Nghiên cứu hệ điều hành mã nguồn mở contiki cho mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong hệ thống nông nghiệp chính xác tại lào

i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Homenabounlat Chanh, học viên lớp cao học K17 – Khoa học máy tính – Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu hệ điều hành mã nguồn mở Contiki cho mạng cảm biến không dây ứng dụng hệ thống nơng nghiệp xác Lào” Thầy giáo TS Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, cơng trình nghiên cứu thân thực hiện, dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, năm 2020 Học viên Homenabounlat Chanh ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, suốt q trình thực đề tài nghiên cứu, nhận quan tâm giúp đỡ của: Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS Vũ Chiến Thắng, giúp đỡ tận tình phương hướng phương pháp nghiên cứu hồn thiện luận văn Các thầy, giáo khoa Công nghệ thông tin, Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất giúp đỡ quý báu Thái Nguyên, năm 2020 Học viên Homenabounlat Chanh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU xi Chương TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 1.2 Những thách thức mạng cảm biến không dây 1.2.1 Những thách thức cấp độ nút 1.2.2 Những thách thức cấp độ mạng 1.2.3 Sự chuẩn hóa 1.2.2 Khả cộng tác 1.3 Kiến trúc ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây 1.3.1 Lớp vật lý 1.3.2 Lớp liên kết liệu 1.3.3 Lớp mạng 10 1.3.4 Lớp giao vận 11 1.3.5 Lớp ứng dụng 11 1.4 Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây 12 1.4.1 Mơ hình truyền thơng mạng cảm biến không dây 12 1.4.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây 14 1.5 Cấu trúc phần cứng nút cảm biến không dây 21 1.6 Phần mềm cho nút mạng cảm biến không dây 23 1.6.1 Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 24 1.6.2 Những thách thức ảnh hưởng đến việc thiết kế hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 24 1.7 Kết luận chương 25 Chương HỆ ĐIỀU HÀNH MÃ NGUỒN MỞ CONTIKI 26 2.1 Giới thiệu hệ điều hành Contiki 26 2.2 Cấu trúc hệ điều hành Contiki 27 52 Hình 3.9: Quá trình xử lý số kiện giao thức CTP 53 Các tin điều khiển: Khi nút nhận tin điều khiển (hình 3.10) thì: Nút lân cận gửi tin điều khiển kiểm tra lại bảng định tuyến Nếu nút lân cận chưa có bảng định tuyến thêm vào bảng định tuyến Nếu nút có bảng định tuyến giá trị rtmetric cập nhật bảng định tuyến Nếu bảng định tuyến đầy nút lân cận có bảng định tuyến bị loại bỏ thay vào nút lân cận Nút lân cận xác định nút có thước đo định tuyến (rtmetric) đến sink lớn lớn rtmetric nút thêm vào Nút nhận tin điều khiển cập nhật giá trị rtmetric Hình 3.10: Lưu đồ thuật tốn Thêm/Cập nhật rtmetric nút lân cận 3.5 Mô hệ thống thu thập liệu nơng nghiệp xác với cơng cụ mô Cooja Trong phần này, tác giả đánh giá giao thức CTP dựa mô Tác giả sử dụng phần cứng Tmote Sky tích hợp sẵn công cụ mô Cooja 54 3.5.1 Công cụ mô Cooja COOJA [15] (Contiki OS Java) công cụ mô mạng cảm biến không dây xây dựng hệ điều hành Contiki Contiki tích hợp vào Cooja (Contiki-2.7/Tools/Cooja), chương trình viết Java cho phép biên dịch mô node cảm biến viết ngôn ngữ C Nó hỗ trợ người dùng platform node điều quan trọng thiết bị hồn tồn thêm vào người sử dụng Cooja có giao diện đơn giản, thân thiện dễ sử dụng cho phép người sử dụng tiến hành mô phỏng, thay đổi thông số vị trí, phạm vi kết nối, tỉ lệ truyền gói thành cơng… Nhờ người dùng mô đánh