Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Mạng cảm biến không dây ảnh hưởng thế nào đến IoT thế giới - Phần 2: Công nghệ mạng không dây

Mạng cảm biến không dây ảnh hưởng thế nào đến IoT thế giới - Phần 2: Công nghệ mạng không dây

IoT tuy không còn mới ở Việt nam nhưng xu hướng này mới chỉ được coi là ở giai đoạn sơ khai, còn rất nhiều thứ cần phải làm. Trong đó, tích hợp hệ thống, tăng cường bảo mật là hai thứ chúng ta có thể làm thành thạo, thậm chí làm tốt. 

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) được mô tả là một chuỗi các nút mạng có khả năng cảm nhận và điều chỉnh môi trường, đồng thời cho phép sự tương tác giữa con người với máy tính và môi trường xung quanh [1]. Các nút mạng có thể là cảm biến, bộ chấp hành, cổng giao tiếp hay chính là người dùng. Một lượng lớn cảm biến được triển khai một cách ngẫu nhiên trong khu vực cần giám sát (sensor field) và cấu thành mạng cảm biến. Dữ liệu sau khi thu thập ở mỗi nút mạng sẽ được truyền qua các nút mạng khác và cuối cùng là nút quản lý thông qua kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm (multihop routing). Người dùng có thể điều khiển và quản lý mạng WSN thông qua các dữ liệu thông qua các dữ liệu thu thập được. 

altHình 1: Một nút cảm biến không dây tích hợp công nghệ Intel (www.fpmled.com.my) 

Công nghệ ngày càng phát triển, giá thành của các thiết bị liên quan tới mạng WSN ngày càng giảm khiến cho các ứng dụng của WSN không chỉ giới hạn trong lĩnh vực quân sự mà còn được triển khai rộng rãi trong công nghiệp và thương mại. Các giao thức chuẩn cho WSN cũng được phát triển như Zigbee, WirelessHart, ISA 100.11a,... Đồng thời, thị phần của WSN ở các ngành công nghiệp và gia đình cũng tăng lên nhanh chóng. Sau đây là những công nghệ góp phần làm cho IoT ngày càng trở nên gần gũi với cuộc sống hàng ngày.

Nút cảm biến (sensor nodes)

Các nút cảm biến là một trong những thành phần chính của WSN. Thành phần của nút cảm biến bao gồm: module nguồn, cảm biến, vi điều khiển và bộ truyền tín hiệu không dây (hình 2). Module nguồn sẽ cung cấp nguồn nuôi cho cả nút cảm biến hoạt động. Cảm biến thu nhận tín hiệu từ môi trường và bản thân thiết bị, có thể là tín hiệu sinh lý, vật lý, hóa học và chuyển chúng thành tín hiệu điện năng để đưa vào vi điều khiển. Vi điều khiển sẽ thu nhận tín hiệu từ cảm biến và xử lý chúng. Bộ truyền nhận tín hiệu (RF transceiver) sẽ thiết lập giao tiếp truyền dữ liệu đã được xử lý đến các nút trong mạng. Các nút cảm biến thu thập dữ liệu theo thời gian thực trong một thời gian dài, do đó chúng cần phải tiêu thụ ít năng lượng. 

alt

Hình 2: Thành phần của nút cảm biến 

Thu nhỏ kích thước cảm biến dựa trên công nghệ MEMS

Sự phát triển của công nghệ MEMS đã giúp thu nhỏ đáng kể kích thước của cảm biến. Công nghệ MEMS là sự kết hợp của công nghệ vi điện tử (microelectron- ics), vi cơ khí (micromachining) và công nghệ đóng gói (packaging). Nó cho phép các cấu hình 2D và 3D phức tạp được thu nhỏ trên một diện tích đế rất nhỏ, đồng thời tích hợp được cả các phần tử cảm biến, nguồn nuôi và mạch xử lý tín hiệu. Ngày nay, nhiều loại cảm biến MEMS đã được chế tạo và có khả năng đo nhiều đại lượng vật lý, hóa học, sinh học như vận tốc, âm thanh, pH...

Khai thác năng lượng từ môi trường

Các nút mạng cần một nguồn nuôi để hoạt động, và nguồn năng lượng giờ đây không chỉ bị giới hạn từ pin, ắc quy mà còn có thể được lấy từ các nguồn khác như năng lượng mặt trời, tinh thể áp điện, chuyển hóa nhiệt - điện - từ [2] [3].

