Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3 (Luận văn thạc sĩ)

Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn là kiến thức do tôi tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy Ts Trần Quý Nam Các nghiên cứu trong luận văn dựa trên những tổng hợp lí thuyết và mô phỏng thực tế của mình, không sao chép từ bất kì một luận văn nào khác Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Học viên

Trần Thị Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy giáo Ts Trần Quý Nam, người đã tận tình dạy dỗ và hướng dẫn em trong quá trình hoàn thành luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy giáo, Cô giáo công tác tại Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông, những người đã tận tình giảng dạy, truyền thụ cho em những kiến thức khoa học căn bản trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp đã động viên, sát cánh cùng em trong quá trình học tập và thực hiện đề tài

Hà Nội, ngày 16 tháng 1 năm 2018

Học viên

Trần Thị Quỳnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT 3

1.1 Định nghĩa IoT 3

1.1.1 Khái niệm IoT 3

1.1.2 Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT 4

1.1.3 Cơ sở kỹ thuật của IoT 6

1.1.4 Kiến trúc IoT 11

1.2 Ứng dụng của IoT 14

1.2.1.Giải pháp nhà thông minh 15

1.2.2 IoT cho lĩnh vực nông nghiệp 17

1.2.3.Chăn nuôi chính xác bằng trang trại thông minh 20

1.3 IoT với cảnh báo cháy rừng 21

1.4 Kết luận chương 22

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 23

2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 23

2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến 23

2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 25

2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT 26

2.1.4 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 32

2.2 Kỹ thuật thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm 36

2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu 37

2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp 37

2.2.3 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí 39

2.2.4 Giao thức LEACH và phương pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến IoT 39

2.2.5 Giao thức LEACH-C 48

2.3 Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng 51

2.3.1 Mùa cháy rừng 51

2.3.2 Xác định khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom (Thụy Điển) 52

2.3.3 Dự báo cháy rừng theo chỉ số tổng hợp của V G Nesterov 52

2.4 Kết luận chương 55

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 56

3.1 Phần mềm mô phỏng NS-3 56

3.1.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS – 3 56

3.1.2 Cài đặt mô phỏng 57

3.2 Kiến trúc mạng mô phỏng thử nghiệm 60

3.2.1 Mô hình kiến trúc mạng 60

3.2.2 Các thành phần của bộ cảm biến sử dụng trong mạng IoT 61

3.3 Xây dựng các kịch bản thử nghiệm 62

3.4 Mô phỏng hoạt động và đánh giá kết quả 62

3.4.1 Mô phỏng hoạt động 62

3.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 66

3.5 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

TT Từ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt

1 ADC Analog to Digital Chuyển đổi tương tự - số

2 ADV Advertisement Nút chủ quảng bá một bản tin

3 AMQP Advanced Message

Queuing Protocol

Một chuẩn mở cho việc truyền thông điệp kinh doanh giữa các ứng dụng hoặc tổ chức

4 BPM Business Process

Management Quản lý quy trình nghiệp vụ

5 BRM Business Relationship

Manager Quản lý quan hệ kinh doanh

6 BS Basic Station Trạm (nút) cơ bản

7 BSS Business Support Systems Hệ thống hỗ trợ thanh toán

8 CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mã

11 D2D Device - to - device Thiết bị với thiết bị

12 D2S Device - to - Server Thiết bị đến máy chủ

13 DDS Data Distribution Service Dịch vụ phân phối dữ liệu

14 HTTP HyperText Transfer Protoc

ol

Giao thức để trao đổi hoặc chuyển siêu văn bản

15 IoT Internet of Thing Mạng lưới vạn vật kết nối

16 Ip Internet Protocol address Một nhãn số gán cho mỗi thiết bị

kết nối với một mạng máy tính

17 LAN Local area network Mạng cục bộ

18 LEACH Low - Energy Adaptive

Clustering Hierarchy Giao thức định tuyến phân cấp

19 M2M Machine - to - Machine Máy đến máy

20 MAC Media Access Control Giao thức điều khiển truy nhập

21 MQTT Message Queue Telemetry Giao thức kết nối giữa máy tính

Transport với máy (M2M) / "Internet of

Tập trung hiệu suất năng lượng trong hệ thống thông tin cảm biến

25 QoS Quanlity of Service Định tuyến theo chất lượng dịch

vụ

26 REQ Join Request Yêu cầu kết nối

27 RFID Radio-frequency

identification Nhận dạng tần số vô tuyến

28 S2S Server - to - server Máy chủ đến máy chủ

29 SMP Sensor Management

Protocol Giao thức quản lý mạng cảm biến

30 SQDDP Sensor Query and Data

32 TCP Transmission User

Datagram Protocol Giao thức điều khiển truyền tải

33 TDMA Time-division multiple

access Phương pháp truy cập kênh

34 UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng

35 WAN Wide area network Mạng diện rộng

36 WLAN Wireless local area network Mạng không dây cục bộ

37 WPAN Wireless personal area

and Presence Protocol

Một giao thức; một bộ tiêu chuẩn cho phép các hệ thống nói chuyện với nhau

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn truyền thông không dây 9

Bảng 2.1: Dẫn ra một số suy hao đường truyền do vật liệu nhà theo tần số 34

Bảng 2.2: Chế độ khô ẩm ở Việt Nam 51

Bảng 2.3: Đánh giá khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom 52

Bảng 2.4: Cách tính tổng hợp chỉ tiêu P 53

Bảng 2.5: Bảng tra điểm sương 53

Bảng 2.6: Cấp nguy cơ cháy rừng theo chỉ số P 54

Bảng 2.7: Hệ số hiệu chỉnh P khi có gió 54

Bảng 3.1: Các trường hợp mô phỏng 62

Bảng 3.2: Trường hợp mô phỏng về thay đổi số Cluster 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Internet of Thing 3

