Mạng ảm biến không dây và ứng dụng trong mạng lưới điện thông minh

Trang 1 NGUYỄN VĂN TÚC BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN VĂN TÚCCHUYÊN NGÀNH: CNTTMẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH Tran

MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG

MẠNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

1

L

t qu c trình bày trong lu n nghiên c u c a riêng tôi, không sao chép c a b t k tác gi nào khác Các s li u trong lu n c s d ng là trung th c, c c công b b i b t k ai

Hà N

Nguy

3

M C L C

1

2

DANH M C CÁC C VI T T T 6

DANH M C HÌNH H 7

DANH M C 9

M U 10

2 i và p m vi nghiên c u 10

3 N i dung c a lu n 10

SMART GRID, WSN VÀ RPL 11

1.1

1.1

1.1.3

1.3.1 Khái ni m chung m ng c m bi n khôn d g ây 16

1.3 trúc m ng c bi n 17

1.3 ng d g m ng c bi n 18

1.4 Giao th c nh tuy n RPL 18

4

1.4.1 Khái ni m 18

1.4.2

1.4.3 Quá ì tr nh tuy n wup ard 21

GRID 23

2.2

2.2.3 Tính toán DAG Rank 25

2.2.4

MÔ P NG AMI

3.1

3.1.1

3.1.2

3.2

3.2.1 ph ánh giááp 29

3.2.2 Mô hì nh 30

3.2.3

3.2.4 Th ng k ê s li u 37

3.2.5 Phân tích s li u .38

3.3

3.3 1 43

5

L N VÀ PHÁT TRI 47

1 lu 47

2 ph át tri n 48

TÀI LI THAM KH O 49

6

DAN H M C CÁ C C VI T T T

RPL Routing Protocol For Low Power A Lond ssy Network

CBR Constant Bit Rate

DAG Directed Acyclic Graph

DODAG Destination Oriented DAG

WSN Wireless Sensor Network

ID Identifycation

DIS DAG Information Solicitation

DIO DAG Information Object

DAO Destination Advertisment Object

DCU Data Concentrator Units

MDMS Meter Data Management System

HES Head End System

ICMP Internet Control Message Protocol

PDR Pack Delivet ery Ratio

PDC Pack Delivet ery Cost

RFC Request For Comments

UDP User Datagram Protocol

LLN Lower Power and Lossy Network

OF Objective Functions

ETX Expected Transmission Count

UDGM Unit Disk Graph Model

RDC Radio Duty Cycling

ROLL Routing Ov Ler ow Power and Lossy Network

7

HES và MDMS ng 15

C u trúc m ng c m bi n [15] 17

hì RPL DAG [8,13] Mô nh 19

RPL INSTANCE và DAG sequen mber [13] ce nu 20

T mô

mã trình cho nút c trong Cooja .33

34

34

gi ao Collect View nút 01

.11: C a giao Collect View c nút 01 35

a giao Simulation Script Editor

C a ao gi Contr Panel 36 ol

8

sá m c So nh tiêu th n n 4

sá t So nh uy n gói trtin 41

:

:

2 i và p m vi nghiên c u

Đối tượng nghiên c u ứ giao là th c ytu RPL

trong Smart Grid

nhau th yeo ho theo l ch nh s n D l u t thu c t c

s c g lhi i, l tr trong c s li(MDMS)

1.2

cho các công ty

14

[14, 18]:

 Thi t b m tiên ti n có kh p thông tin v s d

ng nhi u kho ng th i gian khác nhau và truy n t i d li u thông qua

h th ng m ng;

 M ng truy n thông: các m ng truy n thông tiên ti n h tr truy n thông

15

2: H th ng HES và MDMS

3 kh i phân t c a m ng

H th ng AMI mang l i l i ích v tài chính cho các công ty n l c b ng cách gi m chi phí thi t b và b o trì, giúp ph c h i nhanh chóng d ch v n trong

th i gian ng ng ho ng và gi n quá trình thanh toán

c) L i ích c a Khách hàng ợ ủ

1.3

1.3.1 Khái ni m chung m ng c m bi n ôn d kh g ây

m b k ng dây (WSN) [6] mhô là m ng không dây g m

nh m m ích thu thông tin to àn m ng ra các thông tin v môi

tr ng, v v t mà m ng quan sát

Các nút c kcó ích th c

lý, gi i c m b ph n thu phát kh g dây, ônKích c ác này thay tùy v tào ng ng ng

c m bi không dây có m : sau [6]

