Giải pháp giám sát và cảnh báo hoạt động của trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây

Bộ giáo dục đào tạo Trờng Đại học bách khoa Hà nội -DƯƠNG KIM THANH GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM VIỄN THễNG DNG MNG CM BIN KHễNG DY Luận Văn Thạc sü khoa häc NGÀNH: KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN KIM KHÁNH HÀ NỘI 2011 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây MỤC LỤC MỤC LỤC Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Danh sách thuật ngữ viết tắt LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 12 TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 12 2.1 Giới thiệu chung mạng cảm biến không dây 12 2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây 12 2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 13 2.2 Cấu trúc node cảm biến không dây 14 2.2.1 Phần cứng 14 2.2.2 Phần mềm 17 2.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18 2.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 19 CHƯƠNG 21 CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4 21 3.1 Mạng không dây WPAN 21 3.1.1 Khái niệm mạng WPAN 21 3.1.2 Phân loại chuẩn mạng WPAN 21 3.2 Các công nghệ cảm biến không dây 22 3.2.1 Chuẩn Bluetooth 22 3.2.2 Chuẩn ZIGBEE 22 3.2.3 Đánh giá lựa chọn công nghệ 23 3.3 Chuẩn ZigBee 25 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thơng dùng mạng cảm biến khơng dây 3.3.1 Mơ hình giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4 25 3.3.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 26 3.3.3 Tầng điều khiển liệu ZigBee/IEEE802.15.4 MAC 27 3.3.4 Tầng mạng bảo mật ZigBee/IEEE 802.15.4 35 3.3.5 Tầng ứng dụng 39 3.3.6 Phân loại thiết bị theo ZigBee 39 3.3.7 Cấu hình mạng ZigBee 40 CHƯƠNG 42 GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CHO TRẠM VIỄN THÔNG DÙNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 42 4.1 Khảo sát thực tế 43 4.1.1 Giới thiệu chung trạm viễn thông 43 4.1.2 Các thông số cần giám sát trạm viễn thông 43 4.1.3 Tình hình 44 4.2 Đề xuất mơ hình giải pháp 46 4.3 Phân tích thiết kế hệ thống 49 4.3.1 Biểu đồ phân cấp chức năng: 49 4.3.2 Các trình thu thập xử lý thông tin 50 4.3.2.1 Quá trình đăng nhập mạng node: 50 4.3.2.2 Q trình cập nhật thơng tin node 51 4.3.2.3 Quá trình lấy thơng tin từ node .52 4.3.2.4 Thay đổi cầu hình cài đặt node mạng 53 4.3.2.5 Điều khiển hệ thống .53 4.3.2.6 Hiển thị thông tin 54 4.3.3 Kết luận 55 CHƯƠNG 56 PHẦN MỀM VÀ KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 56 5.1 Giới thiệu phần mềm mô 56 * NS-2 56 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây * OPNET 57 * WSNET 57 * Đánh giá lựa chọn phần mềm 58 5.2 Phần mềm WSNET 59 5.3 Lập trình mơ tốn 62 5.3.1 Lập file cấu hình: 62 5.3.2 Các module phát triển thêm: 63 5.3.3 Kịch thử nghiệm: 64 5.4 Kết mô 69 CHƯƠNG 70 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 6.1 Kết quả, đánh giá kết đạt 70 6.2 Hướng phát triển 71 Tài liệu tham khảo 72 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây Danh mục hình vẽ Hình 1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 13 Hình 2: Cấu trúc phần cứng node cảm biến không dây 14 Hình 3: Cấu trúc phần cứng phần mềm node cảm biến không dây .17 Hình 4: Cấu trúc mạng cảm biến thơng thường .18 Hình 5: Mơ hình giao thức ZigBee 25 Hình : Cấu trúc khung lớp vật lý theo chuẩn IEEE 802.15.4 .27 Hình 7: Tần số kênh truyền theo chuẩn ZigBee 27 Hình 8: Định dạng siêu khung 28 Hình 9: Liên lạc đến thiết bị điều phối mạng không hỗ trợ beacon 30 Hình 10: Liên lạc đến thiết bị điều phối mạng có hỗ trợ beacon 31 Hình 11: Liên lạc từ thiết bị điều phối mạng khơng hỗ trợ beacon .32 Hình 12: Liên lạc từ thiết bị điều phối mạng có hỗ trợ beacon 33 Hình 13: Định dạng khung tầng MAC .35 Hình 14: Định dạng khung tầng mạng 35 Hình 15: Định dạng tuyến đường giao thức AODV .36 Hình 16: Các loại topo mạng ZigBee 40 Hình 17: Mơ hình cảnh báo giám sát tập hợp trạm viễn thơng 47 Hình 18: Mơ hình cụ thể mạng cảm biến trạm 47 Hình 19: Biểu đồ phân cấp chức 49 Hình 20: Quá trình đăng nhập mạng Node 50 Hình 21: Q trình cập nhật thơng tin node 51 Hình 22: Quá trình lấy thông tin từ node .52 Hình 23: Quá trình thay đổi cấu hình cài đặt Node 53 Hình 24: Quá trình điều khiển cấu chấp hành node 54 Hình 25: Q trình hiển thị thơng tin 55 Hình 26: Cấu trúc Node cảm biến mô WSNET 59 Hình 27: Giao diện phần mềm WsnetStudio 61 Hình 28: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức ZigBee ứng với 50 node 64 Hình 29: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức ZigBee ứng với 25 node 65 Hình 30: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức flooding ứng với 50 node 66 Hình 31: Sơ đồ lắp đặt cảm biến trạm (số node 25 50) 68 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây Danh mục bảng biểu Bảng So sánh công nghệ 24 Bảng Băng tần tốc độ liệu 26 Bảng Kênh truyền tần số 26 Bảng Các thư viện hỗ trợ WSNET 60 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây Danh sách thuật ngữ viết tắt Từ viết tắt Viết đầy đủ Ý nghĩa ACK Acknowledgment Sự xác nhận AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa nâng cao AODV Ad-hoc On Demand Distance Định tuyến vectơ khoảng cách Vector dựa yêu cầu mạng ad-hoc API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface BI Beacon interval Khoảng thời gian mốc beacon BTS Base transceiver station Trạm thu phát gốc CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Điều khiển đa truy nhập tránh Collision Avoidance đụng độ CAP Contention access period Giai đoạn tranh chấp truy cập CFP Contention free period Giai đoạn gian tranh chấp tự ED Energy Detection Phát lượng FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lượng liên kết FFD Full Funtion Device Thiết bị có đầy đủ chức MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền MFR MAC Footer Phần cuối tầng MAC MHR MAC Header Phần đầu tầng MAC NWK Network Layer Tầng mạng PHR Physical Header Phần đầu tầng vật lý PHY Physical Layer Tầng vật lý Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây PPDU Physical Protocol Data Đơn vị liệu giao thức tầng vật Unit lý RREP Route Reply Packet Gói tin trả lời đường RREQ Route Request Yêu cầu đường RFD Reduced Function Device Thiết bị có chức rút gọn WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây ZDO Zigbee Device Objects Đối tượng thiết bị Zigbee Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây LỜI NĨI ĐẦU Sự phát triển Internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến kỹ thuật tạo điều kiện cho hệ cảm biến với giá thành thấp, khả triển khai quy mô lớn với độ xác cao ngày phát triển Trong công nghiệp sống, nhu cầu việc sử dụng cảm biến để phục vụ cảnh báo, giám sát hay thu thập số liệu lớn Những hệ thống giúp ích cho người nhiều sống, nâng cao suất, giải phóng sức lao động, chí giúp người khỏi nhiệm vụ nguy hiểm có hại Để thực nhiệm vụ giám sát bảo vệ, có nhiều cách để thiết lập mạng Có thể dùng mạng cảm biến có dây, nhiên mạng có dây có nhược điểm phải dây gây mỹ quan khó triển khai nhà trạm có sẵn Một nhược điểm lớn mạng có dây tiêu tốn nhiều lượng Giải pháp đưa sử dụng mạng cảm biến không dây Trong phạm luận văn mình, hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh, chọn nghiên cứu đề tài “Giải pháp giám sát cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây” Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh, người tận tâm hướng dẫn, định hướng cho tơi suốt q trình thực luận văn Xin cảm ơn thầy cô Viện Công nghệ thông tin Viện Đào tạo sau đại học giảng dạy truyền thụ kiến thức cho tơi suốt q trình học tập Tơi xin gửi lời cảm ơn tới tất người thân bạn bè động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Học viên Dương Kim Thanh Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây CHƯƠNG PHẦN MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học công nghệ, cảm biến không dây ngày phát triển phục vụ nhu cầu người Trong công nghiệp sống, nhu cầu việc sử dụng cảm biến để phục vụ cảnh báo, giám sát hay thu thập số liệu lớn Những hệ thống giúp ích cho người nhiều sống, giải phóng sức lao động, chí giúp người khỏi nhiệm vụ nguy hiểm có hại Một số hệ thống dùng cảm biến như: Hệ thống giám sát điều khiển cảnh báo tịa nhà, nhà máy cơng nghiệp; Hệ thống giám sát giao thông; Hệ thống giám sát môi trường; Hệ thống theo dõi sức khỏe… Trên giới nói chung đặc biệt Việt Nam, hệ thống giám sát điều khiển dùng phổ biến sử dụng mạng cảm biến có dây Nhưng năm gần đây, mạng cảm biến không dây bắt đầu sử dụng phổ biến, có nhiều tổ chức nghiên cứu đưa chuẩn dùng chung Trong mạng có dây, liệu quan sát thu nhận nối mạng với nối với trung tâm để xử lý Các cảm biến kết nối có dây thơng qua giao diện RS232/485/USB/COM Giải pháp sử dụng mạng có dây có độ ổn định, phát triển, sử dụng kiểm nghiệm thời gian dài Tuy nhiên, công nghệ có nhược điểm định Việc dùng cảm biến có dây làm tiêu tốn lượng lớn công suất, thường phải dùng nguồn điện lưới Các node cảm biến có dây thường có kích thước lớn, gây mỹ quan Bên cạnh đó, việc triển khai lắp đặt địa hình phức tạp khu nhà xây dựng sẵn, ví dụ đài trạm viễn thơng, nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện, trường học … có khó khăn Đối với mạng có số lượng node lớn, dùng mạng có dây khơng linh họat, u cầu khả tính toán tài nguyên node mạng tương đối lớn Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây dây Mục tiêu cung cấp khả mở rộng module, thử nghiệm giao thức mới, thử nghiệm mơ hình phần cứng với khả mơ truyền sóng RF xác Wsnet cung cấp khả mô sau: - Mô nút mạng - Mô môi trường xung quanh nút mạng - Mô môi trường truyền Ưu điểm: Đây phần mềm mã nguồn mở viết riêng để mô mạng không dây Dùng phần mềm này, người sử dụng chủ động việc phát triển ứng dụng theo ý muốn Các module phát triển nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp với module sẵn có WSNET, để tạo nên phần mềm mơ có khả ứng dụng lớn, thực kịch mà người sử dụng đặt Nhược điểm: Đang trình phát triển sản phẩm, chưa hỗ trợ nhiều module * ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHẦN MỀM Trong chương trình WSNET có ưu điểm: - Phát triển module theo yêu cầu riêng biệt người sử dụng Các module phát triển thêm tích hợp dễ dàng với module sẵn có, tạo khả mơ kịch theo yêu cầu người sử dụng - Mặc dù đời sau muộn phần mềm mô giới thiệu trước đây, phần mềm mơ thiết kế trực tiếp để mô mạng cảm biến không dây Với mục đích mơ việc truyền, nhận liệu để mô mạng giám sát cảnh báo, nhận thấy, phần mềm WSNET phù hợp với mục đích Chính vậy, tơi chọn phần mềm để mơ tốn đặt 58 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 5.2 PHẦN MỀM WSNET * Các đặc tính phần mềm mơ WSNET: - Mơ hồn chỉnh node mạng: Mỗi node mạng có khối chức tham chiếu theo mơ hình lớp OSI WSNET linh hoạt, cho phép node mạng có nhiều khối chức khác Cho phép người sử dụng tạo nhiều giao thức tầng Các khối chức node mạng gồm: Antenna, Radio