kl le thi thanh thao 2015 621 38

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài “Mô hình nhận biết các thông số của môi trường sử dụng Fuzzy Logic trong mạng cảm biến không dây” em đã nhận được nhiều sự giúp

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian tìm hiểu và thực hiện đề tài “Mô hình nhận biết các thông

số của môi trường sử dụng Fuzzy Logic trong mạng cảm biến không dây” em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và sự chỉ bảo tận tình về kiến thức chuyên môn cũng như là các kỹ năng Trước hết, em xin cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của em Tiến sĩ Trần Thanh Phương Người đã định hướng, hỗ trợ và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn này

Em cũng xin chân thành cám ơn các Thầy, Cô ở bộ môn Viễn Thông nói riêng và Thầy, Cô ở các Bộ Môn khác của trường Đại Học Tôn Đức Thắng đã nhiệt tình truyền đạt cho em những kiến thức, hành trang vô cùng quý báu trong suốt quá trình học tập rèn luyện tại trường

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn ở bên, cổ vũ và động viên em những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt bài luận văn này

Mặc dù em đã cố gắng thực hiện đề tài nhưng chắc chắn đề tài không thể không tránh khỏi những thiếu sót do thời gian và kiến thức có hạn, kính mong sự đóng góp và chỉ bảo, góp ý của Thầy, Cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Lê Thị Thanh Thảo

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự

hướng dẫn khoa học của Tiến Sĩ Trần Thanh Phương Các nội dung nghiên cứu,

kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình Trường đại học Tôn Đức Thắng không

liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình

thực hiện (nếu có)

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2015

Tác giả (ký tên và ghi rõ họ tên)

Trang 3

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ I DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IV LỜI MỞ ĐẦU V

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1

1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây 1

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 1

1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ gọn 1

1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao 1

1.2.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế 2

1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế sử dụng 2

1.2.5 Hoạt động tin cậy 2

1.2.6 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây 3

1.3 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN 4

1.3.1 Giới hạn năng lượng 4

1.3.2 Giới hạn về phần cứng 4

1.3.3 Giới hạn về giải thông 4

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài 5

1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 5

1.5 Cấu trúc mạng cảm biến 7

1.5.1 Cấu trúc 1 node mạng WSN 7

1.5.2 Cấu trúc mạng cảm biến 8

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ 6LOWPAN 10

2.1 Khái niệm về 6LoWPAN 10

2.2 Đặc điểm của 6LoWPAN 10

Trang 4

2.3 Chuyển phát và nén Datagram trong IPv6 12

2.3.1 Chuyển phát Datagram IPv6 12

2.3.2 Nén Datagram IPv6 14

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ 16

3.1 Giới thiệu 16

3.2 Định nghĩa tập mờ 17

3.3 Các khái niệm liên quan và phép toán trên tập mờ 17

3.4 Biến ngôn ngữ 19

3.5 Giải mờ 21

3.6 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno 22

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH NHẬN BIẾT CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔI TRƯỜNG 24

4.1 Mô hình nhận biết 24

4.2 Nhận biết các thông số sử dụng Logic mờ 24

4.3 Điều khiển các thông số (nhiệt độ, độ ẩm) trong phòng Server 25

CHƯƠNG 5 THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ32 5.1 Hệ điều hành và phần mềm mô phỏng 32

5.2 Thực hiện mô phỏng 33

5.2.1 Cách thức mô phỏng 33

5.2.2 Cấu trúc chương trình cho node sensor 36

5.2.3 Kết quả mô phỏng một đầu vào 38

5.2.4 Kết quả mô phỏng hai đầu vào 45

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

6.1 Kết luận 52

6.2 Hướng phát triển 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Trang 5

SVTH: Lê Thị Thanh Thảo ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-2 Một số ứng dụng WSN trong các lĩnh vực khác nhau 5

Hình 4-1 Hệ thống nhận biết các thông số bằng logic mờ 25

Hình 4-3 Bảng các quy tắc mờ được tính toán dựa trên suy luận mờ 28

Hình 4-6 Bảng các quy tắc mờ được tính toán dựa trên suy luận mờ 31

Hình 5-6 Cấu trúc chương trình nhận biết thông số bằng logic mờ 36 Hình 5-7 Cấu trúc chương trình nhận biết lỗi đường truyền 36

