không dây tầm ngắn, 2) các miền mạng kết nối gateway để các ứng dụng thông qua truy cập tầm xa và mạng lưới thông tin liên lạc, và 3) các miền ứng dụng, nơi mà ứng dụng các dịch vụ khác nhau được xác định.
- Các thiết bị M2M, đó là các thiết bị có khả năng truyền dữ liệu độc lập hoặc sau khi nhận được một yêu cầu dữ liệu. Trong các ứng dụng y tế, các thiết bị M2M là chủ yếu là các cảm biến có năng lượng thấp.
- Các mạng M2M là một mạng không dây tầm ngắn cung cấp kết nối giữa các thiết bị M2M và gateway. Trong một số trường hợp mạng khu vực cũng sẽ được gọi là
33 WBAN, cho rằng các thiết bị M2M được triển khai gần hoặc bên trong cơ thể con người.
* Tổng kết: Như vậy trong toàn bộ chương 1 tác giả đã đưa ra được ý tưởng thiết
kế, đặc tính kỹ thuật của hệ thống cụ thể như trên bảng 1. Đã phân tích chi tiết từng lớp trong cấu trúc truyền thông M2M. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động cũng như cấu trúc gói tin và quá trình đóng gói tin của một số giao thức được sử dụng trên tầng ứng dụng, từ đó kết luận rằng giao thức MQTT có nhiều thế mạnh hơn rất nhiều trong truyền thông M2M.
34
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THÔNG 2.1 Mục tiêu đề ra
Thiết kế hệ thống giám sát thông số độ ẩm, ánh sáng, nhiệt độ cho vườn ươm cây chè trong vườn nhà tác giả tại huyện Phổ Yên, Tỉnh Thái Nguyên. Ta điểm qua về một số đặc tính của cây chè về 3 thông số này.
- Yếu tố ánh sáng: Cây chè nguyên là một cây rừng mọc trong những điều kiện ẩm ướt, râm mát của vùng khí hậu cận nhiệt đới gió mùa Đông Nam Á. Về nhu cầu ánh sáng, cây chè là cây trung tính trong giai đoạn cây con, lớn lên ưa sáng hoàn toàn. Dưới bóng râm, là chè xanh đậm, lóng dài, búp non lâu, hàm lượng nước cao nhưng búp thưa, sản lượng thấp vì quang hợp yếu. Ánh sáng tán xạ ở vùng núi cao có tác dụng tốt đến phẩm chất chè hơn ánh sáng trực xạ. Sương mù nhiều, ẩm ướt, nhiệt độ thấp, biên độ nhiệt ngày đêm lớn ở vùng đồi núi cao là điều kiện để sản xuất chè có chất lượng cao trên thế giới.
- Yếu tố về nhiệt độ: Nhiệt độ không khí thuận lợi cho sinh trưởng của chè là 22- 280C; búp chè sinh trưởng chậm ở 15-180C, dưới 100C mọc rất chậm. Trên 300C chè mọc chậm, trên 400C chè bị khô xém nắng lá non.
- Yếu tố độ ẩm đất: Nước giữ vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và công nghệ chế biến. Nước là thành phần chủ yếu của chất nguyên sinh, là nguyên tố quan trọng để đảm bảo các hoạt động sinh lý của cây chè. Về nông nghiệp, nước quyết định sản lượng và chất lượng của chè; trong công nghiệp, nước là thành phần biến đổi nhiều trong các công đoạn héo, vò, lên men, sấy khô. Lượng mưa trung bình năm thích hợp cho sinh trưởng cây chè là 1.500-2.000mm. Độ ẩm tương đối không khí từ 80-85% có lợi cho sinh trưởng của chè.
Như vậy dựa vào phân tích trên thì các tham số cần điều khiển để phù hợp cho cây chè gồm
Tham số Giá trị Tên thiết bị Trạng thái
Nhiệt độ < 220C Quạt làm mát Tăt
>280C Quạt làm mát Bật
35
>85% Bơm nước Tắt
Ánh sáng < 40% Bóng đèn Bật
>50% Bóng đèn Tắt
2.2 Yêu cầu đối với hệ thống:
Hệ thống được thiết kế với yêu cầu sau: Các thông số được gửi về và điều khiển gần như thời gian thực. Dựa vào giới hạn của các tham số theo bảng trên mà đưa ra yêu cầu cho hệ thống khi lượng ánh sáng dưới 40% do cây chè trong thời kỳ còn non, nhiệt độ dưới 220C và trên 280C, độ ẩm dưới 80% và trên 85% thì các thiết bị như bóng đèn, quạt gió và máy bơm nước sẽ được điều khiển tắt hay bật.
