NGHIÊN cứu xây DỰNG mô HÌNH WIRELESS SENSOR NETWORK sử DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 4 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN






PHẠM QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH
WIRELESS SENSOR NETWORK
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 4.1

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Mã số: 60.48.02.01
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN MINH SƠN

TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của cá nhân
tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Minh Sơn. Những
kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về nghiên cứu của mình.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 09 năm 2017

Phạm Quốc Cường


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Minh Sơn. Thầy đã hướng
dẫn tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học, từ những kiến thức cho đến
những kỹ năng trong chuyên môn, đặc biệt hoàn thành luận văn. Một lần nữa, tôi xin
cảm ơn chân thành đặc biệt đến Thầy.
Trong quá trình học tập và làm việc tại trường Đại học Công nghệ thông tin Đại học Quốc Gia TP. HCM, tôi cũng không thể nào quên được công ơn của quý
Thầy/Cô là Thầy, là đồng nghiệp đã hỗ trợ giúp đỡ động viên tôi rất nhiều. Tôi xin
được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/Cô.
Tôi cũng không thể quên được công ơn sinh thành và dưỡng dục của ba mẹ
tôi. Cảm ơn ba mẹ, và các em những người luôn dõi theo tôi và là nguồn động viên
tinh thần to lớn trong cuộc sống của tôi.
Dù có hoàn thiện đến đâu, tôi cũng không tránh khỏi những thiếu sót và hạn
chế trong việc hoàn thành luận văn này. Tôi hy vọng nhận được sự phản hồi và đóng
góp ý kiến quý báu từ quý Thầy/Cô. Tôi xin trân trọng cảm ơn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2017

Phạm Quốc Cường


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC .................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................... 4
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... 6

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ ....................................................................................... 8
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9
Đặt vấn đề: ............................................................................................................. 9
Mục tiêu luận văn: .............................................................................................. 10
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ....................................................................11
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: .......................................................................... 11
Công trình khoa học: .......................................................................................... 12
Cấu trúc luận văn: .............................................................................................. 12
Chương 1.

TỔNG QUAN .................................................................................. 13

1.1. Tổng quan về IoT ....................................................................................... 13
1.1.1. Internet of Things (IoT) ......................................................................... 13
1.1.2. Tổng quan kỹ thuật của IoT ..................................................................13
1.1.3. Mô hình ứng dụng của IoT ....................................................................16
1.2. Tổng quan về Wireless Sensor Network (WSN) .....................................19
1.2.1. Kiến trúc mạng WSN ............................................................................. 21
1.2.2. Các mô hình mạng cảm biến WSN cơ bản .......................................... 22

1


Chương 2.

CÔNG NGHỆ BLUETOOTH LOW ENERGY ........................... 29

1.1. Bluetooth .....................................................................................................29
1.2. Kiến trúc BLE ............................................................................................ 29
1.2.1. Physical Layer ........................................................................................ 30

1.2.2. Link Layer .............................................................................................. 31
1.2.3. Generic Access Profile (GAP) ............................................................... 35
1.2.4. Attribute Protocol (ATT) ......................................................................37
1.2.5. Generic Attribute Profile (GATT) ........................................................ 39
1.2.6. Security Manager(SM) .......................................................................... 40
1.3. Mô hình mạng của BLE ............................................................................ 41
Chương 3.

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................... 44

3.1. Hướng giải quyết vấn đề ........................................................................... 44
3.2. Kiến trúc mạng cảm biến Fish Network.................................................. 45
3.3. Mô hình năng lượng tiêu thụ và thời gian sống của FN ........................ 46
3.3.1. Mô hình năng lượng ............................................................................... 46
3.3.2. Thời gian sống của FN ........................................................................... 47
3.3.3. Các phương pháp gia tăng thời gian sống mạng FN .......................... 49
3.4. Networking Protocol.................................................................................. 52
3.4.1. Phương thức khởi tạo mô hình mạng ................................................... 52
3.4.2. Phương thức thu thập dữ liệu. .............................................................. 53
Chương 4.

