Дипломдық ЖҰмыс тақырыбы: «Сымсыз сенсорлық желі түйіндеріндерінің қуат тұтынуларын модельдеу» 6B06201 «Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар»
жүктеу/скачать 1,47 Mb.
|
Айтбаева.Диплом последний (1)
| Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігі әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті Физика-техникалық факультеті Қатты дене физикасы және бейсызық физика кафедрасы ДИПЛОМДЫҚ ЖҰМЫС тақырыбы: «Сымсыз сенсорлық желі түйіндеріндерінің қуат тұтынуларын модельдеу» 6B06201 – «Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар» білім беру бағдарламасы бойынша Орындаған Айтбаева Н.Л. (қолы) Жетекші PhD, аға оқытушы Досымбетова Г.Б. (қолы) Қорғауға жіберілді: Хаттама № , « » 2024 ж. Кафедра меңгерушісінің м.а. Ханиев Б.А. (қолы және мөрі) Нормобақылау Омар А.Ж. (қолы) Алматы, 2024 ж. РЕФЕРАТ Дипломдық жұмыстың көлемі 45 бет, 27 сурет, 1 кесте, 35 дереккөзден тұрады. СЫМСЫЗ СЕНСОРЛЫҚ ЖЕЛІЛЕР, ЭНЕРГИЯ ТҰТЫНУ, LORA, FLORA, OMNET++, XGBOOST. Жұмыстың мақсаты: LoRa технологиясы негізінде сымсыз сенсорлық желі түйіндерінің энергия тұтыну моделін жасау. Объект – LoRa желісіндегі WSN түйіндері мен шлюзі Пән – сымсыз сенсорлық желі Сенсорлық түйіндер энергияны тиімсіз тұтынғанда, ол желінің қызмет ету мерзімін қысқартады, демек, сенсорлық түйіннің құрамдас бөліктері мен желіні басқаратын хаттамалар қуат тұтынуды азайту арқылы оның қызмет ету мерзімін ұзарту үшін оңтайлы жобалануы керек. Нәтижелері: қазіргі заманғы сымсыз сенсорлық желілердің маңыздылығы қарастырылды; Omnet++ негізіндегі FLoRa модельдеу жүйесінде жіберу параметрі (тарату коэффициенті, өткізу қабілеттілігі, кодтау жылдамдығы және беру қуаты) мәндерінің әсері зерттелді; LoRa шлюзі мен түйіндері арасындағы қашықтықтың байланыс өнімділігіне әсері талданып, энергия тұтынуының моделі жасалды. РЕФЕРАТ Дипломная работа состоит из 45 страниц, 27 рисунков, 1 таблиц, 35 источников. БЕСПРОВОДНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ, ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ, LORA, FLORA, OMNET++, XGBOOST. Цель работы: Cоздать модель энергопотребления узлов беспроводной сенсорной сети на основе технологии LoRa. Объект – узлы и шлюз WSN в сети LoRa. Предмет – беспроводная сенсорная сеть. Когда сенсорные узлы потребляют энергию неэффективно, это сокращает срок службы сети, поэтому компоненты сенсорного узла и протоколы, управляющие сетью, должны быть оптимально спроектированы так, чтобы продлить срок ее службы за счет снижения энергопотребления. Полученные результаты: рассмотрена важность современных беспроводных сенсорных сетей; влияние значений параметров передачи (коэффициента расширения, полосы пропускания, скорости кодирования и мощности передачи) изучалось в системе моделирования FLoRa на базе Omnet++; было проанализировано влияние расстояния между шлюзом LoRa и узлами на производительность связи и создана модель энергопотребления. ABSTRACT The diploma work consists of: 45 pages, 27 figures, 1 tables, 35 sources. WIRELESS SENSOR NETWORKS, ENERGY CONSUMPTION, LORA, FLORA, OMNET++, XGBOOST. Purpose of the work: To create a model of energy consumption of wireless sensor network nodes based on LoRa technology. Object – WSN nodes and gateway in the LoRa network. Topic – wireless sensor network. When sensor nodes consume power inefficiently, it reduces the lifespan of the network, so sensor node components and the protocols that drive the network must be optimally designed to extend its lifespan by reducing power