Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid (NCKH)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID
Mã số: ĐH2015-TN07-05

Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Chiến Thắng

Thái Nguyên, 6/2017


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY TRÊN NỀN IPv6 CHO CÁC ỨNG DỤNG SMART GRID
Mã số: ĐH2015-TN07-05

Xác nhận của tổ chức chủ trì
(ký, họ tên, đóng dấu)

Thái Nguyên, 6/2017

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ tên)


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
TT

1

2

3

4

5

Đơn vị công tác và
lĩnh vực chuyên môn
Đơn vị công tác: Khoa Công
nghệ Điện tử và Truyền
thông, Trường Đại học Công
TS. Vũ Chiến

nghệ thông tin và Truyền
Thắng
thông
Chuyên môn: Điện tử Viễn
thông
Đơn vị công tác: Khoa Công
nghệ thông tin, Trường Đại
TS. Nguyễn Văn học Công nghệ thông tin và
Tảo
Truyền thông
Chuyên môn: Công nghệ
thông tin
Đơn vị công tác: Khoa Công
nghệ Điện tử và Truyền
thông, Trường Đại học Công
TS. Phùng Trung
nghệ thông tin và Truyền
Nghĩa
thông
Chuyên môn: Điện tử Viễn
thông
Đơn vị công tác: Khoa Công
nghệ Điện tử và Truyền
ThS. Nguyễn
thông, Trường Đại học Công
Thanh Tùng
nghệ thông tin và Truyền
thông
Chuyên môn: Tự động hóa
Đơn vị công tác: Phòng

KH-CN&HTQT, trường Đại
ThS. Vương Thị
học Công nghệ Thông tin và
Yến
Truyền thông
Chuyên môn: Toán
Họ và tên

Nội dung nghiên cứu
cụ thể được giao

Chủ nhiệm đề tài

Nghiên cứu về IoT
(Internet of Things)
và ứng dụng Smart
Grid
Nghiên cứu giao thức
truyền thông IPv6
trên nền chuẩn truyền
thông lớp vật lý
IEEE802.15.4 cho
ứng dụng Smart Grid

Thiết kế, chế tạo phần
cứng

Thư ký hành chính đề
tài

Ghi
chú


ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... ix
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................................. xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................... 1
2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ................................... 1
2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................. 1
2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 2
3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 3
4. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu ......................................................................... 3
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 4
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 4
7. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 4
Chương 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6 ..... 5
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ......................................................... 5
1.1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây .................................................. 5
1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .................................................. 6
1.1.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến
không dây............................................................................................................. 7
1.1.4. Chuẩn truyền thông IEEE 802.15.4 cho mạng cảm biến không dây ......... 9
1.1.5. Mô hình tính toán cho mạng cảm biến không dây .................................. 15

1.2. Mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP ............................................ 20
1.2.1. Giới thiệu về kiến trúc IP ......................................................................... 20
1.2.2. Ưu điểm của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP ................ 21
1.2.3. Sự chuẩn hóa kiến trúc IP cho mạng cảm biến không dây ...................... 24
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IP .................... 25
1.3.1. Nhà thông minh ....................................................................................... 25
1.3.2. Tự động hóa tòa nhà ................................................................................ 26
1.3.3. Mạng các thành phố và đô thị thông minh .............................................. 27
Chương 2. GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE 802.15.4 CHO ỨNG
DỤNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH GẮN VỚI HẠ TẦNG AMI .......................... 29


iii

2.1. Tổng quan về ứng dụng lưới điện thông minh ............................................... 29
2.2. Hệ thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong
mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI ............... 30
2.3. Công nghệ mạng cảm biến không dây cho phép khả năng truyền thông
trong AMI .............................................................................................................. 31
2.4. Giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 .................................................. 32
2.4.1. Giới thiệu chung ...................................................................................... 32
2.4.2. Khái niệm và thuật ngữ được sử dụng trong giao thức truyền thông
IPv6/IEEE802.15.4 ............................................................................................ 33
2.4.3. Thước đo định tuyến ETX ....................................................................... 34
2.4.4. Các bản tin điều khiển ............................................................................. 35
2.4.5. Hoạt động của giao thức truyền thông IPv6/IEEE802.15.4 .................... 36
2.5. Hệ điều hành Contiki ...................................................................................... 37
2.5.1. Giới thiệu về hệ điều hành Contiki .......................................................... 37
2.5.2. Ngăn xếp truyền thông trong hệ điều hành Contiki................................. 38
2.5.3. Công cụ mô phỏng Cooja ........................................................................ 39

