Nhƣ vậy kiến trúc phần cứng UWASA và SurfNet giúp chúng ta linh hoạt trong kết nối với các mơ-đun khác, có khả năng phát triển các thuật tốn và mở rộng mạng WSN điều khiển các thiết bị.
2.3. Kiến trúc phần mềm
Độ tin cậy và khả năng tiết kiệm năng lƣợng là quan trọng với sự phát triển của một giao thức mạng để hỗ trợ các ứng dụng khác nhau của mạng cảm biến không dây. Kiến trúc phần mềm phổ biến nhất cho mạng cảm biến khơng dây là theo mơ hình OSI 7 lớp. Tuy nhiên một mạng cảm biến không dây cơ bản cần năm lớp là lớp giao vận, lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu, lớp vật lý, lớp ứng dụng và ba tác vụ quản lý (quản lý công suất, quản lý di chuyển, quản lý nhiệm vụ) gọi là các mặt phẳng chéo.
2.3.1. Lớp giao vận [12]
Lớp giao vận đảm bảo độ tin cậy và chất lƣợng dữ liệu tại nguồn và bộ thu thập dữ liệu. Giao thức lớp vận chuyển trong mạng cảm biến không dây hỗ trợ nhiều ứng dụng, độ tin cậy có thể biến đổi, gói tin bị mất đƣợc phục hồi và cơ chế kiểm sốt tắc nghẽn. Trong q trình truyền, gói tin có thể bị mất do tín hiệu đƣờng truyền lỗi, tắc nghẽn, xung đột gói tin, bộ nhớ đầy, và node ngừng hoạt động. Việc mất gói tin có thể dẫn đến lãng phí năng lƣợng và chất lƣợng truyền tin do đó phát hiện mất gói tin và khơi phục chính xác các gói tin bị mất có thể cải thiện năng suất và năng lƣợng hao phí.
Khi gói tin đƣợc truyền, node nguồn phải gửi một tín hiệu xác thực đến trạm cơ sở để đảm bảo giao tiếp giữa node nguồn và node cơ sở đƣợc kết nối. Node cảm biến phải đợi xác nhận từ trạm cơ sở trƣớc khi truyền dữ liệu. Đối với luồng dữ liệu liên tục, trạm cơ sở ƣớc tính thời gian đến của mỗi gói từ mỗi node nguồn. Mỗi gói tin đƣợc truyền trong một khoảng thời gian nhất định, nếu hết thời gian node nguồn vẫn khơng nhận đƣợc gói tin nó sẽ gửi tín hiệu NACK yêu cầu truyền lại. Gói tin truyền đến node nguồn sẽ đƣợc lƣu vào bộ đệm và bộ đệm này bị xóa khi có gói tin tiếp theo đƣợc nhận.
Mục tiêu chính của lớp giao vận trong một mạng cảm biến không dây là để đạt đƣợc vận chuyển dữ liệu đáng tin cậy bằng cách kiểm tra trạng thái mạng có tắc nghẽn hay khơng và mức độ tin cậy.
2.3.2. Lớp mạng [1]
Lớp mạng xử lý định tuyến dữ liệu qua mạng từ nguồn đến đích. Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây khác với các giao thức định tuyến truyền thống bằng nhiều cách. Đối với một node cảm biến khơng có địa chỉ giao thức Internet (IP), nên các giao thức định tuyến dựa trên IP không thể sử dụng trong mạng cảm biến không dây. Việc thiết kế các giao thức mạng trong mạng cảm biến khơng dây cần phải có khả năng mở rộng. Nó sẽ dễ dàng quản lý truyền thơng giữa nhiều node và truyền thông tin dữ liệu đến trạm cơ sở. Giao thức cần đáp ứng các
ràng buộc tài nguyên mạng nhƣ năng lƣợng hạn chế, băng thông truyền thông, bộ nhớ, và khả năng tính tốn.
2.3.3. Lớp liên kết dữ liệu [1]
Lớp liên kết dữ liệu liên quan đến việc truyền dữ liệu giữa hai node chia sẻ cùng một liên kết. Vì là mạng khơng dây nên để truyền hiệu quả dữ liệu cần đƣợc kiểm soát và quản lý.
Thiết kế của giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây phải tuân theo các ràng buộc khác nhau nhƣ năng lƣợng, topo, và thay đổi mạng. Giảm thiểu năng lƣợng để kéo dài tuổi thọ mạng là mục tiêu chính. Thiết kế của giao thức MAC cần phải tránh lãng phí năng lƣợng do xung đột gói tin, truyền đi truyền lại nhiều lần. Nó cũng cần có sự thích ứng với các thay đổi topo mạng một cách hiệu quả. Một loạt các giao thức MAC đã đƣợc đề xuất để đạt đƣợc những yêu cầu trên, mặc dù trong tƣơng lai có thể tối ƣu năng lƣợng cho các hệ thống tuy nhiên tối ƣu hóa các mặt phẳng vẫn là một lĩnh vực cần đƣợc nghiên cứu sâu hơn. Khả năng tƣơng tác giữa các mặt phẳng giúp giảm tiêu thụ năng lƣợng. Tƣơng tác với MAC lớp có thể cung cấp các lớp khác với sự kiểm sốt tắc nghẽn thơng tin và tăng cƣờng lựa chọn đƣờng truyền.
