Một Số Kỹ Thuật Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Của Mạng Cảm Biến Không Dây Ứng Dụng Trong Điều Khiển Và Giám Sát Môi Trường Nhà Kính

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Việt Bình
• Trường học: Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Kỹ Thuật Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 1.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
• 1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây
• 1.3. Lớp liên kết dữ liệu
• 1.4. Lớp truyền tải
• 1.5. Lớp ứng dụng
• 1.6. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN
• 1.7. Cấu trúc mạng cảm biến không dây
• 1.8. Các tham số đánh giá hiệu quả của giao thức định tuyến
• 1.9. Một số thách thức trong định tuyến của mạng cảm biến không dây
• 1.10. Vấn đề tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây
• 1.11. Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây
• 1.11.1. Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp
• 1.11.2. Ứng dụng trong y tế
• 1.11.3. Ứng dụng trong giám sát môi trường
• 1.11.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông
• 1.11.5. Ứng dụng trong gia đình
• 2. CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 2.1. Thuật toán định tuyến SPIN-EC
• 2.2. Thuật toán định tuyến LEACH
• 2.3. Thuật toán định tuyến CTP
• 2.4. Thuật toán định tuyến AODV
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH
• 3.1. Mô hình nhà kính thử nghiệm
• 3.2. Thiết lập hệ thống
• 3.3. Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát môi trường nhà kính
• 3.4. Thuật toán cài đặt trên các nút
• 3.5. Kết quả thử nghiệm
• 3.6. Giao diện phần mềm
• 3.7. Phần cứng của hệ thống giám sát môi trường nhà kính
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Khái Niệm Ứng Dụng

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một thế hệ mạng mới, phát triển nhờ sự tiến bộ trong công nghệ vi điện tử, mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến và xử lý tín hiệu. WSN có thể hiểu là mạng của các đối tượng thông minh, mỗi nút mạng bao gồm bộ thu phát vô tuyến, vi xử lý và cảm biến. Các nút này liên kết với nhau thông qua giao tiếp không dây, thường có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng và tiêu thụ ít năng lượng. WSN được triển khai rộng rãi trong các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông và nông nghiệp. Một trong những thách thức lớn nhất của WSN là tiết kiệm năng lượng, vì các nút thường sử dụng pin và hoạt động trong thời gian dài. Nghiên cứu chỉ ra rằng hơn 70% năng lượng tiêu hao trong WSN là do quá trình truyền thông. Vì vậy, định tuyến tối ưu năng lượng là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Chính vì vậy, đề tài "Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng của mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính" được lựa chọn nghiên cứu.

1.1. Đặc Điểm Nổi Bật Của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Mạng cảm biến không dây (WSN) có nhiều đặc điểm khác biệt so với các mạng thông thường. Thứ nhất, WSN thường được triển khai trên phạm vi rộng với số lượng nút lớn, phân bố ngẫu nhiên và có khả năng di chuyển. Điều này đòi hỏi WSN phải có sơ đồ mạng linh động, các nút có khả năng tự điều chỉnh và cấu hình. Thứ hai, WSN không sử dụng các giao thức truyền thông phổ biến như 802.11 mà cần cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng. Cuối cùng, do giới hạn về năng lượng, giá thành và yêu cầu hoạt động lâu dài, tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất. Các nút có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và có thể di động, gây phức tạp cho việc định tuyến. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả là chủ đề nghiên cứu quan trọng.

1.2. Kiến Trúc Giao Thức Mạng Cảm Biến Không Dây WSN Chi Tiết

Kiến trúc giao thức của WSN bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này giúp các nút làm việc hiệu quả, định tuyến dữ liệu trong mạng di động và chia sẻ tài nguyên. Các mặt phẳng quản lý bao gồm: quản lý công suất, quản lý di động và quản lý. Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến, phương thức điều chế và mã hóa tín hiệu. Lớp liên kết dữ liệu (MAC) kiểm soát truy cập vào kênh truyền vô tuyến. Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu. Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói. Lớp ứng dụng xây dựng và sử dụng các ứng dụng khác nhau tùy theo nhiệm vụ cảm biến. Kiến trúc giao thức được áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.

II. Phân Loại Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Cảm Biến WSN

Có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSN). Các giao thức này có thể được phân loại thành bốn nhóm chính: định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ (QoS). Trong định tuyến phẳng, tất cả các nút đều có vai trò ngang nhau. Trong định tuyến phân cấp, các nút được tổ chức thành các cụm, với các nút chủ cụm chịu trách nhiệm thu thập và tổng hợp dữ liệu. Định tuyến dựa vào thông tin vị trí sử dụng thông tin vị trí của các nút để đưa ra quyết định định tuyến. Định tuyến dựa vào QoS cố gắng đảm bảo một mức chất lượng dịch vụ nhất định cho các luồng dữ liệu. Bên cạnh đó, Zigbee cũng được sử dụng phổ biến với ưu điểm tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, có thể dùng được trong các mạng mắt lưới. Kỹ thuật định tuyến của Zigbee cũng được thiết kế ở tầng mạng với kỹ thuật như AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector).