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy 4

Hình 1.3: Ví dụ về MQTT 7

Hình 1.4: Ví dụ về XMPP 8

Hình 1.5: Năng lực truyền thông 9

Hình 1.6: Một số loại cảm biến hay gặp 10

Hình 1.7: Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT 10

Hình 1.8: Sơ đồ khối giảm thể của các khối xây dựng cơ bản IoT 11

Hình 1.9: Các khối xây dựng cơ bản của IoT 13

Hình 1.10: Các lớp của IoT 14

Hình 1.11: Tổng quan về ứng dụng IoT 15

Hình 1.12: Ngôi nhà thông minh 15

Hình1.13: Máy móc nông nghiệp khi ứng dụng IoT 17

Hình 1.14: Ứng dụng IoT để tính toán chính xác hiệu quả sử dụng phân bón 18

và thuốc trừ sâu 18

Hình 1.15: Dữ liệu về sản lượng tại từng vị trí cụ thể trên cánh đồng sẽ giúp xác định phương án canh tác tối ưu và hiệu quả nhất 19

Hình 1.16: Chiếc vòng cảm biến có thể đếm bước chân bò liên tục trong 10 năm 20

Hình 2.1: Các thành phần của một nút cảm biến 24

Hình 2.2: Cấu trúc phẳng trong mạng cảm biến IoT 27

Hình 2.3: Cấu trúc tầng trong mạng cảm biến IoT 27

Hình 2.4: Cấu trúc phân cấp trong mạng cảm biến IoT 28

Hình 2.5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 30

Hình 2.6: Mô hình truyền sóng 33

Hình 2.7: Đồ thị so sánh các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến [22] 35

Hình 2.8: Mạng đơn bước và mạng đa bước 36

Hình 2.9: Giao thức LEACH 39

Hình 2.10: Time - line hoạt động của LEACH 40

Hình 2.11: Trạng thái các phase của LEACH 41

Hình 2.12: Lưu đồ thuật toán pha thiết lập phân bố của LEACH 43

Hình 2.13: Sơ đồ thuật toán pha ổn định trong LEACH 45

Hình 2.14: Hoạt động của pha ổn định trong LEACH 46

Hình 2.15: Nhiễu vô truyến giữa các nút cảm biến 46

Hình 2.16: Mô hình mạng cảm biến super-cluster 48

Hình 2.17: Pha thiết lập của LEACH-C 49

Hình 3.1: Tổ chức phần mềm của NS3 56

Hình 3.2: Mô hình kiến trúc mạng IoT giám sát và cảnh báo 60

Hình 3.3: Mô hình nút mạng cảm biến 61

Hình 3.4: Số nút sống theo thời gian của LEACH trong 3 kịch bản 63

Hình 3.5: Dữ liệu gửi tới BS của LEACH trong 3 kịch bản 64

Hình 3.6: Dữ liệu gửi tới BS của LEACH trong 3 kịch bản 65

Hình 3.7: Số nút sống theo thời gian của LEACH trong 3 kịch bản 66

Hình 3.8: Biểu đồ so sánh mức gửi dữ liệu của các kịch bản 67

MỞ ĐẦU

Ở nước ta hiện nay, rừng chiếm một diện tích lãnh thổ lớn, có tác động lớn đến kinh tế, xã hội và đời sống Rừng là một tài nguyên quý giá cần được bảo vệ Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, có khả năng xảy ra những vụ cháy rừng cao trong những mùa khô hanh Theo thống kê của Cục kiểm lâm (2016) diện tích rừng hiện có 14.377.682 ha, trong đó rừng tự nhiên là 10.242.141 ha, rừng trồng là 4.135.541 ha[1] Sáu tháng đầu năm 2017, cả nước xảy ra 2.364 vụ cháy rừng, làm 51 người chết, 95 người bị thương, thiệt hại về tài sản khoảng 1.173 tỷ đồng và 806 ha rừng [24] Vì vậy, Nhiều hệ thống cảnh báo cháy rừng cũng đã được nghiên cứu, xây dựng Mặc dù vậy, việc áp dụng công nghệ mới vào cảnh báo cháy rừng vẫn còn nhiều hạn chế

Cảnh báo cháy rừng đóng vai trò rất quan trọng trong công tác bảo vệ rừng Nhờ có cảnh báo sớm, chúng ta có thể biết được mức độ nguy cơ có thể xảy ra cháy rừng để từ đó chủ động phương án đối phó cũng như giảm thiểu tối đa những thiệt hại mà cháy rừng gây ra Ngày nay, những cuộc cách mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi mọi thứ từng ngày, từng giờ theo hướng hiện đại hơn Đặc biệt là việc áp dụng các thành quả khoa học công nghệ của công nghệ thông tin, điện tử và truyền thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người Công nghệ Internet of Things (IoT) mới ra đời trong thời gian gần đây và đang được ứng dụng ngày càng nhiều vào các lĩnh vực đời sống

Việc nghiên cứu, tìm hiểu công nghệ mới IoT và ứng dụng vào bài toán cảnh báo cháy rừng vẫn còn là một chủ đề mới, và là chủ đề nghiên cứu của bài luận văn này Nội dung chính của luận văn là nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng thử nghiệm bằng phần mềm mô phỏng NS-3 cho một mạng cảm biến IoT phục vụ cho việc cảnh báo sớm cháy rừng

