Nghiên Cứu Xây Dựng Mạng Cảm Biến Không Dây Dựa Trên Giao Thức LEACH Và Zigbee

• 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 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

• 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

I. Tổng Quan Mạng Cảm Biến Không Dây Giới Thiệu Ứng Dụng

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây để thu thập dữ liệu từ môi trường. Các WSN này có thể được triển khai trong nhiều lĩnh vực, từ nông nghiệp chính xác đến giám sát môi trường và chăm sóc sức khỏe. Một trong những ưu điểm chính của mạng cảm biến không dây là khả năng hoạt động ở những khu vực khó tiếp cận hoặc nguy hiểm, nơi mà việc triển khai các hệ thống có dây là không khả thi. Theo [2][7], các WSN có đặc điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, khả năng hoạt động đồng thời với mật độ cao, tính linh hoạt trong thiết kế và độ tin cậy cao. Điều này làm cho chúng trở thành một công cụ mạnh mẽ để thu thập và phân tích dữ liệu trong nhiều ứng dụng khác nhau, góp phần vào sự phát triển của IoT (Internet of Things).

1.1. Kiến Trúc Cơ Bản Của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN

Kiến trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây thường bao gồm các nút cảm biến (sensor nodes), một hoặc nhiều nút thu thập dữ liệu (sink nodes) và một trung tâm quản lý. Các nút cảm biến thu thập dữ liệu từ môi trường và truyền dữ liệu này đến nút sink. Nút sink sau đó tập hợp dữ liệu từ tất cả các nút cảm biến và chuyển nó đến trung tâm quản lý để xử lý và phân tích. Các nút cảm biến thường có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và có khả năng hoạt động trong thời gian dài mà không cần bảo trì. Theo Hình 1, cấu trúc cơ bản bao gồm các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến, khu vực mà chúng được thiết kế để thu thập thông tin.

1.2. Các Ứng Dụng Tiêu Biểu Của Mạng Cảm Biến Không Dây Trong IoT

Ứng dụng WSN rất đa dạng, từ giám sát môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm không khí) đến theo dõi sức khỏe (nhịp tim, huyết áp) và tự động hóa nhà thông minh. Trong nông nghiệp, mạng cảm biến không dây có thể giúp nông dân theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ và độ pH để tối ưu hóa việc tưới tiêu và bón phân. Trong công nghiệp, chúng có thể được sử dụng để giám sát tình trạng của máy móc và thiết bị, dự đoán bảo trì và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động. Sự phát triển của Internet of Things (IoT) đã thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng rộng rãi hơn của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực khác nhau, kết nối các thiết bị và hệ thống để thu thập, phân tích và chia sẻ dữ liệu một cách thông minh.

II. Thách Thức Tiết Kiệm Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc thiết kế và triển khai mạng cảm biến không dây là vấn đề tiết kiệm năng lượng. Các nút cảm biến thường hoạt động bằng pin và có nguồn năng lượng hạn chế. Do đó, việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ mạng. Các giải pháp bao gồm sử dụng các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng, kỹ thuật thu thập dữ liệu, và các chế độ ngủ để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng khi không cần thiết. Theo tài liệu, mặt bằng quản lý nguồn có nhiệm vụ 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.

2.1. Tối Ưu Giao Thức Định Tuyến Để Tiết Kiệm Năng Lượng WSN

Việc lựa chọn giao thức định tuyến phù hợp có thể ảnh hưởng đáng kể đến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến hiệu quả năng lượng như LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) sử dụng các kỹ thuật phân cụm để giảm thiểu khoảng cách truyền dữ liệu và tiêu thụ năng lượng. Các giao thức khác, như giao thức truyền thông đa đường dẫn, có thể cải thiện độ tin cậy của mạng nhưng có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Do đó, việc lựa chọn giao thức định tuyến phải dựa trên các yêu cầu cụ thể của ứng dụng và các ràng buộc về năng lượng của các nút cảm biến.

