Mô phỏng hệ thống smart public lighting sử dụng mạng cảm biến không dây và định tuyến multicast

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HỒNG YẾN MƠ PHỎNG HỆ THỐNG SMART PUBLIC LIGHTING SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ĐỊNH TUYẾN MULTICAST SIMULATION OF SMART PUBLIC LIGHTING SYSTEM USING SENSOR NETWORKS AND MULTICAST ROUTING Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60 52 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học1 : PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học : TS VÕ QUẾ SƠN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TP.HCM Ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ………… i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ MSHV : 1570416 Nơi sinh: Lâm Đồng Mã số: 60 52 02 08 HỌ VÀ TÊN : Nguyễn Hoàng Yến Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1991 NGÀNH : Kỹ Thuật Viễn Thông Tên đề tài luận văn ( Tiếng Việt Tiếng Anh) : Tên Tiếng Việt : Mô hệ thống Smart Public Lighting sử dụng mạng cảm biến không dây định tuyến Multi-cast Tên Tiếng Anh: Simulation of Smart Public Lighting System (SLS) using Wireless Sensor Networks and Multicast Routing Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu)  Tìm hiểu mạng cảm biến khơng dây chuẩn 6LoWPAN/IPv6  Nghiên cứu giải thuật định tuyến multicast TM, SMRF ESMRF  Mô hệ thống SLS gồm 30 nút với topo dạng chain  Đánh giá kết mô giải thuật độ trễ, throughput, PRR Các kết dự kiến  Hệ thống mô SLS hoạt động ổn định với kết nối multihop  Có thể thể điều khiển đèn, nhóm đèn, tất đèn dựa multicast routing  Các thông số mạng đo đạc đủ đáp ứng cho ứng dụng điều khiển chiếu sáng công cộng Ngày giao nhiệm vụ luận văn : 19/07/2018 _ Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 31/12/2018 Họ tên người hướng dẫn : TS Võ Quế Sơn _ , ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CÁM ƠN Để hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn nhiệt tình q Thầy Cơ, hỗ trợ tinh thần gia đình bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận văn thạc sĩ Lời đầu tiên, xin cảm ơn Bố Mẹ tạo điều kiện tốt để việc học thuận lợi động viên lúc gặp khó khăn trình học tập nghiên cứu Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến Cơ PGS TS Phạm Hồng Liên Thầy TS Võ Quế Sơn, Thầy hết lịng giúp đỡ, đưa góp ý quan trọng hỗ trợ bổ sung thêm nguồn tài liệu quan trọng để tơi hồn thành luận văn Xin chân thành gửi lời cám ơn đến q Thầy Cơ mơn Viễn Thơng nói riêng Thầy, Cô khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh tận tình truyền đạt kiến thức, hành trang vô quý báu suốt trình học tập nghiên cứu thực đề tài luận văn Cuối cùng, xin chân thành cám ơn bạn, anh học viên lớp anh chị đồng nghiệp hỗ trợ cho tơi nhiều suốt q trình học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sĩ cách hồn chỉnh Tuy có nhiều cố gắng, đề tài nghiên cứu khoa học khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi kính mong Q Thầy Cơ bạn tiếp tục có ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài hồn thiện Xin chân thành cám ơn Đà Lạt, 12/2018 Nguyễn Hồng Yến iii TĨM TẮT IoT (Internet of Things) xu phát triển ứng dụng công nghệ thiện Các thành phần IoT liên kết với thông qua mạng kết nối hoàn chỉnh, bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng kết nối không dây để thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu với quy mô lớn điều kiện, vùng địa lý gửi thiết bị điều khiển trung tâm Với đặc trưng hệ thống mạng cảm biến không dây như: nguồn lượng có giới hạn, khả xử lý hạn chế, nhớ truy xuất ngẫu nhiên dung lượng ổ cứng hạn chế, vvv… yêu cầu để hệ thống hoạt động hiệu thiết kế giao thức phù hợp với nguồn tài nguyên hệ thống có giới hạn mạng cảm biến khơng dây - WSNs Ở khía cạnh kết nối IoT, loại hình mạng nào, từ khơng dây có dây, từ cơng suất cao cơng suất thấp cần phải có q trình định tuyến để đến đích Trong mơ hình mạng khơng dây công suất thấp sử dụng kết nối IPv6, hoạt động định tuyến có khác biệt lớn, áp dụng giao thức định tuyến thông thường vào môi trường không mang lại hiệu cho ứng dụng Nhằm đáp ứng yêu cầu cho việc truyền liệu môi trường suy hao công suất thấp mạng IPv6, giao thức định tuyến RPL nhằm giải vấn đề tồn nêu iv ABSTRACT IoT (Internet of Things) is one of the developing trends of technical applications today The components in IoT are linked together by a complete interconnection network that includes a set of sensors equipment using wireless connections to perform its tasks of collecting large-scale data in any conditions or under any geographic regions and then sending back to the central monitoring device The very first requirement