MC LC
6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
1.1.6. Ứng dụng của IoT
Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con ngƣời, IoT đã và đang đƣợc tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con ngƣời đang sống. Các ứng dụng của IoT đƣợc xếp hạng dựa trên 3 tiêu chí: Sự tìm kiếm về IoT trên oogle, điều đƣợc nói đến về IoT trên Twitter, điều đƣợc viết về IoT trên LinkedIn [7].
oT hiện nay đƣợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực và mọi mặt trong cuộc sống. ó thể kể đến một số ứng dụng tiêu biểu nhƣ: nhà thông minh, bóng đèn th ng minh, hệ thống đồ gia dụng, c ng tắc th ng minh, mua sắm th ng minh, ứng dụng trong n ng nghiệp, ứng dụng trong y tế, thành phố th ng minh, điện lƣới th ng minh (Smart City), …
1.2. G Ả IẾ HÔ G DÂY WS S (WIRE ESS SE SOR NETWORKS)
1.2.1. Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến hay còn gọi là mạng cảm biến kh ng dây (Wireless Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý th ng tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện, hiện tƣợng xảy ra trong m i trƣờng cụ thể nào đó. ác ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học, … Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và kh ng bị giới hạn.
* ó 4 th nh phần cơ bản cấu tạo n n một mạng cảm biến [12]:
- ác cảm biến đƣợc phân bố theo m hình tập trung hay phân bố rải rác. - Mạng lƣới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay v tuyến) điểm trung tâm tập hợp dữ liệu ( lustering). ộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
- Một node cảm biến đƣợc định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý.
- Mạng cảm biến kh ng dây (WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng v tuyến.
* Hiệu quả sử dụng công suất của WS dựa tr n 3 ếu t
hu kỳ hoạt động ngắn; Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền; M hình dạng multihop làm giảm chiều dài đƣờng truyền.
* ột v i đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dâ Các node phân bổ dày đặc; Giao thức mạng thay đổi thƣờng xuyên; Node bị giới hạn về khả năng tính toán, c ng suất, bộ nhớ, …
1.2.2. Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
* Phần cứng: ác thành phần cấu tạo nên một node cảm biến [12]:
Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến); ơn vị xử lý; ơn vị liên lạc bằng v tuyến; Nguồn cung cấp; ác phần ứng dụng khác.
Hình 1.6. Kiến trúc của một nút cảm biến
Các node có khả năng liên lạc v tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản nhƣ xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu tới trung tâm.
Phần mềm gồm các nhóm chính sau:
- Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. ác nghiên cứu hƣớng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs Sensor rivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến.
- ộ xử lý th ng tin: quản lý chức năng th ng tin, gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi,…
- ộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lƣu trữ, thƣờng ở các node xử lý trong mạng.
* Giao thức điều khiển tru cập [13]: Mạng WSNs đƣợc xây dựng với số lƣợng lớn cảm biến, phân bố trên một vùng địa lý. ác thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó bị giới hạn khả năng xử lý và th ng tin. Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả năng tự tổ chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến. o đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại thành c ng trong hoạt động của mạng. Xây dựng phần cứng cho mạng kh ng dây liên kết đa đƣờng để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận.
Từ m hình tham khảo OS (Open Systems nterconnection Reference Model_OS RM), giao thức MA đƣợc xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu ( ata Link Layer_ L). Lớp cao của L đƣợc xem nhƣ lớp điều khiển ligic (LL ). Sự tồn tại của lớp LL cho phép nhiều lựa chọn cho lớp MA , phụ thuộc vào cấu trúc và giao thức của mạng, đặc tính kênh truyền và chất lƣợng cung cấp cho ứng dụng.
Lớp vật lý (PHY) gồm các đặc tính về m i trƣờng truyền và cấu hình mạng. Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lý, giao diện về mạch điện để đạt đƣợc việc thu nhận bit. hức năng chủ yếu lớp PHY bao
gồm các quy ƣớc về điện, mã hóa và kh i phục tín hiệu, đồng bộ phát và thu, quy ƣớc về chuỗi bit, …
Lớp MA nằm ngay trên lớp vật lý, cung cấp các chức năng sau: Kết hợp dữ liệu vào frame để gửi đi bằng cách thêm vào trƣờng header gồm th ng tin về địa chỉ và trƣờng kiểm soát lỗi; Tách frame thu đƣợc để lấy ra địa chỉ và th ng tin kiểm tra lỗi kh i phục lại th ng điệp, điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp với đòi hỏi về đặc điểm của ứng dụng.
