Nghiên cứu đánh giá giao thức thu thập dữ liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGUYỄN THỊ LOAN NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC THÔNG MINH CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Chiến Thắng Thái Nguyên – 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Loan, học viên lớp cao học K16 – Kỹ thuật viễn thông – Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh” Thầy giáo TS Vũ Chiến Thắng hướng dẫn, công trình nghiên cứu thân tơi thực hiện, dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Loan Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii 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 điện tử viễn thông, Trường đại học Công nghệ thông tin Truyền thông 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 2019 Học viên Nguyễn Thị Loan Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU xiii Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH PHỤC VỤ ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG TẠI CÁC NHÀ MÁY NƯỚC 1.1 Tổng quan hệ thống đo lường tự động 1.2 Mơ hình ứng dụng hệ thống đo lường tự động cho nhà máy nước 1.2.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 1.2.2 Hệ thống quản lý liệu thiết bị đo khách hàng 1.3 Đồng hồ nước thông minh 1.3.1 Tình hình triển khai đồng hồ nước thơng minh thị trường châu Á – Thái Bình Dương 1.3.2 Tình hình triển khai đồng hồ nước thơng minh thị trường Việt Nam 1.3.3 Đồng hồ nước thông minh theo chuẩn truyền thông Zigbee/IEEE 802.15.4 1.4 Lớp vật lý theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 10 1.5 Một số yêu cầu giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh 12 1.6 Khảo sát số giao thức định tuyến thu thập liệu 14 1.6.1 Giao thức định tuyến Flooding 14 1.6.2 Giao thức định tuyến thông tin thông qua đàm phán (SPIN) 15 1.6.3 Giao thức phân cụm LEACH 18 1.7 Kết luận chương 18 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v Chương GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC THÔNG MINH 19 2.1 Giao thức định tuyến thu thập liệu CTP 19 2.1.1 Giới thiệu giao thức CTP 19 2.1.2 Thước đo định tuyến sử dụng giao thức CTP 20 2.1.3 Cấu trúc tin giao thức CTP 21 2.1.4 Các thành phần giao thức CTP 24 2.2 Giao thức định tuyến RPL 25 2.2.1 Một số thuật ngữ 25 2.2.2 Giới thiệu giao thức 28 2.2.3 Các tin điều khiển 29 2.2.4 Quá trình xây dựng DODAG 38 2.2.5 Quản lý định thời 39 2.3 Kết luận chương 40 Chương MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ NƯỚC THÔNG MINH 41 3.1 Hệ điều hành Contiki 41 3.1.1 Giới thiệu chung 41 3.1.2 Ngăn xếp truyền thông hệ điều hành Contiki 41 3.2 Thực thi giao thức CTP hệ điều hành Contiki 45 3.2.1 Các module truyền thông sử dụng giao thức CTP 45 3.2.2 Các thành phần giao thức CTP 47 3.2.3 Hoạt động giao thức CTP 48 3.3 Thực thi giao thức RPL hệ điều hành Contiki 52 3.3.1 Cấu trúc thành phần ContikiRPL 52 3.3.2 Hoạt động nút gốc 54 3.3.3 Hoạt động nút thành viên 55 3.4 Mô đánh giá giao thức 57 3.4.1 Công cụ mô Cooja 57 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi 3.4.2 Kịch mô đánh giá 60 3.4.3 Các thước đo đánh giá 63 3.4.4 Kết đánh giá 66 3.4.5 Phân tích đưa khuyến nghị 67 3.5 Kết luận chương 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ AMR Automatic Meter Reading AMI Automated Metering Infrastructure ADV Advertisement MDMS Meter Data Management System BPSK Binary Phase Shift Keying CTP Collection Tree Protocol DAG Directed Acyclic Graph DAO Destination Advertisement Object DDR Data Delivery Ratio DODAG Destination Oriented DAG DIS DODAG Information Solicitation DIO DODAG Information Object DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DTSN Destination Advertisement Trigger Sequence Number EAE Energy Aware ETX Expected Transmission IP Internet Protocol IPv6 Internet Protocol version IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ICMP