Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ------------------------ TRỊNH MINH PHƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ IOT CHO GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: Chuyên ngành thí điểm TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2016 2 MỞ ĐẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Dương Lê Minh, em đã chọn đề tài đồ án “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực cảm biến thu nhận dữ liệu. Trong đồ án còn thực hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng. Nội dung của đồ án được thể hiện qua 4 chương: 3 Chƣơng 1. Tổng quan về IoT Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IOT, ứng dụng của IOT. Chƣơng 2. Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây Trong chương này tôi sẽ giới thiệu mạng cảm biến không dây, các công nghệ được sử dụng trong mạng cảm biến không dây. Chƣơng 3. Nghiên cứu các ứng dụng công nghệ cảm biến không dây Chương này sẽ nêu rõ các ứng sử dụng công nghệ cảm biến không dây trong đời sống con người. Chƣơng 4. Xây dựng chƣơng trình, cài đặt và đánh giá 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1. Định nghĩa - Thiết bị(devices): Đối với Internet Of Things, đây là một phần của cả hệ thống với chức năng bắt buộc là communication và chức năng không bắt buộc là: cảm biến, thực thi,thu thập dữ liệu, lưu trữ và xử lý dữ liệu. - Internet Of Things: Là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, mang đến những dịch vụ tiên tiến bằng cách kết nối các “Things” (cả physical lẫn virtual) dựa trên sự tồn tại của thông tin, dựa trên khả năng tương tác của các thông tin đó, và dựa trên các công nghệ truyền thông. - Things: Đối với Internet Of Things, “Thing” là một đối tượng của thế giới vật chất (physical things) hay thế giới thông tin ảo(virtual things). “Things” có khả năng được nhận diện, và “Things” có thể được tích hợp vào trong mạng lưới thong tin liên lạc. 1.2. Khái niệm của IoT IoT có thể được coi là một tầm nhìn sâu rộng của công nghệ và cuộc sống. Từ quan điểm của tiêu chuẩn kỹ thuật, IoT có thể được xem như là một cơ sở hạ tầng mang tính toàn cầu cho xã hội thông tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến thông qua sự liên kết các “Things”. IoT dự kiến sẽ tích hợp rất nhiều công nghệ mới, chẳng hạn như các công nghệ thông tin machine-to-machine, mạng tự trị, khai thác dữ liệu và ra quyết định, bảo vệ sự an ninh và sự riêng tư, điện toán đám mây. Như hình dưới, một hệ thống thông tin trước đây đã mang đến 2 chiều – “Any TIME” và “Any PLACE” communication. Giờ IoT đã tạo thêm một chiều mới trong hệ thống thông tin đó là “Any THING” Communication. 1.3 IOT từ góc nhìn kỹ thuật Như đề cập ở mục 1, “Things” trong IoT có thể là đối tượng vật lý (Physical) hoặc là đối tượng thông tin (hay còn gọi là đối tượng ảo – Virtual). Hai loại đối tượng này có thể ánh xạ (mapping) qua lại lẫn nhau. Một đối tượng vật lý có thể được trình 5 bài hay đại diện bởi một đối tượng thông tin, tuy nhiên một đối tượng thông tin có thể tồn tại mà không nhất thiết phải được ánh xạ từ một đối tượng vật lý nào. Yêu cầu tối thiểu của các “device” trong IOT là khả năng giao tiếp. Devices sẽ được phân loại vào các dạng như device mang thông tin, device thu thập dữ liệu, device cảm nhận(sensor), device thực thi, hay general device: 1.4. Đặc điểm cơ bản và yêu cầu ở mức high-level của một hệ thống IOT 1.4.1 Đặc tính cơ bản – Tính kết nối liên thông(interconnectivity). – Những dịch vụ liên quan đến “Things”. – Tính không đồng nhất. – Thay đổi linh hoạt. – Quy mô lớn. 1.4.2 Yêu cầu ở mức high-level đối với một hệ thống IOT Một hệ thống IOT phải thoả mãn các yêu cầu sau: – Kết nối dựa trên sự nhận diện. – Khả năng cộng tác. – Khả năng tự quản của network. – Dịch vụ thoả thuận. – Các Khả năng dựa vào vị trí(location-based capabilities). – Bảo mật. – Bảo vệ tính riêng tư. – Plug and play. – Khả năng quản lý. 1.5 Mô hình của một hệ thống IOT Bất kỳ một hệ thống IOT nào cũng được xây dựng lên từ sự kết hợp của 4 layer sau: – Lớp ứng dụng (Application Layer) – Lớp Hỗ trợ dịch vụ và hỗ trợ ứng dụng (Service support and application support layer) – Lớp mạng (Network Layer) – Lớp thiết bị (Device Layer) 6 CHƢƠNG 2: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Tổng quang mạng cảm biến Mạng cảm biến hay còn gọi là mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần lien lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện, hiên tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi ,và các ứng dụng trong y học.Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất ña dạng và không bị giới hạn. Có 4 thành phần cơ bản tạo nên 1 mạng cảm biến: - Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải. - Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hoặc vô tuyến). - Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu . - Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm. Hiệu quả sử dụng công suất của WSN dựa trên 3 yếu tố: - Chu kỳ hoạt động ngắn. - Xử lý tín hiệu nội bộ tại các node để giảm thời gian truyền. - Mô hình dạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền . Một vài đặc điểm của mạng cảm biến: 7 - Các node phân bố dày đặc. - Các node dễ hỏng. - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên. - Node bị giới hạn về khả năng tính toán,công suốt, bộ nhớ. 2.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 2.2.1 Phần cứng Các thành phần cấu tạo nên một Node : - Một cảm biến (1 hay một dãy cảm biến). - Đơn vị xử lý. - Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến. - Nguồn cung cấp. - Các phần ứng dụng khác. 8 Các node có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu tới trung tâm. Phần mềm: 5 nhóm chính Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến. Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi,… Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong mạng 2.2.2 Giao thức điều khiển truy cập: Mạng WSNs được xây dựng với số lượng lớn cảm biếm , phân bố trên một vùng địa lý. Các thiết bị cảm biến (node) này bị hạn chế về nguồn cung cấp và do đó bị giới hạn khả năng xử lý và thông tin. Việc khai thác để sử dụng hiệu quả các lợi ích tiềm năng của mạng WSNs đòi hỏi khả năng tự tổ chức và kết hợp ở mức độ cao của các node cảm biến. Do 9 đó, thiết kế giao thức mạng và liên lạc hiệu quả cho WSNs trở thành điều quan trọng để mang lại thành công trong hoạt động của mạng. Xây dựng phần cứng cho mạng không dây liên kết đa đường để truyền dữ liệu đòi hỏi phải tạo sự liên lạc giữa các node lân cận. Không giống thông tin trong mạng có dây dẫn, mạng không dây dựa trên truyền sóng điện từ qua môi trường không khí, tuân theo các đặc tính truyền sóng. Việc đối xử với các node trong mạng phải ngang nhau. để đạt được các mục tiêu này, việc sử dụng giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC (Medium Access Control) là cần thiết. Một số giao thức MAC đã được đề nghị cho mạng WNSs, lựa chọn giao thức do đặc tính của mạng quyết định. đặc điểm kênh truyền chỉ cho phép một node truyền thông điệp tại một thời điểm xác định. Việc chia sẻ truy cập kênh truyền cần phải xây dựng giao thức MAC cho các node trong mạng. Từ mô hình tham khảo OSI (Open Systems Interconnection Reference Model_OSIRM), giao thức MAC được xây dựng ở lớp thấp của lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer_DDL) . Lớp cao của DDL được xem như lớp điều khiển ligic (LLC). Sự tồn tại của lớp LLC cho phép nhiều lựa chọn cho lớp MAC, phụ thuộc vào cấu trúc và giao thức của mạng, đặc tính kênh truyền, và chất lượng cung cấp cho ứng dụng. Lớp vật lý (PHY) gồm các đặc tính về môi trường truyền và cấu hình mạng. Nó định nghĩa giao thức và chức năng các thiết bị vật lý, giao diện về mặt điện để đạt được việc thu nhận bit. Chức năng chủ yếu lớp PHY bao gồm các qui ước về điện, mã hóa và khôi phục tín hiệu, đồng bộ phát và thu, qui ước về chuỗi bit… Lớp MAC nằm ngay trên lớp vật lý. Cung cấp các chức năng sau: Kết hợp dữ liệu vào frame để gởi đi bằng cách thêm vào trường header gồm thông tin về địa chỉ và trường kiểm soát lỗi. 10 Tách frame thu được để lấy ra địa chỉ và thông tin kiểm tra lỗi khôi phục lại thông điệp. điều chỉnh truy cập đối với kênh truyền chia sẻ theo cách phù hợp với đòi hỏi về đặc điểm của ứng dụng. Hình 5.1: Mô hình tham khảo OSI và cấu trúc lớp liên kết dữ liệu Lớp LLC của DDL cung cấp giao diện trực tiếp cho lớp cao hơn. Mục đích chính là để ngăn cách lớp cao với các lớp thấp hơn phía dưới, do đó tạo ra khả năng hoạt động giữa các dạng khác nhau của mạng. 2.3 Phân loại mạng cảm biến 2.3. 1 Category 1 WSN (C1WSN) Hệ thống lưới kết nối đa đường giữa các node qua kênh truyền vô tuyến sử dụng giao thức định tuyến động,các node tìm đường đi tôt nhất đến đích. 2.3.2 Category 2 WSN (C2WSN) Mô hình điểm-điểm hay đa điểm-điểm, chủ yếu là các liên kết đơn giữa các node (single hop), dùng giao thức định tuyến tĩnh.