MÔ HÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU TRONG FN............................... 55

4.1. Định dạng gói tin........................................................................................ 55
4.2. Phương thức truyền dữ liệu ......................................................................59
4.2.1. Đường truyền dữ liệu ............................................................................. 59

2

4.2.2. Gom nhóm dữ liệu .................................................................................. 60
Chương 5.

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................. 64

5.1. Mô hình thực nghiệm ................................................................................ 64
5.2. Đánh giá hiệu suất ..................................................................................... 67
5.2.1. Phương thức đánh giá ............................................................................ 67
5.2.2. Kích thước mạng FN .............................................................................. 67
5.2.3. Năng lượng tiêu thụ................................................................................ 68
5.2.4. Khoảng cách kết nối ............................................................................... 69
5.2.5. Mức độ truyền tải gói tin ....................................................................... 69
Chương 6.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................72

6.1. Kết luận ......................................................................................................72
6.2. Hướng phát triển ....................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 74

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

STT

Kí hiệu

1

IoT

2

WSN

Wireless Sensor Network

3

BLE

Bluetooth Low Energy

4

RFID

Radio-frequency identification

5

GAP

Generic Access Profile

6

GATT

Generic Attribute Profile

7

L2CAP

Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol

8

ATT

Attribute Protocol

9

SM

Security Manager

10

FN

Fish Network

11

BN

Bone Node

12

EN

End Node

13

SEN

Sensor End Node

14

AEN

Actuator End Node

15

UUID

Universally Unique Identifier

16

Bluetooth SIG

17

ACK

Internet of Things

Bluetooth Special Interest Group
Acknowledgements

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1. Địa chỉ của các node trong cụm 5 ....................................................................... 58
Bảng 5.1. Số lượng SEN và AEN tại mỗi phòng ................................................................ 64
Bảng 5.2. Năng lượng tiêu thụ của End Node ở chế độ hoạt động không Stand By .......... 68
Bảng 5.3. Năng lượng tiêu thụ của Bone Node ở chế độ hoạt động không Stand By ........ 68

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tổng quan hệ thống IoT [13] ...................................................................14
Hình 1.2. Các loại thiết bị trong IoT và mối liên hệ [14] ......................................... 15
Hình 1.3. Mô hình ứng dụng của IoT [13] ............................................................... 17
Hình 1.4. Các nghiên cứu nghiên cứu của WSN [15] .............................................. 20
Hình 1.5. Kiến trúc tổng quan mô hình mạng WSN [15] ........................................ 21
Hình 1.6. Giao thức mạng dạng Bus [31] .................................................................23

Hình 1.7. Giao thức mạng dạng Sao [31] .................................................................23
Hình 1.8. Giao thức mạng dạng Ring [31] ............................................................... 24
Hình 1.9. Giao thức mạng dạng Tree [31]................................................................ 25
Hình 1.10. Giao thức mạng dạng Mesh [31] ............................................................ 26
Hình 1.11. Giao thức mạng dạng Circular [31] ........................................................ 27
Hình 1.12. Giao thức mạng dạng Grid [31] ............................................................. 28
Hình 2.1. Kiến trúc của BLE [34] ............................................................................ 30
Hình 2.2. Kênh truyền của BLE [32] ....................................................................... 31
Hình 2.3. Các trạng thái của thiết bị BLE [3]........................................................... 32
Hình 2.4. Quảng bá gói tin BLE [32] ....................................................................... 33
Hình 2.5. Hai phương thức scanning của thiết bị BLE [32] .....................................34
Hình 2.6. Quá trình kết nối, truyền dữ liệu và ngắt kết nối của BLE [32] ............... 35
Hình 2.7. Giá trị của thuộc tính (attributes) ............................................................. 37
Hình 2.8. Truyền dữ liệu ACK và non-ACK ........................................................... 39
Hình 2.9. Kiến trúc Services và Characteristic [33] ................................................. 40
Hình 2.10. Phương thức truyền dữ liệu Broadcasting [36] ......................................41
Hình 2.11. Phương thức truyền dữ liệu Connection [36] ......................................... 42
Hình 2.12. Các mô hình kết nối của BLE [32] ......................................................... 43
Hình 3.1. Kiến trúc mạng cảm biến FN ...................................................................45
Hình 3.2. Mô hình tính toán thời gian sống của FN ................................................. 48
Hình 3.3. Bố trí nhiều GN hơn trong FN .................................................................51
Hình 4.1. Năng lượng tiêu thụ theo số lượng Bytes dữ liệu truyền ......................... 56

6


Hình 4.2. Tổng số lần truyền/nhận của FN theo số lượng BNs ............................... 56
Hình 4.3. Cấu trúc một gói tin .................................................................................. 57
Hình 4.4. Cấu trúc địa chỉ trong FN ......................................................................... 58
Hình 4.5. Cấu trúc các gói tin kết quả trả về ............................................................ 61

