Vì vậy các ứng dụng trong một mạng cảm biến sử dụng các thiết bị nhỏ với nguồn pin giới hạn thì rất cần những công nghệ kết nối không dây thay thế khác chẳng hạn như Zigbee, Bluetooth Lo
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số: 60.48.02.01
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN MINH SƠN
TP HỒ CHÍ MINH – 2017
Trang 2Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến chương trình đào tạo thạc sĩ của
trường Đại học Công nghệ Thông Tin, ngành Công Nghệ Thông tin cùng các các quý
thầy cô đã giúp tôi trang bị trí thức và tạo điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình
học tập và thực hiện đề tài luận văn này
Đặc biệt với lòng kính trọng và biến ơn, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy
TS Nguyễn Minh Sơn đã hướng dẫn và khuyến khích trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này
Xin chân thành cảm ơn đến các bạn trong lớp cao học công nghệ thông tin khóa 9 đợt
2 và đặc biệt là bạn Phạm Quốc Cường đã chia sẻ thông tin và cung cấp nhiều tư liệu
phục vụ hoàn thành nghiên cứu
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã luôn động viên, hỗ
trợ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn cao học
Trang 3Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện Các trích dẫn và số liệu sử dụng trong luận văn đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao trong phạm vi hiểu biết của tôi Luận văn này không nhất thiết phản ánh quan điểm của Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin thành phố Hồ Chí Minh hay chương trình đào tạo thạc sĩ Công Nghệ Thông Tin
TP HCM, ngày 25 tháng 11 năm 2017
Tác giả
Lư Văn Thành
Trang 4MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9
MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 15
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng 15
1.2 Tình hình nghiên cứu 18
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 18
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 25
1.3 Tổng quan về đề tài 25
1.3.1 Hướng giải quyết các vấn đề hạn chế của đề tài 25
1.3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài 26
CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 28
2.1 Cơ sở lý thuyết về BLE 28
2.1.1 Sơ lược kiến trúc hệ thống và các giao thức 28
2.1.2 Kênh truyền, hoạt động và trạng thái của một thiết bị BLE 30
2.1.3 Trạng thái hoạt động của BLE 32
2.1.4 Mô hình mạng của giao thức Bluetooth Low Energy 32
2.1.5 Cấu trúc gói tin sử dụng hệ thống LE 33
2.1.6 Các thành phần phần mềm của BLE 34
2.2 Cơ sở lý thuyết giao thức MQTT 36
2.3 Giới thiệu mô hình mạng Fishbone network 38
2.3.1 Kiến trúc 38
2.3.2 Định dạng gói tin 39
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾT VÀ XÂY DỰNG GATEWAY 40
3.1 Tổng quan hệ thống 40
3.1 Thiết kết phần cứng và các lớp phần mềm 41
3.1.1 Thiết kế phần cứng Gateway 41
3.1.2 Thiết kế phần mềm 42
3.2 Thiết kết giao thức điều khiển và các tính năng 44
Trang 53.2.1 Các giao thức điều khiển 44
3.2.2 Các tính năng của Gateway 50
CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 57
4.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm 57
4.2 Chương trình demo tương tác Gateway 58
4.2.1 Giao diện chương trình 58
4.2.2 Mô tả hoạt động của chương trình 60
4.3 Một số kết quả thí nghiệm 61
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69
5.1 Những phát hiện mới 69
5.2 Kết luận và hướng đi 70
Danh mục công bố khoa học của tác giả 71
Tài liệu tham khảo 72
PHỤ LỤC 74
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Trang 7DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 Bảng so sánh năng lượng tiêu thụ 12
Bảng 1 1 Kết quả ghi nhận năng lượng tiêu thụ lưu lượng truyền tải 23
Bảng 4 1 Bảng so sánh phạm vi các Bone node an toàn 65
Bảng 4 2 Mức năng lượng tiêu thụ ở Endnode khi đọc giá trị cảm biến 66
Bảng 4 3 Mức năng lượng tiêu thụ của Bone Node khi chuyển gói tin 66
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1 Sự tăng trưởng thiết bị kết nối vào Internet 11
Hình 1 1 Mô hình mạng cảm biến 15
Hình 1 2 Các mô hình mạng phổ biến 16
Hình 1 3 Mô hình mạng cảm biến sử dụng Gateway kết nối với 5 node cảm biến 18
Hình 1 4 Mô hình mạng cảm biến giả định 19
Hình 1 5 Mô hình ví dụ dạng cấu trúc lưới 20
Hình 1 6 Số lượng gói tin được truyền nhận cho mỗi giao thức 20
Hình 1 7 Mô hình đề xuất dạng cây cho giao thức BLE 21
Hình 1 8 Mô hình kết nối và quá trình giao tiếp giữa M2M device và M2M Gateway 22
Hình 1 9 Kiến trúc của Gateway được đề xuất 24
Hình 1 10 Mô hình thực nghiệm của bài báo, tại chấm đỏ là vị trí node Sink và Gateway 24
Hình 2 1 Kiến trúc cấu tạo của Bluetooth 4.0 29
Hình 2 2 Mô hình giao thức các tầng giao thức của BLE 29
Hình 2 3 Số kênh truyền của BLE 30
Hình 2 4 Quá trình truyền nhận trên các kênh tầng số 31
Hình 2 5 Năm trạng thái của một thiết bị BLE 32
Hình 2 6 Mô hình mạng của BLE 33