2.2. Kỹ Thuật Thu Thập Dữ Liệu Hiệu Quả Trong Mạng WSN

Thu thập dữ liệu hiệu quả là một yếu tố quan trọng khác trong việc tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Các kỹ thuật như tổng hợp dữ liệu (data aggregation) và nén dữ liệu có thể giúp giảm thiểu lượng dữ liệu được truyền qua mạng, từ đó giảm tiêu thụ năng lượng. Các kỹ thuật khác như khai thác dữ liệu cục bộ có thể giúp các nút cảm biến tự động phát hiện các sự kiện quan trọng và chỉ truyền dữ liệu liên quan đến các sự kiện này.

III. Giao Thức LEACH Phân Cụm Hiệu Quả Trong Mạng Cảm Biến

Giao thức LEACH là một thuật toán phân cụm nổi tiếng được thiết kế để tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến không dây. Trong LEACH, các nút cảm biến được tổ chức thành các cụm, với một nút được chọn làm trưởng cụm (cluster head). Trưởng cụm thu thập dữ liệu từ các thành viên trong cụm và truyền dữ liệu này đến nút sink. Việc chọn trưởng cụm được thực hiện một cách ngẫu nhiên và xoay vòng để đảm bảo rằng tất cả các nút đều có cơ hội trở thành trưởng cụm và phân bổ đều tiêu thụ năng lượng trên toàn mạng. [Trang 15] công thức xác định Cluster Head trong giao thức LEACH.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Giao Thức LEACH Trong WSN

Nguyên lý hoạt động của giao thức LEACH bao gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn thiết lập (setup phase) và giai đoạn ổn định (steady-state phase). Trong giai đoạn thiết lập, các nút cảm biến chọn ngẫu nhiên trở thành trưởng cụm dựa trên một xác suất nhất định. Các nút còn lại tham gia vào cụm của trưởng cụm gần nhất. Trong giai đoạn ổn định, trưởng cụm thu thập dữ liệu từ các thành viên trong cụm và truyền dữ liệu này đến nút sink. Sau một khoảng thời gian nhất định, quá trình phân cụm được lặp lại để chọn các trưởng cụm mới.

3.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Giao Thức LEACH Tiêu Chuẩn

Ưu điểm LEACH: đơn giản, dễ triển khai và hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng so với các giao thức định tuyến trực tiếp. Hạn chế LEACH: không đảm bảo phân phối đều các trưởng cụm trên toàn mạng, dẫn đến tình trạng một số nút phải truyền dữ liệu với khoảng cách xa hơn các nút khác, làm tăng tiêu thụ năng lượng. Các phiên bản LEACH cải tiến đã được đề xuất để giải quyết những hạn chế này.

3.3. Các Phiên Bản LEACH Cải Tiến LEACH C và Các Biến Thể

Để khắc phục những hạn chế của LEACH tiêu chuẩn, nhiều phiên bản LEACH cải tiến đã được đề xuất, bao gồm LEACH-C. LEACH-C (LEACH-Centralized) sử dụng một thuật toán tập trung để chọn trưởng cụm, đảm bảo rằng các trưởng cụm được phân phối đều trên toàn mạng và giảm thiểu khoảng cách truyền dữ liệu. Các biến thể khác của LEACH tập trung vào việc cải thiện khả năng thích ứng của giao thức với các điều kiện mạng thay đổi và giảm thiểu chi phí truyền thông.

IV. Zigbee Giải Pháp Truyền Thông Không Dây Tiêu Thụ Ít Điện Năng

Zigbee là một giao thức truyền thông không dây tiêu chuẩn được thiết kế để tiêu thụ ít điện năng, chi phí thấp và độ tin cậy cao. Zigbee thường được sử dụng trong các ứng dụng mạng không dây tầm ngắn như tự động hóa nhà, điều khiển công nghiệp và mạng cảm biến không dây. Zigbee sử dụng băng tần 2.4 GHz và hỗ trợ nhiều loại topology mạng khác nhau, bao gồm star, tree và mesh. Zigbee có khả năng tự động tạo và phục hồi mạng, làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng mà độ tin cậy là quan trọng. Cấu trúc của mạng ZigBee được thể hiện trên hình 1.7.

