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

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN
• 1.1. Giới thiệu về mạng cảm biến
• 1.2. Cấu trúc của mạng cảm biến
• 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây
• 1.4. Ứng dụng của mạng cảm biến
• 2. CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN
• 2.1. Giao thức LEACH
• 2.2. Giao thức cải tiến LEACH-C
• 3. CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN LEACH VÀ ZIGBEE
• 3.1. Giải pháp đề xuất
• 3.2. Cách thức triển khai giải pháp
• 4. CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP
• 4.1. Tổng quan hệ thống
• 4.2. Các thiết bị phần cứng
• 4.3. Thiết bị truyền thông Xbee
• 4.4. Bo mạch Arduino Nano
• 4.5. Cài đặt hệ thống cơ bản
• 4.6. Xây dựng nút SINK
• 4.7. Xây dựng nút Cluster Head
• 4.8. Lắp đặt chạy thử hệ thống
• 4.9. Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đang trở thành nền tảng then chốt cho làn sóng công nghiệp 4.0 và Internet vạn vật (IoT), đặc biệt trong các mô hình nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường và điều khiển tự động hóa công nghiệp. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của các hệ thống WSN hiện nay nằm ở giới hạn nguồn năng lượng pin của các nút cảm biến độc lập. Trong chuẩn truyền thông ZigBee truyền thống hoạt động ở băng tần 2.4 GHz với tốc độ truyền tải 250 kbps, các nút định tuyến (Router) phải duy trì hoạt động liên tục để lắng nghe và chuyển tiếp dữ liệu, dẫn đến tình trạng cạn kiệt năng lượng sớm, làm tê liệt toàn bộ mạng truyền thông.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán này, đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Truyền dữ liệu và Mạng máy tính của tác giả Trần Hồng Hải, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hoài Sơn tại Trường Đại học Công nghệ – Đại học Quốc gia Hà Nội, đã tập trung nghiên cứu giải pháp kết hợp ưu điểm của giao thức phân nhóm thích ứng công suất thấp (LEACH) vào kiến trúc mạng cảm biến ZigBee. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng cơ chế định tuyến phân cụm xoay vòng linh hoạt, thay thế vai trò cố định của nút Router, đồng thời tối ưu hóa việc phân chia cụm dựa trên chỉ số hiệu suất truyền gói tin thay cho các phương pháp đo lường năng lượng phần cứng phức tạp.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên hệ thống phần cứng gồm 7 nút mạng tích hợp module vô tuyến XBee và vi điều khiển Arduino Nano, sử dụng nguồn pin dự phòng 10.000 mAh để kiểm chứng mức độ tiêu hao năng lượng. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa học thuật và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp cân bằng tải năng lượng đồng đều, giảm thiểu tình trạng nghẽn nút mạng và nâng cao đáng kể thời gian sống cho các hệ thống quan trắc không dây tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 và giao thức mạng ZigBee. Chuẩn IEEE 802.15.4 xác định tầng vật lý (PHY) và tầng điều khiển truy nhập môi trường (MAC) cho các thiết bị công suất thấp, hoạt động trên ba dải tần chính: 868 MHz (tốc độ 20 kbps), 902–928 MHz (tốc độ 40 kbps) và 2.4–2.4835 GHz gồm 16 kênh truyền tín hiệu (tốc độ 250 kbps). Kiến trúc mạng ZigBee phân chia các thiết bị thành ba vai trò chức năng: Nút điều phối mạng (ZigBee Coordinator - ZC), nút định tuyến trung gian (ZigBee Router - ZR) và nút thiết bị đầu cuối (ZigBee End Device - ZED).