Transmission, MAC, Routing, Application, energy mobility Dưới ví dụ khối chức lắp ghép để tạo thành node mạng hoàn chỉnh Người sử dụng thiết lập cách thay đổi file cấu hình chương trình mơ Hình 26: Cấu trúc Node cảm biến mô WSNET - Mô môi trường xung quanh nút mạng WSNET cho phép người sử dụng mô tượng vật lý liên quan đến node mạng như: nhiệt độ, độ ẩm, tượng cháy… - Mô môi trường truyền WSNET cho phép người sử dụng mô môi trường truyền khác nhau, kiểu điều chế kiểu truyền sóng khác 59 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây - Trong q trình mơ phỏng, thời gian nút bắt đầu hoạt động cấu hình được, không thiết phải trùng với thời gian bắt đầu mô Tương tự vậy, thời điểm nút ngừng hoạt động khơng cố định, phụ thuộc vào thơng tin lượng cịn lại nút, tác động yếu tố môi trường xung quanh, ví dụ nhiệt độ * Các khối chức hỗ trợ WSNET dạng thư viện: Model Các thư viện hỗ trợ WSNET Radio propagation file static, disk model (range), free space, tworay ground, lognormal shadowing, rayleigh fading, ITU indoor model, nakagami fading Interferences none, orthogonal, factor Modulation none, step, bpsk, oqpsk, mqam Antenna omnidirectional Mobility static, file static, billiard, torus central, torus plane, teleport Battery/energy linear Environment fire Monitor nodes, nrj Radio half1d, 802.15.4 868MHz bpsk, 802.15.4 902MHz bpsk,802.15.4 2400MHz oqpsk MAC 802.11 DCF, 802.15.4 868MHz bpsk, 802.15.4 902MHz bpsk,802.15.4 2400MHz oqpsk, B-MAC, Ideal MAC Routing greedy geographic, file static Application CBR, CBR_v2, Hello protocol, GHT, LBDD, XY, Data_Sink,Data_Source, GOSSIP, BMAC application sample Bảng Các thư viện hỗ trợ WSNET 60 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây * Cải tiến mở rộng phần mềm: Phần mềm Wsnetstudio Phần mềm WsnetStudio phát triển nhằm hỗ trợ giao diện đồ họa cho phần mềm Wsnet, phần mềm cho phép tạo chỉnh sửa đồ hình mạng sử dụng giao diện đồ họa Sau sử dụng file log sinh từ phần mềm Wsnet để mơ tả lại q trình mơ người dùng dễ dàng việc quan sát đường gói tin phân tích gói tin với giao diện trực quan Người dùng quan sát gói tin chế độ chạy đầy đủ chạy gói tin Trong q trình chạy lại, người dùng dễ dàng click lên gói tin để xem chi tiết thơng tin trường gói tin, thay đổi tốc độ mơ gói tin cách di chuyển slide bar, xem mơ tả trực tiếp gói tin cửa sổ textbox góc bên phải hình, điều khiển tạm dừng, tiếp tục chạy mơ Hình 27: Giao diện phần mềm WsnetStudio Lập file cấu hình phát triển thêm module - Lập file cấu hình - Các module mơ thơng tin môi trường module giám sát chuyển động - Module xử lý thông tin thông tin vượt ngưỡng giám sát 61 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây - Module giao thức định tuyến ZigBee - Module ghi lại nhật ký hoạt động - Module phân tích gói tin phân tích thơng tin lượng - Đọc kết 5.3 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG BÀI TỐN Phạm vi mơ phỏng: Để thực việc mơ q trình giám sát cảnh báo hoạt động trạm viễn thông, cần giám sát nhiều thông số: báo nhiệt độ, cảnh báo độ ẩm, cảnh báo đột nhập, cảnh báo giám sát trạng thái vật lý đường truyền, giám sát lưu lượng tải đường truyền… Nhưng luận văn này, tác giả đưa số thông số để giám sát cảnh báo (bao gồm thông số: giám sát nhiệt độ, độ ẩm, đột nhập….) để đánh giá hoạt động công nghệ ZigBee Qua đó, đánh giá phần định tuyến phần tiêu hao lượng chuẩn giao tiếp ZigBee lựa chọn so với chuẩn khác 5.3.1 Lập file cấu hình: Sử dụng LIB hỗ trợ WSNET module phát triển thêm Các thông số đặt sau: - Interferences: None - Điều chế: OQPSK - Anten: Omnidirectional - Kiểu di chuyển node: static - Năng lượng pin: energy_linear Lấy lượng