4.1. Các Tính Năng Nổi Bật Của Giao Thức Zigbee Trong Mạng WSN

Một số tính năng nổi bật của Zigbee bao gồm tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, độ tin cậy cao, khả năng tự động tạo và phục hồi mạng, và hỗ trợ nhiều loại topology mạng khác nhau. Zigbee cũng hỗ trợ các tính năng bảo mật như mã hóa và xác thực, giúp bảo vệ dữ liệu được truyền qua mạng. Ngoài ra, Zigbee có thể hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt và có khả năng mở rộng để hỗ trợ một số lượng lớn các thiết bị.

4.2. So Sánh Zigbee Với Các Giao Thức Truyền Thông Không Dây Khác

So với các giao thức truyền thông không dây khác như Wi-Fi và Bluetooth, Zigbee có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp hơn. Wi-Fi cung cấp băng thông cao hơn nhưng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, làm cho nó không phù hợp cho các ứng dụng mạng cảm biến không dây yêu cầu tuổi thọ mạng dài. Bluetooth cũng tiêu thụ nhiều năng lượng hơn Zigbee và có phạm vi hoạt động ngắn hơn. Do đó, Zigbee là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng mạng không dây yêu cầu tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp và độ tin cậy cao.

V. Kết Hợp LEACH Và Zigbee Giải Pháp Tối Ưu Hiệu Năng WSN

Việc kết hợp giao thức LEACH và Zigbee có thể mang lại một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa hiệu năng của mạng cảm biến không dây. LEACH có thể được sử dụng để quản lý phân cụm và tiết kiệm năng lượng, trong khi Zigbee có thể được sử dụng để cung cấp truyền thông không dây đáng tin cậy và tiêu thụ ít điện năng. Việc kết hợp hai giao thức này có thể giúp kéo dài tuổi thọ mạng, cải thiện độ tin cậy và giảm chi phí. Theo tài liệu, đề tài tập trung nghiên cứu và thay đổi phương thức định tuyến của mô hình mạng cảm biến ZigBee theo phương thức định tuyến của giao thức LEACH.

5.1. Phương Pháp Tích Hợp Giao Thức LEACH Vào Mạng Zigbee

Việc tích hợp giao thức LEACH vào mạng Zigbee có thể được thực hiện bằng cách sử dụng Zigbee để truyền thông giữa các nút cảm biến và nút trưởng cụm trong LEACH. Các nút cảm biến có thể sử dụng Zigbee để gửi dữ liệu đến nút trưởng cụm, và nút trưởng cụm có thể sử dụng Zigbee để truyền dữ liệu đến nút sink. Quá trình phân cụm và chọn trưởng cụm có thể được thực hiện bằng các thuật toán LEACH tiêu chuẩn hoặc LEACH cải tiến. Việc này giúp tận dụng ưu điểm tiết kiệm năng lượng của LEACH và khả năng truyền thông đáng tin cậy của Zigbee.

5.2. Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống LEACH Zigbee Kết Hợp

Để đánh giá hiệu năng của hệ thống LEACH-Zigbee kết hợp, các chỉ số như tuổi thọ mạng, tiêu thụ năng lượng, độ trễ truyền thông và độ tin cậy có thể được đo lường. Các kết quả mô phỏng mạng và thử nghiệm thực tế có thể được sử dụng để so sánh hiệu năng của hệ thống kết hợp với các hệ thống sử dụng chỉ một giao thức hoặc các giao thức khác. Các phân tích có thể tập trung vào việc xác định các tham số tối ưu cho việc kết hợp hai giao thức và các điều kiện mạng mà hệ thống kết hợp hoạt động tốt nhất.

VI. Ứng Dụng Và Triển Vọng Của Nghiên Cứu LEACH Zigbee Trong IoT

Nghiên cứu về kết hợp LEACH và Zigbee có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực IoT. Các ứng dụng bao gồm giám sát môi trường, tự động hóa nhà thông minh, điều khiển công nghiệp và chăm sóc sức khỏe từ xa. Việc tối ưu hóa hiệu năng của mạng cảm biến không dây trong các ứng dụng này có thể giúp cải thiện hiệu quả, giảm chi phí và tăng cường độ tin cậy. Với sự phát triển của IoT, nhu cầu về các giải pháp mạng cảm biến không dây hiệu quả và đáng tin cậy sẽ tiếp tục tăng lên.