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp giao thức định tuyến phân cấp LEACH do tác giả Wendi Heinzelman sáng lập. LEACH hoạt động theo cơ chế chu kỳ tuần hoàn gồm hai giai đoạn: giai đoạn thiết lập cụm (Setup Phase) và giai đoạn truyền dữ liệu ổn định (Steady-State Phase). Nút trưởng cụm (Cluster Head - CH) được bầu chọn tự động dựa trên thuật toán ngưỡng xác suất toán học. Nhằm khắc phục hạn chế của LEACH thuần khi lựa chọn ngẫu nhiên các cụm ở khoảng cách không tối ưu và sự phức tạp của giao thức tập trung LEACH-C trong việc đo lường dung lượng pin vật lý, tác giả đề xuất mô hình định tuyến mới: sử dụng chỉ số hiệu suất truyền nhận gói tin trung bình để các nút lá tự động lựa chọn nút trưởng cụm tối ưu nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học kết hợp phân tích định lượng trên hệ thống phần cứng thực tế. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm 7 nút mạng cảm biến độc lập, trong đó 1 nút đóng vai trò là trạm thu thập trung tâm (nút SINK/Coordinator) và 6 nút thành phần được tổ chức thành 2 cụm mạng. Phương pháp chọn mẫu thiết bị dựa trên tính phổ biến, độ ổn định cao và khả năng tùy biến linh hoạt trong nghiên cứu học thuật, bao gồm module truyền thông Digi XBee S2C kết hợp cùng bo mạch vi xử lý Arduino Nano nền tảng AVR 8-bit.

Quá trình phân tích dữ liệu được thực hiện thông qua việc thiết lập cấu hình khung truyền API trên phần mềm chuyên dụng XCTU và lập trình điều khiển trực tiếp bằng ngôn ngữ C/C++ trên môi trường Arduino IDE. Dữ liệu truyền nhận được đóng gói theo các cấu trúc chuẩn: khung dữ liệu nút SINK nhận có độ dài 86 bytes, khung dữ liệu quảng bá từ SINK có kích thước 25 bytes và khung truyền dữ liệu từ nút thành phần đến trưởng cụm đạt kích thước 108 bytes. Timeline chu kỳ hoạt động của hệ thống được lập trình cố định là 20 phút (tương đương 1200 giây). Mức tiêu thụ điện năng được theo dõi liên tục thông qua nguồn pin 10.000 mAh tích hợp màn hình LCD hiển thị chính xác dung lượng pin tiêu hao sau từng chu kỳ kiểm thử.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm và đo đạc thực nghiệm trên hệ thống 7 nút cảm biến đã mang lại những phát hiện quan trọng:

• Cân bằng tải và loại bỏ điểm nghẽn năng lượng: Trong mạng ZigBee thuần túy, các nút định tuyến Router tiêu tốn năng lượng gấp khoảng 2 đến 3 lần so với nút đầu cuối do phải duy trì trạng thái thu nhận liên tục. Ngược lại, mô hình kết hợp LEACH đã loại bỏ hoàn toàn nút Router cố định. Các nút thành phần thay phiên nhau đảm nhận vai trò trưởng cụm trong từng chu kỳ 20 phút, giúp mức tiêu hao năng lượng được chia đều cho tất cả 6 nút thành phần, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng một nút cạn kiệt pin sớm gây đứt gãy mạng.
• Tối ưu hóa lựa chọn trưởng cụm qua chỉ số hiệu suất truyền tin: Bằng việc tính toán động chỉ số hiệu suất truyền tải dựa trên tỷ lệ phần trăm các gói tin nhận thành công trên tổng số gói tin phát đi, nút thành phần luôn chọn được nút trưởng cụm có kênh truyền thuận lợi nhất. Tỷ lệ truyền gói tin thành công trong mô hình đề xuất đạt mức ước tính trên 95%, giảm thiểu tối đa hiện tượng thất thoát dữ liệu do suy hao tín hiệu và vật cản môi trường.
• Đồng bộ hóa chu kỳ hoạt động chính xác: Cơ chế phát gói tin quảng bá broadcast 4 lần liên tiếp từ nút SINK với khoảng cách ngắt nghỉ 0,3 giây đảm bảo 100% các nút thành phần trong mạng chuyển đổi trạng thái chu kỳ mới đồng bộ, không xảy ra xung đột hay trễ pha tín hiệu điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp giải pháp đề xuất đạt hiệu năng vượt trội là sự kết hợp hài hòa giữa cấu trúc phần cứng chuẩn hóa của ZigBee và thuật toán phân cụm linh hoạt của LEACH. Thay vì bắt buộc phải gắn thêm các mạch ngoại vi phức tạp để đo điện áp pin thực tế như mô hình LEACH-C, việc sử dụng biến hiệu suất truyền tin trung bình là một hướng tiếp cận thông minh, phản ánh trung thực điều kiện lan truyền sóng vô tuyến trong môi trường thực tế.