ban đầu 400.000.000 đơn vị Khi truyền gói tin node tiêu tốn 0,02 đơn vị lượng Khi nhận gói tin, node tiêu tốn 0,01 đơn vị lượng - Mơi trường truyền sóng: 802.15.4 2400MHz - Tầng Mac: 802.15.4 2400MHz - Tầng định tuyến: Zigbee 62 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây - Mô với số lượng node 25 50 node - Kích thước nhà trạm mô 50m2 - Nhiệt độ lấy ngẫu nhiên dải 150C đến 500C - Sự kiện chuyển động lấy ngẫu nhiên 5.3.2 Các module phát triển thêm: * Môi trường: Module mô thông tin môi trường Các cảm biến sinh kiện ngẫu nhiên mô thay đổi nhiệt độ độ ẩm - Thông số nhiệt độ: Thông số tuỳ chỉnh ngẫu nhiên dải từ 150C đến 500C Khi nhiệt độ lớn 250C, module phát cảnh báo đưa trung tâm - Thông số độ ẩm: Thông số tuỳ chỉnh ngẫu nhiên dải từ < 95% Khi độ ẩm lớn dải này, module phát cảnh báo đưa trung tâm * Module giám sát chuyển động: Module sinh kiện ngẫu nhiên, mơ q trình phát sinh chuyển động khu vực giám sát Khi phát sinh chuyển động, module phát cảnh báo đưa trung tâm * Module định tuyến ZigBee - Định dạng bảng tin dò đường ZigBee Src Add Broadcast Src seq ID num Dest Dest Add seq num - Src Add: Địa node nguồn - Broadcast ID: Số ID quảng bá tìm đường - Src seq num: Số chuỗi nguồn - Dest Add: Địa node đích - Dest seq num: Số chuỗi đích - Hop cnt: Số bước nhảy * Định dạng Bảng định tuyến Dest Add Next hop Add 63 Trạng thái Hop cnt Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây - Dest Add: địa node đích (hoặc node cha nó) - Next hop Add: địa node để đến node đích - Trạng thái: Một giá trị: Hoạt động, dị đường, khơng hoạt động * Module ghi lại hoạt động thành phần: Phát triển hàm log để ghi lại hoạt động Khi muốn ghi lại hoạt động, ta việc gọi hàm Nếu khơng cần thiết, huỷ dịch vụ cách gọi hàm huỷ * Module tính tốn phân tích gói tin lượng * Đọc kết quả: Xây dựng file count.py để đọc kết muốn truy cập 5.3.3 Kịch thử nghiệm: 1) Mô việc gửi nhận liệu dùng định tuyến ZigBee flooding Định nghĩa: - tx: số gói tin phát tầng ứng dụng - rx: số gói tin nhận tầng ứng dụng - forward: số gói tin chuyển tiếp node - discard: số gói tin bị huỷ (bao gồm số gói tin bị huỷ loopback looplimit) - loopback: số gói tin chạy vịng mạng - looplimit: số gói tin vượt giới hạn số node trung gian * Thống kê số gói tin giao thức định tuyến Zigbee, với số lượng node 50 Thống kê gói tin Số lượng gói tin 40000 30000 20000 50 node 10000 50 node tx rx forward discard 6758 6758 30120 1000 Loại gói tin Hình 28: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức ZigBee ứng với 50 node mạng 64 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây Theo đồ thị này, ta nhận thấy rằng: - Số gói tin nhân khơng bị so với số gói tin phát - Số gói tin chuyển tiếp qua node mạng để đến đích gấp 4,5 lần so với số gói tin gửi - Số gói tin bị hủy 1/6 so với số gói tin gửi * Thống kê số gói tin giao thức định tuyến Zigbee, với số lượng node 25 Thống kê gói tin Số lượng gói tin 25000 20000 15000 25 node 10000 5000 25 node tx rx forward discard 3520 3515 20780 785 Loại gói tin Hình 29: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức ZigBee ứng với 25 node mạng Theo đồ thị này, ta nhận thấy rằng: - Số gói tin nhân khơng bị so với số gói tin phát - Số gói tin chuyển tiếp qua node mạng để đến đích gấp 5,9 lần so với số gói tin gửi - Số gói tin bị hủy 1/5 so với số gói tin gửi 65 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây * Thống kê số gói tin giao thức định tuyến flooding, với số lượng node 50 Thống kê gói tin Số lượng gói tin 2000000 1500000 1000000 50 node 500000 50 node tx rx forward discard 6758 5758 1574000 12358 Loại gói tin Hình 30: Biểu đồ thống kê số gói tin giao thức flooding ứng với 50 node mạng Theo đồ thị này, ta nhận thấy rằng: - Số gói tin nhân bị 15% so với số gói tin phát - Số gói tin chuyển tiếp qua node mạng để đến đích gấp 232 lần so với số gói tin gửi - Số gói tin bị hủy gấp 1,8 lần so với số gói tin gửi * Kết luận: So sánh giao thức ZigBee với giao thức flooding, ta thấy: - Giao thức Zigbee không bị gói tin giao thức flooding - Gói tin chuyển tiếp giao thức ZigBee nhỏ hơn, 2% so với số lượng gói tin chuyển tiếp giao thức flooding - Gói tin huỷ tiếp giao thức ZigBee nhỏ hơn, 9% so với số lượng gói tin bị hủy giao thức flooding Điều cho thấy, dùng giao thức định tuyến ZigBee hiệu việc truyền nhận liệu 66 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 2) Phân tích lượng node dùng giao thức định tuyến giao thức ZigBee giao thức flooding - Sau thời gian mô 10 ngày, lượng suy giảm node dùng giao thức định tuyến Zigbee 11%, giao thức định tuyến flooding 38% * Kết luận: Khi dùng Zigbee, node tiết kiệm nhiều lượng so với dùng giao thức flooding 3) Mô việc gửi nhận liệu, tập trung xử lý liệu trung tâm Kịch sau: * Mơ trạm viễn thơng có quy mơ sau: Trạm có diện tích 50m2, chia làm phịng máy Trong có đặt 25 node cảm biến: có nút mạng trung tâm, thu nhận thông tin chuyển trung tâm điều khiển thông qua mạng Internet 23 node cảm biến thông thường để thu nhập liệu gửi vể (cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, di chuyển, báo cháy) 67 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây Hình 31: Sơ đồ lắp đặt cảm biến trạm (số node 25 50) - Mỗi node cảm biến đặn gửi liệu trung tâm - Nếu thông số (nhiệt độ, độ ẩm, ) không nằm giới hạn cho phép Ỉ phát cảnh báo Có kết nối tới cảnh báo chuông kêu - Cảm biến báo cháy gửi liệu trung tâm có gia tăng nhiệt độ có khói phịng máy - Cảnh báo chuyển động gửi liệu trung tâm có kiện xảy (có người vật đột nhập vào phịng máy) có kết nối tới cảnh báo chuông - Các nút mạng cảm biến yêu cầu gửi liệu trung tâm thời điểm - Lưu liệu vào file 68 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến khơng dây 5.4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Đánh giá tối ưu giao thức định tuyến ZigBee giao thức khác - Khi theo dõi thống kê gói tin tầng ứng dụng, ta thấy rằng: Giao thức Zigbee khơng bị gói tin giao thức flooding - Khi theo dõi thống kê gói tin phần định tuyến, thấy rằng: - Gói tin chuyển tiếp giao thức ZigBee nhỏ hơn, 2% so với số lượng gói tin chuyển tiếp giao thức flooding - Gói tin huỷ tiếp giao thức ZigBee nhỏ hơn, 9% so với số lượng gói tin bị hủy giao thức flooding Kiểm tra điều khiển Server xảy cảnh báo Dưới sơ đồ bố trí nút mạng trạm - Các nút màu xanh nút cảm biến thu nhận thông tin môi trường gửi trung tâm - Nút màu đỏ node mạng trung tâm (bộ điều phối) - Nút màu vàng mô đèn cảnh báo Khi có kiện cảnh báo xảy ra, nút màu vàng bật sáng phát tiếng bip Các gói tin liệu gửi đặn trung tâm phút/1 tin Khi phát thơng số vượt ngưỡng, đèn cảnh báo màu vàng bật phát tiếng kêu bip Kiểm tra thời gian sống pin (sự suy hao lượng node) Sau thời gian mô 10 ngày, lượng suy giảm node dùng giao thức định tuyến Zigbee 11%, giao thức định tuyến flooding 38% 69 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây CHƯƠNG KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC Kết sau q trình nghiên cứu: • Nghiên cứu mạng cảm biến không dây - Một số công nghệ cảm biến không dây lượng thấp - Công nghệ ZigBee - Đánh giá lựa chọn công nghệ, chọn ZigBee cho giải pháp cảnh báo giám sát • Trên sở tìm hiểu cơng nghệ ZigBee, đưa giải pháp giám sát cảnh báo cho trạm viễn thông • Tìm hiểu tình hình thực tế Xây dựng mơ hình cụ thể