Nghiên cứu giao thức MQTT ứng dụng cho giải pháp tưới nước thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Hữu Bắc

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT
ỨNG DỤNG CHO GIẢI PHÁP TƯỚI NƯỚC THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Nguyễn Hữu Bắc

NGHIÊN CỨU GIAO THỨC MQTT
ỨNG DỤNG CHO GIẢI PHÁP TƯỚI NƯỚC THƠNG MINH

Chun ngành: Vật lý vơ tuyến và điện tư
Mã số: 8440130.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. LÊ QUANG THẢO

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn:
“Nghiên cứu giao thức MQTT ứng dụng cho giải pháp tưới nước thông

minh”
Là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Quang Thảo. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Hữu Bắc


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thiện luận văn, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng
dẫn của tơi, TS. Lê Quang Thảo. Trong suốt q trình thực hiện luận văn, thầy đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tơi có thể hồn thành luận văn của mình.
Tiếp đến, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý
Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà
Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong quá trình
học tập và nghiên cứu.
Tơi cũng bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình tơi cùng Bố mẹ, các anh chị em và
bạn bè, các bạn cùng khóa cao học 2018-2020, những người đã ủng hộ, giúp đỡ và
động viên tôi trong thời gian làm luận văn.
Hà Nội, tháng 11 năm 2020

Nguyễn Hữu Bắc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.....................3
1.1. Khái niệm....................................................................................................... 3
1.2. Các thành phần của node cảm biến................................................................. 4
1.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN...................................................................... 5
1.3.1. Lớp ứng dụng.......................................................................................... 6
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu.................................................................................. 6
1.3.3. Lớp truyền tải.......................................................................................... 7
1.3.4. Lớp mạng................................................................................................. 7
1.3.5. Lớp vật lý................................................................................................. 8
1.3.6. Phần quản lý công suất, quản lý di động, quản lý nhiệm vụ....................8
1.4. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến khơng dây................................9
1.4.1. Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ..................................................... 9
1.4.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi.................................................. 10
1.4.3. Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao, tin cậy.................................10
1.4.4. Đa dạng trong thiết kế, chi phí sản xuất thấp......................................... 11
1.5. IoT và các giao thức thường sư dụng trong IoT............................................ 11
1.5.1. Giao thức CoAP..................................................................................... 12
1.5.2. Giao thức XMPP.................................................................................... 13
1.5.3. Giao thức MQTT................................................................................... 13
1.6. Ứng dụng mạng cảm biến không dây........................................................... 14
1.6.1. Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khoẻ...................15
1.6.2. Mạng cảm biến không dây trong quân sự.............................................. 15
1.6.3. Mạng cảm biến khơng dây ứng dụng trong tự động hố gia đình..........16
1.6.4. Mạng cảm biến khơng dây ứng dụng trong công nghiệp.......................17
1.6.5. Mạng cảm biến không dây ứng dụng vào môi trường............................17
1.6.6. Mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp.......................19
CHƯƠNG 2. GIAO THỨC MQTT......................................................................... 21

2.1. Khái niệm MQTT......................................................................................... 21
2.2. Vị trí MQTT trong mơ hình IoT................................................................... 22
2.3. Lịch sư hình thành........................................................................................ 22
2.4. Các thành phần lõi trong kiến trúc của MQTT............................................. 23
2.5. Mơ hình Pub/Sub và cơ chế hoạt động của MQTT theo mô hình Pub/Sub...23
2.5.1. Mơ hình Pub/Sub................................................................................... 23
2.5.2. Cơ chế hoạt động của MQTT theo mơ hình Pub/Sub............................25
2.6. Các gói tin quan trọng của giao thức MQTT................................................ 27
2.6.1. Định dạng của thông điệp...................................................................... 27
2.6.2. Gói CONNECT..................................................................................... 30
2.6.3. Gói CONNACK.................................................................................... 31
2.6.4. Gói PUBLISH........................................................................................ 31
2.6.5. Gói SUBSCRIBE................................................................................... 32
2.6.6. Gói PINGREQ....................................................................................... 33
2.6.7. Gói PINGRESP..................................................................................... 33
2.6.8. Gói DISCONNECT............................................................................... 33
2.7. Quy trình truyền nhận dữ liệu chính trong MQTT........................................ 33
2.7.1. Kết nối và đăng ký................................................................................. 33
2.7.2. Xuất bản thơng điệp............................................................................... 35
2.8. Ưu điểm, tính năng nổi bật của giao thức MQTT......................................... 37
2.9. Một số giao thức cạnh tranh với giao thức MQTT........................................ 38
2.10. Một số ứng dụng MQTT đã được triển khai............................................... 38
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH TƯỚI NƯỚC THÔNG MINH SỬ DỤNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY SỬ DỤNG GIAO THỨC MQTT................................................... 41
3.1. Bản thiết kế sơ đồ mạng cảm biến................................................................ 41
3.2. Kiến trúc của một node cảm biến................................................................. 42
3.3. Phần cứng trong node cảm biến.................................................................... 43
3.3.1. Cảm biến ánh sáng CdS......................................................................... 43

3.3.2. Độ ẩm đất và cảm biến độ ẩm MEC10.................................................. 44
3.3.2.1. Độ ẩm đất............................................................................................ 44
3.3.2.2. Giới thiệu một số cảm biến độ ẩm đất................................................. 47


