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

Một số yêu cầu đối với giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh .... Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu đánh giá về ứng dụng của cá

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

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AMI Automated Metering Infrastructure

MDMS Meter Data Management System

BPSK Binary Phase Shift Keying

CTP Collection Tree Protocol

DAO Destination Advertisement Object

DODAG Destination Oriented DAG

DIS DODAG Information Solicitation

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

DTSN Destination Advertisement Trigger Sequence Number

IPv6 Internet Protocol version 6

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

ICMP Internet Control Message Protocol

GSM Global System for Mobile Communications

GPRS General Packet Radio Service

LBR Lossy network Border Router

LLNs Low-Power and Lossy Networks

MP2P Multi-Point to Point

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RPL IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy networkRTMETRIC Route metric

SINR Signal to – Interference Plus Noise

SICS Swedish Institute of Computer Science

SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation

TTL Time to live

UDI UDG with Distance Interference

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Kịch bản đánh giá mô phỏng 63Bảng 3.2: Mô hình năng lượng của Tmote Sky tại công suất phát là 0dBm 65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR 1

Hình 1.2: Mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ 3

Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng 4

Hình 1.4: Thị trường đồng hồ nước thông minh Châu Á - Thái Bình Dương 6

Hình 1.5: Đồng hồ nước thông minh do Công ty Rynan sản xuất 8

Hình 1.6: Các thành phần của hệ thống 9

Hình 1.7: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý [8] 11

Hình 1 8: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11 Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11 12

Hình 1.9: Định tuyến Flooding 15

Hình 1.10: Giao thức SPIN 16

Hình 1.11: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm 18

Hình 2.1: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP ………… 19

Hình 2.2: ETXlink của một liên kết 20

Hình 2.3: Cấu trúc bản tin dữ liệu 21

Hình 2.4: Cấu trúc bản tin điều khiển 23

Hình 2.5: Các thành phần chính của giao thức CTP 24

Hình 2.6: Ví dụ về RPL Instance 26

Hình 2.7: Ví dụ về DODAGVersion Number 27

Hình 2.8: Ví dụ về một DODAG 28

Hình 2.9: Cấu trúc chung của một bản tin điều khiển RPL 30

Hình 2.10: Định dạng phần cơ sở (Base) của bản tin DIS 31

Hình 2.11: Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DIO 31

Hình 2.12: Định dạng đối tượng cơ sở của bản tin DAO 33

Hình 2.13: Định dạng chung của các tùy chọn trong bản tin điều khiển RPL 34

Hình 2.14: Định dạng của tùy chọn Pad1 35

Hình 2.15: Định dạng của tùy chọn PadN 35

Hình 2.16: Định dạng của tùy chọn thông tin được yêu cầu 36

Hình 2.17: Định dạng của tùy chọn mang thước đo DAG 37

Hình 2.18: Ví dụ về việc hình thành DODAG 38

Hình 3.1: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki 41

Hình 3.2: Sơ đồ hoạt động các ứng dụng trong Contiki 42

Hình 3.3: Ngăn xếp truyền thông uIP 43

Hình 3.4: Tổ chức của RIME 44

Hình 3.5: Bộ đệm và Thao tác gói trong RIME 45

Hình 3.6: Giao thức CTP được xây dựng trên ngăn xếp truyền thông RIME trong Contiki 46

Hình 3.7: Quá trình xử lý một số sự kiện trong giao thức CTP 49

Hình 3.8: Lưu đồ thuật toán Thêm/Cập nhật rtmetric của nút lân cận 51

Hình 3.9: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki [12] 52

Hình 3.10: Cấu trúc các thành phần trong module Contiki RPL 53

Hình 3.11: Pha khởi tạo của nút gốc 54

Hình 3.12: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút gốc 55

Hình 3.13: Pha khởi tạo của các nút thành viên 55

Hình 3.14: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút thành viên 56

Hình 3.15: Công cụ mô phỏng Cooja 57

Hình 3.16: Mô hình UDI [14] 59

Hình 3.17: Cấu trúc liên kết mạng được xét đến trong bài toán mô phỏng 60

Hình 3.18: Một khu vực nhỏ trong khu đô thị Vinhome 62

Hình 3.19: Mô hình một cụm gồm 37 nút mạng 62

Hình 3.20: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu thành công 66

Hình 3.21: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong mạng 66

Hình 3.22: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình 67

Hình 3.23: So sánh số bước nhảy trung bình 67

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nhà máy nước vẫn đang thực hiện các biện pháp thủ côngtrong việc ghi lượng nước sinh hoạt tiêu thụ và thanh toán tiền nước tiêu thụ hàngtháng tại các hộ gia đình Các hệ thống đo lường tự động về lượng nước tiêu thụ,chất lượng nước trong quá trình xử lý mặc dù rất tối ưu về mặt kinh tế nhưng vẫnchưa được triển khai tại các nhà máy nước

Giải pháp đo lường tự động AMR (Automatic Meter Reading) đã và đangđược nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới Hạ tầng đo lường tự độngAMR được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông,

hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu Các thành phần này được kết nối tạothành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thuthập và phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia Dữ liệu thiết bị đođược gửi tới hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS (Meter Data ManagementSystem) Hệ thống MDMS có nhiệm vụ quản lý dữ liệu được lưu trữ và phân tích

dữ liệu nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các tiện ích khách hàng

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các giao thức định tuyến thu thập dữliệu cho mạng các thiết bị đo như giao thức cây thu thập dữ liệu CTP, giao thứcRPL Tại Việt Nam cũng có một số nghiên cứu ban đầu về các giao thức định tuyếnthu thập dữ liệu Tuy nhiên, ở Việt Nam vẫn chưa có nhiều các nghiên cứu đánh giá

về ứng dụng của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu này cho mạng lưới đồng

hồ nước thông minh Các đồng hồ nước thông minh được gắn thêm thiết bị đọc chỉ

số nước tiêu thụ và gửi về máy chủ trung tâm Các thiết bị đọc chỉ số nước tiêu thụđược cấp nguồn pin và thời gian hoạt động có thể kéo dài từ 3-5 năm Vì vậy, việcnghiên cứu và đánh giá các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lướiđồng hồ nước thông minh nhằm tăng thời gian hoạt động của các thiết bị đọc chỉ sốnước là rất cần thiết Luận văn này tập trung nghiên cứu, đánh giá một số giao thức

thu thập dữ liệu cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh và đưa ra những khuyếnnghị.

