Giải pháp định tuyến tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH vi LỜI CAM ĐOAN ix LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây .4 1.2 Cấu trúc mạng WSN .5 1.2.1 Cấu trúc node mạng WSN 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3 Vấn đề lượng tiêu thụ mạng cảm biến không dây .8 1.3.1 Khái niệm phân loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 1.3.2 Thước đo định tuyến 1.3.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến 10 1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 11 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề định tuyến mạng cảm biến không dây 14 1.5.1 Thời gian sống bên 14 1.5.2 Sự đáp ứng 14 1.5.3 Tính chất mạnh (Robustness) 15 1.5.4 Hiệu suất (Synergy) 15 1.5.5 Tính mở rộng (Scalability) 15 1.5.6 Tính khơng đồng (Heterogeneity) 15 1.5.7 Tự cấu hình 15 1.5.8 Tự tối ưu tự thích nghi 16 1.5.9 Thiết kế có hệ thống 16 1.5.10 Cách biệt bảo mật 16 i 1.6 Cơ chế truyền thông mạng cảm biến không dây .16 1.6.1 Mơ hình truyền thơng Điểm-Điểm 17 1.6.2 Mơ hình truyền thơng Điểm - Đa điểm 17 1.6.3 Mơ hình truyền thơng Đa điểm - Điểm 19 1.7 Ứng dụng mạng WSN 21 1.8 Kết luận chương 21 CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .23 2.1 Các giao thức định tuyến phẳng, trung tâm liệu 23 2.1.1 Giao thức định tuyến Flooding 23 2.1.2 Giao thức định tuyến Gossiping 24 2.1.3 Giao thức định tuyến thông tin thông qua đàm phán (SPIN) 25 2.1.4 Giao thức định tuyến lan truyền trực tiếp (Directed Diffusion) 26 2.1.5 Đánh giá 28 2.2 Các giao thức định tuyến dựa phân cụm 29 2.2.1 Giao thức LEACH 29 2.2.2 Giao thức PEGASIS 30 2.2.3 Giao thức TEEN 31 2.2.4 Đánh giá 33 2.3 Giao thức thu thập liệu CTP 34 2.3.1 Thước đo định tuyến sử dụng giao thức CTP 35 2.3.2 Cấu trúc tin giao thức CTP 36 2.3.2.1 Bản tin liệu 36 2.3.2.2 Bản tin điều khiển 38 2.3.2.3 Bản tin xác nhận 39 2.3.3 Các thành phần giao thức CTP 39 2.3.4 Điểm yếu giao thức CTP 40 2.4 Bài toán định tuyến thu thập liệu có nhận thức lượng 41 2.5 Kết luận chương 44 ii CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC CÂY THU THẬP DỮ LIỆU TRONGMẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 45 3.1 Hệ điều hành Contiki 45 3.2 Thực thi giao thức EACTP hệ điều hành Contiki 46 3.3 Đánh giá giao thức EACTP dựa mô 54 3.3.1 Các thước đo đánh giá 55 3.3.1.2 Tỷ lệ chuyển phát tin liệu .55 3.3.1.3 Sự cân lượng nút mạng 55 3.3.1.4 Thời gian sống mạng 56 3.3.2 Cài đặt mô 56 3.3.3 Trình tự bước mơ nút mạng cảm biến 57 3.3.4 Mơ hình đánh giá mơ 62 3.3.4.1 Kịch đánh giá 62 3.3.4.2 Kết đánh giá 63 3.3.5 Mô hình đánh giá mơ 66 3.3.5.1 Kịch đánh giá 66 3.3.5.2 Kết đánh giá 67 3.4 Kết luận chương 69 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG BỘ ĐO NĂNG LƯỢNG 70 4.1 Thiết kế .70 4.1.1 Khối đo dòng điện 71 4.1.2 Khối đo điện áp 74 4.1.3 Khối hiển thị LCD 75 4.1.4 Khối TUmote 76 4.1.5 Module giao tiếp Ethernet 77 4.1.6 Board Arduino 78 4.2 Thiết kế phần mềm .80 4.2.1 Lý thuyết đo lường công suất điện 80 iii 4.2.1.1 Định nghĩa công suất .80 4.2.1.3 Điện áp dòng điện hiệu dụng: Urms, Irms 81 4.2.1.4 Công suất phản kháng: Q 81 4.2.1.4 Hệ số công suất: Cos φ 81 4.2.1.5 Công suất biểu kiến: S 82 4.2.3 Thuật tốn đo cơng suất 82 4.2.3.1 Tính cơng suất thực (P) .82 4.2.3.2 