Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3 (tt)

Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

TRẦN THỊ QUỲNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Quý Nam

Phản biện 1:……… Phản biện 2:……… ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ bưu chính viễn thông

Vào lúc:……….giờ…………ngày………tháng…….năm………

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trình bày trong luận văn là kiến thức do tôi tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy Ts Trần Quý Nam Các nghiên cứu trong luận văn dựa trên những tổng hợp lí thuyết và mô phỏng thực tế của mình, không sao chép từ bất kì một luận văn nào khác Mọi thông tin trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng các tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong luận văn này

Hà Nội, tháng 1 năm 2018

Học viên

Trần Thị Quỳnh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH 5

LỜI CAM ĐOAN 1

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT 7

1.1 Định nghĩa IoT 7

1.1.1 Khái niệm IoT 7

1.1.2 Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT 7

1.1.3 Cơ sở kỹ thuật của IoT 8

1.1.4 Kiến trúc IoT 8

1.2 Ứng dụng của IoT 9

1.2.1.Giải pháp nhà thông minh 9

1.2.2 IoT cho lĩnh vực nông nghiệp 9

1.2.3.Chăn nuôi chính xác bằng trang trại thông minh 9

1.3 IoT với cảnh báo cháy rừng 9

1.4 Kết luận chương 9

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 10

2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 10

2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến 10

2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 10

2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT 11

2.1.4 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 11

2.2 Kỹ thuật thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm 12

2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu 12

2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp 13

2.2.3 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí 13

2.2.4 Giao thức LEACH và phương pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến IoT 13

2.2.5 Giao thức LEACH-C 13

2.3 Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng 15

2.3.1 Mùa cháy rừng 15

2.3.2 Xác định khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom (Thụy Điển) 16

2.3.3 Dự báo cháy rừng theo chỉ số tổng hợp của V G Nesterov 16

2.4 Kết luận chương 18

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 19

3.1 Phần mềm mô phỏng NS-3 19

3.1.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng NS – 3 19

3.1.2 Cài đặt mô phỏng 19

3.2 Kiến trúc mạng mô phỏng thử nghiệm 19

3.2.1 Mô hình kiến trúc mạng 19

3.2.2 Các thành phần của bộ cảm biến sử dụng trong mạng IoT 20

3.3 Xây dựng các kịch bản thử nghiệm 20

3.4 Mô phỏng hoạt động và đánh giá kết quả 21

3.4.1 Mô phỏng hoạt động 21

3.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 21

3.5 Kết luận chương 21

KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Chế độ khô ẩm ở Việt Nam 16

Bảng 2.2: Cách tính tổng hợp chỉ tiêu P 17

Bảng 2.3: Bảng tra điểm sương 17

Bảng 2.4: Cấp nguy cơ cháy rừng theo chỉ số P 18

Bảng 2.5: Hệ số hiệu chỉnh P khi có gió 18

Bảng 3.1: Các trường hợp mô phỏng 20

Bảng 3.2: Trường hợp mô phỏng về thay đổi số Cluster 21

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Các thành phần của một nút cảm biến 10 Hình 3.2: Mô hình kiến trúc mạng IoT giám sát và cảnh báo 20

MỞ ĐẦU

Luận văn nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới IoT, thiết kế một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng và khả năng mô phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến IoT với phần mềm mô phỏng NS - 3 để biết đƣợc khả năng truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến để từ đó đánh giá đƣợc mức độ, nguy cơ xảy ra cháy rừng

Các nội dung cơ bản của luận văn có cấu trúc nhƣ sau:

Chương 1: Tổng quan về IoT, ứng dụng của mạng IoT

- Định nghĩa IoT

- Các đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT

- Cơ sở kỹ thuật của IoT

- Kiến trúc của IoT

- Ứng dụng của IoT

- IoT với cảnh báo cháy rừng

Chương 2: Thiết kế, xây dựng một mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng

- Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng

- Kỹ thuật thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm

- Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng

Chương 3: Mô phỏng, thử nghiệm một mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT

1.1 Định nghĩa IoT

1.1.1 Khái niệm IoT

Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT (tiếng anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi

đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội

tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nó đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó [34]