Hình 2 7 Cấu trúc gói tin của LE 33
Hình 2 8 Bluetooth profile 34
Hình 2 9 Cấu trúc của Profiles 35
Hình 2 10 Ví dụ mô hình truyền dữ liệu của MQTT 37
Hình 2 11 Mô hình mạng Fish Network 38
Hình 3 1 Hệ thống mạng cảm biến sử dụng Gateway 40
Hình 3 2 Sơ đồ kiến trúc phần cứng của Gateway 41
Hình 3 3 Các thành phần của Raspberry pi 3 41
Hình 3 4 Mô hình phần mềm của Gateway 42
Hình 3 5 Cấu trúc phần mềm chương trình chính của Gateway 43
Hình 3 6 Sơ đồ hoạt động của chương trình chính 44
Hình 3 7 Sơ đồ cơ chế notify 45
Hình 3 8 Ví dụ tái cấu trúc giữa Node A và C khi Node B hết pin 51
Hình 3 9 Sơ đồ thuật toán tái cấu trúc 52
Hình 3 10 Ví dụ tái định hình kết nối giữa node A và B, giữa node B và C 52
Trang 9Hình 3 11 Sơ đồ thuật toán tái định hình 53
Hình 3 12 Mô hình sử dụng Gateway phụ 54
Hình 3 13 So sánh số lượng gói tin của mỗi Bone node khi không có Gateway phụ và có Gateway phụ đối với mô hình mạng có 100 Bone node 55
Hình 3 14 Sơ đồ thuật toán kết nối Gateway phụ 56
Hình 4 1 Mô hình tiến hành thực nghiệm 57
Hình 4 2 Giao diện chương trình demo tương tác Gateway 59
Hình 4 3 Sơ đồ hoạt động của chương trình 61
Hình 4 4 Kết quả trả về của chức năng tìm kiếm node mới 62
Hình 4 5 Kết quả sau khi kết nối thành công đến node BN1 62
Hình 4 6 Chương trình sau khi thực kiện kết nối theo mô hình thực nghiệm 62
Hình 4 7 Giá trị cảm biến nhận từ Gateway 63
Hình 4 8 Gateway nhận thông báo mất kết nối tới node BN3 63
Hình 4 9 Gateway gửi gói tin tìm node mới đến node BN2 có ID là 0300 64
Hình 4 10 Gateway gửi gói tin kết nối đến node BN4 64
Hình 4 11 Kết nối thành công đến node BN4 64
Hình 4 12 Gateway hoàn thành tái cấu trúc 64
Hình 4 13 Phát hiện node BN3 hoạt động trở lại 65
Hình 4 14 Hủy kết nối tạm tới node BN4 65
Hình 4 15 Kết nối tới node BN3 66
Hình 4 16 Mô hình mạng đã được phục hồi sau quá trình tái định hình 66
Trang 10Theo số liệu của Cisco, năm 2010 có 12.5 tỉ thiết bị kết nối vào Internet và dự kiến năm 2020 tăng lên 50 tỉ thiết bị kết nối vào Internet[7]
Hình 1 Sự tăng trưởng thiết bị kết nối vào Internet
Nguồn: Trích dẫn từ Cisco IBSG[6]
Sự tăng trưởng này hứa hẹn xu thế của IoT, cho phép nhiều thiết bị được kết nối vào mạng Internet toàn cầu Với xu thế IoT, các vật dụng và các thiết bị được kết nối không dây với nhau thông qua mạng Internet Từ đó đem đến cho chúng ta rất nhiều ứng dụng hữu ích cho cuộc sống như: thiết bị cá nhân theo dõi sức khỏe, đèn thông minh và một trong những ứng dụng quan trọng là hệ thống mạng cảm biến quản lý
và giám sát nhà thông minh, quản lý và giám sát nông nghiệp sạch
Trang 11Hiện nay, các giao thức hỗ trợ kết nối vào Internet như WIFI, 3G/4G đều cầu có một nguồn lớn, tiêu hao nhiều năng lượng Điều này là không phù hợp cho mạng lưới cảm biến không dây là các thiết bị nhỏ chỉ sử dụng một nguồn năng lượng rất hạn chế Vì vậy các ứng dụng trong một mạng cảm biến sử dụng các thiết bị nhỏ với nguồn pin giới hạn thì rất cần những công nghệ kết nối không dây thay thế khác chẳng hạn như Zigbee, Bluetooth Low Energy Dưới đây là bảng so sánh năng lượng tiêu thu giữa các công nghệ thường được sử dụng trong mạng cảm biến không dây
Bảng 1 Bảng so sánh năng lượng tiêu thụ
Chú thích: Nguồn số liệu được trích dẫn từ [10]
Theo như bảng so sánh trên, ta có thể nhận thấy trong số các công nghệ truyền thông không dây tiêu tốn năng lượng thấp, công nghệ truyền thông không dây Bluetooth Low Energy là tiêu tốn năng lượng rất thấp Công nghệ này đang nổi lên trong thời gian gần đây với rất nhiều cải tiến, hỗ trợ mạnh mẽ trong việc tối ưu năng lượng Đồng thời, chúng cũng được tích hợp sẵn trong các điện thoại, máy tính bảng, máy vi tính chứng tỏ tiềm năng ứng dụng rất to lớn của Bluetooth Low Energy Việc tận dụng kết nối không dây tiêu tốn năng lượng thấp BLE để xây dựng các thiết bị thông minh giám sát đối tượng Ví như về một ngữ cảnh ứng dụng mạng cảm biến không dây trong giám sát ở trang trại trồng nấm Việc giám sát nhiệt độ,
độ ẩm, ánh sáng sẽ ảnh hướng rất lớn đến năng suất của nấm Vì vậy, các thông số này sẽ được các cảm biến thu thập dữ liệu cảm biến được và truyền về người dùng thông qua một mạng lưới cảm biến được kết nối với nhau và kết nối về trung tâm có khả năng gửi dữ liệu lên Internet là rất thuận tiện trong giám sát cho người sử dụng Thông qua đường truyền Internet, người dùng có thể theo dõi và giám sát cũng như điều khiển mạng lưới từ xa mà không cần phải tương tác trực tiếp Với sự phát triển
Trang 12không ngừng của công nghệ, tôi tin chắc rằng, trong tương lai các hệ thống này sẽ ngày càng thông minh hơn, có nhiều tính năng hơn và đều được kết nối vào mạng Internet Từ đó các thiết bị trong mạng sẽ tự trao đổi thông tin với nhau, tự động vận hành, cũng như tự động điều khiển, tương tác lẫn nhau tất cả sẽ tạo thành một
hệ sinh thái thông minh
