Sensor network và ứng dụng trong giám sát an toàn hầm mỏ

Trình bày tổng quan và sự kết hợp IPv6 vào mạng cảm biến không dây thuật toán tìm vị trí mode mạng và sự cần thiết trong việc ứng dụng công nghệ WSN trong hầm mỏ. Đưa ra kết quả mô phỏng hệ thống trên hệ điều hành contiki và hướng phát triển.

NGUYỄN DUY THÀNH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN DUY THÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SENSOR NETWORK VÀ ỨNG DỤNG TRONG GIÁM SÁT AN TOÀN HẦM MỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHOÁ : 2011B Hà Nội – Năm 2013 Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix PHẦN MỞ ĐẦU Chương 1- TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu .3 1.2 Công nghệ cảm biến không dây 1.3 Tổng quan kĩ thuật cảm biến không dây 1.4 Kết luận .10 Chương 2- SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WSNs TRONG HẦM MỎ 11 2.1 Hầm mỏ nguy tiềm ẩn an toàn .11 2.2 Các mơ hình mạng ứng dụng hầm mỏ 14 2.2.1 Thuộc tính truyền dẫn hầm 16 2.2.2 Những công nghệ kết nối hầm 17 2.3 Cấu trúc mạng cảm biến dùng hầm mỏ 20 2.3.1 Module cảm biến 22 2.3.2 Module xử lý .23 2.3.3 Module kết nối không dây 23 2.4 Kết luận .23 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -i- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Chương 3- KẾT HỢP IPv6 VÀO MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ THUẬT TỐN TÌM VỊ TRÍ NODE MẠNG 24 3.1 IPv6 24 3.1.1 So sánh khung giao thức IPv4 IPv6 .25 3.1.2 Tại phải kết hợp IPv6 vào mạng cảm biến không dây (WSN) 26 3.2 Kiến trúc mạng mở rộng 27 3.2.1 Các thành phần mạng 27 3.2.2 Kiến trúc nhiều lớp .28 3.2.3 Sự kết hợp liên mạng 29 3.2.4 Triển khai IPv6 Mạng cảm biến không dây 29 3.3 Tránh liên kết cạnh tranh 33 3.3.1 Các giả định truyền thống 33 3.3.2 Những thách thức cạnh tranh LAN Mạng cảm biến không dây 33 3.3.3 Liên kết IP tương đương phạm vi sóng radio .33 3.4 Đánh địa IPv6 mơ hình tiền tố 34 3.4.1 Định danh giao diện (IID) .35 3.4.2 Tiền tố định tuyến toàn cầu 35 3.5 Nén Header phát triển mạng IPv6 ứng dụng cho WSN .36 3.5.1 Điều chỉnh 36 3.5.2 Cấu hình quản lý 42 3.5.3 Chuyến tiếp 47 3.5.4 Định tuyến 50 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -ii- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ 3.6 Xác định vị trí sensor node mạng cảm biến không dây 55 3.7 Xác định vị trí đối tượng kỹ thuật RSSI kỹ thuật tiến hóa 60 3.7.1 Một số hệ thống định vị: .60 3.7.2 Định vị node mạng mạng cảm biến không dây (WSN) 60 3.8 Kết luận .72 Chương 4- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH CONTIKI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 4.1 Mơ hình mơ mạng cảm biến không dây hệ điều hành contiki với Tmote sky .73 4.1.1 Contiki 73 4.1.2 Tmote Sky 74 4.1.3 Kịch mô 75 4.1.4 Mơ hình .76 4.2 Kết mô .78 4.3 Kết luận .84 4.4 Hướng phát triển 84 KẾT LUẬN 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -iii- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ LỜI CAM ĐOAN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường tốt để học tập nghiên cứu Tôi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Phạm Ngọc Nam, tận tình bảo, hướng dẫn sửa chữa cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hồn tồn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất thực cẩn thận có định hướng sửa chữa giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Nguyễn Duy Thành Nguyễn Duy Thành- CB110623 -iv- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình mạng cảm biến thông thường .3 Hình 1.2 Các thành phần Node Hình 2.1 Hầm mỏ đào sâu lòng đất 12 Hình 2.2 Một vụ nổ hầm mỏ New Zealand 13 Hình 2.3 Mặt tương hầm có nhiều lưới chống đỡ gỗ 14 Hình 2.4 Bề mặt tường nhám đường có nhiều nước .15 Hình 2.5 Kết nối cáp Leaky Feeder 18 Hình 2.6 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 20 Hình 2.7 Mơ hình WSN hầm mỏ 21 Hình 2.8 Kiến trúc node mạng cảm biến khơng dây 22 Hình 3.1 Cấu trúc Header IPv6 IPv4 25 Hình 3.2 Kiến trúc Internet mở rộng .27 Hình 3.3 Kiến trúc IPv6 cho Mạng cảm biến không dây 29 Hình 3.4 Kiến trúc mạng 30 Hình 3.5 Lớp vật lý lớp MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4 31 Hình 3.6 Phạm vi sóng radio Phạm vi liên kết cục 34 Hình 3.7 Mơ hình tổng quan Giao diện định danh Địa liên kết 35 Hình 3.8 Các Header dạng ngăn xếp 6LoWPAN 36 Hình 3.9 Fragment Header .37 Hình 3.10 Mesh Addressing 37 Hình 3.11 Chuyển tiếp lớp lớp .38 Hình 3.12 Header UDP/IPv6 39 Hình 3.13 Kết nén Header IPv6 41 Hình 3.14 Nén Header UDP 42 Hình 3.15 Định dạng thông điệp Quảng bá Router .43 Hình 3.16 Định dạng MultiHop Information Option .44 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -v- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Hình 3.17 Định dạng Time Information Option 44 Hình 3.18 Định dạng thơng điệp Trưng cầu Router 44 Hình 3.19 DHCPv6 phân phối địa mạng cảm biến khơng dây 46 Hình 3.20 Tách biệt chuyển tiếp định tuyến 47 Hình 3.21 Phục hồi Hop by Hop 48 Hình 3.22 Quản lý bảng định tuyến .51 Hình 3.23 Tái định tuyến 52 Hình 3.24 Cập nhật ước tính liên kết chất lượng .53 Hình 3.25 Phát vịng lặp định tuyến .54 Hình 3.26 Phép đo ba cạnh tam giác 57 Hình 3.27 Định vị vùng giao 58 Hình 3.28 Phép đo đạc tam giác 58 Hình 3.29 Định vị khả tối đa 59 Hình 3.30 Kết hệ thống Ferret 61 Hình 3.31 Đo khoẳng cách RSSI 62 Hình 3.32 Quan hệ RSSI-d thực nghiệm triển khai 64 Hình 3.33 Triển khai mơ hình hầm mỏ thực tế .66 Hình 3.34 Tổ chức mạng bên hầm mỏ 66 Hình 3.35 Kỹ thuật điện kế 69 Hình 3.36 Kỹ thuật RSSI .70 Hình 3.37 Tính biến thiên hai kỹ thuật .71 Hình 3.38 Thời gian định vị hai kỹ thuật 71 Hình 4.1 Tmote sky 74 Hình 4.2 Thiết lập đường truyền node mạng 76 Hình 4.3 Kiến trúc hệ thống 77 Hình 4.4 Thực hệ thống 77 Hình 4.5 Mơ cooja .78 Hình 4.6 Đường tín hiệu node sensor gửi tới sink node 78 Hình 4.7 Nội dung gói liệu truyền 79 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -vi- Sensor network ứng dụng giám sát an tồn hầm mỏ Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ trung bình node mạng 79 Hình 4.9 Các thơng số trung bình đo collect view .80 Hình 4.10 Điện áp pin trình hoạt động node 80 Hình 4.11 Beacon Interval .80 Hình 4.12 Duty cycle node mạng .81 Hình 4.13 Năng lượng tiêu thụ node thời điểm mơ .81 Hình 4.14 Thêm node sensor thay đổi vị trí node .82 Hình 4.15 Đường gói tin truyền từ node sensor tới node sink82 Hình 4.16 Năng lượng tiêu thụ trung bình node mạng .83 Hình 4.17 Network Hops .83 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -vii- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Dải băng tần 19 Bảng 3.1 Bảng so sánh chuẩn IEEE 802.15.4 IPv6 28 Bảng 3.2 Một số hệ thống định vị 60 Bảng 3.3 Một số hệ thống định vị mạng sensor 72 Bảng 4.1 Bảng routing ghi node sink 76 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -viii- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng anh WSN Wireless sensor network TDOA Time difference of arrival AOA Angle of arrival TOA Time of arrival ICMP Internet Control Message Protocol RSSI Received Signal Strength Indicator TOF Time of flight LAN Local area network RF Radio frequency MAC Media Access Control ADC Analog to Digital Converter DHCP Dynamic Host Configuration Protocol 6LOWPAN IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks IID Internet Identity UDP User Datagram Protocol IPv6/4 Internet Protocol version 6/4 SLAAC Stateless address autoconfiguration IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers MANETs A mobile ad-hoc network SNMP Simple Network Management Protocol DNS Domain Name System HTTP Hypertext Transfer Protocol TCP Transmission Control Protocol Nguyễn Duy Thành- CB110623 -ix- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Chương 4- KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH CONTIKI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để triển khai ngồi thực tế khơng gặp nhiều rủi ro, việc mơ hệ thống bước quan trọng, đánh giá hệ thống chạy tốt đánh giá độ đáng tin cậy hệ thống Vì vậy, Chương đưa kịch mô thực hệ điều hành contiki, đánh giá nhận xét kết 4.1 Mơ hình mơ mạng cảm biến không dây hệ điều hành contiki với Tmote sky 4.1.1 Contiki Hệ điều hành contiki hệ điều hành mã nguồn mở, nghiên cứu, thiết kế phát triển nhóm nhà phát triển từ viện khoa học máy tính Thụy Điển, người đứng đầu Adam Dunkels Nhóm phát triển Contiki gồm nhiều thành viên đến từ SICS, CISCO, nhiều tổ chức trường đại học khác giới 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 ứng dụng mạng cảm biến không dây Hệ điều hành Contiki lập trình ngơn ngữ C, hoạt động dựa chế event - driven có đặc điểm phù hợp với hệ thống nhúng mạng cảm biến khơng dây: • Contiki chia thành nhiều module hoạt động độc lập Nhờ ứng dụng sử dụng module cách linh động load module cần thiết • Cơ chế hoạt động điều khiển kiện làm giảm lượng tiêu hao hạn chế dung lượng nhớ cần sử dụng Nguyễn Duy Thành- CB110623 -73- Sensor network ứng dụng giám sát an tồn hầm mỏ • Có thể sử dụng IP mạng cảm biến thông qua uIP stack xây dựng dựa TCP/IP • Có module cho phép ước lượng quản lý lượng cách hiệu • Các giao thức tương tác lớp node mạng dễ dàng • Sử dụng RIME stack phục vụ giao thức dành cho mạng lượng thấp cách hiệu Bên cạnh đó, Contiki cịn cung cấp công cụ hỗ trợ mô với giao diện đơn giản, dễ sử dụng hỗ trợ tốt thiết bị thực tế, phục vụ mục đích nghiên cứu, mô triển khai giao thức 4.1.2 Tmote Sky Hình 4.1 Tmote sky Nguyễn Duy Thành- CB110623 -74- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Tmote Sky mạch cảm biến khơng dây phát triển tập đồn Moteiv Nó tích hợp vi xử lý MSP430 với chuẩn 802.15.4 2.4GHz tương thích chip radio CC2420 tốc độ truyền nhận lớn đạt 250kbps Tmote Sky có 10k Ram, 48 nhớ flash trong, 1Mb nhớ flash ngồi tích hợp cảm biến ánh sáng, nhiệt độ độ ẩm Tmote Sky tích hợp vào hệ điều hành Contiki vào tháng ba năm 2007 Để chạy chương trình Tmote sky cần phải có: - msp430-gcc (the gcc C compiler for the MSP430 microcontroller) installed Các thư viện: - blink.c : Một chương trình đơn giản điều khiển LED node - sky-collect.c : Thu thập liệu sensor giá trị thông tin lượng - test-button.c : Bật tắt led bấm nút - test-cfs.c : Thử mb nhớ flash Tmode Sky 4.1.3 Kịch mô Đưa thiết kế mô tả việc truyền nhận liệu, router node