Internet Control Message Protocol ID Identification Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii GSM Global System for Mobile Communications GPRS General Packet Radio Service LBR Lossy network Border Router LLNs Low-Power and Lossy Networks MAC Medium Access Control MP2P Multi-Point to Point MOP Mode of Operation PAN Personal Area Network PLC Power Line Communication QPSK Quadrature Phase Shift Keying RAM Random Access Memory RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network RTMETRIC Route metric ROM Read-Only Memory SEQNO Sequence number SINR Signal to – Interference Plus Noise SICS Swedish Institute of Computer Science SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation EC Energy Conserving BC Broadcast Communication RL Reliable PP Point to Point REQ Request TCP Transport Control Protocol Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix TTL Time to live UDP User Datagram Protocol UDG Unit Disk Graph UDI UDG with Distance Interference WiFi Wireless Fidelity Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Kịch đánh giá mô 63 Bảng 3.2: Mơ hình lượng Tmote Sky công suất phát 0dBm 65 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 58 xác tin gửi từ nút liền kề v có truyền dẫn đồng thời khác gần 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 mô hình vật lý hay mơ hình SINR (Signal-to-Interference Plus Noise) Trong mơ hình này, tỷ lệ tiếp nhận thành cơng 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 Pr cơng suất tín hiệu nhận nút vr Ir biểu thị nhiễu sinh nút khác, N mức công suất tạp âm môi trường xung quanh Khi đó, nút vr nhận truyền dẫn khi: Pr  N  Ir (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 cơng tin Giá trị cơng suất tín hiệu nhận Pr hàm giảm theo khoảng cách d(vs, vr) nút gửi vs nút nhận vr Cụ thể hơn, cơng suất tín hiệu nhận được mơ hình hóa suy hao theo khoảng cách d(vs, vr) Trong đó,  số mũ suy hao d (v s , v r )  đường truyền có giá trị từ đến phụ thuộc vào điều kiện mơi trường truyền sóng khoảng cách xác nút gửi nút nhận Gọi Pi mức công suất truyền nút vi Một tin truyền từ nút vs  V tiếp nhận thành công nút vr nếu: Ps d (vs , vr ) Pi N  vi V \vs  d (vi , vr )  Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN (3.2) http://lrc.tnu.edu.vn 59 Trong mơ hình SINR, nút nhận nhận xác truyền dẫn cơng suất tín hiệu nhận (phụ thuộc vào công suất phát khoảng cách 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 cho mạng khơng dây theo chuẩn IEEE 802.15.4 Nguyên 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 không 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 luận văn Mơ hình UDG với nhiễu khoảng cách (UDI): Các nút phân bố tùy ý mặt phẳng Hai nút truyền thơng trực tiếp với khoảng cách Euclide lớn phía thu khơng bị ảnh hưởng nút thứ ba với khoảng cách Euclide nhỏ số R  Hình 3.16: Mơ hình UDI [14] Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 60 Hình 3.16 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 3.4.2 Kịch mô đánh giá 3.4.2.1 Các giả thiết cho toán mơ Hình 3.17 minh họa mơ hình cấu trúc liên kết mạng tác giả xét đến luận văn Mạng chia thành nhiều cụm nhỏ khác Do cụm giống nên tác giả mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu cụm Điểm thu thập Nút gốc Nút gốc n … Hình 3.17: Cấu trúc liên kết mạng xét đến toán mô Tác giả mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh theo chuẩn IEEE 802.15.4 với giả thiết sau:  Các nút mạng không đồng mạng có hai loại nút nút mạng đồng hồ nước thông minh nút gốc Các nút mạng đồng hồ nước Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 61 thông minh sử dụng nguồn lượng pin có khả xử lý có nhớ hạn chế Các nút gốc có nguồn lượng, khả lưu trữ tính tốn tốt nút mạng khác Các nút đóng vai trò nút chủ cụm để chuyển tiếp lưu lượng từ nút mạng đồng hồ nước thông minh đến điểm thu thập  Các nút mạng đồng hồ nước