Mô hình mạng cảm biến sử dụng BLE sẽ giải quyết được vấn đề tiêu thụ năng lượng cho một node cảm biến, tuy nhiên hiện tại BLE không hỗ trợ cho kết nối trực tiếp vào Internet nên việc xây dựng một hệ thống mạng lưới cảm biến không dây sử dụng công nghệ BLE tiêu thụ năng lượng thấp cần kết hợp với một Gateway làm trung tập quản lý và trung gian kết nối giữa mạng cảm biến với Internet là rất cần thiết và cấp bách trong thời đại phát triển Internet hiện nay
Chính vì những lý do trên, trong bài luận văn nay tôi xin trình bày về việc xây dựng một Gateway sử dụng cho một mạng cảm biến không dây phù hợp sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy Cụ thể trong bài luận văn này tôi xin sử dụng mô hình mạng cảm biến không dây dạng cấu trúc xương cá (Fishbone) được đề xuất bởi tác giả Pham Quốc Cường và Lư Văn Thành với bài báo “Xây Dựng Mô Hình Mạng Cảm Biến Không Dây Dựa Trên Công Nghệ Bluetooth 4.0” đã được đăng ký và chấp nhận với Hội Nghị Khoa Học Trẻ UIT được tổ chức tại Trường Đại học Công Nghệ Thông Tin
Việc xây dựng một Gateway tương tác với một mạng cảm biến không dây theo
mô hình dạng xương cá giúp tăng sự linh động và tính uyển chuyển cho cả hệ thống
và đảm bảo tính tức thời cho các dữ liệu cảm biến cần được truyền đi qua Internet Ngoài ra, đối với đề tài còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của xu thế IoT và tính năng của hệ thống mang lại có thể được đem đi áp dụng vào các môi trường khác nhau như việc quản lý nông trại, canh tác, nuôi trồng, nhà thông minh nhằm giảm chi phí, nhân công, sức lực mà còn đem lại hiệu quả kinh tế cao Đây là lý do tôi thực
hiện đề tài “TÌM HIỂU, NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG GATEWAY CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY TECHNOLOGY 4.1”
Trang 13Để dễ dàng nắm bắt nội dung của đề tài, tôi xin trình bày tóm lược những nội dung chính được trình bày trong luận văn như sau:
Chương 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Chương 2 Tổng quan lý thuyết
Chương 3 Thiết kết và xây dựng Gateway
Chương 4 Thực nghiệm và đánh giá
Chương 5 Kết luận và hướng phát triển
Trang 14CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Trong vài năm gần đây, thế giới chuyển mình cùng với thời đại IoT bằng việc các công nghệ truyền thông không dây được tối ưu năng lượng và đặc biệt tối ưu năng lượng cho các thiết nhỏ phù hợp cho mục đích xây dựng các mạng lưới cảm biến Ngày càng có các bài báo liên quan đến việc sử dụng công nghệ BLE trong việc xây dựng mạng cảm biến trên thế giới nói chung và nói riêng ở Việt Nam còn hạn chế các bài báo trong việc sử dụng BLE trong việc xây dựng mạng cảm biến và đặc biệt xây dựng một Gateway cho mạng cảm biến sử dụng BLE Phần dưới tôi xin trình bày các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước liên quan đến luận văn của tôi
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng
Mạng cảm biến không dây là một mạng kết nối các cảm biến lại với nhau có khả năng tương tác với người dùng hoặc hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu Một mạng cảm biến gồm có các thành phần: node cảm biến, node thực thi, node Gateway và hệ thống/người dùng cuối [16]
Hình 1 1 Mô hình mạng cảm biến
Nguồn: Trích dẫn từ [16]
Node cảm biến làm một thành phần quan trọng của mạng cảm biến, cấu tạo phần cứng của chúng gồm 4 phần: nguồn cung cấp, cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát sóng Nguồn cung cấp phải cung cấp năng lượng đủ cho node hoạt động bình thường Khi
bộ cảm biến thu nhận thông tin cảm biến chẳng hạn như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm sẽ
Trang 15gửi về cho bộ xử lý Bộ xử lý sẽ xử lý thông tin và gửi thông tin đi thông qua bộ thu phát sóng Các node cảm biến gửi các thông tin đo đạt được đến các các node khác trong mạng cảm biến thông qua giao thức kết nối có thể là Zigbee, Bluetooth Low Energy và chúng được kết nối thành mô hình mạng kết nối Các dữ liệu được truyền
về trung tâm quản lý có thể là người dùng hoặc một hệ thông giám sát Tại vị trí trung tâm người dùng hay hệ thống giám sát sẽ phân tích dữ liệu thu nhận được đồng thời giám sát hoạt động của các cảm biến bằng các gửi các lệnh thực thi xuống mạng cảm biến Hiên nay có các mô hình mạng phổ biến được sử dụng trong mạng cảm biến không dây như Star network, Tree network, Chain network
a Star network b Tree network c Chain network
Hình 1 2 Các mô hình mạng phổ biến
Nguồn: Trích dẫn từ [16]
Node Gateway trong mô hình mạng cảm biến là một thành phần có chức trung tâm thu nhận dữ liệu cảm biến từ các cảm biến, xử lý chúng và truyển tải về người dùng thông qua internet Một node Gateway được cấu thành từ các thành phần: nguồn cung cấp ổn định, bộ xử lý, bộ nhớ lưu trữ, bộ thu phát sóng Giao thức kết nối của Gateway phải phù hợp với giao thức kết nối của node cảm biến để có thể giao tiếp và hình thành kênh truyền giữa Gateway và các node cảm biến Đồng thời node Gateway phải có khả năng giao tiếp với người dùng thông qua đường truyền internet tạo điều kiện cho người dùng có khả năng giám sát và điều khiển từ xa Một Để thuận tiện trong việc quản lý và giám sát mạng cảm biến, một Gateway cần trang bị khả năng