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là các giao thức định tuyến thu thập dữliệu tiết kiệm năng lượng CTP, RPL cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Đây

là đối tượng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm trongthời gian gần đây

Các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu được nghiên cứu trong phạm vitừng cụm của mạng lưới đồng hồ nước thông minh Các nghiên cứu đánh giá đượctác giả thực hiện dựa trên công cụ mô phỏng Cooja

3 Mục tiêu của đề tài

Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu đánh giá về khả năng áp dụng,tính hiệu quả của các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu tiết kiệm năng lượng(CTP, RPL) cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Dựa trên các kết quả đánhgiá mô phỏng, tác giả đưa ra một số khuyến nghị khi áp dụng các giao thức này chomạng lưới đồng hồ nước thông minh

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có ởtrong và ngoài nước [1-13] để phân tích, đánh giá về các giao thức định tuyến thuthập dữ liệu Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, tác giả tiếnhành mô phỏng và đánh giá các giao thức này

5 Nội dung của luận văn

Luận văn được trình bày thành 03 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông minh phục vụ đo lường tự động chocác nhà máy nước

Chương 2: Giao thức định tuyến thu thập dữ liệu hiệu quả về năng lượng chomạng lưới đồng hồ nước thông minh

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá giao thức định tuyến thu thập dữ liệu hiệuquả về năng lượng cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh

Cuối cùng là kết luận, tóm tắt các đề xuất mới của tác giả và dự kiến hướngnghiên cứu tiếp theo của luận văn.

6 Đóng góp của luận văn

Trong luận văn này, tác giả đưa ra một số kết quả nghiên cứu đánh giá sosánh hiệu năng năng giao thức định tuyến thu thập dữ liệu CTP và RPL cho mạnglưới đồng hồ nước thông minh Các kết quả nghiên cứu này có thể lựa chọn đượcgiao thức định tuyến phù hợp cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Do vậy vấn

đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG MINH PHỤC

VỤ ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG TẠI CÁC NHÀ MÁY NƯỚC

1.1 Tổng quan về hệ thống đo lường tự động

Giải pháp đo lường tự động AMR (Automatic Meter Reading) đã và đangđược nghiên cứu, ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới Hạ tầng đo lường tự độngAMR được định nghĩa bao gồm các thành phần phần cứng, phần mềm truyền thông,

hệ thống liên kết và phần mềm quản lý dữ liệu Các thành phần này được kết nối tạothành mạng giữa các thiết bị đo và các hệ thống tiện ích kinh doanh cho phép thuthập và phân phối thông tin cho khách hàng và các bên tham gia Dữ liệu thiết bị đođược gửi tới hệ thống quản lý dữ liệu thiết bị đo MDMS (Meter Data ManagementSystem) [1] Hệ thống MDMS có nhiệm vụ quản lý dữ liệu được lưu trữ và phântích dữ liệu nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho các tiện ích khách hàng Hình 1.1giới thiệu về các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR

Trong hạ tầng đo lường tự động AMR, các thiết bị đo điện, nước, gas đượctriển khai tại các hộ gia đình và gửi dữ liệu về máy chủ thông qua các mạng truyềndẫn dữ liệu

Hình 1.1: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tự động AMR

Trong bài báo [2], các tác giả đã giới thiệu tổng quát về hệ thống AMR, bắtđầu từ việc thảo luận những lợi ích tiềm năng cho đến việc giới thiệu các giai đoạn

phát triển của hệ thống AMR từ quá khứ đến tương lai Các tác giả cũng đã giớithiệu bốn kiểu mạng truyền thông AMR chính bao gồm: Mạng truyền dẫn trênđường dây tải điện (PLC), mạng di động tế bào, mạng điện thoại/Internet và mạngtruyền dẫn vô tuyến khoảng cách ngắn như WiFi, Bluetooth, Zigbee/IEEE 802.15.4.Hiện tại, các công nghệ truyền thông không dây đang được sử dụng rộng rãi vớinhững ưu điểm như chi phí thấp, dễ dàng triển khai Ngoài ra, cấu trúc của hệ thốngAMR không dây cũng đơn giản hơn và tiết kiệm chi phí về nguồn lực lao động hơn

so với hệ thống AMR có dây

Trong bài báo [3], với sự cộng tác của phòng Lab viễn thông Italia, các tácgiả đã chế tạo một sản phẩm mẫu cho giải pháp đo lường nước thông minh (SmartWater) Các thiết bị đo được thiết kế hoạt động ở tần số vô tuyến 169MHz Cácđồng hồ đo nước thông minh đo lượng nước tiêu thụ thông qua bộ cảm biến hiệuứng Hall và gửi dữ liệu đo được về một Gateway kết nối với mạng GSM/GPRS

Trong bài báo [4], các tác giả đã đề xuất một hệ thống tự động đo điện năngtiêu thụ dựa trên sự kết hợp của công nghệ truyền thông GSM/GPRS vàZigbee/IEEE 802.15.4 Trong hệ thống này, các module truyền thông Zigbee/IEEE802.15.4 được gắn trên các đồng hồ đo để gửi dữ liệu đo về điểm thu thập dữ liệu

Công nghệ truyền thông qua đường dây điện được giới thiệu trong bài báo[5], [6] cũng là một giải pháp truyền dẫn tốt cho các hệ thống AMR với các ưu điểmnhư không cần bổ sung thêm cơ sở hạ tầng đường dây mới, kết nối thuận tiện, tốc

độ cao Tuy nhiên, các hệ thống sử dụng công nghệ truyền thông này có chi phí caobởi vì nó yêu cầu nhiều thành phần khác ví dụ như bộ thu thập, bộ tập trung và cáctrạm chủ

Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu và đánh giá cácgiao thức thu thập dữ liệu cho mạng lưới các đồng hồ nước thông minh theo chuẩntruyền thông IEEE 802.15.4

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

1.2.1 Mô hình tổng thể hệ thống

Mạng các đồng

hồ đo nước

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4

LEGEND:

GW

Internet TCP/IP

Server Người dùng

GW Internet Gateway

Đồng hồ đo nước có két nối mạng

Hình 1.2: Mô hình hệ thống tự động thu thập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ Giải pháp đo lường tự động tại các nhà máy nước đã và đang được nghiên cứu,ứng dụng tại nhiều nước trên thế giới Hình 1.2 là mô hình hệ thống tự động thuthập dữ liệu về lượng nước tiêu thụ Các đồng hồ đo nước kết nối và gửi dữ liệu vềGateway qua chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4 Gateway có nhiệm vụthu thập dữ liệu và gửi dữ liệu về Server qua đường truyền Internet

Tại máy chủ, các dữ liệu sau đây sẽ được lưu trữ:

 CSDL về khách hàng

 CSDL về người dùng hệ thống

 CSDL về các thiết bị đo chất lượng nước

 CSDL về các thiết bị đo lượng nước tiêu thụ

 CSDL về chất lượng nước, lượng nước tiêu thụ và hóa đơn tiền nước của khách hàng

Giao diện Web

Sao lưu An toàn và

phục hồi hệ bảo mật

Quản trị và phân quyền hệ thống Giám sát thay đổi Giám sát truy cập Phân quyền sử dụng

Tiến trình hệ thống Thu thập dữ liệu từ các thiết bị

đo chất lượng nước Thu thập dữ liệu từ các thiết bị

đo lượng nước tiêu thụ Gửi thông báo hóa đơn tiền nước hàng tháng qua SMS Gửi cảnh báo về chất lượng nước không đạt chuẩn

Phân hệ khách hàng Đăng nhập hệ thống

Giám sát lượng nước tiêu thụ Giám sát chất lượng nước

Chốt hóa đơn tiền nước cho KH Thanh toán hóa đơn tiền nước

Quản lý khách hàng Quản lý đấu nối và làm dịch vụ cho khách hàng

Quản lý hồ sơ, hợp đồng của khách hàng Giao tiếp các thiết bị Quản lý khiếu nại khách hàng đo thông

minh (chất lượng nước,

lưu lượng nước) Quản lý thiết bị đo chất lượng nước

Quản lý đồng hồ đo nước

Giám sát chất lượng nước

Giám sát lượng nước tiêu thụ của từng hộ gia đình Quản lý danh mục

Báo cáo phân tích, thống kê, tổng hợp

Hạ tầng phần cứng, mạng

Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng

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

Hình 1.3 là sơ đồ khối chức năng hệ thống quản lý dữ liệu đo và khách hàng trên Server Hệ thống này bao gồm các phân hệ chính sau:

 Phân hệ Quản lý khách hàng:

- Quản lý đấu nối và làm dịch vụ cho khách hàng: Thêm khách hàng mới,cập nhật thông tin khách hàng, xóa thông tin khách hàng, tìm kiếm khách hàng

- Quản lý khiếu nại khách hàng

- Quản lý hồ sơ hợp đồng và dịch vụ.

 Phân hệ quản lý thiết bị đo chất lượng nước

 Phân hệ quản lý đồng hồ đo nước tiêu thụ tại các hộ gia đình

 Phân hệ giám sát chất lượng nước

 Phân hệ giám sát lượng nước tiêu thụ của các hộ gia đình

 Phân hệ quản lý thanh toán hóa đơn tiền nước của khách hàng

 Phân hệ quản trị và phân quyền hệ thống

 Phân hệ cho khách hàng:

- Đăng nhập hệ thống

- Giám sát lượng nước tiêu thụ

- Giám sát chất lượng nước

1.3 Đồng hồ nước thông minh

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

Theo nghiên cứu mới nhất của Global Market Insights, Inc, thị trường đồng

hồ nước thông minh tại thị trường châu Á - Thái Bình Dương dự đoán tăng hơn 85triệu USD, lên đến hơn 300 triệu USD vào năm 2024 [17]

Yêu cầu hạn chế mức tiêu thụ nước theo chính sách quốc gia về việc sử dụngnước bền vững sẽ thúc đẩy quy mô thị trường đo nước thông minh của các nướcChâu Á - Thái Bình Dương Các chính phủ trong khu vực đang cơ cấu lại hệ thốngcấp nước để đảm bảo công tơ nước và hóa đơn nước được chính xác Xu hướngtránh thất thoát nước, hóa đơn phản ánh chính xác lượng nước tiêu thụ và cải thiện

cơ sở hạ tầng sẽ thúc đẩy nhu cầu sản phẩm

Chi phí thấp cùng với khả năng cung cấp số liệu tiêu thụ theo thời gian thực

sẽ thúc đẩy thị trường đo lường nước thông minh Các hệ thống này có thể thu thập

và chẩn đoán dữ liệu tiêu thụ tự động từ các thiết bị đo và truyền đến cơ sở dữ liệutrung tâm để liên lạc và thanh toán một chiều

Hình 1.4: Thị trường đồng hồ nước thông minh Châu Á - Thái Bình Dương.Thị trường đo lường nước thông minh AMI sẽ tăng hơn 30% vào năm 2024.Tiến bộ công nghệ trong việc đo lường chính xác, giảm thiểu tình trạng thiếu nước

và đảm bảo thanh toán hiệu quả có ảnh hưởng tích cực đến sự phát triển của thịtrường

Thị trường đồng hồ nước thông minh của Nhật Bản sẽ vượt qua 44 triệuUSD vào năm 2024 Các quy định về sử dụng các thiết bị đo thông minh và duy trìnguồn cung nước hiệu quả sẽ ảnh hưởng tích cực đến tăng trưởng kinh doanh Luật

đo lường đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của đồng hồ đo nước theo các tiêuchuẩn và quy định và khung thời gian để thay thế các đồng hồ hiện có

Việc triển khai tích cực các giải pháp công nghệ thông minh cho các hoạtđộng hợp lý cùng với đầu tư khu vực tư nhân mạnh mẽ sẽ thúc đẩy tăng trưởng thịtrường nước thông minh của Malaysia Các công ty cung cấp nước đang phải đốimặt với thất thoát lớn do cơ sở hạ tầng lão hóa và rò rỉ nước trong mạng lưới phânphối Theo Bộ Năng lượng, Công nghệ xanh & Nước, năm 2015, nước không tạodoanh thu do hao hụt, tiêu thụ tại các đấu nối bất hợp pháp, rò rỉ và sử dụng cho cácmục đích khác chiếm hơn 31%

Việc áp dụng các công nghệ đo lường hiệu quả nhờ tiến bộ công nghệ vớimục đích đảm bảo kênh phân phối hiệu quả sẽ thúc đẩy thị trường đo lường nước

thông minh của Úc Khu vực đã chứng kiến số lượng các dự án và đầu tư đáng kểcho việc áp dụng các giải pháp đo lường cao cấp Vào tháng 3 năm 2018, ColibanWater đã dành 6 năm để phát triển dòng đồng hồ đo nước thông minh cho ngườitiêu dùng.