2.6. Thực thi giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 trên hệ điều hành
Contiki ................................................................................................................... 39
2.6.1. Cấu trúc thực thi giao thức giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4
trên hệ điều hành Contiki ................................................................................... 39
2.6.2. Hoạt động của nút gốc ............................................................................. 41
2.6.3. Hoạt động của nút thành viên .................................................................. 44
Chương 3. PHÁT TRIỂN GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG IPv6/IEEE802.15.4 .. 45
3.1. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 ................................... 45
3.1.1. Các thước đo đánh giá ............................................................................. 45
3.1.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng ................................................................... 46
3.1.3. Kết quả đánh giá mô phỏng ..................................................................... 47
3.2. Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 .................................. 49
3.2.1. Mục tiêu và những thách thức ................................................................. 49
3.2.2. Đề xuất giải pháp cải tiến giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4.. 49
3.2.3. Thực thi giải pháp .................................................................................... 51
3.3. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
mô phỏng ............................................................................................................... 52
3.3.1. Các thước đo đánh giá ............................................................................. 52
3.3.2. Kịch bản đánh giá mô phỏng ................................................................... 52
3.3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng ..................................................................... 53


iv

3.4. Đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
thực nghiệm ........................................................................................................... 58
3.4.1. Hệ thống nghiên cứu thực nghiệm cho mạng cảm biến không dây ........ 58
3.4.2. Kịch bản đánh giá thực nghiệm ............................................................... 61
3.4.3. Kết quả đánh giá thực nghiệm ................................................................. 61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65
BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐƯỢC PHÊ DUYỆT ................................... 67


v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Mô hình năng lượng của phần cứng TUmote. .......................................... 46
Bảng 3.2: Kịch bản đánh giá mô phỏng. ................................................................... 46
Bảng 3.3: Kịch bản đánh giá mô phỏng. ................................................................... 53
Bảng 3.4: Các thông số kỹ thuật của TUmote. ......................................................... 59
Bảng 3.5: Kịch bản đánh giá thực nghiệm. ............................................................... 61