1.1.2 Đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của một hệ thống IoT

1.1.2.1 Đặc tính cơ bản

- Tính kết nối liên thông (interconnectivity)

- Những dịch vụ liên quan đến “Things”

- Tính không đồng nhất

- Thay đổi linh hoạt

- Quy mô lớn

1.1.2.2 Yêu cầu ở mức cao đối với một hệ thống IoT

Một hệ thống IoT phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Kết nối dựa trên sự nhận diện

- Khả năng cộng tác: Hệ thống IoT khả năng tương tác qua lại giữa các network

- Khả năng quản lý

1.1.3 Cơ sở kỹ thuật của IoT

1.1.3.1 Giao thức chính

1.1.3.2 Năng lực truyền thông (Comminication Capabilities)

1.1.3 3 Công suất thiết bị (Device Power)

1.1.3.4 Công nghệ cảm biến (Sensor Technology)

Đây phải là những thiết bị nhận diện duy nhất với một địa chỉ IP duy nhất để chúng có thể nhận dạng một cách dễ dàng qua một mạng lớn

Đây phải là hoạt động trong tự nhiên có nghĩa là họ có thể thu thập dữ liệu theo thời gian thực Các hoạt động này có thể hoạt động tự động (tự quản) hoặc có thể được thực hiện bởi người sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu của họ (người sử dụng kiểm soát)

Ví dụ về cảm biến: cảm biến khí, cảm biến chất lượng nước, cảm biến độ ẩm

Processors:

Bộ xử lý là bộ não của hệ thống IoT Chức năng chính của chúng là xử lý dữ liệu thu thập được bởi các cảm biến và xử lý chúng để trích xuất dữ liệu có giá trị từ lượng dữ liệu khổng lồ thu thập được Nói cách khác, chúng ta có thể nói rằng nó mang lại sự thông minh cho dữ liệu

Bộ vi xử lý hầu hết hoạt động trên cơ sở thời gian thực và có thể dễ dàng kiểm soát bởi các ứng dụng

Chúng cũng chịu trách nhiệm đảm bảo dữ liệu - đang thực hiện việc mã hoá và giải mã dữ liệu

Các thiết bị phần cứng nhúng, vi điều khiển…vv là những thiết bị xử lý dữ liệu

vì chúng có bộ vi xử lý gắn vào nó

LAN, WAN, PAN vv là những ví dụ về cổng mạng

1.2 Ứng dụng của IoT

1.2.1.Giải pháp nhà thông minh

1.2.2 IoT cho lĩnh vực nông nghiệp

1.2.3.Chăn nuôi chính xác bằng trang trại thông minh

1.3 IoT với cảnh báo cháy rừng

IoT được sử dụng để xây dựng hệ thống tự động, thông minh trong việc giám sát môi trường dự báo cháy rừng Các cảm biến có chức năng thu thập thông số môi trường hàng ngày và liên tục gửi dữ liệu về hệ thống quản lý dữ liệu trung tâm thông qua các trạm thu phát không dây Các trạm thu phát tín hiệu này được lắp đặt ở mọi khu vực trong khu rừng rộng lớn, đảm bảo không bỏ lọt bất kỳ khu vực rừng nào khỏi tầm kiểm soát Nhờ có các dữ liệu cập nhật liên tục này, trung tâm dự báo cháy có thể xác định được chính xác vị trí, thời điểm nguy cơ xảy ra cháy rừng giảm thiểu thiệt hại mà cháy rừng gây ra Quan trọng hơn, các vấn đề về cháy rừng sẽ được phát hiện

từ rất sớm và dễ dàng khoanh vùng, kịp thời ngăn chặn hiệu quả

1.4 Kết luận chương

Trong chương này luận văn đã giới thiệu tổng quan về mạng IoT: Khái niệm IoT, các đặc tính cơ bản và yêu cầu ở mức cao của hệ thống IoT, cơ sở kỹ thuật của IoT, kiến trúc IoT…

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT

CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng

2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến

* Chức năng của một nút cảm biến IoT

- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt

- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng về thông số của sự kiện đó

- Theo dấu đối tượng

- Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực

* Các thành phần cấu tạo của một nút cảm biến [17]