Những doanh nghiệp lớn hoạt động trên thị trường đo lường nước thôngminh của các nước Châu Á - Thái Bình Dương bao gồm Itron, Landis + GYR,Schneider Electric, Siemens, Badger Meter, Arad Group, Neptune, Sensus,Honeywell, Kamstrup và Diehl Metering

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

Từ tháng 4/2017, sau một thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, học tập kinhnghiệm trong nước và các nước tiên tiến, Công ty cổ phần Cấp nước Bến Thành đãmạnh dạn lắp đặt hơn 1.000 đồng hồ nước thông minh tại khu vực trung tâmTPHCM (thuộc tuyến đường Lê Thánh Tôn, quận 1) Có 2 loại đồng hồ nước thôngminh được đơn vị này triển khai thí điểm Đối với những khách hàng lớn như nhàhàng, khách sạn, công ty lắp đặt loại đồng hồ nước có cài đặt sim để truyền thôngtin sử dụng nước của khách hàng về trung tâm xử lý và nhân viên không cần đến tậnnơi để đọc số Riêng đối với hộ dân, công ty lắp đặt loại đồng hồ 15mm truyền đượcsóng radio Nghĩa là nhân viên muốn biết chỉ số sử dụng nước của khách hàng cóthể vận chuyển bằng xe máy hoặc xe đạp đến khu vực nhà khách hàng, trong cự ly100m, tất cả thông tin của khách hàng sẽ tự động nhảy vào máy của nhân viên đọc

số Thiết bị này sẽ đẩy dữ liệu của khách hàng về trung tâm xử lý của Công ty CPCấp nước Bến Thành

Qua công tác triển khai thí điểm cho thấy, việc sử dụng đồng hồ nước thôngminh thể hiện khá nhiều tiện ích, đặc biệt là nâng cao năng suất lao động Cụ thể,đối với đồng hồ cơ (loại đồng hồ đang được sử dụng hiện nay), để đọc được 1.000đồng hồ nước, cần đến 5 nhân viên đọc số trong 1 ngày Nhưng đối với loại đồng hồnước thông minh, trong 1 ngày, 1 nhân viên có thể đọc 3.000 địa chỉ khách hàng

Ngày 21/12/2018, Công ty cổ phần cấp nước Thủ Đức (thuộc Tổng Công tycấp nước Sài Gòn TNHH một thành viên) cùng Công ty cổ phần Rynan

Technologies Việt Nam (Công ty Rynan) đã ký kết hợp tác triển khai thí điểm lắpđặt 93 đồng hồ nước thông minh tại khu vực phường Linh Trung, Q.Thủ Đức,TP.HCM.

Theo TS Nguyễn Thanh Mỹ - Tổng giám đốc Công ty Rynan (đơn vị sảnxuất đồng hồ nước thông minh), đồng hồ nước thông minh này có bộ phận điện tử

tự động thu thập, mã hóa và truyền dữ liệu về máy tính chủ để lưu trữ Sau đó, dữliệu được phân tích, tổng hợp để thông tin cho khách hàng về lưu lượng, áp lực, chấtlượng nước theo thời gian thực; lượng nước đang sử dụng tương đương số tiền cụthể; đồng thời đồng thời đồng hồ cũng cảnh báo nếu có hiện tượng rò rỉ nước…thông qua app trên smart phone

Ông Bùi Thanh Giang, phó tổng giám đốc Tổng Công ty cấp nước Sài GònTNHH một thành viên cho hay việc áp dụng đồng hồ nước thông minh này cũng sẽgiúp nâng cao hiệu quả trong quản lý hệ thống cấp nước Ví dụ khi dữ liệu đượctruyền về trung tâm thì giảm được nhân viên đi đọc số; thông qua cảnh báo rò rỉ trênđường ống giúp xử lý kịp thời ngăn các các sự cố bể vỡ đường ống đồng thời giảmđáng kể tỷ lệ thất thoát nước…

Hình 1.5: Đồng hồ nước thông minh do Công ty Rynan sản xuất

Rào cản lớn nhất hiện nay là chi phí đầu tư đồng hồ nước thông minh gấp 3-4lần so với đồng hồ nước hiện hữu Mỗi đồng hồ nước thông minh có giá từ 2 triệuđồng trở lên, trong khi đồng hồ nước hiện nay chỉ 500 - 700 ngàn đồng

1.3.3 Đồng hồ nước thông minh theo chuẩn truyền thông Zigbee/IEEE 802.15.4

Trong bài báo [7], các tác giả đã trình bày về hệ thống đọc dữ liệu từ cácđồng hồ nước dựa trên công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4 Hệ thống này gồm 2 phầnchính Phần lớp mạng phía dưới bao gồm các đồng hồ nước thông minh, các thiết bịthu thập dữ liệu và các bộ tập trung dữ liệu Phần lớp mạng phía trên bao gồm cácmáy tính, máy chủ để quản lý thông tin, hiển thị dữ liệu, in ấn báo cáo Hình 1.6minh họa mô hình hệ thống Giao thức

 Thiết bị đo là thành phần quan trọng có nhiệm vụ đo chính xác lượng nướctiêu thụ Cấu trúc của thiết bị đo giống như đồng hồ nước cơ học và nó liên quan đến độchính xác của phép đo

 Vi điều khiển được ví là bộ não của đồng hồ nước thông minh Vi điềukhiển có thể điều khiển các bộ phận khác như van điều khiển, lưu trữ dữ

liệu, điều khiển truyền thông, quản lý năng lượng, điều khiển báo động Viđiều khiển có thể đọc dữ liệu và lưu trữ dữ liệu vào bộ nhớ EEPROM Dữliệu sau đó có thể được đọc từ EEPROM và truyền dữ liệu về điểm thuthập qua chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4.

 Module truyền thông sử dụng chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 Chuẩntruyền thông này hỗ trợ 3 cấu trúc liên kết mạng khác nhau đó là cấu trúc mạng hình sao,cấu trúc mạng hình cây và cấu trúc mạng lưới Trong bài báo [7], các tác giả tập trungnghiên cứu cấu trúc mạng hình sao Trong cấu trúc mạng hình sao, các đồng hồ nướcthông minh gửi trực tiếp dữ liệu về thiết bị thu thập dữ liệu Trong luận văn này, tác giảtập trung nghiên cứu các giao thức định tuyến thu thập dữ liệu theo cấu trúc mạng hìnhcây Đây cũng là điểm khác biệt và là đóng góp chính của tác giả

1.4 Lớp vật lý theo chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4

Chuẩn IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứngdụng công suất thấp và tốc độ dữ liệu thấp Tiêu chuẩn này đã được phát triển chomạng cá nhân (PAN) bởi nhóm làm việc trong Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE).Chuẩn IEEE 802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ratối đa 1mW Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vàichục mét Điểm chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là chophép các bộ thu phát chi phí thấp và ít phức tạp, điều này đã làm cho chuẩn IEEE802.15.4 phổ biến với mạng cảm biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết

bị tuân thủ theo chuẩn IEEE 802.15.4

Bởi sự có mặt khắp nơi của chuẩn IEEE 802.15.4 và sự sẵn có của các bộ thuphát vô tuyến tương thích với IEEE 802.15.4, nên gần đây rất nhiều ngăn xếp vôtuyến công suất thấp đã được xây dựng trên chuẩn IEEE 802.15.4 như là:WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee

Kích thước tối đa gói tin trong chuẩn IEEE 802.15.4 là 127 byte Các gói tin

có kích thước nhỏ bởi vì chuẩn IEEE 802.15.4 được sử dụng cho các thiết bị với tốc

độ dữ liệu thấp Do lớp MAC thêm vào phần tiêu đề cho các gói tin nên lượng dữ

liệu dành sẵn cho giao thức lớp trên hoặc lớp ứng dụng vào khoảng từ 86 đến 116byte Do vậy, các giao thức ở lớp trên thường thêm vào các cơ chế phân mảnh cácphần dữ liệu lớn hơn thành nhiều khung theo chuẩn 802.15.4.

Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý, kỹ thuật điều chế và mã hóa tínhiệu Chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phépmiễn phí Bởi những quy định khác nhau về tần số vô tuyến, nên tần số được cấpphép ở các nước trên thế giới cũng khác nhau Tại Hoa Kỳ, chuẩn IEEE 802.15.4 sửdụng băng tần 902-982MHz Tại châu Âu, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần868-868.8MHz Các nước còn lại thế giới, chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng băng tần2400-2483.5MHz

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác nhau Trong mỗibăng tần có quy định một số kênh như được chỉ ra trong hình 1.7 Channel 0 đượcquy định chỉ ở châu Âu và nằm trên băng tần 868MHz Các kênh từ 1-10 được quyđịnh chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902-982MHz Khoảng cách giữa các kênh là2MHz Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tần 2,4 GHz Khoảng cách giữacác kênh là 5MHz

Hình 1.7: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý [8] ChuẩnIEEE 802.15.4 sử dụng hai loại điều chế vô tuyến tùy thuộc vào tần

số kênh Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá dịch pha nhị phân (BPSK), trong khi đó

các kênh từ 11-26 sử dụng khoá dịch pha vuông góc (QPSK) Trên tất cả các kênh,chuẩn IEEE 802.15.4 sử dụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS).

Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuyến Tốc

độ bit của kênh là 0 là 20.000 bit/s Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bit là 40.000bit/s và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bit/s

Hình 1 8: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11 Kênh 25 và

26 không được bao bọc bởi các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được

sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.15.4 không bị ảnh hưởng bởi 802.11

Các kênh vô tuyến IEEE 802.15.4 trong băng tần 2.4GHz chia sẻ tần số vôtuyến của chúng với chuẩn IEEE 802.11 (WiFi) và có một sự chồng lấn với cáckênh 802.11 Bởi vì chuẩn IEEE 802.11 có một công suất đầu ra cao hơn nên lưulượng theo chuẩn 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn 802.15.4 Hình 1.8 chothấy sự chồng lấn giữa chuẩn 802.15.4 và chuẩn 802.11 Tất cả kênh theo chuẩn802.15.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh theo chuẩn 802.11.Khi các kênh 1, 6 và 11 của chuẩn 802.11 được sử dụng thì có 2 kênh của chuẩn802.15.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng của chuẩn

 Thời gian tồn tại dự kiến của các thiết bị đồng hồ nước thông minh có thể

kéo dài đến 5 năm Nguồn năng lượng được tích trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin.Điều này dẫn đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của thiết bị Bộ thu phát

vô tuyến là một trong những thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất của một nút mạng

Do đó giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian tồn tại của các thiết bịđồng hồ nước thông minh Ngoài ra, mỗi thiết bị thực hiện đồng thời hai chức năng đó là:Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ liệu Để giảm năng lượng tiêu thụthì các thuật toán định tuyến được đề xuất cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh là sửdụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với một số cách tiếp cận khác nhaunhư các phương thức phân nhóm, phân công vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp

dữ liệu và tập trung dữ liệu

thông minh Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn baogồm hàng ngàn các thiết bị đồng hồ nước thông minh

đã làm hạn chế nhiều đến các giao thức định tuyến Do đó, các thuật toán định tuyến đơngiản, gọn nhẹ cần phải được nghiên cứu và phát triển cho mạng lưới đồng hồ nước thôngminh Thách thức này có thể được giải quyết với một chi phí thấp bằng cách sử dụng một

số nút mạng có khả năng lưu trữ lớn hơn và tốc độ tính toán nhanh hơn Những mạngkhông đồng nhất như vậy cần phải được xem xét đến khi thiết kế giao thức định tuyến

tuyến cho mạng lưới đồng hồ nước thông minh Có hai nguyên nhân chính dẫn đến việccác nút trong mạng không đồng nhất Thứ nhất là hoàn toàn có thể tăng được hiệu năngcủa mạng thông qua việc triển khai một số nút có năng lượng, khả năng lưu trữ và tínhtoán tốt hơn các nút còn lại trong mạng Các nút này đóng vai trò là các nút chủ cụm đểchuyển tiếp lưu lượng của

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

các nút khác đến các bộ tập trung dữ liệu Thứ hai là sự khác biệt giữa cácnút mạng có thể phát sinh trong quá trình hoạt động của mạng Một số nútmạng có thể phải thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn dẫn đến chúng bị mất nănglượng nhanh hơn các nút khác Do đó, giao thức định tuyến cần phải tránhviệc chuyển tiếp các bản tin thông qua các nút mạng có mức nguồn nănglượng thấp để bù lại sự không đồng đều về năng lượng giữa các nút trongmạng.

Tuy nhiên, khi một nút mạng bị lỗi thì nó sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ các hoạt động chungcủa mạng Các thuật toán định tuyến cần phải có các tuyến đường dự phòng hoặc xâydựng kịp thời một tuyến đường khác trong trường hợp liên kết mạng bị lỗi

bị đồng hồ nước thông minh có thể thay đổi công suất phát để tăng phạm vi truyền nhưngcùng với đó là sự tiêu hao nhiều về nguồn năng lượng Việc gửi các bản tin với công suấtphát hạn chế, qua một khoảng cách ngắn có thể kéo dài thời gian tồn tại của một nút mạngnhưng cũng làm tăng trễ truyền bản tin Ngược lại, khi phạm vi truyền thông được mởrộng thì tổng năng lượng được sử dụng cho việc xử lý các bản tin tại các nút trung gian sẽgiảm nhưng nhiễu trong mạng cũng có thể xuất hiện nhiều hơn

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

1.6.1 Giao thức định tuyến Flooding

Giao thức định tuyến Flooding là một giao thức định tuyến đơn giản nhấtđược thiết kế và phát triển cho các mạng đa chặng Khi một nút nhận được một bảntin dữ liệu thì nó sẽ phát quảng bá bản tin dữ liệu đó đến tất cả các nút lân cận Quátrình này được tiếp tục thực hiện cho đến khi tất cả các nút trong mạng nhận đềunhận được bản tin dữ liệu đó Hình 1.9 minh họa giao thức định tuyến này

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

Hình 1.9: Định tuyến Flooding.