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ đầy đủ

AMI

Advanced Metering Infrastructure

ANR

Alive Node Ratio

BAS

Building Automation System

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

EI

Energy Indicator

EIB

Energy Indicator Balance

ETX

Expected Transmission

EU

European Union

FCS

Frame Check Sequence

FFD

Full Function Device

HAN

Home Area Network

HART

Highway Addressable Remote Transducer

IP

Internet Protocol

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IETF

Internet Engineering Task Force

IoT

Internet of Things

IRPL

Improved RPL


vii

LBR

Lossy network Border Router

LLNs

Low-Power and Lossy Networks

LoWPAN

Low-power and Wireless Personal Area Network

MAC

Medium Access Control

MANET

Mobile Adhoc Network

MDMS

Meter Data Management System

MP2P

Multi-Point to Point

OSI

Open Systems Interconnection Reference Model

OUI

Organizational Unique Identifier

PAN

Personal Area Network

PC

Personal Computer

PLC

Power Line Communication

P2P

Point to Point

P2MP

Point to Multi-Point

QoS

Quality of Service

RAM

Random Access Memory

RPL

IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy network

ROM

Read-Only Memory

RoLL

Routing over Low power and Lossy network

RFD

Reduced Function Device

SON

Smart Object Networks

SFD

Start of Frame Delimiter

TCP

Transport Control Protocol

TUmote

Thainguyen University mote

TU2C

Thainguyen University Control and Collection

UDP

User Datagram Protocol


viii

UDG

Unit Disk Graph

UDI

UDG with Distance Interference

WiFi

Wireless Fidelity

WiMAX

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WSN

Wireless Sensor Networks


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
trong trường cảm biến. ................................................................................................ 5
Hình 1.2: Một mạng IEEE 802.15.4 . ....................................................................... 10
Hình 1.3: Hai định dạng địa chỉ hỗ trợ IEEE 802.15.4 là địa chỉ dài (64 bit) và
địa chỉ ngắn (16 bit). ................................................................................................. 11
Hình 1.4: Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định 26 kênh vô tuyến vật lý. ......................... 12
Hình 1.5: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 chồng chéo lên các kênh 802.11 ............ 13
Hình 1.6: Lớp vật lý IEEE 802.15.4 và các định dạng tiêu đề lớp MAC ................. 14
Hình 1.7 : Các cơ chế ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu vô tuyến: ....................... 16
Hình 1.8: Mô hình UDG ........................................................................................... 17
Hình 1.9: Mô hình UDI ............................................................................................. 19
Hình 1.10: Sự phân lớp trong TCP/IP và OSI ......................................................... 20
Hình 1.11: Kiến trúc giao thức IP với khả năng cộng tác trên các thiết bị và các cơ
chế truyền thông khác nhau....................................................................................... 22
Hình 1.12: Tính linh hoạt có thể thấy được khi các ứng dụng chạy trên các điểm đầu
cuối và mạng chỉ vận chuyển dữ liệu giữa chúng ..................................................... 23
Hình 1.13: Kích thước bộ nhớ của uIP, lwIP và hai ngăn xếp IPv6 hiện đang được
thương mại hóa. ......................................................................................................... 24
Hình 1.14: Kiến trúc ngăn xếp giao thức 6LoWPAN cho mạng cảm biến
không dây. ................................................................................................................. 25
Hình 1.15: Mô hình hệ thống nhà thông minh của BKAV. ...................................... 26
Hình 1.16: Mô hình hệ thống tự động hóa tòa nhà ................................................... 27
Hình 2.1: Mô hình hệ thống lưới điện thông minh. .................................................. 29

Hình 2.2: Các thành phần cấu thành nên hạ tầng đo lường tiên tiến AMI. .............. 30
Hình 2.3: Mạng các thiết bị đo thông minh trong AMI. ........................................... 32
Hình 2.4: Ví dụ về DODAGVersion Number........................................................... 34
Hình 2.5: ETX1hop của một liên kết. .......................................................................... 34
Hình 2.6: Ví dụ về một DODAG. ............................................................................. 36
Hình 2.7: Ví dụ về việc hình thành DODAG [10]. ................................................... 37
Hình 2.8: Kiến trúc giao thức mạng trong Contiki. .................................................. 38
Hình 2.9: Giao diện ứng dụng mô phỏng trên Cooja. ............................................... 39
Hình 2.10: Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki. ................................ 40
Hình 2.11: Cấu trúc các thành phần trong module Contiki RPL. ............................. 41


x

Hình 2.12: Pha khởi tạo của nút gốc. ........................................................................ 42
Hình 2.13: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút gốc. .................................................. 42
Hình 2.14: Pha khởi tạo của các nút thành viên. ....................................................... 43
Hình 2.15: Cơ chế điều khiển sự kiện của nút thành viên. ....................................... 43
Hình 3.1: Mô hình triển khai mạng gồm 31 nút........................................................ 47
Hình 3.2: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. ................................................ 47
Hình 3.3: So sánh công suất tiêu thụ trung bình trong toàn mạng. ........................... 47
Hình 3.4: So sánh số lần thay đổi nút cha trung bình trong toàn mạng. ................... 48
Hình 3.5: Cấu trúc bản tin điều khiển DIO. .............................................................. 50
Hình 3.6: Thuật toán lựa chọn nút cha tốt nhất. ........................................................ 50
Hình 3.7: Thực thi giao thức IRPL trên Contiki. ...................................................... 51
Hình 3.8: Mô hình triển khai mạng gồm 26 nút........................................................ 53
Hình 3.9: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng. .............................................. 54
Hình 3.10: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. .............................................. 54
Hình 3.11: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. ............................. 54
Hình 3.12: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng. ............................................ 55

Hình 3.13: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. .............................................. 56
Hình 3.14: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. ............................. 56
Hình 3.15: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng. ............................................ 57
Hình 3.16: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. .............................................. 57
Hình 3.17: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. ............................. 57
Hình 3.18: Sơ đồ khối phần cứng TUmote. .............................................................. 59
Hình 3.19: Sản phẩm phần cứng TUmote. ................................................................ 59
Hình 3.20: Phần mềm TU2C. .................................................................................... 60
Hình 3.21: Mô hình đánh giá thực nghiệm. .............................................................. 61
Hình 3.22: So sánh tỷ lệ các nút còn sống trong mạng. ............................................ 62
Hình 3.23: So sánh tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu. .............................................. 62
Hình 3.24: So sánh sự cân bằng năng lượng giữa các nút mạng. ............................. 62


xi

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trên nền
IPv6 cho các ứng dụng Smart Grid
- Mã số: ĐH2015-TN07-05
- Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Chiến Thắng
- Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông
- Thời gian thực hiện: 1/2015-12/2016
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự

động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông
minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI (Advanced Metering Infrastructure).
3. Tính mới và sáng tạo:
- Đề xuất mô hình ứng dụng giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự
động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông
minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI.
- Đề xuất giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến cho việc tự động thu
thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn
với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
mô phỏng và thực nghiệm.
4. Kết quả nghiên cứu:
- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây trên nền kiến trúc IPv6 và các ứng dụng
trong mô hình mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things).
- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4.
- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho cho việc tự động thu
thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn
với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI.