Trang 6

Hình 5-8 Cấu trúc chương trình node sink giám sát dữ liệu 37

Hình 5-13 Lưu lượng gói tin ứng với các trường hợp khác nhau 40 Hình 5-14 Node sink gửi broadcast cho các node còn lại và Node

sensor thông báo không gửi gói tin

41

Hình 5-15 Lưu lượng gói tin ứng với trường hợp bị mất kết nối 42

Hình 5-17 Công suất tiêu thụ trong từng giờ và công suất trung bình 45 Hình 5-18 Lưu lượng gói tin ứng với trường hợp thứ nhất 46 Hình 5-19 Lưu lượng gói tin ứng với trường hợp thứ hai 47 Hình 5-20 Bảng thông báo node sink gửi broadcast tới các node còn

lại

48

Hình 5-21 Lưu lượng gói tin ứng với ngữ cảnh bị mất kết nối mạng 48 Hình 5-22 Công suất tiêu thụ trong từng giờ và công suất trung bình 51

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4-2 Các quy tắc nhận biết thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm 30 Bảng 5-1 Lưu lượng trên node cảm biến trong tất cả các trường

hợp

42

Bảng 5-2 Công suất của sensor trong giờ thứ nhất ở 200C 44 Bảng 5-3 Công suất của sensor trong giờ thứ hai ở 150C 44 Bảng 5-4 Công suất của sensor trong giờ thứ ba ở 100C 44 Bảng 5-5 Công suất trung bình của sensor trong ba giờ 44 Bảng 5-6 Lưu lượng trên node cảm biến trong tất cả các trường

Trang 8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt Chữ đầy đủ

6LoWPAN Ipv6 for Low Power Wireless Personal Area Networks

ADC Analog Digital Conveter

IETF Internet Engineering Task Force

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IPv6 Internet Protocol Version 6

IPv4 Internet Protocol Version 4

MAC Medium Access Control

MTU Maximum Transmission Unit

RPL The Routing for Low power and Lossy Networks

TCP Transmission Control Protocol

UDP User Datagram Protocol

WSN Wireless Sensor Network

WPAN Wireless Person Area Network

Trang 9

LỜI MỞ ĐẦU

Wireless Sensor Networks hay mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến tự động phân bố trong một không gian nhất định để giám sát các điều kiện vật chất hay môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ, âm thanh, rung động, áp lực, chuyển động, độ ẩm hoặc chất gây ô nhiễm và gửi dữ liệu này đến một vị trí giám sát chính Đây một xu thế phát triển của thời đại hiện nay Với khả năng cảm nhận, cung cấp các thông tin thực tế và triển khai, mở rộng phạm vi dễ dàng nhờ triển khai trên mô hình mạng truyền thông không dây

Để làm cho các mạng cảm biến thông minh hơn, và có thể nhận biết được những thông số ở nhiều trường hợp khác nhau và linh hoạt hơn thì việc sử dụng Logic mờ sẽ giúp cải thiện tính chính xác trong việc ra quyết định nhận biết ra các thông số của một hệ thống có nhiều thông tin và mơ hồ Ngoài ra, các nút cảm biến thường được hỗ trợ bởi pin nhỏ, do đó năng lượng hạn chế là một thách thức lớn cho các ứng dụng rộng rãi và có phạm vi lớn

Mục đích của luận văn này là cung cấp một cái nhìn tổng quát về WSN, về Logic mờ, sơ lược về tiêu chuẩn giao tiếp 6LoWPAN và về mô hình nhận biết các thông số có sử dụng logic mờ trong mạng cảm biến không dây Từ đó, rút ra kết luận, đánh giá và định hướng phát triển trong tương lai

Luận văn bao gồm 6 chương trong đó:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về định nghĩa, các đặc trưng và cấu tạo nút cảm biến, những hạn chế và ứng dụng của WSN

Chương 2: Giới thiệu khái quát về tiêu chuẩn giao tiếp 6LoWPAN, về đặc điểm, nhiệm vụ của nó trong mạng WSN