tự xử lý với các chức năng cấu hình các kết nối của node cảm biến thành một mô hình mạng định sẵn, xử lý các sự cố về mạng khi xảy ra mất kết nối, quy định cách thu thập dữ liệu trong mạng, hướng dẫn đường truyền cho các gói tin truyền đi trong
Trang 16mạng cảm biến, tạo đường truyền tương tác giữa người dùng và các node trong mạng cảm biến
Hiện nay các ứng dụng của mạng cảm biến rất đa dạng trong rất nhiều lĩnh vực như nhà thông minh, nông trại thông minh, y học, môi trường, quân sự và các ứng dụng nhằm mục đích thu thập dữ liệu, theo dõi và dám sát.[13]
- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến không dây có thể là một phần của hệ thống chỉ huy quân sự, điều khiển, truyền thông, giám sát và hệ thống nhắm mục tiêu (C4ISRT)
- Ứng dụng môi trường: Một số ứng dụng của mạng cảm biến bao gồm theo dõi chuyển động của chim, động vật và côn trùng; giám sát các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến cây trồng và vật nuôi; thủy lợi; theo dõi trái đất quy mô lớn và thăm dò hành tinh; phát hiện hợp lý hóa học / sinh học; nông nghiệp chính xác; sinh học và giám sát môi trường biển, khí quyển; phát hiện cháy rừng và nghiên cứu địa vật lý học về khí tượng học; phát hiện lũ; nghiên cứu
ô nhiễm môi trường
- Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe: hỗ trợ người tàn tật, giám sát bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý thuốc trong bệnh viện; giám sát dữ liệu sinh lý con người
và theo dõi và giám sát các bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện
- Nhà thông minh: quản lý xây dựng các hệ thông tự động trong nhà, hình thành
hệ thống tự tương tác giữa các thiết bị trong nhà tạo thành hệ sinh thái nhà thông minh
Theo như các nghiên cứu hiện tại của tôi về mạng cảm biến và các công nghệ sử dụng trong mạng cảm biến thì mạng cảm biến sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy là hứa hẹn nhất vì năng lượng tiêu thụ của nó là thấp nhất so với các công nghệ tương ứng như Zigbee.(Bảng 1.1) Bên cạnh điểm nổi trội về năng lượng tiêu tốn nhưng công nghệ Bluetooth Low Energy còn nhiều khuyết điểm như phạm vi kết nối gần, số lượng thiết bị kết nối trong mô hình mạng bị hạn chế, kết nối peer – peer [7] là rào cản để phát triển mạng cảm biến Tuy nhiên đã có nhiều nghiên cứu đã khắc phục được nhược điểm này của Bluetooth Low Energy Phần sau tôi xin trình bày các nghiên cứu liên quan về mạng cảm biến và đặc biệt là xây dựng node Gateway
Trang 171.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Qua quá trình nghiên cứu và khảo sát, tôi đã thu thập được những nghiên cứu và công bố về những mô hình cảm biến sử dụng công nghệ BLE điển hình như:
- Bài báo “Development Of Wireless Sensor Network Using Bluetooth Low Energy For Construction Noise Monitoring” của tác giả Josie Hughes, Jize Yan và Kenichi Soga[8] Bài báo đã hoàn thành việc xây dựng một mô hình mạng Piconnet với một thiết bị trung tâm là Gateway(Central) kết nối 8 node cảm biến tiếng ồn (PerIDheral) Đây là một mô hình cơ bản được giao thức BLE hỗ trợ Với mô hình này thì số lượng cảm biến bị giới hạn, không có khả năng mở rộng mạng khi cần thiết, không đáp ứng được yêu cầu trong trường hợp số lượng cảm biến lớn để có thể thu thập dữ liệu trong một khu vực lớn hơn Gateway trong mô hình mạng này sẽ được tổ chức một cách đơn giản không cần các giải thuật định tuyến, đánh địa chỉ hay tái cấu trúc mô hình mạng
Hình 1 3 Mô hình mạng cảm biến sử dụng Gateway kết nối với 5 node cảm biến
Nguồn: Mô hình được trích dẫn từ [10]
- Bài báo “Wireless Sensor Networks: Architecture, Protocols” của Swati Sharma, Dr Pradeep Mittal [13] Nêu rõ tới những vấn đề trong việc xây dựng một mạng cảm biến và ứng dụng của mạng cảm biến là rất lớn như lĩnh vực
Trang 18quân sự, lĩnh vực môi trường, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh Bài báo cũng nêu rõ những vấn đề cần phải giải quyết trong một mạng cảm biến không dây: năng lượng tiêu tốn, mô hình trao đổi dữ liệu, khả năng mở rộng mạng và các giải thuật định tuyến cho Gateway sử dụng cho mạng cảm biến Tuy nhiên bài báo chỉ dừng lại ở mức độ đề xuất ý tưởng chưa hiện thực nghiên cứu trên thực tế, và chưa đề xuất đến vấn đề xử lý khi mạng gặp sự cố mất kết nối hoặc giải pháp tối ưu năng lượng cho mạng biến trong quá trình truyền nhận dữ liệu
Hình 1 4 Mô hình mạng cảm biến giả định
