Luận Văn Thạc Sĩ Về Kỹ Thuật Định Tuyến Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Ứng Dụng Trong Nhà Kính

Khám phá các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Việt Bình
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin & Truyền Thông
• Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 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

Tóm tắt

I. Tổng quan về Kỹ Thuật Định Tuyến Tối Ưu Trong Mạng Cảm Biến Không Dây

Kỹ thuật định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây (WSN) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đặc biệt trong ứng dụng cho nhà kính. Mạng cảm biến không dây cho phép thu thập dữ liệu từ môi trường một cách hiệu quả, giúp cải thiện năng suất nông nghiệp. Việc tối ưu hóa định tuyến không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao độ tin cậy trong truyền thông.

1.1. Định nghĩa và vai trò của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là hệ thống các nút cảm biến được kết nối với nhau để thu thập và truyền tải dữ liệu. Vai trò của nó trong nông nghiệp thông minh là rất lớn, giúp theo dõi điều kiện môi trường và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.2. Lợi ích của kỹ thuật định tuyến tối ưu

Kỹ thuật định tuyến tối ưu giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, tăng cường độ tin cậy và cải thiện tốc độ truyền tải dữ liệu. Điều này rất quan trọng trong môi trường nhà kính, nơi mà việc duy trì điều kiện tối ưu là cần thiết.

II. Thách thức trong Kỹ Thuật Định Tuyến Mạng Cảm Biến Không Dây

Mặc dù mạng cảm biến không dây mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc định tuyến. Các vấn đề như mất mát dữ liệu, tiêu thụ năng lượng cao và độ tin cậy trong truyền thông là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Mất mát dữ liệu trong quá trình truyền thông

Mất mát dữ liệu thường xảy ra do nhiễu sóng và điều kiện môi trường không ổn định. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu thu thập được từ các cảm biến.

2.2. Tiêu thụ năng lượng cao trong mạng cảm biến

Tiêu thụ năng lượng là một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến không dây. Việc tối ưu hóa định tuyến có thể giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, kéo dài tuổi thọ của mạng.

III. Phương Pháp Định Tuyến Tối Ưu Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến

Có nhiều phương pháp định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Các thuật toán như LEACH, AODV và SPIN-EC đã được nghiên cứu và áp dụng để cải thiện hiệu suất mạng.

3.1. Thuật toán LEACH trong mạng cảm biến

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một thuật toán phân cụm giúp tiết kiệm năng lượng bằng cách chọn các nút đầu cụm để truyền dữ liệu về trung tâm.

3.2. Thuật toán AODV cho định tuyến

AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) là một thuật toán định tuyến theo yêu cầu, cho phép tìm kiếm đường đi tối ưu trong thời gian thực, rất phù hợp cho các mạng cảm biến không dây.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kỹ Thuật Định Tuyến Trong Nhà Kính

Kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng đã được áp dụng thành công trong các hệ thống giám sát môi trường nhà kính. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

4.1. Hệ thống giám sát môi trường nhà kính

Hệ thống giám sát sử dụng mạng cảm biến không dây để theo dõi các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng, từ đó điều chỉnh điều kiện môi trường cho cây trồng.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng

Nghiên cứu cho thấy việc áp dụng kỹ thuật định tuyến tối ưu đã giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và cải thiện độ chính xác trong việc thu thập dữ liệu.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Kỹ Thuật Định Tuyến

Kỹ thuật định tuyến tối ưu trong mạng cảm biến không dây cho nhà kính đang ngày càng trở nên quan trọng. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng mới, đặc biệt trong bối cảnh nông nghiệp thông minh.

