Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính thiết bị cảm biến không dây ieee 802 11 mô phỏng mô hình và phân tích tiêu thụ năng lượng

Luận văn thạc sĩ khoa học máy tính nghiên cứu thiết bị cảm biến không dây IEEE 802.11, mô phỏng mô hình và phân tích tiêu thụ năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Đình Thi
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Thiết bị cảm biến không dây IEEE 802.11: Mô phỏng mô hình và phân tích tiêu thụ năng lượng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và giới hạn đề tài
• 1.3. Phương pháp tiến hành
• 1.4. Những đóng góp của đề tài
• 1.5. Cấu trúc của luận văn
• 2. CHƯƠNG II: KHẢO SÁT VÀ LỰA CHỌN CÔNG CỤ MÔ PHỎNG IEEE 802.11
• 2.1. Khảo sát các hệ điều hành được dùng trong hệ thống nhúng
• 2.2. Giao thức kết nối mạng
• 2.3. Khảo sát các công cụ mô phỏng trong WSN
• 2.4. COOJA (Contiki OS Java) / MSPSim Simulator
• 2.5. OMNeT++ và các bộ thư viện mô phỏng
• 3. CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG GIAO TIẾP IEEE 802.11
• 3.1. Mô hình tổng quát truyền nhận dữ liệu chuẩn Zigbee IEEE802.4 của Wismote platform
• 3.2. Xây dựng mô hình tổng quát truyền nhận dữ liệu tích hợp module sensor node IEEE 802
• 3.3. Hiện thực mô phỏng giao tiếp sensor node IEEE802
• 3.4. Cấu hình Network Stack hỗ trợ IEEE 802
• 3.5. Mô phỏng tốc độ truyền IEEE802
• 3.6. Truyền dữ liệu lớn (large data) với IEEE802
• 4. CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG CHO SENSOR NODE IEEE 802
• 4.1. Mô hình năng lượng của một node IEEE802
• 4.2. Mô hình năng lượng tiêu thụ của vi điều khiển
• 4.3. Mô hình năng lượng của bộ IEEE 802.11 b/g truyền nhận dữ liệu
• 4.4. Mô hình tiêu thụ năng lượng của bộ cảm biến
• 4.5. Tính toán năng lượng tiêu thụ với thư viện energest
• 4.6. Giải thuật tiết kiệm năng lượng đề xuất cho sensor node IEEE802.11 và phân tích kết quả
• 4.7. Điều kiện mô phỏng
• 4.8. Mô phỏng mô hình truyền dữ liệu unicast
• 4.9. Mô hình truyền dữ liệu theo giao thức multi-hop
• 5. CHƯƠNG V: HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LY LỊCH TRÍCH NGANG
• QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
• QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc mô phỏng và phân tích tiêu thụ năng lượng của thiết bị cảm biến không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.11. Nghiên cứu này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về công nghệ không dây và mạng cảm biến, đặc biệt trong bối cảnh Internet of Things (IoT). Mục tiêu chính là xây dựng mô hình mô phỏng để tính toán tiêu thụ năng lượng của các thiết bị cảm biến, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và thời gian hoạt động của chúng.

1.1. Lý do chọn đề tài

Sự phát triển của mạng cảm biến không dây (WSN) đã mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, công nghiệp, và giám sát môi trường. Tuy nhiên, việc triển khai thực tế các thiết bị cảm biến đòi hỏi chi phí cao và thời gian dài. Mô phỏng là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu chi phí và thời gian, đồng thời đánh giá hiệu quả của các giao thức mạng và tiêu thụ năng lượng trước khi triển khai thực tế.

1.2. Mục tiêu và giới hạn

Mục tiêu của luận văn là xây dựng công cụ mô phỏng cho thiết bị cảm biến không dây IEEE 802.11 b/g, cung cấp mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ. Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng quá trình truyền nhận dữ liệu lớn và tính toán năng lượng dựa trên các chế độ hoạt động của các thành phần trong thiết bị cảm biến. Các yếu tố như khoảng cách truyền và ảnh hưởng môi trường không được đề cập.