6.1. Các Ứng Dụng Thực Tế Của Mạng LEACH Zigbee Trong IoT

Ứng dụng IoT: Giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng trong nhà kính, giúp điều chỉnh môi trường cho cây trồng. Tự động hóa nhà: điều khiển ánh sáng, hệ thống sưởi, thông gió dựa trên các thông số thu thập từ cảm biến. Điều khiển công nghiệp: theo dõi tình trạng máy móc, phát hiện sự cố và báo động kịp thời. Chăm sóc sức khỏe: theo dõi bệnh nhân từ xa, đo nhịp tim, huyết áp và gửi dữ liệu đến bác sĩ.

6.2. Hướng Phát Triển Nghiên Cứu LEACH Zigbee Trong Tương Lai

Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện tính thích ứng của hệ thống với các điều kiện mạng thay đổi, tăng cường bảo mật và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Các nghiên cứu có thể khám phá các thuật toán mới để phân cụm, chọn trưởng cụm, và định tuyến dữ liệu, cũng như các kỹ thuật mã hóa và xác thực để bảo vệ dữ liệu khỏi các cuộc tấn công. Việc phát triển các giải pháp phần cứng và phần mềm tích hợp hơn cũng có thể giúp giảm chi phí và tăng tính dễ sử dụng của hệ thống.

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là hệ thống tập hợp nhiều thiết bị cảm biến nhỏ gọn, sử dụng liên kết không dây để thu thập và truyền tải dữ liệu trong phạm vi rộng, có thể ở bất kỳ điều kiện và vùng địa lý nào. Theo ước tính, mạng cảm biến không dây hiện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, nông nghiệp, quân sự và nghiên cứu môi trường. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của WSN là kéo dài thời gian hoạt động của mạng do hạn chế về năng lượng của các nút cảm biến.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và ZigBee nhằm mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu, kéo dài thời gian sống của mạng và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình mạng gồm 7 nút cảm biến tại Việt Nam, với thời gian thí nghiệm kéo dài từ 1 đến 7 giờ để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số quan trọng như tỷ lệ gói tin truyền thành công, mức tiêu thụ năng lượng và thời gian hoạt động của mạng, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng mạng cảm biến không dây trong thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

• Giao thức LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy): Đây là giao thức định tuyến phân cấp trong mạng cảm biến không dây, cho phép các nút cảm biến tự ngẫu nhiên lựa chọn làm Cluster Head (CH) để phân phối đều năng lượng tiêu thụ, kéo dài tuổi thọ mạng. LEACH hoạt động theo hai giai đoạn: giai đoạn cài đặt (thiết lập cụm) và giai đoạn ổn định (truyền dữ liệu). Giao thức này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bằng cách xử lý dữ liệu tại các nút CH trước khi truyền lên nút chủ (Sink).

• Chuẩn ZigBee: ZigBee là giao thức mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, sử dụng tần số radio ISM 2.4 GHz với cấu trúc mạng đa dạng (hình sao, lưới, cây). ZigBee có ba loại thiết bị chính: Coordinator (nút chủ), Router (nút chuyển tiếp) và End Device (nút cuối). ZigBee nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng, dễ dàng mở rộng và cấu hình linh hoạt.

Các khái niệm chính bao gồm: nút Cluster Head, nút End Device, nút Coordinator, hiệu suất truyền dữ liệu, năng lượng tiêu thụ, và cấu trúc mạng phân cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng và xây dựng hệ thống thực tế. Nguồn dữ liệu thu thập từ hệ thống gồm 7 nút cảm biến sử dụng thiết bị truyền thông Xbee và bo mạch Arduino Nano, được cấu hình theo chuẩn ZigBee và giao thức LEACH.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Đo lường mức tiêu thụ năng lượng qua pin sạc dự phòng dung lượng 10.000 mAh, theo dõi phần trăm pin còn lại sau các khoảng thời gian hoạt động khác nhau (1, 2, 4, 7 giờ).

• Thu thập và phân tích số lượng gói tin gửi đi và nhận được để đánh giá hiệu suất truyền dữ liệu và tỷ lệ mất mát gói tin.