 Phát thông tin ng bá trong ph m vi p;

Nút sink m t là th c thông tin yêu u Nút sink có là

th c bên trong ng (là m nút c m bi n) ngo m ng Th c ài ng

m ng có t mlà nh máy tính xách tay t ng tác v i m n

mlà gateway mà v i ng khác l n h n nh Internetcác yêu v i các thông tin m vài nút c m m ng trong

4: C u trúc m ng c m bi n 5] [1

 Môi nghi t, hình khó k (ví khu v c r ng núi, vùng nhi m phóng ;

 Tìm hi u c tính c a giao th c và các nguyên t c thi t k cho

c s d ng trong các h th ng AMI v i nhi

c k t n i v i nhau thông qua m i multih

20

DAG hàng xóm

6: RPL INSTANCE và DAG sequen mber 3] ce nu [1Trong RPL 2 h ng upward và downward Up

nút các xa DAG ROOT h ng v DAG ROOT Downward DAG ROOT các nút hxa n

22

Q trình uá upward 3] trong [1 RPL có ai trò v ,

ng ho t ng m ng Quá ì này dtr nh a trêcác tin DI xây d ng, xác O, nh và duy trì các DA G, nút t nro g

Khi nút kh i v i v t DAG ROOT, nút ai rò th c

nh n tin DIO v i nk ra ng 1 và qu ng bá chúng các nút ng quanh xu

Nh n nút gg n root khi DIO DAG ROOT am g v th ia ào

D ông tin th trong DIO và xác nh nk ra thân tron DAg G nút th i các b n DIO tin nh n nút xung quanh, g

v và DAG mà am gia Quá trình này trí nó th các thành viên ro t ng DAG

liên ng th i th i Do quy mô DAG c xây

ng t i nh ng nút xa DAG ROOT, nh ng nút trong DAG thông

tin c thành viên ng quanh ng DAác xu tro G

Các nút ng thái ( do tham gia DAG nút ), th i g i

tin DIS t i các neighbor ng bá Instance mà knó có ng am g th ia ng

th i yêu nh ng nút áp ng c ph n nh ng thông tin v D

mà chúng tham g Khi mia ighbor ne nh n tin DIS, tham gia m

DAG phù h p v i Instance trong DIS, nó ng m t DIO innút g i DIS S này ra ngay sau th i

không i t i th i th i DIO theo

Quá trình l a DAG p tuân theo m quy sau:

 DAG tham gia ng Instance nút

 DAG tham gia tiên cao v nút có rank à

 DAG tham gia m các object functi ãn on nút

24

] [8 T

Chuyển tiếp gói tin ra bên ngoài

trong danh sách

2.2.3 Tính toán DAG Rank

b tính toàn d vào rank gateway sau Cho R nút i, i = 1, 2, , n Cho p

: R(i)=R(p(i)) * X(i,p(i)) + 1

26

thiên 2.2.4

,

.2 ghi và c p nh t

tin

(Multi-28

AMI 3.1

 Ngôn ng l p trình là C, c s d ng r ng rãi nên v

c n ngôn ng s thu n ti n và nhanh chóng

 Contiki còn cho phép th c hi n gi i thu t ngoài th c t d a vào các ph n

c c h tr

ContikiOS mang tính th c ti n r t cao

.1: Ki n trúc Contiki OS

29

3.1.2

COOJA [8,12]

C nút sink

30

th ng, có k g chính iá v trình bày theo t :