3.3.2.3. Cảm biến độ ẩm đất MEC10............................................................... 50
3.3.3. Chuẩn giao tiếp 1 dây và cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11.................51
3.3.3.1. Chuẩn giao tiếp 1 dây......................................................................... 51
3.3.3.2. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11..................................................... 52
3.3.4. Bộ truyền sóng vô tuyến nRF24L01...................................................... 55
3.3.5. Bộ xư lý trung tâm sư dụng Atmega8.................................................... 56
3.3.6. Sơ đồ mạch điện khối thu thập dữ liệu................................................... 57
3.3.7. Thuật toán hoạt động tại node thu thập dữ liệu...................................... 57
3.4. Kiến trúc node trung tâm.............................................................................. 59
3.5. Phần cứng trong node trung tâm................................................................... 59
3.5.1. Bộ xư lý trung tâm Atmega128.............................................................. 59
3.5.2. Sơ đồ mạch điện khối xư lý trung tâm................................................... 60
3.5.3. Thuật toán hoạt động trên trạm trung tâm.............................................. 61
3.6. Một số hình ảnh triển khai thực tế mạng cảm biến....................................... 62
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN.............................64
4.1. Khảo sát sự thay đổi môi trường ở các node và center theo giờ trong ngày 64
4.1.1. Dữ liệu ánh sáng theo giờ trong ngày.................................................... 65
4.1.2. Dữ liệu nhiệt độ theo giờ trong ngày..................................................... 67
4.1.3. Dữ liệu độ ẩm môi trường theo giờ trong ngày...................................... 69
4.1.4. Dữ liệu độ ẩm đất theo giờ trong ngày................................................... 71
4.2. Khảo sát sự thay đổi môi trường ở các node theo ngày trong tuần...............73
4.2.1. Dữ liệu ánh sáng theo ngày trong tuần................................................... 73
4.2.2. Dữ liệu nhiệt độ theo ngày trong tuần.................................................... 74
4.2.3. Dữ liệu độ ẩm môi trường theo ngày trong tuần.................................... 75
4.2.4. Dữ liệu độ ẩm đất theo ngày trong tuần................................................. 76

KẾT LUẬN CHUNG.............................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 80
PHỤ LỤC................................................................................................................ 82


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Cụm từ

Nghĩa tiếng Việt

6LowPAN

IPv6 over.
Low-Power
Wireless
Personal Area
Networks

ACK

acknowledgement

ADC
AD HOC
AI
ALU
ARQ

Analog Digital Convert
Wireless ad-hoc network
Artificial Intelligence
Arithmetic Logic Unit
Automatic Repeat-reQuest
Automatic
Voltage
Regulator
Complex Instruction Set
Computer

AVR
CISC

CMOS

CoAP
CRC
CSMA/CA

Complementary
MetalOxide-Semiconductor
Constrained
Applications
Protocol
Cyclic Redundancy Check
Carier
Sense
Multiple
Access/ Collision Avoidance

DDS

Data Distribution Service

EEPROM

Electrically
Programmable
Memory

FEC

Forward Error Correction

Tín hiệu sư dụng trong
truyền thơng số để đảm bảo
dữ liệu được nhận
Bộ chuyển đổi tương tự - số
Mạng tùy biến khơng dây
Trí ṭ nhân tạo
Đơn vị logic số học
Yêu cầu tự động lặp lại
Điều chỉnh điện áp tự động

là thuật ngữ chỉ một loại
công nghệ dùng để chế
tạo mạch tích hợp.
Giao thức CoAP

Giao thức DDS

Erasable
Read-Only

Chuyển tiếp trình sưa lỗi


Generic Sensor Network
Architecture for Wireless
Automation
General
Packet
Radio
Service
Identification
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Internet of Things
Internet Protocol
Industrial, Scientific and
Medical
Liquid Crystal Display
Light-dependent resistor
low-rate wireless personal
area networks

Kiến trúc mạng cảm biến
chung cho Tự động hóa
Khơng dây

Dịch vụ vơ tún gói tổng
hợp
Địa chỉ mạng
Viện các kỹ sư điện, điện tư
quốc tế
Internet vạn vật
Giao thức Internet

M2M

Machine to machine

Máy để truyền thông máy

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập đường
truyền

MCU

Microcontroller unit
Micro Electro Mechanical
Hệ vi cơ điện tư
Systems
Message Queue Telemetry
Giao thức MQTT
Transport

Negative acknowledgement
Organization
for
the
Tổ chức phát triển các tiêu
Advancement of Structured
chuẩn thông tin có cấu trúc
Information Standards
Open
Systems
Mơ hình tham chiếu các hệ
Interconnection
thống mở
Định tuyến theo chất lượng
Quanlity of Service
dịch vụ

GENSEN

GPRS
ID
IEEE
IoT
IP
ISM
LCD
LDR
LR-WPANs

MEMS

MQTT
NACK
OASIS

OSI
QoS

Màn hình tinh thể lỏng
Điện trở quang


RF
RISC
RTOS
Sensor
SMP
SPI
SQDDP
SRAM
SurfNet

Radio frequency
Reduced Instruction Set
Computer
Real-time Operating System
sensor
Sensor
Management
Protocol
Serial Peripheral Interface

Sensor Query and Data
Dissemination
Static
random-access
memory
Su

TADAP

Task Assignment and Data
Advertisement

TCP

Transmission
Protocol

UART

Universal
Asynchronous
Receiver – Transmitter.