đề cập đến 3 giải thuật để routing: Flood routing được sử dụng trong mô hình mạng “CSR mesh” – giao thức đóng của công ty Cambridge Silicon Radio (CSR), Conventional routing và giải thuật đề xuất của bài báo là BLEmesh nhằm cải thiện số lượng truyền tải gói tin so với 2 giải thuật trước Bài báo cũng chỉ tập trung ở đề xuất ý tưởng để tối ưu giải thuật routing trong mạng cảm biến dạng lưới mà chưa đề cập đến việc xây dựng một Gateway hoàn chỉnh cho mạng cảm biến
Trang 19Hình 1 5 Mô hình ví dụ dạng cấu trúc lưới
Trang 20Hình 1 7 Mô hình đề xuất dạng cây cho giao thức BLE
Nguồn: Trích dẫn từ [2]
- Bài báo “Service Environment for Smart Wireless Devices: An M2M Gateway Selection Scheme” của V G Tharinda Nishantha Nidanagama, Daisuke Arai, Tomohiko Ogishi đề xuất xây dựng M2M Gateway[15] với ý tưởng xây dựng một hệ thống các thiết bị M2M được kết nối với một M2M Gateway, từ đó dữ liệu đi vào Internet thông qua Gateway này Đây là một giải pháp thông minh
và đã hoàn thiện cầu nối giữa một thiết bị M2M và ngõ ra Internet được cung cấp bởi M2M Gateway Điều đang chú ý là các thiết bị M2M được trang bị một tính năng tự lựa chọn Gateway tối ưu và phù hợp với M2M để đảm bảm tính ổn định và kết nối, ngoài ra các M2M này cũng có thể sử dụng điện thoại thông minh như một Gateway Điểm hạn chế của bài báo là phải cần nhiều M2M Gateway để có thể phủ khắp các thiết bị M2M nếu như số lượng các thiết bị ngày càng nhiều lên Ngoài ra bài báo là chưa đề cập đến vấn đề xử lý, quản lý của một Gateway với một mạng cảm biến BLE với số lượng node kết nối lớn
Trang 21Hình 1 8 Mô hình kết nối và quá trình giao tiếp giữa M2M device và M2M Gateway
Nguồn: Trích dẫn từ [15]
- Bài báo “Gateway Design for Data Gathering Sensor Networks” của Raluca Musaloiu-E, Razvan Musaloiu-E, Andreas Terzis đề xuất việc xây dựng một Gateway trong việc thu thập dữ liệu từ mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ WIFI và 3G[11] Bài báo đã thể hiện được những nhiệm vụ cơ bản của một Gateway cần sử lý trong mô hình mạng cảm biến là truyền tải dữ liệu
đo đạc được về người dùng, truyền lệnh từ người dùng đến mạng cảm biến,
Trang 22thông báo đến người dùng khi có lỗi xảy ra trong mạng Bên cạnh đó bài báo còn tiến hành thực nghiệm và tiến hành đo đạc nhằm mục đích tối ưu năng lượng tiêu thụ.Việc thực hiện với các công nghệ Wifi và 3G của bài báo là lỗi thời không còn phù hợp trong thời đại hiện nay với sự xuất hiện của các công nghệ tiêu tốn năng lượng thấp
Bảng 1 1 Kết quả ghi nhận năng lượng tiêu thụ lưu lượng truyền tải
Chú thích: Nguồn trích dẫn từ [11]
- Bài báo “The Design and Implementation of A General WSN Gateway for Data Collection” của Newlyn Erratt và Yao Liang đề xuất việc xây dựng một nên tản phần mềm cho Gateway dùng trong mạng cảm biến không dây được xây dựng trên nền công nghệ 802.15.4 – công nghệ truyền thông không dây tốc độ thấp[16] Bài báo đã hiện thực được việc nền tảng của Gateway để thu thập dữ liệu từ các cảm biến Nền tản này có thể sử dụng cho đa số các mạng cảm biến vì Gateway sẽ không liên lạc trực tiếp với mạng cảm biến mà thông qua một node “Sink” chịu trách nhiệm tương tác với mạng cảm biến sử dụng công nghệ không dây bất kỳ, cụ thể bài báo sử dụng công nghệ 802.15.4 Đây
là một ưu điểm của đề tài vì có thể sử nền tản phần mềm này của Gateway cho tất các mô hình tuy nhiên phải xây dựng node “Sink” khi mạng cảm biến sử dụng công nghệ truyền thông khác Tuy nhiên bài báo cũng chỉ mới thực hiện được việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến mà chưa có giải pháp xử lý đầy đủ
Trang 23cho Gateway như xử lý sự cố mạng, nhận lệnh từ người dùng gửi đến mạng cảm biến, thông báo đến người dùng khi có sự cố trong mạng
Hình 1 9 Kiến trúc của Gateway được đề xuất
Nguồn: Trích dẫn từ [16]
Hình 1 10 Mô hình thực nghiệm của bài báo, tại chấm đỏ là vị trí node Sink và Gateway
Nguồn: Trích dẫn từ [16]
Trang 241.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay lĩnh vực nghiên cứu về ứng dụng công nghệ Bluetooth Low Energy còn chưa phát triển ở nước ta, đa phần tập trung vào các thiết bị đeo y tế, chăm sóc sức khỏe được nhập về từ nước ngoài Bên cạnh đó cũng có một số nghiên cứu về công nghệ Bluetooth nhưng với những phiên bản cũ 2.x hay 3.x Các nghiên cứu tập trung vào kết nối một một thay vì kết nối theo một mô hình mạng So với các công nghệ trước đây của Bluetooth gây tiêu hao năng lượng lớn thì Bluetooth Low Energry 4.0
ra đời năm 2013 là một cải tiến rất lớn về tối ưu năng lượng, tối ưu được kết nối thông minh và truyền dữ liệu Đối với đề tài thì đây là một cơ hội lớn nhưng cũng đầy thách thức vì còn rất nhiều công nghệ mới cần phải nghiên cứu, tìm hiểu sâu để có thể nắm vững và ứng dụng vào bài toán thực tế tại Việt Nam
1.3 Tổng quan về đề tài
1.3.1 Hướng giải quyết các vấn đề hạn chế của đề tài
Nhìn chung tình hình nghiên cứu về BLE trên thế giới và trong nước đa phần tập trung về xây dựng mạng cảm biến, đề xuất về kiến trúc của một mạng cảm biến, giải thuật định tuyến cho mạng[13][7][10] mà chưa đề cập hay hiện thực một Gateway có đầy đủ tính năng để xử lý, quản lý mạng cảm biến đó và quản lý đầu vào Internet cho mạng cảm biến Bên cạnh đó cũng có những đề tài nghiên cứu chuyên sâu vào việc xây dựng những Gateway cung cấp ngõ vào Internet cho các đối tượng cảm biến hay đối tượng cần tương tác với người dùng thông qua Internet[15] Tuy nhiên những nghiên cứu này chưa thực sự phù hợp với một Gateway được xây dựng để có thể quản một số lượng lớn các thiết bị và cũng chưa có giải pháp cho một mạng cảm biến có khả năng mở rộng mạng hay tính linh động trong mạng
Hiện nay với những phát hiện và nghiên cứu trong bài báo “Xây Dựng Mô Hình Mạng Cảm Biến Không Dây Dựa Trên Công Nghệ Bluetooth 4.0”[1] mà tôi sẽ đề cập trong Chương 2, đã hình thành một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Bluetooth Low Energy 4.0 tận dụng ưu điểm tiêu tốn năng lượng thấp và đồng thời cung cấp khả năng dễ dàng mở rộng mô hình mạng theo mô hình đề xuất
là Fishbone nhằm tăng số lượng kết nối và phạm vi hoạt động của mạng cảm biến
Trang 25Từ những hạn chế và những cải tiến mới, trong đề tài này tôi xin đề xuất nghiên cứu về xây dựng một Gateway hoàn thiện đáp ứng khả năng quản lý, định tuyến, xử
lý sự cố mạng và tương tác với mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ BLE được tổ chức theo mô hình Fishbone Đồng thời đề cập việc xây dựng ngõ vào Internet nhằm cung cấp khả năng tương tác giữa người dùng và mạng cảm biến thông qua Internet
1.3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu của đề tài
Việc xây dựng một Gateway sẽ giải quyết được những vấn đề sau:
- Giải quyết vấn đề điều hành, giao tiếp với một mạng lưới cảm biến không dây
sử công nghệ BLE theo mô hình mạng dạng lưới hay mô hình “Fishbone network”
Phương pháp: Nghiên cứu nắm vững giao thức của BLE, trực tiếp tham gia nghiên cứu hình thành mô hình mạng Fishbone, nghiên cứu những bài báo, công trình nghiên cứu đã có trước để học hỏi những ưu điểm
và khắc phục hạn chế Nghiên cứu bộ thư viện mã nguồn mở của BLUEZ để hiện thực phần giao tiếp giữa Gateway và mạng Fishbone
- Xây dựng các giải thuật quản lý, định tuyến và đặc biệt là khả năng tái cấu trúc, tái định định hình cho mạng cảm biến nhằm đảm bảo tính linh động của mạng, tính ổn định, xử lý các sự cố trong mạng cho hệ thống mạng Fishbone
Phương pháp: Nghiên cứu phần cứng đáp ứng cho một Gateway của mạng cảm biến sử dụng công nghệ BLE, nghiên cứu các nền tảng mã nguồn mở để hiện thực phần mềm cho Gateway Hiện thực các giao thức cơ bản như kết nối đọc dữ liệu của Fishbone theo định dạng gói tin của Fishbone Từ đó nghiên cứu và thiết kết lớp phần mềm quản lý của Gateway từ những giao thức cơ bản đã nghiên cứu trước, vận hành giả định cách trường hợp có thể xảy ra trong mạng cảm biến từ đó xây dựng giải thuật để xử lý các trường hợp
- Giải quyết vấn đề cung cấp đường truyền Internet thường trực cho mạng lưới cảm biến, để tiếp nhận kịp thời các tín hiệu cảm biến gửi ra ngoài Internet và nhận các lệnh từ Internet xử lý và gửi về cho từng cảm biến
Trang 26 Phương pháp: Nghiên cứu các giao thức truyền tin thông qua internert tới người dùng, cụ thể là nghiên cứu cài đặt giao thức MQTT – là giao thức tôi sử dụng để cung cấp ngõ vào ra Internet cho Gateway
- Cung cấp giao diện để quản lý mạng cảm biến cho người dùng thông qua ngõ vào Internet của Gateway
Phương pháp: Nghiên cứu hiện thực giao diện quản lý cho người dùng dựa trên những giao thức đã được thực hiện trước đó của Gateway Ngoài ra xây dựng mô hình thử nghiệm thực tế từ đó điều chỉnh lại toàn
bộ hệ thống để tăng tính ổn định và khả năng ứng dụng thực tế
- Tối ưu năng lượng cho mạng cảm biến Fishbone bằng cách tối ứu số lượng gói tin truyền qua các node trung gian Khi mô hình mạng cảm biến lớn dần thì việc truyền dữ liệu từ những node cuối về Gateway chính sẽ phải đi qua rất nhiều node trung gian trước đó, điều nay có thể gây tiêu tốn năng lượng nhiều cho các node trung gian và làm chậm khả năng truyền nhận giữa node cuối và Gaeway chính vì vậy việc tối ưu năng lượng cho mạng cảm biến Fishbone là điều cần thiết
Phương pháp: Xây dựng Gateway có khả năng hoạt động như Gateway phụ, có khả năng kết nối và giữa mô hình mạng Fishbone, từ đó các dữ liệu từ node cuối không cần phải truyền về tất cả các node trung gian
mà chỉ cần truyền về Gateway phụ Từ đó Gateway phụ sẽ chuyển các gói tin về Gateway như một ngõ “tắt” giữa node truyền dữ liệu và Gateway chính
Trang 27CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết về BLE
2.1.1 Sơ lược kiến trúc hệ thống và các giao thức
Trải qua các giai đoạn phát triển, công nghệ Bluetooth đang dần được tối ưu về tốc độ truyền dữ liệu cũng như năng lượng tiêu thụ Với những phiên bản đầu tiên của Bluetooth từ 1.0 đến phiên bản 3.0 là những cải tiến về tốc độ truyền tải Năm
2010, là sự ra đời của Bluetooth Low Energy phiên bản 4.0 tích hợp những tính năng của các phiên bản trước và được cải tiến với khả năng tiêu tốn năng lượng thấp
Dưới đây là bảng thể hiện mức tiêu thụ năng lượng của chID Bluetooth Low Energy dựa theo chID CC2650 của Texas Instrument
Bảng 2.1 Năng lượng tiêu thụ của chID CC2650
Chú thích: Nguồn số liệu được trích dẫn từ [14]
Bluetooth là công nghệ không dây giao tiếp trong phạm vi gần với mục đích thay thế các kết nối có dây Những tính năng nổi bật của Bluetooth là kết nối ổn định, tiêu thụ năng lượng thấp, chi phí thấp và phù hợp với nhiều loại ứng dụng khác nhau Bluetooth có thể chia làm 2 loại: Basic rate(BR) và Low energy(LE), cả 2 hệ thống này đều hoạt động cùng một phương thức nhưng được tối ưu theo những mục đích khác nhau Trong khi BR thường ứng dụng cho các ứng dụng cần băng thông truyền tải lớn thì LE tập trung ứng dụng vào các ứng dụng yêu cầu năng lượng thấp và băng thông không quá cao Tùy theo từng trường hợp, ứng dụng mà một số thiết bị có tích
Trang 28hợp cả 2 hệ thống BR và LE hoặc chỉ cần hệ thống LE Trong giới hạn đề tài, tôi chỉ xin trình bày về hệ thống LE
Một hệ thống cấu tạo của Bluetooth có thể được chia thành 2 bộ phận là: 1 Host và 1 hoặc nhiều Controller
Hình 2 1 Kiến trúc cấu tạo của Bluetooth 4.0
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
- Phần Host gồm: các lớp từ HCI đến dưới lớp ứng dụng của người dùng
- Phần Controller: lớp link layer và physical layer cùng HCI
Hình 2 2 Mô hình giao thức các tầng giao thức của BLE
Nguồn: Trích dẫn từ [5]
Physical layer: Quản lý các kênh truyền, tầng số, truyền và nhận các gói tin trên các kênh truyền vật lý, đồng bộ kênh truyền để thiết lập kết nối
Trang 29 Link Layer: Quản lý các liên kết giữa các thiết bị, phân luồng các gói tin, hình thành các phương thức giao tiếp mã hóa và giải mã các gói tin với các thiết bị tránh đụng độ
Host controller interface(HCI): là lớp trung chuyển giữa Host và Controller
Logical link Control and Adaptation protocol: Cung cấp phương thức cho lớp trên phân rã dữ liệu thành các gói dữ liệu nhỏ để gửi đi hay tái ghép các gói
dữ liệu thành một dữ liệu hoàn chỉnh
Security Manager(SMP): Cung cấp cơ chế bảo mật cho Bluetooth, nó sẽ sinh
ra key mã hóa để động bộ trong quá trình kết nối
Attribute Protocol(ATT): Hoạt động theo cơ chế peer-to-peer giữa 2 thành phần là ATT server và ATT client Client sẽ gửi yêu cầu đến Server để đọc dữ liệu từ Server hay thay đổi giá trị của Server
Generic Attribute Profile(GATT): được trình bày ở phần xxx
Generic Access Profile(GAP): được trình bày ở phần xx
2.1.2 Kênh truyền, hoạt động và trạng thái của một thiết bị BLE
Bluetooth LE có 40 kênh truyền, trong đó có 3 kênh giành cho kênh quảng bá, còn lại 37 kênh truyền giành cho truyền nhận dữ liệu
Hình 2 3 Số kênh truyền của BLE
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
Trang 30Các kênh truyền dữ liệu được chia thành các đơn vị thời gian, mỗi đơn vị thời gian được gọi là một sự kiện Mỗi gói tin truyền đi được bố trí vào mỗi sự kiện này Các sự kiện này được chia làm 2 loại:
- Sự kiện quảng bá sử dụng 3 kênh truyền quảng bá, các thiết bị phát gói tin qua kênh truyền quảng bá được gọi là advertiser và các thiết bị nhận các gói tin qua kênh truyền này được gọi là scaner Việc truyền tải thông qua các kênh truyền này được thực hiện theo các sự kiện gọi là advertising
- Sự kiện kết nối sử dụng 37 kênh truyền còn lại: Để hình thành việc thiết lập kết nối giữa 2 thiết bị thì một thiết bị sẽ thu thập gói tin connectable trên kênh truyền quảng bá – thiết bị này được gọi initiators Các initiators này sẽ gửi yêu cầu thiết lập kết nối đến advertiser Sau khi các advertiser chập nhận yêu cầu thì sự kiện quảng bá sẽ kết thúc và nhường chỗ cho sự kiện kết nối Khi một kết nối được hình thành thì nghĩa là một thiết bị sẽ trở thành Master(thiết bị chuyển từ initiator sang Master) và một thiết bị sẽ trở thành Slaver(thiết bị chuyển từ advertiser sang Slaver), chúng sẽ sử dụng kênh truyền dữ liệu để truyền các gói tin
a Quá trình truyền nhận trên kênh truyền quảng bá
b Quá trình truyền nhận trên kênh truyền dữ liệu Hình 2 4 Quá trình truyền nhận trên các kênh tầng số
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
Trang 312.1.3 Trạng thái hoạt động của BLE
Hình 2 5 Năm trạng thái của một thiết bị BLE
- Trạng thái Scanning: thu thập các gói tin quảng bá
- Trạng thái Initiating: Khởi tạo quá trình kết nối, một thiết bị sẽ gửi gói tin yêu cầu đến thiết bị đang quảng bá để hình thành kết nối
- Trạng thái Connection: Khi hai thiết bị kết nối và truyền dữ liệu qua lại
2.1.4 Mô hình mạng của giao thức Bluetooth Low Energy
Mô hình mạng của BLE được hỗ trợ là Piconet, một Master có thể kết nối tới một Slaver hay nhiều Slave để hình thành một mạng hình sao
Trang 32Hình 2 6 Mô hình mạng của BLE
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