II. Khảo sát và lựa chọn công cụ mô phỏng

Chương này tập trung vào việc khảo sát các hệ điều hành và công cụ mô phỏng phù hợp cho mạng cảm biến không dây. Các hệ điều hành như Contiki, TinyOS, và LiteOS được đánh giá dựa trên khả năng hỗ trợ giao thức mạng và tiêu thụ năng lượng. Công cụ mô phỏng như Cooja/MSPSim và OMNeT++ được lựa chọn để tích hợp chuẩn IEEE 802.11 b/g và mô hình tính toán năng lượng.

2.1. Hệ điều hành Contiki

Contiki là hệ điều hành mã nguồn mở, được thiết kế cho mạng cảm biến không dây. Nó hỗ trợ giao thức kết nối mạng như uIP và Rime stack, giúp đơn giản hóa việc điều khiển mạng và xử lý đồng thời. Contiki cũng cung cấp cơ chế đa tiến trình và sự kiện, phù hợp cho việc tích hợp chuẩn IEEE 802.11 b/g.

2.2. Công cụ mô phỏng Cooja MSPSim

Cooja/MSPSim là công cụ mô phỏng được tích hợp với Contiki, cho phép mô phỏng thiết bị cảm biến và giao thức mạng một cách chính xác. Nó hỗ trợ mô hình hóa hệ thống và phân tích hiệu suất, giúp đánh giá tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa năng lượng cho các thiết bị cảm biến.

III. Mô phỏng giao tiếp IEEE 802

Chương này trình bày quá trình mô phỏng giao tiếp giữa các thiết bị cảm biến sử dụng chuẩn IEEE 802.11 b/g. Mô hình tổng quát được xây dựng để mô phỏng quá trình truyền nhận dữ liệu, tích hợp module sensor node và cấu hình Network Stack. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng truyền dữ liệu lớn với tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu của mạng cảm biến không dây.

3.1. Mô hình truyền nhận dữ liệu

Mô hình truyền nhận dữ liệu được xây dựng dựa trên chuẩn IEEE 802.11 b/g, tích hợp module sensor node và cấu hình Network Stack. Quá trình mô phỏng cho phép truyền dữ liệu lớn với tốc độ lên đến 54Mbps, đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng IoT.

3.2. Mô phỏng tốc độ truyền

Mô phỏng tốc độ truyền được thực hiện để đánh giá hiệu suất của chuẩn IEEE 802.11 b/g. Kết quả cho thấy khả năng truyền dữ liệu lớn với tốc độ cao, đồng thời đảm bảo tiêu thụ năng lượng ở mức tối ưu.

IV. Xây dựng mô hình tính toán năng lượng

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình tính toán năng lượng cho sensor node IEEE 802.11. Mô hình năng lượng được xây dựng dựa trên các chế độ hoạt động của vi điều khiển, bộ truyền nhận dữ liệu, và bộ cảm biến. Giải thuật tiết kiệm năng lượng được đề xuất để tối ưu hóa thời gian hoạt động của thiết bị cảm biến.

4.1. Mô hình năng lượng của vi điều khiển

Mô hình năng lượng của vi điều khiển được xây dựng dựa trên các chế độ hoạt động như active, idle, và sleep. Giải thuật tiết kiệm năng lượng được áp dụng để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong các chế độ không hoạt động.

4.2. Mô hình năng lượng của bộ truyền nhận

Mô hình năng lượng của bộ truyền nhận dữ liệu được tính toán dựa trên công suất tiêu thụ trong các chế độ truyền và nhận. Giải thuật tiết kiệm năng lượng được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất truyền nhận dữ liệu.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã đạt được các mục tiêu đề ra, bao gồm xây dựng công cụ mô phỏng và mô hình tính toán năng lượng cho thiết bị cảm biến không dây IEEE 802.11 b/g. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, giúp tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu suất của mạng cảm biến không dây. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp thêm các giao thức mạng và công nghệ IoT để mở rộng ứng dụng của nghiên cứu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp, giám sát môi trường khắc nghiệt, và nhà thông minh. Theo ước tính, nhu cầu truyền tải dữ liệu lớn với tốc độ cao trong các mạng này ngày càng tăng, đặc biệt trong các ứng dụng như hệ thống chống trộm nhà thông minh có khả năng ghi hình và gửi dữ liệu khi phát hiện chuyển động. Chuẩn giao tiếp Zigbee IEEE 802.15.4 hiện phổ biến trong WSN với tốc độ truyền tối đa chỉ khoảng 250 Kbps, không đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu lớn. Do đó, chuẩn IEEE 802.11 b/g với tốc độ truyền lên đến 54 Mbps được xem là giải pháp tiềm năng để nâng cao băng thông và tốc độ truyền trong mạng cảm biến không dây.