xii

- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
mô phỏng và thực nghiệm.
5. Sản phẩm:
- Sản phẩm khoa học:
+ 02 bài báo đăng trên tạp chí trong nước.
+ 01 bài báo đăng trên kỷ yếu hội nghị, hội thảo trong nước.
+ 01 bài báo đăng trên tạp chí quốc tế không thu tiền của tác giả.
1. Vũ Chiến Thắng, Lê Nhật Thăng (2015), “Đánh giá hiệu năng giao thức định

tuyến IPv6 cho mạng cảm biến không dây”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công
nghệ quân sự, Số 38, tr. 51-58.
2. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2016), “Giải
pháp kết hợp giữa thước đo định tuyến chất lượng liên kết và năng lượng trong giao
thức IRPL”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Số 46, tr. 86-92.
3. Vũ Chiến Thắng, Nguyễn Văn Tảo, Vũ Văn San, Lê Nhật Thăng (2015), “Giao
thức định tuyến IPv6 có sự nhận thức về năng lượng cho mạng cảm biến không
dây”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia 2015 về Điện tử truyền thông và Công nghệ thông
tin (ECIT2015), tr. 87-91.
4. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of
Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International
Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp. 18-25.
- Sản phẩm đào tạo: 02 đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học.
1. Phùng Mạnh Hùng, Thiết kế và chế tạo ổ cắm điện thông minh, mã số S2015-0814, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐH
CNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015.
2. Đinh Gia Sơn, Thiết kế, chế tạo module đo và hiển thị nồng độ khí gas, dùng
mạng cảm biến không dây ứng dụng trong robot tự động hỗ trợ công tác cứu hộ và
phòng cháy chữa cháy, mã số S2015-08-21, Đề tài sinh viên nghiên cứu khoa học
năm 2015, Quyết định số 1065/QĐ ĐH CNTT&TT ngày 31 tháng 12 năm 2015.
- Sản phẩm khác: 02 đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên.


xiii

1. Nguyễn Hà Phương Thùy, Nghiên cứu cải tiến hiệu năng giao thức định tuyến
IPv6 cho mạng cảm biến không dây, Đồ án tốt nghiệp đại học sinh viên năm 2016,
Quyết định số 273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4 năm 2016.
2. Dương Thị Nương, Nghiên cứu giao thức truyền tải Web trên môi trường tài
nguyên hạn chế, Đồ án tốt nghiệp đại học Sinh viên năm 2016, Quyết định số
273/QĐ ĐHNCNTT&TT ngày 07 tháng 4 năm 2016.

6. Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của
kết quả nghiên cứu:
- Sản phẩm của đề tài có thể được ứng dụng trong giảng dạy môn học mạng cảm
biến và ứng dụng tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông.
- Sản phẩm của đề tài là có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên.
- Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến có thể được ứng dụng với hệ
thống tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện
thông minh gắn với hạ tầng đo lường tiên tiến AMI.
Ngày
Cơ quan chủ trì
(ký, họ và tên, đóng dấu)

tháng

năm

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)


xiv

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Research and development of wireless sensor network based on IPv6
architecture for smart grid applications.
Code number: DH2015-TN07-05
Coordinator: Dr. Vu Chien Thang
Implementing

institution:

Thai

Nguyen

University

of

Information

and

Communication Technology
Duration: from 1/2015 to 12/2016
2. Objective(s):
- Researching and developing a wireless sensor network operated on IPv6
communication protocol for smart grid applications.
3. Creativeness and innovativeness:
- Proposing the application model of IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol
for automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated
with Advanced Metering Infrastructure.
- Proposing an improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for
automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with
Advanced Metering Infrastructure.
- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication
protocol based on simulations and experiments.
4. Research results:
- Researching on wireless sensor network based on IPv6 architecture and internet of

things applications.
- Researching and evaluating the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol.
- Developing the IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol for automatically
collecting the energy consumption index in smart grid associated with Advanced
Metering Infrastructure.
- Implementing and evaluating the improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication
protocol based on simulations and experiments.