to run an effective wireless sensor network system, with the features such as: limited power sources, limited processing capability, random access memory and limited hard drive properties, etc., is to come up with protocols that are sufficient to the limited systematic resources of the wireless sensor networks – WSNs In terms of connectivity in IoT, in any network type from wired to wireless, from high capacity to low capacity, there must be a routing process to reach the destination In the low power wireless model using IPv6 connectivity, there is a huge difference in the routing activities, and in case the ordinary routing process is applied to this environment, there should be no effect to the application In order to satisfy the requirements of transmitting data in such a low power attenuation environment to the IPv6 network, the RPL routing protocol is the solution for the above existing issues v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố trước Đà Lạt, tháng 12 năm 2018 Học viên thực Nguyễn Hoàng Yến vi MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 2.1.3 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 2.2 Cấu trúc mạng cảm biến 2.2.1 Giới thiệu cấu trúc mạng cảm biến 2.2.2 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến 2.2.3 Các cấu trúc mạng cảm biến đặc trưng 2.3 Mơ hình mạng cảm biến 2.4 Cấu trúc node mạng 10 2.4.1 Tổng quan node mạng 10 2.4.2 Vi điều khiển nhớ 11 2.4.5 Nguồn cung cấp 13 2.5 IEEE 802.15.4 14 2.5.1 Địa IEEE 802.15.4 15 2.5.2 Lớp vật lý 15 2.5.3 MAC layer 16 2.5.4 Cấu trúc khung 802.15.4 17 CHƯƠNG 3: ĐỊNH TUYẾN MULTICAST 19 3.1 Cấu trúc mô hình 6LoWPAN 19 3.2 Giao thức RPL 25 3.3 Mơ hình mạng DODAG 26 3.4 Các giao tiếp RPL 27 3.4.1 Định tuyến Upward 27 3.5 Giao thức Trickle Multicast mạng LLNs 46 3.5.1 Thuật toán Trickle Timer 46 3.5.2 Giao thức MPL 48 3.6 SMRF 52 3.6.1 Sending Operation 52 vii 3.6.2 Forwarding Operation 53 3.6.3 Acceptance Operation 53 3.7 ESMRF 53 3.7.1 Khái niệm Multicast-on-behalf 53 3.7.2 Sending operation 53 3.7.3 Forwarding operation 55 3.7.4 Acceptance operation 55 3.8 ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol 55 3.8.1 ContikiMAC Timing 56 3.8.2 Cơ chế phát gói tin Fast sleep 58 3.8.3 Quá trình truyền Phase-Lock 59 CHƯƠNG 4: XÂY HỆ THỐNG SMART PUPLIC LIGHT 61 4.1 Giới thiệu 61 4.2 Những yêu cầu hệ thống 63 CHƯƠNG 5: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN COOJA/ CONTIKI 68 5.1 Hệ điều hành Contiki 68 5.1.1 Kiến trúc Contiki OS 68 5.1.2 Các kiện Contiki 69 5.2 Chương trình mơ COOJA 70 5.2.1 Tổng quát thiết kế 70 5.2.2 Các interface Cooja 72 5.3 Thực mô COOJA/CONTIKI 73 5.3.1 Môi trường mô 73 5.3.2 Kịch mô 74 5.3.3 Kịch mô 81 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 84 6.1 Kết luận 84 6.2 Hướng phát triển đề tài 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu trúc phẳng Hình 2: Cấu trúc phân tầng Hình 2.3: Mơ hình kiến trúc giao thức mạng Hình 2.4: Các thành phần node mạng 11 Hình 2.5: Mơ hình PAN 14 Hình 2.6: Hình dạng địa 802.15.4 15 Hình 2.7: Phân kênh 802.15.4 16 Hình 2.8: Cấu trúc khung 802.15.4 17 Hình 1: Tiến trình cấp phát địa .21 Hình 2: Tiến trình yêu cầu địa 22 Hình 3: NC/ NR .22 Hình 4: NC/ NR options 23 Hình 5: Ví dụ DODAG 25 Hình 6: Topology cho trước 26 Hình 7: Các DODAG khác 27 Hình 8: Cấu trúc khung DODAG 27 Hình 9: Giá trị MOP 27 Hình 10: Cấu trúc khung DAG Metric Container 28 Hình 11: Metric Data 29 Hình 12: Khung State & Attribute 30 Hình 13: Khung Energy 30 Hình 14: Khung Hop-Count 30 Hình 15: Khung Throughput 31 Hình 16: Khung Latency .31 Hình 17: Khung ETX .31 Hình 18: Cấu trúc khung Link Color dùng Recorded metric 32 Hình 19: Cấu trúc khung Link Color dùng constraint 32 Hình 20: Ví dụ xây dựng DODAG 32 Hình 21: Khung DODAG configuration .33 Hình 22: RPL Gói tin Information 35 Hình 23:Ví dụ chế “poisoning” .37 Hình 24: Cấu trúc gói tin DAO .38 Hình 25: Cấu trúc khung DAO .39 Hình 26: Định dạng RPL Target option .40 Hình 27: Định dạng Transit Information option 41 Hình 28: RPL Non-storing Mode 43 Hình 29: RPL Storing Mode 44 Hình 30: Cấu trúc gói tin P2P Route Discovery Object(P2P-RDO) 45 ix ... VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 2.1.3 Các ứng dụng mạng. .. dây 2.1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây tập hợp cảm biến phân bố không gian gọi node mạng Các node có khả cảm biến, giám sát tượng vật lý biến đổi môi trường xung quanh... quan mạng cảm biến không dây mạng chiếu sáng công cộng - Chương 3: Định tuyến Multicast - Chương 4: Xây dựng ứng dụng chiếu sáng công cộng sử dụng multicast - Chương 5: Mô topology để mô tả ứng dụng