ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRỊNH MINH PHƢƠNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO
GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HÀ NỘI – 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
TRỊNH MINH PHƢƠNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO
GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: Chuyên ngành thí điểm
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. DƢƠNG LÊ MINH
HÀ NỘI – 2016
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC HÌNH VẼ ………………………………………………………………………….. 1
LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………………………………… 4
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………………………… 5
MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………………………………….. 6
ĐẶT VẤN ĐỀ ………………………………………………………………………………………… 6
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT
………………………………………………………. 8
1.1 Định nghĩa
………………………………………………………………………………………. 8
1.2 Khái niệm IoT
…………………………………………………………………………………. 8
1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật ………………………………………………………………….. 9
1.4. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT
……………. 12
1.4.1 Đặc tính cơ bản
………………………………………………………………………… 12
1.4.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT………………………………. 12
1.5 Mô hình của một hệ thống IoT ………………………………………………………… 14
1.5.1 Application Layer
…………………………………………………………………….. 14
1.5.2 Service support and application support layer ……………………………… 14
1.5.3 Network layer ………………………………………………………………………….. 15
1.5.4 Device layer
…………………………………………………………………………….. 15
CHƢƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ………………………………….. 17
2.1 Tổng quan mạng cảm biến
………………………………………………………………. 17
2.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến ………………………………………………….. 17
2.2.1 Phần cứng ………………………………………………………………………………. 18
2.2.2 Giao thức điều khiển truy cập [5]: ……………………………………………… 19
2.3 Phân loại mạng cảm biến [5] …………………………………………………………… 23
2.3.1 Category 1 WSN (C1WSN) ………………………………………………………. 23
2.3.2 Category 2 WSN (C2WSN) ………………………………………………………. 24
CHƢƠNG 3: CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY……………………………………………………………………………………. 25
3.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp
…………………………………………………. 25
3.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng ……………………………………………. 26
3.3 Mạng cảm biến trong quân sự …………………………………………………………. 31
3.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ …………………………………………. 32
3.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh
……………………………… 33
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI
TRƢỜNG
………………………………………………………………………………………….. 36
4.1 Đặt vấn đề …………………………………………………………………………………….. 36
4.2 Tìm hiểu về thiết bị Raspberry Pi …………………………………………………….. 37
4.2.1 Giới thiệu chung [10] ……………………………………………………………….. 37
4.2.2 Hệ điều hành của Raspberry Pi ………………………………………………….. 42
4.2.3 Các ứng dụng từ Raspberry Pi ………………………………………………….. 47
4.3 Xây dựng mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường qua việc sử
dụng thiết bị Raspberry Pi và các Sensor ……………………………………………….. 52
4.3.1 Điều khiển Raspberry Pi và các thiết bị cảm ứng bằng Python
………. 52
4.3.2 Thiết bị cảm biến
……………………………………………………………………… 55
4.3.3 Chương trình demo
…………………………………………………………………… 60
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………….. 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….. 70
1
DANH MỤC HÌNH VẼ
Chƣơng 1
Hình 1.1: Kết nối mọi vật
………………………………………………………………………….. 9
Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật
……………………………………………… 10
Hình 1.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ [2] ……………………………. 11
Hình 1.4: Mô hình IoT ……………………………………………………………………………. 14
Chƣơng 2
Hình 2.1: Kiến trúc của một node cảm biến ………………………………………………. 18
Hình 2.2: Phần mềm điều khiển node cảm biến …………………………………………. 19
Hình 2.3: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu
……………….. 21
Chƣơng 4
Hình 4.1: Bảng mạch máy tính Raspberry Pi
……………………………………………… 37
Hình 4.2: Cấu tạo của Raspberry Pi ………………………………………………………….. 39
Hình 4.3: Sơ đ kết nối API.
……………………………………………………………………. 41
Hình 4.4: Phần mềm Win32DiskImage …………………………………………………….. 44
Hình 4.5: Màn hình thiết lập cho Raspberry Pi…………………………………………… 44
Hình 4.6: Giao diện đ họa của hệ điều hành Raspbian. ……………………………… 45
Hình 4.7: Phần mềm Putty ………………………………………………………………………. 45
Hình 4.8: Phần mềm Remote Desktop Connection …………………………………….. 46
Hình 4.9: Giao diện dòng lệnh của Putty …………………………………………………… 46
Hình 4.10: Đặt IP tĩnh cho Raspberry Pi …………………………………………………… 47
Hình 4.11: Hệ điều hành Raspbmc chạy trên Raspberry Pi
………………………….. 48
Hình 4.12: Phần mềm WINSCP
……………………………………………………………….. 49
Hình 4.13: Sơ đ các chân cắm của Raspberry Pi ………………………………………. 53
Hình 4.14: Nối mạch thiết bị cảm ứng với Raspberry Pi
……………………………… 54
2
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT, TỪ ĐIỂN
AODV
Ad hoc On – Demand
Distance – Vector Routing
Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc
CSMA
Carrier
Sense
Multiple
Access
Đa truy nhập cảm biến sóng mang
DAM
Distributed
Aggregate
Management
Giao thức quản lý khối kết hợp phân
tán
DSDV
Destination-Sequenced
Distance-Vector
Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
DSR
Dynamic Source Routing
Định tuyến ngu n động
GLONASS
Global Navigation Satellite
System
Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu
GPS
Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu
HVAC
Heating, Ventilation, and
Air Conditioning
Hơi ấm, thông gió và các điều kiện
không khí
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập môi trường
NS-2
Network Simulator – 2
Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
PDA
Personal Digital Assistant
Trợ tá số cá nhân
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RFM
RF Monolithic
Thành phần nguyên khối tần số vô
tuyến
RKE
Remote Keyless Entry
Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa
SMP
Sensor
Management
Protocol
Giao thức quản lý cảm biến
SQDDP
Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và phổ
3
Dissemination Protocol
biến số liệu
SWAN
Simulator for Wireless Ad-
hoc Networks
Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc
không dây
TADAP
Task Assignment and Data
Advertisement Protocol
Giao thức phân nhiệm vụ và quảng
cáo số liệu
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo thời gian
TORA
Temporally
Ordered
Routing Algorithm
Thuật toán tìm đường tuần tự theo
thời gian
UART
Universal
Asynchronous
Receiver Transmitter
Bộ thu phát không đ ng bộ chung
VHDL
VHSIC
Hardware
Description Language
Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích
hợp mật độ cao
WINS
Wireless
Integrated
Network Sensors
Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến
WLAN
Wireless
Local
Area
Network
Mạng nội hạt vô tuyến
WPAN
Wireless Personal Area
Network
Mạng vùng cá nhân vô tuyến
4
LỜI CAM ĐOAN
Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của riêng cá
nhân tôi tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu, không sao chép lại một
công trình nghiên cứu hay luận văn của bất cứ tác giả nào khác.
Trong nội dung của nội dung của luận văn, những phần tôi nghiên cứu,
trích dẫn đều được nêu trong phần các tài liệu tham khảo, có ngu n gốc, xuất
xứ, tên tuổi của các tác giả, nhà xuất bản rõ ràng.
Những điều tôi cam kết hoàn toàn là sự thật, nếu sai, tôi xin chịu mọi hình
thức xử lý kỷ luật theo quy định.
5
LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Tiến sĩ Dương Lê
Minh, Phó Chủ nhiệm khoa Công nghệ thông tin – Trường Đại học Công nghệ –
Đại học Quốc gia Hà Nội, thầy đã dành nhiều thời gian tận tình chỉ bảo, hướng
dẫn em trong suốt quá trình tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu đề tài. Thầy là
người đã định hướng và đưa ra nhiều góp ý quý báu trong quá trình em thực
hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy giáo, cô giáo
trong khoa Công nghệ thông tin – Trường Đại học Công nghệ Hà Nội – Đại học
Quốc gia Hà Nội đã dạy bảo tận tình, trang bị cho em những kiến thức quý báu,
bổ ích và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập và nghiên cứu
tại trường.