5.1. Tương lai của mạng cảm biến không dây

Với sự phát triển của công nghệ IoT, mạng cảm biến không dây sẽ ngày càng được cải thiện về hiệu suất và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.2. Các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán định tuyến mới nhằm tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỷ nguyên vạn vật kết nối và nông nghiệp công nghệ cao, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đóng vai trò nền tảng trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu tự động. Các nghiên cứu chuyên sâu đã chỉ ra rằng hoạt động truyền thông vô tuyến tiêu tốn trên 70% tổng năng lượng của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến, trong khi các nút cảm biến chỉ hoạt động bằng nguồn pin hữu hạn với kỳ vọng tuổi thọ kéo dài từ 1 đến 10 năm. Vấn đề suy hao năng lượng nhanh chóng và hiện tượng mất mát gói tin do môi trường vô tuyến không ổn định đặt ra thách thức lớn đối với việc duy trì độ bền vững của mạng.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích chuyên sâu các kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng bao gồm SPIN-EC, LEACH, CTP và AODV; từ đó thiết kế, cài đặt và đánh giá thực nghiệm giao thức định tuyến AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) trên nền tảng chuẩn không dây ZigBee trong hệ thống điều khiển và giám sát môi trường nhà kính. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, hoàn thành vào tháng 7 năm 2016, tập trung vào việc đo đạc các chỉ số vi khí hậu như nhiệt độ không khí, độ ẩm môi trường và độ ẩm giá thể cây trồng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu tỷ lệ tiêu hao năng lượng mạng xuống dưới 30%, duy trì băng thông truyền tải 250 kbps ổn định trên dải tần 2.4 GHz, đồng thời nâng cao độ tin cậy chuyển phát gói tin qua truyền thông đa chặng. Kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp tự động hóa hiệu quả, chi phí thấp cho ngành nông nghiệp chính xác tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên kiến trúc phân tầng giao thức chuẩn của mạng cảm biến không dây, bao gồm 5 tầng chức năng: tầng vật lý, tầng liên kết dữ liệu (MAC), tầng mạng, tầng truyền tải, tầng ứng dụng và 3 mặt phẳng quản lý tích hợp (quản lý công suất, quản lý di động, quản lý nhiệm vụ).

Hệ thống lý thuyết vô tuyến dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh truyền thông phân bổ trên 3 dải tần số chính: dải 868 MHz (kênh 0, tốc độ 20 kbps), dải 902-928 MHz (kênh 1-10, khoảng cách kênh 2 MHz, tốc độ 40 kbps) và dải 2.4 GHz (kênh 11-26, khoảng cách kênh 5 MHz, tốc độ 250 kbps).

Năm khái niệm chuyên ngành cốt lõi tạo nên nền tảng của đề tài bao gồm:

1. Mạng cảm biến không dây (WSN): Hệ thống mạng gồm các nút cảm biến tự tổ chức có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp để thu thập dữ liệu môi trường.
2. Giao thức định tuyến AODV: Thuật toán định tuyến theo yêu cầu (on-demand), tự động thiết lập và duy trì tuyến đường thông qua các gói tin RREQ và RREP.
3. Thước đo số lần truyền kỳ vọng (ETX - Expected Transmission): Chỉ số đánh giá chất lượng liên kết dựa trên xác suất truyền phát bản tin thành công cả hai chiều.
4. Giao thức phân cụm thích ứng năng lượng thấp (LEACH): Thuật toán định tuyến phân cấp tự động bầu chọn nút chủ cụm theo chu kỳ xác suất.
5. Giao thức thương lượng bảo tồn năng lượng (SPIN-EC): Kỹ thuật định tuyến trung tâm dữ liệu sử dụng cơ chế đàm phán 3 bước trước khi gửi dữ liệu thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm giá thể, kết hợp với các nhật ký truyền gói tin (packet logs) thu thập từ hệ thống mạng thử nghiệm.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết lập gồm 15 nút cảm biến không dây phân tán (bao gồm 1 nút điều phối trung tâm Coordinator, 4 nút định tuyến Router và 10 nút thu thập dữ liệu End Device). Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích theo phân vùng không gian trong phạm vi nhà kính diện tích 300 m2. Các nút được bố trí tại các vị trí trọng điểm như tán lá cây trồng, bề mặt giá thể nuôi dưỡng và các cửa thông gió biên để phản ánh chính xác sự biến thiên của vi khí hậu.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp định lượng là nhằm đo lường trực tiếp mức tiêu hao năng lượng của từng nút mạng trong điều kiện truyền thông thực tế, đánh giá độ trễ và tỷ lệ chuyển phát thành công của gói tin. Phương pháp này cung cấp bằng chứng thực nghiệm rõ ràng nhất để kiểm chứng tính ổn định của thuật toán định tuyến so với việc chỉ mô phỏng trên lý thuyết. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, chế tạo phần cứng và thử nghiệm được triển khai chặt chẽ từ tháng 9 năm 2015 đến tháng 7 năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích lý thuyết và thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Hoạt động truyền nhận vô tuyến chiếm tới 72% tổng năng lượng tiêu hao của nút cảm biến, trong khi các tác vụ xử lý tính toán và cảm biến chỉ tiêu tốn khoảng 28%. Do đó, tối ưu hóa giao thức định tuyến là chìa khóa duy nhất để kéo dài tuổi thọ mạng.
2. Giao thức định tuyến SPIN-EC giúp tiết kiệm năng lượng lên tới 70% so với kỹ thuật tràn ngập thông tin cổ điển (Gossiping) nhờ cơ chế bắt tay 3 bước thông qua các bản tin thông báo (ADV), yêu cầu (REQ) và dữ liệu (DATA).
3. Giao thức định tuyến AODV triển khai trên phần cứng ZigBee đạt phạm vi phủ sóng hiệu quả từ 10 đến 75 mét với tốc độ truyền 250 kbps, tỷ lệ chuyển phát thành công gói tin đạt trên 96.5%, và cơ chế xóa tuyến hỏng trong bảng định tuyến diễn ra ổn định với thời gian trễ 3 giây.
4. Việc lựa chọn kênh truyền 15 và kênh 20 trong dải tần 2.4 GHz của chuẩn IEEE 802.15.4 giúp hệ thống triệt tiêu hoàn toàn sự can nhiễu từ các kênh 1, 6 và 11 của mạng Wi-Fi (IEEE 802.11) hoạt động cùng không gian.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân giúp AODV hoạt động vượt trội trong môi trường nhà kính là nhờ cơ chế định tuyến theo nhu cầu thực tế. Thay vì liên tục phát các gói tin quảng bá làm cạn kiệt nguồn pin, nút nguồn chỉ khởi tạo gói tin tìm đường RREQ khi có dữ liệu cảm biến mới. Khi so sánh với LEACH, mặc dù LEACH phân bổ đều vai trò nút chủ theo công thức xác suất, thuật toán này lại bỏ qua thông tin về dung lượng pin còn lại thực tế và khoảng cách vật lý đến trạm gốc, dễ khiến các nút ở xa bị cạn kiệt năng lượng sớm. So sánh với CTP, thước đo ETX của CTP tuy tối ưu hóa chất lượng đường truyền nhưng lại tập trung tải lên một số nút cố định, tạo ra các lỗ hổng năng lượng trong mạng. AODV đã giải quyết được vấn đề này thông qua cơ chế bảng định tuyến mềm (soft-state) và khả năng tái lập tuyến tức thời khi có sự cố liên kết.

Các kết quả thực nghiệm có thể được trình bày trực quan thông qua biểu đồ đường thể hiện sự suy giảm điện áp pin của nút cảm biến theo thời gian vận hành liên tục trong 90 ngày (duy trì mức sụt áp an toàn từ 3.3V xuống 2.8V). Đồng thời, một bảng ma trận đối sánh 4 giao thức định tuyến (SPIN-EC, LEACH, CTP, AODV) theo 4 tiêu chí cốt lõi: năng lượng tiêu hao, độ trễ truyền gói, khả năng tự phục hồi và độ phức tạp phần cứng sẽ làm nổi bật tính ưu việt của giải pháp được đề xuất. Nghiên cứu khẳng định nhận định: tiết kiệm năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong việc phát triển hệ thống IoT nông nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp chiến lược được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tế:

1. Nâng cấp thuật toán AODV tích hợp trọng số năng lượng dư thừa (Energy-Aware AODV) nhằm kéo dài tuổi thọ toàn mạng thêm 25% đến 30%, thực hiện trong lộ trình 6 đến 12 tháng bởi các nhóm nghiên cứu khoa học máy tính và kỹ sư viễn thông.
2. Chuẩn hóa quy hoạch tần số vô tuyến trên chuẩn IEEE 802.15.4, ưu tiên cố định dải sóng tại kênh 15 và kênh 20 nhằm loại bỏ 100% can nhiễu từ mạng Wi-Fi cục bộ, triển khai ngay trong vòng 1 tháng bởi đội ngũ quản trị kỹ thuật tại các nông trại công nghệ cao.
3. Tích hợp module thu hoạch năng lượng mặt trời công suất 5W kết hợp chế độ ngủ sâu (Deep Sleep) trên các nút cảm biến để đảm bảo hệ thống vận hành liên tục từ 3 đến 5 năm không cần thay pin, hoàn thành trong 18 tháng bởi các đơn vị sản xuất thiết bị phần cứng.
4. Phát triển phần mềm giám sát trung tâm đa nền tảng với giao diện API mở, tự động xử lý số liệu cảm biến với chu kỳ 10 giây/lần và điều khiển van tưới chính xác khi độ ẩm giá thể giảm xuống dưới 60%, hoàn thiện trong vòng 3 đến 6 tháng bởi các doanh nghiệp công nghệ nông nghiệp số.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng sau:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Khoa học máy tính, Kỹ thuật truyền thông: Khai thác toàn diện khung lý thuyết toán học về định tuyến WSN, công thức tính toán chỉ số ETX và cơ chế hoạt động của các giao thức phân cụm để phục vụ các công trình nghiên cứu học thuật chuyên sâu.
2. Kỹ sư nhúng và thiết kế hệ thống IoT: Ứng dụng trực tiếp sơ đồ khối phần cứng, kiến trúc vi điều khiển và thuật toán phân loại vai trò nút (Coordinator, Router, End Device) theo chuẩn ZigBee vào các sản phẩm thương mại.
3. Chủ doanh nghiệp và nhà quản lý trang trại nông nghiệp công nghệ cao: Áp dụng giải pháp giám sát vi khí hậu nhà kính tự động giúp tiết kiệm 40% chi phí nhân công vận hành và giảm 20% lượng nước tưới tiêu thông qua điều khiển chính xác.
4. Chuyên gia tư vấn chuyển đổi số nông nghiệp: Sử dụng các số liệu thực nghiệm về băng tần, khả năng xuyên cản sóng vô tuyến và đánh giá suy hao pin để xây dựng báo cáo khả thi cho các dự án nhà màng thông minh quy mô từ 1.000 đến 10.000 m2.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao vấn đề tối ưu hóa năng lượng lại là tiêu chí quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây?

Quá trình truyền thông vô tuyến tiêu hao trên 70% tổng năng lượng của mạng WSN. Do các nút cảm biến sử dụng nguồn pin giới hạn và thường lắp đặt tại các vị trí khó tiếp cận trong nhà kính, việc tối ưu hóa giao thức định tuyến là yếu tố sống còn để kéo dài tuổi thọ hệ thống từ 1 đến 10 năm.

Giao thức định tuyến AODV hoạt động như thế nào trong hệ thống giám sát nhà kính?

AODV khởi tạo tìm đường theo yêu cầu khi nút cảm biến phát sinh dữ liệu môi trường mới. Gói tin yêu cầu RREQ được phát quảng bá để thiết lập đường ngược, sau đó nút đích hoặc nút trung gian phản hồi gói RREP. Dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm được truyền với tốc độ 250 kbps và tuyến hỏng được tự động xóa sau 3 giây.

Làm thế nào để hệ thống ZigBee tránh can nhiễu từ mạng Wi-Fi cùng dải tần 2.4 GHz?

Chuẩn IEEE 802.15.4 phân chia 16 kênh từ kênh 11 đến 26 trên dải tần 2.4 GHz. Trong khi mạng Wi-Fi thường sử dụng các kênh 1, 6 và 11 với công suất phát lớn, việc cấu hình mạng cảm biến ZigBee hoạt động trên kênh 15 và kênh 20 sẽ triệt tiêu hoàn toàn sự can nhiễu sóng vô tuyến.

Sự khác biệt căn bản giữa giao thức LEACH và giao thức CTP là gì?

LEACH là giao thức phân cấp tự tổ chức cụm, luân phiên vai trò nút chủ để chia đều năng lượng tiêu hao nhưng không xét đến mức pin còn lại. Trong khi đó, CTP là giao thức dạng cây thu thập dựa trên thước đo số lần truyền kỳ vọng ETX, tối ưu độ tin cậy nhưng dễ gây cạn pin tại các nút trung gian.

Hệ thống cảm biến thực nghiệm trong luận văn giám sát những thông số môi trường nào?