UDP
UWASA
XMPP

WirelessHART

WSN

Control

User Datagram Protocol
Utilization of
Extensible Messaging and
Presence Protocol
Wireless
sensor
networking technology based
on the Highway Addressable
Remote Transducer Protocol
Wireless Sensor Network

Bộ thu phát sóng vơ tún

Cảm biến
giao thức quản lí mạng cảm
biến
giao thức phân phối dữ liệu
và truy vấn cảm biến
Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên
tĩnh
giao thức quảng bá dữ liệu
và chỉ định nhiệm vụ cho
từng sensor
giao thức điều khiển truyền
tải internet
Thường làmột mạch tích hợp
được sư dụng trong việc

truyền dẫn dữ liệu nối tiếp
giữa máy tính và các thiết bị
ngoại vi.
giao thức gói người dùng

Giao thức XMPP

Mạng cảm biến không dây


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Header cố định.........................................................................................27
Bảng 2.2. Loại thông điệp.......................................................................................27
Bảng 2.3. Bảng các cờ.............................................................................................28
Bảng 2.4. Giá trị QoS..............................................................................................29
Bảng 2.5. Bảng mô tả độ dài ứng với số byte..........................................................30
Bảng 2.6. Ý nghĩa gói CONNACK.........................................................................31
Bảng 2.7. Giá trị mức QoS......................................................................................32
Bảng 4.1. Dữ liệu về cường độ sáng tại tác node và node trung tâm.......................65
Bảng 4.2. Dữ liệu về nhiệt độ tại tác node và node trung tâm.................................67
Bảng 4.3. Dữ liệu về độ ẩm môi trường tại tác node và node trung tâm..................69
Bảng 4.4. Dữ liệu về độ ẩm đất tại tác node và node trung tâm...............................71
Bảng 4.5. Bảng số liệu về đo ánh sáng trong tuần...................................................73
Bảng 4.6. Bảng số liệu về đo nhiệt độ trong tuần....................................................74
Bảng 4.7. Bảng số liệu về độ ẩm khơng khí trong tuần..........................................75
Bảng 4.8. Bảng số liệu về độ ẩm đất trong tuần......................................................76


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến..........................................................4

Hình 1.2 . Các thành phần của node cảm biến...........................................................4
Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.....................................................5
Hình 2.1. Mơ hình IoT.............................................................................................21
Hình 2.2. Kết nối trong mạng lưới MQTT...............................................................21
Hình 2.3. Vị trí MQTT trong mơ hình IoT..............................................................22
Hình 2.4. Mơ hình Pub/ Sub của giao thức MQTT..................................................24
Hình 2.5. Cơ chế hoạt động của MQTT trong mơ hình Pub/ Sub............................25
Hình 2.6. Mơ hình cơ bản của giao thức MQTT......................................................26
Hình 2.7. Phiên làm việc và vùng đăng ký được thiết lập với flag = 1....................34
Hình 2.8. Phiên làm việc và vùng đăng ký được thiết lập với flag = 0....................35
Hình 2.9. QoS mức 0...............................................................................................36
Hình 2.10. QoS mức 1.............................................................................................36
Hình 2.11. QoS mức 2.............................................................................................37
Hình 3.1. Sơ đồ bản thiết kế mạng cảm biến giám sát độ ẩm đất............................41
Hình 3.2. Kiến trúc của một node cảm ứng.............................................................43
Hình 3.3. Cảm biến ánh sáng Photoresistors...........................................................44
Hình 3.4. Mơ hình 5 lớp nước trong đất..................................................................45
Hình 3.5. Cảm biến độ ẩm đất điện dung................................................................47
Hình 3.6. Cảm biến độ ẩm đất điện trở - Cảm biến độ ẩm đất Relay.......................48
Hình 3.7. Cảm biến độ ẩm nhiệt..............................................................................48
Hình 3.8. Cấu tạo trong cảm cảm biến độ ẩm nhiệt.................................................48
Hình 3.9. Cảm biến độ ẩm trong đất........................................................................49
Hình 3.10. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT10..........................................................50
Hình 3.11. Cảm biến độ ẩm đất MEC-10................................................................50


Hình 3.12. Thao tác hoạt động cơ bản của giao tiếp 1 dây: Gưi bit 1......................51
Hình 3.13. Thao tác hoạt động cơ bản của giao tiếp 1 dây: Gưi bit 0......................52
Hình 3.14. Thao tác hoạt động cơ bản của giao tiếp 1 dây: Đọc bit.........................52
Hình 3.15. Thao tác hoạt động cơ bản của giao tiếp 1 dây: Reset/Presence............52