2.1. Định Tuyến Phẳng Ưu Điểm Nhược Điểm và Các Giao Thức

Định tuyến phẳng là một phương pháp định tuyến trong WSN, trong đó tất cả các nút đều có vai trò ngang nhau và không có sự phân cấp. Các nút giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc thông qua các nút trung gian. Ưu điểm của định tuyến phẳng là đơn giản, dễ triển khai. Nhược điểm là không hiệu quả trong các mạng lớn, tiêu thụ nhiều năng lượng. Các giao thức định tuyến phẳng phổ biến bao gồm: SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation), Directed Diffusion và Rumor Routing. SPIN sử dụng cơ chế quảng bá thông tin để tìm đường đi. Directed Diffusion sử dụng các thuộc tính của dữ liệu để định tuyến. Rumor Routing sử dụng các tin đồn để tìm đường đi.

2.2. Định Tuyến Phân Cấp Cấu Trúc Cụm và Nút Chủ Cụm

Định tuyến phân cấp là một phương pháp định tuyến trong WSN, trong đó các nút được tổ chức thành các cụm. Mỗi cụm có một nút chủ cụm (cluster head), chịu trách nhiệm thu thập và tổng hợp dữ liệu từ các nút thành viên trong cụm. Dữ liệu sau đó được truyền đến trạm gốc. Ưu điểm của định tuyến phân cấp là tiết kiệm năng lượng, tăng tuổi thọ mạng. Nhược điểm là phức tạp hơn định tuyến phẳng, đòi hỏi quản lý cụm hiệu quả. Các giao thức định tuyến phân cấp phổ biến bao gồm: LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) và HEED (Hybrid, Energy-Efficient Distributed clustering). LEACH chọn nút chủ cụm ngẫu nhiên dựa trên xác suất. HEED chọn nút chủ cụm dựa trên năng lượng còn lại và khoảng cách đến các nút khác.

III. Các Tham Số Đánh Giá Hiệu Quả Giao Thức Định Tuyến WSN

Để đánh giá hiệu quả của một giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây (WSN), cần xem xét một số tham số quan trọng. Các tham số này bao gồm: tiêu thụ năng lượng, tuổi thọ mạng, độ trễ truyền tin, tỷ lệ mất gói tin và độ tin cậy. Tiêu thụ năng lượng là lượng năng lượng mà các nút trong mạng tiêu thụ trong quá trình truyền thông. Tuổi thọ mạng là thời gian mà mạng có thể hoạt động trước khi một số lượng lớn các nút hết năng lượng. Độ trễ truyền tin là thời gian cần thiết để một gói tin được truyền từ nguồn đến đích. Tỷ lệ mất gói tin là tỷ lệ các gói tin bị mất trong quá trình truyền. Độ tin cậy là khả năng của mạng để đảm bảo rằng các gói tin được truyền đến đích một cách chính xác. Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp cần cân nhắc các tham số này.

3.1. Tiêu Thụ Năng Lượng Yếu Tố Quan Trọng Hàng Đầu Trong WSN

Tiêu thụ năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần xem xét khi thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây (WSN). Do các nút cảm biến thường hoạt động bằng pin, việc giảm thiểu tiêu thụ năng lượng là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ mạng. Các yếu tố ảnh hưởng đến tiêu thụ năng lượng bao gồm: khoảng cách truyền tin, số lượng gói tin được truyền, độ phức tạp của giao thức định tuyến và trạng thái hoạt động của các nút (truyền, nhận, ngủ). Các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng thường sử dụng các kỹ thuật như: định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào vị trí và điều chỉnh công suất truyền.

3.2. Tuổi Thọ Mạng Các Phương Pháp Kéo Dài Thời Gian Hoạt Động

Tuổi thọ mạng là một tham số quan trọng khác trong WSN, thể hiện thời gian mạng có thể hoạt động ổn định. Tuổi thọ mạng thường được định nghĩa là thời gian cho đến khi nút đầu tiên hoặc một tỷ lệ nhất định các nút trong mạng hết năng lượng. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ mạng bao gồm: tiêu thụ năng lượng của các nút, dung lượng pin, số lượng nút trong mạng và cấu trúc mạng. Các phương pháp kéo dài tuổi thọ mạng bao gồm: sử dụng các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng, điều chỉnh công suất truyền, sử dụng các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng (ví dụ: chế độ ngủ) và triển khai các nút thay thế.

IV. Các Thuật Toán Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Tiêu Biểu Trong WSN

Có rất nhiều thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây (WSN). Một số thuật toán tiêu biểu bao gồm: SPIN-EC, LEACH, CTP và AODV. SPIN-EC (Sensor Protocols for Information via Negotiation - Energy Conservation) là một giao thức định tuyến dựa trên thương lượng, giúp giảm thiểu lượng dữ liệu dư thừa được truyền trong mạng. LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một giao thức định tuyến phân cấp, giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách tổ chức các nút thành các cụm. CTP (Collection Tree Protocol) là một giao thức định tuyến dựa trên cây, được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến về trạm gốc. AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, được sử dụng để thiết lập các đường đi giữa các nút khi cần thiết. Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết hơn một số kỹ thuật định tuyến tiêu biểu.

