Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẶNG DUY AN MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẶNG DUY AN MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH : 60 48 01 PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây 2 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 3 1.3. Cấu trúc của nút cảm biến 5 1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 6 1.4.1. Các mặt phẳng quản lý 6 1.4.2. Lớp vật lý: 7 1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu 8 1.4.4. Lớp mạng 8 1.4.5. Lớp truyền tải 8 1.4.6. Lớp ứng dụng 8 1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 8 1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây 8 1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây 11 1.6. Một số thách thức của mạng WSNs 12 1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút 12 1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng 13 1.6.3. Sự chuẩn hóa 14 1.6.4. Khả năng cộng tác 14 1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây 15 1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp. 15 1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế 16 1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng 16 1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông 17 1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình 18 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19 2.1. Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp - 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) 19 2.1.1. Giới thiệu 19 2.1.2. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.2. Công nghệ truyền thông lớp ứng dụng hoạt động trên mạng có năng lƣợng hạn chế - CoAP (Constrained Application Protocol) 24 2.2.1. Đặc điểm 25 2.2.2. Kiến trúc CoRE 25 2.2.3. Mô hình giao thức CoAP 27 2.2.4. Phân lớp ngăn xếp giao thức CoAP 32 34 34 Request/Response 38 ủa CoAP 40 41 2.2.10. Chuyển đổi giữa CoAP và HTTP 43 2.3. Công nghệ truyền thông cho mạng có năng lƣợng và tổn hao thấp - RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks) 44 2.3.1. Giới thiệu 44 2.3.2. Một số khái niệm trong RPL 44 2.3.3. Các loại bản tin sử dụng trong RPL - ICMP 47 2.3.4. Quá trình khởi tạo mạng 50 2.3.5. Quá trình định tuyến upward 50 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH 54 3.1. Mô tả bài toán 54 3.2. Thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh 55 3.2.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh 55 3.2.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh 57 3.2.3. Các module chính của mô hình ngôi nhà thông minh 58 3.3. Các thuật toán quản lý mô hình ngôi nhà thông minh 62 3.3.1. Thuật toán điều khiển thiết bị 62 3.3.2. Thuật toán gửi số liệu lên máy chủ 62 3.3.3. Thuật toán gửi số liệu của nút cảm biến tới nút sink 63 3.3.4. Đánh giá hiệu năng của hệ thống 63 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. 2 Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. 5 Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 6 Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. 7 Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây 9 Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây 9 Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây 10 Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp 16 Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trƣờng 17 Hình 1. 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông 18 Hình 1. 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình 18 Hình 2.1. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer 21 Hình 2.2. Kiến trúc REST. 26 Hình 2.3. Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs. 27 28 . 28 . 29 . 30 . 30 . 31 Hình 2.10. So sánh ngăn xếp giao thức HTTP(a) với CoAP(b). 32 34 . 39 42 Hình 2.17. Mô hình RPL DAG 45 Hình 2.18. RPL INSTANCE và DAG sequence number 46 Hình 2.19. Cấu trúc bản tin điều khiển RPL 47 Hình 2.20. Cấu trúc bản tin DIS 48 Hình 2.21. Cấu trúc bản tin DIO 49 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.22. Cấu trúc bản tin DAO 49 Hình 3.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh 55 Hình 3.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh Hình 3.3. Module kết nối Interenet của mô hình ngôi nhà thông minh 58 Hình 3.5. Màn hình login trên smartphone OS Android. 64 Hình 3.6. Màn hình quản lý thiết bị trên smartphone OS Android. 65 Hình 3.7. Màn hình giám sát môi trƣờng trên smartphone OS Android. 65 Hình 3.8. Màn hình giám sát môi trƣờng trên máy tính. 66 Hình 3.9. Lƣu đồ thuật toán xác định và điều khiển thiết bị 62 Hình 3.10. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu lên máy chủ 62 Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink 63 Hình 3.12. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink 66 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Với khái niệm Internet của mọi thứ - IoT (Internet of Things) và Web của mọi thứ - WoT (Web of Things) sẽ cho phép mọi thiết bị nhƣ máy tính, máy in, thiết bị cầm tay, thiết bị điện, cảm biến, tủ lạnh, tàu hỏa, điện thoại vv đều có khả năng kết nối, truyền thông, thông báo tình trạng (hết hàng, hết thực phẩm trong tủ lạnh, hạn sử dụng của thực phẩm, ) và điều khiển nhƣ các máy tính qua mạng IP dựa trên nền Web, đã mở ra hƣớng phát triển tƣơng lai đầy triển vọng cho mạng Internet trong việc tích hợp các mạng thông tin khác nhau trên cùng một nền tảng IP thống nhất, trong đó có mạng cảm biến không dây đang là chủ đề rất đƣợc quan tâm. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) gồm nhiều nút đƣợc trang bị cảm biến và liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến với mức tiêu thụ năng lƣợng thấp. Mục đích của mạng cảm biến là thu thập thông tin từ các nút trong mạng và chuyển tới trung tâm xử lý một cách hiệu quả nhất. Mạng WSNs đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ quốc phòng, an ninh, giám sát môi trƣờng, y tế, công nghiệp và dân dụng. Trong những năm gần đây, chủ đề nghiên cứu liên kết các giữa nút cảm biến cũng nhƣ giữa các mạng WSNs với nhau qua mạng IP nhằm kế thừa nền tảng giữa các mạng WSNs đang ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và triển khai trong thực tế. Do đó, nhiều công nghệ truyền thông kết nối mạng cảm biến không dây với mạng IP đƣợc đề xuất, nghiên cứu và triển khai. Chính vì vậy, đề tài “Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh” có mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP có hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây. Bố cục của luận văn nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: trình bày về kiến trúc, phƣơng thức truyền thông, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế nhƣ y tế, nông lâm nghiệp, gia đình. Chƣơng 2: Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không dây: trình bày chi tiết về một số công nghệ truyền thông qua mạng IP của mạng cảm biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng 3: Xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh: phân tích và thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh sử dụng công nghệ CoAP. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây Trong những năm gần đây, sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin & truyền thông đã tạo động lực thúc đẩy mạnh mẽ cho việc phát triển các hệ thống thông minh trong hầu hết các lĩnh vực của xã hội nhƣ y tế, nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp và dân dụng. Đồng thời, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things) đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống cảm biến và mạng cảm biến là một trong những yếu tố then chốt cho các hệ thống thông minh này. Mạng cảm biến không dây – WSNs (Wireless Sensor Networks) gồm các nút cảm biến có khả năng với nhau thông qua truyền thông vô tuyến. Trong đó, các nút thƣờng là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lƣợng lớn và diện tích giám sát bất kỳ, sử dụng nguồn năng lƣợng hạn chế. Các nút cảm biến này có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, cũng nhƣ điều khiển nhằm có đƣợc những quyết định phù hợp với môi trƣờng tự nhiên đang đƣợc giám sát. Mô hình của mạng cảm biến đƣợc minh họa nhƣ sau: Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Với minh họa nhƣ hình 1.1, các nút cảm biến đƣợc phân bố một cách phù hợp theo vị trí thu thập thông tin và đảm bảo liên kết truyền thông với nhau, dữ liệu có thể truyền đa chặn để tới nút chủ (sink node). Các nút cảm biến thƣờng có chức năng nhƣ thu thập số liệu môi trƣờng xung quanh nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng; theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động,… Các nút này sử dụng môi trƣờng vô tuyến để truyền số liệu, liên kết theo cấu trúc xác định, có khả năng chuyển tiếp gói tin của các nút khác để truyền tới nút chủ. Nút chủ hay còn gọi là nút trung tâm (base station) có khả năng xử lý, bộ nhớ, và thu thập số liệu của các nút khác, cũng nhƣ đƣa ra những yêu cầu tới từng nút theo nhiệm vụ riêng của mình. Nút chủ của mạng cảm biến có thể đƣợc chia sẻ qua hệ thống mạng IP nhƣ mạng Internet, hay mạng viễn thông theo mục đích của ngƣời dùng. Nhờ vậy, phạm vi hoạt động của mạng cảm biến không những không bị hạn chế, mà còn có thể phát triển thành liên kết giữa các mạng cảm biến với nhau. 1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây Khác với mạng cảm biến thông thông, mạng cảm biến không dây có những đặc điểm tiểu tiểu nhƣ sau: Mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai trên một phạm vi rộng, số lƣợng node cảm biến lớn và có thể đƣợc phân bố một cách ngẫu nhiên, hoặc theo quy luật xác định. Các node mạng có thể di chuyển làm thay đổi sơ đồ bố trí mạng. Do vậy, mạng cảm biến không dây có tính linh động và các nút cảm biến của mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình nhằm đảm bảo ổn định cho mạng WSNs Mạng WSN không sử dụng đƣợc các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biến dùng cho mạng máy tính nhƣ 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế & giao thức truyền vô tuyến riêng. Do giới hạn về nguồn năng lƣợng cung cấp và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lƣợng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến không dây. Có khả năng chịu lỗi: trong trƣờng hợp một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lƣợng, do những hƣ hỏng vật lý hoặc do ảnh hƣởng của môi trƣờng. Bởi vạy, khả năng chịu lỗi của mạng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ WSNs thể hiện ở việc mạng này vẫn có thể hoạt động bình thƣờng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động. Ở đây, ngƣời ta sử dụng phân bố Poisson để xác định xác suất không có sai hỏng trong khoảng thời gian (0,t): R k (t) = e –λ k t Trong đó: - λ k : tỉ lệ lỗi của nút k - T :khoảng thời gian khảo sát - R k (t): độ tin cậy hoặc khả năng chịu lỗi của các nút cảm biến Khả năng mở rộng: Khi triển khai mạng cảm biến không dây thì số lƣợng các nút cảm biến đƣợc triển khai có thể đến hàng trăm nghìn, phụ thuộc vào từng ứng dụng. Bởi vậy mạng WSNs có khả năng làm việc với sự biến động về số lƣợng nút mạng Dễ triển khai là một ƣu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Ngƣời sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng nhƣ cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hƣởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tƣợng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. [...]