đọc gửi liệu nút gốc kỹ thuật truyền đa chặng thông qua nút mạng trung gian khác Các nút gốc có nhiệm vụ thu thập liệu gửi trực tiếp liệu điểm thu thập  Trong suốt toàn trình hoạt động mạng, nút truyền mức cơng suất khơng đổi Khơng có tập hợp liệu thực mạng Tất liệu thu thập nút gốc gửi tới điểm thu thập  Mạng lưới đồng hồ nước thông minh không dây bao gồm nhiều nút mạng phân bố vùng triển khai xem phẳng (mạng 2D)  Mạng chia thành nhiều cụm nhỏ khác  Các nút mạng đồng hồ nước thơng minh phát sóng đẳng hướng Các liên kết giả thiết đối xứng Trong thực tế, nút mạng đồng hồ nước thông minh trang bị loại anten đẳng hướng  Các nút mạng đồng hồ nước thông minh cố định Mạng xem tĩnh 3.4.2.1 Thiết lập môi trường mơ Mơ thực với trình mô Cooja Contiki-2.7 Mạng mô cụm bao gồm 37 nút mạng (tương ứng với 37 đồng hồ nước thơng minh) đặt theo hình lưới khu vực 100mx100m, node có phạm vi truyền 30m nằm phân bố theo lô giống khu vực nhỏ khu thị (hình 3.18) Trong đó, bao gồm nút màu xanh (đánh dấu số 37) nút gốc 36 nút màu vàng khác nút thành viên có nhiệm vụ thu thập gửi liệu cho nút gốc hình 3.19 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 62 Hình 3.18: Một khu vực nhỏ khu thị Vinhome Hình 3.19: Mơ hình cụm gồm 37 nút mạng Tác giả tiến hành mô trạng thái hoạt động bình thường mạng ứng với giao thức RPL, CTP điều kiện chất lượng liên kết khác để so sánh hiệu mạng từ thấy ưu nhược điểm giao thức Giao thức RPL hoạt động lớp giao vận UDP UDP giao thức truyền không tin cậy, khơng có xác nhận truyền lại Riêng giao thức CTP, tác giả đánh giá hai điều kiện khác truyền tin cậy với số lần Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 63 truyền lại tối đa bước nhảy 31 (CTP-31) truyền tin không tin cậy với số lần truyền lại tối đa bước nhảy (CTP-0) Trong điều kiện mạng hoạt động bình thường, nút thành viên gửi gói tin nút gốc với khoảng thời gian gửi ngẫu nhiên 60s/1 gói tin 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 thông hiệu 30m phạm vi ảnh hưởng nhiễu 50m Giao thức tiết kiệm lượng lớp MAC sử dụng kịch mô giao thức ContikiMAC Bảng 3.1: Kịch đánh giá mơ Các tham số Mơ hình truyền thông vô tuyến Số nút mạng (nút) Giá trị UDI (mục 3.4.1.2) 37 Kích thước mạng (m x m) 100 x 100 Tỷ lệ truyền, nhận thành công (%) 85, 91, 97 Giao thức lớp mạng Phạm vi phủ sóng nút (m) Chu kỳ gửi tin liệu (giây) Nguồn gửi tin liệu Giao thức lớp MAC RPL, CTP-0, CTP-31 Phạm vi truyền hiệu quả: 30 Phạm vi ảnh hưởng nhiễu: 50 60 Tất nút mạng (ngoài nút gốc) ContikiMAC 3.4.3 Các thước đo đánh giá Tác giả mô giao thức RPL, CTP-0, CTP-31 điều kiện chất lượng kênh truyền khác để đưa ưu, nhược điểm giao thức Để đánh giá, tác giả sử dụng bốn thông số quan trọng liên quan đến hiệu mạng là: Năng lượng tiêu thụ trung bình, tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu thành cơng, số lần thay đổi nút cha trung bình (churn), số bước nhảy trung bình mạng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 64  Năng lượng tiêu thụ trung bình: Để ước lượng lượng tiêu thụ nút mạng, tác giả sử dụng chế ước lượng lượng dựa phần mềm sử dụng mô hình tiêu thụ lượng tuyến tính Tổng lượng E tính tốn sau [15]: E  U ( I ata  I l tl  I t tt  I r tr   I citci ) (3.3) i Trong đó: - U: Là điện áp nguồn cung cấp (điện áp pin) - Ia , ta: Là dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ tích cực (active mode) - Il , tl: Là dòng tiêu thụ thời gian mà vi xử lý hoạt động chế độ công suất thấp (low power mode) - It, tt: Là dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ truyền (transmit) - Ir, tr: Là dòng tiêu thụ thời gian thu phát vô tuyến chế độ nhận (receive) - Ici, tci: Là dòng tiêu thụ thời gian hoạt động phận khác cảm biến, LED Để tiết kiệm lượng, nút mạng thường xuyên bật tắt thiết bị chúng (ví dụ thiết bị truyền thông, cảm biến, LED) chuyển đổi qua lại chế độ tích cực chế độ cơng suất thấp (ví