TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG

LỜI CAM ĐOAN
TÔI XIN CAM ĐOAN
Đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu, trích dẫn, kết
quả thực nghiệm và cài đặt được trình bày trong luận văn là trung thực và có nguồn
gốc rõ ràng.

……, tháng …..năm ……..
Học viên

1


LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy ……….,
Ban Đào tạo – Đại học ……., đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề
tài.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mọi mặt của Ban Giám hiệu, Phòng Đào
tạo Sau đại học, Khoa Công nghệ thông tin - Trường Đại học ……… cùng quý thầy cô
đã tham gia giảng dạy trong suốt quá trình học tập.
Cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn
thành luận văn này.

Học viên

2


MỤC LỤC

3

DANH MỤC BẢNG

4


DANH MỤC HÌNH VẼ

5


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
RFID

Radio Frequency Identification

WSN

Wireless Sensor Network

IOT

Internet of Things

EECBR

Energy-Efficient Content-Based Routing

NTP

Network Time Protocol

AODV

Ad hoc On-Demand Distance Vector

DSDV

Destination Sequenced Distance Vector

AIDC

Automatic Identification and Data Capture

HF

High Frequency

6


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ RFID

RFID (Radio Frequency Identification) là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng
sóng vô tuyến. Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống
thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng. Một hệ
thống RFID thường bao gồm 2 thành phần chính là thẻ tag (chip RFID chứa thông tin)

và đầu đọc (reader) đọc các thông tin trên chip.
Ban đầu, RFID được ứng dụng trong lĩnh vực quân sự. Trong thế chiến thứ II,
quân đội các nước Mỹ, Nga, Đức,… đã ứng dụng công nghệ RFID để xác định máy
bay trên không phận mình là của địch hay của kẻ thù vì vậy nó còn có tên là IFF
(Identify Friend or Foe). Tuy nhiên, mãi đến những năm 80 nó mới được bắt đầu ứng
dụng trong lĩnh vực thương mại và từ năm 1990 đến nay, RFID vẫn là mục tiêu được
chú trọng phát triển trong nhiều lĩnh vực như hàng không, quốc phòng cho đến lĩnh
vực kiểm kê, kiểm soát hàng hóa, kiểm soát động vật, giao thông (thẻ trả tiền tàu xe,
hoặc gắn vào lốp xe để đánh giá điều kiện đường xá,…), quản lý việc truy cập hệ
thống và bảo mật, quản lý nhân viên, dược phẩm, siêu thị, thư viện...
Bên cạnh công nghệ RFID, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network
– WSN) cũng đang phát triển mạnh mẽ. Một mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn
các nút cảm biến có thể được triển khai trên mặt đất, trong không trung, trong xe, bên
trong tòa nhà, hoặc thậm chí trên cơ thể người. Hiện nay có nhiều nghiên cứu đang cố
gắn kết hợp hai công nghệ RFID và WSN lại với nhau nhằm mở rộng và nâng cao khả
năng của hệ thống.
Trong chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hai công nghệ RFID và WSN và
giới thiệu mạng IoT cũng như vấn đề sự kiện trong mạng.
1.1 GIỚI THIỆU RFID
Không giống như công nghệ mã vạch, công nghệ RFID cho phép nhận dạng đối
tượng đã được gắn thẻ bằng sóng vô tuyến không cần tiếp xúc trực tiếp ở khoảng cách
7


xa, không thực hiện bất kỳ giao tiếp vật lý nào. Các thẻ RFID hỗ trợ một bộ mã số ID
(Indentity) lớn hơn nhiều so với mã vạch. Các hệ thống có thể phân biệt được nhiều thẻ
khác nhau nằm trong cùng khu vực mà không cần sự hỗ trợ của con người. Vì thế công
nghệ này là một phương pháp của tự động nhận dạng và thu thập dữ liệu AIDC
(Automatic Identification and Data Capture).
1.1.1 Các thành phần của hệ thống RFID

Trong hệ thống RFID, sử dụng kỹ thuật truyền thông không dây trong dãy tần số
vô tuyến để truyền dữ liệu từ các thẻ (Tag) đến đầu đọc (Reader). Trên thẻ có thể được
gắn vi chip, ăng-ten và được đính kèm vào đối tượng được nhận dạng như sản phẩm,
xe ôtô. Thẻ được đầu đọc nhận dạng và lấy thông tin, sau đó thông tin có thể chuyển
tiếp đến một phần mềm ứng dụng trên máy tính.
Một hệ thống RFID bao gồm các thành phần như bộ tiếp sóng (transponder hay
thẻ RFID), bộ thu phát (transceiver hay đầu đọc RFID), ngày nay đầu đọc đã được trang
bị sẵn an-ten và máy chủ hay hệ thống phần mềm, về mặt lý thuyết một hệ thống RFID
hoạt động độc lập không cần thành phần này, nhưng thực tế hệ thống RFID gần như
không còn ý nghĩa nếu không có thành phần này.