Hình 4.6. Mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ ..................................................... 62
Hình 4.7. Phương thức gom nhóm dữ liệu trong FN ............................................... 63
Hình 5.1. Mô hình FN tiến hành thực nghiệm và đánh giá ......................................65
Hình 5.2. CC2540 Bluetooth Low Energy USB Dongle ......................................... 66
Hình 5.3. Mô hình phần cứng BN và EN .................................................................66
Hình 5.4. Sự thay đổi khoảng cách kết nối giữa 2 node theo từng mức .................. 69
Hình 5.5. Thời gian để Gateway hoàn thành yêu cầu và thu thập dữ liệu 3 Sensor ở
các BN khác nhau ......................................................................................................70
Hình 5.6. Thời gian để Gateway hoàn thành truyền lệnh cho 2 Actuator node ở các
BN khác nhau ............................................................................................................ 71

7


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ

8


MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề:
Bluetooth Low Energy (BLE) hiện đang là một trong những công nghệ không
dây tiêu thụ năng lượng thấp hàng đầu hiện nay [1]. Mang tiềm năng lớn để giải quyết
bài toàn năng lượng và bài toán kết nối trong mô hình Internet of Thing (IoT) [2].
Mặc dù hiện nay tốc độ phát triển của BLE là rất nhanh, tuy nhiên, bản thân
BLE cũng đang phải đối mặt với những thách thức đáng kể. Những nhược điểm lớn
nhất của BLE hiện nay là: Thứ nhất, khoảng cách kết nối ngắn, độ phủ thấp. Thứ hai
là kiến trúc mạng hình sao vốn thiếu khả năng mở rộng cũng như hạn chế về số lượng
node trong mạng.
Để giải quyết vấn đề này có hai hướng tiếp cận chính. Thứ nhất là cải tiến lớp

Physical Layer của BLE để gia tăng khoảng cách kết nối trong khi vẫn giữ kiến trúc
mạng hình sao như đã đề cập trong bản mô tả BLE phiên bản 5.0 gần đây [3]. Tuy
nhiên hướng tiếp cận vẫn còn rất nhiều vấn đề phải giải quyết do hạn chế của mô hình
sao trong việc mở rộng mạng cũng như hạn chế về phần cứng để đảm bảo số lượng
node. Hướng tiếp cận thức hai là xây dựng một mô hình mạng mới cho công nghệ
BLE để giải quyết những vấn đề của mạng hình sao. Đã có nhiều nghiên cứu xây
dựng mô hình mạng cảm biến không dây cho công nghệ BLE ở cả mức độ học thuật
và mức độ thương mại. Một số công trình tiêu biểu có thể kể đến như:
Bài báo “Tree Network Based on Bluetooth 4.0 for Wireless Sensor Network
Applications” [4] của Bishnu Kumar Maharjan, Ulf Witkowski, và Reza Zandian đề
xuất mô hình mạng cảm biến WSN hình cây. Trong đó, node trung gian được xây
dựng bởi hai thiết bị Master và Slave kết nối với nhau bằng chuẩn I2C. Tuy đã thành
công trong việc xây dựng mô hình mạng cảm biến và đã đo lường, thông kê những
thông số của mạng. Nhưng hạn chế ở mô hình mạng mà bài báo đề xuất là khả năng
mở rộng không cao, số lớp tối đa của mô hình này là 5. Ngoài ra, do các node trung
gian là node ghép giữa 2 thiết bị phần cứng nên chi phí của mô hình mạng này thì
lớn, cả về chi phí xây dựng phần cứng và chi phí vận hành mạng.

9


Bài báo “BLEmesh: A Wireless Mesh Network Protocol for Bluetooth Low
Energy Devices” [5] của Hyun-soo Kim, JungYub Lee, Ju Wook Jang đề xuất mô
hình mạng cảm biến Mesh cho BLE dựa trên gói tin quảng bá không kết nối. Phương
pháp định tuyến được sử dụng ở đây là flooding routing, rất khó khăn trong quản lý
định tuyến đường truyền dữ liệu. Một trong những hạn chế lớn của bài báo này là
việc truyền dữ liệu bằng gói tin quảng bá không kết nối khiến cho tính bảo mật của
mô hình mạng là rất hạn chế.
Ngoài ra, ở mức độ thương mại, công ty CSR cũng đã đưa ra một mô hình
mạng CSRMesh [6] cho BLE ứng dụng trong điều khiển đèn, công tắc… Tuy nhiên,

cũng tương tự như BLEmesh, CSRMesh cũng sử dụng phương thức truyền dữ liệu
bằng gói tin quảng bá không kết nối và phương pháp định tuyến là flooding routing.
Không thể phủ nhận những ưu điểm của phương thức truyền dữ liệu bằng gói tin
quảng bá không kết nối khi có thể truyền dữ liệu cùng lúc tới nhiều thiết bị khác nhau.
Nhưng tính bảo mật dữ liệu hạn chế của phương thức này khiến cho nó khó ứng dụng
để xây dựng mạng WSN.
Từ những bài báo nêu trên ta có thể tổng kết lại rằng muốn xây dựng kiến trúc
mạng cảm biến không dây WSN phù hợp với công nghệ BLE phải đảm bảo các yếu
tố sau:
-

Phương thức truyền dữ liệu phải dựa trên gói tin có kết nối, đảm bảo tính
bảo mật của hệ thống mạng.

