Báo cáo bài tập lớn môn lập trình java có chương trình demo

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÁO CÁO THỰC NGHIỆM MÔN LẬP TRÌNH JAVA Đề tài Phạm vi rào cản mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây (Strong Barrier Coverage Of.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

- -BÁO CÁO THỰC NGHIỆM MÔN: LẬP TRÌNH JAVA

Đề tài: Phạm vi rào cản mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây (Strong

Barrier Coverage Of Wireless Sensor Network) Giáo viên : T.S Nguyễn Thị Mỹ Bình

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ số, truyền thông kếthợp hàng loạt các phát minh khoa học kỹ thuật trong thời gian gần đây tạo điềukiện cho các thế hệ cảm biến mới với các chức năng và đặc tính mới như: Giáthành thấp, kích thước nhỏ, độ chính xác cao và tiêu thụ năng lượng thấp Hệthống cảm biến không dây là hệ thống cảm biến tích hợp nhiều cảm biến khácnhau trong một hệ thống Các cảm biến giao tiếp với nhau và giao tiếp với các

bộ tập trung thông qua hệ thống wireless được thiết kế đặc thù riêng, không sửdụng cơ sở mạng có sẵn nào Qua đó đảm bảo tính bảo mật cao của hệ thốngmạng cảm biến không dây

Trong bài báo cáo này, chúng em trình bày cách mà các sensor hoạt động

để tạo ra các rào cản bảo vệ Mục tiêu là xác định mạng cảm biến N cung cấp k– rào cản trên một vùng triển khai R, thả ngẫu nhiên các sensor và tính toánhàng rào vùng phủ, từ đó tìm ra được hàng rào có phạm vi bao phủ mạnh mẽ

Dưới sự hướng dẫn tận tình của T.S Nguyễn Thị Mỹ Bình và sự cố gắngtìm hiểu, tham khảo tài liệu, nhóm chúng em đã đưa ra được bài toán tối ưu vấn

đề cho các rào cản cảm biến không dây Tuy nhiên, do điều kiện và thời gian cóhạn nên bài báo cáo không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mong nhận được

sự giúp đỡ từ phía thầy cô và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Kiến thức cần nắm vững 2

1.2.1 Mục đích 2

1.2.2 Yêu cầu 2

1.3 Nội dung nguyên cứu 2

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGUYÊN CỨU 3

2.1 Tên đề tài 3

2.2 Tổng quát về mạng cảm biến không dây 3

2.2.1 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) 3

2.2.2 Phân loại 4

2.2.3 Đặc điểm 5

2.2.4 Cấu trúc 5

2.2.5 Ứng dụng 6

2.2.6 Hàng rào cản 7

2.2.7 Phạm vi phủ sóng 8

2.2.8 Đồ thị phạm vi bao phủ 9

2.3 Xây dựng hàng rào cảm biến mạnh mẽ 9

2.3.1 Xác định phạm vi bao phủ hàng rào 10

2.3.2 Các điều kiện quan trọng để có hàng rào bao phủ mạnh 10

2.3.3 Thuật toán hiệu quả để xây dựng các rào cản mạnh mẽ 11

2.4 Sơ đồ lớp 12

2.5 Biểu đồ lớp 12

2.6 Kết quả chương trình 15

2.6.1 Lớp Circle 15

2.6.2 Lớp Sensor 16

2.6.3 Lớp SensorNetwork 17

2.6.4 Hàng rào (Barrier Coverage) 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật, công nghệ thôngtin, công nghệ vi mạch điện tử đã, đang và sẽ hiện diện nhiều hơn trong cuộcsống của con người với những lợi ích to lớn mà nó mang lại trong cuộc sống.Trong bối cảnh nhân loại đang bước vào những năm đầu của cuộc cách mạngcông nghiệp 4.0 với những yếu tố cốt lõi là trí tuệ nhân tạo (AI-ArtificialIntelligence), Internet vạn vật (IoT- Internet of Things) và dữ liệu lớn (big data),với xu hướng là tự động hóa và trao đổi dữ liệu trong công nghệ sản xuất, dovậy việc tự động thu thập, xử lý thông tin là yếu tố đầu tiên và quan trọng nhấtquyết định đến sự thành công của cuộc cách mạng

Có nhiều phương pháp khác nhau cho phép chúng ta thu thập thông tin,trong đó phương pháp phổ biến được sử dụng trên thế giới và Việt Nam là sửdụng mạng cảm biến không dây, lợi ích nổi bật của mạng cảm biến không dây là

nó có thể được triển khai và thực hiện nhiệm vụ thu thập dữ liệu phân tán vớiquy mô lớn trong bất kì điều kiện và ở bất kì vị trí địa lý nào kể cả trong nhữngmôi trường nguy hiểm mà mạng có dây truyền thống không thể thực hiện Do đómạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhiềumục đích như: kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường, trong lĩnh vực y tế,khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp, trong an ninh và các ứng dụngtrong đời sống hàng ngày