vùng giám sát đặt hầm mỏ, thấy liên kết node sink node cảm biến, node gắn địa IPv6 cố định - Ban đầu, node sink truyền tin quảng bá tới tất node láng giềng vùng tín hiệu Radio mà phủ - Các node cảm biến (tức node mạng người công nhân mỏ) nhận tín hiệu từ node sinks cập nhật đường vào bảng routing - Các node cảm biến khác bắt đầu phát tín hiệu quảng bá tới node khác vùng phủ sóng radio node sensor cập nhật đường tín hiệu để truyền từ node tới node sink Phát triển hệ thống hệ điều hành Contiki, với trình biên dịch mspgcc, dùng trình mơ cooja dùng collect view để thu thập liệu từ sensor Nguyễn Duy Thành- CB110623 -75- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ 4.1.4 Mơ hình Hình 4.2 Thiết lập đường truyền node mạng Bảng 4.1 Bảng routing ghi node sink Nguyễn Duy Thành- CB110623 -76- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Hình 4.3 Kiến trúc hệ thống Hình 4.4 Thực hệ thống Nguyễn Duy Thành- CB110623 -77- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ 4.2 Kết mô Mô với kịch đưa bên với số node sink số sensor node phân bố Hình 4.5 Ban đầu node nằm ngồi vùng phủ tín hiệu radio node khơng kết nối với node khác Hình 4.5 Mơ cooja Hình 4.6 Đường tín hiệu node sensor gửi tới sink node Nguyễn Duy Thành- CB110623 -78- Sensor network ứng dụng giám sát an tồn hầm mỏ Hình 4.7 Nội dung gói liệu truyền Hình 4.8 Năng lượng tiêu thụ trung bình node mạng Nguyễn Duy Thành- CB110623 -79- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Hình 4.9 Các thơng số trung bình đo collect view Hình 4.10 Điện áp pin trình hoạt động node Hình 4.11 Beacon Interval Nguyễn Duy Thành- CB110623 -80- Sensor network ứng dụng giám sát an tồn hầm mỏ Hình 4.12 Duty cycle node mạng Hình 4.13 Năng lượng tiêu thụ node thời điểm mô Nguyễn Duy Thành- CB110623 -81- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Cho node kết nối vào mạng thêm nhiều node sensor mới, sau thời gian mô ta có kết quả: Hình 4.14 Thêm node sensor thay đổi vị trí node Hình 4.15 Đường gói tin truyền từ node sensor tới node sink Nguyễn Duy Thành- CB110623 -82- Sensor network ứng dụng giám sát an tồn hầm mỏ Hình 4.16 Năng lượng tiêu thụ trung bình node mạng Hình 4.17 Network Hops Nguyễn Duy Thành- CB110623 -83- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ 4.3 Kết luận Việc tích hợp IPv6 vào node mạng mang lại nhiều lợi ích việc phát triển mạng cảm biến không dây Chương mô thành công việc dùng IPv6 vào mạng WSNs dùng Tmote sky, đưa kết việc định tuyến node, truyền nhận gói liệu từ node sensor gửi tới node sink để xử lý Tiêu thụ lượng tiêu chí định đến thời gian sống mạng, chương đưa kết mô tiêu thụ lượng thấp node mạng đưa đến việc ứng dụng phù hợp với môi trường hầm mỏ 4.4 Hướng phát triển  Kết nối sink node với đưa qua xử lý trung tâm  Phát triển giao diện webserver để dễ quản lý truy cập node  Triển khai thực tế vào hầm mỏ Nguyễn Duy Thành- CB110623 -84- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ KẾT LUẬN WSNs với ưu điểm vượt trội giải pháp thay cho hệ thống cảm biến dùng dây cổ điển Mạng cảm biến không dây WSNs lĩnh vực giới Nó phát triển ngày hồn Với phát triển cơng nghệ tại, hạn chế WSNs dần giải Việc chuẩn hoá WSNs cần thiết để thống đưa WSNs thị trường Việc phát triển mạng WSNs cần thiết hướng phát triển tương lai thứ giám sát, điều khiển tương tác với trực tiếp, việc tích hợp triển khai IPv6 vào mạng WSNs vấn đề sớm hay muộn Nhận