Em cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đ ng nghiệp đã luôn
bên em cổ vũ, động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn.
Do có nhiều hạn chế về thời gian và kiến thức nên luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của
quý thầy cô và các bạn cùng quan tâm.
Luận văn thạc sỹ này được thực hiện dưới sự tài trợ từ đề tài NCKH cấp
ĐHQGHN, mã số đề tài: QG.16.30.
Cuối cùng em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới tất cả quý thầy
cô, quý đ ng nghiệp cùng toàn thể gia đình và bạn bè.
Xin chân thành cảm ơn!
6
MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc cách mạng về công
nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ
cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát
triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự
nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô
nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v… Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng
theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo.
Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và
truyền thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ Internet of
Things (IoT) nói chung và công nghệ cảm biến không dây (Wireless Sensor) nói
riêng được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào
trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v…, phạm vi này
ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên
các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, mặc dù khái niệm IoT và công nghệ cảm biến không dây đã trở
nên khá quen thuộc và được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của đời sống
con người, đặc biệt ở các nước phát triển có nền khoa học công nghệ tiên tiến.
Tuy nhiên, những công nghệ này chưa được áp dụng một cách rộng rãi ở nước
ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa
hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát
triển đầy tiềm năng.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Dương Lê Minh, em đã chọn
đề tài luận văn “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường”.
Trên cơ sở tìm hiểu về IoT nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng,
luận văn còn thực hiện một thực nghiệm cho mạng cảm biến để giám sát các
thông số môi trường tiêu biểu (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) đối với việc bảo quản,
vận chuyển thực phẩm tươi sống.
7
Chƣơng 1. Tổng quan về IoT
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IOT, ứng dụng
của IOT.
Chƣơng 2. Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây
Trong chương này tôi sẽ trình bày các kiến thức về mạng cảm biến không
dây, các công nghệ được sử dụng trong mạng cảm biến không dây.
Chƣơng 3. Nghiên cứu các ứng dụng công nghệ cảm biến không dây
Trong chương này, tôi sẽ trình bày về các ứng sử dụng công nghệ cảm
biến không dây trong đời sống con người.
Chƣơng 4. Xây dựng chƣơng trình, cài đặt và đánh giá
Trong chương này, trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về IoT, mạng cảm biến
không dây, một số thiết bị cảm biến thông dụng, đ ng thời xuất phát từ thực tiễn
bảo quản thực phẩm tươi sống, tôi xây dựng một chương trình thực nghiệm (trên
các thiết bị thật) để giám sát các thông số về môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và ánh
sáng). Sau đó, tôi chạy thử nghiệm chương trình, đánh giá các kết quả đạt được
và so sánh với mục tiêu, yêu cầu đặt ra đối với luận văn.
8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT
1.1 Định nghĩa
Thiết bị (device):
Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức
năng bắt buộc là truyền thông và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực
thi,thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu.
Internet Of Things:
Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những
dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa
trên sự t n tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó,
và dựa trên các công nghệ truyền thông.
Things:
Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật chất
(physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng
được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thông tin
liên lạc. [1]
1.2 Khái niệm IoT
IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống.
Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ
tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên
tiến thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công
nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự
trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán
đám mây. Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2
chiều – “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm
một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication
(Kết nối mọi vật).
9
Hình 1.1: Kết nối mọi vật
Trong hệ thống IoT, “Things” là đối tượng của thế giới vật chất (Physical)
hoặc các thông tin (Virtual). “Things” có khả năng nhận diện và có thể tích hợp
vào mạng thông tin. “Things” có liên quan đến thông tin, có thể là tĩnh hay
động. “Physical Things” t n tại trong thế giới vật lý và có khả năng được cảm
nhận, được kích thích và kết nối. Ví dụ về “Physical Things” bao g m các môi
trường xung quanh, robot công nghiệp, hàng hóa, hay thiết bị điện. “Virtual
Things” t n tại trong thế giới thông tin và có khả năng được lưu trữ, xử lý, hay
truy cập. Ví dụ về “Virtual Things” bao g m các nội dung đa phương tiện và các
phần mềm ứng dụng.