• So sánh ba mô hình mạng: ZigBee thuần túy, giao thức LEACH, và mô hình ZigBee cải tiến áp dụng giao thức LEACH.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, với các giai đoạn thiết kế, cài đặt, thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kéo dài thời gian hoạt động của mạng:

   • Mạng ZigBee thuần hoạt động khoảng 7 giờ với nút Router tiêu thụ 72% pin, trong khi mô hình ZigBee cải tiến áp dụng LEACH kéo dài đến 24 giờ với mức tiêu thụ năng lượng tương đương.
   • Sau 4 giờ hoạt động, tổng mức tiêu thụ năng lượng của mô hình cải tiến là khoảng 105% (tính trung bình), thấp hơn so với ZigBee thuần (102%) và LEACH (102%).

2. Hiệu suất truyền dữ liệu:

   • Tỷ lệ gói tin nhận được trong mô hình cải tiến đạt 88.8% sau 2 giờ, cao hơn so với ZigBee thuần (86.8%) và LEACH (86.6%).
   • Sau 7 giờ, tỷ lệ này vẫn duy trì ở mức 92.2% cho mô hình cải tiến, trong khi ZigBee thuần và LEACH chỉ đạt khoảng 83%.

3. Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ:

   • Mô hình cải tiến phân phối đều công việc giữa các nút thành phần, giảm tải cho nút Router (Cluster Head), giúp cân bằng năng lượng tiêu thụ.
   • Biểu đồ so sánh mức tiêu thụ điện năng cho thấy phương pháp mới tiêu thụ ít năng lượng hơn theo thời gian, đặc biệt khi mạng bước vào giai đoạn ổn định.

4. Giảm tỷ lệ mất mát gói tin:

   • Mô hình ZigBee cải tiến có tỷ lệ mất mát gói tin thấp hơn đáng kể so với hai mô hình còn lại, thể hiện qua biểu đồ mất mát gói tin sau 7 giờ hoạt động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc kéo dài thời gian hoạt động mạng là do giao thức LEACH được áp dụng trong ZigBee giúp các nút thành phần thay phiên nhau làm Cluster Head, tránh tình trạng một nút Router hoạt động liên tục dẫn đến cạn kiệt năng lượng nhanh. Việc lựa chọn Cluster Head dựa trên hiệu suất truyền dữ liệu giúp tối ưu hóa đường truyền, giảm thiểu năng lượng tiêu hao do truyền tải qua khoảng cách xa hoặc môi trường nhiễu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả cho thấy sự kết hợp LEACH và ZigBee không chỉ cải thiện tuổi thọ mạng mà còn nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian sống của mạng, biểu đồ mức tiêu thụ năng lượng và biểu đồ tỷ lệ mất mát gói tin để minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng giao thức LEACH trong các mạng ZigBee thực tế:

   • Mục tiêu: Kéo dài thời gian hoạt động mạng và giảm tiêu thụ năng lượng.
   • Thời gian: 6-12 tháng để tích hợp và thử nghiệm thực tế.
   • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp phát triển thiết bị IoT, trung tâm nghiên cứu công nghệ.

2. Phát triển phần mềm quản lý và giám sát năng lượng cho các nút cảm biến:

   • Mục tiêu: Theo dõi hiệu suất truyền dữ liệu và năng lượng tiêu thụ để điều chỉnh kịp thời.
   • Thời gian: 3-6 tháng phát triển và triển khai.
   • Chủ thể thực hiện: Các nhóm phát triển phần mềm IoT và hệ thống nhúng.

3. Nâng cấp phần cứng hỗ trợ đo lường năng lượng chính xác hơn:

   • Mục tiêu: Cải thiện độ chính xác trong đánh giá mức tiêu thụ năng lượng, hỗ trợ tối ưu hóa giao thức.
   • Thời gian: 6 tháng nghiên cứu và thử nghiệm.
   • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị cảm biến.

