TR

I H C QU C GIA TP. HCM
NG
I H C BÁCH KHOA
--------------------

V TR NG THIÊN

MÔ PH NG VÀ ÁNH GIÁ N NG L
NG TIÊU TH
TRONG M NG WIRELESS SENSOR NETWORK
Chuyênngành :
Mãs :

Khoa H cMáyTính
60.48.01

LU N V N TH C S

TP. H CHÍ MINH, tháng11 n m 2013


TR
Cánb h

CƠNG TRÌNH
C HỒN THÀNH T I
NG
I H C BÁCH KHOA – HQG -HCM

ngd nkhoah c : PGS. TS. inh

c Anh V ............................

Cánb ch mnh nxét1 : TS. Nguy n Minh S n ...........................................
Cánb ch mnh nxét2 : TS. Bùi H uPhú.....................................................
Lu nv nth cs đ cb ov t iTr
HCMngày25tháng12n m2013

ng

ih c Bách Khoa, HQG Tp.

Thànhph n H i đ ngđánhgiálu nv nth cs g m:
(Ghirõh , tên, h chàm, h cv c a H i đ ngch mb ov lu nv nth cs )
1. PGS. TS. inh c Anh V ..................
2. TS. Tr n Ng c Th nh ............................
3. TS. Nguy n Minh S n ..........................
4. TS. Bùi H uPhú....................................
5. TS. Tr n Ng c Minh .............................
Xácnh nc aCh t ch H i đ ngđánhgiá LV vàTr ng Khoa
qu nlýchuyênngànhsaukhilu nv nđãđ cs ach a (n ucó).
CH T CH H I

NG

TS. Tr n Ng c Th nh

TR


NG KHOA KH&KTMT

PGS. TS. Tho i Nam


I H C QU C GIA TP.HCM
NG
I H C BÁCH KHOA

TR

C NG HÒA XÃ H I CH NGH A VI T NAM
c l p - T do - H nh phúc

NHI M V LU N V N TH C S
H tên h c viên: V Tr ng Thiên ..............................................MSHV: 11070477 ...........
Ngày, tháng, n m sinh: 15/01/1987 ...........................................N i sinh:

ng Nai .........

Chuyên ngành: Khoa H c Máy Tính ......................................... Mã s : 60.48.01 ..........
I. TÊN

TÀI:

Mô ph ng và đánh giá n ng l

ng tiêu th trong m ng Wireless Sensor Network.

II. NHI M V VÀ N I DUNG:

M ng c m bi n không dây ngày càng đ
s ng và khoa h c,.

c ng d ng r ng rãi trong các ng d ng cu c

i v i m ng c m bi n không dây, n ng l

ng là m t v n đ quan

tr ng mà c ng đ ng nghiên c u quan tâm. M c tiêu c a đ tài nh m nghiên c u, mô
ph ng và hi n th c mơ hình n ng l
ph i đ a ra m t mơ hình n ng l

ng tiêu th trong các h th ng WSN. H c viên

ng tiêu th c a m ng WSN và ti n hành th c hi n các

mô ph ng đ đánh giá mơ hình này.
III. NGÀY GIAO NHI M V : 21/01/2013 ..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 20/12/2013 ..................................................
V. CÁN B

H

NG D N: PGS. TS. inh

c Anh V ..............................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . n m 20....
TR


NG KHOA KH&KTMT
(H tên và ch ký)

PGS. TS. Tho i Nam

CÁN B H
NG D N
(H tên và ch ký)

PGS. TS. inh

c Anh V

Ghi chú: H c viên ph i đóng t nhi m v này vào trang đ u tiên c a t p thuy t minh LV


CBHDKH:

.
T
tôi trong
.

này.

i


CBHDKH:


Network.

OMNeT++.

ii


CBHDKH:

Subject: Simulation and evaluation of energy consumption in Wireless Sensor
Network networks
The study focuses on one of the issues that researchers interested in the field of
WSNs, it is energy consumption issues in WSNs network. In many different respects,
study selected primarily in research addressing issues of energy consumption is to build
models of energy systems in the network to ensure that the system uptime (time survival)
based on battery power, energy reserves and the ability to collect energy from natural
energy sources such as solar energy, wind energy,... Moreover, the study aims to build
simulation to evaluate proposed system for deployment towards practical applications.
The study has built a model of the energy system with model-based control Sensing
Systems Neutral Energy revolves around energy management system. Moreover, study
also researched the existing simulation tools in the field of WSN, tested and evaluated
models on the simulation tool OMNeT+ + .
Some issues of the study is still not a full survey of factors related to system and
system simulation is not shown full model poses.
Study development is the study of building a better adaptation system, and
demonstrate the binding parameters affect the system better with the system at the time
of reporting. Implementing a general model on the simulation tool to test and evaluate.

