Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức leach và zigbee, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Trần Hồng Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoài Sơn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức leach và zigbee
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng của nó

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một hệ thống bao gồm nhiều cảm biến được kết nối với nhau qua các liên kết không dây. Hệ thống này có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường xung quanh đến các nút trung tâm. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, công nghiệp và quân sự. Việc sử dụng mạng cảm biến không dây giúp nâng cao hiệu quả quản lý và giám sát, đồng thời tiết kiệm chi phí và thời gian.

1.1. Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có nhiều đặc điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, khả năng hoạt động liên tục và độ tin cậy cao. Các thiết bị cảm biến thường được thiết kế để tiết kiệm năng lượng và có thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt. Điều này giúp cho mạng cảm biến không dây trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng thực tiễn.

1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, mạng cảm biến không dây được sử dụng để theo dõi các thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ chất dinh dưỡng trong đất. Việc này giúp nông dân quản lý cây trồng hiệu quả hơn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu mạng cảm biến không dây

Mặc dù mạng cảm biến không dây mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu, bảo mật thông tin và tiêu thụ năng lượng là những yếu tố cần được giải quyết. Việc phát triển các giao thức định tuyến hiệu quả và an toàn là rất cần thiết để tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến.

2.1. Độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu

Độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu là một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây. Các yếu tố như nhiễu tín hiệu và sự cố phần cứng có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền tải thông tin. Do đó, cần có các giải pháp để cải thiện độ tin cậy của mạng.

2.2. Bảo mật thông tin trong mạng cảm biến

Bảo mật thông tin là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Các dữ liệu thu thập từ cảm biến có thể bị tấn công hoặc đánh cắp. Việc áp dụng các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng là cần thiết để bảo vệ thông tin.

III. Phương pháp nghiên cứu mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên hai giao thức phổ biến là LEACH và Zigbee. Giao thức LEACH giúp tối ưu hóa việc định tuyến dữ liệu, trong khi Zigbee cung cấp khả năng truyền thông không dây hiệu quả. Sự kết hợp này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu.

3.1. Giao thức LEACH và ưu điểm của nó

Giao thức LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một trong những giao thức định tuyến hiệu quả nhất cho mạng cảm biến không dây. Nó giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng bằng cách phân chia mạng thành các cụm và chỉ định một nút làm đầu cụm để thu thập dữ liệu.

3.2. Giao thức Zigbee và ứng dụng trong mạng cảm biến

Giao thức Zigbee là một tiêu chuẩn truyền thông không dây được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa và điều khiển. Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng cao, Zigbee là lựa chọn lý tưởng cho mạng cảm biến không dây.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng giao thức LEACH và Zigbee trong mạng cảm biến không dây mang lại hiệu quả cao trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu. Hệ thống đã được triển khai thành công trong các ứng dụng thực tiễn như giám sát môi trường và quản lý nông nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

4.1. Đánh giá hiệu quả của hệ thống

Hệ thống mạng cảm biến không dây được xây dựng đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc thu thập dữ liệu. Thời gian truyền tải dữ liệu được rút ngắn, đồng thời tiêu thụ năng lượng cũng được giảm thiểu đáng kể.

4.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường

Hệ thống mạng cảm biến không dây đã được áp dụng thành công trong việc giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí độc. Điều này giúp các cơ quan chức năng có thể theo dõi và xử lý kịp thời các vấn đề môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, mạng cảm biến không dây hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và hiệu quả hơn trong tương lai. Việc nghiên cứu và phát triển các giao thức mới sẽ giúp tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ mạng cảm biến

Công nghệ mạng cảm biến không dây đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều nghiên cứu mới được thực hiện. Các giao thức mới và công nghệ truyền thông tiên tiến sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạng cảm biến.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực mới

Mạng cảm biến không dây có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực mới như thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh và giám sát sức khỏe. Những ứng dụng này sẽ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1. Giới thiệu về mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; thu thập thông tin môi trường; giám sát sức khỏe cho bệnh nhân trong y tế;.

Thế mạnh chủ yếu của chúng sự linh hoạt cũng như không dây nên có thể triển khai ở những khu vực đặc biệt mà thiết bị có dây không thể xây dựng. Các thiết bị cảm biến không dây được liên kết với nhau tạo thành một mạng hoặc các cụm mạng có cấu trúc theo chuẩn nhất định. Giúp cho chúng ta có thể tùy chỉnh về mô hình, cách thức hoạt động, quy mô của mạng. Các thiết bị thường được thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm về không gian và năng lượng tiêu thụ thấp.

