Báo cáo tốt nghiệp: Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây potx

3 Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây: WSN là một mạng không dây, mà các nút mạng là các vi điều khiển sau khi đã được cài đặt các phần

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG

iso 9001 : 2000

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Đề tài :Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây

Giáo viên hướng dẫn :Th.s Hoà Quang Dự Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hạnh

Lớp CT701 Khoá 7

Hải phòng tháng 7 năm 2007

2

MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

1, Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm nhận không dây,Khái niệm,Yêu cầu của WSN, Ưu nhược điểm của WSN,Kiến trúc,Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế

giới và Việt Nam hiện nay

2, Nghiên cứu, xây dựng một mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER với cách thức chon nút gốc, cách thức quản lý các nút mạng trong một CLUSTER,cách thức giao tiếp giữa các nút mạng, cách thức xử lý sự cố khi một nút trong CLUSTER bi hỏng, hoặc thêm bớt một nút mạng

3

Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây

1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây:

WSN là một mạng không dây, mà các nút mạng là các vi điều

khiển sau khi đã được cài đặt các phần mềm nhúng, kết

hợp với các bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến

và nó có khả năng thu nhận ,xử lý dữ liệu từ môi trường

xung quanh nút mạng và từ các nút mạng khác truyền tới

1.2 Yêu cầu của mạng cảm nhận không dây:

hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu

Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây

1.3.Ưu nhược điểm của WSN:

1.3.1 Ưu điểm của WSN:

+ Mạng cảm nhận không dây có thể cho mọi người truy

cập ở bất kỳ đâu nhưng do thiết bị di động có màn

hình hiển thị nhỏ nên khi hiển thi thông tin gặp khó

khăn

+ Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây chậm

5

Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây

1.4 Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây:

1.4.1 Mạng đơn : Tất cả các nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc

Base Station

1.4.2 Mạng liên kết bước :

Các nút ở xa truyền dữ liệu tới trạm gốc thông qua các nút

Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây

1.4 Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây:

1.4.3 Mạng liên kết bó :

Nhóm các nút gần nhau tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút giữ việc truyền thông với trạm gốc

Base Station

1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế giới và Việt Nam hiện nay 1.5.1 Ứng dụng WSN ở Trên thế giới

1.5.2 Ứng dụng WSN ở Việt Nam

7

CHƯƠNG II : Kiến trúc nút WSN II.1 Bộ vi xử lý: Xử lý dữ liệu thu thập từ môi trường và tín

hiệu truyền nhận giữa các nút

II.2 Bo mạnh: Bao gồm nguồn nuôi, ăng ten ,các cổng giao

tiếp và là nơi để tích hợp các thiết bị như : bộ cảm biến ,

bộ lưu trữ dữ liệu,bộ truyền thông…

II.3 Bộ lưu trữ: Kiến trúc bộ lưu trữ phải nhỏ: sử dụng bộ

nhớ DRAM và Flash

II.4 Bộ truyền thông: Mô hình truyền thông thường được đề

cập trong WSN hiện thời là việc truyền thông đa bước theo

kiến trúc bó các kết quả hiện thời chỉ ra rằng việc truyền

thông đa bước theo kiến trúc bó sẽ tiết kiệm được năng lượng

II.5 Bộ cảm biến, bộ khởi động: Có rất nhiều loại cảm biến

(quang, cơ, nhiệt ) bộ cảm biến như là đôi mắt của mạng

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER III.1 Giới thiệu chung về kiến trúc CLUSTER

Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút, mỗi nút thuộc về một bó,mỗi bó có NID và CID.Các nút trong

bó thực hiện một giải thuật để chọn nút đầu bó và các thành

viên khác Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu

của chúng tới nút đầu bó, nút đầu bó nhận dữ liệu từ các thành

viên trong bó, thực hiện xử lý và truyền dữ tới trạm gốc

9

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER

Ưu điểm:Tiết kiệm năng lượng truyền từ các nút tới trạm

gốc,nhanh chóng, tiện dụng tránh xung đột,dễ dàng mở rộng

kích thước mạng

Nhược điểm: Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh,

phải có giả thuật chon nút đầu bó,phải quản lý được kích

thước bó,giao thức truyền thông giữa các nút tránh xung đột

Chu kỳ thiết lập bó:Các nút đầu bó được chọn sẽ quảng bá

thông điệp thông báo đến các nút lân cận Các nút lân cận sẽ tiếp nhận các thông điệp của các nút đầu bó và lựa chọn để trở thành nút thành viên của bó, bằng cách gửi lại một thông điệp tới nút đầu bó mà nó tham gia Nút đầu bó tiếp nhận các thông điệp, rồi tạo ra lịch trình gửi tới các nút thành viên để thông

báo khung thời gian làm việc

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trường hợp 1

Mỗi nút tự bầu chọn chính mình thành nút đầu bó với xác suất

Pi(t) trong tổng số N nút mạng

Với k: số lượng nút đầu bó

Để đảm bảo mỗi nút trở thành nút đầu bó duy nhất một lần

trong mỗi N/k vòng, đánh dấu Ci(t) = 0 nếu nút đã là nút đầu

bó trong vòng hiện tại và Ci(t) = 1 nếu ngược lại.Mỗi cá nhân

nút chọn làm nút đầu bó trong vòng r với xác suất Pi(t) Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện cho số lượng các nút chưa

được chọn

Sử dụng r mod N/k bảo đảm bắt đầu lại sau khi tất cả các nút

đã được chọn lọc

11

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trường hợp 2

Các nút có mức năng lượng cao hơn sẽ có xác suất trở thành nút đầu bó cao hơn các nút khác

Như vậy, xác suất mỗi nút được chọn dựa trên mức năng

lượng của mỗi nút và mức năng lượng tổng thể của các nút

trong bó

Với Ei(t) là mức năng lượng của nút i

Chú ý rằng giải thuật này yêu cầu mỗi nút cần phải biết giá trị Etotal(t), để xác định chính xác giá trị thời gian hoạt động và năng lượng tiêu thụ

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER

Sơ đồ thiết lập bó

Nút i là đầu bó

Thông báo trạng thái nút đầu bó

Đợi thông báo của các nút đầu bó

Đợi các thông báo join-REQ của các nút

Gửi các thông báo REQ tới nút đầu bó đã

join-chọn

Tạo lịch trình TDMA

và gửi các thành viên

của bó t=0

Đợi lịch trình làm việc

từ nút đầu bó t=0

Thực hiện giai đoạn trạng thái ổn định trong t=Tround giây

13

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER Truyền dữ liệu

trong chế độ bytemode: các bit trong thanh ghi dịch 8 bit

được chuyển tới bộ điều chế.Nó sẽ nạp dữ liệu mới từ thanh ghi RFBUF, sẽ có 1 yêu cầu ngắt được sinh ra để RFBUF có thể nạp dữ liệu

Trong chế độ bitmode: tại mỗi thời điểm chỉ có 1 bit được

đưa vào bộ đệm Vì vậy thanh ghi dịch sẽ nạp 1 bit mới từ

RFBUF sau mỗi bit được truyền đi Để có thể ghi 1 bit mới

chóng thì byte hoặc bit đầu tiên phải được nạp vào thanh ghi RFBUF Sau đó nó sẽ được nạp vào thanh ghi dịch và 1 yêu

cầu ngắt sẽ được sinh ra cho byte/bit thứ 2

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER Nhận dữ liệu

Khi nhận dữ liệu bộ đệm sẽ làm các công việc ngược lại so với quá trình truyền dữ liệu

Từng bit 1 trong bộ giải mã được chuyển vào thanh ghi dịch

dữ liệu được đưa sang RFBUF và yêu cầu ngắt được sinh ra

trong chế độ bytemode Các byte phải được đọc trong 1 chu

kỳ byte (chu kỳ 8 Baud đối với mã NRZ và chu kì 16 Baud đối với mã Manchester) Nếu không thì dữ liệu cũ sẽ bị ghi đè