Chương 3: Giới thiệu về một số khái niệm trong logic mờ, các hệ mờ và cuối cùng đưa ra mô hình Tagaki-Sugeno, một mô hình được ứng dụng khá rộng rãi

Trang 10

trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau

Chương 4: Đưa ra mô hình đo và điều khiển nhiệt độ trong phòng Server dựa trên các quy tắc, các quy tắc này được thiết kế dựa trên logic mờ để làm các node cảm biến thông minh hơn và phù hợp với tài nguyên tính toán, bộ nhớ của mỗi node

Chương 5: Đánh giá chất lượng của mô hình dựa trên kết quả của mô hình đã đưa ra, từ đó định hướng và phát triển mở rộng trong các mô hình nhận biết các thông số của WSN

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trang 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là mạng tập hợp các bộ cảm biến được phân

bố trong không gian gọi là các node mạng Các node này có khả năng cảm biến, giám sát các hiện tượng vật lý và những biến đổi về môi trường xung quanh như: nhiệt độ, ánh sáng, sự di chuyển của một đối tượng nào đó và sau đó thông báo lại những biến đổi này cho trạm chủ Các node mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn được phân bố trên phạm vi rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế là pin trong thời gian hoạt động lâu dài

Sự phát triển của mạng cảm biến không dây được thúc đẩy bởi các ứng dụng quân sự trong điều khiển giám sát và an ninh, ngày nay mạng cảm biến không dây

đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng như giám sát quá trình kiểm soát công nghiệp, theo dõi môi trường, theo dõi sức khỏe

1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

1.2.1 Kích thước vật lý nhỏ gọn

Kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị với nhau Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng tới kích thước và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng

1.2.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao

Hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là đo lường và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên cần tính

Trang 12

toán rất kỹ về khối lượng công việc cần xử lý và các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ khá lâu và khó đáp ứng tính năng thời gian thực Do đó, các nút mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ

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

Tính năng điều khiển ở các nút cảm biến không dây cũng như sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến không dây thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường Điển hình, bộ cảm biến hay bộ chấp hành (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn (đảm bảo tiêu thụ điện thấp nhất) Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp

1.2.4 Tính đa dạng trong thiết kế sử dụng

Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp phần mềm để có được ứng dụng từ phần cứng Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ

1.2.5 Hoạt động tin cậy

Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ

Trang 13

tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước cảm biến và công suất Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng nút đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy

1.2.6 Kiến trúc và giao thức của mạng cảm biến không dây

Kiến trúc giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (Sink) và tất cả các nút cảm biến được thể hiện trên hình 1-1 Kiến trúc giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm:

 Tầng vật lý: giải quyết nhu cầu

về kĩ thuật điều chế, truyền và nhận

 Tầng liên kết dữ liệu: bảo đảm

thông tin liên lạc đáng tin cậy, sử dụng kỹ

thuật kiểm soát lỗi và quản lý truy cập kênh

giảm thiểu va chạm

 Tầng mạng: quan tâm đến việc

định tuyến gói dữ liệu

 Tầng vận chuyển: duy trì lưu

thông dữ liệu trong mạng với UDP

 Tầng ứng dụng: quản lý các ứng

dụng, quản lý mạng, xử lý truy vấn, chứa

các mã ứng dụng

Trang 14

Giải pháp lớp chéo trong WSN: nhằm tích hợp chặt chẽ các giao thức trong lớp stack Bằng cách loại bỏ giới hạn giữa các lớp cũng như các giao diện liên quan giữa chúng, nhằm tăng hiệu quả trong không gian và điều khiển Nó nêu lên:

 Mỗi nút được trang bị một thiết bị đo xung nhịp cục bộ

 Cảm biến, xử lý, truyền thông được liên kết, kiểm soát bởi xung nhịp cục bộ

 Thời gian truyền thông dữ liệu ở từng nút được nhất quán

 Thông tin thu phát phải kết hợp với vị trí của nút tạo ra

 Giao thức truyền thông phải có thông tin vị trí

1.3 Những khó khăn trong việc phát triển WSN

Trên thực tế khi triển khai WSN sẽ gặp một số hạn chế và khó khăn về mặt kỹ thuật Khi nắm rõ những khó khăn này chúng ta sẽ có điều kiện cải tạo nhằm tối