2.3 Mô hình hoạt động của truyền thông M2M
Dữ liệu Không dây Gateway S e rve r Device S e rve r Device An toàn dữ liệu Người dùng
Dữ liệu khắp mọi nơi trên thiết bị di động Cảm biến điều khiển từ xa và giám xát Cloud Di động Hoặc băng thông rộng Máy chủ dữ liệu
Mô hình hoạt động của M2M
Cảnh báo SMS
Hình 12: Mô hình hoạt động của truyền thông M2M
Như trên hình ta thấy mô hình hoạt động của M2M bắt đầu các cảm biến gửi dữ liệu bằng phương thức truyền thông có dây hoặc không dây lên Gateway, còn các quá trình giao tiếp phía sau là mô hình hoạt động của IoT dùng IP để kết nối các vật thể với nhau, đây là mô hình hoạt động chung cho truyền thông M2M. Hệ
36 thống các nút cảm biến thu thập dữ liệu từ bên ngoài môi trường được đưa lên Cloud hay máy chủ dữ liệu qua nhiều đường kết nối có thể là không dây hoặc có dây qua Gateway hoặc không qua Gateway. Sau đó dữ liệu sẽ lưu trữ trên hệ thống vì vậy mà người dùng hoàn toàn có thể theo dõi, giám sát và điều khiển được. Dữ liệu này có thể được hiển thị trên các thiết bị di động ở khắp mọi nơi có mạng Internet. Tuy nhiên, hệ thống mà tác giả thiết kế không có Gateway và quá trình truyền dữ liệu từ thiết bị M2M lên máy chủ dữ liệu sử dụng giao thức TCP và qua đường kết nối có dây sử dụng chuẩn RJ45.
37
Hình 13: Giải pháp công nghệ cho truyền thông M2M
Từ mô hình hoạt động và mô hình cấu trúc của truyền thông M2M, em đã đưa ra giải pháp công nghệ cho truyền thông M2M. Hệ thống được thiết kế dựa trên nền tảng cấu trúc của truyền thông M2M. Từ lớp M2M device đến lớp M2M gateway đến lớp M2M network và cuối cùng là lớp M2M application.
2.5 Một số phương thức kết nối
Có một số giải pháp kết nối giữa thiết bị với Internet hoặc gateway: - Kết nối Ethernet hoặc Wi-Fi trực tiếp qua giao thức TCP hoặc UDP. - Bluetooth công suất thấp.
- Kết nối trường gần (NFC).
- Zigbee hoặc các mạng vô tuyến khác. - SRF và kết nối vô tuyến điểm-điểm. - UART hoặc kênh nối tiếp (serial lines). - SPI hoặc kênh I2C (wired buses).
38
Hình 14: Phương thức kết nối giữa thiết bị và Internet[11]
Một số công nghệ truyền thông không dây được sử dụng nhiều trong M2M:
2.5.1 Công nghệ truyền thông ZigBee.
ZigBee là một giao thức mạng không dây được dùng để kết nối các thiết bị với nhau.
Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control). Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống.
Nhờ chức năng điều khiển từ xa không dây, truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng cực thấp, công nghệ mở đã giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho các ứng dụng, đặc biệt là ứng dụng trong nhà thông minh hiện nay.
Các phiên bản của ZigBee
Phiên bản Chi tiết
ZigBee 2004 Đây là phiên bản đầu tiên của ZigBee – được gọi là ZigBee 1.0, ra đời vào tháng 6/2005.
39 ZigBee 2006 Phiên bản này giới thiệu khái niệm chùm, được ra đời vào
tháng 9/2006.
ZigBee 2007 Phiên bản tiếp theo ra đời tháng 10/2007 và có 2 loại hình dạng khác nhau.
ZigBee PRO Phiên bản này là 1 phiên bản của năm 2007 nhưng được nâng cấp lên để cài đặt nhanh hơn và tăng tính bảo mật cho hệ thống.
RF4CE Là dạng tần sóng vô tuyến cho các thiết bị điện tử có ứng dụng âm thanh nghe nhìn, ra đời năm 2009.
Các dải tần hoạt động của ZigBee
ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng:
- Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ. - Dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật - Và dải 2.4GHz cho các nước khác.
Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 250kbps.
Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps.
Truyền dữ liệu: Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo trong cùng hệ thống. Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104 bytes.
Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất. Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết.
40
2.5.2 Công nghệ truyền thông không dây WiFi
Wi-Fi (Wireless Fidelity) hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hiện tại, các điểm truy cập Wi-Fi đã hiện diện hầu như khắp mọi nơi dưới dạng không có mật khẩu (cho truy cập tự do) hoặc mã hóa WPA/WPA2. Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng.
Tên gọi 802.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau và sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 4 chuẩn WiFi thông dụng hiện nay là 802.11a/b/g/n.