- Trình bày v khái ni m, k trúc m ng b k ng dây; hô các iao g

c m không dây p

- Th c mô ng giao th c RPL trong

nút minh

- L ng k phân ê, tích ra các ánh giá và k ng

3.2.2 Mô hì nh

Giao th c RPL có tính ng linh ng nhi u trong các

n g Nó hàn các am th cho các hàm m tiêu (OF)

x

g iá n giao th c RPL trong AMI, trong l v

ch n mô ng m ng c m k ng dây vhô i 01 nút làm gateway và

31

.3: Topo các nút tr ng m ng

3 3 2

tôi sink

100x100

Mô ph g g m e rv 24 cli nt và 01 se er mng nút g

Serv er ng m ng ng m u udp-sink.c còn client ng udp- nder se c

trình ng m ugin có t Simulation Script Editor pl ên là g hi th i

gian mô ng và k t thúc mô ng sau m t ng th i gi xác an ugPl

n ra m file log COOJA.testl og, tích k

g

1: mã ch trình c giao ho th c RPL : Ch y công mô Cooja

33

.6: S d ng nút c m bi n gi l p trong Cooja

.7: N p mã ngu n trình cho nút c m bi n gi l p ng Coojatro

: nút c m vào trình mô ph ng

34

.8: Giao di n t o nút c m bi n gi l p

.9: Phân b c a các nút gi l p : giao di n Collect ew Vi n s thi t út 01 và các am th

35

.10: M gi ao di n Collect View c a nút 01

.11: C a s giao di n Collect View c a nút 01 : th an d ng mô t i các th i m và

36

.12: C a s giao di n Simulation Script Editor

: Ch y mô p ng: Kích ch Start

: C13 a s ao gi di n Contr Panelol a) K ch bị ả c a mô n ủ phỏng 1:

UDI (Unit Disk Graph with Distance

interference) 100m x 100m 30s

ay tiên ta th ath v tron q trình mô ào g uá ph ng: hàm mtiêu th ay tham RX trong f mô ile ng cooja; am th DIO Interv alMinimu và m các th a khác thay trong file project-conf h theo

jar và COOJA.testlog các nh ng li l u trong m này file

3 4 Th ng k2 ê s li u

Trong mô nh mô hì ng bao g m nút ient, m24 cl nút g i m g tin UDP ói

m t i serv Trong quá trình er th c mô ng, các thông báo client và serv er c l u trong file log Trong file log a nút, gó

th i gian g i C ác ông s cth á: gi

Tính t l chuy n gói t (PDR): in

tính tiêu ng Powertrace Contik i

Th i gian onvergence Tim e) trong RPL là k ng th i gian

RPL s ng giao th c ICMPv6 d a vào lý thông k

g DIS (DODAG Information Solicitatio và DIO (n) DODAG Information Object) và duy DODA Trong Contiki 2 trì G có file ng

u th s li u so sánh, tôi th c hi n mô ph ng p i p i v i s thay

i a tham s RX trong các giá tr 30 100

a) M c ứ độ tiêu thụ năng lượng

40

: 15 So sá m c nh tiêu th n ng ng

b) Tỷ lệ truyền ói tin g

: T l truy n gói tin 16

41

: 17 So sá t l uy n gói nh tr tin 3.2.6

hàm m tiêu ETX lý các gi m linh h n.

vlà quan ng m ng c kh g dây,ôn

b c n trong v còn ETX d a àov các t ng thái liên

tu c h n hình các tham giúp ng cao nâ

ng giao th c RPL Do m ng c m không ng giao th RPL v i hàm m c tiêu ETX ng d g thích h p trong h th AMI

c Smart Grid

3.3 K

mô hình mô sau: n 2 g

43

Mô hình UDI (Unit Disk Graph with Distance

interference) 100m x 100m 30s CSMA/ContikiMAC

1300s1003: Các tham s mô ph ng 2

100 802.15.4

Gateway và 100 thông minh phân tán

m2

trong 13 s 00

c n Mác út Trong ETX, các nút c

làm các nút trung gian

ETX = 1 / F*(D DR)

R (N) = R (P) + DEFAUL _MIN_HO RANK_INCREASET P_

Nút

.18: T l truy n gói tin

45

.19: tr trung bình

gói tin nh c b i gateway Hình 3.18 minh h

v i th i gian mô ph ng Có m t s bi ng r t l u c a mô ph ng

n kh i t o Khi th i gian trôi qua nút tìm

ng d n g c vì v y chúng c p nh t các th h ng cha m c a

46

d n s c i thi n PDR Khi m i nút ch n c nút t t nh t có th là cha mPDR b u t giá tr nh c a nó v i m t bi ng nh Rõ ràng là htiêu HC ch m i ETX OF ng h p c a PDR ETX OF c90% c a gói tin g n các c ng trong khi HC OF cung c p g n 80% c a gói tin