ưu hóa hơn nữa

1.3.1 Giới hạn năng lƣợng

Thông thường các thiết bị trong mạng cảm biến không dây thường sử dụng các nguồn năng lượng có sẵn như pin Khi số lượng node mạng lớn, yêu cầu tính toán nhiều, khoảng cách truyền lớn thì sự tiêu thụ năng lượng sẽ lớn Chính vì vậy cần tìm các giải pháp để tối ưu hóa việc xử lý và truyền dữ liệu nhằm kéo dài thời gian sống cho mạng

1.3.2 Giới hạn về phần cứng

Yêu cầu của mạng cảm biến không dây là kích thước các node phải nhỏ vì

có một số ứng dụng đòi hỏi số lượng lớn các node trên một phạm vi hẹp Điều này làm hạn chế khả năng tính toán và lưu trữ trên mỗi node

1.3.3 Giới hạn về giải thông

Hiện nay tốc độ truyền vô tuyến bị hạn chế trong tốc độ khoảng 10-100 Kbits/s Sự giới hạn về giải thông sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến việc truyền thông tin

Trang 15

giữa các node

1.3.4 Ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài

Do mạng cảm biến không dây sử dụng đường truyền vô tuyến nên bị ảnh hưởng bởi can nhiễu bên ngoài, có thể bị mất mát hoặc sai lệnh thông tin khi truyền

 Cảm biến môi trường:

 Quân sự: Phát hiện mìn, chất độc, sự di chuyển của quân địch

 Công nghiệp: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy…

 Dân dụng: Hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng…

Trang 16

 Điều khiển:

 Quân sự: Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự…

 Công nghiệp: Điều khiển tự động các thiết bị, robot…

 Theo dõi, giám sát, định vị:

 Quân sự: Định vị, theo dõi sự di chuyển thiết bị, quân đội…

 Dân dụng: Giám sát lưu lượng xe trong thành phố…

 Môi trường:

 Giám sát lũ lụt, bão, gió mưa…

 Phát hiện ô nhiễm, chất thải…

 Y tế

 Định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp…

 Hệ thống giao thông thông minh:

 Giao tiếp giữa biển báo và các phương tiện giao thông, hệ thống báo hiệu tai nạn…

 Hệ thống định vị, trợ giúp điều khiển tự động các phương tiện giao thông…

 Gia đình:

 Nhà thông minh, hệ thống cảm biến, điều khiển và giao tiếp các thiết bị thông minh

WSN tạo ra môi trường giao tiếp giữa các thiết bị thông minh, giữa các thiết

bị thông minh với con người và các hệ thống viễn thông khác….Ứng dụng mạng cảm biến còn rất nhiều và nó thực sự chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của con người Với sự hội tụ của Internet, mobile, mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển mạnh mẽ vượt trội hơn bao giờ hết

Trang 17

Hình 1-3 Các thành phần cấu trúc của node cảm biến

o Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm các cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự -số ADC

o Khi quan sát hiện tượng, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển đổi sang tín hiệu đồng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý Tại đây bộ

xử lý thường kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các node kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

o Phần thu phát vô tuyến kết nối các node vào mạng Chúng gửi và nhận các

dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các node cảm biến lân cận tới các node khác hoặc tới sink

o Một trong phần quan trọng của node cảm ứng là nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin, để các node có thời gian sống lâu hơn thì bộ nguồn rất quan

Trang 18

ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và thích ứng với môi trường

1.5.2 Cấu trúc mạng cảm biến

Đối với mạng cảm biến, các node cảm biến được phân bố trong môi trường với mật độ đủ để quan sát được các thay đổi của môi trường và đồng thời đảm bảo được việc thông báo cho người giám sát biết sự thay đổi ấy khi cần Thông thường, mạng cảm biến không dây có mô hình như hình 1-4

Hình 1-4 Sơ đồ cấu trúc mạng cảm biến

Việc thiết kế cấu trúc mạng cảm biến cần phải dùng một số cơ chế, kỹ thuật đặc thù sau:

o Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật

Trang 19

chính thì giao tiếp trực tiếp giữa các node sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản Đặc biệt khi node phát và thu cách xa nhau thì công suất phát sẽ lớn

