CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP
2.2. MẠNG CẢM BIẾN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY
2.2.2. Giao thức truyền thông
2.2.2.1. Khái niệm Giao thức truyền thông là những mô tả cụ thể của định dạng và luật lệ bản tin
số. Giao thức là yêu cầu bắt buộc để các bản tin có thể được truyền giữa các hệ thống, đặc biệt trong lĩnh vực viễn thông.
Giao thức truyền thông có thể bao gồm chứng thực thông tin, phát hiện lỗi, sửa lỗi và báo hiệu. Nó cũng có thể mô tả cú pháp, định dạng và đồng bộ hóa truyền thông số hoặc tương tự. Giao thức truyền thông được thực hiện bằng phần cứng và phần mềm. Hiện tại có nhiều giao thức truyền thông khác nhau được sử dụng ở rất nhiều hệ thống truyền thông số và tương tự. Các mạng liên kết thiết bị, mạng máy tính, sẽ không thể tồn tại nếu không có giao thức.
2.2.2.2. Thiết kế giao thức mạng cảm biến
Có rất nhiều giao thức truyền thông khác nhau đã được phát triển. Tuy nhiên, với mạng cảm biến dùng trong nông nghiệp, đòi hòi về dung lượng đường truyền không cao và thời gian cập nhật dữ liệu không quá cấp thiết. Bằng việc thiết kế một giao thức đơn giản sử dụng công nghệ RF, nó có thể được triển khai trên vi điều khiển nhỏ gọn mà không tiêu tốn quá nhiều tài nguyên phần cứng. Với những lý do
trên, giao thức bắt tay được lựa chọn để thực hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây.
Nguyên tắc chung của giao thức bắt tay được thể hiện qua Hình 2.15. Tại đây chỉ mô tả cách thức truyền thông giữa khối cảm biến và hệ thống trung tâm, giữa các khối cảm biến không thể truyền dữ liệu cho nhau.
Hình 2.15. Sơ đồ giao thức bắt tay
Khi khối cảm biến muốn gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm thì nó gửi đến khối trung tâm một tín hiệu Ping chờ tín hiệu phản hồi ACK. Một khi nhận được tín hiệu ACK, nghĩa là khối cảm biến trung tâm đang rảnh rỗi, khi đó khối cảm biến sẽ gửi đi một gói dữ liệu có cấu trúc như Hình 2.16 đến khối trung tâm, khối trung tâm sẽ nhận được dữ liệu. Quá trình gửi dữ liệu kết thúc. Giao thức có thể được mở rộng để tăng tính ổn định bằng cách bổ sung tín hiệu Ping thứ cấp. Sau khi phát đi tín hiệu Ping đầu tiên, nếu khối xử lý trung tâm bận giao tiếp với các khối cảm biến khác thì nó sẽ đợi một khoảng thời gian sau sẽ tiếp tục gửi đi một tín hiệu thứ cấp.
Hình 2.16. Sơ đồ khung dữ liệu
Khung dữ liệu gửi từ cảm biến về trung tâm điều khiển bao gồm bốn thành phần. Mỗi thành phần đóng một vai trò nhất định trong chuỗi dữ liệu. Khung dữ liệu là thống nhất giữa các khối giao tiếp trong mạng, từ đó giúp quá trình truyền thông được đồng bộ.
Thành phần thứ nhất là một tín hiệu bắt đầu, có kích thước 1 byte, thể hiện bằng ký tự ‘@’. Tín hiệu bắt đầu sẽ giúp bộ điều khiển trung tâm nhận diện được chính xác chuỗi dữ liệu cần xử lý. Nếu không có tín hiệu bắt đầu, dòng xử lý của bộ xử lý trung tâm sẽ bị phân tán và ảnh hưởng đến các tác vụ khác. Đồng thời, tín hiệu bắt đầu có thể được thay đổi để điều chỉnh khung dữ liệu cho những mở rộng về sau. Từ đó làm tăng tính linh hoạt của giao thức.
Thành phần thứ hai của khung dữ liệu là mã định danh. Vì mạng cảm biến có thể gồm nhiều khối cảm biến, mã định danh giúp bộ xử lý trung tâm truyền thông với đúng đối tượng mong muốn. Trên từng khối cảm biến được gán một mã định danh khác nhau. Mã định danh có độ dài 1 byte, như vậy có thể gán cho tối đa 256 khối cảm biến khác nhau. Để có thể gán mã định danh cho từng khối cảm biến, một công tắc 4 chân DIP Switch được sử dụng. Khi thiết kế khung dữ liệu, mã định danh ID có độ lớn 8bit. Với công tắc 4bit là đủ để mã hóa cho 16 khối cảm biến khác nhau. Với diện tích sử dụng lớn, người ta thường chia ra các nhà kính khác nhau cho các loại cây trồng khác nhau. Do vậy, kích thước nhà kính đơn lẻ thường không quá lớn và không trồng nhiều loại cây khác nhau.