Một số công ty đã bắt đầu thương mại hóa các ứng dụng cho mạng cảm biến với phần nguồn sử dụng công nghệ khai thác năng lượng từ môi trường. EnOcean của Đức đã cung cấp thiết bị cho phép chuyển hóa quang năng, nhiệt năng và cơ năng thành điện năng để ứng dụng trong giám sát ánh sáng và không khí trong nhà. Trong lĩnh vực y tế, các thiết bị sử dụng tinh thể áp điện cũng dần trở nên phổ biến. Perpetuum của Anh phát triển một dòng sản phẩm cho phép chuyển hóa cơ năng thành điện năng trong ứng dụng thiết bị di chuyển. Với nguồn năng lượng từ dao động xung, việc gõ ngón tay lên bàn có thể hỗ trợ nút cảm biến truyền 2 kB dữ liệu đi khoảng cách 100m cách mỗi 60s.

Kết nối các nút mạng

Các nút mạng có thể được phân bố rải rác ở khoảng cách từ vài trăm mét cho đến vài km, bao gồm các thiết bị trong mạng và hệ thống người dùng. Tín hiệu sẽ được tập trung về một điểm trước khi được truyền đi trong hệ thống cáp quang. Các thiết bị luôn trong trạng thái sẵn sàng để truyền nhận dữ liệu nên khả năng xảy ra xung đột là rất lớn. Do đó, công nghệ liên kết cần có khả năng điều hành việc sử dụng tài nguyên của các kênh để đảm bảo sự liên kết nhiều thành phần trong mạng.

Các công nghệ kết nối mạng bây giờ có thể được phân vào 4 loại: WLAN (wireless local area network), WMAN (wireless metropolitan area network), WPAN (wireless personal area network) và WWAN (wireless wide area network). Tuy nhiên các công nghệ mạng hiện tại không đáp ứng tốt được các ứng dụng WSNs vì một số lý do:

- Về độ tin cậy, môi trường truyền thông tin của WSN khá khắc nghiệt. Dải tần hẹp, nhiễu đa tần và các hiệu ứng đa chiều khiến việc đảm bảo tính liên kết trở thành vấn đề. 

- Các ứng dụng IoT yêu cầu khắt khe hơn về xử lý thời gian thực. Độ trễ khi truyền tín hiệu phải cực kì nhỏ.

- Về vấn đề hiệu năng, các ứng dụng WSNs cần phải tiết kiệm năng lượng ở mức tối đa để có khả năng tự vận hành trong thời gian dài (vài năm). Điều đó hiện nay khó có thể đạt được với các thiết bị sử dụng pin.

Hiện nay Bluetooth 5.0 đã ra đời với khoảng cách truyền gấp đôi Bluetooth 4.0, trong khi năng lượng tiêu thụ lại được giảm xuống và được kỳ vọng sẽ đáp ứng những yêu cầu nói trên.

Phân bố các nút mạng

Một mạng cảm biến không dây bao gồm các nút mạng là các cảm biến, cổng liên kết (gateway) và người dùng được liên kết chặt chẽ với nhau. Mạng cảm biến có thể được tổ chức theo nhiều cấu hình như hình sao, hình thẳng, hình cây, hình vòng,... Các nút liên kết với nhau thông qua kĩ thuật định tuyến gián tiếp đa điểm (multihop routing). Nút cảm biến đầu tiên sẽ truyền dữ liệu đến nút mạng gần nhất, sau đó dữ liệu được truyền tiếp tới nút bên cạnh, và cứ thế quá trình lặp lại cho đến khi dữ liệu được truyền đến cổng giao tiếp. Mỗi nút mạng sẽ đóng vai trò vừa là điểm phát vừa là điểm thu sóng. Khoảng cách truyền có thể đạt đến 800 - 1000m ngoài trời. Đặc tính của WSNs ở khía cạnh này bao gồm tự tổ chức (self organization), tự thích nghi (self - adaptation), giới hạn năng lượng (limited nodes energy) và liên kết thiếu ổn định (unstable transmission links). 

alt

Hình 3: Các kiểu triển khai mạng: hình sao, hình cây và mắt xích 

Do các nút mạng được phân bố ngẫu nhiên nên chúng cần có khả năng tự liên kết với nhau. Mỗi nút mạng có thể được gán cho 2 hay nhiều đường truyền để tăng độ tin cậy. Nút mạng hiện nay được liên kết với nhau chủ yếu qua mạng wifi, và các công nghệ mới như 6LoWPAN dựa trên IPv6 đã ra đời để hỗ trợ cho mạng WSN.

Tính chất thứ hai là tự thích nghi đường truyền. So với mạng dây truyền thống, truyền thông qua mạng không dây dễ bị thất thoát dữ liệu hơn rất nhiều. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ tự thích nghi đường truyền (Self-adaptive Flow Control) đã ra đời. SFC tìm hiểu lý do gây ra mất dữ liệu và điều chỉnh dòng dữ liệu truyền tải. Tùy theo chất lượng đường truyền và số lỗi xảy ra, tốc độ truyền (transmission rate) và lượng dữ liệu truyền (throughput) sẽ được điều chỉnh.