Hiện nay, nhiều hệ thống cảnh báo cháy rừng cũng đã được nghiên cứu, xây dựng Nhiều phương pháp đã được đề xuất, điển hình như: Nghiên cứu phương pháp nội suy điều kiện khí tượng phục vụ công tác dự báo nguy cơ cháy rừng; Ứng dụng GIS và viễn thám để thành lập bản đồ nhạy cảm cháy; Ứng dụng ảnh vệ tinh

trong cảnh báo nguy cơ cháy rừng và phát hiện sớm điểm cháy rừng, ứng dụng mạng cảm biến không dây, v.v….Phần mềm ứng dụng phát hiện sớm cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS đang được ứng dụng rộng dãi và cho kết quả nhanh, ổn định Phần mềm cho ra: tên vệ tinh, ngày giờ thu nhận ảnh và số điểm cháy toàn quốc và theo tỉnh Tuy nhiên chỉ khi có cháy rừng phần mềm mới phát phát huy được tác dụng Mặt khác cuộc cách mạng công nghệ lần thứ tư (Fourth Industrial Revolution, viết tắt là FIR) FIR là sự kết hợp giữa các hệ thống thực - ảo (cyber-physical system - CPS), Internet kết nối vạn vật (IoT) và hệ thống kết nối Internet (IoS) Vì vậy việc ứng dụng công nghệ mới IoT là điều tất yếu

Chính vì những lí do trên học viên đã chọn đề tài: “Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS - 3” Hướng tiếp

cận chính để học viên giải quyết bài toán là nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới IoT, thiết kế một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng và khả năng mô phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến IoT với phần mềm mô phỏng NS - 3 để biết được khả năng truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến để từ đó đánh giá được mức độ, nguy cơ xảy ra cháy rừng trong thực tế

Bài luận văn gồm 3 chương chính với các nội dung chủ yếu sau:

Chương 1: Tổng quan về IoT, ứng dụng của mạng IoT

Chương 2: Thiết kế, xây dựng một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng Chương 3: Mô phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT 1.1 Định nghĩa IoT

1.1.1 Khái niệm IoT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nó đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó [34]

Hình 1.1: Internet of Thing

Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy

pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng

50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi [25]

Hình 1.2: Sự gia tăng nhanh chóng của giao tiếp máy - máy

IoT phải có 2 thuộc tính: Một là đó phải là một ứng dụng internet; Hai là nó phải lấy được thông tin của vật chủ

1.1.2 Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT

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 đồng nhất: Các thiết bị trong IoT là không đồng 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: Trạng thái 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 [12][21]

1.1.2.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- 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 network và Things

- Khả năng tự quản của network: Bao gồm tự quản lý, tự cấu hình, tự chữa bệnh, tự tối ưu hóa và tự có cơ chế bảo vệ Điều này cần thiết để network có thể thích ứng với các domains 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 Chính 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 nguồn 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 network hoạt động bình thường Ứng dụng IoT thường làm việc tự động mà không cần sự tham gia của con người, nhưng toàn bộ quá trình hoạt động của chúng nên được quản lý bởi các bên liên quan [15]

1.1.3 Cơ sở kỹ thuật của IoT

1.1.3.1 Giao thức chính

Trong IoT, các thiết bị phải giao tiếp được với nhau (D2D) Dữ liệu sau đó phải được 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 chương trình, hoặc cho người dùng Các giao thức có thể dùng trong IoT là:

- MQTT: Một giao thức cho việc thu thập dữ liệu và giao tiếp cho các máy chủ D2S)

- XMPP: Giao thức tốt nhất để kết nối các thiết bị với mọi người, một trường hợp đặc biệt của mô hình D2S, kể từ khi người được kết nối với máy chủ

- DDS: Giao thức tốc độ cao cho việc tích hợp máy thông minh D2D

- AMQP: Hệ thống hàng đợi được thiết kế để kết nối các máy chủ với nhau (S2S)

* MQTT (Message Queue Telematry Transport), mục tiêu thu thập dữ liệu

và giao tiếp D2S Mục đích là đo đạc từ xa, hoặc giám sát từ xa, thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị và vận chuyển dữ liệu đó đến máy trạm với ít xung đột nhất MQTTnhắm đến các mạng lớn của các thiết bị nhỏ mà cần phải được theo dõi hoặc kiểm soát từ các đám mây

Hình 1.3: Ví dụ về MQTT

MQTT hoạt động đơn giản, cung cấp nhiều lựa chọn điều khiển và QoS MQTT không có yêu cầu quá khắt khe về thời gian, tuy nhiên hiệu quả của nó là rất lớn, đáp ứng tính thời gian thực với đơn vị tính bằng giây

Các giao thức hoạt động trên nền tảng TCP, cung cấp các đáp ứng đơn giản, đáng tin cậy

* XMPP

XMPP ban đầu được gọi là “Jabber” Nó được phát triển cho các tin nhắn tức thời (IM) để kết nối mọi người với những người khác thông qua tin nhắn văn bản XMPP là viết tắt của Extensible Messaging và Presence Protocol

Hình 1.4: Ví dụ về XMPP

XMPP sử dụng định dạng văn bản XML, và cũng tương tự như MQTT, XMPP chạy trên nền tảng TCP, hoặc có thể qua HTTP trên TCP Sức mạnh chính của nó là một chương trình name@domain.comaddressing trong mạng internet khổng lồ [26][15]