1.3 IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Như đề cập ở 1.1, “Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical)
hoặc là đối tượng thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối
tượng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể
được trình bày hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối
tượng thông tin có thể t n tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối
tượng vật lý nào.
10
Hình 1.2: Hệ thống IoT từ góc nhìn kỹ thuật
Trong hình 1, một “device” là một phần của hệ thống IoT. Chức năng bắt
buộc của một device là giao tiếp, và chức năng không bắt buộc là cảm biến, thực
thi, thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và xử lý dữ liệu. Các thiết bị thu thập các
loại thông tin khác nhau và cung cấp các thông tin đó cho các network khác nơi
mà thông tin được tiếp tục xử lý. Một số thiết bị cũng thực hiện các hoạt động
dựa trên thông tin nhận được từ network.
Truyền thông thiết bị – thiết bị: Có 3 cách các devices sẽ giao tiếp lẫn nhau.
(a) Các devices giao tiếp thông qua các mạng lưới thông tin liên lạc gọi là gateway,
hoặc (b) các devices giao tiếp qua mạng lưới thông tin liên lạc mà không có một
gateway, hoặc (c) các device liên lạc trực tiếp với nhau qua mạng nội bộ.
Trong hình 1, mặc dù ta thấy chỉ có sự tương tác diễn ra ở Physical
Things (các thiết bị giao tiếp với nhau). Thực ra vẫn còn hai sự tương tác khác
đ ng thời diễn ra. Đó là tương tác Virtual Things (trao đổi thông tin giữa các
virtual things), và tương tác giữa Physical Things và Virtual Things.
Các ứng dụng IoT rất đa dạng, ví dụ, “hệ thống giao thông thông minh”,
“Lưới điện thông minh”, “sức khỏe điện tử”, hoặc “nhà thông minh”. Các ứng
dụng có thể được dựa trên một nền tảng riêng biệt,cũng có thể được xây dựng
dựa trên dịch vụ chung, chẳng hạn như chứng thực, quản lý thiết bị, tính phí,
thanh toán…
Các “Communication networks” chuyển dữ liệu được thu thập từ devices
đến các ứng dụng và device khác, và ngược lại, các network này cũng chuyển
11
các mệnh lệnh thực thi từ ứng dụng đến các device. Vai trò của communication
network là truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy.
Hình 1.3: Các loại thiết bị khác nhau và mối quan hệ [2]
Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp [2].
Thiết bị sẽ được phân loại vào các dạng như thiết bị mang thông tin, thiết bị thu
thập dữ liệu, thiết bị cảm ứng (sensor), thiết bị thực thi:
– Thiết bị mang dữ liệu (Data carrierring device): Một thiết bị mang thông
tin được gắn vào một Physical Thing để gián tiếp kết nối các Physical Things
với các mạng lưới thông tin liên lạc.
– Thiết bị thu thập dữ liệu (Data capturing device): Một device thu thập
dữ liệu có thể được đọc và ghi, đ ng thời có khả năng tương tác với Physical
Things. Sự tương tác có thể xảy ra một cách gián tiếp thông qua device mang dữ
liệu, hoặc trực tiếp thông dữ liệu gắn liền với Physical Things. Trong trường hợp
đầu tiên, các device thu thập dữ liệu sẽ đọc thông tin từ một device mang tin và
có ghi thông tin từ các network và các device mang dữ liệu.
– Thiết bị cảm ứng và thiết bị thực thi (sensing device and actuation
device): Một device cảm nhận và device thực thi có thể phát hiện hoặc đo lường
thông tin liên quan đến môi trường xung quanh và chuyển đổi nó sang tín hiệu
dạng số. Nó cũng có thể chuyển đổi các tín hiệu kỹ thuật số từ các mạng thành
các hành động(như tắt mở đèn, hù còi báo động …). Nói chung, thiết bị và thiết
12
bị thực thi kết hợp tạo thành một mạng cục bộ giao tiếp với nhau sử dụng công
nghệ truyền thông không dây hoặc có dây và các gateway.