Hình 3.16. Cảm biến DHT11 có 3 chân...................................................................53
Hình 3.17. Cảm biến DHT11 có 4 chân...................................................................53
Hình 3.18. Sơ đồ kết nối vi xư lý.............................................................................54
Hình 3.19. 2 bước giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xư lý........................54
Hình 3.20. Mơ-đun nRF24L01................................................................................56
Hình 3.21. Sơ đồ mạch điện khối thu thập dữ liệu...................................................57
Hình 3.22. Node thu thập dữ liệu.............................................................................57
Hình 3.23. Thuật tốn hoạt động tại node thu thập dữ liệu......................................58
Hình 3.24. Kiến trúc của node trung tâm.................................................................59
Hình 3.25. Sơ đồ mạch điện khối xư lý trung tâm...................................................60
Hình 3.26. Khối xư lý trung tâm..............................................................................60
Hình 3.27. Thuật tốn hoạt động trên trạm trung tâm..............................................62
Hình 3.28. Một node cảm biến thu thập dữ liệu.......................................................63
Hình 3.29. Tồn cảnh hệ thống cảm biến.................................................................63
Hình 4.1. Thao tác ghi lại dữ liệu tại các node........................................................64
Hình 4.2. Dữ liệu ánh sáng ở node 1 và node trung tâm..........................................66
Hình 4.3. Dữ liệu ánh sáng ở node 2 và node trung tâm..........................................66
Hình 4.4. Dữ liệu ánh sáng ở node 3 và node trung tâm..........................................66
Hình 4.5. Dữ liệu nhiệt độ ở node 1 và node trung tâm...........................................68
Hình 4.6. Dữ liệu nhiệt độ ở node 2 và node trung tâm...........................................68
Hình 4.7. Dữ liệu nhiệt độ ở node 3 và node trung tâm..........................................68
Hình 4.8. Dữ liệu độ ẩm mơi trường ở node 1 và node trung tâm...........................70
Hình 4.9. Dữ liệu độ ẩm môi trường ở node 2 và node trung tâm...........................70


Hình 4.10. Dữ liệu độ ẩm mơi trường ở node 3 và node trung tâm.........................70
Hình 4.11. Dữ liệu độ ẩm đất ở node 1 và node trung tâm......................................72
Hình 4.12. Dữ liệu độ ẩm đất ở node 2 và node trung tâm......................................72
Hình 4.13. Dữ liệu độ ẩm đất ở node 3 và node trung tâm......................................72
Hình 4.14. Dữ liệu ánh sáng ở 03 node dữ liệu.......................................................73

Hình 4.15. Dữ liệu nhiệt độ ở 03 node dữ liệu.........................................................74
Hình 4.16. Dữ liệu độ ẩm mơi trường ở 03 node dữ liệu.........................................75
Hình 4.17. Dữ liệu độ ẩm đất ở 03 node dữ liệu......................................................76


MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh nhân loại đang bước vào giai đoạn mở đầu của cuộc cách
mạng công nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI), Internet vạn
vật (IoT) và dữ liệu lớn (big data), với xu hướng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu
trong công nghệ sản xuất, do vậy việc tự động thu thập, xư lý thông tin là yếu tố đầu
tiên và quan trọng nhất quyết định đến sự thành cơng của cuộc cách mạng.
Với lợi ích nổi bật của mạng cảm biến khơng dây là có thể triển khai, thực
hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán với quy mơ lớn trong bất kì điều kiện nào,
vị trí địa lý nào, kể cả trong những môi trường nguy hiểm mà mạng có dây khơng
thể thực hiện. Do vậy, mạng cảm biến không dây được sư dụng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực, nhiều mục đích như: giám sát sức khỏe trong y tế, kiểm tra giám sát môi
trường sinh vật phức tạp, khảo sát đánh giá chính xác trong nơng nghiệp, trong an
ninh quốc phịng và nhiều ứng dụng trong đời sống hàng ngày.
Mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm một số lượng lớn các node
cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, và hơn hết là phải có sẵn nguồn
năng lượng, có khả năng tính tốn và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích
thu thập thơng tin tồn mạng để đưa ra các thông số về môi trường mà mạng quan
sát. Mạng cảm biến khơng dây thường được bố trí một cách biệt lập, trong phạm vi
rộng, môi trường khắc nghiệt và sư dụng trong thời gian dài để thực hiện các yêu
cầu cảm biến, muốn hoàn thành nhiệm vụ đặt ra thì vấn đề về quản lý kiến trúc của
mạng cảm biến không dây là yếu tố rất quan trọng.
Trong luận văn này, tác giả đi sâu vào nghiên cứu về sư dụng giao thức
MQTT trong mạng cảm biến khơng dây và đề xuất áp dụng vào bài tốn phục vụ
trong nơng nghiệp chính xác để thu thập, giám sát các thông số môi trường biến đổi
chậm nhằm mục đích kéo dài thời gian sống của mạng trong điều kiện băng thông

thấp, mạng lưới không ổn định, năng lượng của các node là hữu hạn mà vẫn đảm
bảo số liệu được thu thập và phản ánh một cách đầy đủ nhất.
Cấu trúc của luận văn gồm:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Nội dung cơ bản của chương này là đưa ra các khái niệm cơ bản về mạng
cảm biến khơng dây, các đặc điểm chính của mạng cảm biến không dây và một số
ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.
Chương 2: Giao thức MQTT