Mạng cảm biến không dây có nhiều ưu điểm và đang được áp dụng pháttriển mạnh mẽ Tuy nhiên mạng vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyếtnhư: nguồn năng lượng bị giới hạn, các nút (node) cảm biến có bộ nhớ và bộ vi

xử lý thấp, đặc biệt là các cơ chế an ninh còn hạn chế Việc bảo mật trong mạng

là vấn đề đầy thách thức và đang được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu Từ

thực có thể áp dụng trong mạng cảm biến không dây nhằm ngăn chặn tối đa mọi

kẻ xâm nhập và bảo vệ an toàn hệ thống

1.2 Kiến thức cần nắm vững

1.2.1 Mục đích

Phân tích thuật toán phạm vi bao phủ hàng rào mạnh mẽ và xác thực có thể

áp dụng trong mạng cảm biến không dây, đánh giá kết quả bảo mật của thuậttoán trong mạng cảm biến không dây và độ tối ưu của thuật toán đó

1.2.2 Yêu cầu

- Xác định bài toán đưa ra và áp dụng thuật toán phạm vi bao phủ hàngrào cảm biến mạnh mẽ để tạo ra chương trình nhằm tạo ra hàng ràovững chắc để phát hiện kẻ xâm nhập có thể đi qua khu vực cảm biến

- Vận dụng kiển thức lập trình hướng đối tượng áp dụng với ngôn ngữlập trình Java

- Nắm rõ được các khái niệm bẫy lỗi, xử lý gom rác, tuyển tập đốitượng, đơn và đa luồng, các lớp trừu tượng và interface

- Hiểu rõ và nắm vững được giao diện đồ họa trong Java

- Sử dụng phần mềm NetBeans IDE 8.2 để thực thi chương trình

1.3 Nội dung nguyên cứu

Gồm 5 phần chính:

- Tổng quan về cảm biến không dây

- Phạm vi bao phủ hàng rào.

- Xây dựng phạm vi hàng rào cảm biến mạnh mẽ

- Sơ đồ và mô hình các lớp

- Chương trình mô phỏng

CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ NGUYÊN CỨU 2.1 Tên đề tài

Tên đè tài: Phạm vi rào cản mạnh mẽ của mạng cảm biến không dây

Hình thức sản phẩm: Sản phẩm phần mềm

2.2 Tổng quát về mạng cảm biến không dây

2.2.1 Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)

Mạng cảm biến không dây: là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thôngtin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứnglại với các sự kiện, hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó Mạng cảmbiến không dây là một mạng bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến cókích thước nhỏ gọn và hơn hết là phải có sẵn nguồn năng lượng, có khả năngtính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toànmạng để đưa ra các thông số về môi trường mà mạng quan sát

Hình 2.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây thường được bố trí một cách biệt lập, trong phạm

vi rộng, môi trường khắc nghiệt và sử dụng trong thời gian dài để thực hiệnnhiệm vụ cảm biến, ngoài việc đảm bảo độ tin cậy khi hoạt động, duy trì nănglượng cho mạng hoạt động

Cảm biến: là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý,hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệuđiện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Thông tin được xử lý

để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầunghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụtrong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

Nút cảm biến: các nút cảm biến được sử dụng trong mạng cảm biến khôngdây với chip giải quyết tích hợp để quản lý và giám sát môi trường trong 1 khuvực cụ thể Chúng được kết nối với trạm gốc (Base Station) hoạt động như mộtđơn vị giải quyết trong hệ thống mạng cảm biến không dây

▪ Cảm biến bị động không yêu cầu bất kỳ tín hiệu nguồn bên ngoàinào và trực tiếp tạo ra phản ứng đầu ra.

- Loại phân loại khác dựa trên các phương tiện phát hiện được sử dụngtrong cảm biến Một số phương tiện phát hiện là điện, sinh học, hóahọc, phóng xạ, …

- Việc phân loại tiếp theo dựa trên hiện tượng chuyển đổi tức là đầu vào

và đầu ra Một số hiện tượng chuyển đổi phổ biến là quang điện, nhiệtđiện, điện hóa, điện từ, nhiệt điện, …

- Phân loại cuối cùng của các loại cảm biến là cảm biến analog và kỹthuật số:

▪ Cảm biến analog tạo ra một đầu ra analog tức là tín hiệu đầu raliên tục liên quan đến đại lượng được đo

▪ Cảm biến analog, hoạt động với dữ liệu rời rạc hoặc kỹ thuật số

Dữ liệu trong các cảm biến kỹ thuật số, được sử dụng để chuyểnđổi và truyền tải

2.2.3 Đặc điểm

- Các node phân bố dày đặc

- Kích thước vật lý nhỏ gọn

- Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

- Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế

- Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng.

