Luận văn Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- TRẦN THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành : Vật lý vô tuyến điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUANG THẢO Hà Nội - 2017
3. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận văn: “Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lƣợng cho mạng cảm biến không dây” Là do bản thân tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Lê Quang Thảo. Các số liệu, kết quả đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Trần Thanh Hà
4. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hƣớng dẫn của tôi, TS.Lê Quang Thảo.Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, thầy đã tận tìnhhƣớng dẫn, giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy cô giáo trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quí báu trong quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.17.09.Tôi xin trân trọng cảm ơn sự tài trợ quý báu đó. Tôi xin cảm ơn đến các cán bộ quản lý thiết bị, máy móc thuộc danh mục thiết bị bảng A đƣợc trang bị tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý. Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Các thiết bị đƣợc sử dụng gồm: “Dao động ký số điện tử DL1720E, Keithly 2000 ” Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè,đồng nghiệp, những ngƣời đã ủng hộ và động viên giúp đỡ tôi trong thời gian làm luận văn. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Trần Thanh Hà
5. MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........................... 3 1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 3 1.2. Kiến trúc mạng cảm biến không dây .................................................................. 5 1.2.1.Lớp vật lý ........................................................................................................ 6 1.2.2.Lớp liên kết dữ liệu ......................................................................................... 7 1.2.3.Lớp mạng ........................................................................................................ 8 1.2.4.Lớp giao vận.................................................................................................... 9 1.2.5.Lớp ứng dụng ................................................................................................ 10 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ........................................................ 11 1.3.1.Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe .................................... 11 1.3.2.Ứng dụng trong lĩnh vực môi trƣờng ............................................................ 12 1.3.3.Ứng dụng vào các thiết bị trong nhà ............................................................. 14 1.3.4. Ứng dụng trong công nghiệp ...................................................................... 14 1.3.5.Ứng dụng trong lĩnh vực quân sự ................................................................. 15 Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................... 15 CHƢƠNG 2. NGUYÊN NHÂN MẤT MÁT NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..................................................................................................... 16 2.1. Node cảm biến ..................................................................................................... 17 2.1.1. Vi điều khiển (MCU) ................................................................................... 17 2.1.2. Radio (Transceiver) ...................................................................................... 18 2.1.3. Bộ nhớ .......................................................................................................... 19 2.1.4. Cảm biến ...................................................................................................... 19 2.2. Quá trình truyền dữ liệu ...................................................................................... 20 2.3. Truyền thông ....................................................................................................... 22 Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................... 27 CHƢƠNG 3. TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN ................... 28 KHÔNG DÂY ................................................................................................................ 28
6. 3.1. Kiến trúc node cảm biến ..................................................................................... 28 3.2. Nguồn năng lƣợng ............................................................................................... 32 3.3. Giao thức MAC ................................................................................................... 33 Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................... 36 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TOÁN NĂNG LƢỢNG ............... 38 CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN .................................................................................... 38 4.1. Năng lƣợng mạng ................................................................................................ 38 4.2.Các phƣơng pháp đo năng lƣợng thƣờng dùng .................................................... 39 4.2.1. Phƣơng pháp đo sử dụng đồng hồ đầu kẹp .................................................. 39 4.2.2. Phƣơng pháp đo sử dụng bằng siêu tụ điện. ................................................ 40 4.2.3. Phƣơng pháp đo sử dụng điện trở Shunt. ..................................................... 41 4.3.Khảo sát tiêu thụ năng lƣợng trong node ............................................................. 