Tuy nhiên, việc triển khai thực tế các node cảm biến IEEE 802.11 b/g với hàng trăm đến hàng ngàn thiết bị sẽ tiêu tốn nhiều thời gian và chi phí. Vì vậy, việc xây dựng công cụ mô phỏng hiệu quả để đánh giá mô hình mạng và phân tích tiêu thụ năng lượng trước khi áp dụng thực tế là rất cần thiết. Luận văn tập trung vào việc mô phỏng mô hình giao tiếp node IEEE 802.11 b/g trong mạng cảm biến không dây, đồng thời xây dựng mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ nhằm dự đoán thời gian hoạt động của thiết bị.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng quá trình truyền nhận dữ liệu lớn theo chuẩn IEEE 802.11 b/g, sử dụng công cụ mô phỏng Cooja/Contiki, trong khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả triển khai mạng cảm biến không dây tốc độ cao, tiết kiệm năng lượng, phục vụ cho các ứng dụng Internet of Things trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mạng cảm biến không dây (WSN): Mạng phân tán các node cảm biến nhỏ gọn, thu thập dữ liệu môi trường và truyền về trung tâm xử lý. Các node thường sử dụng giao tiếp không dây với yêu cầu tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy cao.

• Chuẩn giao tiếp IEEE 802.11 b/g: Chuẩn WiFi với tốc độ truyền dữ liệu tối đa 54 Mbps, hỗ trợ truyền dữ liệu lớn, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi băng thông cao trong WSN.

• Mô hình năng lượng tiêu thụ của sensor node: Bao gồm các thành phần chính như vi điều khiển, bộ truyền nhận dữ liệu, cảm biến và nguồn năng lượng. Mô hình tính toán năng lượng dựa trên trạng thái hoạt động (active, sleep, hibernate) của từng thành phần.

• Hệ điều hành nhúng Contiki: Hệ điều hành mã nguồn mở, hỗ trợ đa luồng nhẹ, mô hình sự kiện, và giao thức mạng RIME, phù hợp cho việc tích hợp chuẩn IEEE 802.11 b/g trong môi trường mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật về chuẩn IEEE 802.11 b/g, hệ điều hành Contiki, và các công cụ mô phỏng WSN như Cooja/MSPSim.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng công cụ mô phỏng Cooja tích hợp với MSPSim để mô phỏng hoạt động của sensor node IEEE 802.11 b/g. Thực hiện cấu hình lại network stack, tăng kích thước bộ đệm truyền nhận dữ liệu, và điều chỉnh memory map của vi điều khiển MSP430F5437 để hỗ trợ truyền dữ liệu lớn.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và khảo sát hệ điều hành, công cụ mô phỏng (tháng 7-8/2015); tích hợp mô hình IEEE 802.11 b/g vào Cooja (tháng 9-10/2015); xây dựng mô hình tính toán năng lượng và thực hiện mô phỏng (tháng 11/2015); tổng hợp kết quả và hoàn thiện luận văn (tháng 12/2015).

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng mạng cảm biến với nhiều node (khoảng 10-20 node) trong môi trường giả lập để đánh giá hiệu suất truyền dữ liệu và tiêu thụ năng lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô phỏng thành công giao tiếp IEEE 802.11 b/g trong Cooja:

   • Tốc độ truyền dữ liệu đạt tối đa 54 Mbps, gấp hơn 200 lần so với Zigbee (250 Kbps).
   • Kích thước gói dữ liệu tối đa tăng từ 128 byte (Zigbee) lên 1536 byte, phù hợp với truyền dữ liệu lớn.
   • Bộ đệm TX và RX được mở rộng lên 1536 byte sau khi điều chỉnh memory map của MSP430F5437.

2. Mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ chi tiết:

   • Năng lượng tiêu thụ được phân tích theo từng thành phần: vi điều khiển, bộ truyền nhận IEEE 802.11 b/g, và cảm biến.
   • Vi điều khiển có hai trạng thái chính: active (25 mA) và sleep (15 µA).
   • Bộ truyền nhận dữ liệu có các trạng thái: transmit, receive, sleep, hibernate với mức tiêu thụ năng lượng khác nhau.
   • Thư viện energest trong Contiki được sử dụng để đo thời gian hoạt động ở từng trạng thái, từ đó tính toán năng lượng tiêu thụ chính xác.

3. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng khi áp dụng thuật toán điều khiển trạng thái:

   • Thuật toán tiết kiệm năng lượng giúp giảm thời gian hoạt động ở trạng thái active không cần thiết, tăng thời gian sleep.
   • Mô phỏng cho thấy thời gian hoạt động của node có thể được dự đoán trước dựa trên mô hình năng lượng, giúp lập kế hoạch sử dụng pin hiệu quả.

4. So sánh với các công cụ mô phỏng khác:

   • Cooja hỗ trợ mô phỏng đa mức (generic, code level, firmware level), linh hoạt hơn NS-2, TOSSIM, GloMoSim.
   • Khả năng mô phỏng phần cứng và phần mềm đồng thời giúp đánh giá chính xác hơn hiệu suất và tiêu thụ năng lượng của node.

Thảo luận kết quả

Việc mô phỏng thành công giao tiếp IEEE 802.11 b/g trong môi trường Cooja/Contiki là bước tiến quan trọng, mở rộng khả năng ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong các lĩnh vực đòi hỏi truyền dữ liệu lớn và tốc độ cao. Kết quả mô phỏng cho thấy chuẩn IEEE 802.11 b/g có thể đáp ứng yêu cầu băng thông và tốc độ truyền dữ liệu mà Zigbee không thể thực hiện được.

Mô hình năng lượng chi tiết giúp dự đoán chính xác thời gian hoạt động của node, từ đó tối ưu hóa chiến lược tiết kiệm năng lượng, kéo dài tuổi thọ pin. Việc điều chỉnh memory map của vi điều khiển MSP430F5437 để hỗ trợ bộ đệm lớn là giải pháp kỹ thuật quan trọng, giúp mô phỏng dữ liệu lớn thành công.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng NS-2 hay TOSSIM, công cụ Cooja cho phép mô phỏng đa dạng hơn về phần cứng và phần mềm, hỗ trợ tốt cho việc phát triển và kiểm thử các thuật toán tiết kiệm năng lượng và giao thức truyền thông mới.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian hoạt động của node, biểu đồ tiêu thụ năng lượng theo từng trạng thái, và bảng so sánh hiệu suất truyền dữ liệu giữa Zigbee và IEEE 802.11 b/g, giúp trực quan hóa hiệu quả của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thuật toán tiết kiệm năng lượng nâng cao:

   • Tối ưu hóa chuyển đổi trạng thái giữa active và sleep dựa trên điều kiện mạng thực tế.
   • Mục tiêu giảm tiêu thụ năng lượng ít nhất 20% trong vòng 6 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển node.

2. Mở rộng mô hình mô phỏng cho các chuẩn IEEE 802.11n/ac:

   • Nâng cao tốc độ truyền dữ liệu lên đến 300 Mbps hoặc hơn, đáp ứng nhu cầu IoT hiện đại.
   • Thời gian thực hiện dự kiến 1 năm.
   • Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và kỹ sư phần mềm mô phỏng.

3. Tích hợp mô hình ảnh hưởng môi trường truyền dẫn:

   • Xem xét các yếu tố như khoảng cách, nhiễu sóng, tỉ lệ lỗi để đánh giá chính xác hơn tiêu thụ năng lượng.
   • Mục tiêu cải thiện độ chính xác mô phỏng lên 15% trong 9 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu mạng không dây.