- Các node dễ hỏng

- Giao thức mạng thay đổi thường xuyên

- Node bị giới hạn về khả năng tính toán, công suất, bộ nhớ

- Không được thống nhất toàn hệ thống vì số lượng node nhiều

2.2.4 Cấu trúc

Mạng cảm biến không dây được xây dựng bằng các "nút" - từ vài đến vàitrăm hoặc thậm chí hàng nghìn, trong đó mỗi nút được kết nối với một (hoặc đôikhi là một số) cảm biến Mỗi nút mạng cảm biến như vậy thường có một sốphần: Đài máy thu phát với nội bộ ăng ten hoặc kết nối với một ăng-ten bênngoài, vi điều khiển, một mạch điện tử để giao tiếp với các cảm biến và mộtnguồn năng lượng, thường là ắc quy hoặc một nhúng hình thức thu thập nănglượng

Hình 2.2.4 Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

2.2.5 Ứng dụng

Mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong các lĩnh vực như: an ninhquốc gia, giám sát, quân sự, chăm sóc sức khỏe, giám sát môi trường và nhiềulĩnh vực khác Tuy mạng cảm biến không dây có nhiều ứng dụng trong cuộcsống, nhưng mạng cũng có những khó khăn và hạn chế gặp phải khi triển khainhư: giới hạn về năng lượng, giới hạn về băng thông, giới hạn về phần cứng,giới hạn về kết nối Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu phát triểnmạng cảm biến không dây vừa đảm bảo về mặt bảo mật dữ liệu nhưng cũng phảiđảm bảo các yêu cầu về năng lượng

Hình 2.2.5 Mạng cảm biến không dây trong y tế và giám sát sức khoẻ

2.2.6 Hàng rào cản

Một rào cản có thể chứa các khoảng trống, cho phép kẻ xâm nhập để đi quakhông bị phát hiện Một rào cản vững chắc không có khoảng trống vì vậy rằngkhông có kẻ xâm nhập nào có thể đi qua khu vực mà không bị phát hiện

Hình 2.2.6 Hình ảnh minh họa về vùng rào cản

2.2.7 Phạm vi phủ sóng

Phạm vi bao phủ của hàng rào bị ảnh hưởng bởi các đường băng qua lấybởi kẻ đột nhập Con đường băng qua là con đường băng qua chiều rộng hoànchỉnh của vùng từ bên này sang bên kia bên

Mạng có vùng phủ sóng rào yếu đối với tất cả các đường cắt ngang trực giao(đường đứt nét) Tuy nhiên, có một con đường chưa được che đậy (con đườngvững chắc) qua khu vực

Hình 2.2.7.1 Phạm vi bao phủ yếu

Phạm vi bao phủ hàng rào mạnh mẽ, nơi không có kẻ xâm nhập có thể băngqua khu vực mà không bị phát hiện, bất kể họ chọn cách nào những con đườngbăng qua của họ Rào cản được đánh dấu bằng cách sử dụng các khu vực cảmbiến bóng mờ

Hình 2.2.7.2 Phạm vi bao phủ mạnh

2.2.8 Đồ thị phạm vi bao phủ

 Một biểu đồ phủ sóng của mạng cảm biến N được xây dựng như sau:

let G(N) = (V; E):

 Bộ V bao gồm một đỉnh tương ứng với mỗi cảm biến

 Ngoài ra, nó có hai nút ảo, s và t tương ứng với ranh giới trái và phải

 Một cạnh tồn tại giữa hai nút nếu đĩa cảm biến của chúng chồng chéotrong vùng triển khai R

 Một cạnh tồn tại giữa u và s (hoặc t) nếu vùng cảm biến của bạnchồng chéo với ranh giới bên trái (hoặc ranh giới bên phải) của khuvực

2.3 Xây dựng hàng rào cảm biến mạnh mẽ

Để xây dựng hàng rào chúng tôi cung cấp một thuật toán phân tán Chúngtôi chia mạng ban đầu thành một số phân đoạn nhỏ xen kẽ bởi các dải mỏng dọc.Từng đoạn và dải dọc tính toán độc lập các rào cản trong khu vực riêng của nó.Chúng tôi dựng các hàng rào ngang trong mỗi đoạn được kết nối bằng hàng ràodọc ở các dải dọc lân cận Tiếp diễn do đó, phạm vi bao phủ toàn khu vực đượcđảm bảo Bằng cách chia mạng thành các phân đoạn nhỏ và cho phép mỗi phânđoạn tiến hành giao tiếp và tính toán một cách độc lập, thuật toán của chúng tôi

có thể giảm đáng kể độ trễ, chi phí giao tiếp và chi phí tính toán

qua hàng rào cảm biến mà không bị phát hiện, vì nó sẽ cần phải trải qua khu vựccảm biến của cảm biến và do đó được phát hiện.