Hoạt động: Truyền thông qua mạng không dây là truyền thông vô tuyến hai chiều. Cụ thể: thiết bị adapter không dây (hay bộ chuyển tín hiệu không dây) của máy tính chuyển đổi dữ liệu số sang tín hiệu analog vô tuyến và phát những tín hiệu này đi bằng một ăng-ten. Thiết bị router không dây nhận những tín hiệu này và giải mã chúng rồi gửi thông tin tới Internet hoặc máy chủ thông qua kết nối mạng có dây. Qui trình này vẫn hoạt động với chiều ngược lại, router nhận thông tin từ Internet/máy chủ, chuyển chúng thành tín hiệu vô tuyến và gởi đến adapter không dây của máy tính.
Sóng WiFi: Sóng vô tuyến sử dụng cho Wi-Fi giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Chỉ khác biệt ở chỗ: chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số cao hơn là 2,4GHz hoặc 5GHz, cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn.
Các chuẩn mạng WiFi hiện hành: - Chuẩn 802.11
Năm 1997, viện IEEE đưa ra chuẩn mạng nội bộ không dây (WLAN) đầu tiên – được gọi là 802.11 theo tên của nhóm giám sát sự phát triển của chuẩn này. Lúc đó, 802.11 sử dụng tần số 2,4GHz và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp (Direct- Sequence Spread Spectrum-DSSS) nhưng chỉ hỗ trợ băng thông tối đa là 2Mbps – tốc độ khá chậm cho hầu hết các ứng dụng. Vì vậy, các sản phẩm thương mại của chuẩn không dây này không có mặt trên thị trường.
41 Chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên được thị trường chấp nhận, xuất hiện vào năm 1999. Chuẩn này cũng phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, sử dụng kỹ thuật điều chế khóa mã bù (Complementary Code Keying - CCK) và dùng kỹ thuật trải phổ trực tiếp giống như chuẩn 802.11 nguyên bản. Tốc độ của 802.11b là 11Mbps, ngang với tốc độ Ethernet thời bấy giờ
- Chuẩn 802.11a
Song hành với 802.11b, IEEE tiếp tục đưa ra chuẩn mở rộng thứ hai là 802.11a cũng dựa vào 802.11. Vì 802.11b được sử dụng rộng rãi hơn so với 802.11a, nên một số người cho rằng 802.11a được tạo sau 802.11b. Nhưng thực tế, 802.11a và 802.11b được tạo cùng thời điểm.
Lúc đó, 802.11a có giá thành cao, chỉ được sử dụng trong các mạng doanh nghiệp còn 802.11b thích hợp hơn với nhu cầu mạng gia đình. Chuẩn 802.11a sử dụng tần số 5GHz, tốc độ 54Mbps tránh được nhiễu từ các thiết bị dân dụng. 802.11a sử dụng kỹ thuật trải phổ theo phương pháp đa phân chia tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing-OFDM). Đây được coi là kỹ thuật trội hơn so với trả
i phổ trực tiếp (DSSS). Tuy nhiên, do tần số cao hơn nên tín hiệu của 802.11a gặp nhiều khó khăn hơn khi xuyên tường và các vật cản khác.
Do 802.11a và 802.11b sử dụng tần số khác nhau, hai công nghệ này không tương thích với nhau. Một vài hãng sản xuất đã cho ra đời sản phẩm “lai” 802.11a/b, nhưng các sản phẩm này chỉ đơn thuần là cung cấp 2 chuẩn sóng Wi-Fi cùng lúc (máy trạm dùng chuẩn nào thì kết nối theo chuẩn đó).
- Chuẩn 802.11n
Xuất hiện khá lâu dưới dạng các bản nháp (Draft n), đến 9/2009 chuẩn Wi-Fi n mới chính thức được công nhận và chuẩn hóa (Wi-Fi Certified n). 802.11n được thiết kế để cải thiện tính năng của 802.11g về băng thông cũng như tầm phủ sóng với công nghệ anten MIMO (multiple-input and multiple-output – gửi nhận nhiều luồng cùng lúc). 802.11n cũng cho tầm phủ sóng tốt hơn các chuẩn Wi-Fi trước đó nhờ tăng cường độ tín hiệu.
Đặc biệt 802.11n có thể hoạt động ở cả hai tần số 2,4GHz và 5GHz nên đã xuất hiện một số router phát cả hai tần số để có thể vừa đáp ứng được yêu cầu phủ sóng
42 rộng ít bị nhiễu vừa có thể tương thích với nhiều loại thiết bị. Các thiết bị 802.11n vẫn tương thích ngược với 802.11g nếu chạy ở tần số 2,4GHz. Thị trường Việt Nam hiện tại đã phổ biến những router không dây chuẩn n hỗ trợ tốc độ lý thuyết lên đến 300Mbps và thậm chí một số ít lên đến 450Mbps.
- Chuẩn 802.11ac và chuẩn 802.11ad
Ngoài các chuẩn Wi-Fi trên, trong năm 2012 sẽ có 2 chuẩn mới là 802.11ac và