-

Kiến trúc mạng cảm biến phải có khả năng mở rộng tốt, số lượng node cao.

-

Khoảng cách kết nối giữa các thiết bị BLE phải lớn, đảm bảo độ phủ trong
các ứng dụng đặc biệt như cảm biến rừng, cảm biến khu đô thị,…

-

Phương pháp định tuyến đường truyền dữ liệu phải đảm bảo được khối
lượng chuyển tiếp gói tin trong mạng, hạn chế được việc tắc nghẽn đường
truyền dữ liệu.

Mục tiêu luận văn:

Từ những vấn đề còn tồn đọng nêu trên, luận văn này thực hiện hai nhiệm vụ
chính:

10


 Thứ nhất, đề xuất một kiến trúc mạng cảm biến không dây WSN phù hợp với
công nghệ BLE đảm bảo các yêu cầu quan trọng của một mạng WSN như:
Khả năng mở rộng mạng, số lượng node cảm biến, thời gian sống của mạng
và tính bảo mật của dữ liệu.
 Thứ hai, cùng với việc đề xuất kiến trúc mạng cảm biến không dây, luận văn
cũng xây dựng một phương thức truyền dữ liệu bao gồm định nghĩa gói tin,
đường truyền dữ liệu, phương pháp truyền và gom nhóm dữ liệu. Nhằm giảm
chi phí chuyển tiếp gói tin trong mạng BLE qua đó làm tăng thời gian sống
của mạng cũng như hạn chế được tình trạng tắc nghẽn đường truyền dữ liệu
trong WSN.
Tiến hành thử nghiệm và đánh giá kiến trúc mạng WSN đã xây dựng dựa trên
các yêu cầu của một mạng WSN.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Để đạt được những mục tiêu của đề tài, tôi giới hạn phạm vi thực hiện đề tài
như sau:
 Đối tượng nghiên cứu:
 Công nghệ Bluetooth Low Energy các phiên bản 4.0 và 4.1.
 Các mô hình mạng cảm biến không dây.
 Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng một mô hình mạng cảm biến không dây phù
hợp với công nghệ Bluetooth Low Energy.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Luận văn này đạt được một số kết quả như sau:

 Thứ nhất xây dựng thành công một mạng cảm biến không dây WSN phù hợp
với công nghệ BLE. Giải quyết được các hạn chế của công nghệ BLE về mô
hình mạng.
 Thứ hai, xây dựng thành công phương thức truyền dữ liệu mới cho mô hình
mạng đề xuất. Trong đó sử dụng phương pháp gom nhóm dữ liệu giúp làm
giảm khối lượng truyền tải gói tin trong mạng. Một trong những kết quả thực

11


nghiệm đã chỉ ra hiệu quả của phương thức truyền dữ liệu này giúp làm giảm
gần 60% khối lượng truyền tải gói tin trong mạng WSN.

Công trình khoa học:
Các công trình khoa học gồm có:
-

Bài báo Hội nghị Khoa học trẻ 2017 Trường Đại học Công nghệ Thông
tin: “XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA
TRÊN CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 4.0”

-

Đăng ký sở hữu trí tuệ: “HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
DÙNG CHO BLUETOOTH NĂNG LƯỢNG THẤP”

Cấu trúc luận văn
Bố cục luận văn gồm 6 chương với những nội dung chính như sau:
 Chương 1: Tổng quan
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về IoT và Mạng cảm

biến không dây và các ứng dụng của nó.
 Chương 2: Bluetooth Low Energy
Trong chương này, luận văn sẽ trình bày các kiến thức về công nghệ
Bletooth Low Energy.
 Chương 3: Kiến trúc mạng cảm biến
Chương 3 sẽ trình bày về kiến trúc mạng cảm biến được đề xuất cho công
nghệ Bluetooth Low Energy.
 Chương 4: Mô hiǹ h truyền dữ liệu trong FN
Chương 4 sẽ trình bày về mô hình truyền dữ liệu trong mạng cảm biến.
 Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá
Trong chương này, luận văn trình bày về mô hình thử nghiệm mạng cảm
biến được đề xuất. Tiến hành đo đạc vá đánh giá kết quả thử nghiệm về các
thông số của một mạng cảm biến không dây.
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Chương cuối sẽ đưa ra kết luận và hướng phát triển tương lai cho luận văn.