4. Triển khai thử nghiệm thực tế với node IEEE 802.11 b/g:

   • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế để hiệu chỉnh mô hình.
   • Thời gian thực hiện 6 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và đối tác công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Máy tính, Mạng không dây:

   • Lợi ích: Hiểu rõ về mô hình mô phỏng và tính toán năng lượng trong WSN chuẩn IEEE 802.11 b/g.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

2. Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng và hệ điều hành cho thiết bị IoT:

   • Lợi ích: Áp dụng kiến thức về hệ điều hành Contiki và mô hình network stack để phát triển firmware hiệu quả.
   • Use case: Thiết kế phần mềm điều khiển node cảm biến tiết kiệm năng lượng.

3. Chuyên gia thiết kế phần cứng và vi điều khiển:

   • Lợi ích: Nắm bắt các yêu cầu về cấu hình memory map, bộ đệm để hỗ trợ truyền dữ liệu lớn.
   • Use case: Thiết kế phần cứng sensor node phù hợp với chuẩn IEEE 802.11 b/g.

4. Doanh nghiệp và tổ chức triển khai hệ thống IoT và mạng cảm biến:

   • Lợi ích: Đánh giá hiệu quả mô hình mạng, dự đoán thời gian hoạt động thiết bị, tối ưu chi phí vận hành.
   • Use case: Lập kế hoạch triển khai hệ thống cảm biến không dây trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần mô phỏng mạng cảm biến IEEE 802.11 b/g thay vì triển khai thực tế?
   Mô phỏng giúp tiết kiệm chi phí, thời gian và dễ dàng điều chỉnh các tham số mạng trước khi triển khai thực tế. Ví dụ, mô phỏng cho phép đánh giá tiêu thụ năng lượng và hiệu suất truyền dữ liệu mà không cần mua thiết bị đắt tiền.

2. Công cụ Cooja có ưu điểm gì so với các công cụ mô phỏng khác?
   Cooja hỗ trợ mô phỏng đa mức (generic, code level, firmware level), cho phép mô phỏng đồng thời phần cứng và phần mềm, dễ dàng thay đổi cấu hình network stack và driver, phù hợp với nghiên cứu WSN chuẩn IEEE 802.11 b/g.

3. Làm thế nào để tính toán năng lượng tiêu thụ của sensor node trong mô hình?
   Sử dụng thư viện energest trong Contiki để đo thời gian hoạt động ở các trạng thái khác nhau, kết hợp với dòng điện và điện áp cung cấp để tính năng lượng tiêu thụ theo công thức:
   $$E = Current \times Voltage \times Time$$.

4. Tại sao phải điều chỉnh memory map của vi điều khiển MSP430F5437?
   Để tăng kích thước bộ đệm truyền nhận dữ liệu (TX/RX buf) lên 1536 byte, cần tăng dung lượng RAM và giảm ROM, giúp biên dịch thành công chương trình hỗ trợ truyền dữ liệu lớn.

5. Mô hình năng lượng có thể áp dụng cho các chuẩn WiFi mới hơn như IEEE 802.11n/ac không?
   Có thể áp dụng với điều chỉnh các tham số dòng điện, trạng thái hoạt động phù hợp với chip truyền nhận mới. Việc mở rộng mô hình này là hướng phát triển tiếp theo nhằm đáp ứng yêu cầu băng thông cao hơn.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công công cụ mô phỏng giao tiếp IEEE 802.11 b/g trong môi trường Cooja/Contiki với tốc độ truyền tối đa 54 Mbps và kích thước gói dữ liệu lên đến 1536 byte.
• Phát triển mô hình tính toán năng lượng tiêu thụ chi tiết cho sensor node, bao gồm vi điều khiển, bộ truyền nhận và cảm biến, giúp dự đoán thời gian hoạt động thiết bị.
• Thuật toán tiết kiệm năng lượng được đề xuất giúp giảm tiêu thụ năng lượng hiệu quả, kéo dài tuổi thọ pin cho node cảm biến.
• Công cụ mô phỏng Cooja được đánh giá là phù hợp nhất cho nghiên cứu và phát triển mạng cảm biến không dây chuẩn IEEE 802.11 b/g.
• Đề xuất mở rộng mô hình cho các chuẩn WiFi mới, tích hợp ảnh hưởng môi trường truyền dẫn và triển khai thử nghiệm thực tế trong các nghiên cứu tiếp theo.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng công cụ mô phỏng và mô hình năng lượng này để phát triển các giải pháp mạng cảm biến không dây tốc độ cao, tiết kiệm năng lượng, phục vụ cho các ứng dụng IoT hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA a NGUYEN DINH THI THIET BI CAM BIEN KHONG DAY IEEE 802.11: MO PHONG MO HÌNH VA PHAN TICH TIEU THU NANG LUONG CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO CHUYEN NGANH: 60.01 LUAN VAN THAC SI TP. HO CHI MINH, thang 12 nam 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Minh Sơn Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS.