Mgiá hai hàm m

Protoc for Lol ow Power and Lossy Network, tìm h v hàm m c tiêu OF0 và

ETX, hành mô ng RPL trên hành Contiki ng côCooja, g iá ng giao th c RPL và dáp v h ào thtrong Smart Grid

phân tích

t chúng ta

ch

L ra mô hình mô p ng v i s nút v a và

c m k á g d a tr nh iá ên các : m , ng

t g tin Q mô hình mô ói ua ph g và phân ch tí gi

li u, gi ao th c tu RPL d hàm m tiêu ETX h n, nâ ng cao

m ng c m không dây và ù hph p b khi dáp

th AMI

[2] http://www.technologymag.net/06/2014/mo-hinh-trien

-khai-luoi-dien-thong-minh- -nga/ tai

[3] http://www.technologymag.net/02/2014/luoi-dien-thong-minh-smart-grid- - xu

huong-phat-trien va- -giai-phap/

[4] http://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Cong- -dien- -thong-minh- to tu

Su-dot pha-cua-cong-nghe-dien- -Hien-dai tu hoa-luoi-dien.html

[5]

[6 Bhaskar Krishnamachari ] An Introduction to Wireless Sensor Networks

Tutorial Presented at the Second International Conference on Intelligent

Sensing and Information Processing (ICISIP), Chennai, India, January 2005

[7] https://tools.ietf.org/html/draft-gnawali-roll-etxof-00, The ETX Objective

Function for RPL draft-gnawali-roll-etxof-00

[8 An] E cill tti,o R Bruno and M.Con ti, The Ro of the RPL Routin P tocol le g ro

for Smart Gr Coid mmunications IEEE Communications Magazin e,

Volum 51 Ie: , ssue: 1pp.75 83 , Ja ary nu 2013

[9] V Kathuria, G Mohanasu aram, S R nd A mula n si tio study of routing protoco for smart mels ter networks IEEE In rn on Conferente ati al ce

on Smart Grid Comm ic tiun a ons (Smar ridCotG mm pp 38), 4 3 , october, 89

2013

[10] N.Br san L Bazzaco, N Bu P Casar, L enzo Vang s and es , i, or eli ta M orzi, Z

The Deploym t en of a Smart Monitor g ysin S tem using Wireless Se ors and ns

Actuat s Networor ks IEEE In rn on C ference o Smart Grte ati al on n idCommunications (SmartGridComm), pp 49 , 54 2010

50

[11 A ] Sabbah, A El-Mo y and ug M Ibnkah la, Survey of Ne ortw king

Ch e e and Routing P toco Smart Gridsall ng s ro ls in IEEE Tra acns tions on Industrial In form ics, (Volum 10 at e: , Issue: 1 ) fe uary, 2014 , br

[12 E Anci o R ] ll tti, Bruno, M Conti, RPL utin protocol advanced ro g in

metering infrastructures: An anal is of the unrys elia ili y b t problems

Sustainab In rn and ICT r Sus nability (Sus nIT), le te et fo tai tai pp 1- , Oct, 10

2012

[13 T Win r, P T ber A and T C] te hu t, Br t, laus , en J Hu R Kelsey, P Levis, K i, Pis r R Struik and J Vasseur, te , RPL IPv6 Routing P tocol for L: ro ow-Power and Lossy Networks IETF RFC 6550, M ch, ar 2012

[14] Di Wang, Zhifeng Tao, nyun Zhang, Alhussein AbouzeidJi RPL Based Routing for Advanced Metering Infrastructure in Smart Grid

[17 Tripathi, J Oliv ra, and Vasseur, ] J C de ei J P A performance evaluation study RPL: Routing Protocol for Loof w power and Lossy Networks in Information Sciences and System (C S 2010 44th Annual Conference on, s IS ),

2010

[18] http://www.indiasmartgrid.org/Advanced-Metering-Infrastructure.php

Infrastructure