thấy quan trọng phát triển mạng WSNs, ứng dụng vào thực tế cho hiệu Luận văn đưa nghiên cứu tổng quan để đưa mạng WSNs vào việc giám sát điều kiện môi trường hầm mỏ Ứng dụng coi khả thi đem lại nhiều lợi ích kinh tế Trong khoẳng thời gian ngắn, luận văn khơng thể đưa mơ hình sản phẩm triển khai trực tiếp thực tế, luận văn sâu vào nghiên cứu việc đưa IPv6 vào node mạng đưa thuật toán để định vị node mạng, mà xác định vị trí mà cơng nhân mỏ làm việc hầm, đồng sensor đo đạc thông số môi trường nơi mà công nhân việc, đưa cảnh báo mức độ nguy hiểm, thơng tin mạng WSNs xử lý gửi đến nơi người giám sát qua mạng Internet Do vấn đề nghiên cứu với kiến thức hạn chế thời gian nghiên cứu ngắn lên luận văn em khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận phê bình, thầy để luận văn em hoàn thiện Nguyễn Duy Thành- CB110623 -85- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.ktdt.com.vn/news/detail/10336/viec-giai-cuu-thanh-cong-33-tho-mochile-bai-hoc-lon-cho-cap-cuu-mo-viet-nam.aspx J N Murphy and H E Parkinson (1978), Underground mine communications Proceedings of the IEEE, 66(1):26–50 Heping Xie and Tad S Golosinsk (1999), Mining Science and Technology ’99 Taylor and Francis Bai Meng, Zhao Xiaoguang, Hou Zeng-Guang, and Tan Min (2007), A wireless sensor net-work used in coal mines InNetworking, Sensing and Control, 2007 IEEE International Conference on, pages 319–323 Ian F Akyildiz and Erich P Stuntebeck (2006) Wireless underground sensor net-works: Research challenges Ad Hoc Networks, 4(6):669–686 doi: DOI: 10.1016/j.adhoc.2006.04.003 (K Pahlavan, A Levesque (1995), Wireless Information Networks, NewYork, John Wiley & Sons, 127-135.) Schiffbauer-WH Mowrey-GL Preliminary assessment of communications systems forunderground mines [draft] 2006 http://www.contiki-os.org/ G Montenegro, N Kushalnagar, J Hui, and D Culler, Transmission of IPv6 Packets Over IEEE 802.15.4 Networks, RFC 4944 (Proposed Standard), Sep 2007 [Online] Available: http://www.ietf.org/rfc/rfc4944.txt 10 S Deering, B Haberman, T Jinmei, E Nordmark, and B Zill, IPv6 Scoped Address Architecture,RFC 4007 (Proposed Standard), Mar 2005.[Online] Available: http://www.ietf.org/rfc/rfc4007.txt Nguyễn Duy Thành- CB110623 -86- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ 11 L Doherty, K S J Pister, and L El Ghaoui, Convex position estimation in wireless sensor networks, Proceedings of IEEEINFOCOM, 2001, 1655-1663 12 Mark Terwilliger, Ajay Gupta, Vijay Bhuse, Zille Huma Kamal, and Mohammad Ali Salahuddin, "A Localization System using Wireless Network Sensors: A Comparison of Two Techniques", The Proceedings of the First Workshop on Positioning, Navigation and Communication, Hannover, Germany, March 2004 Nguyễn Duy Thành- CB110623 -87- ... với ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Nguyễn Duy Thành- CB110623 -10- Sensor network ứng dụng giám sát an toàn hầm mỏ Chương 2- SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WSNs TRONG HẦM MỎ Môi... đáp ứng hoạt động tốt môi trường khắc nhiệt hầm mỏ nhờ giám sát đảm bảo an toàn hầm mỏ, Mạng cảm biến không dây phát triển công nghệ ứng dụng vào việc giám sát, cảnh báo mức độ an toàn hầm mỏ. .. CẦN THIẾT TRONG VIỆC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ WSNs TRONG HẦM MỎ 11 2.1 Hầm mỏ nguy tiềm ẩn an toàn .11 2.2 Các mơ hình mạng ứng dụng hầm mỏ 14 2.2.1 Thuộc tính truyền dẫn hầm