... truyền thông cho mạng cảm biến không dây 1.5.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây có thể đƣợc chia thành ba loại: Điểm - Điểm, Điểm - Đa điểm và Đa điểm - Điểm Mỗi mô hình truyền thông đƣợc sử dụng trong các trƣờng hợp khác nhau Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình truyền thông này 1.5.1.1 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến. .. cảm biến không dây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây Với mô hình truyền thông Điểm - Điểm sẽ diễn ra khi một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác Tuy nhiên, việc truyền thông có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Trong hình phía dƣới, hai nút mạng cảm biến không dây... chúng 1.5.1.3 Mô hình truyền thông Đa điểm-Điểm Mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm thƣờng đƣợc sử dụng để thu thập dữ liệu từ các nút trong trƣờng cảm biến Với mô hình truyền thông Đa điểm Điểm, một vài nút gửi dữ liệu đến cùng một nút Nút này thƣờng đƣợc gọi là Sink Hình 3 minh họa mô hình truyền thông Đa điểm - Điểm Hình 1 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây Truyền thông Đa điểm... có hai nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển tiếp các gói tin giữa các điểm đầu cuối của quá trình truyền thông 1.5.1.2 Mô hình truyền thông Điểm-Đa điểm Mô hình truyền thông Điểm – Đa điểm đƣợc minh họa nhƣ ở hình 2 Mô hình này đƣợc sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có thể là tất cả các nút khác trong mạng Mô hình truyền thông này có... mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây đƣợc biết đến không chỉ bởi số lƣợng lớn các nút và các ứng dụng tiềm năng mà còn bởi một số lƣợng đáng kể các tiêu chuẩn khác nhau, các nhà sản xuất và công ty khác nhau quan tâm đóng góp cho công nghệ Các công nghệ sản xuất khác nhau có những tiêu chuẩn khác nhau Vấn đề chuẩn hóa công nghệ mạng cảm biến không dây là một thách thức không chỉ về mặt công. .. thông minh vẫn còn là một vấn đề mở Trong cuốn sách này, chúng ta chọn kiến trúc kỹ thuật cho mạng các đối tƣợng thông minh là kiến trúc IP Thứ hai là mặc dù một số tiêu chuẩn cho mạng các đối tƣợng thông minh vẫn đang đƣợc phát triển nhƣng các tiêu chuẩn đã tồn tại vẫn có thể đƣợc sử dụng lại 1.7 Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây 1.7.1 Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp Mạng cảm ứng. .. Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ thành công trên thị trƣờng Mỹ Hiện nay ở Việt Nam cũng đã có một số hệ thống đo mực nƣớc ở sông Hồng sử dụng mạng cảm biến không dây Hình 1 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trường 1.7.4 Ứng dụng WSNs trong giao thông Với phạm vi ứng dụng này, thì các cảm biến đƣợc gắn trên các phƣơng tiện giao thông để chúng có thể xác định đƣợc vị trí của nhau,... giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt hơn Hiện nay một số nƣớc đã ứng dụng hệ thống thu phí tự động sử dụng cảm biến không dây tại các trạm thu phí - làm giảm bớt đáng kể thời gian và các thủ tục phiền hà trong thu phí giao thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 1 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông 1.7.5 Ứng dụng WSNs trong gia đình Hình 1 11 Minh. .. ăn vào bể cá khi vắng nhà, hoặc nếu quên tắt TV, bếp gas , khi tới công sở, họ có thể gửi tin nhắn qua điện thoại di động để điều khiển thiết bị từ xa CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp 6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) 2.1.1 Giới thiệu Các mạng cảm biến không dây tiêu thụ công. .. rất nhỏ có thể nuốt vào trong ngƣời, dùng một lần và đƣợc bọc vỏ hoàn toàn, nguồn nuôi của thiết bị này đủ để hoạt động trong 24 giờ Trong thời gian đó, chúng gửi hình ảnh về bên trong con ngƣời sang một thiết bị khác mà không cần phải phẫu thuật Các bác sĩ có thể dựa vào đó để chuẩn đoán và điều trị 1.7.3 Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng Một số ứng dụng môi trƣờng của mạng cảm biến không dây là dùng để . đề tài Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh có mục tiêu nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP. không dây 9 Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây 10 Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp 16 Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi. Lớp ứng dụng 8 1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây 8 1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây 8 1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không