Hình 1.1. Các thành phần của hệ thống RFID
1.1.1.1 Thẻ RFID
Thẻ RFID là một thiết bị có thể lưu trữ và truyền dữ liệu đến đầu đọc trong môi
trường không tiếp xúc bằng sóng vô tuyến. Thông thường mỗi thẻ RFID có một cuộn
dây hoặc ăng-ten (Antenna), một số thẻ có gắn vi chíp (microchip) và nguồn năng
lượng riêng.

8


Vi chip dùng để lưu trữ thông tin, bộ nhớ của chip có thể chứa tới 96 bit đến 512
bit gấp 64 lần so với mã vạch, mỗi chíp lưu trữ một mã số là duy nhất. Dựa trên chức
năng của vi chip, các thẻ RFID có thể được phân loại là read-only (Chỉ đọc), readwrite (đọc-ghi), write-once-read-many (đọc một lần và ghi nhiều lần).
Ăng-ten được gắn với vi mạch truyền thông tin từ vi chip đến đầu đọc, phạm vi
đọc và truyền dữ liệu phụ thuộc vào độ lớn ăng-ten.
Nguồn năng lượng (pin) được tích hợp vào thẻ RFID để cung cấp năng lượng
hoạt động cho thẻ. Dựa trên nguồn năng lượng, các thẻ RFID có thể được phân làm ba
loại chính là chủ động (active), thụ động (passive) và bán thụ động (semi-passive hay
sime-active).

− Các thẻ chủ động là các thẻ được trang bị máy phát (transmitter) và được tích
hợp pin làm nguồn năng lượng của thẻ, thẻ chủ động truyền mã nhận dạng thông qua
các máy phát, do đó nó có phạm vi đọc rất xa.
− Các thẻ thụ động là các thẻ không đƣợc tích hợp pin, chúng được kích hoạt khi
nằm trong vùng phát sóng của đầu đọc và sử dụng cảm ứng điện để kết nối với ăng-ten
của đầu đọc, điều này có nghĩa là các thẻ thụ động chỉ đơn giản là phản ánh lại những
tín hiệu phát ra từ đầu đọc. Các thẻ thụ động đơn giản hơn và rẻ hơn nhưng phạm vi
đọc ngắn hơn nhiều so với các thẻ chủ động.

Hình 1.2. Một số dạng thẻ thông dụng của ứng dụng RFID

9


Dựa vào sự khác nhau giữa các loại thẻ người sử dụng lựa chọn loại thẻ phù hợp
với mục đích sử dụng, (Bảng 1.1) cho thấy sự khác nhau cơ bản của các loại thẻ nói
trên.
Bảng 1.1. Bảng so sánh sự khác nhau của các loại thẻ
Đặc điểm

Thẻ chủ
Thể thụ
Thẻ
bán
động
động
thụ động

Năng lượng riêng để truyền dữ liệu

Có

Không

Không

Năng lượng riêng cho chip

Có

Không

Có

Phạm vi đọc

Xa

Ngắn

Trung bình

Cao

Thấp

Trung bình

Chi phí thẻ
1.1.1.2 Đầu đọc RFID

Đầu đọc RFID là một thiết bị để đọc và ghi dữ liệu lên thẻ. Hai khối chức năng
chính của đầu đọc là: giao diện HF (High Frequency) và đơn vị điều khiển (Control
Unit) với bộ phát và bộ thu.
Các nhiệm vụ của giao diện HF:
− HF chuyển tiếp năng lượng để kích hoạt thẻ và cung cấp năng lượng cần thiết cho thẻ.
− Truyền tín hiệu đã được điều biến để chuyển dữ liệu đến thẻ.
− Giải mã tín hiệu HF nhận được từ thẻ.
Trong Hình 1.Hình 1., ta thấy có hai cách truyền dữ liệu độc lập, một để gửi dữ
liệu đến thẻ và một là nhận dữ liệu từ thẻ. Dữ liệu được truyền đến thẻ bởi máy phát.
Ngược lại, dữ liệu nhận được từ thẻ bởi máy thu.
Các nhiệm vụ của đơn vị điều khiển:
- Giao tiếp với phần mềm ứng dụng và thực thi các lệnh của nó.
- Kiểm soát giao tiếp giữa đầu đọc và thẻ.
- Mã hóa và giải mã tín hiệu.

