HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - DƯ MINH SÁNG lu an NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG va n DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA p ie gh tn to d oa nl w an lu u nf va LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ll (Theo định hướng ứng dụng) oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va HÀ NỘI – 2017 ac th si HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - DƯ MINH SÁNG lu NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG an va n DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA ie gh tn to p CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÁY TÍNH 60.48.01.01 d oa nl w MÃ SỐ: va an lu LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ll u nf (Theo định hướng ứng dụng) oi m NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Văn Thỏa z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th HÀ NỘI – 2017 si lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th i si LỜI CÁM ƠN Để luận văn đạt kết tốt đẹp, nhận hỗ trợ, giúp đỡ nhiều quan, tổ chức, cá nhân Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép tơi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cá nhân quan tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu đề tài Trước hết xin gởi tới thầy cô khoa Công nghệ Thông tin - Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng lời chào trân trọng, lời chúc sức khỏe lời cảm ơn sâu sắc Với quan tâm, dạy dỗ, bảo tận tình chu đáo thầy cơ, đến tơi hoàn thành luận văn, đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng thu thập liệu từ xa” lu Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo– TS Vũ Văn Thỏa quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn hoàn thành tốt luận văn thời gian qua an n va Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông, Khoa Quốc tế Đào tạo Sau Đại học, Phòng ban chức trực tiếp gián tiếp giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu đề tài luận văn tn to p ie gh Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế học viên, luận văn khơng thể tránh thiếu sót Tơi mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để tơi có điều kiện bổ sung, hoàn thiện luận văn w oa nl Xin chân thành cảm ơn! d Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th i si LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân tơi, khơng chép lại người khác Trong tồn nội dung luận văn, vấn đề trình bày cá nhân tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng trích dẫn hợp pháp Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm chịu hình thức kỷ luật cho lời cảm đoan Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 Học viên lu an Dư Minh Sáng n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th ii si MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG xi MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .1 1.1 Mạng cảm biến không dây vấn đề liên quan 1.1.1Nền tảng công nghệ mạng không dây 1.1.2 Các thành phần mạng WSN .3 lu an 1.1.3 Công nghệ cảm biến .4 n va 1.2 Mơ hình giao thức mạng WSN tn to 1.2.1 Các lớp chức 1.2.2 Các thành phần quản lý .6 gh p ie 1.3 Các ứng dụng mạng WSN 1.3.1 Ứng dụng an ninh, quốc phòng nl w 1.3.2 Ứng dụng giám sát môi trường d oa 1.3.3 Ứng dụng y tế an lu 1.3.4 Ứng dụng gia đình .9 va 1.3.5 Ứng dụng ngành công nghiệp .9 u nf 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN 10 ll 1.4.1 Hạn chế phần cứng 10 m oi 1.4.2 Khả chống chịu lỗi .11 z at nh 1.4.3 Khả mở rộng 11 1.4.4 Chi phí sản xuất 11 z gm @ 1.4.5 Kiến trúc mạng WSN 12 1.4.6 Môi trường truyền liệu 12 l m co 1.4.7 Công suất tiêu thụ lượng 12 1.5 Kết luận chương .12 an Lu CHƯƠNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13 n va ac th iii si 2.1 Giới thiệu chung 13 2.1.1 Những khó khăn vấn đề thiết kế giao thức định tuyến 13 2.1.2 Phân loại giao thức định tuyến 14 2.2 Các giao thức kiến trúc phẳng tập trung liệu 16 2.2.1 Giao thức Flooding .16 2.2.2 Giao thức Gossiping 18 2.2.3 Giao thức SPIN 18 2.2.4 Directed Difusion (Khuếch tán trực tiếp) 21 2.2.5 Đánh giá chất lượng giao thức phẳng tập trung liệu 24 2.3 Các giao thức phân bậc .24 2.3.1 Giao thức LEACH 25 lu 2.3.2 Static-cluster (Phân nhóm tĩnh) 27 an 2.3.3 Giao thức PEGASIS 28 va n 2.3.4 Giao thức TEEN APTEEN 30 tn to 2.3.5 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến phân bậc 32 ie gh 2.4 Các giao thức định tuyến theo địa lý 32 p 2.4.1 Giao thức MECN Small MECN 33 nl w 2.4.2 Các giao thức chuyển địa lý (Geographical Forwarding) 34 oa 2.4.3 Giao thức PRADA 36 d 2.4.4 Giao thức GAF 38 lu an 2.4.5 Giao thức GEAR 39 u nf va 2.4.6 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến theo địa lý 40 ll 2.5 Các giao thức dựa chất lượng dịch vụ .40 m oi 2.5.1 Giao thức SAR 41 z at nh 2.5.2 Giao thức MCPF 41 2.5.3 Giao thức SPEED .43 z 2.5.4 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến theo chất lượngdịch vụ .45 @ gm 2.6 Kết luận chương 45 m co l CHƯƠNG III -ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG THU THẬP SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG CHIP LORA SX1278 46 an Lu 3.1 Đặt toán .46 3.2 Thiết kế hệ thống .47 ac th iv n va 3.3 Thiết kế phần cứng phần mềm cho Nodes Giám sát liệu 48 si 3.4 Thiết kế phần cứng cho Node Giám sát liệu 49 3.4.1 Thiết kế mô đun thu thập số liệu 49 3.4.2 Thiết kế module xử lý 50 3.4.3 Thiết kế mô đun nguồn .51 3.5 Module LORA 51 3.5.1 Độ nhạy thu 52 3.5.2 SNR yếu tố phổ rộng .52 3.5.3.BW chip Rate 53 3.6 Nâng cao thông số thiết kế Lora .54 3.6.1 Sửa lỗi truyền 54 3.6.2 Thực phần cứng 55 lu 3.6.3 chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu 56 an 3.6.4 Định dạng gói tin LORA thời gian truyền .56 va n 3.6.5.Tính tốn Lora .57 tn to 3.6.6 Năng lượng tiêu thụ 58 ie gh 3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA 60 p 3.7 Đánh giá 61 nl w 3.8 Kết luận chương .61 oa KẾT LUẬN 62 d TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 lu va an Tiếng Việt 63 Tiếng Anh 63 ll u nf oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th v si DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng anh Tiếng việt ACK Acknownlegment Tin báo nhận ADC Analog to Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số APTEEN Adaptive Threshold-sensitive Energy-Efficient sensor Network Giới hạn điều chỉnh nhạy cảm Năng lượnghiệu Mạng cảm biến CCIR Consultive Committee for Internationnal Radio Uỷ ban tư vấn cho Đài phát quốc tế CDMA Code Division Multiple Access Mã hóa đa truy cập Geographical Forwarding Schemes for Lossy Link phương án chuyển tiếp địa lý cho liên kết lossy Global Positioning System Hệ thống định vị địa cầu Graphical User Interface Giao diện người dùng đồ họa lu Từ viết tắt an n va gh tn to p ie GFSLL H-PEGASIS Hierarchical - PEGASIS Cấu trúc PEGASIS In/Out Vào /Ra ll u nf I/O va an lu GUI d oa nl w GPS m oi Định danh Identification IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers KR Knowledge Range LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy MAC Medium Access Control z at nh ID z Viện nghiên cứu kỹ thuật điện tử Thích ứng hệ thống phân cấp phân nhóm lượng thấp m co l gm @ Phạm vi kiến thức an Lu Kiểm soát truy cập n va ac th vi si trung bình Mobile Ad hoc NETwork Mạng ad-hoc di động MCPF Minimum Cost Path Forwarding Giá trị tối thiểu đường phản hồi MECN Minimum Energy Communication Network Mạng liên lạc lượng thấp MEMS MicroElectro-Mechanical Systems Vi điện hệ thống khí NEMS NanoElectro-Mechanical Systems Nano điện hệ thống khí NFL Neighborhood Feedback Loop Lặp phản hồi vùng lân cận NS2 Network Simulator Version Mạng giả lập phiên OS Operating System Hệ điều hành Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems Thu thập lượnghiệu hệ thống thông tin cảm biến PRobe-based Accuracy Distribute protocol for knowledge range Adjustment Thăm dị dựa xác Phân phối giao thức cho phạm vi kiến thức điều chỉnh lu MANET an n va ie gh tn to p PEGASIS d oa nl w PRADA va an lu Packet Reception Rate Tỷ lệ nhận gói ll u nf PRR Partial Topology Knowledge Forwarding QoS Quality of Service Cấu trúc liên kết phần oi m PTKF z at nh Chất lượng dịch vụ z Request Yêu cầu gm @ REQ Receiver SAR Sequential Assignment Routing Định tuyến chuyển SMECN Small Minimum Energy Mạng liên lạc m co an Lu n va ac th vii Bộ nhận l RX si Cảm biến nhiệt độ độ PH Khuếch đại tín hiệu Mạch giao tiếp Mạch loop Tín hiệu tiêu chuẩn – 20mA Trong thiết kế mơ đun cẩm biến, tín hiệu khuếch đại cao cấp điện phải đưa điều chỉnh theo nhu cầu thực tế Các tín hiệu đầu số loại cảm biến chuyển sang phạm vi 0-3 V 4-20 mA chuẩn điện đầu tín hiệu thiết kế linh hoạt cho phép nút theo dõi để thích ứng với tất loại cảm biến với thiết lập khác 3.4.2 Thiết kế module xử lý lu Các MCU mô-đun xử lý MSP430F1611, sản xuất Texas Instruments Các MSP430F1611 loại MCU với mức tiêu thụ điện thấp, nên thích hợp cho yêu cầu thiết kế điện tiêu thụ Bên MSP430F1611 tích hợp kênh 12 chữ số chuyển đổi A / D, nhận chuyển đổi AD 4-20 mA tín hiệu chuẩn từ máy phát an n va Hình 37 cho thấy mơ-đun xử lý nút, bao gồm module MCU, thời gian thực mô-đun đồng hồ, module UART, module flash, bàn phím LED mơ-đun Các tín hiệu 4-20 mA, chuyển đổi từ tín hiệu pH nhiệt độ tín hiệu, nhập vào module AD tích hợp MCU để nhận việc chuyển đổi AD Sau đó, MCU lưu trữ thơng số pH nhiệt độ theo trình tự thời gian chúng thu thập Cuối cùng, vi xử lý MCU giao tiếp tổ chức mạng lưới thông qua mơ đun LORA Trong đó, vi xử lý MCU kết nối riêng với mô đun đồng hồ thời gian, mô đun UART, mô đun flash, bàn phím LED mơ đun chức nhận thời gian đọc viết, RS-232 SLIP, lưu trữ liệu đọc liệu lịch sử , giao tiếp người máy p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu Hình 37 Mơ đun xử lý oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th 50 si 3.4.3 Thiết kế mô đun nguồn Các thiết kế điện đầu vào nút theo dõi điện áp 5-9 V Trong kiểm tra sơ bộ, tơi lựa chọn chuyển đổi tương ứng việc cung cấp điện Nếu pin cần thiết cho việc cung cấp điện, sáu pin nickel-hydrogen (7,2 V) hai pin lithium (7,4 V) sử dụng nguồn cung cấp điện Bên cạnh đó, máy phát bo mạch chủ chia sẻ loại pin Điện áp đầu vào điều chỉnh để sản lượng điện kỹ thuật số 3,3 V qua chip TPS76333 cung cấp 3,3 V analogđiện áp sau chế biến bị cô lập Các mơ-đun lượng minh họa Hình 38 Hình 38 Mơ đun nguồn Pin/ nguồn 7.2 – 7.4 V lu an 3.3V Điện áp cách ly n va TPS76333 to 3.3V 3.3V p ie gh tn 3.3V Mo đun xử lý Mô đun cảm biến Mô đun LORA d oa nl w an lu 3.5 Module LORA ll u nf va LoRa™ (Long Range) kỹ thuật điều chế (modulation) dựa kỹ thuật Spread-Spectrum biến thể Chirp Spread Spectrum (CSS), cho khoảng cách xa đáng kể cách kỹ thuật khác Kỹ thuật không dây LoRa phát triển Cycleo SAS (sau mua lại Semtech) oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th 51 si lu 3.5.1 Độ nhạy thu an n va Độ nhạy thu sóng radio nhiệt độ phịng tính theo công thức: tn to S 174 10log10 BW NF SNR p ie gh Trường hợp nhiễu nhiệt băng thông Hz bị ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ người nhậnTrường hợp thứ hai, BW, băng thông nhận NF nhiễu người nhận cố định cho phần cứng định Cuối cùng, SNR đại diện cho tín hiệu để tiếng ồn tỷ lệ theo yêu cầu điều chế Đây tín hiệu để tỷ lệ nhiễu băng thông tương ứng với số liệu thiết kế mạng LORA oa nl w d 3.5.2 SNR yếu tố phổ rộng lu ll u nf va an Những tiền đề quang phổ rộng bit thông tin mã hóa nhiều chíp Mối quan hệ bit chip tốc độ cho Lora điều chế, tương ứng, cho bởi: oi m Rc 2SF Rb z at nh SF yếu tố phổ rộng z SNR tỷ lệ tối thiểu công suất tín hiệu mong muốn giải điều chế Việc thực điều chế Lora, kỹ thuật sửa lỗi (FEC) kết hợp xử lý quang phổ rộng phép cải thiện SNR đáng kể l gm @ Bảng Tỷ lệ tối thiểu công suất theo loại Module n va ac th 52 an Lu SNR -20 dB -15 dB dB m co Module LORA SF12 LORA SF10 GMSK si Việc dán nhãn cho nhiều chip thơng tin có nghĩa yếu tố lan rộng có ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian gói Lora Sự ảnh hưởng yếu tố lan rộng vào độ nhạy thời gian truyền hiển thị cho băng thông cố định 250 kHz Bảng Độ nhạy thời gian truyền theo số lượng chip LORA SF 12 10 Độ nhạy (dBm) -134 -129 -124 Thời gian truyền (ms) 528.4 132.1 39.2 3.5.3.BW chip Rate lu an n va Một nguyên tắc thiết kế quan trọng nhà thiết kế phải quản lý việc lựa chọn hệ số thời gian so với băng thơng bị chiếm đóng Các đại diện bit đơn nhiều chip, ngụ ý chip phải gửi nhanh tốc độ bit ban đầu tăng chiếmbăng thơng tín hiệu, băng thông - tăng thời gian thực để truyền tải thông tin gh tn to p ie Lora điều chế truyền liệu tốc độ chip với băng thơng lập trình chipsper giây Hertz/s Vì vậy, băng thơng Lora 125 kHz tương ứng với tốc độ chip 125 kcps nl w d oa Phương trình cho thấy gia tăng băng thông (BW) làm bớt nhạy máy thu Có nghĩa yếu tố lan rộng chọn sử dụng băng thơng hẹp, tối đa hóa độ nhạy tăng thời gian truyền tăng băng thông cho truyền nhanh hơnnhưng làm giảm độ nhạy u nf va an lu ll Ở lấy ví dụ SX1272, có ba thiết lập trình băng thơng 500 kHz, 250 kHz 125 kHz (như hình dưới) (Các SX1276 có băng thơng từ 500 kHz đến thấp 7.8 kHz) oi m z at nh Hình 39 Băng thông SX1272 z m co l gm @ an Lu n va ac th 53 si lu an n va gh tn to Đối với yếu tố lan rộng cố định ảnh hưởng đến băng thông thời gian truyền độ nhạy thể bảng cho gói tải trọng 10 byte: Độ nhạy thời gian truyền p ie Bảng d oa nl w Độ nhạy (dBm) -132 -129 -126 Thời gian truyền (ms) 264.2 132.1 66 va an lu BF 125 250 500 ll u nf Kiểm tra tiêu chí thiết kế băng thông yếu tố lây lan cho phép đánh giá nhanh chóng phù hợp Lora cho ứng dụng định Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu suất thiết kế có tiêu chuẩn thiết kế khác mà phải xem xét oi m z at nh 3.6 Nâng cao thông số thiết kế Lora z Ngoài việc sử dụng yếu tố lây lan băng thơng có biến thiết kế khác mà nhà thiết kế phải xem xét thực kết nối vô tuyến Lora Đây đặc biệt quan trọng tối ưu hóa giao thức thời gian truyền Lora gm @ l 3.6.1 Sửa lỗi truyền m co Các modem Lora sử dụng hình thức Forward Error Correction (FEC) cho phép phục hồi bit thông tin bị lỗi q trình truyền Điều địi hỏi mã hóa bổ sung liệu gói liệu truyền Tuỳ thuộc vào tỷ lệ mã hóa lựa chọn, vững mạnh đạt thể đường cong bên an Lu n va ac th 54 si Hình 40 Tỷ lệ mã hóa lu an n va gh tn to p ie Tuy nhiên, việc đạt hiệu suất thực FEC diện tăng đột biến giao diện kết nối Nếu kết nối vô tuyến có khả bị nhiễu vậy, việc sử dụng FEC nên đánh giá w d oa nl Bảng sau cho thấy gia tăng mã hóa ảnh hưởng tỷ lệ thời gian truyền cho băng thông cố định 250 kHz SF = 10 lu ll u nf oi m CR Sự gia tăng mã hóa theo thời gian va an Bảng z at nh 3.6.2 Thực phần cứng Thời gian truyền (ms) 123.9 132.1 148.5 z m co l gm @ Phương pháp máy thu RF kết nối tiếp tục ảnh hưởng đến độ nhạy thu chế độ ban đầu có ảnh hưởng đến thời gian truyền cấu hình RFI với SX1272 / 3/3/6/7/8 Những hình ảnh cho thấy hai cấu hình hiệu suất độ nhạy tối ưu (do giảm số nhiễu, NF, công thức 2) sử dụng RF cá nhân đường dẫn Tx, sử dụng ăng-ten riêng biệt switch RF cho hoạt động ăng ten an Lu Hình 41 Sơ đồ thiết kế anten thu phát n va ac th 55 si 3.6.3 chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu Hai yếu tố cuối ảnh hưởng đến thời gian truyền gói liệu hai chế độ hoạt động kết nối với thiết lập modem gói modem Để hiểu ảnh hưởng họ cần thiết để kiểm tra định dạng gói Lora lu an 3.6.4 Định dạng gói tin LORA thời gian truyền n va Quản lý hiệu hạn chế thiết kế, thời gian truyền độ nhạy thu cần thiết để tính tốn thời gian truyền cấu hình modem Các cơng thức xác đưa gh tn to p ie Để tính thời gian truyền cần xác định thời gian biểu tượng, Tsym Đây thời gian thực nl w để gửi chip 2SF tốc độ chip cần thiết, băng thông xác định tốc độ chip cho bởi: d oa Tsym 2SF BW ll u nf va an lu Hình 42 Cấu trúc gói tin LORA oi m z at nh z gm @ an Lu Tpreamble (n preamble 4.25)Tsym m co l Cấu hình chung cho tất modem chuỗi phần mở đầu, có thời gian cho bởi: n va ac th 56 si Trong n preamble số ký hiệu lời mở đầu chương trình Số lượng biểu tượng tạo nên tải gói liệu tiêu đề cho bởi: 8PL 4SF 28 16 20 H payloadSymbNb max ceil (CR 4), 4( SF DE ) Với phụ thuộc sau đây: - PL số byte tải trọng SF Các yếu tố truyền H = phần đầu kích hoạt H = khơng có tiêu đề DE = tối ưu hóa tốc độ liệu thấp kích hoạt, DE = khơng kích hoạt CR tỷ lệ mã hóa - - lu an n va Nếu thời gian khơng khí u cầu giảm, chiều dài gói tin biết trước, sau thơng tin mào đầu gỡ bỏ thời gian truyền lưu lượng thời gian biểu tượng nhân với số ký hiệu lưu lượng tn to Tpayload payloadSymbNb Tsym p ie gh Thời gian truyền, thời gian gói tin, đơn giản sau tổng thời gian mào đầu thời gian lưu lượng truyền nl w Tpacket Tpreamble Tpayload d oa Ở thấy rằng, chế độ băng hẹp, gói Lora có thời gian đáng kể Cụ thể băng thông 125kHz SF = 11 12, điều cho biết thêm chi phí nhỏ để gia tăng mạnh mẽ để biến tần số tham chiếu khoảng thời gian truyền gói Lora ll u nf va an lu 3.6.5.Tính tốn Lora oi m Lưu ý để đơn giản hóa định thiết kế cách sử dụng modem Lora có cơng cụ lập kế hoạch phần mềm cho phép đánh giá nhanh chóng cấu hình modem Lora thời gian kết hiệu suất khơng khí độ nhạy z at nh z Những hình ảnh cho thấy hình máy tính Lora Ở thấy tất biến thiết kế hướng dẫn sửa đổi RF kết thời gian vào buổi biểu diễn không tính mà khơng cần phải tự tính tốn số lượng phương trình thiết kế hai hướng dẫn datasheet m co l gm @ Hình 43 Tính tốn thơng số cho module LORA an Lu n va ac th 57 si lu an n va ie gh tn to p 3.6.6 Năng lượng tiêu thụ d oa nl w Đa số triển khai phát băng tần ISM có yêu cầu ngân sách liên kết chặt chẽ yêu cầu tiêu thụ lượng đòi hỏi cao Xác định kết nối lựa chọn thực đài phát vật lý (PHY) lớp điều khiển truy cập media (MAC) để đáp ứng yêu cầu thiết kế mâu thuẫn q trình tốn thời gian Q trình phức tạp cơng nghệ PHY xử lý thiết kế Các modem Lora mang theo khơng khả phạm vi, mà khả phát hoạt động kênh cho tín hiệu tầng tiếng ồn, tất thiết kế cho hoạt động công suất thấp ll u nf va an lu oi m kết nối mạng z at nh z Do gia tăng liên kết với Lora modem nhu cầu mở rộng phạm vi giao thức mạng lưới phức tạp, hầu hết sử dụng cấu trúc liên kết mạng đơn giản @ m co l gm Để rõ ràng hơn, ta có sơ đồ cho thấy cấu trúc hình mạng điển hình Ở nhiều nút thơng tin ' Source ' cung cấp thông tin lại cho điều khiển thông tin nút ' Sink' Ở xem xét nút nguồn nguồn lượng hạn chế (ví dụ pin) Do học viên tập trung vào việc tiêu thụ nút Source - kỹ thuật áp dụng giá trị ngang cho hai Sink hay Source an Lu n va ac th 58 si Với kết nối mạng xem xét xác định, định nghĩa bốn kiểu trao đổi thông tin Source Sink biểu đồ lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z @ m co l gm Các trường hợp a) b) minh họa cho thông tin liên lạc chiều SOURCE SINK Năng lượng hạn chế nút nguồn thường dành thời gian tối đa có chế độ ngủ để giảm thiểu tiêu thụ Các thông tin liên lạc chiều minh họa a) b) địi hỏi sử dụng nhiệm vụ theo chu trình định kỳ nhận truyền tương ứng an Lu n va ac th 59 si Các trường hợp c) d) liên quan đến thông tin liên lạc hai chiều SOURCE Sink Nhu cầu tiếp nhận nhiệm vụ chu trình truyền dẫn giữ lại, trường hợp giai đoạn truyền thông ban đầu tiếp nhận SOURCE Công xuất tiêu thụ thu Như đề cập trên, để giảm thiểu tiêu thụ nguồn giới hạn vận hành chu kỳ làm việc.(Minh họa trường hợp thể hình 6a) Ở chu trình khoảng thời gian xác định chiều dài mào đầu truyền Sink Đây ví dụ mào đầu lấy mẫu chế MAC Sau tìm kiếm, tiếp nhận phát phần mào đầu truyền, Source chế độ 'thức' để nhận xử lý thông tin nhận Tuy nhiên, ứng dụng giả thuyết xem xét đây, kiện không thường xuyên Các thiết bịdành phần lớn thời gian chu trình từ trạng thái chờ đến nhận trả trạng thái chờ nhanh tốt để giảm thiểu tiêu thụ lượng lu an Hình 44 Quá trình truyền tin n va p ie gh tn to d oa nl w va an lu ll u nf SX1272/6/7/8 cung cấp hai chế để kiểm tra hoạt động kênh trường hợp hoạt động Lora: m oi RSSI Phát công suất kênh đọc từ số nhận cường độ tín hiệu (RSSI) đánh giá sau vụ chuyển trạng thái z at nh z Activity Detection Channel (CAD) Lora hoạt động mức nhiễu modem Lora bao gồm phương pháp phát diện phần mào đầu cài đặt điều chế tương tự nhận Điều cho phép đánh giá xác tiếp tục trình giải điều chế l gm @ m co 3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA Hình 45 Sơ đồ thiết kế module LORA an Lu Sơ đồ thiết kế mạch thu phát LORA sau tính tốn số liệu sau: n va ac th 60 si lu an n va tn to 3.7 Đánh giá ie gh Việc sử dụng chip LORA SX1278 đáp ứng u cầu tốn đặt ra: p • Giảm thiểu lượng tiêu thụ trình truyền tin Cơng suất 27dbm (500mW) • Giải điện áp hoạt động mức thấp từ – 5.5V • Dải địa rộng cung cấp tới 65536 địa cấu hình • Tốc độ truyền 0.3 – 19.2 kbps d oa nl w ll u nf va an lu 3.8 Kết luận chương oi m Trong chương 3, học viên phân tích tốn thu thập số liệu sử dụng mạng cảm biến không dây thơng qua chip LORA SX1278 Phân tích thành phần hệ thống, đánh giá thiết kế thành công mạch thu phát LORA SX1278 thử nghiệm thành cơng q trình truyền tin module LORA SX1278 z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th 61 si KẾT LUẬN Kết đạt luận văn Mạng cảm biến không dây đời kết hợp thành công loạt thành tựu khoa học công nghệ mạng máy tính Hiện mạng cảm biến khơng dây ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống Tuy nhiên, lượng vấn đề then chốt việc triển khai, xây dựng áp dụng mạng cảm biến vào ứng dụng cụ thể Vấn đề nhận quan tâm không nhà khoa học mà thu hút nhiều nhà kinh tế, nhiều ngành công nghiệp giới Luận văn “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng thu thập liệu từ xa” hồn thành với kết sau: - trình bày kiến thức tổng quan mạng cảm biến không dây với trọng tâm giao thức định tuyến hướng tới giảm mức độ tiêu thụ lượng lu an n va - Ngoài ra, tác giả luận văn tiến hành mô đánh giá khả truyền tin mức độ tiêu thu lượng công nghệ LORA dựa chip LORA SX1278 to p ie gh tn - Các kết mô cho thấy, hiệu sử dụng lượng q trình truyền tin cơng nghệ LORA mà chip LORA SX1278 thấp tiết kiệm so với cách truyền tin truyền thống nl w Hướng phát triển d oa Cho đến nhiều cải tiến tập trung vào vấn đề giảm thiểu lượng trình hoạt động nút cảm biến mạng cảmbiếnkhông dây.Những cải tiến tập trung giải thuật tốn khác thơng qua việc phân nhóm lại khoảng thời gian khác để tối ưu mức độ sử dụng lượng u nf va an lu ll Công nghệ LORA ngày trở lên phát triển hoàn thiện, phù hợp cho mạng WSN mà đặc biệt ứng dụng IoT Hiện nay, công nghệ áp dụng nhiều công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, lâm nghiệp Hướng phát triển đề tài luận văn là: oi m z at nh - Triển khai thực tế z @ m co l gm - Sử dụng công nghệ LORA ngư nghiệp phục vụ cho việc đánh bắt, giám sát, cứu hộ an ninh biển an Lu n va ac th 62 si TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng đánh giá hiệu mạng máy tính, TrườngĐại học Cơng nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội Tiếng Anh [2] Ian F.Akyildiz, Mehmet Can Vuran (2010), “Wireless Sensor Networks, A JohnWiley and Sons, Ltd, Publication [3] Kazem Sohraby, Daniel Minoli and Taieb Znati (2007), “ Wireless SensorNetworks Technology, Protocol, and Application”, A John Wiley and Sons, Inc.,Publication lu [4] Qiangfeg Jiang, D.Manivannan (2004), "Routing Protocol for Sensor Network”,IEEE Personal Communications, 0-7803-8145-9/04© 2004 IEEE, p 93-98 an n va [5] Wairagu G.Richard (2009), "Extending LEACH Routing algorithm for WirelessSensor Networks”, A Project Report Submitted to the School of Graduate Studies inPartial Fulfillment for the Award of Master of Science in Data Communication andSoftware Engineering Degree of Makerere University ie gh tn to p [6] K Sohrabi, J Gao, V Ailawadhi, and G.J Pottie (October, 2000) Protocols forselforganization of a wireless sensor network IEEE Personal Communications,7(5):16–27 nl w d oa [7] Vinay Kumar, Sanjeev Jain, Sudarshan Tiwari and IEEE Member (2011), EnergyEfficient Clustering Algorithms in Wireless Sensor Networks A Survey IJCSIInternational Journal of Computer Science Issues, Vol.8, Issue 5, No 2, Septemper2011, p.256-268 u nf va an lu ll [8] Xiaodong Xian, Weiren Shi and He Huang(2008), Comparison of OMNET++ andother simulator for WSN simulation, 978-1-4244-1718-6/08© 2008 IEEE, p 14391443 oi m z at nh z [9] Marko Korkalainen, Mikko Sallinen, Niilo Kärkkäinen, Pirkka Tukeva, Survey ofWireless Sensor Networks Simulation Tools for Demanding Application, 978-0-6953586-9/09 © 2009 IEEE, p 102-106 @ m co l gm [10] Kevin Fall, Kannan Varadhan (2010), The NS Manual Formerly NS Notes andDocmentation, The VINT Project A Colllaboration between researchers at UCBerkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC an Lu [11] R Jain The Art of Computer Systems Performance Analysis John Wiley and Sons,Inc., 1996 n va ac th [12] http://ptolemy.eecs.berkeley.edu/ptolemyII/ 63 si [13] http://linuxwhy.com [14] http://mailman.isi.edu/pipermail/ns-users [15] http://www.isi.edu/nsnam/ns/tutorial [16] http://www.semtech.com lu an n va p ie gh tn to d oa nl w ll u nf va an lu oi m z at nh z m co l gm @ an Lu n va ac th 64 si