xv

5. Products:
- Scientific paper:
+ 02 papers in national journals.
+ 01 paper in proceedings of national conference.
+ 01 paper in international journal.
1. Vu Chien Thang, Le Nhat Thang (2015), “Performance evaluation of IPv6
routing protocol for wireless sensor network”, Journal of military science and
technology, 2015, pp. 51-58.
2. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang (2016), “A
solution for combination of link quality and residual energy in IRPL protocol”,
Journal of military science and technology, 2016, pp. 86-92.
3. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao, Vu Van San, Le Nhat Thang, “An energyaware IPv6 routing protocol for wireless sensor network”, in Proceedings of 2015
national conference on electronics, communications and information technology,
pp. 87-91.
4. Vu Chien Thang, Nguyen Van Tao (2016), “A Performance Evaluation of
Improved IPv6 Routing Protocol for Wireless Sensor Networks”, International
Journal of Intelligent Systems and Applications, Volume 8, Number 12, pp. 18-25.
- Science research of student: 02.
1. Phung Manh Hung, Designing and prototying smart socket, code number: S201508-14, Project of student in 2015, number 1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015.

2. Dinh Gia Son, Designing, prototying the module to measure and display the gas
concentration using wireless sensor network, applying to robot for recusing and fire
protection, code number: S2015-08-21, Project of student in 2015, number
1065/QD DHCNTT&TT, 31/12/2015.
- Graduation Thesis: 02.
1. Nguyen Ha Phuong Thuy, Studying and improving the performance of IPv6
routing protocol for wireless sensor network, Graduation thesis of student in 2016,
number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016.
2. Duong Thi Nuong, Studying of web transfer protocol in constraint environment,
Graduation thesis of student in 2016, number 273/QD DHCNTT&TT, 07/4/2016.


xvi

6. Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of
research results:
- Research results could be used for teaching and learning about wireless sensor
network at Thai Nguyen University of Information and Communication
Technology.
- Research results could be used as learning materials for students.
- The improved IPv6/IEEE 802.15.4 communication protocol could be used for
automatically collecting the energy consumption index in smart grid associated with
advanced metering infrastructure.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Smart Grid là một hệ thống điện thông minh có sử dụng các công nghệ thông

tin và truyền thông để tối ưu hóa việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản
xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc.
Có thể coi hệ thống điện thông minh gồm có 2 lớp: Lớp 1 là hệ thống điện thông
thường, lớp 2 là hệ thống thông tin truyền thông và đo lường.
Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam thường duy trì được mức
tăng trưởng cao so với khu vực (trung bình từ 5 - 8%/năm). Tăng trưởng kinh tế
thường gắn liền với gia tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng, đặc biệt là điện năng.
Mức tăng trưởng cao của nhu cầu tiêu thụ điện năng (khoảng 14%/năm) trong tương
lai gần sẽ gây ra sự thiếu hụt năng lượng. Chính vì vậy, các công trình nghiên cứu
cũng như các giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng đang được nhà
nước ta hết sức quan tâm.
Theo các nghiên cứu trên thế giới, nếu người dùng biết được lượng điện tiêu
thụ trong thời gian thực và nhận được các cảnh báo thì có thể tiết kiệm từ 5-20%
tiêu thụ. Mạng lưới điện thông minh (Smart Grid) là một trong những ứng dụng của
mạng lưới vạn vật kết nối Internet (Internet of Things – IoT) trong tương lai. Các
mạng lưới điện thông minh cho phép khách hàng chủ động kiểm soát việc sử dụng
năng lượng của mình, với việc luôn biết được lượng điện tiêu thụ của mình ở mức
bao nhiêu, điều này sẽ làm họ tiết kiệm và nhờ vậy tổng năng lượng điện sẽ được
phân phối đều đến tất cả các nơi tiêu thụ, các sự cố về giờ cao điểm sẽ được hạn chế
tối đa.
Hạ tầng đo lường tiên tiến AMI là một hệ thống đo lường thông minh theo
thời gian thực cho các công ty điện, nước, gas... có tiềm năng cải thiện hoạt động
kinh doanh và độ tin cậy kỹ thuật của các tác nghiệp khác nhau thuộc công ty. Xuất
phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu phát triển giao thức truyền
thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng
tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.