Trần Ngọc Thịnh Cán bộ chấm nhận Xét Ì:.-- - + + 6x2 EESEEE SE EsESEEESESEEseekeereree Cán bộ chấm nhận Xét 2:.-- - - + E612 EESESESESEEEeEgEEESESeEekrkevreree Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bach Khoa, DHQG Tp. HCM ngày 29 tháng 12 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch: PGS. Phạm Quốc Cường 3.

Phản biên 1: TS. Pham Hoàng Anh 4. Phản biện 2: TS. Ủy viên: TS.

Nguyễn Đức Thái Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA. ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHEM VỤ LUẬN VAN THAC SY Ho tén hoc vién: NGUYEN DINH THI MSHV: 13070264 Ngày, thang, năm sinh: 10/09/1987 Noi sinh: Daklak Chuyén nganh: KHOA HỌC MAY TÍNH Mã số: 60.01 TÊN DE TÀI: THIẾT BỊ CAM BIEN KHONG DAY IEEE 802.11: MO PHONG MÔ HINH VA PHAN TICH TIEU THU NANG LUGNG NHIỆM VU VA NOI DUNG: Mô phỏng mô hình giao tiếp node IEEE802.11 b/g trong mạng cảm biến không dây và tính toán năng lượng tiêu thụ NGÀY GIAO NHIỆM VU: 06/07/2015 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2015 CAN BỘ HƯỚNG DAN: TS. NGUYEN MINH SƠN và PGS.TRAN NGỌC THỊNH Tp.

CAN BỘ HƯỚNG DAN 1 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS. Nguyễn Minh Sơn CÁN BO HUONG DAN 2 TRUONG KHOA PGS. Tran Ngoc Thinh LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Minh Sơn và PGS.Tran Ngọc Thịnh, các Thay đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề cương và luận văn cao học, tao mọi điều kiện dé tôi có thé hoàn thành tốt luận văn này.

Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến các Thầy Cô trong khoa Khoa Học & Kỹ Thuật Máy Tính trường Đại Học Bách Khoa TPHCM. Các Thầy Cô đã rất tận tình chỉ dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong suốt thời gian tôi học cao học tại trường. Tôi xin gửi lời cám ơn gia đình, bạn bè và các đông nghiệp nơi tôi làm việc đã động viên và tạo mọi điêu kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn. Mặc dù đã cô găng hết sức có thé dé hoàn thành tốt nhất luận van trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chăn luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự chỉ bảo tận tình của quý Thầy Cô và các bạn.

HCM, ngày 23 tháng 11 năm 2015 Học viên Nguyễn Đình Thi ii TOM TAT LUẬN VĂN Ngày nay, các ứng dụng mạng cảm biến được áp dụng vào nhiều lĩnh vực trong cuộc sống. Từ đó, có những nhu cầu mới phát sinh và đòi hỏi phải áp dụng vào mạng cảm biến không dây, một trong những nhu câu quan trọng đó là trao đối dữ liệu lớn với tốc độ cao. Như hệ thống chống trộm cho nhà thông minh có thé ghi hình và chụp ảnh khi phát hiện được chuyển động và gửi về trung tâm xử lý dữ liệu sau một thời gian dài băng nguồn pin kèm theo khi hệ thống cung cấp điện bị hư hại. Từ đó nảy sinh ra nhu cầu tạo ra một thiết bị cảm biến có khả năng truyền tải dữ liệu lớn với tốc độ cao và tính toán được thời gian hoạt động của thiết bị cảm biến đó.