Trong chế độ bitmode việc nạp đệm dữ liệu diễn ra tương tự

nhưng tại một thời điểm chỉ có một bit được nạp vào Vì vậy khi bit dữ liệu mới đến từ bộ giải mã thì thanh ghi dịch sẽ lưu trữ nó và lưu bit cuối cùng vào RFBUF.0 Nó sẽ sinh ra một

15

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức truyền thông tránh xung đột

Lộ trình trong mạng:giao thức DSR (Dynamic Source

Routing) là giao thức định tuyến phản ứng sử dụng định tuyến nguồn (source routing) đặc trưng cho giao thức theo yêu cầu (on-demand protocol) Tiêu đề của các gói tin dữ liệu chứa thứ

tự các nút mà gói tin cần phải đi qua để tới đích Do vậy, các nút trung gian chỉ cần giữ liên lạc với các nút hàng xóm ngay sát cạnh mình để chuyển tiếp các gói tin Ngược lại, nút nguồn cần phải biết thứ tự của toàn bộ các chặng để đạt tới đích

DSR (Dynamic Source Routing) bao gồm 2 giai đoạn:

Route Discovery (Phát hiện đường)

Route Maintenance (Duy trì đường)

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức MAC (giao thức điều khiển truy cập)

nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC là tránh xung đột để hai nút bất kì không truyền thông tại cùng 1 thời điểm Có rất

nhiều giao thức MAC được phát triển

TDMA (Time division multiple access)

CDMA (Code division multiple access)

S-MAC (Sensor MAC), một giao thức MAC mới được

thiết kế dành riêng cho mạng cảm nhận không dây Trong

đó việc giảm bớt tiêu thụ năng lượng là mục đích chính

17

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER

Tránh việc có quá nhiều hay quá ít các nút trong một bó, đảm bảo kết nối tốt và tránh xung đột.Gọi A là nút đầu bó ,n(A) là

số các nút nhỏ nhất và N(A) là số các nút lớn nhất trong một

bó , khi đó số khả thi được đưa ra là N(A) = 8 với 3bit địa chỉ được gán cho một bó

Nếu không đủ số nút cho một bó thì nút đầu bó giữ tín hiệu

join và tăng bán kính(r) truyền lên : r = k.r (là giới hạn số

lượng các nút mới) với k>1 Do đó xuất hiện giá trị Rmax ,

Nếu r>Rmax thì thuật toán sẽ kết thúc

18

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó)

khả năng tự động tổ chức và duy trì mạng mà không cần sự

can thiệp của người quản trị mạng là một yêu cầu đối với

mạng cảm nhận không dây kiến trúc bó Bao gồm 4 giai đoạn : Giai đoạn cấu hình : các nút mạng bắt đầu tập hợp lại thành

bó

Giai đoạn duy trì :Mỗi nút mạng phát ra đều đặn một tín hiệu “ I`m alive”, nó thông báo cho các nút lân cận của nó bảng định tuyến và nó vẫn còn trong mức độ năng lượng hoạt động Tiến trình này được gọi là sự kiểm tra hoạt động, một nút mạng sẽ hỏi các nút khác để biết nếu nó còn đang hoạt động

Giai đoạn cấu hình lại : Một nút khi phát hiện ra nút lân cận bị lỗi hoặc một bó bị phân chia, và nó cập nhật bảng định tuyến của nó Nếu một bó bị chia cắt, bó đó sẽ cố gắng kết nối vào

một bó hiện tại khác trong khi vẫn giữ nguyên sự cân bằng

19

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER khả năng cấu hình lại khi thêm nút hoặc nút bị hỏng:

Quá trình khám phá:Mỗi nút tạo cho mình một bán kính

truyền r để phát tín hiệu “Hello”Nếu nhận được tín hiệu “I

am here” còn khả năng kết nạp vào bó thì nó ghi nhận bán

kính truyền r

Quá trình cấu hình mạng: lắng nghe lời mời kết nối của nút

đầu bó Nếu có, nó sẽ phát tín hiệu “join-repuest” Nếu nhận được tín hiệu chấp nhận “join-confim” nó sẽ trả lời bằng tín

hiệu ACK và kết nối với bó đó Ngược lại, nó sẽ quay trở lại giai đoạn nghe Nếu không có lời mời nào thì nó sẽ trở thành nút đầu bó với địa chỉ ban đầu là 000 Sau đó nó phát tín hiệu mời kết nối “join

CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER

Quá trình duy trì cấu hình mạng: Cứ sau 30giây các nút phát một tín hiêu kiểm tra “I am alive”và nghe xem có tín hiệu trả lời ACK từ các nút trong bó không khi nhận được tín hiệu

kiểm tra thì các nút gửi lại ACK để báo cho nút đó biết rằng

nó vẫn đang hoạt động Nếu trong khoảng thời gian là 6 lần

mà không nhận được một ACK từ nút đó trong bó thì nó sẽ

coi như nút bị lỗi

Quá trình tự cấu hình lại mạng:Nếu phát hiện ra một nút hay một đường liên kết bị lỗi, nút đó sẽ quay trở lại quá trình

khám phá từ đầu

21

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM

Khái quát về chương trình

Chương trình sử dụng các chuyển mạch CC1010EB (1-4) để truyền gói dữ liệu và đo cường độ của tín hiệu Sử dụng các đèn để thông báo truyền/nhận thành công hay thất bại:

Blue: Truyền - Yellow: Nhận- Red: Truyền/nhận bị lỗi -

Green: Truyền/nhận thành công

Hàm halRFSetRxTxOff(…) được dùng để thiết lập cặp kênh truyền/nhận, tín hiệu sóng mang được truyền đi bằng hàm

halRFSendPacket(…) và nhận bằng hàm

halRFReceivePacket2(…) Sau đó tín hiệu được bộ xử lý xử

lý và điều khiển các đèn thông báo quá trình truyền nhận

thành công hay thất bại

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM

NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER

Các bước thực hiện chương trình

Bước1: bật các chuyển mạch được gắn các cảm biến CC1010

,nếu đèn Blue không sang quay lại kiểm tra nguồn và thực

hiện bật lại, nếu đèn Blue bật sang chuyến sang bước 2

Bước 2: khi đèn Blue được bật sáng, nghĩa là các nút sẵn sàng

truyền tín hiệu thực hiện tạo gói tin kiểm thử

Bước 3: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX gửi gói tin

Bước 4: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX biên nhận gói tin Bước 5: kiểm tra xem số byte nhận được =1và độ dài xâu

nhận –ACK_BYTE tắt đèn Blue bật đèn Green ,nếu ngược lại bật đèn Red và quay lai bước 2

Bước 6: hiển thị kết quả nhiệt độ đo được và tần số sóng lên

23

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN

KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER

Sơ đồ khối và giải thuật:

Đèn blue bật sáng Đèn blue tắt

Bigin

Các chuyển mạch được bật Tạo gói tin kiểm thử

Thiết lập cặp kênh truyền

gửi gói tin

Thiết lập cặp kênh truyền Biên nhận gói tin

LỜI CẢM ƠN

Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối

với thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ Hòa Quang Dự, đã

tận tình giúp đỡ em để em hoàn thành báo cáo

Em xin cảm ơn Ban giám hiệu và các Thầy cô giáo của

Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng đã giảng dạy

,cung cấp cho chúng em những kiến thức giúp chúng

em hiểu rõ hơn các lĩnh vực đã nghiên cứu để hoàn

thành đề tài Xin cảm ơn các bạn bè và gia đình đã động viên cổ vũ,

đóng góp ý kiến, giúp em hoàn thành đề tài

Hải Phòng ngày 26 tháng 7 năm 2007

25