Giao thức định tuyến Flooding có thể được kiểm soát bằng cách hạn chế sốlần truyền quảng lại các bản tin dữ liệu cho đến khi bản tin dữ liệu đến được đíchhoặc khi số bước nhảy của bản tin dữ liệu đạt đến giá trị tối đa cho phép

Ưu điểm của giao thức định tuyến Flooding là đơn giản vì nó không đòi hỏithông tin về các nút lân cận và giao thức này cũng không đòi hỏi các thuật toánkhám phá tuyến đường và các thuật toán duy trì cấu trúc liên kết mạng Tuy nhiên,giao thức này cũng tồn tại một số nhược điểm đó là:

 Thứ nhất, giao thức định tuyến Flooding không hạn chế được hiện tượng nhiềunút mạng quảng bá cùng một bản tin dữ liệu đến cùng một đích Điều này dẫn đến hiệntượng trùng lặp các bản tin dữ liệu

 Thứ hai, giao thức định tuyến Flooding không có sự nhận thức về tài nguyên trong mạng

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

SPIN (Sensor Protocols for Information via Negotiation) là một họ các giaothức định tuyến được thiết kế để giải quyết các nhược điểm của giao thức Floodingthông qua sự dàn xếp và thích ứng tài nguyên Để đạt được mục đích này thì có haicách tiếp cận chính như sau

 Thứ nhất, thay vì gửi tất cả các bản tin dữ liệu thì các nút mạng sẽ dàn xếp vớinhau thông qua các bản tin mô tả dữ liệu Bởi vậy, thông tin quan sát được chỉ gửi đến cácnút mạng quan tâm đến dữ liệu đó.

 Thứ hai, mỗi nút mạng sẽ giám sát tài nguyên năng lượng của nó Tài nguyênnăng lượng này sẽ được sử dụng để thực hiện các quyết định có sự nhận thức về nănglượng

Hình 1.10 là một ví dụ minh họa giao thức SPIN Giao thức SPIN được thựchiện thông qua ba loại bản tin là bản tin thông báo (ADV), bản tin yêu cầu (REQ),bản tin dữ liệu (DATA) như được minh họa ở hình 1.10 Trước khi gửi một bản tin

dữ liệu thì một nút sẽ thông báo ý định của nó thông qua việc gửi quảng bá một bảntin ADV (Bước 1) Bản tin ADV chứa một mô tả về bản tin DATA được gửi và bảntin ADV có kích thước nhỏ hơn so với bản tin DATA Sau đó, nếu một nút lân cậnquan tâm đến bản tin ADV thì nó sẽ trả lời lại bằng một bản tin REQ (bước 2) Cuốicùng, bản tin DATA sẽ được gửi tới nút yêu cầu nó (bước 3) Quá trình truyền bảntin dữ liệu trong mạng được thực hiện theo cơ chế này tại mỗi bước nhảy Chúng ta

có thể thấy ở các bước 4, 5 và 6 của hình 1.10, nhiều nút có thể gửi bản tin REQ tớicùng một nút và nút đó sẽ gửi lại bản tin DATA tới từng nút cho đến khi tất cả cácnút gửi yêu cầu đều nhận được

Hình 1.10: Giao thức SPIN

Nguyên lý hoạt động được minh họa trong hình 1.10 liên quan đến giao thứcSPIN điểm - điểm (SPIN-PP) Ngoài giao thức SPIN-PP còn có một số dạng khác

đã được đề xuất để khắc phục nhược điểm của giao thức SPIN-PP Ví dụ như giaothức SPIN có sự nhận thức về năng lượng tiêu thụ (SPIN-EC), giao thức SPIN chocác mạng quảng bá (SPIN-BC) và giao thức SPIN đảm bảo độ tin cậy (SPIN-RL)

Giao thức SPIN-PP chưa khắc phục được nhược điểm về khả năng nhận thứcđược năng lượng của các giao thức Flooding Giao thức SPIN-EC đã khắc phụcnhược điểm này thông qua một cơ chế bảo tồn năng lượng đơn giản Cơ chế này xácđịnh một ngưỡng năng lượng Khi năng lượng còn lại của nút thấp hơn ngưỡng thìnút đó sẽ không tham gia vào quá trình hoạt động của giao thức Ví dụ như nút đó

sẽ không gửi bản tin REQ nếu nó không đủ năng lượng để gửi bản tin REQ và nhậnbản tin DATA Bởi vì các nút tham gia vào hoạt động giao thức phụ thuộc vào nănglượng còn lại nên nếu một nút còn nhiều năng lượng thì hoạt động của giao thứcSPIN-EC cũng giống như giao thức SPIN-PP

Một nhược điểm khác của giao thức SPIN-PP đó là khi có nhiều nút gửi bảntin REQ thì bản tin DATA sẽ được gửi đến từng nút riêng lẻ Cách tiếp cận này sẽgây lãng phí năng lượng Hơn nữa, giao thức SPIN-PP không hỗ trợ bất kỳ một cơchế tránh xung đột nào khi có nhiều bản tin REQ cùng được gửi Để khắc phụcnhược điểm này, giao thức SPIN-BC được đề xuất cho các mạng quảng bá Tronggiao thức SPIN-BC, nếu một nút quan tâm đến một bản tin dữ liệu nhưng nó lại lắngnghe được bản tin REQ có liên quan đến dữ liệu đó thì nút đó sẽ hủy bản tin REQ

và chờ đợi để nhận bản tin DATA Khi nhận được một bản tin REQ thì nút gửi sẽphát quảng bá bản tin DATA và tất cả các nút lân cận quan tâm đến bản tin DATAđều có thể nhận được Như vậy, giao thức SPIN-BC giảm được chi phí về nănglượng tiêu thụ xảy ra khi có nhiều nút lân cận cùng quan tâm đến dữ liệu

Giao thức SPIN-RL cung cấp cơ chế đảm bảo độ tin cậy hơn giao thứcSPIN-BC Nếu một nút nhận được một bản tin ADV nhưng nó không nhận đượcbản tin DATA theo sau (có thể do lỗi kênh truyền vô tuyến) thì nó có thể yêu cầubản tin DATA từ các nút lân cận đã nhận được bản tin DATA

SPIN là giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu mà ở đó các nút mạng phátquảng bá các thông báo đối với các dữ liệu sẵn có và chờ đợi yêu cầu từ các nút gốcquan tâm đến dữ liệu đó So với giao thức Flooding thì giao thức SPIN-PP giảmnăng lượng tiêu thụ lên tới 70% bởi vì đã loại bỏ được những truyền dẫn dư thừatrong mạng Tuy nhiên khi so sánh với giao thức Flooding thì độ trễ trong giao thứcSPIN cao hơn bởi vì cần thêm chi phí về thời gian cho cơ chế bắt tay giữa các nút.