Do vậy mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

o Hoạt động hiệu quả năng lượng: Để hỗ trợ thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây

o Tự động cấu hình: WSN cần phải được cấu hình các thông số một cách

tự động Chẳng hạn các node có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các node khác

o Cộng tác, xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng node cảm ứng không thể thu thập dữ liệu mà cần phải có nhiều node cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập được dữ liệu, khi đó chúng ta cần kết hợp các dữ liệu của nhiều node trong một vùng rồi gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng Chẳng hạn khi xác định nhiệt độ trung bình hay độ ẩm của một vùng

o Các node cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình 1-4 Mỗi một node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến đến node sink

Rồi từ node sink sẽ thu thập dữ liệu về cho máy tính chủ

Trang 20

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ 6LoWPAN

2.1 Khái niệm về 6LoWPAN

Tiêu chuẩn được sử dụng trong WSN khác hơn so với các hệ thống máy tính khác Một số tiêu chuẩn chủ yếu được sử dụng là: WirelessHART, IEEE1451, ZigBee/802.15.4, ZigBee IP, 6LoWPAN Trong đó, ZigBee được sử dụng phổ biến nhất, tiếp theo hiện tại là 6LoWPAN Trong luận văn này sẽ sử dụng 6LoWPAN làm tiêu chuẩn để giao tiếp giữa các node senor

6LoWPAN được viết tắt từ Ipv6 for Low Power Wireless Personal Area Networks Là một chuẩn giao thức Internet giành cho mạng cảm biến không dây, hoạt động trên radio IEEE 802.15.4 Được phát triển bởi Hiệp hội đặc trách kỹ thuật Internet (IETF), công nghệ này cho phép truyền dữ liệu qua các giao thức IPv4 và Ipv6 trong các mạng không dây công suất thấp có cấu trúc điểm – điểm và dạng lưới

2.2 Đặc điểm của 6LoWPAN

Lúc WSN vừa mới hình thành, số lượng IP quá lớn để dùng cho mạng cấp thấp Một giáo sư từ MIT đã thành lập ra nhóm làm việc để tạo ra 6LoWPAN Sau đó, Adam Dunkels đã viết Contiki OS với uIP có kích thước nhỏ hơn nữa hỗ trợ

cả IPv4 và IPv6 Từ đó rào cản tài nguyên không còn nữa, TCP/IP hoàn toàn có thể được sử dụng cho mạng cấp thấp Tuy nhiên có một vấn đề là chiều dài gói dữ liệu của IEEE 802.15.4 quá nhỏ cho các gói IPv6 MTU của 802.15.4 là 127 bytes, trừ đi MAC header và IPv6 header thì còn lại 41 bytes, nếu trừ đi UDP header hoặc TCP header thì chỉ còn rất ít dữ liệu từ lớp ứng dụng

Chính vì vậy 6LoWPAN ra đời với 3 nhiệm vụ chính [4]:

o Tách và ghép gói

Trang 21

o Nén Header

o Chuyển tiếp ở tầng 2 (link layer) khi đa chặng (multihop) được sử dụng

Lớp 6LoWPAN nằm giữa lớp vận chuyển và liên kết dữ liệu như ở hình sau:

Hình 2-1 Kiến trúc giao thức mạng TCP/IP và 6LoWPAN

o Có phương thức nén dữ liệu hiệu quả

o Tự động cấu hình mạng bằng cách sử dụng cơ chế neighbor discovery

o Hỗ trợ các phương thức truyền multicast, unicast và broadcast

o Hỗ trợ chia 1280 bytes IPv6 MTU thành các khung 127 bytes của 802.15.4

o Hỗ trợ định tuyến IP

Trang 22

2.3 Chuyển phát và nén Datagram trong IPv6

2.3.1 Chuyển phát Datagram IPv6

Để chuyển phát datagram hiệu quả, đặc biệt trong mạng sensor thì định dạng

Header phải đơn giản

 Header dạng ngăn xếp

Định dạng header 6LoWPAN sử dụng một header dạng ngăn xếp bắt nguồn

từ IPv6 Chúng thể hiện hỗ trợ cho lớp ứng dụng Header dạng ngăn xếp 6LoWPAN

có từ 2 trường trở lên Khi đầy đủ tất cả các trường, các trường sẽ xuất hiện theo trình tự sau: Mesh Addressing, Fragment và IPv6 Header Compression