Tính điện áp hiệu dụng (Urms) 82 4.2.3.3 Tính dịng điện hiệu dụng (Irms) 83 4.2.3.4 Tính cơng suất biểu kiến (S) .83 4.2.3.5 Tính hệ số cơng suất (Cos φ) 83 4.3 Kết thử nghiệm .83 4.4 Kết luận chương 86 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 iv DANH MỤC VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ gốc ACK Acknowledgement Nghĩa tiếng việt Bản tin xác nhận ADV ADVertisement Bản tin thông báo ANR Alive Node Ratio Tỷ lệ nút sống Balanced Collection Tree Giao thức thu thập liệu cân Protocol tải CTP Collection Tree Protocol Cây thu thập liệu Tỷ lệ chuyển DDR Data Delivery Ratio Phát liệu ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng EACTP Energy Aware Collection Tree EACTP Giao thức thu thập liệu nhận thức lượng EI Energy Indicator Mức cân số lượng EIB Energy Indicator Balance Trạng thái lượng ES Energy State Định tuyến nhận thức lượng EAR Energy Aware Routing Định tuyến thích ứng vị trí GAF Geographic Adaptive Fidelity MAC Media Access Control Chỉ số chất lượng liên kết MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng truyền thông lượng thấp MECN Minimum Energy Communication Network Power-Efficient Hệ thống thu thập thông tin cảm biến hiệu lượng UDI UDG with Distance Interference TEEN Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network Mạng cảm biến hiệu lượng dựa ngưỡng SINR Signal-to-Interference Plus Noise Tín hiệu nhiễu thêm tạp âm BRE UDG Mơ hình UDG với nhiễu khoảng cách Đồ thị vòng tròn đơn vị Unit Disk Graph TTL Time To Live Thời gian sống SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Các giao thức định tuyến thông qua thương lượng Physical layer Random Access Lớp vật lý PHY v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến thơng thường .4 Hình 1.2: Thiết bị “mote” Berkeley Hình 1.3: Các thành phần nút cảm ứng Hình 1.4: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây với nút cảm biến phân bố rải rác trường cảm biến Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 12 Hình 1.6 Mơ hình truyền thơng Điểm – Điểm 17 Hình 1.7 Mơ hình truyền thơng Điểm – Đa điểm 17 Hình 1.8 Mơ hình truyền thơng Đa điểm – điểm 19 Hình 1.9 ETX mạng có nút 20 Hình 2.1: Định tuyến Flooding 23 Hình 2.2: Giao thức SPIN 26 Hình 2.3: Hoạt động giao thức Directed Diffusion 27 Hình 2.4: Kiến trúc phân cấp dựa cụm 30 Hình 2.5: Cấu trúc chuỗi PEGASIS 31 Hình 2.6: Kiến trúc phân cấp giao thức TEEN 32 Hình 2.7: Cấu trúc liên kết mạng xây dựng theo giao thức CTP 35 Hình 2.8: ETXlink liên kết 35 Hình 2.9: Cấu trúc tin liệu 36 Hình 2.10: Cấu trúc tin điều khiển 38 Hình 2.11: Các thành phần giao thức CTP 39 Hình 2.13: Ví dụ minh họa cấu trúc hình học tốn định tuyến EACTP 43 Hình 3.1: Các thành phần giao thức EACTP 47 Hình 3.2: Quá trình xử lý kiện lớp ứng dụng gửi tin liệu 49 Hình 3.3: Quá trình xử lý kiện nút nhận tin liệu 50 Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán xử lý kiện nút nhận tin ACK Timeout 51 Hình 3.5: Quá trình xử lý kiện nút nhận tin điều khiển 52 Hình 3.6: Lưu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật nút lân cận 53 Hình 3.7: Mơ hình mơ cụm gồm 30 nút 62 vi Hình 3.8: So sánh tỷ lệ nút sống mạng 64 Hình 3.9: So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu 64 Hình 3.10: So sánh cân lượng