– General device: Một general device đã được tích hợp các network thông
qua mạng dây hoặc không dây. General device bao g m các thiết bị và đ dùng
cho các domain khác nhau của IOT, chẳng hạn như máy móc, thiết bị điện trong
nhà, và smart phone.
1.4. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT
1.4.1 Đặc tính cơ bản
Đặc tính cơ bản của IoT bao gồm [1], [2]:
– Tính kết nối liên thông (interconnectivity): với IoT, bất cứ điều gì cũng
có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc
tổng thể.
– Những dịch vụ liên quan đến “Things”: hệ thống IoT có khả năng cung
cấp các dịch vụ liên quan đến “Things”, chẳng hạn như bảo vệ sự riêng tư và
nhất quán giữa Physical Thing và Virtual Thing. Để cung cấp được dịch vụ này,
cả công nghệ phần cứng và công nghệ thông tin(phần mềm) sẽ phải thay đổi.
– Tính không đ ng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đ ng nhất vì nó
có phần cứng khác nhau, và network khác nhau. Các thiết bị giữa các network
có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các network.
– Thay đổi linh hoạt: Status của các thiết bị tự động thay đổi, ví dụ, ngủ
và thức dậy, kết nối hoặc bị ngắt, vị trí thiết bị đã thay đổi,và tốc độ đã thay
đổi… Hơn nữa, số lượng thiết bị có thể tự động thay đổi.
– Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và
giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối
Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn
nhiều so với được truyền bởi con người.
1.4.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT
Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:
13
– Kết nối dựa trên sự nhận diện: Nghĩa là các “Things” phải có ID riêng
biệt. Hệ thống IOT cần hỗ trợ các kết nối giữa các “Things”, và kết nối được
thiết lập dựa trên định danh (ID) của Things.
– Khả năng cộng tác: hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các
mạng và Things.
– Khả năng tự quản của mạng: Bao g m tự quản lý, tự cấu hình, tự
recovery, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ. Điều này cần thiết để mạng có
thể thích ứng với các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, môi trường truyền thông
khác nhau, và nhiều loại thiết bị khác nhau.
– Dịch vụ thoả thuận: dịch vụ này để có thể được cung cấp bằng cách thu
thập, giao tiếp và xử lý tự động các dữ liệu giữa các “Things” dựa trên các quy
tắc (rules) được thiết lập bởi người vận hành hoặc tùy chỉnh bởi các người dùng.
– Các khả năng dựa vào vị trí (location-based capabilities): Thông tin liên
lạc và các dịch vụ liên quan đến một cái gì đó sẽ phụ thuộc vào thông tin vị trí
của Things và người sử dụng. Hệ thống IoT có thể biết và theo dõi vị trí một
cách tự động. Các dịch vụ dựa trên vị trí có thể bị hạn chế bởi luật pháp hay quy
định, và phải tuân thủ các yêu cầu an ninh.
– Bảo mật: Trong IoT, nhiều “Things” được kết nối với nhau. Chình điều
này làm tăng mối nguy trong bảo mật, chẳng hạn như bí mật thông tin bị tiết lộ,
xác thực sai, hay dữ liệu bị thay đổi hay làm giả.
– Bảo vệ tính riêng tư: tất cả các “Things” đều có chủ sở hữu và người sử
dụng của nó. Dữ liệu thu thập được từ các “Things” có thể chứa thông tin cá nhân
liên quan chủ sở hữu hoặc người sử dụng nó. Các hệ thống IoT cần bảo vệ sự riêng
tư trong quá trình truyền dữ liệu, tập hợp, lưu trữ, khai thác và xử lý. Bảo vệ sự
riêng tư không nên thiết lập một rào cản đối với xác thực ngu n dữ liệu.
– Plug and play: các Things phải được plug-and-play một cách dễ dàng và
tiện dụng.