dụ với vi điều khiển) Cơ chế ước lượng lượng sử dụng mơ hình tuyến tính gọi đến thiết bị phần cứng bật tắt chuyển chế độ Khi thiết bị phần cứng bật mơ đun ước lượng lượng lưu dấu thời gian Khi thiết bị phần cứng tắt sai khác thời gian hai thời điểm tính tốn cộng vào tổng thời gian bật thiết bị Sau đó, mơ đun ước lượng lượng tiêu thụ sử dụng thơng số kỹ thuật dịng tiêu thụ thiết bị để tính tốn tổng lượng tiêu thụ nút mạng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 65 Bảng 3.2: Mơ hình lượng Tmote Sky công suất phát 0dBm Thành phần MSP430 F1611 CC2420 Trạng thái Dịng tiêu thụ Tích cực 1,95 mA Công suất thấp 0,0026 mA Truyền (0 dBm) 17,4 mA Nhận 19,7 mA Trong luận văn này, tác giả đánh giá giao thức CTP giao thức RPL dựa mô Tác giả sử dụng phần cứng Tmote Sky tích hợp sẵn cơng cụ mơ Cooja Phần cứng Tmote Sky trang bị thu phát vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 giống đồng hồ nước thơng minh Bảng 3.2 trình bày mơ hình lượng phần cứng Tmote Sky [16] Trong đó, số liệu dòng tiêu thụ lấy từ tài liệu kỹ thuật nhà sản xuất linh kiện  Tỷ lệ chuyển phát tin liệu DDR (Data Delivery Ratio) xác định tỷ số số tin liệu nhận nút gốc tổng số tin liệu gửi tất nút mạng DDR (%)  N received 100 % N data (3.4) Trong đó: Nreceived tổng số tin liệu nhận nút gốc; Ndata 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 (Churn) xác định dựa thống kê số lần thay đổi nút cha nút mạng Các mạng không dây theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động liên kết vơ tuyến có tổn hao Các liên kết vơ tuyến thường có chất lượng khơng 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 mơi trường truyền thơng vơ 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 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 66  Số bước nhảy trung bình mạng: Xác định số bước nhảy trung bình dọc theo tuyến đường đến nút đích Số bước nhảy yếu tố ảnh hưởng đến độ trễ truyền gói tin mạng 3.4.4 Kết đánh giá Dữ liệu sau mơ trích xuất, phân tích lấy số liệu đánh giá, vẽ biểu đồ so sánh Hình 3.20: So sánh tỷ lệ chuyển phát tin liệu thành cơng Hình 3.21: So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình mạng Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 67 Hình 3.22: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình Hình 3.23: So sánh số bước nhảy trung bình Hình 3.20, 3.21, 3.22, 3.23 tương ứng với kết mô so sánh hiệu tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu, lượng tiêu thụ trung bình, số lần thay đổi nút cha trung bình số bước nhảy trung bình mạng giao thức RPL, CTP-0 CTP-31 3.4.5 Phân tích đưa khuyến nghị Từ hình 3.20 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức CTP-31 đạt tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu cao Để đạt kết này, tác giả Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 68 thiết lập số lần truyền lại bước nhảy 31 lần truyền Nhờ sử dụng chế truyền tin cậy nên giao thức CTP-31 đạt hiệu cao nhiều so với giao thức CTP-0 Đối chiếu với kết mơ hình 3.21, thấy giao thức CTP-31 tiêu thụ cơng suất trung bình cao so với giao thức CTP-0 Điều hoàn toàn phù hợp trình truyền lại tốn lượng Hình 3.20 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức RPL đạt hiệu tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu so với giao thức CTP-0 thấp so với giao thức CTP-31 Mạng hoạt động theo giao thức RPL sử dụng giao thức UDP lớp giao vận Giao thức UDP cung cấp dịch vụ chuyển phát liệu với nỗ lực tốt Mạng thực chuyển phát liệu tốt khơng đảm bảo gói liệu chuyển đến đích Giao thức UDP khơng có chế xác nhận truyền lại Hình 3.22 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức RPL có độ ổn định mạng cao so với giao thức CTP-0 CTP31 Điều thể số lần thay đổi nút cha trung bình mạng giao thức RPL thấp nhiều so với giao thức CTP-0 CTP-31 Như vậy, giao thức RPL phản ứng chậm với thay đổi chất lượng liên