4. Mở rộng quy mô thử nghiệm và áp dụng trong các lĩnh vực đa dạng:

   • Mục tiêu: Đánh giá hiệu quả trong các môi trường khác nhau như nông nghiệp, công nghiệp, y tế.
   • Thời gian: 12-18 tháng triển khai thử nghiệm thực tế.
   • Chủ thể thực hiện: Các tổ chức nghiên cứu, doanh nghiệp ứng dụng công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin, Truyền thông:

   • Lợi ích: Hiểu sâu về giao thức LEACH, ZigBee và cách kết hợp hai công nghệ để tối ưu mạng cảm biến không dây.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ hoặc tiến sĩ liên quan đến mạng cảm biến.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống IoT và mạng cảm biến:

   • Lợi ích: Áp dụng giải pháp tối ưu năng lượng và cải thiện hiệu suất truyền dữ liệu trong các dự án thực tế.
   • Use case: Thiết kế hệ thống giám sát môi trường, nông nghiệp thông minh, nhà thông minh.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị cảm biến và thiết bị truyền thông không dây:

   • Lợi ích: Nắm bắt xu hướng công nghệ mới, cải tiến sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.
   • Use case: Tích hợp giao thức LEACH vào sản phẩm ZigBee để nâng cao tính cạnh tranh.

4. Các tổ chức nghiên cứu ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp, y tế, công nghiệp:

   • Lợi ích: Tăng hiệu quả giám sát, tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao độ tin cậy hệ thống.
   • Use case: Triển khai mạng cảm biến không dây trong các dự án giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe từ xa.

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức LEACH là gì và tại sao lại quan trọng trong mạng cảm biến không dây?
   LEACH là giao thức định tuyến phân cấp giúp phân phối đều năng lượng tiêu thụ giữa các nút cảm biến bằng cách luân phiên chọn Cluster Head. Điều này kéo dài thời gian hoạt động của mạng và giảm thiểu năng lượng tiêu hao không cần thiết.

2. ZigBee có những ưu điểm gì so với các giao thức mạng không dây khác?
   ZigBee nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng, cấu trúc mạng linh hoạt (hình sao, lưới, cây), dễ dàng mở rộng và chi phí thấp, phù hợp cho các ứng dụng IoT và mạng cảm biến không dây.

3. Tại sao cần kết hợp LEACH với ZigBee trong nghiên cứu này?
   ZigBee có ưu điểm về cấu trúc mạng và tiết kiệm năng lượng nhưng gặp hạn chế về thời gian sống của mạng do nút Router hoạt động liên tục. LEACH giúp luân phiên vai trò Cluster Head, cân bằng năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng khi tích hợp vào ZigBee.

4. Phương pháp đo lường năng lượng tiêu thụ trong nghiên cứu được thực hiện như thế nào?
   Nghiên cứu sử dụng pin sạc dự phòng dung lượng 10.000 mAh có màn hình LCD để theo dõi phần trăm pin còn lại sau các khoảng thời gian hoạt động, từ đó đánh giá mức tiêu thụ năng lượng của từng nút trong mạng.

5. Giải pháp đề xuất có thể áp dụng trong những lĩnh vực nào?
   Giải pháp phù hợp với các lĩnh vực cần giám sát liên tục và tiết kiệm năng lượng như nông nghiệp thông minh, giám sát môi trường, y tế từ xa, công nghiệp tự động hóa và các ứng dụng IoT khác.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình mạng cảm biến không dây kết hợp giao thức LEACH và ZigBee, cải thiện đáng kể thời gian hoạt động và hiệu suất truyền dữ liệu.
• Phương pháp luân phiên chọn Cluster Head dựa trên hiệu suất truyền dữ liệu giúp cân bằng năng lượng tiêu thụ giữa các nút, kéo dài tuổi thọ mạng.
• Thí nghiệm thực tế với 7 nút cảm biến cho thấy mô hình cải tiến có tỷ lệ gói tin nhận được cao hơn 5-9% so với ZigBee thuần và LEACH truyền thống.
• Mức tiêu thụ năng lượng được giảm thiểu rõ rệt, đặc biệt khi mạng hoạt động lâu dài, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi thời gian giám sát liên tục.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô thử nghiệm, phát triển phần mềm quản lý năng lượng và ứng dụng giải pháp trong các lĩnh vực thực tế.

Luận văn khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư tiếp tục phát triển và ứng dụng mô hình này nhằm nâng cao hiệu quả mạng cảm biến không dây trong kỷ nguyên công nghệ 4.0 và IoT.