Hình 1.8. Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu
Lớp LL của L cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn. Mục đích chính là để ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dƣới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng.
Giao thức điều khiển tru cập ác giao thức MA cho mạng WSNs: - iao thức phân chia cố định ( ixed-Assignment Protocols).
- iao thức phân chia theo nhu cầu ( emand Assignment Protocols). - iao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols).
1.2.3. Phân loại mạng cảm biến.
* Category 1 WSN (C1WSN): Hệ thống lƣới kết nối đa đƣờng giữa các node qua kênh truyền v tuyến sử dụng giao thức định tuyến động, các node tìm đƣờng đi tốt nhất đến đích: Vai trò của các node nhƣ các trạm lặp với khoảng cách rất lớn; Xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp [13].
* Category 2 WSN (C2WSN): M hình điểm - điểm hay đa điểm - điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop): ùng giao thức định tuyến tĩnh; một node kh ng cung cấp th ng tin cho các node khác; node chuyển tiếp kh ng có khả năng xử lý dữ liệu cho node khác; khoảng cách vài trăm mét [13].
Hình 1.10. Mạng đơn giản
1.2.4. Các tham số đánh giá hiệu năng của mạng cảm biến không dây.
Hiệu năng (Performance) là khái niệm hƣớng đến cái cuối cùng là đánh giá mức độ thực hiện các mục tiêu, mục đích đã đƣợc định trƣớc cho một hoạt động hoặc một chƣơng trình đã đƣợc thực hiện.
Trong lĩnh vực kỹ thuật, hiệu năng thƣờng xuyên đƣợc sử dụng để đánh giá mức độ hay hiệu quả về mặt thực hiện của một hệ thống, chƣơng trình, hoạt động kỹ thuật nào đó [14].
Hiệu năng mạng (Network Performance) biểu thị việc đánh giá mạng hoạt động tốt nhƣ thế nào: thời gian đáp ứng nhanh (ít trễ), độ chính xác cao, tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, tiết kiệm trang thiết bị, thời gian sống kéo dài, …
iới hạn về hiệu năng của WSN đa sự kiện cũng giống nhƣ của WSN th ng thƣờng, chủ yếu do hạn chế về tài nguyên (năng lƣợng, bộ nhớ, khả năng xử lý, cự ly truyền dẫn của các nút có giới hạn) và m i trƣờng kh ng dây nhiều biến động trong trƣờng cảm biến. Trong WSN, hiệu năng xoay quanh vấn đề đánh giá hiệu quả truyền th ng, vì mạng cảm biến kh ng dây bị hạn chế về mặt năng lƣợng nên rất nhiều tham số đánh giá hiệu năng liên quan tới việc phải tiết kiệm năng lƣợng và sử dụng năng lƣợng hiệu quả, khi đó thời gian sống của mạng sẽ đƣợc kéo dài [15].
Tham số thời gian sống là một trong những tham số đƣợc quan tâm hàng đầu với các nhà nghiên cứu về WSN th ng thƣờng, tuy nhiên với những mạng WSN đa sự kiện còn nhiều tham số đƣợc ƣu tiên đánh giá nhƣ thời gian trễ, tỷ lệ mất gói,… tùy theo yêu cầu của từng sự kiện khác nhau.
- Hiệu quả sử dụng năng l ợng:
Sử dụng hiệu quả năng lƣợng là một trong những tiêu chí hàng đầu của mạng cảm biến kh ng dây [15]. Trong thời kỳ 2000-2010 yếu tố sử dụng tiết kiệm năng lƣợng đƣợc đặt lên hàng đầu trong việc thiết kế cảm biến và những giao thức trong mạng này kéo theo những kỹ thuật đƣợc áp dụng để kéo dài thời gian sống trên năng lƣợng hữu hạn của cảm biến. Trong một thập kỷ trở lại đây, từ khi kỹ thuật tái nạp năng lƣợng đƣợc hiện thực hóa với mạng cảm biến kh ng dây [16], [17], [18], [19], vấn đề sử dụng hiệu quả năng lƣợng còn đƣợc đánh giá theo mức tiêu thụ năng lƣợng trung bình [20], [21].