kết mạng Các mạng lưới đồng hồ nước thông minh theo chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động kênh truyền tổn hao, công suất thấp chất lượng liên kết thay đổi thường xuyên, liên tục theo thời gian nên mạng không cần thiết phải phản ứng nhanh thay đổi Như vậy, giao thức RPL đạt ổn định cấu trúc liên kết mạng tốt so với giao thức CTP-0 CTP-31 Chính nhờ ổn định mà tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu giao thức RPL cao so với giao thức CTP-0 Tuy nhiên, khơng có chế xác nhận truyền lại nên mạng hoạt động theo giao thức RPL có tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin liệu thấp so với mạng hoạt động theo giao thức CTP-31 Giao thức CTP-0 CTP-31 phản ứng nhanh với thay đổi chất lượng liên kết mạng, điều thể số lần thay đổi nút cha trung bình tồn mạng nhiều so với giao thức RPL Qua kết mô phỏng, nhận thấy việc thay đổi nhanh cấu trúc liên kết mạng mạng tổn hao, công suất thấp không thực cần thiết Điều làm giảm tỷ lệ chuyển phát thành cơng tin Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 69 liệu, phát sinh thêm chi phí lượng phải gửi tin điều khiển để cập nhật lại cấu trúc liên kết mạng Kết mô hình 3.22 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức CTP31 có số lần thay đổi nút cha trung bình cao so với mạng hoạt động theo giao thức CTP-0 Khi phân tích hoạt động giao thức CTP, thấy lần truyền/nhận liệu chất lượng liên kết nút mạng cập nhật nút mạng cập nhật lại nút cha cho phù hợp Mạng hoạt động theo giao thức CTP-31 có số lần truyền nhận tin nhiều so với mạng hoạt động theo giao thức CTP-0 nên cấu trúc liên kết mạng có cập nhật điều chỉnh nhiều Hình 3.23 cho thấy mạng hoạt động theo giao thức RPL có số bước nhảy trung bình thấp so với mạng hoạt động theo giao thức CTP Như vậy, số lần tin phải chuyển tiếp mạng hoạt động theo giao thức RPL thấp so với giao thức CTP Điều giúp giảm lưu lượng truyền/nhận tin liệu mạng giảm nhiễu, xung đột mạng Đây nguyên nhân giúp tăng tỷ lệ chuyển phát thành công tin liệu mạng Như vậy, kết mô cho thấy giao thức RPL phù hợp với mạng lưới đồng hồ nước thông minh Giao thức RPL đạt hiệu lượng tốt so với giao thức CTP Điều phù hợp với mạng lưới đồng hồ nước thông minh hoạt động pin Mặc dù tỷ lệ chuyển phát tin liệu giao thức RPL thấp so với CTP việc thu thập liệu định kỳ nên việc mát vài tin liệu không ảnh hưởng đến hoạt động toàn hệ thống mạng 3.5 Kết luận chương Trong chương này, tác giả mô đánh giá hiệu giao thức định tuyến thu thập liệu CTP RPL cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Các kết mô cho thấy giao thức RPL phù hợp với mạng lưới đồng hồ nước thông minh Giao thức RPL đạt hiệu lượng tốt so với giao thức CTP Điều phù hợp với mạng lưới đồng hồ nước thông minh hoạt động pin Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 70 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu đánh giá số giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Tác giả nghiên cứu đánh giá khả áp dụng, tính hiệu giao thức định tuyến thu thập liệu tiết kiệm lượng (CTP, RPL) cho mạng lưới đồng hồ nước thơng minh Từ đó, thực thi đánh giá hiệu giao thức định tuyến thu thập liệu tiết kiệm lượng CTP, RPL phương pháp mô dựa công cụ mô Cooja Dựa kết nghiên cứu, tiến hành đánh giá hiệu giao thức định tuyến thu thập liệu tiết kiệm lượng cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh, tác giả nhận thấy giao thức RPL đạt hiệu lượng tốt so với giao thức CTP Vì vậy, giao thức RPL phù hợp mạng lưới đồng hồ nước thông minh hoạt động pin Hướng phát triển đề tài: Trong thời gian tới, tác giả triển khai đánh giá giao thức RPL điều kiện thực tế với đồng hồ nước thơng minh Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Omowunmi M Longe, Khmaies Ouahada, Hendrick C Ferreira, Suvendi Rimer (2013), “Wireless Sensor Networks and Advanced Metering Infrastructure Deployment in Smart