Hệ thống thu thập trực tiếp 3 thông số môi trường then chốt gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí và độ ẩm giá thể. Các thông số được gửi định kỳ về nút chủ trong phạm vi từ 10 đến 75 mét để kích hoạt tự động hệ thống quạt thông gió và bơm tưới vi lượng.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán tối ưu hóa năng lượng trong mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp công nghệ cao với các đóng góp nổi bật:

• Phân tích bản chất tiêu hao năng lượng của mạng WSN, chứng minh khâu truyền thông chiếm hơn 70% tổng năng lượng toàn mạng.
• Đánh giá so sánh chi tiết ưu nhược điểm của 4 giao thức định tuyến tiêu biểu: SPIN-EC, LEACH, CTP và AODV.
• Thiết kế và tích hợp thành công hệ thống phần cứng và phần mềm giám sát vi khí hậu nhà kính sử dụng vi điều khiển công suất thấp và module ZigBee.
• Kiểm chứng thực nghiệm giao thức AODV trên dải tần 2.4 GHz, đạt thông lượng 250 kbps, phạm vi phủ sóng 10 đến 75 mét và loại bỏ hoàn toàn can nhiễu Wi-Fi trên kênh 15 và 20.
• Cung cấp mô hình giám sát môi trường giá thể và không khí tự động có độ tin cậy cao, chi phí hợp lý và khả năng ứng dụng thực tế rộng rãi.

Trong lộ trình 12 tháng tiếp theo, nghiên cứu sẽ tiếp tục mở rộng quy mô mạng lên 50 nút cảm biến và tích hợp thuật toán định tuyến nhận biết năng lượng đa mục tiêu. Độc giả, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác tài liệu này làm cơ sở kỹ thuật để triển khai các dự án IoT nông nghiệp thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1. Giới thiệu Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế kỷ 21 đã và đang diễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không dây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời. Mạng cảm biến không dây có thể hiểu đơn giản là mạng của các đối tượng thông minh.

Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến. Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua giao tiếp không dây trong đó các nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên [3]. Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động [4][5].

Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 mô hình mạng cảm biến không dây. Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bố trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm biến. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, trong đó có chủ đề kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây.

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nổi bật như sau: - Mạng cảm biến không dây thường được triển khai trên một phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ngẫu nhiên, các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng. do vậy mạng cảm biến không dây đòi hỏi một sơ đồ mạng linh động và các node mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 - WSN không sử dụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao thức truyền vô tuyến riêng. - Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin.), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến.

- Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ. - Các node trong mạng cảm biến không dây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng. - Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của từng node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không dây thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các node có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1.

Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5].

Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nó sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận để thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến. Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến.

Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo dõi xem nút nào là nút hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. Lớp vật lý Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sóng vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô tuyến.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Lớp vật lý của WSN tuân theo chuẩn IEEE 802.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên thế giới. Tại Hoa Kỳ, IEEE 802.4 sử dụng băng tần 902-928MHz. Tại châu Âu, 802.4 sử dụng băng tần 868- 868.

Phần còn lại của thế giới, 802.4 sử dụng băng tần 2400-2483.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng tần, có một số kênh quy định, như trong hình 1. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng 868MHz. Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng 902-982MHz.

Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz. Các kênh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là 5MHz.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số kênh. Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK).

Trên tất cả các kênh, IEEE 802.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).3 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến. Tốc độ bit của kênh là 0 là 20000 bit/s. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40000 bit/s, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.

Các kênh vô tuyến IEEE 802.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiều, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.3 cho thấy sự chồng lấn giữa 802. Tất cả kênh 802.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thì có 2 kênh của 802.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802. Tuy nhiên, việc gán các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian.

Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.4 không bị ảnh hưởng bởi 802. Lớp liên kết dữ liệu Mục đích của lớp liên kết dữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẻ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận của chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn để gửi các bản tin.4 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung.4 MAC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) để truy cập kênh truyền.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Lớp mạng Lớp mạng quan tâm đến định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Lớp mạng đóng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không dây. Lớp truyền tải Lớp truyền tải duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng WSNs yêu cầu và cung cấp các dịch vụ như khôi phục, điều khiển tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gói.

Lớp ứng dụng Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng này để phát triển ứng dụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong tầng ứng dụng của WSN. Phân loại giao thức định tuyến trong WSN Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến này có thể được phân loại thành bốn nhóm sau: Định tuyến phẳng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa vào thông tin vị trí và định tuyến dựa vào chất lượng dịch vụ.4 trình bày một số giao thức định tuyến thuộc bốn nhóm này.4: Phân loại các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây [4].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.