2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng điện luôn là vấn đề quan tâm

hàng đầu của chính phủ và các cấp quản lý. Điều này được thể hiện thông qua các
văn bản pháp lý của nhà nước mới ban hành gần đây:


2

- Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả ngày 17 tháng 6 năm 2010,
- Nghị định số102/2003/NĐ-CP ngày 03 tháng 9 năm 2003 của Chính phủ về
sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả,
- Chỉ thị số 171/CT-TTg ngày 26 tháng 01 năm 2011 của Thủ tướng Chính
phủ về việc tăng cường thực hiện tiết kiệm điện,
Việc ứng dụng các sản phẩm và giải pháp nước ngoài khó phù hợp với điều
kiện Việt nam do giá thành cao và lưới điện Việt nam có rất nhiều đặc thù gây ra
khó khăn lớn khi triển khai các giải pháp nước ngoài. Đơn cử như giải pháp tuyền
thông dùng PLC (Power Line Communication) cho thiết bị đo và chấp hành thông
minh rất thành công ở nước ngoài nhưng rất khó triển khai ở Việt nam do suy hao
truyền tải lớn và chất lượng nguồn điện ở Việt nam còn thấp (qua một số triển khai
thử nghiệm của một nghiên cứu trong nước).
Hiện nay, ở Việt nam vẫn đang sử dụng chủ yếu là công tơ cơ khí và dùng
phương pháp ghi đọc thủ công trong khi hầu hết người dùng không biết được lượng
điện tiêu thụ của mình trong thời gian thực nên rất dễ lãng phí điện năng. Các công
tơ điện thông minh kết nối mạng vẫn chưa được sản xuất và sử dụng ở Việt Nam.
Một số công tơ điện tử đã từng được sản xuất nhưng không được ứng dụng rộng rãi
do chưa đáp ứng được các yêu cầu thiết yếu của người dùng như hiển thị từ xa qua
mạng, truyền không dây, hỗ trợ giao thức IP, v.v.
Một số đề tài, công trình nghiên cứu có liên quan trong lĩnh vực này mới chỉ
dừng lại ở mức độ lý thuyết, mô phỏng thiết bị hoặc có sản phẩm mẫu nhưng chưa
hoàn thiện như: “Nghiên cứu truyền thông trên đường dây điện hạ thế phục vụ cho
các ứng dụng công tơ thông minh”, Trường ĐHBK Hà Nội.
Do các nguyên nhân trên nên rất cần có nghiên cứu thử nghiệm đầy đủ cho

một giải pháp Việt trong lĩnh vực quản trị năng lượng, để dần tiến đến triển
khai lưới điện thông minh, một xu hướng lớn trên thế giới mà hiện nay các nước
EU, Mỹ, Trung Quốc, Ấn Độ, v.v đang theo đuổi.
2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Xu hướng mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) có thể hiểu là khi tất cả
mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng có thể kiểm soát
mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như
smartphone, tablet, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc smartwatch nhỏ bé trên tay.
Mặc dù đã manh nha từ lâu nhưng kỷ nguyên Internet of Things chỉ thực sự được sự
được chú ý và bùng nổ trong những năm gần đây, sau sự phát triển của smartphone,
tablet và những kết nối không dây,… Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị


3

mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối
vào Internet, bao gồm hàng tỷ thiết bị di động, tivi, máy giặt,… Intel, đơn vị mới
tham gia vào thị trường sản xuất chip cho các thiết bị thông minh phục vụ IoT cũng
đã thu về hơn 2 tỷ USD trong năm 2014 từ lĩnh vực này, tăng trưởng 19% so với
năm 2013.
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện,
hiện tượng trong một môi trường xác định. Mạng cảm biến không dây hiện đang
được tiếp tục được chuẩn hóa cho nhiều ứng dụng khác nhau như tự động hóa và
giám sát trong công nghiệp, tòa nhà và hộ gia đình. Trong suốt một thập kỷ qua,
cộng đồng nghiên cứu và triển khai ứng dụng với công nghệ mạng cảm biến không
dây đều cho rằng kiến trúc IP là không phù hợp với các ứng dụng của mạng cảm
biến. Các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ, khả năng xử lý và năng lượng [1]. Vì
vậy, cộng đồng nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đều cho rằng kiến trúc IP

là không phù hợp với các nút cảm biến có tài nguyên hạn chế.
Trong vài năm trở lại đây, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã nỗ lực đề xuất
các giải pháp nhằm chuẩn hóa kiến trúc IPv6 cho mạng các thiết bị có tài nguyên
hạn chế nói chung và mạng cảm biến không dây nói riêng. Nhóm công tác RoLL
của IETF đã đề xuất một giao thức truyền thông IPv6 mới. Giao thức truyền thông
IPv6 được thiết kế cho các mạng tổn hao công suất thấp LLNs (Low-Power and
Lossy Networks) với các nút mạng có tài nguyên hạn chế và được kết nối với nhau
bởi các liên kết tổn hao (có sự mất mát bản tin) [6], [8], [14], [17], [19]. Hiện nay,
giao thức truyền thông IPv6 vẫn đang được quan tâm nghiên cứu, cải tiến nhằm đáp
ứng được những yêu cầu khác nhau trong từng ứng dụng [11], [12], [13].

3. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho việc
tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông
minh gắn với hạ tầng AMI.

4. Cách tiếp cận vấn đề nghiên cứu
 Khảo sát các nghiên cứu trên thế giới và đánh giá các giải pháp công nghệ
thực hiện.
 Kết hợp việc nghiên cứu lý thuyết về mạng cảm biến không dây và tiến hành
kiểm chứng bằng thực nghiệm trên các hệ phần cứng nhúng và các KIT phát
triển ứng dụng.


4

 Từ các kết quả trên, xây dựng giải pháp và thiết kế hệ thống.
 Phát triển các ý tưởng, các giải pháp định tuyến cho mạng cảm biến không
dây nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến không
dây.

 Cài đặt, triển khai các ý tưởng đã đưa ra.
 Đo đạc và đánh giá hiệu năng dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích, mô phỏng, đo đạc, triển khai thực nghiệm.

6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho mạng cảm
biến không dây trên nền kiến trúc IP.
- Phạm vi nghiên cứu: Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho
việc tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện
thông minh gắn với hạ tầng AMI.

7. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, mô hình mạng lưới Internet kết nối vạn
vật, ứng dụng tự động thu thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình
lưới điện thông minh gắn với hạ tầng AMI.
- Nghiên cứu, đánh giá giao thức truyền thông IPv6 trên nền chuẩn truyền thông lớp
vật lý IEEE802.15.4.
- Phát triển giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cho ứng dụng tự động thu
thập dữ liệu về chỉ số điện năng tiêu thụ trong mô hình lưới điện thông minh gắn
với hạ tầng AMI.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
mô phỏng.
- Thực thi và đánh giá giao thức truyền thông IPv6/IEEE 802.15.4 cải tiến dựa trên
thực nghiệm.


5

Chương 1. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IPv6
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Khái niệm về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một kết cấu hạ tầng
bao gồm các thành phần cảm nhận (đo lường), tính toán và truyền thông nhằm cung
cấp cho người quản trị khả năng đo đạc, quan sát và tác động lại với các sự kiện,
hiện tượng trong một môi trường xác định [1]. Các ứng dụng điển hình của mạng
cảm biến không dây bao gồm thu thập dữ liệu, theo dõi, giám sát và y học…
Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút mạng. Các nút mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, có số lượng lớn, thường
được phân bố trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (thường
dùng pin), có thời gian hoạt động lâu dài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt
động trong môi trường khắc nghiệt (như trong môi trường độc hại, ô nhiễm, nhiệt
độ cao,…).

Hình 1.1: Mạng cảm biến không dây với các nút cảm biến phân bố rải rác
trong trường cảm biến [1].
Các nút cảm biến thường nằm rải rác trong trường cảm biến như được minh
họa ở hình 1.1. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập và định tuyến dữ liệu đến
một Sink/Gateway và người dùng cuối. Các nút giao tiếp với nhau qua mạng vô
tuyến ad-hoc và truyền dữ liệu về Sink bằng kỹ thuật truyền đa chặng. Sink có thể
truyền thông với người dùng cuối/người quản lý thông qua Internet hoặc vệ tinh hay
bất kỳ mạng không dây nào (như WiFi, mạng di động, WiMAX…) hoặc không cần
đến các mạng này mà ở đó Sink có thể kết nối trực tiếp với người dùng cuối.