2.1.5 Cấu trúc gói tin sử dụng hệ thống LE
Hình 2 7 Cấu trúc gói tin của LE
- Access Address: dùng cho gói tin quảng bá có giá trị: 10001110100010011011111011010110b Nếu dùng cho gói tin dữ liệu trao đổi sau kết nối thì nó sẽ mang một giá trị ngẫu nhiên do quá trình khởi tạo kết
Trang 33nối hình thành, để xác định các đường truyền cho mỗi Slave kết nối vào chung
1 master
- MIC: chứa thông tin đảm bảo tính toàn vẹn của gói tin
- CRC: chứa thông tin CRC của gói dữ liệu
- PDU header: chứa thông tin header của gói dữ liệu
- L2CAP header: chứa thông tin Header của gói tin L2CAP
- ATT opcode: Opcode sử dụng cho lớp ATT
2.1.6 Các thành phần phần mềm của BLE
Kiến trúc ứng dụng của BLE được tổ chức theo các profiles Tùy thuộc vào chức năng của mỗi profiles sẽ yêu cầu các lớp của hệ thống bluetooh hoặc kết hợp với một lớp giao thức bên ngoài
Hình 2 8 Bluetooth profile
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
Người dùng có thể tùy ý phát triển thiết bị bluetooth bằng việc xây dựng các profile cho mỗi thiết bị Mỗi thiết bị tạo ra đều được tổ chức theo dạng profile và phải kèm theo profile GAP cho mỗi thiết bị
Trang 34a Kiến trúc của một profile
b Ví dụ cấu trúc của GATT profiles Hình 2 9 Cấu trúc của Profiles
Nguồn: Trích dẫn từ [4]
Generic Access Profile(GAP)
GAP quy định 4 vai trò của một thiết bị BLE:
- Vai trò Broadcaster: được tối ưu cho mục đích truyền đi gói tin thông qua kênh truyền quảng bá và không hổ trợ khả năng nhận kết nối
- Vai trò Observer: được tối ưu cho các ứng dụng thu thập các gói tin được gửi
từ Broadcaster và không hỗ trợ khả năng thiết lập kết nối
Trang 35- Vai trò PerIDheral: là thiết bị hỗ trợ một kết nối duy nhất đến nó Có thể xem
nó như một Slave sau khi đã thiết lập kết nối với Master
- Vai trò Central: Là thiết bị hỗ trợ nhiều kết nối đến nhiều PerIDeral Có thể xem như một Master sau khi đã thiết lập kết nối tới Slave
Generic Attribute Profile(GATT)
GATT sử dụng giao thức ATT để quy định cách thức 2 thiết bị có thể trao đổi dữ liệu với nhau thông qua hai khái nhiệm là Service và Characteric Tùy thuộc vào mục đích và vai trò của từng thiết bị, GATT chia thành hai loại: GATT Server và GATT Client Các thiết bị có vai trò cung cấp dữ liệu, tạo ra dữ liệu sẽ được hiện thực GATT Server, các thiết bị có vai trò thu thập, đọc dữ liệu mà GATT Server tạo ra thì sẽ hiện thực GATT Client
- Chacracteric: Dữ liệu của thiết bị được đóng gói bằng các Attributes và được
tổ chức thành Chacracteric Ứng với mỗi Characteric sẽ quy định về thuộc tính quyền đọc/ghi, cách truy cập dữ liệu
- Services: gồm nhóm các Chacracterics được đại diện cho một chức năng hay một đặc trưng thiết bị Ví dụ như một cảm biến đo ánh sáng, thì service của nó
sẽ có là “cảm biến ánh sáng”, với một character là “ánh sáng” gồm nhiều attribute Trong đó sẽ có 1 Attribute chứa thông số cảm biến đo được, 1 attribute chứa thông tin quyền đọc ghi dữ liệu, một Attribute chứa thông tin
mô tả về giá trị chứa trong Characteric này
2.2 Cơ sở lý thuyết giao thức MQTT
Ngày nay trong thời đại của IoT, với sự gia tăng hàng trăm, hàng ngàn thiết bị ứng dụng cho nhà thông minh, các ngành công nghiệp nông nghiệp dẫn đến rất cần thiết một giao thức giúp theo dõi và giám sát số lượng lớn các thiết bị này Giao thức HTTP được biết đến là một giao thức cung cấp khả năng giám sát từ xa, phân tích và truyền tải số lượng lớn dữ liệu từ các cảm biến Tuy nhiên giao thức này tiêu tốn nhiều năng lượng, hiệu quả truyền tải thấp và không thể sử dụng băng thông một cách hiệu quả Các giao thức như MQTT, AMQP và CoAP có khả năng xử lý truyền tải
dữ liệu trong điều khiện băng thông thấp, điều kiện mạng bị giới hạn Trong bài luận
Trang 36văn này, tôi sẽ sử dụng giao thức MQTT để thực hiện việc truyền tải lưu lượng dữ liệu từ mạng cảm biến BLE đến người dùng và ngược lại
MQTT được thiết kế bởi IBM theo dạng publish/subscribe với mục đích sử dụng trong vùng mạng băng thông thấp, độ trễ cao và không ổn định [8] Giao thức gồm
có một trung tâm Broker và 2 dạng Client là Publisher client và Subscribler client Trong đó Broker hoạt động với vai trò là một trung tâm trung chuyển và điều phối gói tin giữa 2 lại client này dự trên một nhãn gọi là Topic – được Subscribler client đăng ký với Borker, còn Publisher client sẽ gửi thông tin đến Brober kèm với nhãn Topic
Hình 2 10 Ví dụ mô hình truyền dữ liệu của MQTT
Nguồn: Trích dẫn từ [12]
Để đảm bảo tính ổn định và tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu, giao thức MQTT hỗ trợ 3 cấp độ QoS Với 3 cấp độ này sẽ đảm bảo việc truyền gửi gói tin từ một client đến client khác
Cấp độ QoS 0: chỉ gửi gói tin một lần duy nhất và không cần kiểm tra là gói tin đã tới đích hay chưa
Cấp độ QoS 1: Gửi gói tin ít nhất là một lần và kiểm tra gói tin đã tới đích hay chưa
Cấp độ QoS 2: Đảm bảo đúng một gói tin đến đích