1.1.3.2 Năng lực truyền thông (Comminication Capabilities)

Địa chỉ IP được coi là yếu tố quan trọng trong IoT khi mà mỗi thiết bị được gán một địa chỉ IP riêng biệt Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến tương lai của IoT Hệ thống địa chỉ Ipv4 được tạo ra với mục đích đánh cho mỗi máy tính kết nối vào mạng Internet một con số riêng biệt, giúp cho thông tin có thể tìm đến nơi cần đến ngay khi nó được chuyển đi từ bất cứ địa điểm nào trên thế giới Theo thiết kế Ipv4 có thể cung cấp 2^32 (~ 4,2 tỷ) địa chỉ IP, một con số lớn không tưởng cách đây 30 năm Tuy nhiên, sự bùng nổ mạnh mẽ của Internet đã khiến cho số lượng địa chỉ IP tự do càng ngày càng khan hiếm Mới đây, RIPE NCC - Hiệp hội các tổ chức quản lý mạng Internet khu vực Châu Âu phải đưa ra tuyên bố rằng họ đã sử dụng đến gói địa chỉ IP chưa cấp phát cuối cùng (khoảng 1,8 triệu địa chỉ)

Và sự ra đời của Ipv6 như là một giải pháp cứu sống kịp thời cho sự cạn kiệt của Ipv4 Độ dài bit của nó là 128 Sự gia tăng mạnh mẽ của Ipv6 trong không gian địa chỉ là một yếu tố quan trọng trong phát triển Internet of Things [26]

Hình 1.5: Năng lực truyền thông

1.1.3 3 Công suất thiết bị (Device Power)

Các tiêu chí hình thức chính của thiết bị khi triển khai một ứng dụng IoT là phải giá thành thấp, mỏng, nhẹ…và nhƣ vậy phần năng lƣợng nuôi thiết bị cũng sẽ trở nên nhỏ gọn lại, năng lƣợng tích trữ cũng sẽ trở nên ít đi Do đó đòi hỏi thiết bị phải tiêu tốn một công suất cực nhỏ (Ultra Low Power) để sử dụng nguồn năng lƣợng có hạn đó Bên cạnh đó yêu cầu có những giao thức truyền thông không dây gọn nhẹ hơn, đơn giản hơn, đòi hỏi ít công suất hơn (Low Energy Wireless Technologies) nhƣ Zigbee, BLE (Bluetooth low energy), ANT/ANT+, NIKE+,…

Bảng 1.1: So sánh các chuẩn truyền thông không dây ZigBee TM

802.15.4

Bluetooth TM 802.15.1

Wi-Fi TM 802.11b

GPRS/GSM 1XRTT/CDMA Application

Focus

Monitoring &

Control

Cable Replacement

Web, Video, Email

WAN, Voice/Data

Cost, Convenience

Speed, Flexibility Reach, Quality

1.1.3.4 Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)

Trong Internet of Thing, cảm biến đóng vai trò then chốt, nó đo đạc cảm nhận giá trị từ môi trường xung quanh rồi gửi đến bộ vi xử lý sau đó được gửi lên mạng Chúng ta có thể bắt gặp một số loại cảm biến về cảnh báo cháy rừng, cảnh báo động đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm…Để giúp cho thiết bị kéo dài được thời gian sống hơn thì đòi hỏi cảm biến cũng phải tiêu hao một lượng năng lượng cực kỳ thấp Bên cạnh đó độ chính xác và thời gian đáp ứng của cảm biến cũng phải nhanh Để giá thành của thiết bị thấp thì đòi hỏi giá cảm biến cũng phải thấp [15]

Hình 1.6: Một số loại cảm biến hay gặp

1.1.3 5 Thời gian đáp ứng

Hình 1.7: Đáp ứng thời gian cho ứng dụng IoT

Thời gian đáp ứng phải đảm bảo tính thời gian thực, sao cho hàng ngàn các nút mạng có thể truy cập vào hệ thống mà không xảy ra hiện tượng nghẽn mạng Với các ứng dụng D2D, thời gian đáp ứng trong khoảng 10µs đến 10ms, trong khi ứng dụng D2S, thời gian này là 10ms đến 1s Với các ứng dụng S2S, không có yêu cầu khắt khe về thời gian đáp ứng, tuy nhiên thông thường yêu cầu từ 3s đến 5s [26]

Đây phải là những thiết bị nhận diện duy nhất với một địa chỉ IP duy nhất để chúng có thể nhận dạng một cách dễ dàng qua một mạng lớn

Đây phải là hoạt động trong tự nhiên có nghĩa là họ có thể thu thập dữ liệu theo thời gian thực Các hoạt động này có thể hoạt động tự động (tự quản) hoặc có thể được thực hiện bởi người sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu của họ (người sử dụng kiểm soát)

Ví dụ về cảm biến: cảm biến khí, cảm biến chất lượng nước, cảm biến độ ẩm

Processors:

Bộ xử lý là bộ não của hệ thống IoT Chức năng chính của chúng là xử lý dữ liệu thu thập được bởi các cảm biến và xử lý chúng để trích xuất dữ liệu có giá trị từ lượng dữ liệu khổng lồ thu thập được Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng nó mang lại sự thông minh cho dữ liệu

Bộ vi xử lý hầu hết hoạt động trên cơ sở thời gian thực và có thể dễ dàng kiểm soát bởi các ứng dụng

Chúng cũng chịu trách nhiệm đảm bảo dữ liệu - đang thực hiện việc mã hoá

LAN, WAN, PAN vv là những ví dụ về cổng mạng

Hình 1.9: Các khối xây dựng cơ bản của IoT

Tóm lại, chúng ta có thể xác định rằng thông tin thu thập được bởi nút cảm biến (nút cuối) được xử lý đầu tiên sau đó thông qua kết nối đến các nút xử lý nhúng có thể là bất kỳ thiết bị phần cứng nhúng và cũng được xử lý ở đó Sau đó nó