+ Thời gian sống: Thời gian sống của mạng cảm biến định nghĩa khoảng thời gian từ thời điểm khởi đầu mạng cho tới khi có nút hoặc vùng hoặc toàn mạng kh ng còn hoạt động đƣợc. Khái niệm này đƣợc định nghĩa theo nhiều cách tiếp cận khác nhau, thƣờng phụ thuộc vào ứng dụng và ngữ cảnh cảm biến nhƣ sau: (1) Khoảng thời gian mà mạng trong trạng thái hoạt động. Nói cách khác, thời gian sống của mạng đƣợc định nghĩa là thời gian hoạt động của mạng trong đó mạng có thể thực hiện đƣợc nhiệm vụ của nó. (2) Khoảng thời gian tối đa trong đó những cảm biến có khả năng giám sát hiện tƣợng cần quan tâm. (3) Khoảng thời gian mạng cảm biến kh ng dây có thể hoạt động với toàn bộ chức năng (fully operative). Một trong những định nghĩa hay đƣợc dùng là khoảng thời gian từ khi mạng hoạt động tới khi nút đầu tiên hết năng lƣợng để gửi đƣợc một gói tin vì mất một nút có nghĩa là mạng có thể mất một vài chức năng. Song, cũng có thể sử dụng một định nghĩa khác đó là thời gian tới khi vài nút (một nhóm nút/một tỷ lệ nút) chết hoặc hết năng
lƣợng pin, cho tới khi những nút mạng khác có thể đƣợc dùng để thu thập th ng tin yêu cầu hay định tuyến bản tin mang th ng tin đó tới đích của nó. (4) Tham số này đƣợc dùng để phản ánh khoảng thời gian từ khi bắt đầu triển khai mạng tới khi bị mất th ng tin của một vùng mạng. Ít khi với các ứng dụng kh ng cần độ chính xác cao thì thời gian này đƣợc tính tới khi tất cả các nút đều chết /mất th ng tin trên toàn mạng.
Hình 1.11. Các khái niệm liên quan tới thời gian sống trong WSN
Liên quan đến thời gian sống này, có hai giai đoạn cụ thể hay đƣợc xét: iai đoạn ổn định của mạng: ây là khoảng thời gian từ khi mạng cảm biến bắt đầu hoạt động tới khi một nút/vùng phủ đầu tiên bị chết/mất liên lạc; Giai đoạn không ổn định: Là khoảng thời gian tính từ khi có nút/vùng phủ đầu tiên chết/mất liên lạc đến khi tất cả các nút đều chết.
+ Năng lƣợng cho việc truyền một đơn vị dữ liệu: Hiệu quả tiêu thụ năng lƣợng có thể đƣợc xác định là tỷ lệ nghịch của năng lƣợng tiêu thụ trung bình cho việc truyền thành c ng một đơn vị dữ liệu. Nhƣ vậy năng lƣợng tiêu thụ trung bình cho việc truyền một đơn vị dữ liệu càng ít thì hiệu quả tiêu thụ càng cao.
- Trễ gói tin: Thời gian trễ (delay/latency): Trong những bối cảnh khác nhau và trong những kiểu mạng khác nhau thì thời gian trễ sẽ đƣợc tính khác nhau. Với mạng cảm biến kh ng dây định hƣớng sự kiện, thời gian trễ là khoảng thời gian gửi tin từ nguồn (nút cảm biến phát hiện sự kiện) tới nút đích (nút sink). Thời gian trễ còn đƣợc tính là tổng thời gian từ khi phát hiện sự kiện đến khi hệ thống nắm bắt đƣợc và xử lý, trả về đáp ứng. Khi thời gian
trễ càng nhỏ thì chất lƣợng truyền th ng càng tốt. Thời gian trễ lớn có thể do nhiều nguyên nhân nhƣ chất lƣợng đƣờng truyền kh ng tốt hoặc do tắc nghẽn. Với các ứng dụng tƣơng tác còn có yêu cầu cao về chất lƣợng và trễ để đảm bảo tính thời gian thực.
