Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

MỘT GIẢI PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU HIỆU QUẢ
TRONG IOT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG TƯỚI
Phạm Tuấn Minh1 , Kiều Tuấn Dũng1 , Nguyễn Thị Phương Thảo1
1
Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Tưới nước là một trong các đối tượng
chính sử dụng nguồn nước ngọt. Theo báo
cáo của Tổ chức nông nghiệp và thực phẩm
của Liên Hiệp Quốc, 70% lượng nước ngọt
trên thế giới dùng cho việc tưới [1]. Việc ứng
dụng Internet of Things (IoT) trong sản xuất
nông nghiệp là một cách để tối ưu việc sử
dụng nước. Các nút cảm biến trong IoT sẽ
cung cấp dữ liệu về các yếu tố môi trường
như nhiệt độ và độ ẩm theo thời gian thực.
Lượng dữ liệu lớn này sẽ được truyền tới hệ
thống xử lý. Sau đó, hệ thống sẽ tối ưu thời
gian và lượng nước cần tưới dựa trên phân
tích tồn bộ các dữ liệu về môi trường và cây
trồng. Trong hệ thống này, việc thu thập dữ
liệu có ảnh hưởng quan trọng tới hiệu quả
của hệ thống. Do các nút cảm biến có năng
lượng thấp, khả năng truyền ngắn, dễ mất
mát dữ liệu và số lượng nút cảm biến lớn,
vấn đề tối ưu hiệu quả truyền dữ liệu cần
được nghiên cứu giải quyết.

Vấn đề truyền dữ liệu hiệu quả trong IoT
với số lượng lớn hàng trăm nghìn nút cảm
biến là một vấn đề thách thức cần phải giải
quyết trong việc nghiên cứu ứng dụng IoT
[2]. Các tác giả trong [3] đã đề xuất giải pháp
giảm năng lượng truyền khi dùng mạng 4G
để truyền dữ liệu. Tuy nhiên giải pháp dùng
mạng 4G có chi phí cao, khơng phù hợp với
việc truyền dữ liệu thời gian thực từ một số
lượng lớn nút cảm biến khi ứng dụng IoT
trong hệ thống tưới. Các tác giả trong [4] đã
đưa ra giải pháp chia sẻ kênh truyền dựa trên
hạ tầng của nhà cung cấp dịch vụ Internet
(ISP). Tuy nhiên, giải pháp này khó triển
khai trên diện tích đất nơng nghiệp rộng.

Trong bài báo này, chúng tơi nghiên cứu
một cách tiếp cận khác dựa trên việc kết hợp
hạ tầng của ISP và truyền đa chặng để tăng
hiệu quả truyền dữ liệu và tiết kiệm chi phí.
Cụ thể hơn, chúng tôi nghiên cứu giải pháp
hiệu quả cho việc truyền dữ liệu trong mơ
hình kết hợp truyền dữ liệu từ nút cảm biến tới
nút trung tâm một cách trực tiếp và truyền qua
nhiều nút cảm biến trung gian để tới nút trung
tâm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc
kết hợp giữa kết nối trên hạ tầng dùng WiFi
và kết nối trực tiếp giữa hai nút cảm biến dùng
WiFi Direct giúp cho việc truyền dữ liệu hiệu
quả và tiết kiệm chi phí triển khai.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để giải quyết bài toán truyền dữ liệu trong
IoT ứng dụng trong hệ thống tưới trên phạm
vi rộng, chúng tôi kết hợp mơ hình hóa và thử
nghiệm với số liệu thực tế. Việc mơ hình hóa
giúp phân tích được rõ ràng các yếu tố đầu
vào, các ràng buộc và hàm mục tiêu cần tối
ưu. Với số lượng nút cảm biến lớn, việc tìm
lời giải tối ưu trong thời gian thực là khơng
khả thi. Do vậy, chúng tôi dùng phương pháp
gần đúng để tìm lời giải cho bài tốn truyền
dữ liệu. Việc thử nghiệm trên dữ liệu thực tế
giúp cho việc đánh giá mơ hình, giải thuật và
tác động của sự thay đổi các yếu tố đầu vào
đối với tính hiệu quả của giải pháp.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Hệ thống IoT ứng dụng trong tưới nước
bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến
độ ẩm nhiệt độ và một số nút trung tâm. Nút
cảm biến tự động thu thập dữ liệu về nhiệt độ