đi qua các nút kết nối một lần nữa và tiến tới xử lý dựa trên đám mây từ xa có thể là bất kỳ phần mềm nào và được gửi đến nút ứng dụng để áp dụng đúng cách các dữ liệu đã thu thập và cũng để phân tích dữ liệu thông qua dữ liệu lớn

* Hoạt động của IoT

Thứ nhất, nó thu thập thông tin liên quan đến các tài nguyên cơ bản (tên, địa chỉ .) và các thuộc tính liên quan của vật thể bằng các công nghệ nhận diện và nhận dạng tự động như RFID, cảm biến không dây và định vị vệ tinh, nói cách khác

là cảm biến, thẻ RFID và tất cả các đối tượng có thể nhận diện duy nhất khác hoặc

"những điều" có được thông tin thời gian thực (dữ liệu) với đặc điểm của một trung tâm như điện thoại thông minh

Thứ hai, nhờ vào nhiều loại công nghệ truyền thông, nó tích hợp thông tin liên quan đến đối tượng vào mạng thông tin và thực hiện việc lập chỉ mục thông minh và tích hợp thông tin liên quan đến các đối tượng bằng cách sử dụng các dịch

vụ tài nguyên cơ bản (tương tự như độ phân giải, địa chỉ và phát hiện ra internet)

Cuối cùng, sử dụng các công nghệ máy tính thông minh như điện toán đám mây, nhận dạng mờ, khai thác dữ liệu và phân tích ngữ nghĩa, nó phân tích và xử lý thông tin liên quan đến khối lượng của các đối tượng để cuối cùng nhận ra quyết định và kiểm soát thông minh trong thế giới vật lý

P

Sensing and/or

Smart Devices

Connectivity Nodes

Layers of Embedded Processing Nodes Connectivity

Nodes

Layers of Embedded Processing Nodes

Remode Cloud-based Processing Application/Action

Insights/Big Data Software in All Nodes

Users actions via screened devices,

or automatically drive action based on data parameters

Data analytics for business intelligence

Hình 1.10: Các lớp của IoT

Trong lớp Vật lý, tất cả dữ liệu được thu thập bởi hệ thống truy cập (những thứ "nhận dạng duy nhất") thu thập dữ liệu và đi đến các thiết bị internet (như điện thoại thông minh) Sau đó, thông qua đường truyền (như cáp quang) nó đi đến tầng quản lý mà tất cả dữ liệu được quản lý riêng (phân tích luồng và phân tích dữ liệu)

từ dữ liệu thô Sau đó, tất cả các thông tin được quản lý được phát hành cho lớp ứng dụng để sử dụng đúng các dữ liệu thu thập được [26][15]

1.2 Ứng dụng của IoT

Với những hiệu quả thông minh rất thiết thực mà IoT đem đến cho con người, IoT đã và đang được tích hợp trên khắp mọi thứ, mọi nơi xung quanh thế giới mà con người đang sống Từ chiếc vòng đeo tay, những đồ gia dụng trong nhà, những mảnh vườn đang ươm hạt giống, cho đến những sinh vật sống như động vật hay con người…đều có sử dụng giải pháp IoT [32]

Hình 1.11: Tổng quan về ứng dụng IoT

1.2.1.Giải pháp nhà thông minh

Có lẽ, nếu chỉ nghe về khái niệm IoT, bạn sẽ thấy khá mơ hồ và khó hiểu Tuy nhiên, với những ứng dụng vượt trội của IoT trong giải pháp nhà thông minh hiện nay, chắc chắn, khái niệm này sẽ thân thuộc hơn rất nhiều [32]

Hình 1.12: Ngôi nhà thông minh

Hệ thống chiếu sáng thông minh

Hệ thống đèn thông minh cho phép người dùng có thể bật/tắt đèn của tất cả các phòng hoặc từng phòng riêng lẻ mà không cần di chuyển bất kì bước chân nào IoT giúp người dùng xử trí dễ dàng khi ra ngoài mà quên tắt đèn phòng ngủ, dù chủ nhà có đang cách xa ngôi nhà của mình Ngoài ra, hệ thống chiếu sáng thông minh

cũng cho phép hẹn giờ bật/tắt đèn cho các vị trí chiếu sáng cố định, ví dụ như đèn trang trí sân vườn, đèn chiếu sáng cổng chính…

Điều hòa, bình nóng lạnh tự động

Trước đây, người dùng thường mất 5 - 10 phút chờ đợi sau khi bật điều hòa, bình nóng lạnh để làm mát căn phòng hoặc có nước nóng sử dụng Tuy nhiên, với IoT, người dùng có thể khởi động các hệ thống này bằng smartphone hay tablet của mình,để đảm bảo khi về tới nhà, tất cả mọi thứ đã sẵn sàng sử dụng Các thao tác hẹn giờ, thay đổi nhiệt độ cũng có thể thực hiện nhanh chóng và dễ dàng trên thiết

bị di động thông minh, giúp gia chủ có thể tiết kiệm tối đa thời gian và lượng điện tiêu thụ trong gia đình - tránh trường hợp quên không tắt bình nóng lạnh, điều hòa khi ra ngoài

Tương tự, các thiết bị khác trong gia đình như rèm cửa cũng hoàn toàn tự động hóa bằng ứng dụng IoT

Giải pháp âm thanh đa vùng

Việc nghe nhạc, giải trí với IoT trở nên đơn giản hơn bao giờ hết, vì cùng một nguồn nhạc từ smartphone, tablet có thể phát nhạc cho tất cả ngôi nhà hoặc từng khu vực riêng biệt tùy thuộc vào lựa chọn của người sử dụng Đặc biệt hơn, người dùng có thể tạo lập cho mình những “kịch bản” rất riêng như “Chào buổi sáng”,

“Ăn tối”… Khi đó, chỉ cần chạm vào “Chào buổi sáng”, rèm cửa tự động mở, âm nhạc sẵn sàng phát những âm thanh vui tươi chào đón ngày mới, tạo sự thư thái, tiện nghi trọn vẹn cho người sử dụng

Sở hữu một ngôi nhà thông minh sử dụng ứng dụng IoT đồng nghĩa với việc

hệ thống an ninh giám sát an toàn, chặt chẽ hơn nhiều lần so với camera thông thường IoT cho phép người dùng có thể theo dõi, giám sát ngôi nhà của mình dù đang đi công tác hay trong những kì nghỉ xa nhà qua smartphone hay tablet Khi có dấu hiệu đột nhập, dựa vào những thiết lập sẵn, còi hú sẽ vang lên, đèn xoáy quay sáng, hệ thống chiếu sáng bật lên, rèm cửa ngay lập tức mở ra… tất cả các thiết bị

sẽ cùng tham gia vào “công cuộc” chống trộm, bảo đảm an ninh tuyệt đối cho ngôi nhà của bạn

1.2.2 IoT cho lĩnh vực nông nghiệp

Chẳng hạn nhƣ trong lĩnh vực nông nghiệp, việc ứng dụng IoT vào các máy móc chính xác và trong các quá trình gieo giống, chăm sóc, thu hoạch… đều mang lại những kết quả rất rõ rệt, vừa giảm chi phí đầu tƣ nhƣng đồng thời lại tăng hiệu quả [29]

Hình1.13: Máy móc nông nghiệp khi ứng dụng IoT

về IoT” của tác giả Timothy Chou, việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp đƣợc minh họa rất trực quan Với các nông trại ngũ cốc rộng lớn nhiều hec-ta tại Mỹ, việc gieo hạt bằng máy móc đã giúp giải phóng sức lao động rất nhiều Nhƣng khi áp dụng IoT vào các máy gieo hạt này, hiệu quả còn đƣợc tăng cao hơn nhờ việc xác định đƣợc việc gieo hạt ở độ sâu nào trong đất là phù hợp nhất Nếu sâu quá, cây non sẽ khó phát triển, nếu nông quá, tỉ lệ hạt giống bị các loại chim bới ra ăn sẽ cao lên rất nhiều

Tiến sĩ Timothy Chou cũng dẫn chứng việc canh tác nông nghiệp chính xác thông qua ứng dụng IoT sẽ giúp giảm thiểu chi phí về nhiên liệu vận hành máy móc, phân bón, thuốc trừ sâu…

Các trạng thái về độ ẩm của đất hay mức độ phát triển của cây, mức độ sâu bệnh cũng được giám sát bằng các hệ thống cảm biến, liên tục gửi dữ liệu về hệ thống máy tính giám sát Nhờ quá trình phân tích những dữ liệu được thu thập liên tục hàng ngày hàng giờ từ cánh đồng, các máy rải phân bón hay phun thuốc trừ sâu

sẽ được điều chỉnh để giảm thiểu được lượng phân bón hay thuốc trừ sâu cần sử dụng, từ đó giảm được chi phí đầu tư

Hình 1.14: Ứng dụng IoT để tính toán chính xác hiệu quả sử dụng phân bón

và thuốc trừ sâu

Trong một bài báo trên Irish Technews, tiến sĩ Chou dẫn chứng về trường hợp Nick August, chủ nông trang August Farms ở Mỹ là một “nông dân chính xác” trong canh tác nông nghiệp Ông Nick ước tính được rằng việc sử dụng các máy móc nông nghiệp chính xác đã giúp ông giảm lượng xăng cần để vận hành máy móc

từ 60 lít/hecta xuống chỉ còn 5,9 lít/hecta

Nhưng quan trọng hơn, Nick giảm được lượng phân bón và thuốc trừ sâu cần phải sử dụng so với trước khi áp dụng các công nghệ chính xác, giúp cây trồng tăng

trưởng tốt hơn nhưng giảm được lượng hóa chất tồn dư trong nông sản, từ đó tạo ra sản phẩm tốt cho sức khỏe người dùng, đồng thời giảm thiểu được tác hại của hóa chất đối với môi trường nông trại của ông

Hiệu quả từ máy móc thu hoạch chính xác

Trong cuốn sách PRECISION - CHÍNH XÁC, Tiến sĩ Chou cũng giới thiệu

về khả năng ứng dụng các máy thu hoạch chính xác, có thể lên phương án thu hoạch hiệu quả nhất trên cánh đồng từ việc máy móc phải di chuyển ít hơn, giảm tác động của máy làm tổn hại đất trồng

Các quy trình gặt, đập, sàng ngũ cốc được tích hợp trong cùng một máy gặt đập liên hợp không phải là điều mới mẻ ở các nông trại của Mỹ Nhưng máy thu hoạch có thể kiểm soát mọi thông số thiết bị, tự hành theo bản đồ cánh đồng thông qua định vị GPS với sai số chỉ là 2 centimet, tích hợp dữ liệu sản lượng thu hoạch được tại từng vị trí lại là một câu chuyện hoàn toàn mới mẻ