6

Trong các mạng cảm biến không dây, các nút cảm biến có cả hai chức năng

đó là vừa khởi tạo dữ liệu và vừa là bộ định tuyến dữ liệu. Do vậy, việc truyền
thông có thể được thực hiện bởi hai chức năng đó là:
 Chức năng nguồn dữ liệu: Các nút thu thập thông tin về các sự kiện và thực
hiện truyền thông để gửi dữ liệu của chúng đến Sink.
 Chức năng bộ định tuyến: Các nút cảm biến cũng tham gia vào việc
chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác tới các điểm đến kế tiếp
trong tuyến đường đa chặng đến Sink.
1.1.2. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
Các mạng cảm biến không dây phải thực hiện việc chuyển tiếp các bản tin
đến nút gốc nên các mạng này có nhiều đặc điểm gần giống với những mạng khác.
Mạng cảm biến không dây gần giống với mạng MANET ở một số phương diện như
mạng tự tổ chức, đa chặng, phân tán và kết cấu hạ tầng mạng thường xuyên thay
đổi. Những đặc điểm tương đồng này kết hợp với những đặc điểm riêng của mạng
cảm biến không dây đã ảnh hưởng nhiều đến việc thiết kế các giao thức định tuyến.
Những ảnh hưởng này bao gồm:
 Một mạng cảm biến không dây thường bao gồm một số lượng lớn các nút
cảm biến được phân bố ngẫu nhiên với mật độ cao trong trường cảm biến.
Do đó, rất khó có thể xây dựng một cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho mạng
cảm biến không dây bởi vì điều đó sẽ không hiệu quả và khó để quản lý.
 Các nút cảm biến thường được triển khai ngẫu nhiên và chúng ít được bảo
trì. Do đó, các mạng cảm biến không dây phải tự cấu hình, tự phục hồi và
vận hành theo cách phân tán.
 Các nút cảm biến bị hạn chế về nguồn năng lượng, khả năng xử lý, phạm vi
truyền thông và dung lượng bộ nhớ. Ngoài ra, các mạng cảm biến không dây
khác hẳn với các mạng MANET bởi vì nguồn pin của nút cảm biến chỉ được
triển khai một lần và không được nạp lại.
 Mặc dù khả năng di động của các nút bị hạn chế nhưng cấu trúc liên kết
mạng lại luôn thay đổi bởi vì các nguyên nhân sau: Các nút cảm biến có thể
phải liên tục tiếp xúc với một môi trường khắc nghiệt dẫn đến việc hư hỏng
các nút cảm biến; Các nút cảm biến có thể hết năng lượng; Bộ thu phát vô

tuyến của nút cảm biến có thể đang ở chế độ ngủ; Chất lượng liên kết vô
tuyến không ổn định do ảnh hưởng bởi các mạng không dây khác sử dụng
cùng một dải tần số.


7

 Các mạng cảm biến không dây chủ yếu được thiết kế để thu thập thông tin
với các dòng dữ liệu chỉ theo một chiều từ các nút cảm biến đến nút gốc. Đặc
điểm này có thể phân biệt mạng cảm biến không dây với các mạng khác (đặc
biệt là mạng MANET).
 Lưu lượng dữ liệu được tạo ra có sự dư thừa và có sự tương quan về không
gian bởi vì các nút cảm biến liền kề nhau có thể tạo ra các dữ liệu giống
nhau.
Những đặc điểm này dẫn đến nhiều thách thức khi thiết kế giao thức định
tuyến cho mạng cảm biến không dây.
1.1.3. Những thách thức của vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không
dây
Một số những thách thức chính đặt ra đối với các giao thức định tuyến trong
mạng cảm biến không dây đó là:
 Thời gian tồn tại dự kiến của một mạng cảm biến không dây có thể kéo dài
từ 1 đến 10 năm tùy thuộc vào từng ứng dụng. Nguồn năng lượng được tích
trữ phụ thuộc vào dung lượng của pin. Các nút cảm biến không dây có kích
thước rất nhỏ do vậy nguồn năng lượng của chúng bị hạn chế. Điều này dẫn
đến những ràng buộc khắt khe cho mọi hoạt động của các nút cảm biến. Bộ
thu phát vô tuyến là thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất của một nút
cảm biến. Do đó giao thức định tuyến sẽ có ảnh hưởng nhiều đến thời gian
tồn tại của toàn mạng. Ngoài ra, mỗi nút cảm biến thực hiện đồng thời hai
chức năng đó là: Chức năng khởi tạo dữ liệu và chức năng định tuyến dữ
liệu. Một số nút bị ngừng hoạt động có thể gây ra những thay đổi nhiều về

cấu trúc liên kết mạng và có thể yêu cầu phải tổ chức lại mạng. Để giảm
năng lượng tiêu thụ thì các thuật toán định tuyến được đề xuất cho mạng cảm
biến không dây sử dụng chiến thuật định tuyến hiệu quả về năng lượng với
một số cách tiếp cận khác nhau như các phương thức phân nhóm, phân công
vai trò riêng cho các nút trong mạng, tập hợp dữ liệu và tập trung dữ liệu.
 Khả năng mở rộng là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không
dây. Giao thức định tuyến cần phải hoạt động hiệu quả trong các mạng lớn
bao gồm hàng ngàn các nút cảm biến. Việc định tuyến trong các trường hợp
này gặp nhiều khó khăn bởi vì các nút cảm biến có khả năng xử lý và bộ nhớ
lưu trữ rất hạn chế.
 Khả năng lưu trữ và tính toán của các nút cảm biến đã làm hạn chế nhiều
đến các giao thức định tuyến. Do đó, các thuật toán định tuyến đơn giản, gọn