consumption. Results: the importance of modern wireless sensor networks is considered; the influence of transmission parameter values (spreading factor, bandwidth, encoding rate and transmission power) was studied in the FLoRa simulation system based on Omnet++; the influence of the distance between the LoRa gateway and the nodes on the communication performance was analyzed and an energy consumption model was created. МАЗМҰНЫ Терминдер мен қысқартылған сөздер 6 Кіріспе 7 ҚАЗІРГІ ЗАМАНҒЫ СЫМСЫЗ СЕНСОРЛЫҚ ЖЕЛІЛЕР 9 Сымсыз сенсорлық желілердің архитектурасы мен топологиясы 10 Сымсыз сенсорлық желілердің қолданылуы 16 Энергия тұтыну 19 Сымсыз сенсорлық желілердің жұмыс режимдері 20 LORA ТАСЫМАЛДАУ ПАРАМЕТРЛЕРІНІҢ КӨМЕГІМЕН ҚУАТ ТҰТЫНУ ҮЛГІСІН ӘЗІРЛЕУ 22 LoRa технологиясы 22 Негізгі параметрлері 24 LoRa желілеріндегі байланыс өнімділігі мен қуат тұтынуларын бағалау 26 OMNET++ КӨМЕГІМЕН ЭНЕРГИЯ ТҰТЫНУЫН МОДЕЛЬДЕУ 29 OMNeT++ сипаттамасы 29 FLoRa кітапханасы 30 LoRa модульдерімен желі құру 31 Қуат тұтынуды бағалау үшін модельдеуді іске қосу 38 Қорытынды 42 Пайдаланылған дереккөздердің тізімі 43 Терминдер мен қысқартылған сөздер WSN – Wireless Sensor Network LoRa – Long Range FLoRa – Framework for LoRa OMNeT++ – Objective Modular Network Testbed in C++ XGBoost – eXtreme Gradient Boosting WLAN – Wireless Local Area Network Wi-Fi – Wireless Fidelity БС – Базалық станция MAC – Media Access Control MEMS – Micro-Electro Mechanical Systems CSS – Chirp Spread Spectrum LPWAN – Low-Power Wide-Area Network ED – End node GW – Gateway NS – Network server IP – Internet Protocol BW – BandWidth SF – Spreading Factor TP – Transmossion Power CR – Coding Rate Кіріспе Сымсыз сенсорлық желілер (WSN) соңғы он жыл ішінде қолданбалардың кең ауқымында сөзсіз маңыздылыққа ие болды. WSN қоршаған ортаны бақылауға арналған тығыз таралған сенсорлық түйіндерден тұрады. Сенсор түйінін құру кезінде өңдеу қуаты, жад және батарея сыйымдылығы сияқты бірнеше шектеулер кездеседі. Сенсорлық түйіндер энергияны тиімсіз тұтынғанда, ол желінің қызмет ету мерзімін қысқартады, демек, сенсорлық түйіннің құрамдас бөліктері мен желіні басқаратын хаттамалар қуат тұтынуды азайту арқылы оның қызмет ету мерзімін ұзарту үшін оңтайлы жобалануы керек болады. Яғни, тиімді хаттамаларды әзірлеу үшін әртүрлі WSN элементтері тұтынатын энергияны толық зерттеу қажет. Осы уақытқа дейін, кейбір WSN жүйесінің модельдері мен модельдеу технологиялары зерттелді, бірақ бұл зерттеулер негізінен симуляциялық платформаларды және коммуникациялық модельдеуді дамытуға бағытталған болып келеді. Кейбір типтік модельдеу құралдары мен платформалары дәстүрлі сымсыз желінің математикалық үлгілері негізінде жүзеге асырылады, олардың кейбіреулері WSN мүмкіндіктерін дәл көрсете алмауы мүмкін. Бұған қоса, ағымдағы зерттеулерде WSN энергия тұтынуын модельдеу жоқ, сондықтан негізгі өнімділік көрсеткішін – WSN жүйесінің қызмет ету мерзімін бағалай алмайды [1]. Сенсор түйінінің аппараттық құралында LoRa жіберу параметрлерін эксперименталды түрде баптау көп уақытты қажет ететін, сондай-ақ тиімсіз әдіс болып табылады. Сондықтан, желі өнімділігін қамтамасыз ету үшін және жобалауды жылдамдату үшін әртүрлі LoRa симуляторлары жасалды. Бұл жұмыста, Omnet++ симуляциясында FLoRa платформасы таңдалды. Аталған симуляциялық платформаны пайдаланa отырып, жіберу параметрлерінің (тарату коэффициенті, өткізу қабілеттілігі, кодтау жылдамдығы және беру қуаты), сенсорлық LoRa түйіні мен LoRa шлюзі арасындағы қашықтықтың байланыс өнімділігіне