Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẶNG DUY AN
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO
XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH
2013
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
ĐẶNG DUY AN
MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY, ỨNG DỤNG VÀO
XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH
: 60 48 01
PGS.TS. PHẠM VIỆT BÌNH
2013
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ.............................................................................................. i
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .....................2
1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây...............................................2
1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây ........................................................3
1.3. Cấu trúc của nút cảm biến................................................................................5
1.4. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ...............................................6
1.4.1. Các mặt phẳng quản lý..............................................................................6
1.4.2. Lớp vật lý: .................................................................................................7
1.4.3. Lớp liên kết dữ liệu ...................................................................................8
1.4.4. Lớp mạng ..................................................................................................8
1.4.5. Lớp truyền tải............................................................................................8
1.4.6. Lớp ứng dụng ............................................................................................8
1.5. Các cơ chế truyền thông cho mạng cảm biến không dây.................................8
1.5.1. Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến không dây...........................8
1.5.2. Chuẩn truyền thông vật lý cho mạng cảm biến không dây.....................11
1.6. Một số thách thức của mạng WSNs...............................................................12
1.6.1. Thách thức ở cấp độ nút..........................................................................12
1.6.2. Thách thức ở cấp độ mạng ......................................................................13
1.6.3. Sự chuẩn hóa ...........................................................................................14
1.6.4. Khả năng cộng tác...................................................................................14
1.7. Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây ..........................................15
1.7.1. Ứng dụng WSNs trong nông nghiệp, lâm nghiệp...................................15
1.7.2. Ứng dụng WSNs trong y tế.....................................................................16
1.7.3. Ứng dụng WSNs trong môi trƣờng.........................................................16
1.7.4. Ứng dụng WSNs trong giao thông..........................................................17
1.7.5. Ứng dụng WSNs trong gia đình..............................................................18
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG
CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................................................19
2.1. Công nghệ truyền thông cho mạng không dây năng lƣợng thấp -
6LOWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks)..............19
2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................19
2.1.2. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN...............................................................21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.2. Công nghệ truyền thông lớp ứng dụng hoạt động trên mạng có năng lƣợng
hạn chế - CoAP (Constrained Application Protocol)............................................24
2.2.1. Đặc điểm .................................................................................................25
2.2.2. Kiến trúc CoRE.......................................................................................25
2.2.3. Mô hình giao thức CoAP ........................................................................27
2.2.4. Phân lớp ngăn xếp giao thức CoAP ........................................................32
................................................................34
......................................................................34
Request/Response .......................................................................38
ủa CoAP.............................................40
.........................................................................................41
2.2.10. Chuyển đổi giữa CoAP và HTTP .........................................................43
2.3. Công nghệ truyền thông cho mạng có năng lƣợng và tổn hao thấp - RPL
(IPv6 Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks).............................44
2.3.1. Giới thiệu.................................................................................................44
2.3.2. Một số khái niệm trong RPL...................................................................44
2.3.3. Các loại bản tin sử dụng trong RPL - ICMP...........................................47
2.3.4. Quá trình khởi tạo mạng .........................................................................50
2.3.5. Quá trình định tuyến upward ..................................................................50
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGÔI NHÀ THÔNG MINH....................54
3.1. Mô tả bài toán.................................................................................................54
3.2. Thiết kế mô hình hệ thống ngôi nhà thông minh ..........................................55
3.2.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .......................................55
3.2.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh .......................................57
3.2.3. Các module chính của mô hình ngôi nhà thông minh ............................58
3.3. Các thuật toán quản lý mô hình ngôi nhà thông minh ...................................62
3.3.1. Thuật toán điều khiển thiết bị .................................................................62
3.3.2. Thuật toán gửi số liệu lên máy chủ .........................................................62
3.3.3. Thuật toán gửi số liệu của nút cảm biến tới nút sink ..............................63
3.3.4. Đánh giá hiệu năng của hệ thống ............................................................63
KẾT LUẬN...............................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................68
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không dây. ............................................................2
Hình 1. 2 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến. ...........................................................5
Hình 1. 3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây ..........................................6
Hình 1.4 Phân chia kênh vô tuyến trong dải 24Ghz. ..................................................7
Hình 1. 5 Mô hình Điểm – Điểm của mạng cảm biến không dây ..............................9
Hình 1. 6 Mô hình Điểm – Đa điểm của mạng cảm biến không dây..........................9
Hình 1. 7 Mô hình Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây .........................10
Hình 1. 8 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong nông nghiệp ...........................16
Hình 1. 9 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong môi trƣờng .............................17
Hình 1. 10 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong giao thông ............................18
Hình 1. 11 Minh họa ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình ................................18
Hình 2.1. Kiến trúc ngăn xếp 6LoWPAN so sánh với mô hình ISO/OSI Layer......21
Hình 2.2. Kiến trúc REST.........................................................................................26
Hình 2.3. Ví dụ minh họa về kiến trúc RESTful cho WSNs. ...................................27
.................................................................28
. ...........................................................28
. ..........................................................................29
. ...............................30
. ................................................30
. .................................................................31
Hình 2.10. So sánh ngăn xếp giao thức HTTP(a) với CoAP(b). ..............................32
....................................................................................34
. ..........................................................39
................42
Hình 2.17. Mô hình RPL DAG.................................................................................45
Hình 2.18. RPL INSTANCE và DAG sequence number.........................................46
Hình 2.19. Cấu trúc bản tin điều khiển RPL.............................................................47
Hình 2.20. Cấu trúc bản tin DIS................................................................................48
Hình 2.21. Cấu trúc bản tin DIO...............................................................................49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.22. Cấu trúc bản tin DAO .............................................................................49
Hình 3.1. Sơ đồ mặt bằng mô hình ngôi nhà thông minh .........................................55
Hình 3.2. Sơ đồ ngữ cảnh mô hình ngôi nhà thông minh .............................................