2.3.4. Lớp vật lý [12]
Lớp vật lý cung cấp giao diện truyền bit trên mơi trƣờng truyền thơng vật lý. Nó chịu trách nhiệm tƣơng tác với lớp MAC, thực hiện truyền nhận và điều chế tín hiệu. Sự tƣơng tác giữa lớp vật lý và lớp MAC là một vấn đề quan trọng. Lỗi tại lớp vật lý cao và thời gian thay đổi nhiều trong một môi trƣờng không dây. Lớp MAC tƣơng tác với lớp vật lý để phát hiện và sửa lỗi. Các tƣơng tác khác bao gồm chia sẻ thông tin truyền dẫn và kênh với lớp MAC để đạt đƣợc hiệu quả cao hơn và tận dụng đƣợc tài nguyên.
Đối với mạng cảm biến không dây, giảm thiểu tiêu thụ năng lƣợng và tối đa hóa tuổi thọ mạng bắt đầu ở lớp vật lý. Tại lớp vật lý, năng lƣợng đƣợc sử dụng trong hoạt động mạch vơ tuyến điện và truyền dịng bit. Năng lƣợng đƣợc sử dụng
để chạy mạch vô tuyến đƣợc cố định trong khi năng lƣợng để truyền tải dữ liệu có thể thay đổi. Có một sự cân bằng giữa truyền tải và lỗi. Lựa chọn đúng công suất truyền tải là cần thiết để giảm thiểu tổn thất năng lƣợng và để mạng vận hành hiệu quả hơn.
Các lớp vật lý trong một mạng cảm biến khơng dây phải có năng lƣợng hiệu quả. Thiết kế lớp vật lý bắt đầu với việc thiết kế bộ thu phát vô tuyến. Việc thiết kế hoặc lựa chọn một bộ thu phát vơ tuyến là rất quan trọng vì chúng có thể tác động đến hiệu năng của lớp giao thức. Bộ thu phát vô tuyến là thành phần tiêu tốn năng lƣợng nhất trong node cảm biến nên cần giảm thiểu năng lƣợng chỉ đủ để thực hiện chức năng của nó và giao tiếp. Giảm thiểu mức tiêu thụ năng lƣợng ở lớp vật lý đòi hỏi phải có mạch năng lƣợng và tối ƣu đƣợc năng lƣợng truyền tải. Mạch năng lƣợng có thể đƣợc giảm thiểu với giảm thời gian thức và thời gian khởi động. Thời gian khởi động ngắn hơn sẽ tiết kiệm lƣợng năng lƣợng tiêu thụ. Ngoài ra, một số giải pháp khắc phục nhƣợc điểm của lớp vật lý cũng đƣợc đề xuất nhƣ lựa chọn băng thông hay các sơ đồ điều chế phù hợp để tiết kiểm điện năng tiêu thụ. Trong tƣơng lai, để nâng cao hiệu quả làm việc của lớp vật lý đòi hỏi các bộ thu phát vô tuyến với công suất thấp, các kĩ thuật siêu băng rộng, các sơ đồ điều chế đơn giản nhằm giảm sự đồng bộ hóa và sự tiêu hao năng lƣợng.
2.3.5. Lớp ứng dụng [1]
Lớp ứng dụng là ranh giới giữa môi trƣờng kết nối các hệ thống mở với các tiến trình ứng dụng, một ứng dụng của hệ thống mở nào đó muốn trao đổi thông tin phải thông qua lớp ứng dụng, lớp ứng dụng cung cấp các phƣơng tiện cần thiết để các ứng dụng có thể truy nhập vào môi trƣờng OSI.
Mặc dù ứng dụng của mạng cảm biến không dây là đa dạng tuy nhiên các giao thức lớp ứng dụng tiềm năng cho các mạng cảm biến vẫn còn là một thách thức cần đƣợc khám phá. Có thể áp dụng ba giao thức lớp ứng dụng trong phần này, chúng là giao thức quản lý bộ cảm biến và phân công nhiệm vụ, giao thức quảng cáo dữ liệu và truy vấn và giao thức truyền dữ liệu.