Hiện nay khoa học tiên tiến đã đẩy khả năng xử lý của chip điện tử lên cao vì vậy các thiết bị cảm biến tuy nhỏ gọn nhưng có thể thực hiện được rất nhiều công việc. Với độ bền thiết bị được đảm bảo cho nên mạng cảm biến không dây thường hoạt động liên tục, đưa lại cho chúng ta những thông tin cần thiết và kịp thời. Hệ thống mạng cảm biến được áp dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khoa học cũng như cuộc sống. [2] [7] Mạng cảm biến không dây có nhưng đặc điểm nổi bật như sau: [2] [6] - Kích thước vật lý nhỏ gọn: Các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường được thiết kế nhỏ gọn để tiện dụng.

Mặc dù kích thước luôn tỉ lệ nghịch với tốc độ xử lý, giới hạn lưu trữ, thời gian hoạt động. Nhưng với những mục đích mình mong muốn thì việc phát triển và thiết kế sao cho hợp lý và hài hòa nhất. Với công nghệ tiên 4 tiến bây giờ các thiết bị trong mạng cảm biến không dây cũng khá đủ cho nhu cầu của người dùng: kích thước bé, năng lượng tiêu thu thấp, xử lý nhanh,… - Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Do nhu cầu của người dùng nên việc một mạng cảm biến không dây thường hoạt động liên tục và chính xác cao trong thời gian dài. Ví dụ như việc giám sát sức khỏe người bệnh trong y tế chẳng hạn, người dùng phải được theo dõi thường xuyên và liên tục.

Những thông số môi trường hay thông tin dữ liệu thường được người dùng yêu cầu tức thì và chính xác cho nên các thiết bị mạng cảm biến không dây được thiết kế với nhưng tiêu chí như trên. Việc thiết kế phần cứng ảnh hưởng trực tiếp trong quá trình trên nhưng khi chúng ta thiết kế phần mềm hợp lý cũng mang lại hiệu quả khá bất ngờ. - Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Hiện nay có rất nhiều dạng cảm biến, những cảm biến được dành riêng cho một số lĩnh vực nhất định. Những hệ thống được thiết kế cho những công việc đặc thù như đo lượng dầu trong nước hay đo nồng độ khí CO2 trong không khí chẳng hạn.

Cho nên những người phát triển mạng cảm biến không dây đã đưa ra nhưng giải pháp thích hợp là xây dựng một nền tảng chung có thể áp dụng, kết hợp nhiều thiết bị lại với nhau. Sử dụng linh hoạt phần mềm để có thể thích ứng với phần cứng riêng nhằm đưa lại hiệu quả công việc. - Hoạt động tin cậy Những thông tin dữ liệu mà mạng cảm biến mang lại rất quan trọng và cần thiết. Đối với những lĩnh vực đặc biệt thì điều đó là tối cần thiết.

Hiện nay khoa học công nghệ phát triển đã thiết kế ra những thiết bị có độ tin cây cao và cung cấp thông tin nhanh chóng. Như việc linh động đã nêu ở trên thì việc người dùng sử dụng phần mềm thích hợp sẽ cho chúng ta hiệu quả cao, độ tin cậy thông tin cao. Có rất nhiều yếu tố mang lại sự tin cậy cho mạng cảm biến không dây cũng như có rất nhiều yếu tố bên ngoài gây ra việc giảm độ tin cậy. Trong mỗi trường hợp chúng ta phải đưa ra những giải pháp hợp lý để sự tin cậy của mạng cảm biến không dây là tốt nhất.

Cấu trúc của mạng cảm biến: Một mạng cảm biến không dây thường có số lượng lớn các nút được phủ trong một vùng, khu vực nào đấy mà chúng ta muốn thăm dò hay thu thập thông tin dữ liệu. Do có sự gắn kết trong mạng nên các nút có thể tùy chỉnh vị trí sao cho phù hợp với địa hình cũng như yêu cầu người dùng. Với khả năng mở rộng cho nên mạng cảm biến không dây có thể tiếp cận những khu vực nguy hiểm hoặc địa hình đặc thù. Khả năng liên kết cũng như công tác làm việc của các cảm biến không dây chính là đặc trưng cơ bản nhất.

Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn so với truyền khoảng cách xa.1 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây (https://www.net) Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1. Các nút cảm biến được xây dựng trong một trường cảm biến chính là khu vực được bao viền xanh trên hình. Mỗi nút cảm biến được sắp đặt trong mạng có khả năng thu thập thông tin dữ liệu, định tuyến gói tin về nút chủ là bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) qua internet hoặc một môi trường khác. Nút Sink có thể yêu cầu việc định tuyến để các nút cảm biến truyền bản tin theo mong muốn.

Số liệu được nút Sink nhận về thường không có một định dạng cụ thể, có thể tùy chỉnh sao cho phù hợp với mục đính của mình.2 Sensor node Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: hệ thống cảm biến, bộ xử lý, bộ phận lưu trữ nếu cần, thiết bị thu phát không dây và nguồn năng lượng. Tùy theo nhu cầu người dùng nên có những nút cảm biến còn được gắn thêm các thiết bị như hệ thống định vị, hệ thống năng lượng mặt trời,… Các thành phần cơ bản trong một nút cảm biến được thể hiện trên hình 1. Hệ thống cảm biến bao gồm các đầu đo Sensor và một bộ chuyển đổi tương tự/số ADC. Các tín hiệu tương tự được thu nhận từ đầu đo được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, những tín hiệu số được đưa vào bộ xử lý.

Bộ xử lý thường được gắn thêm một bộ nhớ nhỏ, nhằm xử lý tín hiệu số và truyền dữ liệu cho thiết bị thu phát không dây. Ở đây bộ xử lý có thể định dạng gói tin cũng như định tuyến gói tin cho thiết bị không dây. Thiết bị không dây có nhiệm vụ thu phát các thông tin dữ liệu giữa các nút cảm biến với nhau. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây 7 Kiến trúc giao thức được sử dụng trong nút chủ (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 1.

Kiến trúc giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). Kiến trúc gồm ba mặt phẳng quản lý là : Mặt phẳng quản lý nguồn, mặt phẳng quản lý tính di động, mặt phẳng quản lý tác vụ. - Mặt phẳng quản lý nguồn : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : một nút cảm biến có thể bật hoặc tắt bộ thu nhận sau khi nhận được một bản tin.

Các nút cảm biến có thể broadcast đến các nút bên cạnh rằng mình không đủ năng lượng để thực hiện công việc được nữa. - Mặt phẳng quản lý tính di động : Có nhiệm vụ quản lý tính di động của nút. Có thể phát hiện các nút bên cạnh và thông báo vị trí của nó cho các nút đấy. - Mặt phẳng quản lý tác vụ : Làm nhiệm vụ sắp xếp các công việc giữa các nút trong vùng liên quan.

- Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Trong mạng cảm biến thì băng tần sử dụng nhiều nhất là ISM 915 MHZ. - Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ liên kết dữ liệu, phát hiện dữ liệu hay các frame dữ liệu cần thiết. Vì một mạng cảm biến thường nhận được nhiều tín hiệu tạp âm nên nhiệm vụ của lớp này rất cần thiết.

- Lớp mạng: Lớp mạng được thiết kế dùng để phân biệt các mạng cảm biến khác nhau. Trong lớp này có nhưng số liệu mà người dùng cài đặt để xây dựng một mạng cảm biến riêng cho mình. - Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống được thiết kế cho việc truy cập qua internet hoặc mạng bên ngoài. 8 - Lớp ứng dụng: Tùy theo nhiệm vụ của cảm biến, các loại ứng dụng, phần mềm khác nhau được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng này.

Ứng dụng của mạng cảm biến:  Giám sát và điều khiển công nghiệp Hiện nay nên công nghiệp cực kỳ phát triền, rất nhiều lĩnh vực cần đến tự động hóa. Hay có những công việc phải điều khiển từ xa, sức khỏe con người không thể lại gần. Những khu vực nguy hiểm cần phải giám sát thường xuyên như hầm mỏ, khu sản xuất vật liệu nguy hiểm, khu vực thử nghiệm thuốc súng thuốc nổ. Mạng cảm biến không dây áp dụng rất nhiều trong công nghiệp, đem lại nguồn thu lớn lao cho con người, giảm thiểu khả năng tai nạn ảnh hưởng sức khỏe người lao động.

Một ví dụ đơn gian và dễ thấy nhất là hệ thống phòng cháy chữa cháy trong công ty bạn chẳng hạn. Đó cũng là một cảm biến nhiệt độ và cảm biến khói trong phòng. Khi phát hiện ra nó sẽ tự động phun nước dập lửa.