12


Chương 1. TỔNG QUAN

1.1.

Tổng quan về IoT

1.1.1. Internet of Things (IoT)
Internet of Things là một thuật ngữ mới nhưng đồng thời cũng là một thuật ngữ
cũ. Lần đầu tiên được sử dụng bởi Kevin Ashton năm 1999 trong buổi thuyết trình
tại Proctor & Gamble để chỉ một mô hình Internet mới kết nối thông qua RFID [7].
Tuy đã được đề cập từ lâu, nhưng Internet of Things mới chỉ thực sự bùng nổ sau kỉ

nguyên phát triển của các thiết bị kết nối không dây như smart phone, tablet, smart
watch,… và các công nghệ truyền dẫn không dây [8], [9], [10]. Một trong những dự
báo chỉ ra rằng số lượng các thiết bị kết nối vào Internet sẽ tăng gấp 3 lần từ 2009 đến
2020, đến 2020 sẽ có khoảng 26 tỉ thiết bị kết nối vào Internet [9].
Có khá nhiều những định nghĩa về thuật ngữ IoT [11], về cơ bản IoT là một kịch
bản thế giới, nơi mọi vật (Things) được kết nối với nhau và kết nối với con người
thông qua một mạng Internet duy nhất [12]. Khi đó tất cả mọi vật sẽ có khả năng
truyền tải và trao đổi thông tin mà không cần sự tương tác giữa người với người hay
người với máy tính. Từ đó hình thành “một cơ sở hạ tầng toàn cầu cho xã hội thông
tin, tạo điều kiện cho các dịch vụ tiên tiến dựa kết nối giữa “Things” với nhau” [13].
Vạn vật “Things” theo định nghĩa từ ICT dùng để chỉ những vật thể vật lý mà chúng
ta có thể cảm nhận, vận hành và kết nối trong thế giới thực [13]. Đồng thời “Things”
cũng các đối tượng trong thế giới ảo mà có thể lưu trữ, truy cập và xử lý được. Ta có
thể khái quát hệ thống IoT theo Hình 1.1.
1.1.2. Tổng quan kỹ thuật của IoT
Một trong nhưng phần cốt lõi hình thành nên IoT là khả năng kết nối giữa các
“Things”. Để mọi vật có thể giao tiếp được với nhau bắt buộc chúng phải có khả năng
kết nối với nhau. Từ đó, mới hình thành nên các khả năng về thu thập dữ liệu cảm
biến, lưu trữ và xử lý thông tin tùy theo vai trò của “Things” trong ứng dụng cụ thể

13


[13]. Có thể có nhiều ngữ cảnh kết nối với nhau giữa các “Things” trong IoT cả trực
tiếp và gián tiếp bằng nhiều công nghệ khác nhau.

Hình 1.1. Tổng quan hệ thống IoT [13]

Về cơ bản, có tổng cộng 3 kiểu truyền thông giữa thiết bị - thiết bị trong IoT:
-

Truyền thông bằng mạng lưới liên lạc thông qua gateway (trường hợp a):
Trong kiểu giao tiếp này, thiết bị có thể giao tiếp với gateway, từ đó
gateway sẽ truyền thông tin đến thiết bị cuối. Điểm đặc biệt trong truyền
thông kiểu này là thiết bị có thể giao tiếp với gateway bằng một giao thức
như IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN)
sau đó, gateway có thể giao tiếp đến thiết bị cuối bằng một giao thức khác
phù hợp với mạng lưới liên lạc ( Ví dụ như IPv4 hoặc IPv6).

-

Truyền thông trực tiếp thông qua mạng lưới liên lạc (trường hợp b):
Ngoài trường hợp giao tiếp thông qua gateway, hai thiết bị cũng có thể
truyền thông trực tiếp với nhau thông qua mạng lưới liên lạc bằng giao thức
phù hợp với giao thứ mạng lưới liên lạc. Điều này mở ra khả năng kết nối
trực tiếp một cách đơn giản giữa các thiết bị ở những nơi cách xa nhau.