Việc xây dựng và triển khai khác mô hình dé thực nghiệm trong thực té sẽ rất tốn thời gian và chi phí. Nghiên cứu trong luận văn này cung cấp một giải pháp dé giúp tiết kiệm chi phí, dễ dàng đánh giá hiệu quả của mô hình mạng với các node (hay còn gọi là mote) cảm biến IEEE802.11 b/g trước khi áp dụng vào thực tế: Cung cấp công cụ mô phỏng thiết bị cảm bién không dây giao tiếp tốc độ cao theo chuẩn IEEE802.11 b/g va mô hình tính toán tiêu thụ năng lượng. lil 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 anti- thief 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 rang, ngoại trừ các kêt quả tham khảo từ các công trình khác như đã ghi rõ trong luận văn, các công việc được trình bày trong luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phân nội dung nào của luận văn này được nộp dé lây một băng cấp ở trường này hoặc trường khác. HCM, ngày 23 tháng 11 năm 2015 Học viên Nguyễn Đình Thi MỤC LỤC NHEM VỤ LUẬN VĂN THAC S Ế.5-5- << << << €eE999S9S2SsEsEsesesessee i 1 0) OF. x 0) See ii TOM TAT LUẬN VĂTN.<< << < << g9 H 0 0 090909060 2x xe iii F0 là. GIỚI 'T HỆ” UU.

Lý do chọn để tabeccccccccccsccsssessesssesssscsessssesessssssssssesscsssessssssesecsesesscsesesseseseeseeesen | 1. Mục tiêu và giới hạn dé tài. Phương pháp tiễn hành.---- - + 2266 SEE SE 2E E919 5 E21 1515151111 111511 1111115111 cxe. Những đóng góp của dé tài.

Cau trúc của luận văn. --- «k1 E111 11v 9111911113 5111115111 3 1111111 ng ree 4 CHƯƠNG II. KHAO SÁT VÀ LỰA CHỌN CONG CỤ MO PHONG IEEE "11580055. Khảo sát các hệ điều hành được dùng trong hệ thống nhúng.

Giao thức kết nối mạng. ------ + ¿5 ¿SE E£E*+E+E#E£EE+E£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrie 6 "26h, ¡9. Giao thức kết nối mạng.------- - ¿5S SE +E+E£E*+E+E#E£EE+E£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrie 8 "1" 8. Giao thức kết nối mạng.---- ¿+ + 5£ + E9 SEEE+E+E£EEEE#E+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrees 10 2.

Khảo sát các công cụ mô phỏng trong WSN.0 1 1 HH1 HT H TT HT HH0 HH0 HH.- - Sc c St St S111 1111111581111 55 1111111111111 1551111115111 1111111111111 T1 TT cty 13 ;” 501995).- -- -Sc St cx S111 11 1111581111551 111 1111111111 E1E111511 E111 1111111111111 1111 grey 15 2. COOJA (COntiki Os Java) / MSPSim Simulator. UU điỂm: vices cccccsescsscscscsesscscscesssssesescsssesscscecssesscsesssssensesssststesessetsesseatenseneateess 15 VỊ 2. OMNeT++ và các bộ thư viện mô phỏng .- -- -- << <5 5519 11 vs ke 16 "VD W ĐT 0.

MÔ PHONG GIAO TIẾP IEEE 802. Mô hình tổng quát truyền nhận dữ liệu chuẩn Zigbee IEEE802.4 của Wismote platform 0277. Xây dựng mô hình tông quát truyền nhận dữ liệu tích hợp module sensor node IEEE 802. Hiện thực mô phỏng giao tiếp sensor node IEEE802.

Cau hình Network Stack hỗ trợ IEEE 802. Mô phỏng tốc độ truyền IEEE802. Truyền dữ liệu lớn (large data) với IEEE802.--2-5- +5 cscs£s+szs+¿ 25 CHƯƠNG IV. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG CHO SENSOR NODE IEEE 802.

Mô hình năng lượng cua một node IEEE802. Mô hình năng lượng tiêu thụ của vi điều khiến. Mô hình năng lượng của bộ IEEE 802.11 b/g truyền nhân dữ liệu. Mô hình tiêu thụ năng lượng của bộ cảm biến.