2.3.6. Các mặt phẳng chéo [2]
Mặt phẳng quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng cơng suất của node
cảm biến. Ví dụ: node cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nó nhận một bản tin để tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức cơng suất của node cảm biến thấp, nó sẽ phát tín hiệu sang các node cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lƣợng của nó thấp và nó khơng thể tham gia vào q trình định tuyến. Cơng suất cịn lại đƣợc giành cho nhiệm vụ cảm biến.
Mặt phẳng quản lý di chuyển: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các node. Từ đó có thể xác định đƣợc các node lân cận.
Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: Có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ
cảm biến giữa các node trong vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm.
Tiếp cận kiến trúc giao thức theo các mặt phẳng chéo trong mạng cảm biến không dây dẫn đến việc quản lý năng lƣợng hiệu quả hơn trong cách tiếp cận lớp truyền thống. Trong khi phƣơng pháp tiếp cận lớp truyền thống kéo dài chi phí đầu vào, phƣơng pháp tiếp cận chéo giảm thiểu những chi phí này bằng cách chia sẻ dữ liệu giữa các lớp. Trong cách tiếp cận lớp chéo, ngăn xếp giao thức đƣợc coi là một hệ thống chứ không phải các lớp riêng lẻ, độc lập với nhau.
Kết luận chương 2 Chƣơng 2 đã nghiên cứu về kiến trúc phần cứng và phần
mềm trong mạng cảm biến, cụ thể là kiến trúc phần cứng kiểu ngăn xếp UWASA và SurfNet bởi vì tính linh hoạt của nó trong việc quản lý các ứng dụng, dễ thích nghi với các phần mềm, với các kiến trúc mạng, phù hợp nhu cầu mở rộng quy mô mạng, phát triển thêm ứng dụng trong thực tế. Từ kết quả nghiên cứu tổng quan về mạng cảm biến không dây, các kiểu mạng và các kiến trúc mạng luận văn sẽ đƣa ra đề xuất xây dựng ứng dụng mạng cảm biến không dây áp dụng cho cây trồng trong nông nghiệp. Nội dung phần này sẽ đƣợc trình bày cụ thể ở chƣơng 3.
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP
Nhƣ chúng ta đã biết nơng nghiệp đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển của bất kì quốc gia nào. Nông nghiệp sản xuất ra lƣơng thực, thực phẩm đáp ứng nhu cầu hàng ngày của con ngƣời, đảm bảo nguồn nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu, góp phần vào việc tái sản xuất mở rộng các ngành kinh tế. Nông nghiệp giữ vị trí khơng thể thay thế đƣợc trong nền kinh tế quốc dân vì vậy cần phải đảm bảo sự phát triển bền vững của nông nghiệp. Dân số thế giới ngày một gia tăng kéo theo nhu cầu về đất ở, bên cạnh đó sự mở rộng các ngành sản xuất khác làm cho diện tích đất dành cho nơng nghiệp bị thu hẹp dần. Điều này đặt ra yêu cầu phải tối ƣu hóa sản xuất nơng nghiệp để mang lại hiệu quả cao nhất. Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để thực hiện quản lý hoạt động nơng nghiệp chính xác sẽ là giải pháp để phát triển nông nghiệp bền vững. Ứng dụng mạng cảm biến không dây điều khiển hoạt động tƣới nƣớc, bón phân đảm bảo lƣợng vừa đủ phân bón, nƣớc, thuốc trừ sâu sẽ làm giảm đáng kể chi phí đầu vào, giảm nhân công, đồng thời việc cung cấp nƣớc, chất dinh dƣỡng phù hợp sẽ là tăng sản lƣợng cây trồng giúp ngƣời nông dân thu đƣợc lợi nhuận cao trên diện tích canh tác của mình. Đây cũng chính là điều kiện cốt lõi để đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục các sản phẩm nông nghiệp cho nhân loại.
Trong chƣơng này, luận văn đi vào nghiên cứu, thiết kế kiến trúc mạng cảm biến không dây phục vụ sản xuất nông nghiệp cụ thể là hệ thống tƣới nƣớc thông minh nhằm tiết kiệm, tránh lãng phí lƣợng nƣớc tƣới mà vẫn đảm bảo giải quyết nhu cầu về lƣợng nƣớc của cây.
Quá trình phát triển của cây trồng trong nông nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là nƣớc tƣới. Nƣớc chiếm đến 90% cấu tạo chất nguyên sinh, tham gia vào quá trình quang hợp, tổng hợp chất hữu cơ ở cây trồng, lƣợng nƣớc sử dụng cho sản xuất nông nghiệp là rất lớn, tuy nhiên nguồn nƣớc tƣới
đang ngày càng khan hiếm và cạn kiệt. Chính vì vậy sử dụng tiết kiệm, hiệu quả nguồn nƣớc đang là vấn đề cấp thiết hiện nay.