1.6.3 Giao thức phân cụm LEACH

Giao thức LEACH là một trong những giao thức định tuyến phân cụm đầutiên Các cụm được hình thành theo cách tự tổ chức Nút chủ cụm thu thập và kếthợp dữ liệu thu thập được từ các nút trong cụm của nó và gửi dữ liệu đó tới điểmthu thập Giao thức LEACH sử dụng quá trình ngẫu nhiên để lựa chọn các nút chủcụm Giao thức này tạo sự cân bằng năng lượng giữa các nút và kéo dài thời giansống của mạng

Hình 1.11: Kiến trúc phân cấp dựa trên các cụm

1.7 Kết luận chương 1

Trong chương 1, tác giả đã trình bày tổng quan về hệ thống thông minh phục

vụ đo lường tự động tại các nhà máy Qua đó, giới thiệu một số mô hình ứng dụng

hệ thống đo lường tự động cho các nhà máy nước, đặc biệt là giới thiệu về đồng hồnước thông minh có sử dụng chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 Đồng thời đã nhấnmạnh một số yêu cầu đối với giao thức định tuyến thu thập dữ liệu cho mạng lướiđồng hồ nước thông minh; tìm hiểu một số giao thức định tuyến thu thập dữ liệu, rút

ra được những ưu nhược điểm, mặt hạn chế của các giao thức

Chương 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THU THẬP DỮ LIỆU HIỆU QUẢ VỀ NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG LƯỚI ĐỒNG HỒ

NƯỚC THÔNG MINH

2.1 Giao thức định tuyến cây thu thập dữ liệu CTP

2.1.1 Giới thiệu giao thức CTP

Mạng lưới đồng hồ nước thông minh hoạt động dựa trên giao thức thu thập

dữ liệu để thu thập dữ liệu từ các thiết bị đo Giao thức thu thập CTP cho phépchuyển tiếp gói tin đến một điểm thu thập dữ liệu (được gọi là Sink/Gateway) sửdụng cây định tuyến với chi phí tối thiểu Chi phí thường được tính là số lần truyền

kỳ vọng ETX sao cho: Các nút gửi dữ liệu trên tuyến đường có số lần truyền để đếnđược điểm thu thập là ít nhất

Hình 2.1: Cấu trúc liên kết mạng được xây dựng theo giao thức CTP

Các giao thức thu thập ban đầu xây dựng một cấu trúc cây định tuyến Theo

đó, mỗi nút lựa chọn một bước nhảy kế tiếp cho tất cả các lưu lượng dữ liệu đượcchuyển tiếp bởi nút đó Điều này tạo thành một cây định tuyến hướng về một điểmthu thập cố định Cấu trúc cây định tuyến được xây dựng thông qua việc thiết lập

một Gradient chi phí định tuyến Điểm thu thập có chi phí bằng 0 Mỗi nút tính toánchi phí của các bước nhảy kế tiếp bằng cách cộng chi phí của nó với chi phí của liênkết nối đến nút đó Một cách quy nạp, chi phí của một nút là tổng các chi phí củacác liên kết trong tuyến đường của nó đến điểm thu thập.

Để xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến thì đầu tiên cần phải xác địnhthước đo định tuyến để các nút có thể lựa chọn nút cha (Parent) của nó Một sốthước đo có thể được sử dụng để lựa chọn nút Parent như số bước nhảy đến nút gốc,thuộc tính năng lượng của nút hoặc chất lượng liên kết Trong mọi trường hợp, cácnút cần phải thu thập thông tin về các nút lân cận để tính toán thước đo định tuyến

và lựa chọn nút Parent Để thực hiện điều này, các nút định kỳ trao đổi các bản tinbáo hiệu được gọi là bản tin điều khiển Bản tin điều khiển mang thông tin về thước

đo định tuyến như số bước nhảy đến Sink hay chất lượng liên kết đến Sink

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

Để xây dựng và duy trì cấu trúc cây định tuyến thì cần phải xác định mộtthước đo định tuyến để các nút có thể lựa chọn tuyến đường tối ưu Một số thước đođịnh tuyến có thể được sử dụng như số bước nhảy đến nút gốc, thuộc tính nănglượng của nút hoặc chất lượng liên kết

Trong giao thức CTP hiện tại, thước đo định tuyến được sử dụng là số lầntruyền kỳ vọng ETX (Expected Transmision) [9] ETX của một liên kết là số lầntruyền cần thiết để gửi thành công một bản tin từ nguồn đến đích qua liên kết đó bao

gồm cả việc truyền lại Hình 2.2 minh họa cách tính thước đo ETX link của một liênkết

Hình 2.2: ETXlink của một liên kết

Thước đo ETX link của một liên kết được xác định theo công thức sau:

ETX

1

D

Trong đó:

- D f : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều từ nút A đến nút B.

- D b : Tỉ lệ chuyển phát bản tin theo chiều ngược lại từ nút B đến A.

Thước đo ETX của một tuyến đường rtmetric (route metric) được xác định

bằng tổng ETX link của tất cả các liên kết trên toàn tuyến đường đó

Thước đo rtmetric của mỗi nút được gửi quảng bá cho các nút lân cận thông qua việc trao đổi các bản tin điều khiển

2.1.3 Cấu trúc các bản tin trong giao thức CTP

Giao thức CTP sử dụng 3 loại bản tin để xây dựng và duy trì hoạt động củacấu trúc liên kết mạng đó là: Bản tin điều khiển, bản tin dữ liệu và bản tin xác nhận

2.1.3.1 Bản tin dữ liệu

Cấu trúc khung của bản tin dữ liệu (bản tin data) được minh họa ở hình 2.3

Hình 2.3: Cấu trúc bản tin dữ liệu

Các trường trong bản tin dữ liệu bao gồm:

 Trường P - 1bit (routing Pull): Bit P cho phép các nút yêu cầu thông tin định

tuyến từ các nút khác Nếu một nút có địa chỉ unicast trong cấu trúc khung của bản tin dữliệu lắng nghe được một bản tin có bit P được thiết lập thì nó sẽ gửi đi một bản tin điềukhiển trong khoảng thời gian gần nhất

 Trường C - 1bit (Congestion notification): Bit thông báo tắc nghẽn Nếu một

nút loại bỏ một bản tin dữ liệu thì nó cần phải thiết lập trường C trong cấu trúc khung củabản tin dữ liệu kế tiếp mà nó gửi đi