Tính toán năng lượng tiêu thụ với thư viện energest. Giải thuật tiết kiệm năng lượng đề xuất cho sensor node IEEE802.11 và phân tích kẾt quả. Điều kiện mô phỏïng.- ¿+ - ¿+2 + 2 SE +E#EEEE£E#EEEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEETEEEErkrrrrrrs 41 4. Mô phỏng mô hình truyền đữ liệu unicaSf.

Mô hình truyền dữ liệu theo giao thức multi-hop.111 E1nreg 48 CHƯƠNG V. hướng phát triển của luận vănn.- ¿+ - 2 £+E+E£E+E#EE E33 2E E21 E11 xe rree 50 TÀI LIEU THAM IKKHÁOO. << << << 9S 9S S4 3x xesesesese 52 LY LICH TRÍCH NGANG. 3 600505565556 56 QUA TRÌNH ĐÀO TẠCO.d- << << 2E ng 909090 0900805 ssee 57 QUA TRÌNH CONG TAC .2 2-2 e<s< s99 S99 99299393959 5959959059 5959259590900 58 Vil DANH MỤC BANG Bảng 1: Bang tóm tắt so sánh giữa các hệ điều hành trong WSN.

1] Bang 2: Bảng tóm tat so sánh giữa các công cu mô phỏng trong WSN. 17 Bang 3: So sánh đặc điểm phan cứng sensor node IEEE802. 18 Bảng 4: Cấu hình lại Memory map cho MSP430F5437.-- 5 2 s sec 27 Bảng 5: Cau hình frame truyền dữ liệu cho IEEE 802.----5-5-5¿ 28 Bảng 6: Ví dụ công suất tiêu thụ của các thành phan cảm biến .-- 38 Bảng 7: Bảng năng lượng tiêu thụ của các thành phần ở các chế độ hoạt động.42 Bang 8: Frame format dữ liệu mô phỏng .- -- 555 +11 + vveeeeees 43 Bang 9: Đặc điểm các node trong mô phỏng unicasí.-- - + 25-5 552s+s£s£szs2 44 Bang 10: Đặc điểm các trong mô phỏng multi-hop.------ - 2 252 25s2s+£z£z£sz<2 47 Vill DANH MỤC HÌNH Hình 1: Block diagram Contiki ÓQŠ. - cọ ngờ 6 Hình 2: Kiến trúc hệ điều hành TyniOS .--¿-5- 5+ 25225 E+E2EEEEEErEerrrerkrered 8 Hình 3: Kiến trúc hệ điều hành LiteOS .---c-ccccretrerrirtrirrrirrrirrrrrrk 10 Hình 4: Kiến trúc tong quát của ÌNS-2.

12 Hình 5: Mô hình truyền nhận dữ liệu IEEE §02.-- + + << <<<<<<<<<<<<2 19 Hình 6: Contiki network SEACÍK. G00 ng ng 20 Hình 7: Mô hình phần mềm đề xuất dé tích hợp chuẩn IEEE 802. 21 Hình 8: Network stack dé xuất cho IEEE 802.--- 255 s+s+ss££szs2 22 Hình 9: Sơ đồ cau hình Network Stack cho IEEE 802.--5-5-5-5¿ 23 Hình 10: Mô hình truyền dữ liệu thông qua SPI của Cooja/MSPSim. 24 Hình 11: Mô hình nhận dữ liệu thông qua SPI của Cooja/MSPSim.

24 Hình 12: Cơ chế mô phỏng tốc độ truyền radio trong Cooja.------55-5-5¿ 25 Hình 13: Kiến trúc tổng quát của sensor node .-- ¿2-5 s+s+s+££ezs+ezezrrsred 29 Hình 14: Mô hình năng lượng của sensor node IEEE 802. 30 Hình 15: Mô hình chuyền trạng thái của vi điều khiến.---- - 2 525255552 32 Hình 16: Mô hình chuyền trạng thái của IEEE 802.------ 34 Hình 17: Mô hình chuyền trạng thái của SenSOr.- ¿5-5 + +52 2 2+s+£zes£cscsd 36 IX Hình 18: Mô tả mối liên hệ giữa số tick và các chế độ hoạt động. 37 Hình 19: Thuật toán tiết kiệm năng lượng cho IEEE 802. 41 Hình 20: Sap xếp các node trong không gian mô hình mô phỏng unicast .