nút mạng 65 Hình 3.11: Mơ hình mơ cụm nhỏ gồm 10 nút 66 Hình 3.12: So sánh tỷ lệ nút mạng sống 67 Hình 3.13: So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu 68 Hình 3.14: So sánh cân lượng nút mạng 68 Hình 4.1 Sơ đồ khối thiết bị đo lượng điện chuẩn Zigbee 70 Hình 4.2 Sơ đồ khối thiết bị Gateway 71 Hình 4.3 Cảm biến dòng SCT-013-030 71 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý SCT-013-030 72 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng 73 Hình 4.6 Adapter AC-AC 74 Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp 75 Hình 4.8 Màn hình LCD 75 Hình 4.9 nút cảm biến khơng dây TUmote 77 Hình 4.10 module Ethernet shield 77 Hình 4.11 Board Arduino Uno 78 Hình 4.12 Giao diện Arduino IDE 79 Hình 4.13 thử nghiệm đo cơng suất bóng đèn 60W 84 Hình 4.14 Kết đo thiết bị đo Kerde TW- 270 84 Hình 4.15: Mơ hình triển khai thiết bị TU-SPM 86 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các tham số mô 56 Bảng 3.2: Kịch đánh giá mô 62 Bảng 3.3: Kịch đánh giá mô 75 Bảng 4.1: Thông số kĩ thuật SCT-013-030 73 Bảng 4.2 Đánh giá độ xác thiết bị đo TU-SPM 85 Bảng 4.3 Đánh giá chất lượng truyền thông mạng thiết bị đo TU-SPM 86 viii LỜI CAM ĐOAN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - viễn thông, trường Đại học BKHN tạo môi trường tốt để học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau ĐH quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo TS Trần Thị Ngọc Lan tận tình bảo, hướng dẫn sửa chữa nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn toàn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất tơi thực cẩn thận có định hướng, sửa chữa GVHD Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Nguyễn Thị Phương Thanh ix LỜI MỞ ĐẦU  Tính khoa học tính cấp thiết luận văn Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) kết cấu hạ tầng bao gồm hàng trăm, hàng nghìn nút mạng Các nút mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, sử dụng nguồn lượng hạn chế (thường dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt (như môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ cao ) Các nút cảm biến phân bố rải rác trường cảm biến Mỗi nút cảm biến có khả thu thập định tuyến liệu đến điểm thu thập (Sink/Gateway) người dùng cuối Các nút giao tiếp với qua mạng vô tuyến ad-hoc truyền liệu nút gốc kỹ thuật truyền đa chặng Người dùng cuối/người quản lý truyền thông với điểm thu thập thông qua Internet hay mạng khơng dây ví dụ mạng di động, WiFi, WiMAX người dùng cuối truyền thơng trực tiếp với điểm thu thập Trong mạng cảm biến không dây, nút cảm biến thực đồng thời hai chức là: - Chức sinh liệu: Các nút cảm biến thu thập thông tin kiện trường cảm biến thực việc truyền thông để gửi liệu chúng điểm thu thập - Chức định tuyến liệu: Các nút cảm biến tham gia vào trình chuyển tiếp tin nhận từ nút lân cận tuyến đường đa chặng đến điểm thu thập Hầu hết ứng dụng mạng cảm biến khơng dây thu thập thông tin cảm nhận trường cảm biến nên giao thức thu thập liệu nhận nhiều quan tâm nghiên cứu cộng đồng mạng cảm biến không dây Giao thức thu thập liệu - CTP (Collection Tree Protocol) thực thi chế thu thập liệu tin cậy bước nhảy (hop-by-hop) Các nút tự tổ chức thành cấu trúc dạng liệu gửi nút cha đến đỉnh (nút gốc) Nút gốc gán đỉnh