-

Truyền thông trực tiếp (trường hợp c):

14


Trong trường hợp 2 thiết bị gần nhau về mặt đia lý, các thiết bị này hoàn
toàn có thể giao tiếp trực tiếp với nhau mà không cần thông qua mạng lưới
liên lạc với những công nghệ cho phép kết nối trực tiếp như Bluetooth,
Zigbee hoặc Wifi Direct.
Trong hình 1.1, có thể thấy ngoài tương tác giữa 2 Physical Things (2 thiết bị phần
cứng) IoT còn sự tương tác giữa Physical Things – Virtual Things đồng thời diễn ra.

Sự tương tác này là quá trình cảm biến và thu thập thông tin Physical Thing từ đó
được “mapping” sang Virtual Thing. Một Physical Thing có thể “mapping” sang
nhiều Virtual Things khác nhau [13]. Hình 1.2 thể hiện các thiết bị trong quá trình
tương tác này. Một ví dụ cho sự tương tác này là hệ thống cảm biến điều kiện của
một căn phòng, khi đó Physical Thing “căn phòng” sẽ được mapping thành các
Virtual Things như “Nhiệt độ” và “Độ ẩm” thông qua quá trình thu thập dữ liệu cảm
biến.
Các “Communication networks” (Mạng lưới dữ liệu) trong IoT thực hiện vai trò
truyền dữ liệu từ các thiết bị đến các ứng dụng hoặc các thiết bị khác cũng như truyền
lệnh từ ứng dụng đến thiết bị tương ứng. Mạng lưới dữ liệu trong IoT đòi hỏi phải có
khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả và đáng tin cậy. [13]

Hình 1.2. Các loại thiết bị trong IoT và mối liên hệ [14]

15


Quá trình tương tác giữa Physical Things – Virtual Things và Physical Things Physical Things bao gồm sự tham gia của các thiết bị sau: Thiết bị mang thông tin
(Data carrying device), Thiết bị thu thập thông tin (Data Capturing device), Thiết bị
cảm biến và thực thi (Sensing/Actuating device) và General Device [14].
-

Thiết bị mang thông tin: Là thiết bị được gắn vào Physical Things cung
cấp khả năng kết nối gián tiếp vào mạng lưới dữ liệu một cách gián tiếp
cho Physical Things.

-

Thiết bị thu thập thông tin: Là một thiết bị có thể tương tác với Physical
Things để thu thập thông tin, việc tương tác này có thể xảy ra theo 2 hướng:

tương tác trực tiếp với Physical Things để thu thập thông tin hoặc tương
tác với thiết bị mang thông tin trên Physical Things.

-

Thiết bị cảm biến và thực thi: Là thiết bị có khả năng phát hiện hoặc đo
lường các thông tin liên quan từ môi trường và chuyển những thông tin đó
thành dữ liệu số. Đồng thời, các thiết bị này cũng có khả năng chuyển
những lệnh dữ liệu số thành các hành động tương ứng.

-

General Device: Là thiết bị có khả năng tổng hợp và xử lý các thông tin đã
thu thập được từ các thiết bị. Ngoài ra, nó cũng có khả năng truyền những
lệnh thực thi cần thiết đến các thiết bị tương ứng. Một số ví dụ về General
Device như: Bộ điều khiển nhà thông minh, Smart Phone, Bộ quản lý
nhà kính,…

1.1.3. Mô hình ứng dụng của IoT
Một mô hình ứng dụng cơ bản của IoT gồm có 4 lớp chính cùng với 2 lớp hỗ trợ
là Management Capabilities và Security Capabilities như hình 1.3:
-

Lớp Application layer (Lớp ứng dụng).

-

Lớp Service support and Application support (Lớp hỗ trợ ứng dụng và
dịch vụ).

-

Lớp Network layer (Lớp mạng).

-

Lớp Device layer (Lớp thiết bị).

16


Hình 1.3. Mô hình ứng dụng của IoT [13]

Lớp Application
Là lớp cao nhất của mô hình ứng dụng của IoT, lớp này bao gồm các ứng dụng
IoT thực hiện tương tác trực tiếp với người dùng như cung cấp thông tin hoặc nhận
lệnh từ người dùng và truyền xuống những lớp thấp hơn.
Lớp Service support and Application support
Là lớp thứ 2 dưới lớp Application, lớp này bao gồm các dịch vụ hỗ trợ được phân
thành 2 nhóm chính:
-

Lớp hỗ trợ các dịch vụ chung: Bao gồm các dịch vụ hỗ trợ chung mà bất
kỳ một ứng dụng IoT đều cần sử dụng như xử lý hoặc lưu trữ dữ liệu.

-

Lớp hỗ trợ các dịch vụ chuyên biệt: Bao gồm các dịch vụ hỗ trợ đặc thù,
riêng biệt cho từng ứng dụng IoT cụ thể.