10


Đầu đọc RFID
Ứng dụng

Đơn vị
điều khiển
Truyền dữ liệu

Nhận dữ liệu

Thẻ

HF

Hình 1.3. Sơ đồ thể hiện các đơn vị chính của đầu độc
1.1.2 Ứng dụng công nghệ RFID
Sau đây là một số ứng dụng của công nghệ RFID:
- Trong quản lý thu phí đường bộ tự động, với tần số 900 Mhz và 2.45 Ghz
cho phép đọc dữ liệu từ thẻ RFID ở khoảng cách xa (vài mét đến vài chục mét) và lướt
rất nhanh qua đầu đọc đã mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả vào việc thu phí giao
thông đường bộ tự động, khi các xe không phải dừng lại mua vé như truyền thống mà
chỉ cần gắn thẻ RFID trên xe, khi chạy qua đầu đọc sẽ tự nhận dạng và trừ phí tự động.
Việc này giúp xe cơ giới lưu thông thuận tiện và tránh kẹt xe tại các điểm thu phí, cũng
như thất thoát từ việc thu phí theo truyền thống.
- Trong hệ thống bán lẻ, cửa hàng bán lẻ sử dụng RFID để đảm bảo an toàn cho
hàng hóa và kiểm tra hàng hóa. Các bộ phận vận chuyển sử dụng RFID để theo dõi
kiện hàng trong nhà kho và trong suốt quá trình vận chuyển. Thẻ RFID, có thể đính lên
bất cứ sản phẩm nào, từ vỏ hộp đồ uống, đế giày, cho đến trục ôtô. Các công ty chỉ
việc sử dụng máy tính để quản lý các sản phẩm từ xa. RFID có thể thay thế kỹ thuật
mã vạch hiện nay do RFID không chỉ có khả năng xác định nguồn gốc sản phẩm mà
còn cho phép nhà cung cấp và đại lý bán lẻ biết chính xác hơn thông tin những mặt
hàng trên quầy và trong kho của họ.

11


- Trong Bưu Chính Viễn Thông, các công ty bưu chính viễn thông sử dụng
RFID để giám sát các bưu phẩm được vận chuyển quốc tế giữa các trung tâm bưu
chính với nhau. Họ có thể giám sát thời gian vận chuyển các bưu phẩm có gắn thẻ
RFID, điều đó giúp quản lý và giải quyết các vấn đề một cách nhanh gọn, tiết kiệm.
- Trong lĩnh vực an ninh, quyền ra vào cho mọi người được lưu trữ và mỗi
người được kết nối với một con số. Con số này được lưu trên thẻ RFID. Nếu hệ thống

kiểm soát ra vào lấy thông tin từ đầu đọc thẻ, nó sẽ tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu để
kiểm tra xem người này có quyền vào hay không. Nếu có, hệ thống sẽ gửi tín hiệu tới
cửa khiến nó có thể mở ra được.
1.2 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút
với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến, trong đó các nút mạng thường là các thiết bị đơn
giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có
hệ thống trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế và có thể hoạt
động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao…).
1.2.1 Đặc điểm của mạng cảm biến
- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu rất ít hoặc thậm chí không có sự can thiệp của
con người.
- Truyền thông không chắc chắn, dựa trên định tuyến đa chặng.
- Các nút cảm biến được triển khai dày đặc và có khả năng kết nối với nhau.
- Bị giới hạn về mặt năng lượng, bộ nhớ và khả năng tính toán.
- Hoạt động được trong các môi trường khắc nghiệt.
1.2.2 Cấu trúc của một nút mạng cảm biến
Các nút mạng cảm biến phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy theo ứng
dụng: Chúng phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng,
có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường,

12


có khả năng tính toán và có bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng
để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần
cơ bản, như ở Hình 1., bộ cảm biến (sensing unit), bộ xử lý (a processing unit), bộ thu
phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những
thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding
system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)

Hình 1.4. Các thành phần của một nút cảm biến
1.2.3 Cấu trúc của mạng cảm biến
Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có
nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách
xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp
để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao
tiếp đa bước nhảy (multihop).
Mạng cảm biến bao gồm rất nhiều các nút cảm biến được phân bố trong một
trường cảm biến như Hình 1.Hình 1.. Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ
liệu và định tuyến lại đến các nút sink1. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi
một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task
manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
1 Nút sink là trạm cơ sở (Base Station-BS) thường được sử dụng như một phần trung tâm để thu thập
thông tin từ các nút.