– Khả năng quản lý: hệ thống IoT cần phải hỗ trợ tính năng quản lý các
“Things” để đảm bảo mạng hoạt động bình thường. Ứng dụng IoT thường làm
14
việc tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình
hoạt động của họ nên được quản lý bởi các bên liên quan. [3]
1.5 Mô hình của một hệ thống IoT
Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4
layer sau [3]:
– Lớp ứng dụng (Application Layer)
– Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application
support layer)
– Lớp mạng (Network Layer)
– Lớp thiết bị (Device Layer)
Hình 1.4: Mô hình IoT
1.5.1 Application Layer
Lớp ứng dụng cũng tương tự như trong mô hình OSI 7 lớp, lớp này tương
tác trực tiếp với người dùng để cung cấp một chức năng hay một dịch vụ cụ thể
của một hệ thống IOT.
1.5.2 Service support and application support layer
– Nhóm dịch vụ chung: Các dịch vụ hỗ trợ chung, phổ biến mà hầu hết
các ứng dụng IOT đều cần, ví dụ như xử lý dữ liệu hoặc lưu trữ dữ liệu.
15
– Nhóm dịch vụ cụ thể, riêng biệt: Những ứng dụng IOT khác nhau sẽ có
nhóm dịch phụ hỗ trợ khác nhau và đặc thù. Trong thực tế, nhóm dịch vụ cụ thể
riêng biệt là tính toán độ tăng trưởng của cây mà đưa ra quyết định tưới nước
hoặc bón phân.
1.5.3 Network layer
Lớp Network có 2 chức năng [3]:
– Chức năng Networking: cung cấp chức năng điều khiển các kết nối kết
nối mạng, chẳng hạn như tiếp cận được ngu n tài nguyên thông tin và chuyển tài
nguyên đó đến nơi cần thiết, hay chứng thực, uỷ quyền…
– Chức năng Transporting: tập trung vào việc cung cấp kết nối cho việc
truyền thông tin của dịch vụ/ứng dụng IOT.
1.5.4 Device layer
Lớp Device chính là các phần cứng vật lý trong hệ thống IOT. Device có
thể phân thành hai loại như sau [3]:
– Thiết bị thông thường: Device này sẽ tương tác trực tiếp với network:
Các thiết bị có khả năng thu thập và tải lên thông tin trực tiếp (nghĩa là không
phải sử dụng gateway) và có thể trực tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ các
network. Device này cũng có thể tương tác gián tiếp với network: Các thiết bị có
thể thu thập và tải network gián tiếp thông qua khả năng gateway. Ngược lại,
các thiết bị có thể gián tiếp nhận thông tin (ví dụ, lệnh) từ network. Trong thực
tế, các Thiết bị thông thường bao g m các cảm biến, các phần cứng điều khiển
motor, đèn,…
– Thiết bị Gateway: Gateway là cổng liên lạc giữa device và network. Một
Gateway hỗ trợ 2 chức năng sau:
Có nhiều chuẩn giao tiếp: Vì các Things khác nhau có kiểu kết nối khác
nhau, nên Gateway phải hỗ trợ đa dạng từ có dây đến không dây, chẳng hạn
CAN bus, ZigBee, Bluetooth hoặc Wi-Fi. Tại Network layer, gateway có thể
giao tiếp thông qua các công nghệ khác nhau như PSTN, mạng 2G và 3G, LTE,
Ethernet hay DSL.
16
Chức năng chuyển đổi giao thức: Chức năng này cần thiết trong hai tình
huống là: (1) khi truyền thông ở lớp Device, nhiều device khác nhau sử dụng giao
thức khác nhau, ví dụ, ZigBee với Bluetooth, và (2) là khi truyền thông giữa các
Device và Network, device dùng giao thức khác, network dùng giao thức khác, ví
dụ, device dùng ZigBee còn tầng network thì lại dùng công nghệ 3G.
Trong thực tế, Gateway có thể được build từ các board như Raspberry Pi
hay Arduino, hoặc Gateway được sản xuất công nghiệp bởi các tập đoàn lớn như
Intel hay Texas Instrument.
17
CHƢƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Tổng quan mạng cảm biến
Mạng cảm biến hay còn gọi là mạng cảm biến không dây (Wireless
Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các
thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các
sự kiện, hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó.
Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu g m 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 ña dạng và không bị giới hạn.
Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến [4]:
– Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải.
– Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến( có dây hay vô tuyến) điểm trung
tâm tập hợp dữ liệu (Clustering) Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm.
– Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận
xử lý.
– Mạng cảm biến không dây(WSN) là mạng cảm biến trong đó các kết nối
giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.
Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố:
– Chu kỳ hoạt động ngắn.
– Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền.
– Mô hình dạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền .
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
– Các node phân bố dày đặc.
– Các node dễ hỏng.
– Giao thức mạng thay đổi thường xuyên.
– Node bị giới hạn về khả năng tính toán,công suốt, bộ nhớ.
2.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến
18
2.2.1 Phần cứng
Hình 2.1: Kiến trúc của một node cảm biến
Các thành phần cấu tạo nên một node cảm biến [4]:
– Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến).
– Đơn vị xử lý.
– Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến.
– Ngu n cung cấp.
– Các phần ứng dụng khác.
19
Các node có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức
năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node
lân cận để truyền dữ liệu tới trung tâm.
Hình 2.2: Phần mềm điều khiển node cảm biến
Phần mềm: 5 nhóm chính
– Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần
mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã ngu n mở
cho OS dành riêng cho mạng WSNs Sensor Drivers: đây là những module quản
lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến.
– Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, g m định tuyến, chuyển
các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi,…
– Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý
trong mạng
2.2.2 Giao thức điều khiển truy cập [5]:
Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biến , phân bố trên một
vùng địa lý. Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về ngu n cung cấp và
do đó bị giới hạn khả năng xử lý và thông 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. Do
20
đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan
trọng để mang lại thành công trong hoạt động của mạng. Xây dựng phần cứng
cho mạng không dây liên kết đa đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên
lạc giữa các node lân cận. Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng
không dây dựa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các
đặc tính truyền sóng. Việc đối xử với các node trong mạng phải ngang nhau. để
đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môi
trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết.
Một số giao thức MAC đã được đề nghị cho mạng WNSs, lựa chọn giao
thức do đặc tính của mạng quyết định.
Đặc điểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một
thời điểm xác định. Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao
thức MAC cho các node trong mạng. Từ mô hình tham khảo OSI (Open
Systems Interconnection Reference Model_OSIRM), giao thức MAC được xây
dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer_DDL) . Lớp cao của
DDL được xem như lớp điều khiển ligic (LLC). Sự t n tại của lớp LLC cho
phép nhiều lựa chọn cho lớp MAC, phụ thuộc vào cấu trúc và giao thức của
mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng.
Lớp vật lý (PHY) g m các đặc tính về môi trường truyền và cấu hình
mạng. Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lý, giao diện về mặt
điện để đạt được việc thu nhận bit. Chức năng chủ yếu lớp PHY bao g m các
qui ước về điện, mã hóa và khôi phục tín hiệu, đ ng bộ phát và thu, qui ước về
chuỗi bit…
Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý. Cung cấp các chức năng sau:
Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header
g m thông tin về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi.
21
Tách frame thu được để lấy ra địa chỉ và thông tin kiểm tra lỗi khôi phục
lại thông 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 2.3: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu
Lớp LLC của DDL 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 dưới, do đó tạo ra
khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng.
Giao thức điều khiển truy cập
Các giao thức MAC cho mạng WSNs.
Giao thức phân chia cố định.
(Fixed-Assignment Protocols).
Giao thức phân chia theo nhu cầu.
(Demand Assignment Protocols).
Giao thức phân chia ngẫu nhiên.
(Random Assignment Protocols).
Giao thức phân chia cố định (Fixed-Assignment Protocols):
Mỗi node được chia một lượng cố định xác định trước tài nguyên
kênh truyền.
Trong đó, mỗi node dùng tài nguyên này một cách riêng biệt mà không bị
tranh chấp với các node khác. Các giao thức thường dùng là đa truy cập chia
theo tần số (FDMA), đa truy cập chia theo thời gian (TDMA), và đa truy cập
chia theo mã (CDMA).