Hình 1.15: Dữ liệu về sản lượng tại từng vị trí cụ thể trên cánh đồng sẽ giúp xác định

phương án canh tác tối ưu và hiệu quả nhất

Không chỉ đảm bảo các máy móc thu hoạch vận hành trong điều kiện tốt nhất

để giảm thiểu hỏng hóc, các dữ liệu về năng suất cũng được tổng hợp và cập nhật liên tục về hệ thống phân tích IoT thông qua các dạng kết nối như 2G, 3G hoặc kết nối vệ tinh

Với kết nối qua mạng di động, dữ liệu có thể được cập nhật 6 lần mỗi phút, nhưng nếu không có, máy sẽ tự động tổng hợp để gửi qua kết nối vệ tinh sau mỗi 12 tiếng Ngoài ra, chủ nông trại cũng có thể sử dụng các kết nối đơn giản hơn như Bluetooh hoặc USB để tổng hợp dữ liệu

Từ các dữ liệu về sản lượng và từ quá trình gieo trồng, chăm sóc, chủ nông trại cũng có thể phân tích để xác định chính xác hơn mức độ sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu hiệu quả nhất, thời điểm và phương thức gieo hạt nào là hiệu quả nhất Thông qua từng mùa vụ, các dữ liệu sẽ ngày càng được thu thập nhiều và phản ánh chính xác hơn tình trạng phát triển của nông sản

1.2.3.Chăn nuôi chính xác bằng trang trại thông minh

IoT cũng được dẫn chứng trong việc giúp tăng hiệu quả cho các trang trại

sức khỏe định kỳ cho cả đàn bò hàng ngàn con, các chủ trang trại ở Úc đã đeo vào chân bò một chiếc vòng cảm biến có tuổi thọ pin lên tới 10 năm để giám sát sức khỏe của từng con [29]

Hình 1.16: Chiếc vòng cảm biến có thể đếm bước chân bò liên tục trong 10 năm

Chiếc vòng cảm biến có nhiệm vụ vô cùng đơn giản, đó là đếm số bước chân

bò mỗi ngày, và liên tục gửi dữ liệu về hệ thống quản lý dữ liệu trung tâm của chủ trang trại thông qua các trạm thu phát tín hiệu không dây Các trạm thu phát tín hiệu

này được lắp đặt ở mọi khu vực trong trạng trại rộng lớn, đảm bảo không bỏ lọt bất

kỳ con bò nào khỏi tầm kiểm soát

Từ các dữ liệu đếm bước chân được thiết bị cảm biến gửi về, hệ thống quản

lý dữ liệu có thể phân tích, xác định được tình trạng sức khỏe của từng con bò, cũng như giới tính, thậm chí cả thời điểm bò cái bắt đầu mang thai Những dấu hiệu bất thường đầu tiên về sức khỏe của bò sẽ thể hiện ngay qua số bước chân, và lập tức được giám sát chặt chẽ hơn

Nhờ có các dữ liệu cập nhật liên tục này, người quản lý trang trại có thể xác định được chính xác vị trí của con bò đang ốm Sau đó, bằng cách kiểm tra thông qua hệ thống camera hoặc đến quan sát trực tiếp, người chăn bò sẽ quyết định có gọi bác sĩ thú y đến hay không Nhờ vậy, các chi phí về khám thú y định kỳ sẽ được giảm thiểu, chi phí nhân công chăn bò hàng ngày cũng được tiết kiệm Quan trọng hơn, các vấn đề về bệnh dịch của đàn bò hàng ngàn con sẽ được phát hiện từ rất sớm và dễ dàng khoanh vùng, dập dịch một cách hiệu quả

1.3 IoT với cảnh báo cháy rừng

Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nên khả năng cháy rừng

là rất lớn Hơn nữa, vấn đề cháy rừng không chỉ dừng lại ở một địa phương, một vùng nhỏ mà là vấn đề quan tâm của xã hội, của toàn cầu Vì vậy, nhu cầu giám sát cảnh báo cháy rừng là hết sức cần thiết và là tất yếu Để giải quyết vấn đề dự báo cháy rừng cũng chính là lấy được thông số môi trường từ rừng chuyển về trung tâm phân tích dữ liệu, cách truyền dữ liệu, các tiêu chí tổng hợp dữ liệu…để đưa ra mức cảnh báo nếu nhận được sự thay đổi ngoài giới hạn

Hiện tại, để cảnh báo cháy rừng người ta có nhiều phương pháp trong đó phương pháp lấy thông số môi trường bằng cách sử dụng các cảm biến nhiệt độ, độ

ẩm không khí, sức gió, khói…Các thông số này liên tục thay đổi vì vậy cần theo dõi thường xuyên, liên tục để gửi về trung trung tâm phân tích dữ liệu tổng hợp đưa ra cảnh báo sớm cháy rừng

IoT được sử dụng để xây dựng hệ thống tự động, thông minh trong việc giám sát môi trường dự báo cháy rừng Các cảm biến có chức năng thu thập thông số môi

trường hàng ngày và liên tục gửi dữ liệu về hệ thống quản lý dữ liệu trung tâm thông qua các trạm thu phát không dây Các trạm thu phát tín hiệu này được lắp đặt

ở mọi khu vực trong khu rừng rộng lớn, đảm bảo không bỏ lọt bất kỳ khu vực rừng nào khỏi tầm kiểm soát Nhờ có các dữ liệu cập nhật liên tục này, trung tâm dự báo cháy có thể xác định được chính xác vị trí, thời điểm nguy cơ xảy ra cháy rừng giảm thiểu thiệt hại mà cháy rừng gây ra Quan trọng hơn, các vấn đề về cháy rừng

sẽ được phát hiện từ rất sớm và dễ dàng khoanh vùng, kịp thời ngăn chặn hiệu quả

1.4 Kết luận chương

Trong chương này luận văn đã giới thiệu tổng quan về mạng IoT: Khái niệm IoT, các đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của hệ thống IoT, cơ sở kỹ thuật của IoT, kiến trúc IoT…