dùng mạng cảm biến khơng dây để cảnh báo giám sát hoạt động trạm viễn thơng nói riêng mơ hình khơng gian thơng minh nói chung Xây dựng mơ hình trao đổi thơng tin node với • Mơ trình cảnh báo giám sát - Tìm hiểu phần mềm mô nay: NS, Opnet, WSNET - Đánh giá lựa chọn phần mềm mô để mơ q trình cảnh báo giám sát • Chạy thành cơng chương trình mơ WSNET hệ điều hành Linux Xây dựng kịch truyền tin node mạng Viết thành công modul định tuyến Zigbee, định tuyến flooding, thay đổi điều kiện nhiệt độ, độ ảnh, đột nhập cảnh báo vượt ngưỡng Các module phân tích gói tin ghi nhật ký hoạt động • Kết hợp thông số giám sát, gửi trung tâm 70 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở vấn đề tồn khả phát triển đề tài, tiếp tục nghiên cứu phát triển nội dung sau: Trên sở thiết kế đặt ra, tơi tiếp tục hồn thiện thiết bị giám sát cảnh báo thực tế Từ biểu đồ phân cấp chức năng, q trình trao đổi thơng tin node, thiết kế phần mềm cho IC VXL Hoàn thiện phần cứng giám sát cảnh báo Hoàn thiện phần quản lý giám sát, giúp cho việc quản lý tập trung đồng bộ, xử lý kịp thời cảnh báo Với phát triển mạng mạng WIFI, đặc biệt định hướng VNPT việc phát triển điểm truy nhập khơng dây, thế, hướng phát triển đề tài Gateway giao tiếp khơng dây với theo chuẩn Wifi Lúc đó, hệ thống giám sát cảnh báo trạm viễn thông hoạt động độc lập với hạ tầng mạng Bất kỳ cố xảy không ảnh hưởng đến việc truyền thông node với Vì module cảnh báo giám sát độc lập Phần điều khiển thay đổi, nên đề tài áp dụng nhiều lĩnh vực Trên sở đề tài này, ứng dụng cảnh báo giám sát thực dân dụng (nhà ở, khu dân cư, cửa hàng) công nghiệp (các nhà máy, văn phịng)….Thực tế, áp dụng nhiều lĩnh vực, đươc gọi mơ hình khơng gian thơng minh Với nỗ lực thân, động viên gia đình bè bạn, đặc biệt tận tình hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Kim Khánh, tơi hồn thành u cầu đặt ban đầu luận văn Trong thời gian tới, hy vọng tiếp tục phát triển thêm đề tài, để đạt kết tốt Vì kiến thức đề tài rộng, mong nhận ý kiến đóng góp để tiếp tục phát triển đề tài, giúp đưa ứng dụng cảnh báo giám sát vào thực tiễn hoạt động đài trạm viễn thông Tiến tới, áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác 71 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây Tài liệu tham khảo Anna Hác (2003).Wireless Sensor Network Designs.John Wiley & Sons, Inc Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007) Wireless Sensor Network Technology, Protocol and Application John Wiley & Sons, Inc Marko Korkalainen, Mikko Sallinen, Niilo Kärkkäinen, Pirkka Tukeva, (2009), Survey of Wireless Sensor Networks Simulation Tools for Demanding Applications Pham Van Thuan (2009), Otimazing routing protocol for Wireless Sensor Network, Ha Noi University of Science and Technology Sinem Coleri Ergen (September 10, 2004), ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary WSNET - An event-driven simulator for large scale wireless sensor networks Monitoring & control system –AMC (2009), Viteco Company 72 ... 41 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây CHƯƠNG GIẢI PHÁP GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO CHO TRẠM VIỄN THÔNG DÙNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sử dụng mạng cảm biến. .. đưa đưa giải pháp giám sát cảnh báo cho trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 42 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 4.1 KHẢO SÁT THỰC TẾ... thường node xử lý mạng 17 Giải pháp giám sát, cảnh báo hoạt động trạm viễn thông dùng mạng cảm biến không dây 2.3 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Hoạt động mạng cảm biến không dây mô tả tổng quát