184


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

và độ ẩm rồi truyền dữ liệu qua các nút trung
tâm về hệ thống xử lý. Để có thể điều khiển

việc thu thập và truyền dữ liệu về nút trung
tâm, nút cảm biến phải gắn thiết bị cảm biến
trên bo mạch vi xử lý như Arduino Uno hay
ESP8266. Nút trung tâm sử dụng kết nối
Internet để truyền về hệ thống xử lý. Hệ
thống xử lý này có thể được triển khai trên
nền điện toán đám mây. Dựa trên dữ liệu hiện
tại và quá khứ về điều kiện môi trường cùng
với các dữ liệu về quá trình sinh trưởng phát
triển của cây trồng, hệ thống xử lý sẽ điều
chỉnh lượng nước tưới tối ưu. Lệnh điều
khiển tưới được truyền từ hệ thống xử lý về
nút trung tâm, rồi từ nút trung tâm tới các
mạch đóng mở van tưới, để điều khiển việc
tưới tới trực tiếp từng cây trồng. Mơ hình hệ
thống được minh họa trong Hình 1.
Hệ thống xử lý

Internet

Nút trung tâm
Wifi
...
Wifi Direct
...
...
...

truyền. Kết nối trực tiếp giữa hai nút cảm
biến dùng Wifi Direct và khơng cần trạm

phát sóng WiFi. Kết nối này còn gọi là kiểu
kết nối đa chặng (Multihop). Kiểu kết nối
dựa trên hạ tầng thường yêu cầu mức năng
lượng truyền cao hơn kiểu kết nối đa chặng
do khoảng cách kết nối xa.
Hệ thống được biểu diễn bởi một đồ thị G
với tập đỉnh V = V1  V2 và tập cạnh E. Mỗi
đỉnh trong tập V1 là một nút cảm biến. Mỗi
đỉnh trong tập V2 là một nút trung tâm. Mỗi
cạnh trong tập cạnh E biểu diễn một kết nối
không dây giữa các nút cảm biến qua WiFi
Direct, hoặc kết nối không dây giữa nút cảm
biến và nút trung tâm qua WiFi. Năng lượng
của nút i  V là i . Mức năng lượng sử dụng
của kết nối dựa trên hạ tầng ở chế độ hoạt
động của nút i là i . Mức năng lượng sử dụng
của kết nối đa chặng chế độ hoạt động của
nút i là i . Chúng ta bỏ qua năng lượng ở chế
độ nghỉ do mức năng lượng ở chế độ nghỉ rất
nhỏ khoảng miliwatt và năng lượng ở chế độ
hoạt động khoảng vài trăm miliwatt. Mỗi nút
cảm biến phải lựa chọn việc truyền tới nút
cảm biến liền kề nào hay truyền trực tiếp tới
nút trung tâm để tối thiểu tổng năng lượng
tiêu thụ. Kí hiệu xij = 1 nếu nút i lựa chọn kết
nối với nút j để truyền dữ liệu, xij = 0 trong
trường hợp ngược lại.
Tổng năng lượng tiêu thụ cho một kịch
bản truyền là:


Nút cảm bi ến




iV1,jV2

Hình 1. Mơ hình truyền dữ liệu
Trong hệ thống đề xuất, chúng tôi sử dụng
hai kiểu kết nối để truyền dữ liệu về hệ
thống. Kiểu kết nối thứ nhất là nút cảm biến
truyền dữ liệu trực tiếp tới nút trung tâm nếu
hai nút nằm trong phạm kết nối WiFi. Kiểu
truyền này cần có trạm phát sóng WiFi. Kết
nối giữa nút cảm biến và nút trung tâm gọi là
kết nối dựa trên hạ tầng. Kiểu kết nối thứ hai
là nút cảm biến sẽ truyền dữ liệu qua các nút
cảm biến trung gian khác về nút trung tâm.
Kiểu truyền này được sử dụng khi nút cảm
biến không kết nối được với nút trung tâm do
khoảng cách xa hoặc để tối ưu năng lượng





x ij i   j 






x ij i   j



iV1 ,jV1

Mục tiêu của bài tốn là tìm phương án
truyền để tối thiểu tổng năng lượng tiêu thụ .
Ràng buộc là tổng năng lượng truyền của nút i
phải không lớn hơn năng lượng của nút i với
ràng buộc về khả năng truyền của nút i. Do
lượng dữ liệu từ mỗi nút cảm biến là ổn định,
chúng tôi xem xét phương án truyền cố định.
Việc tìm lời giải tối ưu cho bài toán truyền
dữ liệu theo thời gian thực trong hệ thống IoT
là không khả thi do số lượng rất lớn các nút
cảm biến và kết nối trong hệ thống. Vì vậy,
chúng tơi đề xuất một lời giải xấp xỉ cho bài
tốn theo ý tưởng giải thuật mô phỏng luyện
kim. Ý tưởng chính của giải thuật là xuất