15


Chương 2 nghiên cứu giao thức MQTT: lịch sư hình thành, vị trí MQTT
trong IoT (Internet of Things), các thành phần lõi trong kiến trúc của MQTT, cơ chế
hoạt động của MQTT trong mơ hình Pub/ Sub, các gói tin quan trọng và quy trình
nhận dữ liệu của MQTT, các ưu điểm của MQTT và một số ứng dụng MQTT đã
được triển khai
Chương 3: Mơ hình tưới nước thơng minh sư dụng cảm biến không dây sư
dụng giao thức MQTT
Chương 3 đề xuất giải pháp áp dụng mạng cảm biến khơng dây sư dụng giao
thức MQTT vào nơng nghiệp chính xác, nghiên cứu, thiết kế và đưa ra mơ hình
mạng cảm biến không dây nhằm giám sát ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm môi trường và
độ ẩm đất và sau đó thực hiện việc điều khiển van tưới nước cho vườn cây có diện
tích nhỏ.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Chương 4 đưa ra kết quả thực nghiệm mà tác giả đã tiến hành.
Do có những hạn chế về thời gian và kiến thức, trong luận văn này tác giả đã
xây dựng, đề xuất một giải pháp để ứng dụng mạng cảm biến không dây sư dụng
giao thức MQTT ứng dụng vào nông nghiệp, giải pháp này tác giả cho rằng nó có
nhiều điểm thuận lợi và phù hợp với điều kiện của đa số nhà nông và có khả năng

đưa vào ứng dụng trong thực tế.


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Mạng cảm biến là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xư lý
thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng
lại các sự kiện xảy ra trong mơi trường cụ thể nào đó. Mạng cảm biến chủ yếu được
dùng để thu thập dữ liệu, quan sát, theo dõi…Các thành phần cơ bản cấu tạo nên
một mạng cảm biến gồm các cảm biến, mạng lưới liên kết các cảm biến, điểm trung
tâm để tập hợp dữ liệu, và bộ phận xư lý dữ liệu ở trung tâm.
Một node cảm biến là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xư lý. Mạng cảm biến
không dây là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node và cảm biến bằng
sóng vơ tún.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của ngành vi điện tư,
máy tính và cơng nghệ truyền thơng khơng dây đã tạo điều kiện thuận lợi, thúc đẩy
sự phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến khơng dây. Mạng cảm biến khơng
dây hiện có các node cảm biến thơng minh với kích thước nhỏ, đa chức năng dùng
để thu thập, phân tích và xư lý dữ liệu truyền thơng khơng dây trong các môi trường
vật lý khác nhau.
1.1. Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống gồm các node cảm biến liên
kết với nhau thành một mạng thống nhất, qua phương thức truyền thơng khơng dây
sư dụng sóng vơ tuyến.
Một hệ thống mạng cảm biến thường được xây dựng từ nhiều cảm biến, có
thể là hàng trăm cảm biến, do vậy, việc sư dụng dây kết nối các cảm biến sẽ gây khó
khăn cho q trình thiết kế, lắp đặt và vận hành, vì vậy, người ta sư dụng kết nối
không dây cho các cảm biến này.
Trong khu vực giám sát, các node cảm biến sẽ thu thập hoặc truyền dữ liệu
tới bộ thu nhận dữ liệu trung gian bằng cách gưi trực tiếp hoặc đa hướng. Bộ thu
nhận dữ liệu trung gian đóng vai trị như một cổng mạng giao tiếp với thiết bị người

dùng thông qua một số kiến trúc truyền thông khác như Internet hay truyền thơng vệ
tinh hoặc bất kì loại mạng khơng dây nào như Wifi, mạng lưới,…hoặc bộ thu nhận
dữ liệu trung gian có thể được kết nối trực tiếp với thiết bị người dùng


Hình 1.1. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến.
Hiện nay, rất nhiều lĩnh vực như thương mại, công nghiệp, nông nghiệp đã
ứng dụng mạng cảm biến không dây vào hoạt động. Do đó, mạng cảm biến khơng
dây ngày càng cải tiến, nâng cao chất lượng hơn, mở rộng phạm vi ứng dụng và kì
vọng là tiềm năng vơ hạn cho thêm nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, chăm sóc
sức khoẻ, bảo vệ mơi trường, giám sát sinh thái, giám sát cơng nghiệp, tự động hóa
thiết bị trong nhà hoặc các tịa nhà, giao thơng vận tải, giải trí, qn sự và quốc
phịng. Thực tế hiện nay, mạng cảm biến không dây đã và đang dần trở thành một
thiết bị vô cùng cần thiết trong cuộc sống hằng ngày [25].
1.2. Các thành phần của node cảm biến
Mỗi node cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xư
lý, bộ thu phát không dây và nguồn điện. Ngoài ra, tuỳ theo ứng dụng và mơi
trường cụ thể, node cảm biến cịn có thể có thêm các thành phần bổ sung như hệ
thống tìm vị trí và thiết bị di động.

Hình 1.2 . Các thành phần của node cảm biến


Trong thành phần của bộ cảm biến chủ yếu thường có đầu đo cảm biến và bộ
chuyển đổi ADC. Các tín hiệu được thu nhận từ đầu đo sẽ được chuyển sang tín
hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, sau đó mới được đưa tới bộ xư lý. Bộ xư lý,
thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ có nhiệm vụ phân tích thơng tin cảm biến và
quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác. Cùng lúc đó, bộ thu phát phải đảm
bảo thơng tin giữa node cảm biến được truyền đến bộ xư lý bằng kết nối khơng dây,
có thể là vơ tún, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang . Một thành phần nữa đóng

vai trò quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc ắc
quy nên sẽ có giới hạn định lượng, cung cấp năng lượng cho tồn bộ hoạt động của
node cảm biến.
Hầu hết các cơng nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm
biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node
cảm biến phải gắn thêm hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng cần
thiết để thiết lập các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo hồn thành tốt các
nhiệm vụ được phân cơng [7,8,25].
1.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN
Kiến trúc mạng cảm biến khơng dây thường được tổ chức theo mơ hình OSI
với 5 lớp: lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng và
phần quản lý năng lượng, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ
[14,16,18].

Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến.


1.3.1. Lớp ứng dụng
Lớp ứng dụng là ranh giới ngăn cách giữa môi trường kết nối các hệ thống
mở với các tiến trình ứng dụng. Một ứng dụng của hệ thống mở nào đó muốn trao
đổi thơng tin phải thơng qua lớp ứng dụng vì đây là nơi cung cấp các phương tiện
cần thiết để các ứng dụng có thể truy cập và nhập dữ liệu vào mơ hình OSI.
Tùy vào từng yêu cầu cụ thể mà mạng cảm biến xây dựng các phần mềm,
ứng dụng khác nhau và chúng được sư dụng trong lớp ứng dụng. Mặc dù có rất
nhiều ứng dụng trong mạng cảm biến không dây, tuy nhiên việc tìm ra các giao thức
lớp ứng dụng tiềm năng cho các mạng cảm biến vẫn còn là một thách thức lớn, cần
được nghiên cứu nhiều hơn nữa. Tính đến thời điểm hiện tại, trong lớp ứng dụng, có
ba giao thức: giao thức SMP, giao thức TADAP và giao thức SQDDP đóng vai trị
rất quan trọng.
1.3.2. Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng, các kênh dữ
liệu, phát hiện và dị khung dữ liệu, kiểm sốt lỗi và phương tiện truy nhập. Nó đảm
bảo các kết nối điểm-điểm và điểm-đa điểm là đáng tin cậy trong một cộng đồng
mạng. Các chiến lược tiếp cận và kiểm sốt lỗi trung bình cho mạng cảm biến như
giao thức MAC. Giao thức MAC trong mạng không dây đa chức năng tự tổ chức
phải đạt được hai mục tiêu. Tạo ra cơ sở hạ tầng mạng là mục tiêu đầu tiên, vì trong
mạng cảm biến khơng dây có thể có hàng ngàn node cảm biến, chương trình MAC
phải thiết lập các liên kết truyền thơng để truyền dữ liệu. Nó tạo thành cơ sở hạ tầng
cơ bản cần thiết cho truyền thông không dây hop-by-hop và cung cấp khả năng tự tổ
chức. Mục tiêu thứ hai là chia sẽ tài nguyên truyền thông một cách công bằng và
hiệu quả giữa các node cảm biến trong mạng cảm biến không dây.
Một giao thức MAC phải chắc chắn hỗ trợ hoạt động ở các chế độ tiết kiệm
năng lượng cho node cảm biến ví dụ như tắt bộ thu phát vô tuyến khi không cần
thiết. Mặc dù giải pháp này có thể tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể nhưng
đơi khi nó có thể cản trở sự kết nối các thành phần của mạng cảm biến. Khi bộ thu
phát tắt, node cảm biến không thể nhận được bất kỳ gói tin nào từ các node cảm
biến lân cận, về cơ bản bị ngắt kết nối khỏi mạng. Hơn nữa, khi khởi động lại bộ thu
phát cũng tiêu thụ một lượng năng lượng nhất định. Hoạt động trong chế độ tiết
kiệm điện năng chỉ hiệu quả khi thời gian ở chế độ đó lớn hơn thời gian ngưỡng. Có


thể có một số các chế độ hữu ích như vậy cho hoạt động của các node cảm biến
không dây, phụ thuộc vào trạng thái bộ vi xư lý, bộ nhớ, bộ chuyển đổi A / D, và bộ
thu phát. Một trong các chế độ này có thể được đặc trưng bởi điện năng tiêu thụ và
độ trễ của nó, đó là cơng suất chuyển đổi đến và đi từ chế độ đó.
Một chức năng quan trọng khác của lớp liên kết dữ liệu là kiểm soát lỗi
truyền dữ liệu. Hai chế độ kiểm soát lỗi quan trọng trong các mạng truyền thông là
FEC, ARQ và bán tự động ARQ. Tính hữu dụng của ARQ trong các ứng dụng mạng
cảm biến bị hạn chế bởi chi phí truyền lại và chi phí bổ sung. Mặt khác, giải mã
phức tạp hơn trong FEC như khả năng hiệu chỉnh lỗi cần được xây dựng. Do đó, các