13


Thiết bị thu phát (nút sink)

Internet

Nút quản lý tác vụ
Nút cảm biến

Người dùng

Trường cảm biến

Hình 1.5. Cấu trúc của mạng cảm biến
1.2.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến nhỏ. Thích ứng được môi
trường khắc nghiệt. Các nút không nhừng có thể liên lạc với các nút xung quanh nó,
mà còn có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các nút khác. Mạng cảm biến
không dây cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
Sau đây là một số ứng dụng nổi trội:
- Trong thu thập dữ liệu môi trường, số lượng lớn các nút thu thập dữ liệu một
cách liên tục từ môi trường và chuyển chúng tới trạm cơ sở.
- Trong quản lý chuỗi cung ứng, hiệu quả xử lý được cải thiện bởi việc ứng
dụng WSN trong chuỗi cung ứng. Cảm biến có thể theo dõi nhiệt độ cần được duy trì
của các sản phẩm. Nút của mỗi sản phẩm có thể giao tiếp với các nút khác. Hơn nữa,
các nút thông minh có thể phát hiện các loại sản phẩm có khả năng ảnh hưởng tiêu cực
đến các sản phẩm khác.
- Trong giám sát an ninh, các nút được cố định ở một vị trí nhất định và liên tục
kiểm tra tình trạng của các cảm biến. Các nút sẽ gửi dữ liệu báo cáo chỉ khi có các
trường hợp vi phạm an ninh xuất hiện.
- Trong các ứng dụng y tế, tình trạng thể chất của các bệnh nhân trong bệnh viện
có thể được theo dõi bằng cách sử dụng các mạng cảm biến không dây.

14


1.2.5 Sự khác nhau giữa RFID và mạng cảm biến không dây
Hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến không dây là trong việc giám sát các
đối tượng và nhận biết các điều kiện môi trường. Ngược lại, RFID được sử dụng để
phát hiện sự hiện diện và vị trí của các đối tượng. Trong mạng cảm biến không dây,
việc gửi dữ liệu từ các nút và chuyển dữ liệu đến nút sink được thực hiện thông qua
các nút chuyển tiếp. Nói cách khác, các mạng cảm biến không dây là các mạng đa
chặng (multi-hop), trong khi đó hệ thống RFID là đơn chặng (single-hop). Firmware

của các nút trong mạng cảm biến không dây có thể được lập trình một cách dễ dàng,
nhưng đối với hầu hết các đầu đọc RFID thì không thể được lập trình bởi người dùng.
Các thuộc tính

WSN

Hệ thống RFID

Nhận biết các tham số môi trường Phát hiện sự hiện diện của
Mục đích

hoặc cung cấp thông tin về tình trạng các đối tượng được gắn
của các đối tượng được gắn thẻ
Các nút cảm biến, các nút chuyển

Thành phần

tiếp, các nút sink

thẻ
Các thẻ và các đầu đọc

Giao thức

Zigbee, Wi-Fi

Các chuẩn RFID

Truyền thông

Đa chặng

Đơn chặng

Khả

năng

di

động

Các thẻ di chuyển cùng
Các nút cảm biến thường là cố định

các đối tượng được gắn
vào
Tùy theo loại thẻ, được

Cung cấp năng
lượng

tích hợp pin đối với thể
Tích hợp pin để cung cấp năng lượng

chủ động, bán thụ động,
và không đối với thẻ bị
động

15

Các thuộc tính
Khả năng lập
trình

WSN

Hệ thống RFID
Thông thường là không

Có thể lập trình

thể được lập trình bởi
người dùng

Giá

Triển khai

Nút cảm biến: trung bình

Đầu đọc: đắt

Nút sink: đắt

Thẻ: rẻ
Cố định, thường phải sắp

Ngẫu nhiên hoặc cố định

xếp cẩn thận

Bảng 1.2. Sự khác nhau giữa WSN và RFID
1.3 TÍCH HỢP RFID VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Sự kết hợp giữa RFID và mạng cảm biến không dây có thể được phân làm 4 loại
chính (Hình 1.6): tích hợp thẻ RFID với cảm biến, tích hợp các thẻ RFID với các nút
WSN, tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN, tích hợp các thành phần RFID với
các nút WSN.