185


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

phát từ một lời giải khả thi, sau đó điều chỉnh
cân bằng lưu lượng tại một nút cảm biến với

các nút láng giềng. Sau một giá trị ngưỡng
của số lần điều chỉnh mà không cải tiến giá
trị của hàm mục tiêu, giải thuật sẽ dừng lại.
Chúng tôi thử nghiệm với mơ hình gồm
10.000 nút cảm biến bố trí theo mơ hình lưới
trong diện tích một kilơmét vng và 4 nút
trung tâm. Chúng tôi xem xét hai kịch bản
với vị trí của nút trung tâm thay đổi như Hình
2. Trong kịch bản 1, 4 nút trung tâm đặt tại 4
đường biên. Trong kịch bản 2, mỗi nút trung
tâm đặt tại chính giữa của mỗi vùng diện tích
500 mét vng. Năng lượng tiêu thụ của nút
trung tâm là 432 mW. Năng lượng tiêu thụ
của nút cảm biến là 432 mW khi truyền dữ
liệu dùng kết nối hạ tầng và 200 mW khi
truyền dữ liệu dùng kết nối đa chặng [5]. Các
nút cảm biến dùng pin với mức năng lượng
7.5 Wh. Bán kính phủ sóng WiFi là 40 mét
và bán kính của WiFi Direct là 10 mét. Dữ
liệu từ các nút cảm biến được gửi 5 phút một
lần về trạm trung tâm.
Nút trung tâm

nghĩa trong việc xác định vị trí để triển khai
các nút trung tâm. Kết quả này chỉ ra rằng việc
triển khai các nút trung tâm phân bố đều trên
toàn bộ vùng diện tích sẽ giúp việc truyền dữ
liệu hiệu quả hơn trong mơ hình truyền dữ liệu
kết hợp giữa kết nối hạ tầng và kết nối.
4. KẾT LUẬN


Chúng tôi đã nghiên cứu một giải pháp
truyền dữ liệu hiệu quả trong IoT ứng dụng
trong hệ thống tưới tự động. Giải pháp truyền
dữ liệu được nghiên cứu đánh giá trong bài
báo sử dụng kết hợp kết nối dùng hạ tầng của
ISP và kết nối đa chặng. Chúng tơi đã cơng
thức hóa bài toán và đề xuất một giải thuật
gần đúng cho để giải bài tốn với kích thước
dữ liệu lớn. Việc thử nghiệm cho thấy rằng
giải pháp đề xuất giúp việc truyền dữ liệu
hiệu quả với chi phí thấp. Ngồi ra, kết quả
cũng chỉ ra một phương án triển khai các nút
trung tâm để tăng hiệu quả của giải thuật
truyền dữ liệu. Các kết quả có thể mở rộng
bằng cách xem xét ảnh hưởng của các yếu tố
nhiễu tới truyền dữ liệu.

...

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

...
.
.
.

Nút cảm biến

.

.
.

.
.
.

.
.
.

...

...

Kịch bản 1

Kịch bản 2

Hình 2. Hai kịch bản vị trí của nút trung tâm
Với kịch bản thử nghiệm trên, chúng ta thấy
rằng chỉ với bốn nút trung tâm, tất cả các nút
cảm biến đều có thể truyền dữ liệu về hệ thống
xử lý sử dụng kết hợp WiFi và WiFi Ditect.
Nếu chỉ dùng kết nối WiFi, chúng ta phải dùng
ít nhất 144 nút trung tâm. Kết quả thử nghiệm
khi chạy giải thuật truyền dữ liệu cho hai kịch
bản cho thấy tổng mức năng lượng tiêu thụ ở
kịch bản 1 lớn hơn kịch bản 2. Điều này có ý


[1] The Food and Agriculture Organization,
“The State of the World's Land and Water
Resources for Food and Agriculture”, 2011.
[2] John A. Stankovic, "Research Directions for
the Internet of Things", IEEE Internet of
Things Journal, 1 (1) (2014), pp. 3-9.
[3] Ali Sehati, and Maijd Ghaderi, “Online
energy management in IoT Applications”,
in Proceedings of IEEE INFOCOM’18,
Honolulu, 2018.
[4] C. Hu, W. Bao, and D. Wang, "IoT
Communication
Sharing: Scenarios,
Algorithms and Implementation", in Proc.
IEEE INFOCOM'18, Honolulu, 2018.
[5] Wi-Fi Alliance, .

186