Thiết bị cảm biến không dây ieee 802 11 mô phỏng mô hình và phân tích tiêu thụ năng lượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐÌNH THI THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHƠNG DÂY IEEE 802.11: MƠ PHỎNG MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2015 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: TS Nguyễn Minh Sơn Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Trần Ngọc Thịnh Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 29 tháng 12 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch: PGS.TS Trần Văn Hoài Thư ký: TS Phạm Quốc Cường Phản biên 1: TS Phạm Hoàng Anh Phản biện 2: TS Bùi Trọng Tú Ủy viên: TS Nguyễn Đức Thái 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………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: NGUYỄN ĐÌNH THI MSHV: 13070264 Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1987 Chuyên ngành: Nơi sinh: Đaklak KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHƠNG DÂY IEEE 802.11: MƠ PHỎNG MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ mơ hình giao tiếp node IEEE802.11 b/g mạng cảm biến khơng dây tính tốn lượng tiêu thụ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/07/2015 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN MINH SƠN PGS.TS.TRẦN NGỌC THỊNH Tp HCM, ngày tháng … năm … CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Nguyễn Minh Sơn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TRƯỞNG KHOA PGS.TS Trần Ngọc Thịnh i LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Sơn PGS.TS.Trần Ngọc Thịnh, Thầy tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình thực đề cương luận văn cao học, tạo điều kiện để tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến Thầy Cô khoa Khoa Học & Kỹ Thuật Máy Tính trường Đại Học Bách Khoa TPHCM Các Thầy Cơ tận tình dạy, trang bị cho kiến thức quý báu suốt thời gian học cao học trường Tôi xin gửi lời cám ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp nơi làm việc động viên tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận văn Mặc dù cố gắng để hoàn thành tốt luận văn phạm vi khả cho phép chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận bảo tận tình q Thầy Cơ bạn Tp HCM, ngày 23 tháng 11 năm 2015 Học viên Nguyễn Đình Thi ii TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, ứng dụng mạng cảm biến áp dụng vào nhiều lĩnh vực sống Từ đó, có nhu cầu phát sinh địi hỏi phải áp dụng vào mạng cảm biến không dây, nhu cầu quan trọng trao đổi liệu lớn với tốc độ cao Như hệ thống chống trộm cho nhà thơng minh ghi hình chụp ảnh phát chuyển động gửi trung tâm xử lý liệu sau thời gian dài nguồn pin kèm theo hệ thống cung cấp điện bị hư hại Từ nảy sinh nhu cầu tạo thiết bị cảm biến có khả truyền tải liệu lớn với tốc độ cao tính tốn thời gian hoạt động thiết bị cảm biến Việc xây dựng triển khai khác mơ hình để thực nghiệm thực tế tốn thời gian chi phí Nghiên cứu luận văn cung cấp giải pháp để giúp tiết kiệm chi phí, dễ dàng đánh giá hiệu mơ hình mạng với node (hay gọi mote) cảm biến IEEE802.11 b/g trước áp dụng vào thực tế: Cung cấp công cụ mô thiết bị cảm biến không dây giao tiếp tốc độ cao theo chuẩn IEEE802.11 b/g mơ hình tính tốn tiêu thụ lượng iii ABSTRACT Nowaday, application of Wireless Sensor Network are become popularity and applied to many fields Then a plenty of new demands in regards to WSNs have arisen and the most important one is the demand for the large data exchange Such as antithief system in smart house can work normally and send the recorded video or image to the processing system whenever the motion event is detected by sensor even main electric system is down for a long time So, the need to create a wireless sensor node which capable of exchange large data at high speed with uptime is estimated in advance The deployment to evaluate the Wireless sensor network model in the real is time consuming and cost The content of this thesis provide a solution to save the time and cost, easy