Cảm biến

Nút WSN

Nút WSN
Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN

Thẻ RFID
Thẻ
RFID

Đầu đọc
RFID

Hình 1.6 Bốn loại tích hợp RFID với WSN
1.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến
Loại tích hợp này cho phép thêm vào các hệ thống RFID khả năng cảm biến
(Hình 1.7). Các thẻ RFID được tích hợp các cảm biến (được gọi là thẻ cảm biến) sử
dụng cùng giao thức và cơ chế của công nghệ RFID để đọc ID của thẻ, cũng như để
thu thập dữ liệu cảm nhận được. Bởi vì các cảm biến tích hợp bên trong các thẻ RFID

16


chỉ được sử dụng với mục đích cảm biến, do đó các giao thức hiện tại của các thẻ
RFID cũng dựa trên truyền thông đơn chặng, hay nói cách khác là các thẻ không có
khả năng giao tiếp với nhau.
Thẻ tích hợp cảm biến
Đầu đọc
Trạm cơ sở

Hình 1.7 Kiến trúc tích hợp thẻ RFID với cảm biến
1.3.2 Tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN
Khả năng giao tiếp của các thẻ cảm biến là rất hạn chế. Một giải pháp được sử
dụng là tích hợp thẻ RFID với các nút WSN (Hình 1.8). Trong trường hợp này, thẻ có
thể giao tiếp với các thiết bị không dây và với các thẻ khác, nó có khả năng hoạt động
tương tự như các nút trong các mạng ngang hàng. Loại tích hợp này không những có
thể tương thích với các tiêu chuẩn của RFID, mà chúng cũng có thể có giao thức riêng
của chúng. Mỗi thẻ có thể giao tiếp với các thẻ khác dựa trên giao thức mạng ngang
hàng. Thông tin của một nút (thẻ) có thể được gửi đến các nút khác. Nó được thiết kế
để theo dõi các điều kiện của môi trường xung quanh hoặc có thể được sử dụng trong
các xe chở hóa chất. Trong một tình huống quan trọng, báo động được bật, các hóa
chất có thể phản ứng với nhau sẽ được tách ra xa nhau.

17


Thẻ tích hợp nút WSN
Đầu đọc hoặc trạm cơ sở

Hình 1.8 Kiến trúc tích hợp các thẻ RFID với các nút WSN
1.3.3 Tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN
Loại tích hợp này có thêm nhiều chức năng hơn và cho phép nó được sử dụng
trong các ứng dụng mới. Bằng cách tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN (Hình
1.9) đầu đọc có thể cảm nhận được tình trạng của các tham số môi trường. Các đầu đọc
có thể giao tiếp không dây với nhau trong mạng. Bên cạnh đó, các đầu đọc đọc dữ liệu
của thẻ và gửi thông tin đến máy chủ một cách hiệu quả hơn.

18


Thẻ

Đầu đọc tích hợp nút WSN

19


Hình 1.9 Kiến trúc tích hợp các đầu đọc RFID với các nút WSN
1.3.4 Tích hợp các thành phần RFID với các nút WSN
Không giống các loại tích hợp trên, về mặt vật lý, các thẻ, các đầu đọc RFID và
các cảm biến hoạt động tách biệt nhau (Hình 1.10). Một hệ thống RFID và một WSN,
cả hai tồn tại trong cùng một ứng dụng và chúng làm việc độc lập nhau. Tuy nhiên,
trong đó có sự hợp tác của RFID và WSN ở lớp phần mềm, dữ liệu từ các thẻ RFID và
các nút WSN đều được chuyển tiếp đến các trung tâm kiểm soát chung. Trong trường
hợp này, hoạt động của một hệ thống RFID hoặc WSN có thể yêu cầu sự hỗ trợ từ phía
còn lại. Ví dụ, hệ thống RFID cung cấp nhận dạng cho WSN để tìm các đối tượng cụ
thể và WSN cung cấp thêm thông tin, chẳng hạn như vị trí và điều kiện môi trường,
cho hệ thống RFID. Lợi thế của việc tích hợp các thành phần RFID và các nút WSN là
không cần phải thiết kế các nút tích hợp mới, tất cả các hoạt động và sự phối hợp giữa