iii



CBHDKH:

tôi

tôi

Tôi
TpHCM, ngày 22

iv


CBHDKH:

CÁM

............................................................................................................i
.................................................................................................................ii

SUMMARY ............................................................................................................ iii
....................................................................................................iv
...................................................................................................................... v
...........................................................................................ix
............................................................................................................xi
......................................................................................................... xiii
............................................................................................. 1
1.1


......................................................................................... 1

1.2

.................................................................... 3

1.3

.......................................................... 4

1.4

.................................................................................... 4

1.5

................................................................................... 4
.............................................................................. 6

2.1

............................................... 6

2.1.1

Wireless Sensor Network là gì? ............................................................ 6

2.1.2

............................................................................. 7


2.1.3

............. 11

2.2

...................................... 14

2.2.1

MicaZ

Crossbow .............................................................................. 14

2.2.2

TelosB

Crossbow ............................................................................. 15
v


CBHDKH:

2.2.3

Wasmote

2.2.4


Wireless Sensor Node

2.3
2.3.1

Libelium ........................................................................... 17
Arduino ........................................................ 18

............................................................................................. 18
............................................................................................... 19

2.4
2.4.1

...................................... 24
Giám sát

........................................................................ 24

2.4.2

............................................................... 25

2.4.3

................................ 26

2.4.4


................................................................ 26

2.4.5

........................................................................................ 29

2.4.6

Nhà thông minh ................................................................................... 30
............................................ 32

3.1

................................................. 32

3.2

..................................... 33

3.2.1

Events ................................................................................. 33

3.2.2

Medium ....................................................... 33

3.2.3

Environment ................................................... 34


3.2.4

node .............................................................................. 34

3.2.5

Transceiver ............................................................. 34

3.2.6

Physical Protocol........................................ 34

3.2.7

MAC Protocol ............................................ 35

3.2.8

Routing Protocol ........................................... 35

3.2.9

...................................................................................... 35
vi


CBHDKH:

3.2.10

3.3

........................... 35

So sánh các công

.................................................................. 36

3.3.1

NS-2 .................................................................................................... 36

3.3.2

TOSSIM .............................................................................................. 38

3.3.3

GLoMoSim ......................................................................................... 39

3.3.4

COOJA (COntiki Os Java) .................................................................. 40

3.3.5

........................................... 42

3.4


.......................................... 43

3.4.1

OMNeT++ là gì? ................................................................................. 43

3.4.2

................................................................... 44

3.4.3

....................................................... 45

3.4.4

Mơ hình trong OMNeT++ .................................................................. 45

3.4.5

....................................................................... 46

3.4.6

........................................................................ 50
........................................................ 52

4.1

...................................................... 52


4.1.1

............................................................ 52

4.1.2

..................... 55

4.1.3

... 57

4.1.4

) ............................ 59

4.1.5

............ 60

4.2

.................................. 61

4.2.1

- Energy harvesting ...................... 61
vii



CBHDKH:

4.2.2

Energy harvesting trong WSN ............................................................ 62

4.2.3

.................................................................... 64
............................................................ 67

5.1

.................................................................................... 67

5.2

.......................................................... 68

5.3

.................................... 69

5.4

........................ 71

5.4.1


............................................................................ 74

5.4.2

Linear Adaptation ..................................... 75

5.5

....................................................................................................... 76
............................................................................. 77

6.1

..................................................................... 77

6.2

............................................................ 77
................................................................................................... 78
..................................................................................... 82
........................................................................................ 83

QÚA TRÌNH CƠNG TÁC...................................................................................... 84

viii


CBHDKH:

ADC


Analog to Digital Conversion (or Converter)

API

Application Programming Interface

CBT

Calculation Before Transmission

CCA

Clear Channel Assessment

CRC

Cyclic Redundancy Check

CSMA-CA

Carrier Multiple Access Collision Avoidance

DB

Data Packet

DT

Data Transmission


ENO

Energy Neutral Operation

ENSS

Energy Neutral Sensing System

EWMA

Exponentially Weighted Moving Average

FCS

Frame Checksum

FFD

Full Function Device

IC

Integrated Circuit

MCU

Micro Controller Unit

PEM


MicroProcessor Energy Model

PM

Power Manager

PSM

Power Supply Model

PV

PhotoVoltaic

QoS

Quality of Service

ix


CBHDKH:

RF

Radio Frequency

RS232


Recommended Standard 232

RX

Receive

SEM

Sensor Energy Modal

SoC

System on Chip

TEM

Transceiver Energy Model

TI

Texas Instruments

TX

Transmit

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter


USB

Universal Serial Bus

WSNs

Wireless Sensor Networks

WSN

Wireless Sensor Network

WU

Wake-up

WUB

Wake-up beacon

x


CBHDKH:

Hình 1-1 Ví d WSN................................................................................................ 1
Hình 1-2 Các v

trong WSN ............................................................................. 3


Hình 2-1 Node c m bi n .......................................................................................... 7
Hình 2-2 Network topologies ................................................................................... 8
Hình 2-3 WSN Topologies....................................................................................... 8
Hình 2-4

hình WSN có 7 node k c n.............................................................. 10

Hình 2-5 WSNs có ki n trúc two-tiered ................................................................. 10
Hình 2-6
Hình 2-7 MicaZ

hình d ng 3D ....................................................................... 11
Crossbow .................................................................................. 14

Hình 2-8 TelosB hãng Crossbow ........................................................................... 15
Hình 2-9 Platform Wasmote hãng Libelium .......................................................... 17
Hình 2-10 Wireless Sensor Node

Arduino ......................................................... 18

Hình 2-11 Tu i th pin Zigbee............................................................................... 23
Hình 2-12 Ví d

ng d ng giám sát theo khu v c ................................................. 25

Hình 2-13 Ví d

ng d

Hình 2-14 Ví d


ng d ng trong c nh báo cháy r ng ........................................... 26

Hình 2-15 Ví d trong qu n lý ch

c kh e ............................................ 25

ng máy móc ............................................. 27

Hình 2-16 Ví d

ng d ng trong vi c thu th

d li u ......................... 28

Hình 2-17 Ví d

ng d ng trong giám sát ch

c .................................. 29

Hình 2-18 Ví d

ng d ng trong nơng nghi p ....................................................... 30

Hình 2-19 Ví d

ng d ng trong nhà thơng minh.................................................. 31

Hình 3-1 Cơng c mơ ph ng NS-2 ........................................................................ 37

xi


CBHDKH:

Hình 3-2 Cơng c mơ ph ng TOSSIM TinyViz .................................................... 39
Hình 3-3 GloMoSim .............................................................................................. 40
Hình 3-4 Cơng c mơ ph ng COOJA .................................................................... 42
Hình 3-5 Cơng c mơ ph ng OMNeT++ ............................................................... 43
Hình 3-6 OMNeT++ .............................................................................................. 44
Hình 3-

n và k t h p trong OMNeT++....................................... 47

Hình 3-8 Hai simple module k t n i v i nhau trong m t compound module ....... 48
Hình 3-9 Hai simple module k t n i v i compound module ch a chúng ............. 48
Hình 3-10 Mơ hình truy n gói ............................................................................... 49
Hình 3-11 M ng mô ph ng trong OMNeT++ s d ng MiXiM Framework ......... 51
Hình 4-1 Ki n trúc c a m t node c m bi

n................................................ 53

Hình 4-

n c a node m ng WSN ................................. 53

Hình 4-

chuy n tr ng thái chip .................................................................. 56


Hình 4-4 Mơ hình b ph n qu

ng c a node m ng............................ 61

Hình 4-5 Ví d v Energy Harvesting ................................................................... 62
Hình 4-6 Mơ hình module qu

ng v i Energy harvesting ................. 64

Hình 5-1 Ki n trúc t ng quát c

ngh ...................... 70

Hình 5-2 Ki n trúc Power Manager ....................................................................... 71
Hình 5-3 PM v i chu k thích

ng ............................................................... 72

Hình 5-4 Giao ti p gi a 2 node m ng .................................................................... 73
Hình 5-5 S thích ng t

ng c

ngh .................................................... 76

xii


CBHDKH:


B ng 2-1 So sánh chu n Zigbee và các chu n khác ............................................... 19
B ng 2-2 Zigbee ...................................................................................................... 20
B ng 5-1 B

ng tiêu th trên n n t ng BK-WSN ................................. 74

xiii


CBHDKH:

tv
1.1 Lý do ch

tài

Bluetooth, W

Network [1][2][3].