Dữ liệu được truyền từ khối cảm biến về bộ xử lý trung tâm là thành phần thứ ba trong khung dữ liệu. Thông thường, mỗi giá trị cảm biến có độ lớn từ 1 đến 2 byte. Trong khối cảm biến có thể bao gồm nhiều cảm biến khác nhau. Theo nhu cầu thực tế, các loại cảm biến có tính tương đồng hoặc bù nhau sẽ được ghép nối vào cùng một khối cảm biến. Độ dài dữ liệu 7 byte là đủ để gói gọn các giá trị cảm biến này theo từng khối cảm biến.
Cuối cùng là tín hiệu kết thúc. Tín hiệu này có độ dài 1 byte, thể hiện bằng ký tự ‘$’. Cũng như việc sử dụng tín hiệu bắt đầu, tín hiệu kết thúc đánh dấu sự
hoàn thiện của một khung dữ liệu. Thông qua tín hiệu kết thúc, bộ điều khiển trung tâm có thể thực hiện các thao tác với dữ liệu và bỏ qua những tín hiệu sai lệch hoặc nhiễu.
Phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian
Nguyên lý đa truy nhập sử dụng lặp tần số cho các nguồn phát tại các khoảng cách đủ lớn trong không gian để chúng không gây nhiễu cho nhau.
Phương pháp này thường được gọi là phương pháp tái sử dụng tần số. Khoảng cách cần thiết để các nguồn phát cùng tần số không gây nhiễu cho nhau được gọi là khoảng cách tái sử dụng tần số.
TDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian, thời gian làm việc của tài nguyên thông tin chia làm nhiều khung, mỗi khung chia làm nhiều khe, mỗi khe cho phép một người dùng làm việc. Kỹ thuật TDMA cấp phát các kênh bội trên cùng tần số trong một hệ truyền vô tuyến, như hệ điện thoại di động hay hệ truyền thông vệ tinh được dùng chủ yếu trong các hệ điện thoại di động, nó cho phép nhiều người dùng truy cập cùng tần số radio hơn là các hệ di động cũ.
Mỗi người dùng có một rãnh thời gian trong kênh và rãnh này là cố định đối với người dùng trong suốt cuộc gọi. Ngay cả khi thiết bị không có gì để truyền, rãnh thời gian này vẫn được để dành.
Nguyên lý hoạt động của TDMA
Các máy đầu cuối vô tuyến phát không liên tục trong thời gian TB minh họa như Hình 2.17. Sự truyền dẫn này được gọi là cụm. Sự phát đi một cụm được đưa vào một cấu trúc thời gian dài hơn được gọi là chu kỳ khung, tất cả các máy đầu cuối vô tuyến phải phát theo cấu trúc này. Mỗi sóng mang thể hiện một cụm sẽ chiếm toàn bộ độ rộng của kênh vô tuyến được mang bởi tần số sóng mang.
Trong đề tài, kỹ thuật TDMA cũng được sử dụng nhưng ở mức độ đơn giản hơn và có sự cải tiến để phù hợp với mạng cảm biến. Các khối cảm biến đều sử dụng chung tần số 433 MHz để truyền dữ liệu về khối trung tâm. Tại mỗi thời điểm, chỉ một khối cảm biến có thể truyền thông tin về khối trung tâm. Điều này
đạt được bằng việc sử dụng mã định danh riêng cho từng khối. Mã định danh độc lập đảm bảo các khối không bị trùng lắp thời gian truyền thông. Trong trường hợp có nhiều khối cảm biến đồng thời gửi tín hiệu Ping về khối trung tâm thì khối trung tâm sẽ ưu tiên nhận dữ liệu của khối cảm biến có mã định danh thấp hơn.
Các khối cảm biến còn lại sẽ chuyển về chế độ chờ, đến thời gian sẽ lại gửi tín hiệu Ping về khối xử lý trung tâm và chờ tín hiệu ACK. Các khối cảm biến sau khi gửi được tín hiệu về khối trung tâm sẽ chuyển sang chế đỗ ngủ ngắn để tiết kiệm dữ liệu và không gây nhiễu với các khối cảm biến khác.