Tài liệu Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh

ĐẶNG DUY AN MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẶNG DUY AN MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH : 60 48 01 PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. i MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................2 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây...............................................2 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................3 1.3. Cấu trúc của nút cảm biến ................................................................................5 1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ...............................................6 1.4.1. Các mặt phẳng quản lý ..............................................................................6 1.4.2. Lớp vật lý: .................................................................................................7 1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu ...................................................................................8 1.4.4. Lớp mạng ..................................................................................................8 1.4.5. Lớp truyền tải ............................................................................................8 1.4.6. Lớp ứng dụng ............................................................................................8 1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây.................................8 1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây ...........................8 1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây .....................11 1.6. Một số thách thức của mạng WSNs ...............................................................12 1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút ..........................................................................12 1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng ......................................................................13 1.6.3. Sự chuẩn hóa ...........................................................................................14 1.6.4. Khả năng cộng tác ...................................................................................14 1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ..........................................15 1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp. ..................................15 1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế .....................................................................16 1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng .........................................................16 1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông ..........................................................17 1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình ..............................................................18 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................................................19 2.1. Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) ..............19 2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................19 2.1.2. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN ...............................................................21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2. Công nghệ truyền thông lớp ứng dụng hoạt động trên mạng có năng lƣợng hạn chế - CoAP (Constrained Application Protocol) ............................................24 2.2.1. Đặc điểm .................................................................................................25 2.2.2. Kiến trúc CoRE .......................................................................................25 2.2.3. Mô hình giao thức CoAP ........................................................................27 2.2.4. Phân lớp ngăn xếp giao thức CoAP ........................................................32 ................................................................34 ......................................................................34 Request/Response .......................................................................38 ủa CoAP .............................................40 .........................................................................................41 2.2.10. Chuyển đổi giữa CoAP và HTTP .........................................................43 2.3. Công nghệ truyền thông cho mạng có năng lƣợng và tổn hao thấp - RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) .............................44 2.3.1. Giới thiệu.................................................................................................44 2.3.2. Một số khái niệm trong RPL ...................................................................44 2.3.3. Các loại bản tin sử dụng trong RPL - ICMP ...........................................47 2.3.4. Quá trình khởi tạo mạng .........................................................................50 2.3.5. Quá trình định tuyến upward ..................................................................50 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH ....................54 3.1. Mô tả bài toán.................................................................................................54 3.2. Thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh ..........................................55 3.2.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .......................................55 3.2.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh .......................................57 3.2.3. Các module chính của mô hình ngôi nhà thông minh ............................58 3.3. Các thuật toán quản lý mô hình ngôi nhà thông minh ...................................62 3.3.1. Thuật toán điều khiển thiết bị .................................................................62 3.3.2. Thuật toán gửi số liệu lên máy chủ .........................................................62 3.3.3. Thuật toán gửi số liệu của nút cảm biến tới nút sink ..............................63 3.3.4. Đánh giá hiệu năng của hệ thống ............................................................63 KẾT LUẬN ...............................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. ............................................................2 Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ...........................................................5 Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ..........................................6 Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ..................................................7 Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây ..............................9 Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây..........................9 Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây .........................10 Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp ...........................16 Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trƣờng .............................17 Hình 1. 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông ............................18 Hình 1. 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình ................................18 Hình 2.1. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer ......21 Hình 2.2. Kiến trúc REST. ........................................................................................26 Hình 2.3. Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs. ...................................27 .................................................................28 . ...........................................................28 . ..........................................................................29 . ...............................30 . ................................................30 . .................................................................31 Hình 2.10. So sánh ngăn xếp giao thức HTTP(a) với CoAP(b). ..............................32 ....................................................................................34 . ..........................................................39 ................42 Hình 2.17. Mô hình RPL DAG .................................................................................45 Hình 2.18. RPL INSTANCE và DAG sequence number .........................................46 Hình 2.19. Cấu trúc bản tin điều khiển RPL .............................................................47 Hình 2.20. Cấu trúc bản tin DIS................................................................................48 Hình 2.21. Cấu trúc bản tin DIO ...............................................................................49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.22. Cấu trúc bản tin DAO .............................................................................49 Hình 3.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .........................................55 Hình 3.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh ............................................. Hình 3.3. Module kết nối Interenet của mô hình ngôi nhà thông minh ....................58 Hình 3.5. Màn hình login trên smartphone OS Android...........................................64 Hình 3.6. Màn hình quản lý thiết bị trên smartphone OS Android. ..........................65 Hình 3.7. Màn hình giám sát môi trƣờng trên smartphone OS Android. .................65 Hình 3.8. Màn hình giám sát môi trƣờng trên máy tính. ..........................................66 Hình 3.9. Lƣu đồ thuật toán xác định và điều khiển thiết bị .....................................62 Hình 3.10. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu lên máy chủ ..............................................62 Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................63 Hình 3.12. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Với khái niệm Internet của mọi thứ - IoT (Internet of Things) và Web của mọi thứ - WoT (Web of Things) sẽ cho phép mọi thiết bị nhƣ máy tính, máy in, thiết bị cầm tay, thiết bị điện, cảm biến, tủ lạnh, tàu hỏa, điện thoại vv... đều có khả năng kết nối, truyền thông, thông báo tình trạng (hết hàng, hết thực phẩm trong tủ lạnh, hạn sử dụng của thực phẩm,...) và điều khiển nhƣ các máy tính qua mạng IP dựa trên nền Web, đã mở ra hƣớng phát triển tƣơng lai đầy triển vọng cho mạng Internet trong việc tích hợp các mạng thông tin khác nhau trên cùng một nền tảng IP thống nhất, trong đó có mạng cảm biến không dây đang là chủ đề rất đƣợc quan tâm. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) gồm nhiều nút đƣợc trang bị cảm biến và liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến với mức tiêu thụ năng lƣợng thấp. Mục đích của mạng cảm biến là thu thập thông tin từ các nút trong mạng và chuyển tới trung tâm xử lý một cách hiệu quả nhất. Mạng WSNs đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ quốc phòng, an ninh, giám sát môi trƣờng, y tế, công nghiệp và dân dụng. Trong những năm gần đây, chủ đề nghiên cứu liên kết các giữa nút cảm biến cũng nhƣ giữa các mạng WSNs với nhau qua mạng IP nhằm kế thừa nền tảng giữa các mạng WSNs đang ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và triển khai trong thực tế. Do đó, nhiều công nghệ truyền thông kết nối mạng cảm biến không dây với mạng IP đƣợc đề xuất, nghiên cứu và triển khai. Chính vì vậy, đề tài “Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh” có mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP có hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây. Bố cục của luận văn nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: trình bày về kiến trúc, phƣơng thức truyền thông, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế nhƣ y tế, nông lâm nghiệp, gia đình. Chƣơng 2: Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không dây: trình bày chi tiết về một số công nghệ truyền thông qua mạng IP của mạng cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng 3: Xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh: phân tích và thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh sử dụng công nghệ CoAP. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây Trong những năm gần đây, sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh trong hầu hết các lĩnh vực của xã hội nhƣ y tế, nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và dân dụng. Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến và mạng cảm biến là một trong những yếu tố then chốt cho các hệ thống thông minh này. Mạng cảm biến không dây – WSNs (Wireless Sensor Networks) gồm các nút cảm biến có khả năng với nhau thông qua truyền thông vô tuyến. Trong đó, các nút thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lƣợng lớn và diện tích giám sát bất kỳ, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, cũng nhƣ điều khiển nhằm có đƣợc những quyết định phù hợp với môi trƣờng tự nhiên đang đƣợc giám sát. Mô hình của mạng cảm biến đƣợc minh họa nhƣ sau: Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Với minh họa nhƣ hình 1.1, các nút cảm biến đƣợc phân bố một cách phù hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau, dữ liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node). Các nút cảm biến thƣờng có chức năng nhƣ thu thập số liệu môi trƣờng xung quanh nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này sử dụng môi trƣờng vô tuyến để truyền số liệu, liên kết theo cấu trúc xác định, có khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút khác để truyền tới nút chủ. Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có khả năng xử lý, bộ nhớ, và thu thập số liệu của các nút khác, cũng nhƣ đƣa ra những yêu cầu tới từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình. Nút chủ của mạng cảm biến có thể đƣợc chia sẻ qua hệ thống mạng IP nhƣ mạng Internet, hay mạng viễn thông theo mục đích của ngƣời dùng. Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm biến không những không bị hạn chế, mà còn có thể phát triển thành liên kết giữa các mạng cảm biến với nhau. 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có những đặc điểm tiểu tiểu nhƣ sau: Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai trên một phạm vi rộng, số lƣợng node cảm biến lớn và có thể đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên, hoặc theo quy luật xác định. Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ bố trí mạng. Do vậy, mạng cảm biến không dây có tính linh động và các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs Mạng WSN không sử dụng đƣợc các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính nhƣ 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền vô tuyến riêng. Do giới hạn về nguồn năng lƣợng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lƣợng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây. Có khả năng chịu lỗi: trong trƣờng hợp một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Bởi vạy, khả năng chịu lỗi của mạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ WSNs thể hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Ở đây, ngƣời ta sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t): Rk (t) = e –λkt Trong đó: - λk : tỉ lệ lỗi của nút k - T :khoảng thời gian khảo sát - Rk(t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lƣợng các nút cảm biến đƣợc triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự biến động về số lƣợng nút mạng Dễ triển khai là một ƣu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Ngƣời sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng nhƣ cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hƣởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tƣợng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.3. Cấu trúc của nút cảm biến Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. Mỗi nút cảm biến đƣợc cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản nhƣ sau:  - Đơn vị cảm biến (sensing unit) - Đơn vị xử lý (processing unit) - Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit) - Bộ nguồn (power unit) Đơn vị cảm biến: bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC). Dựa vào những hiện tƣợng quan sát đƣợc, đo lƣờng đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo ra bởi cảm biến đƣợc số hóa bằng bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ADC (Analog Digital Converter), sau đó đƣợc đƣa vào bộ xử lý.  Đơn vị xử lý: là bộ xử lý có khả năng lƣu trữ, xử lý dữ liệu cũng nhƣ việc chấp hành yêu cầu của mạng theo ngữ cảnh khác nhau.  Đơn vị truyền dẫn: là phần thu phát vô tuyến thực hiện việc thu phát tín hiệu qua môi trƣờng không dây giữa các nút cảm biến, thông thƣờng chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến nhƣ Zigbee.  Bộ nguồn: cung cấp năng lƣợng cho toàn bộ hoạt động của nút cảm biến. Tùy thuộc vào nút cảm biến khác nhau, mà nguồn có thể đƣợc bổ sung từ năng lƣợng bên ngoài nhƣ song điện từ, năng lƣợng mặt trời. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng nhƣ là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). 1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc mạng WSNs bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến không dây. Dƣới đây, chúng ta sẽ xem xét chi tiết từng thành phần của kiến trúc giao thức mạng cảm biến. Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.4.1. Các mặt phẳng quản lý  Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lƣợng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận đƣợc một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lƣợng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến.  Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ việc theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng.  Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1.4.2. Lớp vật lý: Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phƣơng thức điều chế vô tuyến, và mã hóa tín hiệu vô tuyến. Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến đƣợc cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, nhƣ trong hình 1.4. Channel 0 đƣợc quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 đƣợc quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz. Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 đƣợc quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh đƣợc định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz. IEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11. Bởi vì 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lƣu lƣợng 802.11 làm nhiễu lƣu lƣợng theo chuẩn 802.15.4. Hình 1.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802.15.4 và 802.11. Tất cả kênh 802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 đƣợc bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 đƣợc sử dụng, thì có 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ kênh của 802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lƣu lƣợng 802.11. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian. Kênh 25 và 26 không đƣợc bao bọc bởi các kênh 802.11. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 đƣợc sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hƣởng bởi 802.11. 1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến đƣợc chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin. Lớp IEEE 802.15.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung. Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền. 1.4.4. Lớp mạng Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu đƣợc cung cấp bởi lớp truyền tải. 1.4.5. Lớp truyền tải Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ nhƣ khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói. 1.4.6. Lớp ứng dụng Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể đƣợc xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. 1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể đƣợc chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm. Mỗi mô hình truyền thông đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp khác nhau. Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này. 1.5.1.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây Với mô hình truyền thông Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác. Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác. Trong hình phía dƣới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhƣng có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông. 1.5.1.2. Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm đƣợc minh họa nhƣ ở hình 2. Mô hình này đƣợc sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng. Mô hình truyền thông này có thể đƣợc sử dụng để gửi một lệnh thiết lập các nút trong mạng. Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây Có nhiều hình thức truyền thông trong mô hình Điểm – Đa điểm. Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi là khác nhau. Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận đã nhận thành công đƣợc gói tin. Nếu độ tin cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần phải truyền lại bất kỳ bản tin nào: Giao thức truyền thông hy vọng rằng kênh truyền thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến đƣợc các nút nhận. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Nhiều cơ chế và giao thức đã đƣợc thiết kế để thực hiện truyền thông Điểm – Đa điểm trong mạng cảm biến không dây. Dạng đơn giản của truyền thông Điểm – Đa điểm là mạng tràn lan. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách từng nút quảng bá bản tin đƣợc gửi đi. Khi một nút lắng nghe đƣợc một bản tin quảng bá đƣợc phát từ một nút bên cạnh, nút này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó. Để tránh việc gây nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trƣớc khi gửi lại các bản tin. Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng đến tất cả các nút trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc các xung đột vô tuyến. Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trƣờng hợp nhƣng nó không phải là cơ chế đáng tin cậy. Các bản tin bị mất do nhiễu hoặc xung đột cần đƣợc truyền lại. Để đạt đƣợc độ tin cậy trong truyền thông Điểm – Đa điểm thì giao thức truyền thông phải phát hiện đƣợc các bản tin bị mất và phát lại chúng. 1.5.1.3. Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thƣờng đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút trong trƣờng cảm biến. Với mô hình truyền thông Đa điểm Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút. Nút này thƣờng đƣợc gọi là Sink. Hình 3 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm. Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây Truyền thông Đa điểm - Điểm có thể đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn nhƣ nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhƣng nó cũng đƣợc sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng. Các nút gửi các báo cáo trạng thái định kỳ tới Sink. Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của mạng tới ngƣời quan sát bên ngoài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trong truyền thông Đa điểm - Điểm, có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng. Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu có thể đƣợc gửi tới thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi. Điều này cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả cao hơn. Để thiết lập truyền thông Đa điểm - Điểm thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink. Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bƣớc nhảy bằng không tính từ nút Sink. Các nút hàng xóm lắng nghe kênh truyền và truyền lại các bản tin để thông báo chúng có bƣớc nhảy là một tính từ nút Sink. Lần lƣợt, các nút hàng xóm của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bƣớc nhảy là hai tính từ nút Sink. Với phƣơng thức đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu bƣớc nhảy chúng phải trải qua đƣợc tính từ nút Sink và biết đƣợc các nút lân cận gần Sink hơn. Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần Sink hơn. Mặc dù phƣơng thức xây dựng tuyến đƣờng định tuyến dựa trên việc đếm số bƣớc nhảy là đơn giản nhƣng nó cũng có một số vấn đề cần đƣợc quan tâm. Một nút với số bƣớc nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém, trong khi một nút với nhiều bƣớc nhảy tới Sink có thể ở vị trí phủ sóng rất tốt. Để gửi gói tin đến đƣợc Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ sóng tốt mặc dù có nhiều bƣớc nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói tin có cơ hội nhận đƣợc cao hơn mà không phải truyền lại gói tin. 1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp. Tiêu chuẩn này đã đƣợc phát triển cho mạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE). IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW. Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét. Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho IEEE 802.15.4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ phổ biến với mạng cảm biến không dây. Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:  Lớp vật lý: Chỉ rõ các bản tin đƣợc gửi và đƣợc nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật lý nhƣ thế nào. Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau. Kênh 0 đƣợc quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng 868 MHz. Kênh từ 1- 10 đƣợc quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902 – 982 MHz, khoảng cách kênh là 2MHz. Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4 GHz, khoảng cách kênh là 5MHz.  Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC): Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến. Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ đƣợc giải quyết nhƣ thế nào. Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định hai loại thiết bị là: thiết bị có chức năng đầy đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs). Các FFDs có nhiều khả năng hơn RFDs và có thể đóng vai trò nhƣ một điều phối viên các mạng PAN. RFDs là các thiết bị đơn giản hơn đƣợc xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá thành rẻ hơn. RFDs chỉ có thể truyền thông với FFDs. Các FFDs có thể truyền thông đƣợc với cả RFDs và FFDs. 1.6. Một số thách thức của mạng WSNs 1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút Trong mạng các cảm biến không dây, những thách thức chính ở cấp độ nút cần phải giải quyết là công suất tiêu thụ, kích thƣớc vật lý và giá thành. Công suất tiêu thụ là một yếu tố quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi vì chúng thƣờng sử dụng nguồn năng lƣợng là pin hoặc một nguồn năng lƣợng thấp