Hình 2-2 Header dạng ngăn xếp 6LoWPAN

o Fragment: được sử dụng khi dữ liệu quá lớn không phù hợp với một khung đơn IEEE 802.15.4 Nó bao gồm ba trường nhỏ Datagram Size, Datagram Tag,

và Datagram Offset

o Mesh Addressing: được sử dụng khi khung 6LoWPAN được phân phát quá nhiều Hop phát sóng radio, nó bao gồm ba trường nhỏ: Hop Limit, Source Address, và Destination Address

o IPv6 Header Compression: được sử dụng để nén một Header IPv6 Định dạng nén Header

 Chuyển tiếp tại lớp 2 và lớp 3

Lớp thích nghi 6LoWPAN cung cấp cơ chế Chuyển tiếp tại lớp 2 và lớp 3

Trang 23

Nếu chuyển tiếp ở lớp 2, mạng lưới hoạt động giống như chuyển tiếp đa giao thức

Các lợi ích khi lớp 2 chuyển tiếp là:

o Các mảnh có thể được gửi qua đa Hop mà không cần phân mảnh hoặc ghép mảnh tại mỗi Hop

o Các mảnh trong một datagram có thể đi theo nhiều đường

o Cho phép các lớp dịch vụ và điều tiết lưu lượng hoạt động giống như chuyển tiếp đa giao thức

Hình 2-3 Chuyển tiếp tại lớp 2 và lớp 3

Chuyển tiếp lớp 3 hoạt động với một Hop phát sóng duy nhất

 Hạn chế là: Nó đòi hỏi phân mảnh và xác nhận lại 6LoWPAN tại mỗi Hop phát sóng

Trang 24

Hình 2-4 Nén Header IPv6

Như vậy, một Header IPv6 dài 40 byte, nhưng có thể được nén xuống chỉ còn 1 byte duy nhất cho các trường Version, Traffic Class, Flow Label, Next Header, Hop Limit, Source Address và Destination Address

 Nén Next Header

Nén header IPv6 cho phép nén trường Next Header Nén Next Header rất phù hợp cho các ứng dụng sensornet Cũng giống như lớp mạng, nén UDP có thể dùng cơ chế stateless hoặc stateful Header UDP có 8 byte bao gồm các trường:

Trang 25

và hỗ trợ cho lớp 2 chuyển tiếp Các cơ chế được thể hiện bằng cách sử dụng một định dạng Header dạng ngăn xếp

Trang 26

Logic mờ đã cung cấp một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu và xây dựng các

hệ thống có khả năng xử lý thông tin không chính xác Nhờ có logic mờ mà con người xây dựng được những hệ điều khiển có tính linh động rất cao Chúng có thể hoạt động tốt ngay trong điều kiện có nhiều nhiễu hoặc những tình huống chưa được học trước Nhờ có logic mờ mà con người xây dựng được những hệ chuyên gia có khả năng suy luận như những chuyên gia hàng đầu và có khả năng tự hoàn thiện thông qua việc thu nhận tri thức mới

 Logic truyền thống:

Logic truyền thống chỉ quan tâm đến 2 giá trị tuyệt đối là đúng hoặc sai Logic truyền thống luôn tuân theo 2 giả thiết Một là tính thành viên của tập hợp: Với một phần tử hoặc tập hợp bất kỳ thì phần tử hoặc là thuộc tập hợp đó, hoặc thuộc phần

bù của tập đó Giả thiết thứ hai là định luật loại trừ không gian, khẳng định một phần tử không thể vừa thuộc một tập hợp vừa thuộc phần bù của nó

 Logic mờ:

Logic mờ là sự mở rộng của logic nhị phân cổ điển Có sự tương tác giữa tập hợp cổ điển và logic nhị phân, giữa tập mờ và logic mờ Ví dụ phép toán “hợp” tương tác với logic OR, phép toán “giao” tương tác với AND và phép toán “bù” tương tác với NOT