to evaluate the efficiency of network model before apply to real word: provide a simulation tool which capable simulate wireless sensor node IEEE802.11 b/g and modeling enery consumption iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng, ngoại trừ kết tham khảo từ cơng trình khác ghi rõ luận văn, công việc trình bày luận văn tơi thực chưa có phần nội dung luận văn nộp để lấy cấp trường trường khác Tp HCM, ngày 23 tháng 11 năm 2015 Học viên Nguyễn Đình Thi v MỤC LỤC NHỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ .i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC vi DANH MỤC HÌNH .ix CHƯƠNG I GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu giới hạn đề tài 1.3 Phương pháp tiến hành 1.4 Những đóng góp đề tài 1.5 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG II KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN CÔNG CỤ MÔ PHỎNG IEEE 802.11 2.1 Khảo sát hệ điều hành dùng hệ thống nhúng 2.1.1 Contiki 2.1.1.1 Kiến trúc 2.1.1.2 Giao thức kết nối mạng 2.1.2 TyniOS 2.1.2.1 Kiến trúc 2.1.2.2 Giao thức kết nối mạng 2.1.3 LiteOS 2.1.3.1 Kiến trúc 2.1.3.2 Giao thức kết nối mạng 10 2.1.4 Nhận xét 10 2.2 Khảo sát công cụ mô WSN 11 2.2.1 NS-2 12 2.2.1.1 Ưu điểm: 12 2.2.1.2 Hạn chế: 13 2.2.2 TOOSIM 13 2.2.2.1 Ưu điểm: 14 2.2.2.2 Hạn chế: 14 2.2.3 GLoMoSim 14 2.2.3.1 Ưu điểm 15 2.2.3.2 Hạn chế: 15 2.2.4 COOJA (COntiki Os Java) / MSPSim Simulator 15 2.2.4.1 Ưu điểm: 15 vi 2.2.5 OMNeT++ thư viện mô 16 2.2.5.1 Ưu điểm: 16 2.3 Kết luận 16 CHƯƠNG III MÔ PHỎNG GIAO TIẾP IEEE 802.11 B/G VỚI COOJA – CONTIKI 18 3.1 Mơ hình tổng qt truyền nhận liệu chuẩn Zigbee IEEE802.15.4 Wismote platform 18 3.2 Xây dựng mơ hình tổng qt truyền nhận liệu tích hợp module sensor node IEEE 802.11 b/g với Contiki 21 3.3 Hiện thực mô giao tiếp sensor node IEEE802.11 b/g Cooja 22 3.3.1 Cấu hình Network Stack hỗ trợ IEEE 802.11 b/g 23 3.3.2 Mô tốc độ truyền IEEE802.11 b/g 23 3.3.3 Truyền liệu lớn (large data) với IEEE802.11 25 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG CHO SENSOR NODE IEEE 802.11 B/G 29 4.1 Mơ hình lượng node IEEE802.11 b/g 29 4.1.1 Mơ hình lượng tiêu thụ vi điều khiển 31 4.1.2 Mơ hình lượng IEEE 802.11 b/g truyền nhân liệu 33 4.1.3 Mơ hình tiêu thụ lượng cảm biến 35 4.1.4 Tính toán lượng tiêu thụ với thư viện energest 36 4.1.5 Giải thuật tiết kiệm lượng đề xuất cho sensor node IEEE802.11 phân tích kết 40 4.1.5.1 Điều kiện mô 41 4.1.5.2 Mô mơ hình truyền liệu unicast 43 4.1.5.3 Mơ hình truyền liệu theo giao thức multi-hop 46 4.1.5.4 Nhận xét 48 CHƯƠNG V KẾT LUẬN 50 5.1 Tổng kết 50 5.2 Hạn chế 50 5.3 hướng phát triển luận văn 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 56 QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO 57 QÚA TRÌNH CƠNG TÁC 58 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng tóm tắt so sánh hệ điều hành WSN 11 Bảng 2: Bảng tóm tắt so sánh công cụ mô WSN 17 Bảng 3: So sánh đặc điểm phần cứng sensor node IEEE802.11 b/g Wismote IEEE802.15.4 18 Bảng 4: Cấu hình lại Memory map cho MSP430F5437 27 Bảng 5: Cấu hình frame truyền liệu cho IEEE 802.11b/g 28 Bảng 6: Ví dụ cơng suất tiêu thụ thành phần cảm biến 38 Bảng 7: Bảng lượng tiêu thụ thành phần chế độ hoạt động 42 Bảng 8: Frame format liệu mô 43 Bảng 9: Đặc điểm node mô unicast 44 Bảng 10: Đặc điểm mô multi-hop 47 viii ... TÀI: THIẾT BỊ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY IEEE 802. 11: MÔ PHỎNG MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH TIÊU THỤ NĂNG LƯỢNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mơ mơ hình giao tiếp node IEEE8 02 .11 b/g mạng cảm biến không dây tính tốn lượng. .. hình phân tích tiêu thụ lượng để đánh giá mức tiêu hao lượng cho thiết bị cảm biến không dây IEEE 802. 11 b/g (IEEE 802. 11 b/g sensor node) công cụ mô phỏng, để từ đánh giá xây dựng IEEE 802. 11. .. MƠ HÌNH TÍNH TỐN NĂNG LƯỢNG CHO SENSOR NODE IEEE 802. 11 B/G 29 4.1 Mơ hình lượng node IEEE8 02 .11 b/g 29 4.1.1 Mơ hình lượng tiêu thụ vi điều khiển 31 4.1.2 Mơ hình lượng IEEE