 Trường TTL - 4bit (Time To Live): Trường này thể hiện số bước nhảy tối đa

mà một bản tin dữ liệu có thể đi qua Tại mỗi nút chuyển tiếp, trường TTL giảm đi một.Nếu trường TTL <= 1 thì bản tin dữ liệu bị loại bỏ

một bản tin dữ liệu thì trường này được thiết lập bằng 0 Khi bản tin dữ liệu được chuyểntiếp bởi một nút trung gian thì trường này được tăng lên một Trường này thể hiện số bướcnhảy mà một bản tin dữ liệu đã đi qua trước khi đến được nút hiện tại

 Trường Rtmetric - 16bit (route metric): Là thước đo định tuyến rtmetric của

nút gửi đơn chặng Khi một nút gửi một bản tin dữ liệu thì nó phải gửi kèm theo giá trịrtmetric của nó được xác định thông qua điểm đến đơn chặng hiện tại Nếu một nút nhậnđược một bản tin có rtmetric nhỏ hơn rtmetric của nó thì nó sẽ lập lịch một bản tin điềukhiển trong một khoảng thời gian gần nhất Đây cũng chính là cơ chế tránh vòng lặp địnhtuyến trong giao thức

CTP

dữ liệu Nút chuyển tiếp bản tin dữ liệu không được phép thay đổi trường này

liệu Nút khởi nguồn sẽ thiết lập trường này và nút thực hiện chuyển tiếp bản tin dữ liệukhông được phép thay đổi trường này Sự kết hợp hai trường (origin, seqno) sẽ xác địnhmột bản tin dữ liệu duy nhất trong mạng

nguồn thiết lập trường này và nút thực hiện chuyển tiếp bản tin dữ liệu không được thayđổi trường này

 Trường Data: Đây là trường tải dữ liệu Các nút chuyển tiếp bản tin dữ liệu

không được phép chỉnh sửa trường này

2.1.3.2 Bản tin điều khiển

Cấu trúc khung của bản tin điều khiển được minh họa ở hình 2.4 Các trường trong bản tin điều khiển bao gồm:

 Trường P - 1bit: Tương tự như trường P trong cấu trúc khung của bản tin dữ

liệu nhưng có một điểm khác đó là bản tin điều khiển được phát quảng bá Do đó, sẽ cónhiều nút lân cận trả lời lại bit P trong cấu trúc khung của bản tin điều khiển

Hình 2.4: Cấu trúc bản tin điều khiển

nút loại bỏ một bản tin dữ liệu thì nó sẽ thiết lập trường C trong cấu trúc khung của bản tinđiều khiển tiếp theo mà nút sẽ gửi đi

 Trường reserved - 6bit: Dự trữ Các bit dự trữ này sẽ được sử dụng trong giao

thức EACTP

 Trường rtmetric - 16bit: Giá trị thước đo định tuyến hiện tại của nút.

Khi một nút lắng nghe được một bản tin điều khiển thì nó sẽ cập nhật lại

bảng định tuyến Nếu giá trị rtmetric của một nút thay đổi thì nó sẽ gửi quảng bámột bản tin điều khiển để thông báo cho các nút lân cận biết Trường Parent (nútcha) cũng chính là trường đích đến đơn chặng của bản tin dữ liệu Khi nút cha lắngnghe được một bản tin điều khiển từ nút con có giá trị rtmetric nhỏ hơn giá trịrtmetric của nó thì nút cha sẽ lập lịch để gửi đi một bản tin điều khiển trong khoảngthời gian gần nhất

tạo và cập nhật bảng định tuyến Bảng định tuyến của mỗi nút lưu các nút lân cận có thểđược lựa chọn làm nút cha của nó Bảng này được xây dựng dựa vào các thông tin lấy từcác bản tin điều khiển Bảng này lưu thông tin về địa chỉ của các nút lân cận cũng như cácthông tin khác như thước đo định tuyến của mỗi nút.

Định tuyến

Chuyển tiếp Các giao diện

Ước lượng liên kết

Hình 2.5: Các thành phần chính của giao thức CTP

 Phần chuyển tiếp: Có nhiệm vụ chuyển tiếp các bản tin dữ liệu đến từ lớp ứng

dụng cũng như các bản tin dữ liệu đến từ các nút lân cận Phần chuyển tiếp cũng có nhiệm

vụ phát hiện và sửa chữa các vòng lặp định tuyến cũng như ngăn chặn sự xung đột của cácbản tin

 Phần ước lượng liên kết: Có nhiệm vụ xác định chất lượng liên kết (ETXlink).Phần ước lượng liên kết tính toán ETXlink dựa vào sự thống kê các

bản tin điều khiển nhận được và các bản tin dữ liệu được truyền thành công.Dựa vào sự thống kê này, phần ước lượng liên kết sẽ tính toán ETXlink theochiều đến được xác định bằng tổng số bản tin điều khiển được gửi bởi nút lâncận chia cho tổng số bản tin điều khiển nhận được Tương tự như vậy, giá trịETXlink theo chiều đi được xác định bằng tổng số bản tin dữ liệu được gửi đi(bao gồm cả việc truyền lại) chia cho tổng số bản tin dữ liệu được xác nhậnbởi bản tin xác nhận ACK.

2.2 Giao thức định tuyến RPL

2.2.1 Một số thuật ngữ

Trước khi tìm hiểu về giao thức định tuyến RPL, chúng ta cần hiểu rõ về một

số thuật ngữ thường được sử dụng trong giao thức định tuyến RPL

 DAG (Directed Acyclic Graph): Là một đồ thị định hướng có đặc điểm là tất

cả các cạnh được định hướng sao cho không tồn tại một vòng kín nào Tất cả các cạnhchứa trong các tuyến đường được định hướng và kết thúc tại một hoặc nhiều nút gốc

 Nút gốc DAG (DAG root): Là nút kết thúc trong DAG Tất cả các tuyến đường trong DAG đều kết thúc tại DAG root

 DODAG (Destination Oriented DAG): Là một DAG kết thúc tại chỉ một đích đến

 Nút gốc DODAG (DODAG root): Là một nút nút gốc của một DODAG.DODAG root có thể đóng vai trò như một bộ định tuyến biên (border router) choDODAG

 Thứ bậc (Rank) của một nút: Rank của một nút xác định vị trí tương đối củanút đó so với nút gốc Rank của các nút tăng theo chiều hướng xuống và giảm theo chiềuhướng lên trong một DODAG Rank của một nút được tính toán phụ thuộc vào hàm mụctiêu

 Hàm mục tiêu (Objective Function): Một hàm mục tiêu xác định các thước đođịnh tuyến, các mục tiêu tối ưu hóa và các hàm có liên quan được sử dụng