bên ngoài. Kích thƣớc vật lý cũng rất quan trọng bởi vì các yếu tố kích thƣớc và hình thức quyết định các ứng dụng tiềm năng cho mạng cảm biến không dây, các nút mạng cảm biến không dây phải có kích thƣớc nhỏ gọn. Giá thành cũng quan trọng đối với các nút mạng cảm biến không dây bởi các nút mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai với quy mô lớn. Hạn chế nghiêm trọng trong vấn đề tiêu thụ năng lƣợng có ảnh hƣởng đến việc thiết kế phần cứng, phần mềm, giao thức mạng và thậm chí cả kiến trúc mạng. Đối với các nhà thiết kế phần cứng, bắt buộc phải lựa chọn các linh kiện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ phần cứng có công suất thấp và bố trí để giảm thiểu tối đa dòng rò cũng nhƣ hỗ trợ chế độ ngủ hiệu quả về mặt năng lƣợng. Phần mềm chạy trên các nút mạng cảm biến không dây cần phải tắt các thành phần phần cứng không sử dụng. Kích thƣớc vật lý và giá thành có ảnh hƣởng lớn đối với cả nhà thiết kế phần cứng lẫn phần mềm. Đối với các nhà thiết kế phần cứng thì thì cần phải có kích thƣớc nhỏ gọn, số lƣợng các linh kiện cần phải ít. Phần mềm cho các nút mạng cảm biến không dây không chỉ cần hiệu quả năng lƣợng mà còn phải có khả năng chạy trong một môi trƣờng hạn chế nghiệm ngặt về mặt tài nguyên. 1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng Thách thức ở cấp độ nút của mạng cảm biến không dây cần giải quyết là vấn đề quy mô nhỏ của nguồn tài nguyên sẵn có, trong khi những thách thức ở cấp độ mạng cần giải quyết lại là vấn đề quy mô lớn của mạng các đối tƣợng thông minh .Mạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn cả về quy mô, số lƣợng các nút tham gia vào hệ thống và các dữ liệu đƣợc tạo ra bởi mỗi nút. Trong nhiều trƣờng hợp, các nút mạng cảm biến không dây thu thập một lƣợng lớn dữ liệu từ nhiều điểm thu thập riêng biệt. Nhiều mạng riêng biệt bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến không dây. Thiết kế các giao thức định tuyến là rất quan trọng bởi vì nó ảnh hƣởng đến cả hiệu năng mạng xét về số lƣợng dữ liệu mà mạng có thể duy trì cũng nhƣ tốc độ dữ liệu có thể đƣợc vận chuyển thành công qua mạng, và hơn hết là khoảng thời gian tồn tại của mạng đƣợc đảm bảo. Trong mạng cảm biến không dây, việc truyền thông tin đòi hỏi năng lƣợng. Các nút thực truyền thông tin nhiều sẽ mất năng lƣợng nhanh hơn so với các nút khác thƣờng ở chế độ ngủ. Vì vậy, giao thức định tuyến phải chọn lựa thông tin một cách đầy đủ khi lập kế hoạch vận chuyển bản tin qua mạng. Đối với một nút khi thực hiện lựa chọn đầy đủ thông tin định tuyến thì nó yêu cầu các thông tin cả về mạng cũng nhƣ toàn bộ các nút lân cận gần nhất. Thông tin này yêu cầu bộ nhớ. Tuy nhiên, nhƣ chúng ta đã biết, mỗi nút có một số lƣợng bộ nhớ hạn chế. Vì vậy, giao thức định tuyến phải lựa chọn một cách kỹ lƣỡng để giữ lại những thông tin về mạng, về các nút lân cận cần thiết và bỏ qua những thông tin không cần thiết khác. Các mạng cảm biến không dây thƣờng hoạt động trên kênh truyền không đáng tin cậy, điều này càng làm cho vấn đề trở nên xấu hơn. Tính chất không Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ đáng tin cậy của mạng cảm biến không dây đƣợc gọi là “tổn hao”. Tổn hao nên đƣợc coi nhƣ là một đặc tính vốn có trong mạng cảm biến không dây. Ngay cả khi các nút mạng cảm biến sử dụng công nghệ thông tin liên lạc khác ít có tổn hao hơn thì cũng cần phải chuẩn bị cho tình huống xấu nhất để mạng có thể hoạt động ổn định trong tất cả các trƣờng hợp mạng có tổn hao và không có tổn hao. Việc quản lý mạng đối với mạng cảm biến không dây quy mô lớn là một vấn đề vô cùng khó khăn. Với mạng cảm biến không dây quy mô có thể lên tới hàng ngàn nút lên việc quản lý mạng theo cách truyền thống không thể áp dụng ngay đƣợc. Mạng không có thành phần quản lý tập trung mà nên tự tổ chức quản lý chính nó. 1.6.3. Sự chuẩn hóa Tiêu chuẩn là một yếu tố thành công then chốt đối với các mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây đƣợc biết đến không chỉ bởi số lƣợng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lƣợng đáng kể các tiêu chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho công nghệ. Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau. Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức không chỉ về mặt công nghệ mà còn trong điều khoản của các tổ chức. Các mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấp độ khác nhau của công nghệ. Mỗi cấp độ công nghệ lại có một thách thức kỹ thuật riêng nhƣng quan trọng hơn đó là việc chuẩn hóa trong mỗi cấp đƣợc quản lý bởi các nhóm khác nhau. 1.6.4. Khả năng cộng tác Khả năng cộng tác là khả năng các thiết bị và hệ thống của các nhà cung cấp khác nhau có thể hoạt động cùng nhau. Khả năng cộng tác là điều cần thiết giữa các nhà sản xuất khác nhau và giữa mạng cảm biến không dây với các cơ sở hạ tầng mạng hiện có. Khi đƣợc chuẩn hóa, mạng cảm biến không dây phải có khả năng cộng tác ở nhiều mặt. Các nút mạng phải tƣơng thích với nhau từ lớp vật lý cho đến lớp ứng dụng hoặc lớp tích hợp. Khả năng cộng tác ở lớp vật lý xảy ra khi các thiết bị từ các hãng khác nhau giao tiếp vật lý đƣợc với nhau. Ở cấp độ vật lý, các nút mạng không dây phải thống nhất trên các vấn đề nhƣ là tần số vô tuyến để thực hiện truyền thông, kiểu điều chế tín hiệu và tốc độ dữ liệu đƣợc truyền. Ở cấp độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/