RFID và WSN có thể được thực hiện tại các lớp phần mềm.
Thẻ
Nút thông minh
Giao diện đầu đọc

Luồng
sự kiện

Lọc và chuyển đổi

USB

Đầu đọc

Thẻ
…
Thẻ

TCP
Sockets

Cảm biến
Cảm biến

Giao diện cảm biến
Serial

Host
Cảm biến

…
Cảm biến

Hình 1.10 Kiến trúc hệ thống của một cài đặt hỗ trợ tích hợp các thành phần RFID với
các nút WSN
1.4

20


CHƯƠNG 2:

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN

HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG RFID
Công nghệ RFID đã phát triển và được áp dụng rộng rãi vào việc được tích hợp
với mạng cảm biến không dây. Với việc tích hợp này, định tuyến dữ liệu có thể được
thực hiện từ một đầu đọc RFID đến máy trạm thông qua các cảm biến được tích hợp
với đầu đọc RFID (sau đây được gọi chung là nút mạng tích hợp) bằng cách sử dụng
các giao thức sẵn có của mạng cảm biến không dây. Lúc này, các nút mạng tích hợp sẽ
có hai chức năng là thu thập và chuyển tiếp dữ liệu.
Tuy nhiên, khi áp dụng công nghệ này vào các hệ thống phạm vi lớn thì có nhiều
vấn đề cần được được giải quyết. Đặc biệt vấn đề định tuyến hiệu quả năng lượng trên
mạng RFID vì nó có ý nghĩa quan trọng đối với thời gian sống của mạng.
Chương này sẽ trình bày một số phương pháp định tuyến hiệu quả trên mạng
RFID:
- Giao thức EECBR (Energy-Efficient Content-Based Routing): phân cụm các
thiết bị IoT (nút mạng tích hợp) thành các topo ảo và sau đó lựa chọn thiết bị “chính”
(nút chủ) để quản lý các thiết bị khác trong phạm vi của mình.
- Giao thức định tuyến NTP (Network Timing Protocol): các cụm được hình thành

bằng cách nhóm các nút. Vai trò chủ cụm được luân phiên để cân bằng năng lượng và
sau đó cân bằng tải trên tất cả các nút.
2.1 GIAO THỨC EECBR
2.1.1 Ý tưởng
Giả định ngôi nhà thông minh khi các thiết bị được kết nối với các cảm biến như:
cảm biến điều khiển cửa, cảm biến chuyển động, cảm biến âm thanh, cảm biến độ ẩm
… và hệ thống RFID. Các cảm biến tích hợp, kết nối với nhau và được điều khiển từ
xa thông qua mạng internet. Trong viễn cảnh đó, hoạt động của một số cảm biến là liên
21


quan đến các cảm biến khác ví dụ như trường hợp: cảm biến ánh sáng có thể điều
chỉnh dựa vào cảm biến chuyển động, trong khi đó cảm biến độ ẩm có thể điều chỉnh
dựa vào cảm biến ánh sáng. Vì vậy, ý tưởng được đưa ra là xem xét và đánh giá sự phụ
thuộc của cảm biến này với với cảm biến khác theo các trường hợp khác nhau. Từ đó
xây dựng nên một cấu trúc liên kết ảo để có thể truyền thông trong mạng.
2.1.2 Thuật toán
Giao thức được thực hiện dựa vào các giả định sau:
- Hệ thống IoT bao gồm các thiết bị được tích hợp cảm biến;
- Mỗi cảm biến có khả năng nhận biết về những cảm biến xung quanh;
- Các cảm biến có một nguồn năng lượng ngẫu nhiên ban đầu;
- Năng lượng giảm cho mỗi lần thực hiện truyền thông;
- Cấu trúc liên kết của mạng là ad hoc;
- Các thiết bị được cố định;
- Liên kết giữa các thiết bị là đáng tin cậy và không bị mất mát dữ liệu;
- Hệ thống IoT là một lớp mạng trung gian giúp đảm bảo cho việc truyền tải dữ
liệu.
EECBR là một giao thức giúp định tuyến hiệu quả năng lượng dựa trên nội dung
bằng cách cân bằng mức năng lượng tiêu thụ của các thiết bị IoT. Trước hết nó tạo ra
một mạng topo ảo có cấu trúc là cây hoặc một nhóm các cụm tùy thuộc vào cấu trúc

liên kết của mạng. Dựa vào các nhóm cảm biến có cùng liên quan đến một sự kiện nào
đó, EECBR đánh dấu một cảm biến thành cảm biến chính nếu nó có vai trò lớn nhất
trong phạm vi hoạt động của mình. EECBR có thể có nhiều cấp hơn tùy thuộc vào cấu
trúc liên kết của các thiết bị trong mạng.
Sự khác biệt của EECBR với các giao thức khác là nó thiết lập một lịch trình để
quyết định việc tắt/bật cảm biến bằng cách chọn cảm biến chính để điều khiển một
vùng nhất định, từ đó hợp thành một cấu trúc lên kết ảo để giảm chi phí truyền thông
22


trong mạng. Cảm biến chính có 2 nhiệm vụ là thu thập dữ liệu và chuyển tiếp các sự
kiện đến các cảm biến trong khu vực mà nó quản lý. EECBR tính toán sự đóng góp của
các cảm biến để lựa chọn cảm biến chính. Sự đóng góp của cảm biến s được tính bằng
công thức:
Số lượng các cảm biến liên quan hoặc cảm biến chính mức (i − 1) tại khu vực
hoạt động nhân năng lượng của s.
Cảm biến chính được lựa chọn là cảm biến có sự đóng góp lớn nhất và cho phép
nó có thể truyền một sự kiện đến những thiết bị quan tâm.
Thông qua việc xây dựng mạng topo ảo nhiều mức này việc định tuyến được thực
hiện bằng quy tắc sau:
1. Các sự kiện sẻ được gửi đến cảm biến chính
2. Các cảm biến chính gửi các sự kiện được nhận đến các cảm biến cần nhận mà
mình quản lý và các cảm biến chính khác kết có kết nối với nó.

23


Bắt đầu

Cập nhật mức độ đóng góp

Cập nhật cảm biến chính

Có
Còn nhánh con

Cập nhật mức độ đóng góp

Không

Cập nhật cảm biến chính

Thực hiện truyền thông

Kết thúc

Hình 2.2. Biểu đồ luồng giải thuật định tuyến EECBR

Thuật toán 1: EECBR
Input:
- Si; // danh sách thiết bị được quản lý, i = 1,2,…,n, với n là tổng số thiết bị
- Ci; // đóng góp của thiết bị thứ i
- ei; // năng lượng của thiết bị thứ i

24


- Ti; // trạng thái của thiết bị thứ i
- Sik; // danh sách thiết bị được cùng nội dung với thiết bị thứ i
Output:

- Li; // danh sách cảm biến chính, j = 1,2,…,m:
- Cli; // đóng góp của cảm biến chính thứ j;
- Lin; // danh sách cảm biến do cảm biến chính thứ i quản lý

1. Begin
2.
while (|Si| ≠ 0) do
// Cấu trúc mức đầu tiên của topo ảo
3.
for each (Si ∉ Li ) do
4.
Ci = |Sik| * ei;
5.
end for
6.
Tj = Max(Ci);
// Cập nhật thiết bị chính là thiết bị có đóng góp lớn nhất
7.
Update(S);
// Cập nhật danh sách các thiết bị được quản lý;
8.
end while
9.
while ismaxlevel() do
// Cấu trúc các nhóm còn lại của topo ảo
10.
for each ( Si ∉ Li ) do
// Số lượng nhánh của topo ảo
11.
Cli = |Lin|/ej;

12.
end for
13.
Tj= Max (Cli);
// Chọn thiết bị j với đóng góp cao nhất
14.
Update(L);
// Cập nhật danh sách cảm biến chính;
15. end while
End

2.1.3 Cài đặt thuật toán
Để cài đặt thuật toán, tôi đã tiến hành viết code trên ngôn ngữ Javascript như sau:
// Thuật toán EECBR
function EECBR() {
// Mức đầu tiên
var stt =0;
var maxdongop = 0;
cambien.forEach(element => {
if(element[3] != 0 && element[3] != null)
var donggop= getCambienlienquan(stt,cambien) * element[3];
element[4] = donggop;
if(donggop > maxdongop) {

25