Trang 27

Ngày nay logic mờ có phạm vi ứng dụng rộng rãi trên thế giới, từ những hệ thống cao cấp phức tạp như những hệ dự báo, nhận dạng, robot, vệ tinh, du thuyền, máy bay,…đến những đồ dùng hằng ngày như máy giặt, máy điều hoà không khí, máy chụp hình tự động,… Những trung tâm lớn về lý thuyết cũng như ứng dụng của logic mờ hiện nay là Mỹ, Nhật, và Châu Âu

3.2 Định nghĩa tập mờ

Để hiểu rõ khái niệm “MỜ” ta xét các phát biểu về nhiệt độ của môi trường là: Nhiệt độ vừa, nhiệt độ cao, nhiệt độ rất cao Phát biểu “NHIỆT ĐỘ VỪA” ở đây không được chỉ rõ là bao nhiêu độ C, như vậy từ “NHIỆT ĐỘ VỪA” có miền giá trị

là một khoảng nào đó, ví dụ 0 – 400C chẳng hạn Tập hợp N={nhiệt độ vừa, nhiệt

độ cao, nhiệt độ rất cao} như vậy được gọi là một tập các biến ngôn ngữ Với mỗi thành phần ngôn ngữ xk của phát biểu trên nếu nó nhận được một khả năng μ(xk) thì tập hợp F gồm các cặp (x, μ(xk)) được gọi là tập mờ

Tập mờ F xác định trên tập kinh điển B là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp giá trị (x,μF(x)), với x∈ X và μF(x) là một ánh xạ :

μF(x) : B → [0 1]

Trong đó : μF gọi là hàm thuộc , B gọi là tập nền

3.3 Các khái niệm liên quan và phép toán trên tập mờ [9]

 Khái niệm liên quan

o Độ cao tập mờ F là giá trị h = SupμF(x), trong đó SupμF(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm μF(x)

o Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu là S là tập con thỏa mãn :

Trang 28

+ Theo luật Max μ 𝑋 𝑌 (b) = Max{μX(b) , μY(b)}

+ Theo luật Sum μ 𝑋 𝑌 (b) = Min{1, μX(b) + μY(b)}

+ Tổng trực tiếp μ 𝑋 𝑌 (b) = μX(b) + μY(b) - μX(b).μY(b)

 Phép giao hai tập mờ : X∩Y

+ Theo luật Min μ 𝑋 𝑌 (b) = Min {μX(b), μY(b)}

+ Theo luật Lukasiewicz μ 𝑋 𝑌 (b) = Max {0, μX(b)+μY(b)-1} + Theo luật Prod μ 𝑋 𝑌 (b) = μX(b).μY(b)

 Phép bù hai tập mờ : cXµ(b) = 1- μX(b)

Trang 29

3.4 Biến ngôn ngữ

Biến ngôn ngữ là phần tử chủ đạo trong các hệ thống dùng logic mờ Ở đây các thành phần ngôn ngữ của cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại với nhau Xét nhiệt độ môi trường của một khu rừng, ta có các phát biểu sau:

o Temp_vua (M)

o Temp_cao (H)

o Temp_ratcao (VH)

Những phát biểu như vậy gọi là biến ngôn ngữ của tập mờ Gọi x là giá trị

của biến nhiệt độ, ví dụ: x = 400C, x = 600C…Hàm thuộc tương ứng của các biến ngôn ngữ trên được ký hiệu là: μM(x), μH(x), μVH(x)

Hình 3-2 Mô tả hàm thuộc của các biến nhiệt độ

Như vậy biến nhiệt độ có hai miền giá trị:

o Miền các giá trị ngôn ngữ:

N = {Temp_vua, Temp_cao, Temp_ratcao}

o Miền các giá trị vật lý : V = {x∈B | x ≥ 0}

Trang 30

Ví dụ: Nhận biết nhiệt độ ở phòng Server ta quan tâm đến 2 yếu tố:

+ Nhiệt độ môi trường T = {Thấp, Vừa, Cao}

+ Chế độ cảnh báo C = {Bình thường, Theo dõi, Báo động}

Ta có thể suy diễn cách thức điều khiển như thế này :

Nếu:

Nhiệt độ = Vừa Thì chế độ cảnh báo = Bình thường Nhiệt độ = Thấp Thì chế độ cảnh báo = Cảnh báo Nhiệt độ = Cao Thì chế độ cảnh báo = Cảnh báo Vừa < Nhiệt độ < Cao thì chế độ cảnh báo = Theo dõi Thấp < Nhiệt độ < Vừa thì chế độ cảnh báo = Theo dõi

Trang 31

3.5 Giải mờ

Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc μB’(y) của tập

mờ B’ trên S Giải mờ phải thỏa các tiêu chuẩn sau:

o Điểm y là điểm đại diện tốt nhất cho B’ Trực quan y là điểm có độ thuộc cao nhất vào B’ và ở trung tâm tập giá đỡ của B’

o Hiệu quả tính toán nhanh

o Tính liên tục Khi B’ thay đổi ít thì y cũng thay đổi ít

Có 3 phương pháp giải mờ thông dụng là:

 Phương pháp lấy Max

Phương pháp này chọn y là điểm có độ thuộc cao nhất vào B’

Xác định tập rõ H = {y∈S | μB’(y) = SupμB’(s)}

Ta có thể chọn y trong H như sau :

o Chọn y bất kỳ

o Chọn y là điểm cực biên

o Chọn y là trung điểm của H

 Phương pháp lấy trọng tâm

Phương pháp này chọn y là điểm trọng tâm của tập B’ Công thức xác định:

𝑦′ = 𝑦𝜇 𝑦 𝑠 𝑑𝑦

𝜇 𝑦 𝑠 𝑑𝑦Trong đó S là miền xác định của tập mờ B’

 Phương pháp lấy trung bình tâm

Vì B’ là hợp hoặc giao của m tập mờ thành phần Do vậy, ta có thể tính toán gần đúng giá trị y là bình quân có trọng số của tâm m tập mờ thành phần Giả sử xi

và hi là tâm và độ cao của tập mờ, ta có:

𝑦 = 𝑥𝑖 ℎ𝑖

𝑚 𝑖=1

ℎ𝑖

𝑚 𝑖=1

Trang 32

Phương pháp này được ứng dụng nhiều nhất vì kết quả đầu ra y có xét đến ảnh hưởng của tất cả các quy luật tương tự như phương pháp trọng tâm nhưng độ phức tạp tính toán ít hơn

3.6 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno

Mô hình mờ mà ta nói đến trong các phần trước là mô hình Mamdani Ưu điểm của mô hình Mamdani là đơn giản, dễ thực hiện nhưng khả năng mô tả hệ thống không tốt Trong kỹ thuật điều khiển người ta thường sử dụng mô hình mờ Tagaki-Sugeno (TS)

Tagaki-Sugeno đưa ra mô hình mờ sử dụng cả không gian trạng thái mờ lẫn

mô tả linh hoạt hệ thống Theo Tagaki/Sugeno thì một vùng mờ LXk được mô tả bởi luật:

Rsk : If x =LXk Then x = A(xk)x + B(xk)u

Luật này có nghĩa là: nếu véctơ trạng thái x nằm trong vùng LXk

thì hệ thống

được mô tả bởi phương trình vi phân cục bộ: x = A(xk)x + B(xk)u Nếu toàn bộ các

luật của hệ thống được xây dựng thì có thể mô tả toàn bộ trạng thái của hệ trong

toàn cục Trong (3.1) ma trận A(xk) và B(xk) là những ma trận hằng của hệ thống

ở trọng tâm của miền LXk được xác định từ các chương trình nhận dạng Từ đó rút

ra được :

𝑥 = 𝐴 𝑥𝑘 𝑥 + 𝐵(𝑥𝑘)𝑢 (3.1) Với wk(x) ∈ [0 , 1] là độ thỏa mãn đã chuẩn hoá của x* đối với vùng mờ LXkLuật điều khiển tương ứng với (3.1) sẽ là:

Rck : If x = LXk Then u = K(xk)x Và luật điều khiển cho toàn bộ không gian trạng thái có dạng:

𝑈 = 𝑁𝑘=1𝑤𝑘𝐾 𝑥𝑘 (3.2)

Từ (3.1) và (3.2) ta có phương trình động học cho hệ kín:

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	2,33 MB