- ộ tin cậy: ó nhiều mức độ tin cậy khác nhau đƣợc sử dụng trong WSN để đánh giá hiệu năng mạng nhƣ độ tin cậy theo gói hay sự kiện, độ tin cậy trên từng chặng hoặc từ đầu đến cuối, …
Hình 1.12. Phân loại khái niệm độ tin cậy truyền tin trong WSN
ộ tin cậy theo gói hay độ tin cậy theo sự kiện liên quan tới việc cần có bao nhiêu th ng tin để Sink xác nhận đƣợc là xuất hiện sự kiện nào đó trong trƣờng cảm biến. Truyền gói tin cậy yêu cầu toàn bộ gói mang dữ liệu cảm biến từ các nút cảm biến phải đƣợc truyền tin cậy tới Sink. Trong khi đó truyền sự kiện tin cậy chỉ yêu cầu Sink có đủ th ng tin để chắc chắn biết đƣợc có sự kiện xảy ra trong mạng thay vì phải nhận đƣợc toàn bộ gói mang th ng tin cảm nhận. ó thể đánh giá độ tin cậy theo gói th ng qua tham số tỷ lệ gói truyền thành c ng PSR hoặc tỷ lệ lỗi gói P R, tỷ lệ P R thƣờng đƣợc coi là tỷ lệ nghịch với độ tin cậy của việc truyền tin trong mạng. òn với độ tin cậy theo sự kiện thì việc đánh giá còn phụ thuộc vào đặc điểm của ứng dụng.
1.2.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
iám sát và điều khiển c ng nghiệp; tự động hoá gia đình và điện dân dụng; triển vọng của mạng cảm biến kh ng dây trong quân sự; mạng cảm biến kh ng dây trong y tế và giám sát sức khỏe; mạng cảm biến kh ng dây với m i trƣờng và ngành n ng nghiệp.
ộ tin cậy truyền tin
Độ tin cậy theo gói Độ tin cậy theo sự kiện
Đảm bảo theo kiểu từng chặng (Hop-by-hop)
Đảm bảo theo kiểu đầu cuối (End-to-end)
1.3. ỘT SỐ GIAO THỨ TRUYỀ DỮ IỆU TRO G IoT
Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp đƣợc với nhau (D2D). Dữ liệu sau đó phải đƣợc thu thập và gửi tới máy chủ (D2S). Máy chủ cũng có thể chia sẻ dữ liệu với nhau (S2S), có thể cung cấp lại cho các thiết bị, để phân tích các chƣơng trình, hoặc cho ngƣời dùng. Các giao thức có thể dùng trong công nghệ IoT gồm những giao thức:
1.3.1. Giao thứcMQTT 1.3.1.1. Giới thiệu 1.3.1.1. Giới thiệu
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền th ng điệp (message) theo m hình giao tiếp Publish/Subscribe, phù hợp cho việc vận chuyển dữ liệu từ xa. Là một giao thức rất nhẹ do đó đƣợc sử dụng để giao tiếp các thiết bị (M2M- Machine to Machine), WSN (Wireless Sensor Networks) và phổ biến nhất trong các dự án oT. iao thức này đƣợc thiết kế để trao đổi dữ liệu giữa máy chủ (server) và khách hàng (client). Ngoài ra với kích thƣớc nhỏ gọn, đơn giản, mức sử dụng năng lƣợng thấp, các gói dữ liệu đƣợc tối ƣu hóa và dễ dàng thực hiện đã khiến nó trở nên lý tƣởng hơn [8].
1.3.1.2. Lịch sử
MQTT đƣợc tạo ra bởi tiến sĩ Andy Stanford- lark của M và Arlen Nipper của Arcom năm 1999 là một cách hiệu quả, đáng tin cậy để kết nối các thiết bị đƣợc sử dụng trong ngành dầu khí với các máy chủ doanh nghiệp từ xa nhằm điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ các cảm biến [9].
1.3.1.3. Thành phần của MQTT:
Client (Publisher, Subscriber) [9]: lient (khách hàng) đăng ký một chủ đề để gửi và nhận message:
- Khi một client muốn gửi dữ liệu cho roker: đây là hoạt động Publisher.