Hình 3.3. Module kết nối Interenet của mô hình ngôi nhà thông minh....................58
Hình 3.5. Màn hình login trên smartphone OS Android...........................................64
Hình 3.6. Màn hình quản lý thiết bị trên smartphone OS Android...........................65
Hình 3.7. Màn hình giám sát môi trƣờng trên smartphone OS Android. .................65
Hình 3.8. Màn hình giám sát môi trƣờng trên máy tính. ..........................................66
Hình 3.9. Lƣu đồ thuật toán xác định và điều khiển thiết bị.....................................62
Hình 3.10. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu lên máy chủ..............................................62
Hình 3.11. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................63
Hình 3.12. Lƣu đồ thuật toán gửi số liệu từ nút cảm biến tới nút sink .....................66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
MỞ ĐẦU
Với khái niệm Internet của mọi thứ - IoT (Internet of Things) và Web của
mọi thứ - WoT (Web of Things) sẽ cho phép mọi thiết bị nhƣ máy tính, máy in,
thiết bị cầm tay, thiết bị điện, cảm biến, tủ lạnh, tàu hỏa, điện thoại vv... đều có
khả năng kết nối, truyền thông, thông báo tình trạng (hết hàng, hết thực phẩm
trong tủ lạnh, hạn sử dụng của thực phẩm,...) và điều khiển nhƣ các máy tính qua
mạng IP dựa trên nền Web, đã mở ra hƣớng phát triển tƣơng lai đầy triển vọng
cho mạng Internet trong việc tích hợp các mạng thông tin khác nhau trên cùng
một nền tảng IP thống nhất, trong đó có mạng cảm biến không dây đang là chủ
đề rất đƣợc quan tâm.
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) gồm nhiều
nút đƣợc trang bị cảm biến và liên kết với nhau thông qua sóng vô tuyến với mức
tiêu thụ năng lƣợng thấp. Mục đích của mạng cảm biến là thu thập thông tin từ
các nút trong mạng và chuyển tới trung tâm xử lý một cách hiệu quả nhất. Mạng
WSNs đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ quốc phòng, an ninh, giám sát
môi trƣờng, y tế, công nghiệp và dân dụng.
Trong những năm gần đây, chủ đề nghiên cứu liên kết các giữa nút cảm
biến cũng nhƣ giữa các mạng WSNs với nhau qua mạng IP nhằm kế thừa nền
tảng giữa các mạng WSNs đang ngày càng đƣợc quan tâm nghiên cứu và triển
khai trong thực tế. Do đó, nhiều công nghệ truyền thông kết nối mạng cảm biến
không dây với mạng IP đƣợc đề xuất, nghiên cứu và triển khai.
Chính vì vậy, đề tài “Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biên
không dây, ứng dụng vào xây dựng mô hình ngôi nhà thông minh” có mục tiêu
nghiên cứu nghiên cứu công nghệ truyền thông qua mạng IP có hỗ trợ cho mạng
cảm biến không dây. Bố cục của luận văn nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: trình bày về kiến trúc,
phƣơng thức truyền thông, ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế
nhƣ y tế, nông lâm nghiệp, gia đình.
Chƣơng 2: Một số công nghệ truyền thông trong mạng cảm biến không
dây: trình bày chi tiết về một số công nghệ truyền thông qua mạng IP của mạng
cảm biến.