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

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

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

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Loan, học viên lớp cao học K16 – Kỹ thuật viễn

thông – Trường đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên.

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu đánh giá giao thức thu thập dữ

liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh” do Thầy giáo TS. Vũ Chiến

Thắng hướng dẫn, là công trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa

trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham

khảo đã trích dẫn.

Tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Loan

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, trong suốt quá trình thực hiện đề tài

nghiên cứu, tôi luôn nhận được sự quan tâm giúp đỡ của:

Thầy giáo hướng dẫn trực tiếp TS. Vũ Chiến Thắng, đã giúp đỡ tận tình

về phương hướng và phương pháp nghiên cứu cũng như hoàn thiện luận văn.

Các thầy, cô giáo trong khoa Công nghệ điện tử viễn thông, Trường đại

học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tạo điều kiện về

thời gian, địa điểm nghiên cứu, phương tiện vật chất cho tác giả.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tất cả những sự giúp đỡ quý

báu đó.

Thái Nguyên, năm 2019

Học viên

Nguyễn Thị Loan

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

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 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH PHỤC VỤ ĐO

LƯỜNG TỰ ĐỘNG TẠI CÁC NHÀ MÁY NƯỚC.................................................. 1

1.1. Tổng quan về hệ thống đo lường tự động ........................................................ 1

1.2. Mô hình ứng dụng hệ thống đo lường tự động cho các nhà máy nước............ 3

1.2.1. Mô hình tổng thể hệ thống......................................................................... 3

1.2.2. Hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo và khách hàng .................................. 4

1.3. Đồng hồ nước thông minh................................................................................ 5

1.3.1. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường châu Á –

Thái Bình Dương ................................................................................................. 5

1.3.2. Tình hình triển khai đồng hồ nước thông minh tại thị trường Việt Nam .. 7

1.3.3. Đồng hồ nước thông minh theo chuẩn truyền thông Zigbee/IEEE

802.15.4 ............................................................................................................... 9

1.4. Lớp vật lý theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4....................................... 10

1.5. Một số yêu cầu đối với giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lưới

đồng hồ nước thông minh...................................................................................... 12

1.6. Khảo sát một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu.................................. 14

1.6.1. Giao thức định tuyến Flooding ................................................................ 14

1.6.2. Giao thức định tuyến đối với thông tin thông qua đàm phán (SPIN)...... 15

1.6.3. Giao thức phân cụm LEACH .................................................................. 18

1.7. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 18

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

Chương 2. 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 cây thu thập dữ liệu CTP ............................................. 19

2.1.1. Giới thiệu giao thức CTP......................................................................... 19

2.1.2. Thước đo định tuyến được sử dụng trong giao thức CTP ....................... 20

2.1.3. Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP................................................ 21

2.1.4. Các thành phần chính của 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 về giao thức ............................................................................ 28

2.2.3. Các bản tin điều khiển ............................................................................. 29

2.2.4. Quá trình xây dựng DODAG................................................................... 38

2.2.5. Quản lý các bộ định thời.......................................................................... 39

2.3. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 40

Chương 3. 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 trong hệ điều hành Contiki................................. 41

3.2. Thực thi giao thức CTP trên hệ điều hành Contiki ........................................ 45

3.2.1. Các module truyền thông được sử dụng trong giao thức CTP ................ 45

3.2.2. Các thành phần trong giao thức CTP....................................................... 47

3.2.3. Hoạt động của giao thức CTP.................................................................. 48

3.3. Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki ........................................ 52

3.3.1. Cấu trúc các thành phần trong ContikiRPL............................................. 52

3.3.2. Hoạt động của nút gốc ............................................................................. 54

3.3.3. Hoạt động của các nút thành viên............................................................ 55

3.4. Mô phỏng và đánh giá giao thức .................................................................... 57

3.4.1. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................ 57

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

3.4.2. Kịch bản mô phỏng đánh giá ................................................................... 60

3.4.3. Các thước đo đánh giá ............................................................................. 63

3.4.4. Kết quả đánh giá ...................................................................................... 66

3.4.5. Phân tích và đưa ra khuyến nghị.............................................................. 67

3.5. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 69

KẾT LUẬN............................................................................................................... 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 71

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

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 6

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ICMP Internet Control Message Protocol

ID Identification

viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

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