42 4.3.1. Tiêu thụ năng lƣợng trên vi điều khiển ........................................................ 44 4.3.2. Tiêu tốn năng lƣợng ở cảm biến .................................................................. 44 4.3.3. Tiêu tốn năng lƣợng ở bộ thu phát vô tuyến ................................................ 48 4.4. Tiêu thụ năng lƣợng trong mạng ......................................................................... 51 4.4.1. Số lƣợng node có trong mạng ...................................................................... 52 4.4.2. Tốc độ truyền dữ liệu trong mạng ................................................................ 53 4.4.3. Số lần gửi lặp lại (retry) ............................................................................... 54 4.4.4. Công suất phát .............................................................................................. 55 4.5. Giải pháp đề xuất ................................................................................................ 56 Kết luận chƣơng 4 ...................................................................................................... 58 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 62 PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 64
7. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Cụm từ Nghĩa tiếng Việt Tín hiệu sử dụng trong truyền thông số ACK Acknowledgement để đảm bảo dữ liệu đƣợc nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số ARQ Automatic Repeat Request Tự động lặp lại yêu cầu AVR Vi điều khiển họ AVR ComplementaryMetal CMOS Mạch công nghệ tích hợp Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm General Packet Radio GPRS Dịch vụ gói tin vô tuyến tổng hợp Service ID Identification Nhận diện IEEE Institute of Electrical and Viện điện, điện tử quốc tế Electronics Engineers Industrial, Scientific and Chuẩn công nghiệp, nghiên cứu khoa ISM Medical học và y tế FEC Forward Errorcorrection Sửa lỗi chuyển tiếp LCD Liquid Crystal Display Màn hiển thị tinh thể lỏng LPL Low Power Listening Chế độ nghe công suất thấp Low-rate Wireless Personal LR-WPANs Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Area Networks MAC Media Access Control Điều khiển truy cập đƣờng truyền MCU Microcontroller unit Đơn vị vi xử lý trung tâm NACK Negative acknowledgement Tín hiệu xác thực phủ định Open System Mô hình tham chiếu kết nối các hệ OSI Interconnection Reference thống mở model
8. PLL Phase – locked loop Vòng khóa pha PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RF Radio frequency Tần số radio Reduced Instruction Set RISC Cấu trúc tập hợp lệnh rút gọn Computer RX Receiver Máy thu SPI Serial Peripheral Interface Giao tiếp ngoại vi nối tiếp Transmission Control TCP Giao thức điều khiển truyền vận Protocol TX Transmitter Máy phát UWASA Tên riêng kiến trúc UWASA Voltage Controlled VCO Bộ điều khiển dao động theo điện áp Oscillator WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây Tên riêng giao thức mạng không dây ZigBee ZigBee
9. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.Cấu hình của node khi khảo sát tiêu thụ năng lƣợng khi đọc cảm biến ...42 Bảng 2. Bảng so sánh mức tiêu thụ năng lƣợng thực tế ở một vài chế độ của vi điều khiển so với thông số nhà sản xuất 44 Bảng 3.Cấu hình gói dữ liệu khi truyền tin bằng mô đun vô tuyến nRF24L01 48 Bảng 4. Các thông số của node cảm biến để khảo sát năng lƣợng của mạng cảm biến 52
10. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến. ................................................................ 3 Hình 2.1.Năng lƣợng tiêu thụ ở một node cảm biến MicaZ .......................................... 17 Hình 2.2. Mô hình năng lƣợng đơn giản ........................................................................ 26 Hình 3.1. Sơ đồ cơ bản của một node cảm biến ............................................................. 29 Hình 3.2. Năng lƣợng tiêu thụ trong mạng cảm biến ..................................................... 30 Hình 3.3. Cơ chế hoạt động của S-MAC ....................................................................... 34 Hình 3.4. Chu kì hoạt động của T-MAC ........................................................................ 35 Hình 4.1. Phƣơng pháp đo năng lƣợng bằng đồng hồ đầu kẹp ...................................... 40 Hình 4.2. Phƣơng pháp đo năng lƣợng sử dụng siêu tụ điện ......................................... 41 Hình 4.3.Phƣơng pháp đo năng lƣợng sử dụng điện trở Shunt ...................................... 41 Hình 4.4. Sử dụng điện trở Shunt để khảo sát tiêu thụ năng lƣợng trong node cảm biến ........................................................................................................................................ 43 Hình 4.5. Các quá trình tiêu thụ năng lƣợng khi node đọc cảm biến............................. 44 Hình 4.6.Tiêu tốn năng lƣợng khi node đọc giá trị cảm biến DHT11 ........................... 45 Hình 4.7. Tiêu tốn năng lƣợng khi node đọc giá trị ADC từ quang trở (CdS) .............. 46 Hình 4.8. Tiêu tốn năng lƣợng khi node truyền dữ liệu bằng mô-đun vô tuyến nRF24L01 ...................................................................................................................... 49 Hình 4.9. Đo tiêu thụ năng lƣợng khi node truyền dữ liệu ............................................ 50 Hình 4.10. Sơ đồđo năng lƣợng trong mạng .................................................................. 52 Hình 4.11. Ảnh hƣởng của tốc độ truyền dữ liệu đến năng lƣợng node cảm biến ........ 54 Hình 4.12. Ảnh hƣởng của công suất đầu ra tới năng lƣợng tiêu thụ ............................ 56