mã kiểm sốt lỗi đơn giản với độ phức tạp mã hóa và giải mã thấp có thể là các giải
pháp tốt nhất cho các mạng cảm biến. Bên trong thiết kế một chương trình như vậy,
điều quan trọng là phải có thơng tin tốt về các đặc tính của kênh và kỹ thuật thực
hiện.
1.3.3. Lớp truyền tải
Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu
cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay
kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người
dùng (node quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức UDP hay giao thức TCP thông
qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các node cảm biến cần các
giao thức kiểu như UDP vì các node cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các
giao thức này cịn phải tính đến sự tiêu thụ cơng suất, tính mở rộng và định tuyến
tập trung dữ liệu.
1.3.4. Lớp mạng
Các node cảm biến thường nằm rải rác trong một trường cảm biến, có thể
được đặt cách xa nhau trường cảm biến, chúng thu thập thông tin và truyền thông
tin đến bộ thu nhận dữ liệu trung gian. Tuy nhiên, sự hạn chế phạm vi truyền thông
của các node cảm biến hiện tại tạo ra sự ngăn cản truyền thông trực tiếp giữa mỗi
node cảm biến với bộ thu nhận dữ liệu trung gian. Điều này địi hỏi tính hiệu quả
cao hơn trong hoạt động của các giao thức định tún khơng dây. Các kỹ thuật định
tún hiện có, được phát triển cho mạng AD HOC, thường không phù hợp với yêu
cầu của mạng cảm biến không dây, do đó, lớp mạng của mạng cảm biến thường
được thiết kế theo các nguyên tắc sau:


-Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.
-Các mạng cảm biến có nhiệm vụ chính là tập trung dữ liệu
-Đảm bảo tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
-Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí
Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không

dây. Dựa vào cấu trúc mạng: các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không
dây được chia thành ba loại, đó là định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp và
định tuyến dựa theo vị trí. Nếu xét theo hoạt động thì chúng được chia thành định
tuyến dựa trên đa đường, định tuyến theo truy vấn, định tuyến thỏa thuận, định
tuyến theo QoS và định tuyến kết hợp.
1.3.5. Lớp vật lý
Lớp vật lý chịu trách nhiệm chuyển đổi các luồng bit thành các tín hiệu phù
hợp nhất để truyền thông qua kênh vô tuyến. Cụ thể hơn, lớp vật lý chịu trách
nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế, và mã
hóa dữ liệu.
1.3.6. Phần quản lý cơng suất, quản lý di động, quản lý nhiệm vụ
Phần quản lý công suất điều khiển việc sư dụng công suất của nhiều cảm
biến. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin
từ một node lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức
công suất của node cảm biến thấp, node cảm biến phát quảng bá tới các node lân
cận để thơng báo nó có mức cơng suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin
chọn đường. Cơng suất cịn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di động phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các node cảm
biến để duy trì tuyến tới người sư dụng và các node cảm biến. Nhờ xác định được
các node cảm biến lân cận, các node cảm biến có thể cân bằng giữa cơng suất của
nó và nhiệm vụ thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một
vùng xác định. Không phải tất cả các node cảm biến trong vùng đó điều phải thực
hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số node cảm biến
thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức cơng suất của nó.


Những phần quản lý này là cần thết để các node cảm biến có thể làm việc
cùng nhau theo một cách thức sư dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong
mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các node cảm biến.

1.4. Các đặc điểm chính của một mạng cảm biến khơng dây
1.4.1. Kích thước vật lý, năng lượng tiêu thụ
Phần lớn các mạng cảm biến khơng dây được triển khai ngồi mơi trường tự
nhiên với số lượng node cảm biến lớn được phân bố dày đặc trên phạm vi rộng do
vậy kích thước và năng lượng tiêu thụ của mỗi node đóng vai trị quyết định đến sự
tồn tại lâu dài của chúng cũng như khả năng xư lý, lưu trữ và tương tác giữa các
node cảm biến trong mạng.
Nhiều ứng dụng đòi hỏi các node mạng có kích thước rất nhỏ đảm bảo sự an
tồn cho các node mạng, ví dụ như với mạng cảm biến triển khai trên chiến trường
thì yêu cầu an toàn cho node mạng và cho toàn bộ mạng là rất cần thiết hoặc đơn
giản hơn mạng cảm biến có thể bị tác động bởi các yếu tố của môi trường tự nhiên,
con người.
Năng lượng trong mạng cảm biến khơng dây được sư dụng cho nhiều mục
đích khác nhau như thu nhận tín hiệu, tính tốn, truyền thơng, lưu trữ, trong đó năng
lượng tiêu thụ ở mỗi node cảm biến là nhiều nhất. Mà một mạng cảm biến không
dây có thể chứa đến hàng trăm, hàng ngàn node mạng tùy thuộc vào từng ứng dụng
của mạng vì vậy năng lượng tiêu hao bởi các node mạng không hề nhỏ chưa kể các
thành phần khác của mạng và sự thất thốt trong q trình hoạt động. Hơn thế nữa,
nguồn năng lượng cung cấp cho mạng cảm biến chủ yếu lấy từ pin trang bị sẵn và
việc thay thế pin cho mạng cảm biến là khơng khả thi. Chính vì vậy, cần hạn chế
thấp nhất sự tiêu thụ năng lượng ở các node mạng và duy trì năng lượng ở các node
mạng để đảm bảo thời gian hoạt động cho toàn bộ mạng cảm biến. Ví dụ như có thể
sư dụng pin sạc được hoặc pin điện thoại là nguồn cấp năng lượng cho các node
như vậy có thể sư dụng nhiều hơn một lần pin này, một giải pháp thường được áp
dụng là sư dụng pin mặt trời để cung cấp năng lượng cho node. Bên cạnh đó giải
pháp đưa ra để sư dụng năng luợng mạng sao cho hiệu quả như giảm công suất
đường truyền dữ liệu, thiết kế phần cứng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể tránh
thực hiện nhiều ứng dụng trên một mạng, cho phép các node mạng tạm ngừng hoạt