tất nút khác  Đặc tính kĩ thuật  Sử dụng vi điều khiển: Atmega328  Điện áp hoạt động: 5V  Khoảng điện áp đầu vào: 7-12V  Khoảng điện áp đầu ra: 6-20V  Số chân digital I/O: 14 (trong có chân cung cấp cho đầu PWM)  Số chân đầu vào Analog:  Dòng điện chiều chân: 40mA  Dòng điện chiều chân 3.3V: 50mA  Bộ nhớ Flash: 32 KB (trong 0.5 KB dung cho bootloader)  SRAM: 2KB (Atmega328)  EEPROM: 1KB (Atmega328)  Thạch anh: 16 MHz  Phần mềm Arduino Hình 4.12 Giao diện Arduino IDE  Phần mềm arduino môi trường phát triển (IDE) dành riêng cho lập trình board arduino Chương trình có mã nguồn mở, thiết kế cho việc viết code, nạp code thực cách dễ dàng thuận tiện Arduino IDE chạy mơi trường Windows, Mac OS X, Linux Hiện có phiên 1.0.4 79  Arduino IDE mặc định tích hợp số thư viện để lập trình chức vi điều khiển Ngoài tạo thư viện cho riêng để lập trình theo mục đích khác 4.2 Thiết kế phần mềm 4.2.1 Lý thuyết đo lường công suất điện 4.2.1.1 Định nghĩa công suất Công suất định nghĩa phần lượng chuyển qua bề mặt đơn vị thời gian Đối với mạch điện chiều, công suất, lượng mà mạch điện thực chuyển đổi qua đường dây điện đơn vị thời gian, tính cơng thức: (4.1) Với: P - Công suất U - Điện áp I - Độ lớn dòng điện qua Trong mạch điện xoay chiều, thành phần tích lũy lượng cuộn cảm tụ điện tạo lệch pha dòng điện so với hiệu điện Có thể biểu diễn mặt tốn học hiệu điện dòng điện số phức để thể pha đại lượng cho điện xoay chiều Lúc cơng suất biểu diễn qua số phức, kết phép nhân hai số phức hiệu điện dòng điện 4.2.1.2 Công suất hiệu dụng: P Công suất hiệu dụng định nghĩa công suất tiêu thụ thiết bị điện để thực chức cơng việc đó.Ngồi cơng suất hiệu dụng cịn định nghĩa cơng suất tính trung bình theo tồn chu kỳ dịng điện xoay chiều, tạo chuyển giao thực lượng theo hướng Về mặt tốn học tích phân có giới hạn điện áp u(t), nhân với dòng điện i(t): (4.2) 80 U - Điện áp Root-Mean-Square (Điện áp hiệu dụng) I - Dòng điện Root-Mean-Square (Dòng điện hiệu dụng) Cos( ) –Hệ số cơng suất Phương trình rời rạc theo thời gian : (4.3) u(n) - Giá trị điện áp đo mẫu thứ n i(n) - Giá trị dòng điện đo mẫu th N - Số lượng mẫu lấy Công suất hiệu dụng tính cách đơn giản giá trị trung bình tổng cơng suất đo lần lấy mẫu Phương pháp áp dụng cho dạng sóng hình sin sóng bị méo 4.2.1.3 Điện áp dòng điện hiệu dụng: Urms, Irms Điện áp hiệu dụng định nghĩa bậc hai giá trị trung bình giá trị điện áp tức thời: (4.4) u(n) – Giá trị điện áp đo mẫu thứ n N–Số lượng mẫu lấy Dòng điện hiệu dụng tính phương trình tương tự 4.2.1.4 Công suất phản kháng: Q Công suất phản kháng công suất chuyển ngược nguồn cung cấp lượng chu kỳ, tích lũy lượng thành phần cảm kháng dung kháng 4.2.1.4 Hệ số công suất: Cos φ Hệ số công suất tỉ số công hiệu dụng công suất biểu kiến (4.5) 81 4.2.1.5 Công suất biểu kiến: S Cơng suất biểu kiến (tồn phần) cơng sử dụng để mô tả việc cung ứng điện từ nguồn Cơng suất biểu kiến tính tích giá trị điện áp hiệu dụng dòng điện hiệu dụng 4.2.3 Thuật tốn đo cơng suất Áp dụng cơng thức tốn học trên, tác giả xây dựng thành cơng chương trình cho vi điều khiển có khả xử lý tín hiệu cách xác để đo đạc thông số điện Dưới số đoạn mã ngắn miêu tả tổng quan q trình xử lý tính tốn vi điều khiển thực hiện: 4.2.3.1 Tính cơng suất thực (P) for (n=0; n