Hình 2.1: Các thành phần của một nút cảm biến

2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến

Liên quan đến thiết kế nút trong mạng IoT, các chức năng cần phải có: chức năng cơ bản của nút; chức năng xử lý tín hiệu, gồm xử lý số tín hiệu, nén, phát hiện và sửa lỗi, điều khiển và thừa hành; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin; tự kết hợp; định tuyến; và quản lý kết nối Để có các chức năng này, phần cứng của nút phải

có cảm biến và bộ phận thực thi, bộ xử lý, nguồn, và các phần phục vụ cho chức năng khác Như vậy, cấu trúc bên trong và độ phức tạp của các bộ cảm biến phụ thuộc vào các ứng dụng của nó

Hệ thống định vị Bộ phận di động

Cảm biến ADC

Xử lý Lưu trữ Bộ thu phát

- Cảm biến: Biến đổi các thông số môi trường thành thông tin

- Liên lạc: Trao đổi dữ liệu giữa các nút với nhau và với trung tâm

Phần mềm:

- Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs

- Sensor Drivers: Đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tư cảm biến

- Bộ xư lý thông tin: Quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi

- Bộ phận xử lý dữ liệu: Xử lý tín hiệu đâ lưu trữ, thường ở các nút xử lý trong mạng

2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT

- Kiến trúc phẳng (Flat Structure)

- Kiến trúc tầng (Tiered Structure)

- Kiến trúc phân cấp

- Kiến trúc giao thức mạng cảm biến IoT

2.1.4 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng

Các yêu cầu thiết kế mạng cảm biến IoT sẽ khác nhau đối với những ứng dụng khác nhau Những yêu cầu cơ bản trong việc thiết kế mạng cảm biến IoT cho ứng dụng cảnh báo cháy rừng [17]

* Tiêu thụ năng lượng

* Kết nối mạng

* Truyền thông

2.1.2.1 Truyền dẫn trong mạng cảm biến IoT

Như đã nêu ở trên, mạng cảm biến IoT có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn không dây được thiết kê sẵn (wireless COTS) như là Bluetooth/Personal Area Networks (PANs), ZigBee, wireless LANs (WLAN)/hotspots, broadband wireless access (BWA) AVimax, và 3G [22], [16]

Có thể chia làm 3 thông số ảnh hưởng đến quá trình truyền sóng :

- Phản xạ (Reflection): Sóng có bước sóng đủ lớn so sánh được với vật thể, bề mặt nhẵn Sự phản xạ xảy ra từ bề mặt trái đất, tòa nhà hay tường,

- Nhiễu xạ (Diffraction): Đường truyền radio từ máy phát đến máy thu bị cản trở bởi bề mặt vật thể có nhiều đinh, góc nhọn

- Sự phân bố rải (Scattering): Các vật thể có kích thước nhỏ hơn bước sóng nằm trên đường truyền sóng Các bề mặt nhám, gồ ghề, nhỏ có thể gây ra hiện tượng này

2.1.2.2 Kiến trúc mạng đơn bước và đa bước

Mạng đơn bước đơn giản là từ nút con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về nút cơ

sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ, thông thường trường hợp mạng đơn bước được coi là một trường hợp đặc biệt của mạng đa bước khi xem xét trên một phạm vi nhỏ Trong trường hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con về nút cơ sở thì dữ liệu sẽ được gửi qua các nút trung gian trước khi tới nút cơ sở, ta gọi đây là truyền đa bước Đôi khi không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút con tới nút cơ sở mà người ta mới dùng nút trung gian, do dùng nút trung gian để giảm công suất và chia đều tiêu tán năng lượng giữa các nút

Để nâng cao hiệu suất trong truyền đa bước thường người ta can thiệp bằng thuật toán định tuyến, hoặc dựa trên việc nút truyển tiếp lưu và xử lý nhiều gói tin thành một khung dữ liệu mới trước khi chuyển tiếp đi

2.2 Kỹ thuật thu thập và truyền dữ liệu về trung tâm

2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu

Trong loại giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định và đợi dữ liệu từ các sensor được chọn trước trong vùng SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã đề cập đến việc dàn xếp dữ liệu giữa các nút để giảm bớt sự dư thừa dữ

liệu và tiết kiệm năng lượng Sau đó Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong loại định tuyến trung tâm dữ liệu