Để chứng minh tính ưu việt của giải pháp, dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa qua hai dạng biểu đồ và bảng phân tích:

• Biểu đồ đường (Line Chart) thể hiện sự suy giảm dung lượng nguồn pin 10.000 mAh theo thời gian: Đường biểu diễn của mô hình ZigBee thuần cho thấy nút Router sụt giảm năng lượng nhanh chóng theo độ dốc lớn, trong khi mô hình cải tiến thể hiện các đường suy giảm đồng đều với độ dốc thoai thoải ở tất cả các nút.
• Bảng so sánh hiệu năng giữa ba kiến trúc mạng (ZigBee thuần, LEACH thuần và Mô hình kết hợp đề xuất) đối với ba tiêu chí: thời gian sống toàn mạng, mức độ cân bằng năng lượng và hiệu suất truyền tin thành công.

So với các công bố nghiên cứu quốc tế về giao thức định tuyến WSN, giải pháp của tác giả đã chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng trực tiếp trên phần cứng nhúng thương mại mà không chỉ dừng lại ở các phần mềm mô phỏng lý thuyết.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị và giải pháp mở rộng có tính ứng dụng cao:

• Tích hợp chỉ số cường độ tín hiệu nhận RSSI vào thuật toán định tuyến: Khuyến nghị nhóm nghiên cứu tiếp tục bổ sung thông số RSSI kết hợp cùng chỉ số hiệu suất truyền tin, nhằm mục tiêu giảm thêm khoảng 15% năng lượng tiêu hao trong các pha truyền tin broadcast, hoàn thiện trong lộ trình 3 tháng tới.
• Mở rộng quy mô thực nghiệm hệ sinh thái mạng cảm biến: Đề xuất các kỹ sư hệ thống IoT mở rộng thử nghiệm từ mô hình 7 nút lên mạng lưới từ 50 đến 100 nút cảm biến phân tán trên diện tích canh tác từ 1 đến 2 ha tại các trang trại nông nghiệp công nghệ cao trong thời gian 6 đến 12 tháng.
• Phát triển cơ chế ngủ sâu (Deep Sleep) cho vi điều khiển: Đội ngũ kỹ sư lập trình firmware cần tối ưu hóa mã nguồn nhúng của Arduino Nano và XBee, đưa các nút không phải trưởng cụm vào trạng thái tiết kiệm điện sâu trong thời gian rỗi, nhằm mục tiêu kéo dài tuổi thọ nguồn pin thêm ít nhất 30% đến 40% (thời gian triển khai ước tính 2 tháng).
• Xây dựng trạm cổng Gateway truyền thông đa phương thức: Khuyến nghị các nhà phát triển phần mềm thiết kế bộ chuyển đổi giao thức tại nút SINK, kết nối dữ liệu cảm biến lên máy chủ đám mây (Cloud Server) qua giao thức MQTT hoặc HTTP, giúp người dùng theo dõi dữ liệu thời gian thực trên nền tảng Web và ứng dụng di động trong vòng 4 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

• Học viên cao học và sinh viên ngành Công nghệ thông tin, Viễn thông: Nguồn tài liệu học thuật giá trị giúp nghiên cứu sâu về kiến trúc ngăn xếp giao thức IEEE 802.15.4, nguyên lý định tuyến LEACH, phương pháp đóng gói khung truyền dữ liệu và kỹ năng lập trình hệ thống mạng cảm biến thực tế.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng IoT (R&D Engineers): Cẩm nang tham khảo hữu ích trong việc thiết kế mạch ghép nối giữa vi điều khiển AVR/ARM và module vô tuyến XBee, cách thức xử lý xung truyền thông nối tiếp UART và tối ưu hóa năng lượng cho thiết bị nhúng.
• Doanh nghiệp và chủ trang trại nông nghiệp công nghệ cao: Tài liệu định hướng giải pháp triển khai hạ tầng quan trắc môi trường tự động (đo nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ dinh dưỡng) với chi phí thiết bị hợp lý, độ bền mạng cao và giảm thiểu tần suất bảo trì, thay thế pin nguồn.
• Các nhà khoa học và giảng viên chuyên ngành Mạng máy tính: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm chân thực làm tiền đề cho các đề tài phát triển thuật toán tối ưu hóa định tuyến nâng cao trong mạng cảm biến không dây thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao nghiên cứu lại kết hợp giao thức LEACH vào mạng ZigBee thay vì sử dụng mạng ZigBee thuần túy?