giá kết cách hiệu Bên cạnh đó, cooja cịn cung cấp Plugin để theo dõi kiện mạng Mote Output, Timeline, … Hình 3.11: Cơng cụ mơ Cooja 3.5.2 Mơ hình nhiễu Cooja Trong mạng không dây, kênh truyền thông vô tuyến chia sẻ truyền dẫn mạng chịu ảnh hưởng nhiễu Một nút khơng nhận 55 xác tin gửi từ nút liền kề đồng thời khác gần có truyền dẫn Mơ hình nhiễu diễn tả truyền dẫn đồng thời mạng ảnh hưởng đến Nhiễu tượng phức tạp với nhiều đặc điểm khó nắm bắt Ví dụ, tín hiệu ảnh hưởng đến có tượng truyền sóng vơ tuyến đa đường Mơ hình nhiễu chấp nhận sử dụng rộng rãi nhà nghiên cứu lý thuyết thông tin mơ hình vật lý hay mơ hình SINR (Signal-to-Interference Plus Noise) Trong mơ hình này, tỷ lệ tiếp nhận thành công tin phụ thuộc vào cường độ tín hiệu nhận được, mức độ tạp âm xung quanh nhiễu gây truyền dẫn đồng thời nút mạng Mơ hình SINR: Gọi cơng suất tín hiệu nhận nút biểu thị nhiễu sinh nút khác, mức công suất tạp âm mơi trường xung quanh Khi đó, nút nhận truyền dẫn khi:   (3.1) Trong đó:  độ nhạy thu (phụ thuộc vào phần cứng) biểu thị tỷ lệ tín hiệu nhiễu nhỏ để phía thu nhận thành công tin Giá trị công suất tín hiệu nhận hàm giảm theo khoảng cách nút gửi nút nhận Cụ thể hơn, cơng suất tín hiệu nhận được mơ hình hóa suy hao theo khoảng cách Trong đó,  số mũ suy hao ( , ) đường truyền có giá trị từ đến phụ thuộc vào điều kiện môi trường truyền sóng khoảng cách xác nút gửi nút nhận Gọi mức công suất truyền nút Một tin truyền từ nút  tiếp nhận thành công nút nếu: ( , )   \   (3.2) ( , ) Trong mơ hình SINR, nút nhận nhận xác truyền dẫn cơng suất tín hiệu nhận (phụ thuộc vào công suất phát khoảng cách 56 nút gửi nút nhận) đủ lớn so với cơng suất tín hiệu truyền dẫn đồng thời khác mức độ tạp âm xung quanh Mặc dù mơ hình SINR kết hợp đầy đủ nhiều tính chất vật lý quan trọng mơi trường khơng sử dụng nhiều cộng đồng nghiên cứu thuật tốn Ngun nhân mơ hình SINR q phức tạp Ví dụ có nhiều truyền dẫn khác tổng hợp cặp nút gửi - nhận gần có ảnh hưởng đến Trong thực tế, truyền dẫn khác thường tạo thêm tạp âm môi trường xung quanh khơng cần thiết phải tính riêng Một mơ hình đơn giản sử dụng phổ biến mơ hình UDI (UDG with Distance Interference) Mơ hình UDI dạng mơ hình UDG có xét đến tác động nhiễu Mơ hình UDI sử dụng mơ đánh giá hiệu mạng báo cáo Mô hình UDG với nhiễu khoảng cách (UDI): Các nút phân bố tùy ý mặt phẳng Hai nút truyền thông trực tiếp với khoảng cách Euclide lớn phía thu khơng bị ảnh hưởng nút thứ ba với khoảng cách Euclide nhỏ số R  Hình 3.12: Mơ hình UDI [16] Hình 3.12 mơ tả ví dụ mơ hình UDI với hai bán kính: Một bán kính truyền dẫn (bằng 1) bán kính nhiễu (R  1) Trong ví dụ này, nút v khơng thể nhận truyền dẫn từ nút u nút x truyền liệu đồng thời đến nút w nút v không liền kề với nút x 57 3.5.3 Kịch mơ đánh giá Hình 3.13 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng tác giả xét đến luận văn Tác giả mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu CTP khu vực nhà trồng thông minh Nút gốc Nút mạng cảm biến Hình 3.13: Cấu trúc liên kết mạng xét đến toán mô Tác giả mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu CTP với giả thiết sau: Các nút mạng không đồng mạng có hai loại nút nút mạng cảm biến thu thập thông số môi trường nhà trồng nút gốc Các nút mạng cảm biến sử dụng nguồn lượng pin có khả xử lý có nhớ hạn chế Nút gốc có nguồn lượng, khả lưu trữ tính tốn tốt nút mạng khác Nút mạng đóng vai trị thu thập liệu từ nút mạng cảm biến nhà