Lớp Network
Lớp này có 2 vai trò chính:
-

Vai trò Networking: Cung cấp các chức năng điều khiển các kết nối mạng.

17


-

Vai trò Transport: Tập trung vào việc cung cấp các chức năng phục vụ cho
việc vận chuyển các dịch vụ và dữ liệu IoT.

Lớp Device
Lớp này cũng được phân thành 2 chức năng chính bao gồm: Chức năng Device
và Chức năng Gateway.
-

Chức năng Device: cung cấp các dịch vụ để hỗ trợ các loại device sau:
 Device kết nối trực tiếp đến mạng thông tin: Device được cung cấp
các khả năng để có thể kết nối trực tiếp đến mạng thông tin mà
không cần thông qua Gateway. Nó có thể trực tiếp tải lên và tải
xuống các dữ liệu từ mạng thông tin.
 Device kết nối gián tiếp đến mạng thông tin: Device được cung cấp
các khả năng để kết nối một cách gián tiếp đến mạng thông tin thông
qua gateway. Nó cũng có thể tải lên và tải xuống các dữ liệu từ mạng
thông tin một cách gián tiếp thông qua mạng thông tin.
 Hỗ trợ mô hình mạng Ad-hoc: Ngoài ra lớp này còn cung cấp các
dịch vụ để các thiết vị có khả năng cùng với nhau hình thành nên

một mô hình mạng kiểu Ad-hoc.
 Chế độ ngủ - thức: Lớp này cũng cung cấp cơ chế giúp cho các
Device để thể ngủ và thức khi cần thiết để tiếp kiệm năng lượng.

-

Chức năng Gateway: cung cấp các dịch vụ hỗ trợ chức năng gateway như:
 Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp: Lớp này hỗ trợ các chuẩn giao tiếp không
dây hiện tại như CAN, Zigbee, Bluetooth hoặc Wifi.
 Hỗ trợ chuyển đổi giao thức: Cung cấp dịch vụ hỗ trợ theo hai tình
huống: Thứ nhất là có nhiều device với các chuẩn giao tiếp khác
nhau trong mạng. Thứ hai là giao tiếp giữa device và mạng thông
tin bằng hai giao thức khác nhau.

Lớp Management
Tương tự với mô hình mạng truyền thống, một mạng IoT phải có khả năng quản
lý lỗi, cấu hình, hiệu năng.

18


Lớp Management cung cấp các dịch vụ quản lý như Quản lý lỗi, Quản lý
cấu hình,…
Các dịch vụ quản lý bao gồm:
-

Quản lý thiết bị.

-

Quản lý mạng cục bộ.

-

Quản lý lưu lượng và băng thông.

Lớp Security
Cung cấp các dịch vụ bảo mật theo hai loại: Bảo mật chung và Bảo mật theo ứng
dụng cụ thể:
-

Bảo mật chung: Cung cấp các dịch vụ bảo mật cho mọi mô hình mạng IoT,
một số dịch vụ bảo mật như: Bảo mật dữ liệu, chứng thực, bảo vệ virus ở
lớp Application hoặc bảo mật truy cập, bảo mật tín hiệu ở lớp Network…

-

Bảo mật theo ứng dụng cụ thể: Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà lớp này
cung cấp các dịch vụ hỗ trợ riêng biệt như: Bảo mật thanh toán di động
hoặc bảo mật mức độ cao.

1.2.

Tổng quan về Wireless Sensor Network (WSN)

Yếu tố cốt lõi để hình thành nên IoT là khả năng kết nối Things lại với nhau và
hình thành một mạng lưới dữ liệu thống nhất. Đồng thời, mạng lưới dữ liệu này phải
có khả năng cảm biến, thu thập dữ liệu của các Things thông qua các thiết bị: Thiết
bị mang thông tin (Data carrying device), Thiết bị thu thập thông tin (Data Capturing
device), Thiết bị cảm biến và thực thi (Sensing/Actuating device) (Hình 1.2). Mô hình

mạng lưới dữ liệu dùng để cảm biến và thu thập thông tin được gọi chung là mạng
cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) [15].
Wireless Sensor Network (WSN) là một mạng lưới kết nối một lượng lớn các
nodes cảm biến nhằm thu thập, cảm biến thông tin từ môi trường. Các nodes cảm
biến này được xây dựng với các tiêu chí như giá thành thấp, tiết kiệm năng lượng và
kích thước nhỏ. Và đảm nhận nhiều vai trò trọng mạng WSN như cảm biến, thu thập
thông tin từ môi trường, xử lý dữ liệu hoặc trung gian giao tiếp dữ liệu với các node
khác [16].
19