Giải pháp đƣa ra là sử dụng cảm biến độ ẩm đất thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Dữ liệu thu thập đƣợc gửi về bộ xử lý trung tâm qua sóng vơ tuyến. Tại bộ xử lý trung tâm, dữ liệu đƣợc so sánh, đối chiếu với ngƣỡng đã đƣợc thiết lập từ trƣớc, từ đó cung cấp lƣợng nƣớc tƣới phù hợp cho cây trồng.
3.1. Kiến trúc tổng thể hệ thống
Hình 3.1. Kiến trúc tổng thể của hệ thống giám sát nước trong nông nghiệp.
Hệ thống giám sát độ ẩm đất gồm
- Node cảm biến: Chứa các node cảm biến đƣợc bố trí tại các khu vực cần
thu nhận dữ liệu. Mỗi node gồm có cảm biến làm nhiệm vụ thu nhận dữ liệu về độ ẩm đất, bộ chuyển đổi ADC, bộ vi xử lý và bộ truyền phát RF đến bộ xử lý trung tâm. Năng lƣợng tại node cảm biến là pin và có thể lấy thêm từ năng lƣợng mặt trời.
- Bộ điều khiến tưới nước: Bao gồm node trung tâm, thu nhận dữ liệu do các
node con chuyển đến. Bộ xử lý trung tâm sau khi xử lý tín hiệu sẽ giao tiếp với van tự động để điều khiển lƣợng nƣớc đƣa tới các vị trí thơng qua hệ thống ống dẫn và
tƣới lƣợng nƣớc phù hợp cho đất trong diện tích giám sát. Nguồn năng lƣợng duy trì hoạt động cho bộ điều khiển tƣới nƣớc, máy bơm đƣợc lấy từ năng lƣợng của pin. Tuy nhiên, khi năng lƣợng từ các tấm pin khơng đủ dùng, hệ thống sẽ tích hợp sử dụng nguồn điện lƣới đảm bảo hệ thống luôn sẵn sàng hoạt động kịp thời đáp ứng nhu cầu của cây trồng.
3.1.1. Node cảm biến
Node cảm biến là thành phần không thế thiếu trong mạng cảm biến không dây thực hiện nhiệm vụ thu nhận các thông số của môi trƣờng và truyền dữ liệu về khối xử lý trung tâm. Thông thƣờng node cảm biến sẽ gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển và bộ thu phát vơ tuyến, ngồi ra có thể đƣợc tích hợp thêm một số mơ-đun tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến không dây. Dữ liệu vật lý thu đƣợc từ các cảm biến đƣợc chuyển đổi sang tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi và đƣợc đƣa về khối trung tâm chờ xử lý. Để tiết kiệm năng lƣợng thì hệ thống sẽ không hoạt động liên tục mà chỉ hoạt động khi cần truyền hoặc nhận gói tin. Việc kích hoạt bộ xử lý hoạt động theo thời gian cài đặt đƣợc thực hiện bởi bộ định giờ trong khối hẹn giờ hoạt động.
Khối truyền phát vô tuyến trong node cảm biến sử dụng mơ-đun nRF24L01có hiệu năng làm việc tốt mà chi phí lại thấp đƣợc sản xuất bởi công ty Nordic.
Vi điều khiển Atmega 8 đƣợc sử dụng làm mô-đun xử lý cho node cảm biến. Atmega 8 là một vi điều khiển sử dụng cơng nghệ mạch tích hợp CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 8 bit công suất thấp dựa trên kiến trúc AVR RISC, tốc độ xử lý cao cho phép thiết kế hệ thống tối ƣu hóa điện năng tiêu thụ so với tốc độ xử lý. Dữ liệu sau khi xử lý đƣợc hiện thị trên màn hình hiển thị tinh thể lỏng (LCD) ở khối giao tiếp giúp ngƣời dùng dễ dàng quan sát.
Nguồn nuôi cung cấp cho node cảm biến chủ yếu là pin dự trữ và một phần năng lƣợng có thể đƣợc lấy từ tấm pin năng lƣợng mặt trời.
Hình 3.2. Cấu trúc node theo kiến trúc phần cứng UWASA.
3.1.2. Bộ điều khiển tưới nước
Sơ đồ khối bộ điều khiển tƣới nƣớc của hệ thống đƣợc thể hiện trong hình 3.3 gồm bộ điều khiển công suất máy bơm, bộ xử lý, bộ đệm nhận, bộ đệm truyền, lớp mạng, lớp MAC, bộ nhận tín hiệu, bộ truyền tín hiệu, bộ điều khiển công suất vô tuyến và bộ quản lý nguồn nuôi. Mô-đun xử lý sử dụng chíp Atmel AVR ATmega128 là một vi điều khiển CMOS 8-bit công suất thấp dựa trên kiến trúc AVR RISC nâng cao.