trồng thông minh Các nút mạng cảm biến đọc gửi liệu nút gốc kỹ thuật truyền đa chặng thông qua nút mạng trung gian khác Trong suốt tồn q trình hoạt động mạng, nút truyền mức công suất không đổi Không có tập hợp liệu thực mạng Tất liệu thu thập gửi tới nút gốc Mạng phân bố vùng triển khai xem phẳng (mạng 2D) Các nút mạng cố định Mạng xem tĩnh Mơ thực với trình mơ Cooja Contiki-2.7 Mạng mô khu vực nhà trồng bao gồm 30 nút mạng phân bố ngẫu nhiên khu vực 100mx100m, node có phạm vi truyền thơng hiệu 58 bán kính 30m Ở hình 3.14, nút gốc nút số 13 nút cịn lại nút thành viên có nhiệm vụ thu thập gửi liệu cho nút gốc Tác giả tiến hành mô hoạt động mạng sử dụng giao thức định tuyến CTP điều kiện chất lượng liên kết khác để đánh giá hiệu hoạt động mạng Hình 3.14: Mơ hình khu nhà trồng với 30 nút mạng Bảng 3.1: Kịch đánh giá mô Các tham số Mơ hình truyền thơng vơ tuyến Số nút mạng (nút) Kích thước mạng (m x m) Tỷ lệ truyền, nhận thành công (%) Giao thức lớp mạng Phạm vi phủ sóng nút (m) Chu kỳ gửi tin liệu (giây) Nguồn gửi tin liệu Giao thức lớp MAC Giá trị UDI 30 100 x 100 95, 90, 85, 80 CTP Phạm vi truyền hiệu quả: 30 Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50 30 Tất nút mạng (ngoài nút gốc) ContikiMAC 59 Các tham số sử dụng suốt thời gian đánh giá mơ tóm tắt bảng 3.1 Mơ hình truyền thơng vơ tuyến sử dụng mơ mơ hình truyền thơng UDI, phạm vi truyền thơng hiệu 30m phạm vi ảnh hưởng nhiễu 50m Giao thức tiết kiệm lượng lớp MAC sử dụng kịch mô giao thức ContikiMAC 3.5.4 Các thước đo đánh giá Tác giả mô hoạt động mạng điều kiện chất lượng kênh truyền khác để đánh giá hiệu hoạt động mạng Các thông số để đánh giá hiệu hoạt động mạng bao gồm: Năng lượng tiêu thụ trung bình, tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu thành công, số lần thay đổi nút cha trung bình (churn) Năng lượng tiêu thụ trung bình: Đây thơng số quan trọng có ảnh hưởng đến thời gian hoạt động nút mạng Để ước lượng lượng tiêu thụ nút mạng cảm biến, tác giả sử dụng chế ước lượng lượng dựa phần mềm sử dụng mơ hình tiêu thụ lượng tuyến tính Tổng lượng E tính tốn sau [17]:  (     ) (3.3) Trong đó: Là điện áp nguồn cung cấp (điện áp pin) Là dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ tích cực Là dịng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ cơng suất thấp Là dịng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ truyền Là dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ nhận Là dòng tiêu thụ thời gian hoạt động phận khác cảm biến, LED 60 Bảng 3.2: Mơ hình lượng Tmote Sky công suất phát 0dBm Thành phần Trạng thái Dịng tiêu thụ Tích cực 1,95 mA MSP430 F1611 Cơng suất thấp 0,0026 mA Truyền (0 dBm) 17,4 mA CC2420 Nhận 19,7 mA Trong đề tài này, tác giả quan tâm đến lượng tiêu thụ thu phát vơ tuyến vi điều khiển Bảng 3.2 trình bày mơ hình lượng phần cứng Tmote Sky Trong đó, số liệu dịng tiêu thụ lấy từ tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất linh kiện Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR (Data Delivery Ratio): Thông số đánh giá hiệu truyền thông tin liệu mạng Thông số xác định tỷ số số tin liệu nhận nút gốc tổng số tin liệu gửi tất nút mạng (%)  100 % (3.4) Trong đó: tổng số tin liệu nhận nút gốc; tổng số tin liệu gửi tất nút mạng Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR cao hiệu truyền thơng mạng tốt Số lần thay đổi nút cha trung bình mạng (Churn): Thơng số đánh giá độ ổn định mạng Thông số xác định