Hình 1-1

1


CBHDKH:

[4]:
-


tin c y: WSNs là các m
v

t gói tin.

b

c bi

nguy hi m

c ng d

, c nh báo cháy r

c y này

ng b i các

c gi i quy t tri

c

nh ng v

v

có th d dàng d

tin


n th m h a

nghiêm tr ng.
-

Tiêu th

ng

ng tiêu th trên t ng node m ng, trên t ng

thành ph n, ho c trên c h th ng là nh
s ng c a c h th ng s b nh

i th i gian

ng b i ngu

h th ng ho t

ng. Nhu c u v h th

d ng ph i có kh

d ng lâu dài v i m t ngu

ng h n ch (pin) và ngu

có th t n d ng t t


ng m t tr

t ra yêu

c u b c thi t v vi c nghiên c u v v
-

ng trong h th ng WSNs

c node: Vi c tri n khai h th ng trong
m i node m
nh

ng

ng th c t

i

c tri n khai ph i nh g n, và d

u ki n kh c nghi

trong

n g ch, trên thanh s

c node m


ng trong

vi c tri n khai h th ng WSN.
-

Tính chuy

ng

tính này

-

V

u ki n t nhiên ph
n ch t

b o m t: v

ng truy

này là m t trong nh ng v

c quân s vì tính b o m t s
truy

trên m ng là an toàn v i nh

ng truy n m ng, ho c b


im

hình m ng có th b

quan tr

m b o ngu

c bi t
c

ng mu n xâm nh p

khai thác thông tin t m ng.

2

c


CBHDKH:

Reliability
Power Consumption
Node size
Mobility
Privacy and Security
Hình 1-2


.

[4].

.

1.2 M c tiêu nghiên c u c

-

M t là xây d

-

Hai là tìm hi u v

tài

ng c a h th ng ng d ng WSN
mô ph ng trong nghiên c u WSN
3


CBHDKH:

1.3 Ph m vi và p

u

WSN.


1.4 K t qu c a lu

Neutral Sensing System (ENSS)

1.5 T ch c c a lu

-

tv
WSNs, lý do ch

c

n nh ng v

liên quan b c thi

tài nghiên c u, m c tiêu, k t qu

iv i
ng c a

nghiên c u.
-

ng quan v WSN: tìm hi u t ng quan nh ng v
v c WSN, nh

m và ng d ng c a WSN.


-

mơ ph

c WSN: trình b y v mơ hình

ng và các v
-

:

ng trong WSN
ng trong WSN: trình b y v

và các v
-

ng trong WSN
: Hi n th c h th ng và k t qu : trình bày nh

nh ng v

ng

cịn t

ng trong nghiên c u.
4


c,


CBHDKH:

-

: K t lu
ngh

ngh : k t lu n t ng k

ng nghiên c u và phát tri

c u này.

5

ng nghiên


CBHDKH:

T ng quan v WSN
2.1 Gi i thi u Wireless Sensor Network (WSN)
2.1.1 Wireless Sensor Network là gì?

giám sát
giám sát


[1]

-

Các c m bi

-

M

-

c phân b theo mơ hình t p trung hay phân b r i.

i liên k t gi a các c m bi n (có dây hay vơ tuy n).
m trung tâm t p h p d li u (Clustering).

B ph n x lý d li u

trung tâm.

[1] [2] [3].

6


CBHDKH:

[6]:
-


M

c tích h p s n ho c có k t n i v i

m t antenna ngoài.
-

M

-

M tm

ng d

u khi

n.

giao ti p v i các c m bi n và m t h th ng ngu n
ng.

-

M t ngu

c d ng thu th

ng t t nhiên


(energy harvesting).

Hình 2-1

2.1.2 Topology c a WSNs

[7][8].

7


CBHDKH:

Hình 2-2 Network topologies

WSN là Star, Tree, Mesh.

Hình 2-3 WSN Topologies

2.1.2.1 Star
(Coordinator) trong giao

8


CBHDKH:

2.1.2.2 Tree


(coordinator)
vai trò là node
Function Device.

2.1.2.3 Mesh

2.1.2.4 Các ki u m

c p trong WSNs

[8][9]:
-

Các ki u m ng phân lo i theo s node k c n có th giao ti p: three neighbors

9