Grid”, Proceedings of International Conference on eInfrastructure and e-Services for Developing Countries, pp 167-171 [2] Tarek Khalifa, Kshirasagar Naik, Amiya Nayak (2011), “A Survey of Communication Protocols for Automatic Meter Reading Applications”, in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol.13, no.2, pp.168-182 [3] Gabrielli, Pizzichini, Spinsante, Squartini, Gavazzi (2014), "Smart water grids for smart cities: A sustainable prototype demonstrator”, Proceedings of 2014 European Conference on Networks and Communications, pp.1-5 [4] Aryo Handoko Primicanta, Mohd Yunus, and Mohammad Awan (2009), "Hybrid Automatic Meter Reading System", Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Technology and Development, vol.2, pp 264-267 [5] Qingyang Liu, Bingzhen Zhao, Yirong Wang, Jing Hu (2009), "Experience of AMR systems based on BPL in China", Proceedings of the IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications, pp 280-284 [6] Mingfu Li and Hung-Ju Lin (2014), "Design and Implementation of Smart Home Control Systems Based on Wireless Sensor Networks and Power Line Communications", IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp 4430-4442 [7] Baoding Zhang, Jialei Liu (2010), “A Kind of Design Schema of Wireless Smart Water Meter Reading System Based on Zigbee Technology”, 2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment, pp 98-100 [8] Jean-Philippe Vasseur, Adam Dunkels (2010), “Interconnecting Smart Object with IP: The Next Internet”, Morgan Kaufmann Publishers [9] De Couto D, Aguayo D, Bicket J, Morris R (2003), “A high-throughput path metric for multi-hop wireless routing”, In Proceedings of the 9th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, New York [10] A Dunkels, B Grönvall, and T Voigt (2004), “Contiki - a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors”, in Proc EmNets Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 72 [11] Omprakash Gnawali, Rodrigo Fonseca, Kyle Jamieson, and Philip Levis (2008), “CTP: Robust and Efficient Collection through Control and Data Plane Integration”, Technical report, The Stanford Information Networks Group (SING) [12] N Tsiftes, J Eriksson, and A Dunkels (2010), “Low-Power Wireless IPv6 Routing with ContikiRPL”, in Proceedings of the International Conference on Information Processing in Sensor Networks (ACM/IEEE IPSN), Stockholm, Sweden [13] Fredrik Österlind, Adam Dunkels, Joakim Eriksson, Niclas Finne, and Thiemo Voigt (2006), “Cross-level sensor network simulation with cooja”, In Proceedings of the First IEEE International Workshop on Practical Issues in Building Sensor Network Applications (SenseApp 2006), Tampa, Florida, USA [14] Azzedine Boukerche (2008), “Algorithms and Protocols for Wireless Sensor Networks”, John Wiley & Sons Inc., ISBN: 9780470396360 [15] Adam Dunkels, Fredrik Osterlind, Nicolas Tsiftes, Zhitao He (2007), “Software-based Online Energy Estimation for Sensor Nodes”, Proceedings of the 4th workshop on Embedded networked sensors [16] https://insense.cs.st-andrews.ac.uk/files/2013/04/tmote-sky-datasheet.pdf [17] https://viettimes.vn/thi-truong-dong-ho-nuoc-thong-minh-cua-chau-a-thaibinh-duong-se-vuot-300-trieu-do-la-vao-nam-2024-306242.html Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Một số yêu cầu đặt giao thức định tuyến thu thập liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thơng minh là: Số hóa Trung tâm Học liệu. .. 2.1 Giao thức định tuyến thu thập liệu CTP 2.1.1 Giới thiệu giao thức CTP Mạng lưới đồng hồ nước thông minh hoạt động dựa giao thức thu thập liệu để thu thập liệu từ thiết bị đo Giao thức thu thập. .. động cho nhà máy nước Chương 2: Giao thức định tuyến thu thập liệu hiệu lượng cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Chương 3: Mô đánh giá giao thức định tuyến thu thập liệu hiệu lượng cho mạng lưới