dựa thống kê số lần thay đổi nút cha nút mạng Các mạng cảm biến không dây hoạt động liên kết vô tuyến có tổn hao Các liên kết vơ tuyến thường có chất lượng không ổn định thay đổi thường xuyên theo thời gian Vì vậy, cấu trúc liên kết mạng cần phải có thay đổi để thích ứng với môi trường truyền thông vô tuyến Để đánh giá thay đổi thích ứng này, tác giả dựa vào số liệu thống kê số lần thay đổi nút cha trung bình tồn mạng 3.5.5 Kết đánh giá Dữ liệu sau mơ trích xuất, phân tích lấy số liệu vẽ biểu đồ đánh giá Hình 3.15, 3.16, 3.17 tương ứng với kết mô 61 đánh giá hiệu tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu, lượng tiêu thụ trung bình, số lần thay đổi nút cha trung bình mạng Hình 3.15: Tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu Hình 3.16: Cơng suất tiêu thụ trung bình mạng Hình 3.15 cho thấy ảnh hưởng chất lượng mơi trường truyền sóng đến tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu mạng Kết mô cho thấy, điều kiện chất lượng đường truyền tốt (tỷ lệ truyền/nhận thành cơng 95%) hiệu truyền thông mạng mức cao (DDR = 97,4%) Trong điều kiện chất lượng đường truyền (tỷ lệ truyền/nhận thành cơng 80%) tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu DDR có bị giảm (DDR = 86,1%) Tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu DDR = 86,1% mức chấp nhận ứng dụng nhà trồng thơng minh nút mạng cảm biến định kỳ 62 gửi thông số môi trường nhà trồng nút gốc Việc mát vài tin không quan trọng ứng dụng nhà trồng thơng minh Hình 3.16 cho thấy xu hướng thay đổi cơng suất tiêu thụ trung bình mạng chất lượng mơi trường truyền sóng thay đổi Kết mô cho thấy, chất lượng môi trường truyền sóng cao cơng suất tiêu thụ trung bình mạng có xu hướng giảm Ngun nhân nút mạng thực việc truyền lại tin nhiều lần mạng Điều giúp tiết kiệm lượng cho nút mạng Hình 3.17: Số lần thay đổi nút cha trung bình mạng Hình 3.17 kết đánh giá độ ổn định mạng thay đổi theo chất lượng môi trường truyền sóng Kết đánh giá cho thấy mạng hoạt động tương đối ổn định điều kiện chất lượng kênh truyền tốt Điều thể số lần thay đổi nút cha trung bình mạng thấp (từ 0,448 đến 0,552) Trong điều kiện chất lượng kênh truyền tốt (tỷ lệ truyền/nhận thành công 95%) nút mạng có xu hướng thay đổi nút cha nhiều Điều thể số lần thay đổi nút cha trung bình mạng tăng lên Kết mô cho thấy nhược điểm giao thức CTP nút mạng hoạt động pin cân lượng mạng Mạng có xu hướng ổn định nút mạng thuộc tuyến đường có chất lượng liên kết tốt bị hết lượng nhanh so với nút mạng khác 63 3.6 Kết luận chương Trong chương này, tác giả đề xuất mơ hình ứng dụng thu thập liệu nơng nghiệp xác Lào Các thơng số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… mơi trường nhà kính đo lường thu thập nút mạng cảm biến không dây gửi cho người dùng Giao thức thu thập liệu CTP hệ điều hành Contiki tác giả tập trung nghiên cứu, mô đánh giá Kết mô sở lý thuyết tốt để phục vụ cho việc triển khai ứng dụng mạng cảm biến không dây thực tế 64 KẾT LUẬN Trong thời gian thực đề tài, tác giả tập trung nghiên cứu mơ hình ứng dụng mạng cảm biến khơng dây nơng nghiệp xác Lào Một số kết nghiên cứu đạt sau: Tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến khơng dây Tìm hiểu hệ điều hành mã nguồn mở Contiki cho mạng cảm biến không dây Contiki hệ điều hành mã nguồn mở cho phép người lập trình ứng dụng dễ dàng xây dựng chương trình ứng dụng với mạng cảm biến không dây Đề xuất ứng dụng công nghệ thông tin nông nghiệp