2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp

Mục đích chính của định tuyến phân cấp là để đạt được và duy trì tính hiệu quả trong việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng cách đặt chúng trong giao tiếp multihop thuộc phạm vi một cụm cụ thể, đồng thời, thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số bản tin được truyền đến sink Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút cảm biến và vùng lân cận của nút so với các nút chủ của cụm

LEACH là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm ứng Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển

2.2.3 Giao thức định tuyến dựa trên vị trí

Hầu hết các ứng dụng mạng cảm biến đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút để phục vụ cho những mục đích khác nhau Vì mạng cảm biến không có chế độ địa chỉ nào như địa chỉ IP và chúng được triển khai trong một vùng không gian rộng lớn, vì vậy thông tin về vị trí cần phải được sử dụng trong các dữ liệu định tuyến theo cách hiệu quả về mặt năng lượng, từ đó, các giao thức định tuyến dựa trên vị trí được phát triển

2.2.4 Giao thức LEACH và phương pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến IoT

2.2.4.1 Giới thiệu giao thức LEACH

2.2.4.2 Hoạt động của LEACH

2.2.4.3 Tạo các cụm phân cấp để chuyển tiếp dữ liệu

2.2.5 Giao thức LEACH-C

2.2.5.1 Hoạt động của LEACH-C

Để khắc phục những nhược điểm của giao thức LEACH cơ bản, rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành, trong đó giao thức LEACH-C đã đưa ra được những giải pháp hiệu quả cho vấn đề đó và được đánh giá rất cao về khả năng ứng dụng trong mạng WSN [14][18][19]

Về mặt ý tưởng, LEACH-C hoàn toàn giống với LEACH cơ bản, chỉ khác ở pha thiết lập (Set - up Phase), còn pha ổn định (Steady – state Phase ) thì nó kế thừa từ giao thức LEACH Khác với LEACH (mỗi nút sẽ có một xác suất để nó có thể được chọn làm nút chủ cụm), trong giao thức LEACH-C, quá trình lựa chọn cụm và nút chủ được thực hiện bởi trạm gốc

2.2.5.2 Lựa chọn nút chủ

Trong giao thức định tuyến LEACH-C thực hiện tập trung dữ liệu về thông tin của toàn bộ nút cảm biến về trạm gốc rồi tiến hành chọn nút chủ và hình thành cụm, quá trình này có thể tạo cụm tốt hơn với các nút chủ được phân tán trên toàn mạng Thêm vào đó, trong quá trình lựa chọn nút chủ, trạm gốc có thể dễ dàng thêm vào tham số, trong đó có năng lượng dự trữ của nút cảm biến

Trong pha thiết lập của LEACH – C, tất cả nút mạng sẽ gửi thông tin về trạng thái hiện tại của nó (bao gồm vị trí và năng lượng còn lại) về trạm gốc Trạm gốc, sau

đó, sẽ dùng thuật toán tối ưu để xác định ra các cụm và nút chủ cho vòng hiện tại

Để lấy được thông tin về tất cả nút trong mạng, trạm gốc định kỳ gửi bản tin quảng bá ADV Chu kỳ gửi bản tin này bằng thời gian của một vòng

Bản tin ADV chứa ID của trạm gốc và phần tiêu đề để phân biệt đây là bản tin ADV Khi nút mạng nhận được bản tin này, nó lấy ra ID của trạm gốc và xác định rằng đây là nút chủ của nó và gửi về bản tin REQ có chứa vị trí và năng lượng hiện tại của nút cho BS BS sử dụng những thông tin này để xác định nút chủ cho vòng hiện tại

2.2.5.3 Thiết lập cụm và truyền dữ liệu

Sau khi trạm gốc lựa chọn được nút chủ cho vòng hiện tại, BS gửi bản tin quảng bá có chứa ID của nút chủ tới tất cả nút trong mạng Khi nút nhận được bản tin này, kiểm tra ID của mình có bằng với ID trong bản tin quảng bá đó không, nếu bằng thì nó sẽ là nút chủ trong vòng hiện tại, ngược lại, nó sẽ chờ bản tin quảng bá từ nút chủ

Khi đã quyết định trở thành nút chủ hay không trong vòng hiện tại, pha thiết lập cụm và truyền dữ liệu hoàn toàn giống với giao thức LEACH cơ bản