Trong mạng ZigBee thuần, nút Router phải hoạt động liên tục với công suất thu phát cao để chuyển tiếp dữ liệu, dẫn đến cạn kiệt pin sớm và làm đứt đoạn liên kết mạng. Việc tích hợp cơ chế xoay vòng của LEACH giúp các nút thành phần chia sẻ đều vai trò trưởng cụm trong chu kỳ 20 phút, cân bằng năng lượng tiêu thụ trên toàn bộ hệ thống và kéo dài tuổi thọ mạng.

Câu hỏi 2: Thuật toán chọn nút trưởng cụm dựa trên hiệu suất truyền tin hoạt động như thế nào?

Thuật toán tính toán chỉ số trung bình giữa hiệu suất hiện tại và tỷ lệ gói tin nhận thành công trên tổng số gói tin phát đi. Khi một nút lá phát hiện có từ hai nút trưởng cụm trở lên trong vùng phủ sóng, nó sẽ tự động gửi dữ liệu tới nút có giá trị hiệu suất cao nhất, đảm bảo tối ưu hóa chất lượng đường truyền vô tuyến mà không cần lắp thêm mạch đo pin.

Câu hỏi 3: Hệ thống thực nghiệm gồm 7 nút mạng có đủ độ tin cậy để chứng minh tính hiệu quả của giải pháp không?

Hệ sinh thái thực nghiệm gồm 1 nút SINK và 6 nút thành phần chia thành 2 cụm là mô hình chuẩn hóa tối thiểu để kiểm chứng đầy đủ cơ chế phân cụm đa điểm và xoay vòng nút trưởng cụm. Tác giả đã tăng cường độ truyền tải dữ liệu liên tục trong thời gian dài để bù đắp giới hạn số lượng thiết bị, đảm bảo các chỉ số đo đạc có độ tin cậy khoa học cao.

Câu hỏi 4: Nút SINK thực hiện việc đồng bộ hóa chu kỳ giữa các nút cảm biến bằng cách nào?

Nút SINK theo dõi thời gian hoạt động thông qua hàm đếm thời gian nội tại của vi điều khiển. Cứ sau mỗi chu kỳ 20 phút, nút SINK tự động phát đi 4 gói tin quảng bá broadcast liên tiếp với độ trễ 0,3 giây. Gói tin này chứa thông tin số chu kỳ mới, giúp tất cả các nút thành phần đồng loạt thiết lập lại trạng thái và tiến hành bầu chọn trưởng cụm.

Câu hỏi 5: Cấu trúc khung truyền dữ liệu trong nghiên cứu được định dạng như thế nào?

Hệ thống định dạng các khung truyền chuẩn gồm: gói tin nút SINK nhận có độ dài 86 bytes (chứa mã chức năng, định danh nút gửi, nút tạo dữ liệu và 80 bytes nội dung), gói tin quảng bá từ SINK dài 25 bytes, và gói tin gửi từ nút thành phần đến trưởng cụm dài 108 bytes (chứa định danh và 100 bytes dữ liệu cảm biến đo đạc).

Kết luận

• Luận văn đã phân tích sâu sắc các hạn chế cố hữu về tiêu hao năng lượng của mạng ZigBee thuần và giao thức phân cụm LEACH truyền thống.
• Đề xuất thành công giải pháp kết hợp giao thức LEACH vào ngăn xếp mạng ZigBee trên nền tảng phần cứng thương mại XBee và Arduino Nano.
• Sáng tạo cơ chế lựa chọn nút trưởng cụm tối ưu dựa trên hiệu suất truyền nhận gói tin thay thế cho phương pháp đo lường dung lượng pin phần cứng.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công mô hình 7 nút mạng với chu kỳ 20 phút, đảm bảo 100% khả năng đồng bộ và cân bằng tải tiêu thụ năng lượng giữa các nút.
• Đóng góp giải pháp khoa học có tính ứng dụng thực tiễn cao cho các bài toán quan trắc môi trường và nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo của đề tài tập trung vào việc mở rộng quy mô mạng lên 50–100 nút cảm biến, tích hợp chỉ số cường độ tín hiệu RSSI và hoàn thiện cổng Gateway kết nối điện toán đám mây trong lộ trình 6 tháng tới. Các cá nhân, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp mô hình này để nâng cao hiệu quả vận hành các hệ thống IoT quan trắc không dây.

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.