әсерін, сонымен қатар, сенсорлық түйіндер тұтынатын энергияны талдау ұсынылды [2]. Дипломдық жұмыстың мақсаты: Сымсыз сенсорлық желі түйіндерінің қуат тұтынуын бағалау, яғни хабарды жіберуге арналған бірнеше параметрлерді өзгерту арқылы тиімді қуат көзін тұтыну моделін құру. Осы мақсатқа жету барысында келесідей міндеттер қарастырылды: Біріншіден, сымсыз сенсорлық желілердің маңыздылығын түсіну. Яғни, қазіргі замандағы сымсыз сенсорлық желілердің қолданылуы, жұмыс режимдері, желі түйіндерінің энергия тұтынуларын толықтай зерттеу болып табылады. Одан кейін, LoRa технологиясымен, сондай-ақ оның параметрлерімен қуат тұтыну үлгісін әзірлеу. Бұл жерде LoRa параметрлерінің ішінде сенсор түйіндері тұтынатын энергияны тиімдірек ететін маңызды параметрлерді оңтайлы жобалау міндеті жүктеледі. Соңында, қуат тұтынуын аз пайдаланатындай сенсор түйіндеріне параметрлерді енгізу арқылы модель құру және XGBoost желісінде тексеріп, эксперименттік нәтижелерді жүргізу. Бұл міндеттер мен зерттеу әдістерін орындау арқылы, көзделген мақсатқа жете отырып, қандай арақашықтықта болсын, ақпарат тасымалдау барысында сымсыз сенсорлық желі түйіндеріне тиімді параметрлерді беру арқылы ақпараттың тұтастығын және оған жұмсалатын қуат тұтынуын көп мөлшерде үнемдеп қалуға болады. ҚАЗІРГІ ЗАМАНҒЫ СЫМСЫЗ СЕНСОРЛЫҚ ЖЕЛІЛЕР Бүгінгі заманда барлық дерлік сала ақпараттық-коммуникациялық технологияларға тәуелді десек болады. Деректер тек адамдармен ғана емес, сонымен қатар барлық интеллектуалды жүйелермен, ұялы телефондармен, сенсорлармен алмасады. Қазірдің өзінде заттар интернетіне 5 миллиардқа жуық құрылғы қосылған. Сезімтал сенсорлар нақты уақыт режимінде жабдықтың күйін бақылайды, құрылғылардың бір-бірімен әрекеттесуін ұцымдастырады және оларға төтенше жағдайлар туралы ескертеді. Сол себепті жылдам өсіп келе жатқан деректер көлемімен оны құрылғылар мен деректер орталықтары арасында бөлісудің қарапайым және ыңғайлы жолы қажет. Сымсыз сенсорлық желілер (WSNs) соңғы жылдары бүкіл әлем назарын аударды, әсіресе микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) технологиясының таралуымен, бұл смарт сенсорлардың дамуына ықпал етті. Бұл сенсорлар кішкентай, есептеу ресурстары шектеулі және дәстүрлі сенсорлармен салыстырғанда арзан болып келеді. Бұл сенсорлық түйіндер қоршаған ортадан ақпаратты сезіп, өлшей және жинай алады және кейбір жергілікті шешім қабылдау процесіне негізделген олар өлшенген деректерді пайдаланушыға бере алады. Ақылды сенсор түйіндері – бір немесе бірнеше сенсорлармен, процессормен, жадпен, қуат көзімен, радиомен және жетекпен жабдықталған аз қуатты құрылғылар. Қоршаған ортаның қасиеттерін өлшеу үшін сенсор түйініне әртүрлі механикалық, жылулық, биологиялық, химиялық, оптикалық және магниттік сенсорларды қосуға болады. Сенсор түйіндерінің жады шектеулі болғандықтан және әдетте жету қиын жерлерде орналастырылады, сымсыз байланыс деректерді базалық станцияға жіберу үшін радио байланысты пайдаланады. Батарея сенсор түйініндегі негізгі қуат көзі болып табылады. Қоршаған ортадан энергияны жинайтын қосымша қуат көзі, мысалы, күн панельдері, сенсор орналастырылатын ортаның жарамдылығына байланысты түйінге қосылуы мүмкін. Қолданылатын датчиктердің түріне қарай сенсорларға жетектер салынуы мүмкін [2]. WSN әдетте инфрақұрылымы аз немесе мүлдем жоқ. Ол аймақты бақылау және қоршаған орта деректерін алу үшін бірге жұмыс істейтін бірнеше сенсорлық түйіндерден (ондықтан мыңға дейін) тұрады. WSN екі түрі бар: құрылымдық және құрылымсыз. Құрылымдалмаған WSN – сенсорлық түйіндердің тығыз жиынын қамтитын желі. Сенсорлық түйіндерді кез келген ретпен жергілікті орналастыруға болады. Орналастырылғаннан кейін желі бақылау және есеп беру функцияларын орындау үшін қараусыз қалады. Құрылымы жоқ WSN жүйесінде қосылымды басқару және ақауларды анықтау сияқты желіге техникалық қызмет көрсету түйіндердің көптігіне байланысты қиынырақ. Құрылымдық WSN-де барлық немесе кейбір сенсорлық түйіндер алдын ала жоспарланған түрде орналастырылады. Құрылымдық желінің артықшылығы – желіге техникалық қызмет көрсету және басқару шығындары азырақ түйіндерді орналастыруға болады. Сымсыз сенсорлық желілердің архитектурасы мен топологиясы WSN-дегі қателер мен сәтсіздіктер олардың шектеулі ресурстарына және қауіпті орталарда орналастырылуына байланысты жиі кездеседі. Сондықтан WSN жобалау кезінде WSN-нің ішкі тәртібі мен өзін-өзі ұйымдастыру және өзін- өзі конфигурациялау талаптарын ескеру қажет. Әсіресе динамикалық контексте WSN дизайны сенсор түйінін орналастыру, ұйымдастыру және конфигурациялау үшін өте маңызды. WSN қолданбалары үш негізгі компоненттен тұрады: сенсорлық түйіндер, қабылдағыш/базалық станция және соңғы пайдаланушылар. Сенсорлық түйін қоршаған ортаны сезінеді және деректерді базалық станцияға (БС) жібереді. Қабылдағышта шексіз тарату қуаты бар деп есептеледі. Ол жергілікті деректерді қабылдайды және қателерді анықтауды, қателерді қалпына келтіруді, деректерді жинауды, қосылымды қалпына келтіруді және т.б. орындайды. Бұл басқару қызметтерін ұсыну арқылы сенсорлық түйінге қызмет көрсететін ресурстарға бай түйін [3,4]. Деректерді өңдегеннен кейін БС әртүрлі сенсорлардан жиналған деректерді қажетті қосымша өңдеу үшін соңғы пайдаланушыға жібереді. Осы аталған компоненттерден тұратын WSN-нің жалпы құрылымын 1.1 суреттен көруге болады. сурет. WSN-дің жалпы архитектурасы [4]. WSN-де сенсорлық түйіндер өздері орналастырылған орта туралы ақпаратты жинау үшін өзін-өзі ұйымдастыруға қабілетті. Жиналған деректерді тасымалдау іске асырылған қолданбаның сипатына қарай мерзімді немесе оқиғаға негізделген болуы мүмкін. Қабылдағыш – WSN және соңғы пайдаланушы желісі (мысалы, жергілікті желі немесе Интернет) арасындағы көпір қызметін атқаратын екі немесе одан да көп желі интерфейстері бар түйін. Пайдаланушы қабылдағыш арқылы басқа желі түйіндеріне сұрауларды жібере алады, мысалы, жиналатын деректер түрін көрсету үшін. Қызығушылық аймағына кездейсоқ орналастырылған сенсорлық түйіндер және аймақтың соңында орналасқан қабылдағыш сенсорлар жинаған деректерді қалпына келтіруге жауап береді. Көбінесе ресивер желілік деректерді жинайды және өңдейді, пайдаланушыға тек тиісті ақпаратты жібереді. Ол сондай-ақ одан (пайдаланушыдан) ішкі желіде іске қосу командаларын ала алады. Жиналған деректерді пайдаланушы өңдейді және талдайды. Сенсорлық түйін төрт негізгі блоктан және екі қосымша блоктан тұрады. Оның көрінісі келесі 1.2 суретте көрсетілген: сурет. Сымсыз сенсордың архитектурасы [5]. Сымсыз сенсор – физикалық шаманы (мысалы, температураны, жарықты, қысымды) өлшеуге және оны жинау орталығына тікелей немесе маршрутизатор ретінде әрекет ететін басқа сенсорлық түйіндер арқылы жіберуге қабілетті шағын электронды құрылғы [5]. Микроэлектроникадағы жетістіктерді ескере отырып, сымсыз тарату технологиялары мен бағдарламалық қамтамасыз ету желіде қолайлы бағамен жұмыс істей алатын көлемі бірнеше текше миллиметрлік микросенсорларды шығаруға мүмкіндік берді [6]. жүктеу/скачать 1,47 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|