động khi không truyền dữ liệu, khi không truyền thông tin sẽ dừng phát sóng vơ
tún.
Hiện nay cơng nghệ chế tạo vật liệu hệ vi cơ điện tư MEMS với sự kết hợp
của công nghệ vi điện tư, vi cơ khí và cơng nghệ đóng gói đã đưa được kích thước
của các cảm biến và bộ chấp hành tới kích thước rất nhỏ cỡ micro và nanomet, phần
nào đáp ứng được yêu cầu về sự giới hạn kích thước cũng như tiêu thụ năng lượng
của node cảm biến và toàn mạng cảm biến đồng thời giảm giá thành cho phép
chúng ta có điều kiện triển khai mạng cảm biến khơng dây trên diện rộng [22,25].
1.4.2. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi
Khả năng chịu lỗi của mạng cảm biến khơng dây thể hiện ở việc mạng vẫn
hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node
cảm biến, hoặc trạm con trong mạng không hoạt động.
Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể của mạng mà chúng ta thiết kế, bố trí
các node cảm biến phù hợp. Thông thường các node sẽ được phân bố dày đặc trong
phạm vi khảo sát, thường là những khu vực dễ bị tác động từ bên ngoài do có sự va
chạm hoặc ảnh hưởng của mơi trường tự nhiên nên các node mạng có thể bị hư
hỏng, bị lỗi, khả năng bị lỗi cũng có thể xảy ra ngay trong quá trình truyền dữ liệu
từ node về bộ thu nhận dữ liệu, q trình trao đổi thơng tin giữa các node hoặc do
node hết năng lượng, đặc biệt là với các mạng yêu cầu các node hoạt động liên tục
trong thời gian dài, ở môi trường tự nhiên thì sự hư hỏng, bị lỗi của các node trong
mạng là điều khơng tránh khỏi, bên cạnh đó khi một hoặc một số node cảm biến
trong mạng bị lỗi hoặc bị hết năng lượng thì cấu trúc mạng sẽ bị thay đổi. Do đó khi
thiết kế mạng cần phải có giải pháp để nâng cao khả năng chịu lỗi của mạng nhằm
duy trì trạng thái hoạt động, đảm bảo chất lượng của mạng, ngồi ra mạng cũng cần
có sự tùy biến về cấu hình để đảm bảo thơng tin trong mạng [22,25].
1.4.3. Khả năng chịu lỗi, khả năng thích nghi
Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận
chuyển các dịng thơng tin với khối lượng xư lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh,
dừng, phân tích và đáp ứng. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính tốn rất
kỹ về khối lượng công việc cần xư lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xư

lý mức cao. Một số hoạt động xư lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng


thời gian thực nên các node mạng phải thực hiện nhiều cơng việc đồng thời và cần
phải có sự tập trung xư lý cao độ.
Các thiết bị của mạng cảm biến có số lượng lớn, đã được triển khai trong
phạm vi rộng với một số ứng dụng cụ thể. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là
điều cốt ́u. Tuy nhiên với kích thước và cơng suất bị giới hạn của cảm biến, việc
áp dụng các kỹ thuật mã hóa sưa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn
vị riêng lẻ vẫn còn là một vấn đề. Nhưng, độ tin cậy của ứng dụng lại có một điểm
cộng lớn nhờ khả năng chấp nhận và khắc phục được sự cố hỏng hóc của thiết bị
đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn khơng những mạnh mẽ mà
cịn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy [20].
1.4.4. Đa dạng trong thiết kế, chi phí sản xuất thấp
Phạm vi ứng dụng của mạng cảm biến không dây là là đa dạng trong rất
nhiều lĩnh vực, đối với mỗi lĩnh vực mạng cảm biến không dây thường được thiết
kế nhằm phục vụ cho một ứng dụng cụ thể với những địi hỏi khác nhau về mục
đích sư dụng, điều kiện ứng dụng nên yêu cầu về thiết bị vật lý, cấu trúc của mạng
là khác nhau, do đó mạng cảm biến có thiết kế rất đa dạng.
Chi phí mạng cảm biến thường được yêu cầu thấp hơn chi phí mạng truyền
thống, trong mạng cảm biến khơng dây có rất nhiều node cảm biến do vậy giá thành
của mạng cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào giá thành của một node, có nhiều giải
pháp đã được đưa ra, chẳng hạn như giải pháp sư dụng công nghệ chế tạo MEMS
như đã trình bày ở trên là một trong số đó.
Ngồi những đặc điểm về thiết kế phần cứng của mạng cảm biến không dây
điều quan trọng nhất đối với riêng mỗi thiết bị là phải dễ dàng tập hợp phần mềm
phù hợp với kiến trúc phần cứng sao cho hiệu quả sư dụng là cao nhất. Cần thiết
phải phát triển phần cứng có thể dùng chung cho phép các ứng dụng riêng có thể
xây dựng trên một tập các thiết bị mà khơng cần giao diện phức tạp. Ngồi ra, cũng
có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng và phần mềm trong khả năng của công

nghệ [22].
1.5. IoT và các giao thức thường sử dụng trong IoT
Internet of Things là thuật ngữ dùng để chỉ một tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối internet và kết nối với nhau để thực hiện một công việc xác định. Để
phát huy được tiềm năng của mơ hình IoT, các thiết bị kết nối cần phải giao tiếp