Tập hợp dữ liệu

Dữ liệu sẽ không được truyền từ mỗi nút mạng về cổng giao tiếp (gateway) mà sẽ được truyền qua các nút mạng khác nhau, tới một (sink node) nút tập trung. Mỗi khu vực mạng sẽ có một nút tập trung như vậy cho phép kết hợp nhiều dữ liệu từ các nút xung quanh, bỏ đi các dữ liệu thừa, tiết kiệm băng thông và năng lượng. Trong quá trình truyền, việc tập hợp dữ liệu như thế sẽ làm tăng độ trễ của hệ thống, đồng thời tỉ lệ mất dữ liệu sẽ cao hơn. Việc tập hợp dữ liệu mặc dù có thể bỏ đi rất nhiều thông tin thừa, tiết kiệm năng lượng và tăng độ chính xác (accuracy) của thông tin nhưng cũng khiến cho thông tin không còn giữ được tính thiết thực (robustness).

Bảo mật

Bảo mật là vấn đề chung và rất quan trọng khi chúng ta làm việc với WSNs, khi mà mọi thứ đều được liên kết với nhau. Vấn đề khi làm việc với mạng TCP/IP truyền thống là tính xác thực (authentication), độ toàn vẹn (integrity) và sẵn sàng (availability) của dữ liệu.

alt

Hình 4: Các vấn đề bảo mật trong WSN (Nguồn: emnify) 

Nhưng đối với WSN, vấn đề bảo mật có thể đến từ phía người dùng hay chính từ phía nhà cung cấp. Ngoài việc giữ an toàn cho dữ liệu truyền trong mạng, các vấn đề thông tin cá nhân của người sử dụng hay của thiết bị cũng cần được xem xét. Các vấn đề bảo mật của WSN có thể được kể đến như: bảo mật nút mạng, thuật toán mã hóa thông tin, quản lý khóa, quản lý đường truyền và tập hợp dữ liệu. 

alt

Hình 5: Một mô hình bảo mật ở nút cảm biến 

Tại mỗi nút cảm biến đều có các MCU để truyền nhận dữ liệu. MCU có thể bảo mật dưới nhiều hình thức như bảo mật khởi động, xác thực thông qua tin nhắn hay mã hóa gói dữ liệu để bảo vệ vi xử lý khỏi bị tấn công thông qua sóng radio, Bluetooth hay wifi. Khi dữ liệu được truyền đi, chúng có thể được mã hóa từ nội dung cho đến phương thức truyền để bảo vệ các thông tin khỏi bị thu nhận bởi các thiết bị khác hoặc giả sử thông tin có bị thu được thì cũng không thể sử dụng nếu như không có thuật toán giải mã thích hợp. Việc truyền thông tin bằng kĩ thuật truyền gián tiếp đa điểm cũng khiến cho mỗi nút mạng đều dễ bị tấn công. Do đó, một số phương pháp để bảo vệ các nút mạng cũng được đề xuất như phản hồi thông tin, xác định vị trí, thuật toán mã hóa hay cấu trúc thứ bậc (hierarchical). Mỗi kĩ thuật có thể được áp dụng ở các ứng dụng khác nhau để đảm bảo thông tin ở mỗi nút mạng đều được an toàn. 

alt

Hình 6: IoT cho sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam (nguồn hachi.vn) 

IoT tuy không còn mới ở Việt Nam nhưng xu hướng này mới chỉ được coi là ở giai đoạn sơ khai, còn rất nhiều thứ cần phải làm. Trong đó, tích hợp hệ thống, tăng cường bảo mật là hai thứ chúng ta có thể làm thành thạo, thậm chí làm tốt. Nếu có chính sách tốt và tầm nhìn lãnh đạo các công ty đủ tốt, IoT sẽ mang lại nguồn lợi rất lớn nhờ tiết kiệm chi phí, cải thiện giá trị cộng thêm của sản phẩm, tăng sức cạnh tranh cho sản phẩm.

(Kỳ tới: Thách thức của mạng WSN, đón đọc Tự động hóa ngày nay số tháng 4/2017)

THAM KHẢO

[1] BRÖRING, A. et al. New generation sensor web enablement. Sensors, 11, 2011, pp. 26522699. ISSN 1424-8220. Available from: doi:10.3390/s110302652

[2] ANG, R.J., TAN, Y.K. and PANDA, S.K. Energy harvesting for autonomous wind sensor in remote area. 33rd Annual IEEE Conference of Industrial Electronics Society (IECON’07), Taipei, Taiwan, 2007.

[3] TANG, L. and GUY C. Radio frequency energy harvesting in wireless sensor networks. International conference on communications and mobile computing, 2009, pp. 644648 

VĂN VŨ - TUỲ PHONG (tổng hợp)

Theo Tạp chí Tự động hoá ngày nay số 193 (tháng 3/2017)

  


Newer news items:
Older news items:

 

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết