(Luận văn) nghiên cứu mạng cảm biến không dây và ứng dụng thu thập dữ liệu từ xa

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - DƯ MINH SÁNG NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2017 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - DƯ MINH SÁNG NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TỪ XA CHUYÊN NGÀNH : MÃ SỐ: KHOA HỌC MÁY TÍNH 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Văn Thỏa HÀ NỘI – 2017 i 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 lịng 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 hồn thành luận văn, đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng thu thập liệu từ xa” Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo– TS Vũ Văn Thỏa quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn thời gian qua Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, 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 Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế học viên, luận văn tránh thiếu sót Tơi mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để tơi có điều kiện bổ sung, hồn thiện luận văn Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 20 tháng năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đạt luận văn sản phẩm riêng cá nhân tôi, không chép lại người khác Trong toàn 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 Dư Minh Sáng ii 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 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 1.1.3 Công nghệ cảm biến 1.2 Mơ hình giao thức mạng WSN 1.2.1 Các lớp chức 1.2.2 Các thành phần quản lý .6 1.3 Các ứng dụng mạng WSN 1.3.1 Ứng dụng an ninh, quốc phòng 1.3.2 Ứng dụng giám sát môi trường 1.3.3 Ứng dụng y tế 1.3.4 Ứng dụng gia đình 1.3.5 Ứng dụng ngành công nghiệp 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế mạng WSN 10 1.4.1 Hạn chế phần cứng 10 1.4.2 Khả chống chịu lỗi 11 1.4.3 Khả mở rộng 11 1.4.4 Chi phí sản xuất 11 1.4.5 Kiến trúc mạng WSN 12 1.4.6 Môi trường truyền liệu 12 1.4.7 Công suất tiêu thụ lượng 12 1.5 Kết luận chương 12 CHƯƠNG CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13 iii 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 2.3.2 Static-cluster (Phân nhóm tĩnh) 27 2.3.3 Giao thức PEGASIS 28 2.3.4 Giao thức TEEN APTEEN 30 2.3.5 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến phân bậc 32 2.4 Các giao thức định tuyến theo địa lý 32 2.4.1 Giao thức MECN Small MECN 33 2.4.2 Các giao thức chuyển địa lý (Geographical Forwarding) 34 2.4.3 Giao thức PRADA 36 2.4.4 Giao thức GAF 38 2.4.5 Giao thức GEAR 39 2.4.6 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến theo địa lý 40 2.5 Các giao thức dựa chất lượng dịch vụ 40 2.5.1 Giao thức SAR 41 2.5.2 Giao thức MCPF 41 2.5.3 Giao thức SPEED 43 2.5.4 Đánh giá chất lượng giao thức định tuyến theo chất lượngdịch vụ 45 2.6 Kết luận chương 45 CHƯƠNG III -ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG THU THẬP SỐ LIỆU MÔI TRƯỜNG NƯỚC SỬ DỤNG CHIP LORA SX1278 46 3.1 Đặt toán 46 3.2 Thiết kế hệ thống 47 3.3 Thiết kế phần cứng phần mềm cho Nodes Giám sát liệu 48 iv 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 3.6.3 chế độ tối ưu hóa thấp Data Rate & chế độ ban đầu 56 3.6.4 Định dạng gói tin LORA thời gian truyền 56 3.6.5.Tính tốn Lora 57 3.6.6 Năng lượng tiêu thụ 58 3.6.7 Thiết kế mạch thu phát LORA 60 3.7 Đánh giá 61 3.8 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Tiếng Việt 63 Tiếng Anh 63 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt ACK Acknownlegment Tin báo nhận ADC Analog to Digital Converter APTEEN CCIR CDMA GFSLL Adaptive Threshold-sensitive Chuyển đổi tương tự sang số Giới hạn điều chỉnh nhạy cảm Năng lượng- Energy-Efficient sensor Network hiệu Mạng cảm biến Consultive Committee for Uỷ ban tư vấn cho Đài Internationnal Radio phát quốc tế Code Division Multiple Access Mã hóa đa truy cập Geographical Forwarding Schemes phương án chuyển tiếp for Lossy Link địa lý cho liên kết lossy Hệ thống định vị địa GPS Global Positioning System GUI Graphical User Interface H-PEGASIS Hierarchical - PEGASIS Cấu trúc PEGASIS I/O In/Out Vào /Ra ID Identification Định danh Institute of Electrical and Viện nghiên cứu kỹ Electronics Engineers thuật điện tử Knowledge Range Phạm vi kiến thức IEEE KR LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy cầu Giao diện người dùng đồ họa Thích ứng hệ thống phân cấp phân nhóm lượng thấp MAC Medium Access Control vi Kiểm soát truy cập