Các nghiên cứu về WSN thường rất đa dạng, có thể chia thành nhiều phần đươc
thể hiện ở hình 1.4 như sau:

Hình 1.4. Các nghiên cứu nghiên cứu của WSN [15]

Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu về WSN tập trung vào việc phát triển
mạng WSN với mức công suất thấp và phát triển các node cảm biến tiêu thụ ít năng
lượng, đồng thời có khả năng xử lý dữ liệu tại chỗ. Nhằm giải quyết bài toán quan
trọng nhất của WSN là sự hạn chế ở nguồn cung cấp năng lượng cho các node cảm
biến. Một số hướng nghiên cứu có thể kể đến như linh động về phương thực xử lý dữ
liệu [17] [18] [19] [20], cải tiến thiết kế phần cứng [21], low duty cycle [22], giao
thức MAC tiết kiệm năng lượng [23] [24] [25] [26] và kiến trúc mạng cảm biến [4]
[5] [27] [28].
20


Tiêu thụ năng lượng thấp là một trong những yếu tố hàng đầu giúp đảm bảo thời
gian sống của một mạng WSN [15] . Việc giảm mức tiêu thụ năng lượng trong mạng
WSN thường xây dựng theo 3 nguyên tắc sau:

-

Hoạt động Low-duty-cycle.

-

Xử lý dữ liệu tại các node để giảm kích thước dữ liệu qua đó cũng giảm
thời gian truyền.

-

Xây dựng mô hình mạng theo cơ chế “Multihop” thay vì “Singlehop” nhằm
làm giảm chi phí trong truyền tín hiệu khoảng cách xa. Vì trên thực tế,
khoảng cách truyền tín hiệu càng xa, signal path loss sẽ càng lớn khiến cho
năng lượng cần sẽ lớn hơn rất nhiều so với truyền tín hiệu khoảng cách
ngắn.

1.2.1. Kiến trúc mạng WSN

Hình 1.5. Kiến trúc tổng quan mô hình mạng WSN [15]

Mạng cảm biến thông thường bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến được
phân bổ rải rác trong không gian [29] [30]. Mỗi node này có khả năng thu thập dữ
liệu cảm biến; lưu trữ dữ liệu và có khả năng giao tiếp với các node lân cận theo
phương thức single-hop hoặc multi-hop. Trong các node này sẽ có một node được

21


xem là node chính (cluster node) có khả năng truyền những dữ liệu về node trung tâm

(sink node). Các mô hình kết nối trong WSN rất đa dạng: từ các mô hình mạng đơn
giản như Star, Bus, Circle đến các mô hình kết nối phực tạp như Mesh, Tree, Grid…
[30] [31].
Những đặc trưng của một mạng WSN có thể kể đến bao gồm [15] [30]:
-

Các node cảm biến phân bố một cách dày đặc trong không gian và có số
lượng lớn.

-

Các node cảm biến thường rất hay xảy ra hư hỏng.

-

Giao thức mạng WSN thường hay thay đổi.

-

Các node cảm biến thường bị giới hạn về tài nguyên như: Năng lượng cung
cấp ban đầu, khả năng lưu trữ và tính toán thấp.

-

Các node cảm biến thường không có định danh toàn cầu do số lượng quá
nhiều.

1.2.2. Các mô hình mạng cảm biến WSN cơ bản
Một số mạng cảm biến được sử dụng:
Bus Topology

Trong mô hình này, khi cần truyền dữ liệu một node sẽ “broadcast” (quảng bá)
gói tin đến toàn bộ các node còn lại, nhưng chỉ có node nhận thực sự mới chấp nhận
và xử lý gói tin. Ưu điểm của mô hình này là rất dễ triển khai và hoạt động tốt ở
những phạm vi nhỏ với số lượng node giới hạn dưới 10 node [31]. Khi số lượng node
tăng lên, mô hình này tỏ ra không hiệu quả do trong 1 thời điểm chỉ có một đường
truyền dữ liệu được kích hoạt dẫn đến việc tắc nghẽn dữ liệu. Đồng thời, khi một
node “broadcast” để truyền dữ liệu, việc đảm bảo tất cả các node còn lại đều nhận
được gói tin là rất khó khả thi và tốn nhiều năng lượng. Ngoài ra, do tính chất của mô
hình mạng này đòi hỏi tất cả các node đều có thể liên lạc trực tiếp với nhau nên khả
năng mở rộng thấp.

22