Sức mạnh của phạm vi bảo vệ của cảm biến mạnh có thể được đo bằng sốlần kẻ xâm nhập được phát hiện khi đi ngang qua đường băng đường dẫn.Mộtđường dẫn được cho là có bao phủ K nếu nó chặn ít nhất k cảm biến riêngbiệt.Chúng tôi nói rằng một sự kiến xảy ra với xác suất cao (w.h.p) nếu xác suât

có xu hướng 1 là n->∞

2.3.2 Các điều kiện quan trọng để có hàng rào bao phủ mạnh

Xem xét dải mạng lưới cảm biến hai chiều có kích thước s x 1/s trong đócác cảm biến được phân bố ngẫu nhiên theo quá trình điểm Poisson có mật độ λ

và mỗi cảm biến bao phủ một bán kính đĩa r Tồn tại θ>0, nếu λ = θs2(log s)2 vàbán kính r =1/(s *log s), dải bị chắn mạnh là s→∞ Số lượng hàng rào là yêu cầucủa log s

Kí hiệu m = n/r , nếu λ > 2(log 6 + 2/k)/r2 với một số k > 0, tồn tại tổng sốrào cản βk log m trong vùng hình chữ nhật k log m trong vùng hình chữ nhật R n có kích thước n x kr x log m

Để thiết lập kết quả hàng rào phủ sóng mạnh mẽ trong mô hình mạnh Rs cókích thước s x 1/s, chúng tôi để tỉ lệ chiều dài và chiều rộng của hình chữ nhật

Rn và Rs là tiệm cận giống nhau, tức là n/log n = s2 Vì thế hai mô hình mạng cócùng chiều dài và chiều rộng vô tuyến bằng phép biến đổi s = √(n/log n), hoặcngược lại n = s2 log s

Bây giờ chúng ta cần điều chỉnh lại mật độ cảm biến và bán kính cảm biếntheo Rn thành Rs.Trong Rn, hình chữ nhật có chiều dài n, mật độ và bán kínhcảm biến không đổi.Tính bằng Rs, độ dài là s = √(n/log n) Cả chiều dài và chiềurộng của hình chữ nhật Rn đều được tính theo hệ số s/n = s/ ( 2log s) = 1/(s*log

kính cảm biến nên được thay đổi tỉ lệ theo hệ số 1/(s log s).Số lượng các rào cảntheo thứ tự của log s.

2.3.3 Thuật toán hiệu quả để xây dựng các rào cản mạnh mẽ

- Chia dải (xoăn) đã cho thành các đoạn nhỏ xen kẽ bởi các dải dọcmỏng Chiều dài của mỗi dải dọc là w (n), chiều rộng của dải ban đầu.Chiều rộng của mỗi dải dọc được chọn theo thứ tự log w (n) sao chotồn tại Θ (log w (n)) các rào chắn rời rạc băng qua dải dọc

- Trong mỗi dải dọc, các nút cảm biến sử dụng ComputeBarriers để tìmtất cả các rào cản dọc rời rạc và các rào cản ngang kết nối các rào cảndọc với nhau Tính toán này được thực hiện trong mỗi dải dọc độc lập

- Đối với mỗi đoạn dải, hãy sử dụng ComputeBarriers để tìm các hàngrào ngang rời rạc cắt các hàng rào dọc ở cả hai đầu của đoạn Việctính toán này được thực hiện song song từng đoạn dải một cách độclập

Dải gốc được chia thành các đoạn nhỏ xen kẽ bởi các dải mỏng dọc Mỗi dảidọc tìm thấy các rào cản ngang và dọc của nó Mỗi phân đoạn tìm thấy các ràocản ngang cục bộ giao với các rào cản dọc ở cả hai đầu Các rào chắn ngang cục

bộ này được kết nối với nhau bằng các rào cản dọc để đảm bảo phạm vi bao phủcủa hàng rào liên tục trên toàn bộ dải Mỗi dấu chấm đại diện cho vị trí của mộtcảm biến Để ngắn gọn, các vùng phát hiện của cảm biến không được hiển thịtrong hình này

2.4 Sơ đồ lớp

Sensor

Circle

Hình 2.4 Sơ đồ các lớp sử dụng trong chương trình

+ Sensor()

+ getTransmissionRange(): int

+ setTransmissionRange(transmissionRange: int): void

+ getDistance(other: Sensor): double

+ isConnected(other: Sensor): boolean

2.6.2 Lớp Sensor

Hình 2.6.2 Code của lớp Sensor

2.6.3 Lớp SensorNetwork

Hình 2.6.3 Code của lớp SensorNetwork

2.6.4 Hàng rào (Barrier Coverage)