luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017 z ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành : Vật lý vô tuyến điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ QUANG THẢO Hà Nội - 2017 z LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Nghiên cứu giải pháp quản lý lƣợng cho mạng cảm biến không dây” Là thân thực dƣới hƣớng dẫn TS Lê Quang Thảo Các số liệu, kết đƣợc trình bày luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tác giả Trần Thanh Hà z LỜI CẢM ƠN Để hồn thiện luận văn, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn tôi, TS.Lê Quang Thảo.Trong suốt trình thực luận văn, thầy tận tìnhhƣớng dẫn, giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy cô giáo Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm q báu q trình học tập nghiên cứu Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.17.09.Tôi xin trân trọng cảm ơn tài trợ quý báu Tơi xin cảm ơn đến cán quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A đƣợc trang bị Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm: “Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000…” Tơi bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè,đồng nghiệp, ngƣời ủng hộ động viên giúp đỡ thời gian làm luận văn Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Trần Thanh Hà z MỤC LỤC MỞ ĐẦU………………………………………………………………………………1 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm 1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1.Lớp vật lý 1.2.2.Lớp liên kết liệu 1.2.3.Lớp mạng 1.2.4.Lớp giao vận 1.2.5.Lớp ứng dụng 10 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 11 1.3.1.Ứng dụng lĩnh vực y tế chăm sóc sức khỏe 11 1.3.2.Ứng dụng lĩnh vực môi trƣờng 12 1.3.3.Ứng dụng vào thiết bị nhà 14 1.3.4 Ứng dụng công nghiệp 14 1.3.5.Ứng dụng lĩnh vực quân 15 Kết luận chƣơng 15 CHƢƠNG NGUYÊN NHÂN MẤT MÁT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 2.1 Node cảm biến 17 2.1.1 Vi điều khiển (MCU) 17 2.1.2 Radio (Transceiver) 18 2.1.3 Bộ nhớ 19 2.1.4 Cảm biến 19 2.2 Quá trình truyền liệu 20 2.3 Truyền thông 22 Kết luận chƣơng 27 CHƢƠNG TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN 28 KHÔNG DÂY 28 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day 3.1 Kiến trúc node cảm biến 28 3.2 Nguồn lƣợng 32 3.3 Giao thức MAC 33 Kết luận chƣơng 36 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TỐN NĂNG LƢỢNG 38 CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN 38 4.1 Năng lƣợng mạng 38 4.2.Các phƣơng pháp đo lƣợng thƣờng dùng 39 4.2.1 Phƣơng pháp đo sử dụng đồng hồ đầu kẹp 39 4.2.2 Phƣơng pháp đo sử dụng siêu tụ điện 40 4.2.3 Phƣơng pháp đo sử dụng điện trở Shunt 41 4.3.Khảo sát tiêu thụ lƣợng node 42 4.3.1 Tiêu thụ lƣợng vi điều khiển 44 4.3.2 Tiêu tốn lƣợng cảm biến 44 4.3.3 Tiêu tốn lƣợng thu phát vô tuyến 48 4.4 Tiêu thụ lƣợng mạng 51 4.4.1 Số lƣợng node có mạng 52 4.4.2 Tốc độ truyền liệu mạng 53 4.4.3 Số lần gửi lặp lại (retry) 54 4.4.4 Công suất phát 55 4.5 Giải pháp đề xuất 56 Kết luận chƣơng 58 KẾT LUẬN CHUNG 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 64 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt ACK Acknowledgement Tín hiệu sử dụng truyền thông số để đảm bảo liệu đƣợc nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ARQ Automatic Repeat Request Tự động lặp lại yêu cầu Vi điều khiển họ AVR AVR CMOS ComplementaryMetal Oxide Semiconductor Mạch cơng nghệ tích hợp CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm GPRS General Service Dịch vụ gói tin vơ tuyến tổng hợp ID Identification IEEE Institute of Electrical and Viện điện, điện tử quốc tế Electronics Engineers Packet Radio Nhận diện ISM Industrial, Scientific and Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa Medical học y tế FEC Forward Errorcorrection Sửa lỗi chuyển tiếp LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng LPL Low Power Listening Chế độ nghe công suất thấp LR-WPANs Low-rate Wireless Personal Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Area Networks MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đƣờng truyền MCU Microcontroller unit Đơn vị vi xử lý trung tâm NACK Negative acknowledgement Tín hiệu xác thực phủ định OSI Open System Mơ hình tham chiếu kết nối hệ Interconnection Reference thống mở model z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day PLL Phase – locked loop Vịng khóa pha PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RF Radio frequency Tần số radio RISC Reduced Instruction Computer RX Receiver Máy thu SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp TCP Transmission Protocol Giao thức điều khiển truyền vận TX Transmitter Set Control Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn Máy phát Tên riêng kiến trúc UWASA UWASA VCO Voltage Oscillator Controlled WSNs Wireless Sensor Networks Bộ điều khiển dao động theo điện áp Mạng cảm biến không dây Tên riêng giao thức mạng không dây ZigBee ZigBee z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.Cấu hình node khảo sát tiêu thụ lƣợng đọc cảm biến…… 42 Bảng Bảng so sánh mức tiêu thụ lƣợng thực tế vài chế độ vi điều khiển so với thông số nhà sản xuất……………………………………………………44 Bảng 3.Cấu hình gói liệu truyền tin mô đun vô tuyến nRF24L01………48 Bảng Các thông số node cảm biến để khảo sát lƣợng mạng cảm biến……………………………………………………………………………………52 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.Cấu trúc mạng cảm biến Hình 2.1.Năng lƣợng tiêu thụ node cảm biến MicaZ 17 Hình 2.2 Mơ hình lƣợng đơn giản 26 Hình 3.1 Sơ đồ node cảm biến 29 Hình 3.2 Năng lƣợng tiêu thụ mạng cảm biến 30 Hình 3.3 Cơ chế hoạt động S-MAC 34 Hình 3.4 Chu kì hoạt động T-MAC 35 Hình 4.1 Phƣơng pháp đo lƣợng đồng hồ đầu kẹp 40 Hình 4.2 Phƣơng pháp đo lƣợng sử dụng siêu tụ điện 41 Hình 4.3.Phƣơng pháp đo lƣợng sử dụng điện trở Shunt 41 Hình 4.4 Sử dụng điện trở Shunt để khảo sát tiêu thụ lƣợng node cảm biến 43 Hình 4.5 Các trình tiêu thụ lƣợng node đọc cảm biến 44 Hình 4.6.Tiêu tốn lƣợng node đọc giá trị cảm biến DHT11 45 Hình 4.7 Tiêu tốn lƣợng node đọc giá trị ADC từ quang trở (CdS) 46 Hình 4.8 Tiêu tốn lƣợng node truyền liệu mô-đun vô tuyến nRF24L01 49 Hình 4.9 Đo tiêu thụ lƣợng node truyền liệu 50 Hình 4.10 Sơ đồđo lƣợng mạng 52 Hình 4.11 Ảnh hƣởng tốc độ truyền liệu đến lƣợng node cảm biến 54 Hình 4.12 Ảnh hƣởng cơng suất đầu tới lƣợng tiêu thụ 56 z luan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.dayluan.van.thac.si.nghien.cuu.giai.phap.quan.ly.nang.luong.cho.mang.cam.bien.khong.day