Lào nhằm giúp cho người nơng dân kiểm sốt điều kiện sinh trưởng phát triển trồng (nhiệt độ, độ ẩm…) Nghiên cứu đánh giá giao thức CTP cho mơ hình hệ thống thu thập liệu nơng nghiệp xác Các kết nghiên cứu đánh giá mô luận văn sở lý thuyết tốt để phục vụ cho việc triển khai ứng dụng mạng cảm biến không dây thực tế Trong thời gian tới, có thêm điều kiện thời gian, tác giả triển khai đánh giá thực nghiệm hệ thống nơng nghiệp xác Lào Mặc dù cố gắng luận văn khơng thể tránh thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến từ nhà nghiên cứu, bạn bè, đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện báo cáo tốt Xin trân trọng cảm ơn! 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Dunkels, B Grönvall, and T Voigt, “Contiki - a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors”, , 2004 [2] http://www.contiki-os.org/ [3] C E Ilker Demirkol and F Alagöz, “MAC protocols for wireless sensor networks: A survey”, , vol 44, no 4, pp 115–121, 2006 [4] R Rajagopalan and P K Varshney, “Data-aggregation techniques in sensor networks: A survey”, , vol 8, no 4, pp 48–63, 2006 [5] N A Pantazis and D D Vergados, “A survey on power control issues in wireless sensor networks”, IEEE Commun Surveys Tutorials, vol 9, no 4, pp 86– 107, 2007 [6] Y Zhou, Y Fang, and Y Zhang, “Securing wireless sensor networks: A survey”, , vol 10, no 3, pp 6–28, 2008 [7] X Chen, K Makki, K Yen, and N Pissinou, “Sensor network security: A survey”, , vol 11, no 2, pp 52–73, 2009 [8] R Sugihara and R K Gupta, “Programming models for sensor networks: A survey”, TOSN) [9] Q Wang, Y Zhu, and L Cheng, “Reprogramming wireless sensor networks: Challenges and approaches”, , vol 20, no 3, pp 48–55, 2006 [10] M Li and Y Liu, “Underground structure monitoring with wireless sensor networks”, , 2007 [11] Z Yang, M Li, and Y Liu, “Sea depth measurement with restricted floating sensors”, , 2007 [12] T He, S Krishnamurthy, J A Stankovic, T A L Luo, R Stoleru, T Yan, L Gu, and J H B Krogh, “Energy-efficient surveillance system using wireless sensor networks”, , 2004 [13] R Szewczyk, A Mainwaring, J Polastre, and J A D Culler, “An analysis of a large scale habitat monitoring application”, , 2004 [14] N Xu, S Rangwala, K Chintalapudi, D Ganesan, A Broad, R Govindan, and D Estrin, “A wireless sensor network for structural monitoring”, , 2004 66 [15] Fredrik Österlind, Adam Dunkels, Joakim Eriksson, Niclas Finne, and Thiemo Voigt, “Cross-level sensor network simulation with cooja”, , Tampa, Florida, USA, 2006 [16] Azzedine Boukerche, “Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks,” , ISBN: 9780470396360, 2008 [17] Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He (2007), “Software-based Online Energy Estimation for Sensor Nodes”, [18] Jean-Philippe Vasseur, Adam Dunkels: “ ”, Morgan Kaufmann Publishers, 2010 ... hệ thống mạng cảm biến khơng dây ứng dụng nơng nghiệp xác thực chương 38 Chương ỨNG DỤNG THU THẬP DỮ LIỆU TRONG NƠNG NGHIỆP CHÍNH XÁC TẠI LÀO 3.1 Mơ hình hệ thống thu thập liệu nơng nghiệp xác. .. cảm biến không dây 12 1.4.2 Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây 14 1.5 Cấu trúc phần cứng nút cảm biến không dây 21 1.6 Phần mềm cho nút mạng cảm biến không dây. .. biến không dây Hệ điều hành Contiki thiết kế cho vi điều khiển có nhớ nhỏ, với thơng số 2KB RAM 40KB ROM Nhờ đó, Contiki sử dụng cho hệ thống nhúng Các kết nghiên cứu hệ điều hành Contiki sở