4.1. Thuật Toán Định Tuyến SPIN EC Cơ Chế Thương Lượng và Tiết Kiệm Năng Lượng

SPIN-EC là một giao thức định tuyến dựa trên thương lượng, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong WSN. Giao thức này hoạt động bằng cách yêu cầu các nút quảng bá thông tin về dữ liệu mà chúng có sẵn. Các nút khác có thể yêu cầu dữ liệu này nếu chúng quan tâm. SPIN-EC giúp giảm thiểu lượng dữ liệu dư thừa được truyền trong mạng bằng cách chỉ truyền dữ liệu khi có nhu cầu thực sự. SPIN-EC được coi là một trong những thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng hiệu quả. Các bước bắt tay của thuật toán SPIN-EC được trình bày trong hình 9.

4.2. Thuật Toán Định Tuyến LEACH Phân Cụm Thích Ứng và Giảm Tiêu Thụ Năng Lượng

LEACH là một giao thức định tuyến phân cấp, được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong WSN. Giao thức này hoạt động bằng cách tổ chức các nút thành các cụm, với mỗi cụm có một nút chủ cụm (cluster head). Các nút thành viên trong cụm truyền dữ liệu đến nút chủ cụm, nút chủ cụm sau đó tổng hợp dữ liệu và truyền đến trạm gốc. LEACH giúp giảm thiểu khoảng cách truyền tin và phân phối gánh nặng năng lượng giữa các nút, từ đó kéo dài tuổi thọ mạng. LEACH là một trong những giao thức định tuyến tối ưu năng lượng phổ biến nhất. Các bước của thuật toán LEACH được trình bày trong hình 10.

V. Ứng Dụng Thuật Toán Định Tuyến AODV Trong Hệ Thống Nhà Kính

Chương 3 của luận văn tập trung vào ứng dụng thuật toán định tuyến AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector) trong hệ thống điều khiển và giám sát môi trường nhà kính. AODV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, có nghĩa là nó chỉ thiết lập các đường đi giữa các nút khi cần thiết. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu lưu lượng điều khiển trong mạng. Trong hệ thống nhà kính, AODV được sử dụng để thiết lập các đường đi giữa các cảm biến (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm) và trạm gốc, cho phép dữ liệu được truyền tải một cách hiệu quả. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sẽ được trình bày chi tiết.

5.1. Mô Hình Nhà Kính Thử Nghiệm và Thiết Lập Hệ Thống Cảm Biến

Mô hình nhà kính thử nghiệm được xây dựng để đánh giá hiệu quả của thuật toán AODV trong môi trường thực tế. Hệ thống cảm biến được thiết lập bao gồm các nút cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) và một trạm gốc. Các nút cảm biến được phân bố khắp nhà kính để thu thập dữ liệu môi trường. Trạm gốc thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến và hiển thị thông tin cho người dùng. Sơ đồ khối của nút cảm biến được trình bày trong hình 18.

5.2. Kết Quả Thử Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Quả AODV Trong Nhà Kính

Kết quả thử nghiệm cho thấy rằng thuật toán AODV hoạt động hiệu quả trong hệ thống nhà kính. AODV có thể thiết lập các đường đi giữa các cảm biến và trạm gốc một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tỷ lệ mất gói tin thấp và độ trễ truyền tin chấp nhận được. Tuy nhiên, AODV cũng có một số hạn chế, chẳng hạn như tiêu thụ năng lượng tương đối cao. Cần có các giải pháp để tối ưu hóa năng lượng của AODV trong môi trường nhà kính.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về WSN

Luận văn đã trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSN), các giao thức định tuyến và các thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng. Đề tài cũng đã ứng dụng thuật toán AODV trong hệ thống điều khiển và giám sát môi trường nhà kính và đánh giá hiệu quả của thuật toán này. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng WSN có tiềm năng lớn trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết, chẳng hạn như tiết kiệm năng lượng, đảm bảo độ tin cậy và bảo mật của dữ liệu.

6.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai Về WSN

Trong tương lai, có nhiều hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực WSN. Một số hướng nghiên cứu chính bao gồm: phát triển các giao thức định tuyến tối ưu năng lượng mới, nghiên cứu các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng, phát triển các giải pháp bảo mật cho WSN, tích hợp WSN với các công nghệ khác (ví dụ: Internet of Things, Cloud Computing) và ứng dụng WSN trong các lĩnh vực mới (ví dụ: y tế, nông nghiệp thông minh).

6.2. Tối Ưu Hóa Năng Lượng và Bảo Mật Cho Mạng Cảm Biến WSN

Tối ưu hóa năng lượng và bảo mật là hai vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong WSN. Để tối ưu hóa năng lượng, cần phát triển các giao thức định tuyến và các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng hiệu quả hơn. Để bảo mật dữ liệu, cần phát triển các giải pháp mã hóa và xác thực mạnh mẽ. Ngoài ra, cũng cần nghiên cứu các giải pháp để bảo vệ WSN khỏi các cuộc tấn công từ bên ngoài.