Khả năng ứng dụng rộng và hiệu quả mạng cao là hai yếu tố quan trọng khiến IoT trở thành một trong những chủ đề được quan tâm nhiều trong thời gian qua Kết quả là rất nhiều vấn đề của mạng cảm biến đã tìm ra được giải pháp khắc phục như: Khả năng xử lý, truyền thông của các nút cảm biến, khả năng xử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hạn chế,… Từ đó, IoT ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, và nhu cầu triển khai mạng với quy mô lớn nảy sinh

Tuy nhiên, do đặc điểm vùng giám sát thường rộng với một số lượng nút mạng cảm biến hạn chế, việc xây dựng một kiến trúc mạng phù hợp với các trạm trung chuyển và phương thức chuyển tiếp dữ liệu về trung tâm giám sát là một yêu cầu cần thiết và phụ thuộc vào nhu cầu của từng ứng dụng thực tiến Chương tiếp theo của bài sẽ trình bày chi tiết hơn về các nội dung này

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT

CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng

2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến

Để xây dựng mạng IoT cho cảnh báo cháy rừng cần thành lập các nút cảm

nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và có

bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận Mạng gồm nhiều bộ cảm biến (nút mạng cảm biến) phân tán bao phủ một vùng địa lý Các nút có khả năng liên lạc vô tuyến với các nút lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm [16]

* Chức năng của một nút cảm biến IoT

Chức năng cơ bản của các nút cảm biến trong mạng IoT phụ thuộc vào ứng dụng của nó Một số chức năng chính của một nút cảm biến gồm:

- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt như có thể trả về nhiệt độ,

áp suất, cường độ ánh sáng…

- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng về thông số của sự kiện đó Như mạng IoT dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ, hướng đi của các phương tiện đang lưu thông…

- Theo dấu đối tượng Ví dụ trong mạng quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trong vùng bao phủ của mạng…

- Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu và mục đích của thông tin cần thu thập[22][16]

Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học, quang, chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khói… Cảm biến có thể đưa ra môi trường nguy hại, có thể lắp đặt trong robot tự động hay trong hệ thống nhà xưởng sản xuất Công nghệ cảm biến vi điều khiển bao gồm trường điện từ, cảm biến radio, cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, radars, lasers, cảm biến vị trí hay định

vị, cảm biến hướng mục đích phục vụ cho an ninh, sinh hóa…

* Các thành phần cấu tạo của một nút cảm biến [17]

Mỗi nút cảm ứng được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình dưới,

bộ cảm nhận (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 2.1: Các thành phần của một nút cảm biến

- Các bộ phận cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

- Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

- Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các

dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Hệ thống định vị Bộ phận di động

Cảm biến ADC

Xử lý

Lưu trữ Bộ thu phát

- Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,

nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

- Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó

Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module Ngoài kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích ứng với môi trường

* Hiệu quả sử dụng công suất củaWSN 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 suất, bộ nhớ

2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến

Liên quan đến thiết kế nút trong mạng IoT, các chức năng cần phải có: chức năng cơ bản của nút; chức năng xử lý tín hiệu, gồm xử lý số tín hiệu, nén, phát hiện

và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin;

tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối Để có các chức năng này, phần cứng của nút phải có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lý, nguồn, và các phần phục vụ cho chức năng khác Như vậy, cấu trúc bên trong và độ phức tạp của các bộ cảm biến phụ thuộc vào các ứng dụng của nó[22]

- Cảm biến: Biến đổi các thông số môi trường thành thông tin

- Liên lạc: Trao đổi dữ liệu giữa các nút với nhau và với trung tâm

Phần mềm:

- 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 nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs

- Sensor Drivers: Đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần

2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT

Kiến trúc phẳng (Flat Structure)

Trong cấu trúc phẳng được minh họa trên Hình 2.1, tất cả các nút đều ngang

hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian Tuy nhiên phương pháp này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, như thời gian, tần

số [22][16]

Hình 2.2: Cấu trúc phẳng trong mạng cảm biến IoT

Kiến trúc tầng (Tiered Structure)

Trong cấu trúc tầng minh họa trên Hình 2.2, các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu singlehop hay multihop (tùy thuộc vào kích

cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head- CH) Trong

cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn [22][16]

Hình 2.3: Cấu trúc tầng trong mạng cảm biến IoT

Kiến trúc phân cấp

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút [22][16] Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và

cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu minh họa trên Hình 2.3

Hình 2.4: Cấu trúc phân cấp trong mạng cảm biến IoT

Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau:

 Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lƣợng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lƣợng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao Thay vào đó, nếu một số lƣợng lớn các nút có chi phí thấp đƣợc chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lƣợng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn đƣợc chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng

bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi

 Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu

xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng

sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng [22][16]

 Về độ tin cậy: Mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lƣợng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống Với mạng cấu trúc

phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là: w n trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0

 Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau

Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân

bố đến tập con của các nút Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ thuộc vào tần số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng

Kiến trúc giao thức mạng cảm biến IoT[22][16]

Trong mạng cảm ứng, dữ liệu sau khi được thu thập bởi các nút sẽ được định tuyến gửi đến sink Sink sẽ gửi dữ liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Các lớp giao thức và phân lớp chức năng phần mềm được sử dụng bởi

nút gốc và các nút cảm biến được mô tả khái quát ở Hình 2.5

Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và

sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên