Nghiên cứu về hiệu quả năng lượng của một số giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM MẠNH TOÀN NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY N

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHẠM MẠNH TOÀN

NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG

TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Trang Trang phụ bìa 2

Lời cam đoan 3

Mục lục 4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 - TỔNG QUAN 11

1.1 Mạng cảm biến không dây 11

1.1.1 Khái niệm 11

1.1.2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 12

1.2.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 14

1.2 Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường MAC 17

Chương 2 - MỘT SỐ GIAO THỨC MAC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 19

2.1 Yêu cầu thiết kế giao thức MAC cho mạng cảm biến không dây 19

2.1.1 Tránh xung đột 19

2.1.2 Hiệu quả năng lượng 19

2.1.3 Khả năng thích ứng và biến đổi được 19

2.1.4 Khả năng sử dụng kênh 19

2.1.5 Độ trễ 20

2.1.6 Thông lượng 20

2.1.7 Công bằng 20

2.2 Các nguyên nhân gây nên lãng phí năng lượng 21

2.2.1 Xung đột 21

2.2.2 Nghe khi rỗi 21

2.2.3 Nghe thừa 21

2.3 Các giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây 22

2.3.1 CSMA 22

2.3.2 Sensor-MAC 25

3.2.1 Cấu trúc phân cấp của các module 42

3.2.3 Message, cổng, liên kết 43 3.2.4 Mô hình truyền gói tin 44

3.4.3 Khai báo các module đơn giản 49 3.4.4 Khai báo các module kết hợp 50

Chương 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NĂNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

FRTS Future Request to Send Yêu cầu gửi sớm

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường

truyền

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 4.1 Thông số tiêu thụ điện của nút cảm biến EYES 53 Bảng 4.2 Tiến trình mô phỏng giao thức CSMA 55 Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng giao thức CSMA 55 Bảng 4.4 Tiến trình mô phỏng giao thức S-MAC 56 Bảng 4.5 Kết quả mô phỏng giao thức S-MAC 56 Bảng 4.6 Tiến trình mô phỏng giao thức T-MAC 56 Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng giao thức T-MAC 57

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang Hình 1.1 Thành phần của một nút cảm biến 15 Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến 16 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 17

Hình 2.2 Thời gian cần thiết để truyền một khung 23 Hình 2.3 Phát hiện xung đột khi truyền tin 24

Hình 2.7 Quan hệ định thời giữa một nút nhận và các nút gửi 29

Hình 2.9 Lược đồ cơ bản T-MAC với thời gian thức thay đổi 33 Hình 2.10 Lược đồ trao đổi dữ liệu cơ bản 36

Hình 2.13 Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đầy 39 Hình 3.1 Các module đơn giản và kết hợp 42

Mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng nghìn, thậm chí hàng triệu thiết bị cảm biến (sensors) thông minh, được trang bị một bộ xử lý, một bộ nhớ dung lượng nhỏ và các cảm biến để đo ánh sáng, độ ẩm, áp suất, nhiệt độ Mạng cảm biến liên hệ bằng sóng vô tuyến, tiêu thụ cực ít năng lượng, hoạt động liên tục trong mọi điều kiện, môi trường

Để thiết kế và thực hiện các mạng cảm biến, nhiều vấn đề điều khiển được đặt ra, phải được nghiên cứu, giải quyết tối ưu, phù hợp với đặc thù của mạng cảm biến không dây, ví dụ: điều khiển truy nhập mạng không dây, định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến Nghiên cứu, đánh giá một

số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây có ý nghĩa lý luận và thực tiễn

Mục tiêu chính của luận văn là cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây; nguyên tắc hoạt động một số cơ chế điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây; phân tích, đánh giá hiệu quả năng lượng của một số cơ chế điều khiển trên

Ngoài bốn chương chính, bố cục luận văn còn có các phần mở đầu, kết luận

và tài liệu tham khảo Phần kết luận nêu tóm tắt các vấn đề đã trình bày trong các chương, đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đưa ra các định hướng nghiên cứu, phát triển tiếp theo Nội dung các chương được tóm tắt như sau:

Chương 1 trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây, kiến trúc mạng cảm biến, các lĩnh vực ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến, một số vấn đề đặt ra trong cơ chế điểu khiển truy nhập áp dụng cho mạng cảm biến

Chương 2 trình bày nguyên nhân gây nên sự lãng phí năng lượng trong mạng cảm biến không dây; nghiên cứu một số thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường điển hình trong mạng cảm biến không dây, các thủ tục đó bao gồm CSMA, Sensor-MAC và Time out - MAC

Chương 3 giới thiệu bộ chương trình mô phỏng đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực viễn thông OMNet++ Luận văn sử dụng OMNet++ để mô phỏng phương thức hoạt động của các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường ở trên

Chương 4 thực hiện mô phỏng, ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của các thủ tục CSMA, Sensor - MAC, Time out - MAC bằng bộ chương trình OMNet++

Mặc dù đã rất cố gắng, song luận văn còn những hạn chế nhất định, tác giả rất mong nhận được những góp ý để vấn đề nghiên cứu này ngày càng được hoàn thiện hơn Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Vương Đạo Vy, người thầy hướng dẫn và chỉ bảo tận tình trong quá trình thực hiện luận văn này,

xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô đã dạy và giúp đỡ trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Mạng cảm biến không dây

1.1.1 Khái niệm

Một mạng cảm biến [ 3 ] bao gồm số lượng lớn các nút cảm biến được phân

bố cả bên trong hiện tượng hoặc phân bố bên cạnh hiện tượng Vị trí của các nút cảm biến không cần phải thiết kế hoặc xác định trước, điều này cho phép các nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp Điều đó cũng có nghĩa là các giao thức của mạng cảm biến và các thuật toán phải có khả năng tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác của các mạng cảm biến là khả năng phối hợp giữa các nút cảm biến Các nút cảm biến được gắn một bộ xử lý bên trong Thay vì gửi

đi số liệu thô tới nút đích, chúng sử dụng khả năng xử lý để thực hiện các tính toán đơn giản và chỉ truyền số liệu đã được xử lý theo yêu cầu

Những ứng dụng của mạng cảm biến đòi hỏi nó phải có những kỹ thuật đặc biệt hơn so với các kỹ thuật áp dụng cho các mạng không dây phi cấu trúc (mạng

ad hoc) Mặc dù nhiều giao thức và giải thuật đã được thiết kế cho những mạng ad hoc không dây truyền thống, nhưng chúng chưa thỏa mãn những đặc tính và yêu cầu ứng dụng của mạng cảm biến Để thấy được điểm này, ta hãy xem xét sự khác nhau giữa mạng cảm biến và mạng ad hoc:

 Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong mạng ad hoc

 Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày hơn

 Những nút cảm biến dễ hỏng, ngừng hoạt động

 Topo mạng cảm biến thay đổi rất thường xuyên

 Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá (broadcast) trong khi mà đa số các mạng ad hoc là điểm - điểm (point-to-point)

 Những nút cảm biến có giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

 Những nút cảm biến có thể không có định danh toàn cầu (global ID) Khi số lượng lớn những nút cảm biến được triển khai mật độ dày thì những nút lân cận phân bố rất gần lẫn nhau, vì vậy truyền thông đa bước nhảy trong mạng cảm biến phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy truyền thống Hơn nữa, năng lượng phục vụ truyền dữ liệu có thể để ở mức thấp, chủ yếu dành

cho các hoạt động chuyển đổi, xử lý Truyền thông đa bước nhảy cũng khắc phục

có hiệu quả vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa trong giao tiếp không dây

Một trong những yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với nút cảm biến là mức

độ tiêu thụ điện phải thấp Nguồn cung cấp năng lượng điện cho nút cảm biến là có hạn và nói chung là không thể thay thế Bởi vậy, trong khi các mạng truyền thống tập trung vào làm sao để đạt được chất lượng dịch vụ cao thì những giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu về sự giữ gìn năng lượng Chúng phải có những cơ chế cân bằng cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ của mạng hay thông lượng thấp, hoặc độ trễ cao

Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực hiện cảm biến khác nhau như cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảm biến sóng âm và sóng rađa … trong các điều kiện bao quanh

 sự có mặt hoặc không những loại đối tượng nhất định,

 những đặc trưng hiện thời như tốc độ, hướng, và kích thước một đối tượng

Những nút cảm biến có thể được sử dụng cho cảm biến liên tục, phát hiện sự kiện, định danh sự kiện, cảm biến vị trí, và điều khiển cục bộ thiết bị khởi động

1.1.2 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Những đặc tính của mạng cảm biến hứa hẹn một phạm vi ứng dụng rộng rãi với một số lĩnh vực ứng dụng cụ thể như: an ninh quốc phòng, y tế, môi trường,

thương mại… Có thể hình dung trong tương lai, những mạng cảm biến không dây

sẽ là một phần gắn liền với cuộc sống nhiều hơn so với những máy tính cá nhân hiện nay

Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, với những đặc tính triển khai nhanh, tự

tổ chức và độ thứ lỗi cao cho phép mạng cảm biến trở thành một thành phần trong

hệ thống C4ISRT (Command, Control, Communications, Calculation, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance, and Targeting - hỗ trợ ra mệnh lệnh, điều khiển,

truyền thông, tính toán, tình báo, giám sát theo dõi, trinh sát và mục tiêu) Vì mạng cảm biến dựa vào sự triển khai dày đặc những nút cảm biến có chi phí thấp và sẵn

có, sự hỏng hóc, ngừng hoạt động của vài nút do những hoạt động thù địch không ảnh hưởng nhiều đến hoạt động quân sự như cảm biến truyền thống Một số ứng dụng quân sự khác của mạng cảm biến có thể kể đến như hỗ trợ giám sát lực lượng, thiết bị và quân nhu một cách thân thiện; theo dõi trận địa; do thám lực lượng và trận địa đối phương; xác định mục tiêu; đánh giá tổn thất sau trận chiến;

do thám và xác định tấn công hóa sinh hoặc hạt nhân

Trong lĩnh vực môi trường, mạng cảm biến được sử dụng để theo dõi chuyển động của những động vật hoang dã cần giám sát, nghiên cứu hoặc bảo vệ, theo dõi những động vật nhỏ như sâu, bọ; theo dõi những yếu tố môi trường ảnh hưởng đến gieo trồng và chăn nuôi; tình trạng tưới tiêu; theo dõi môi trường trái đất, sinh học bên trong lòng biển, đất, và khí quyển; phát hiện cháy rừng; nghiên cứu thời tiết hoặc địa vật lý; cảnh báo lũ lụt; nghiên cứu bản đồ sinh học phức tạp của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm

Trong lĩnh vực y tế, mạng cảm biến cung cấp những công cụ hỗ trợ giao tiếp cho người tàn tật; theo dõi bệnh nhân; hỗ trợ chẩn đoán; quản trị thuốc trong bệnh viện; giám sát từ xa dữ liệu vật lý của con người; kiểm tra và theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện Mỗi bệnh nhân có thể được gắn kết các nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ, một nút cảm biến xác định nhịp tim, trong khi nút khác đang xác định huyết áp Bác sĩ có thể cũng mang một nút cảm biến cho phép những bác sĩ khác định vị bên trong phạm vi bệnh viện Việc những nút cảm biến có thể được gắn tới từng loại thuốc, những bệnh nhân có nút cảm biến xác định những dị ứng của họ và yêu cầu thuốc tương ứng thì sẽ tránh được việc chỉ định thuốc sai

Trong lĩnh vực ứng dụng gia đình, khi công nghệ phát triển, những nút và những thành phần phát sinh cảm biến nhỏ gọn có thể được trang bị bên trong những đồ dùng gia đình như máy hút bụi, lò vi sóng, tủ lạnh, và thiết bị VCRs Những nút cảm biến này tương tác với nhau và với bên ngoài có thể nối mạng qua

Internet hoặc vệ tinh, cho phép chủ nhà quản lý từ xa thiết bị đồ dùng dễ dàng hơn

Trong lĩnh vực thương mại, mạng cảm biến được ứng dụng trong việc theo dõi chất lượng sản phẩm; xây dựng văn phòng thông minh; điều khiển môi trường trong những tòa nhà; điều khiển robot trong những nhà máy sản xuất tự động; sản xuất đồ chơi tương tác; xây dựng bảo tàng tương tác; điều khiển tự động hóa; giám sát thảm hoạ; điều khiển thiết bị khởi động; thiết bị chống mất cắp ô tô…Ví dụ trong những tòa nhà văn phòng, điều hoà không khí và nhiệt độ hầu hết là điều khiển tập trung, vì vậy nhiệt độ bên trong một phòng có thể giảm hoặc tăng một vài độ, một mặt có thể ấm hơn mặt khác vì có duy nhất một điều khiển trong phòng

và luồng không khí từ hệ thống trung tâm thì không phải là phân tán bằng nhau Một hệ thống mạng cảm biến vô tuyến phân tán có thể được thiết đặt để điều khiển luồng khí và nhiệt độ trong các bộ phận khác nhau của phòng Công nghệ này được đánh giá có thể giảm bớt đáng kể mức độ tiêu thụ điện năng

Một ví dụ khác, trong tương lai trẻ em sẽ có khả năng tương tác trực tiếp với những hiện vật trong bảo tàng Những đối tượng, hiện vật này sẽ có thể trả lời, đáp ứng qua va chạm hoặc giọng nói, qua đó giúp các em có sự hiểu biết hơn về chúng

1.1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

1.1.1 1.1.3.1 Nút cảm biến

Một nút cảm biến [ 5 ] được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản như hình 1.1

gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), bộ phận xử lý (Processing Unit), bộ phận thu phát (Transceiver Unit) và bộ phận cung cấp năng lượng (Power Unit) Ngoài

ra, chúng cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng như: Hệ

thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power Generator) và

bộ phận quản lý di động (Mobilizer)

Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter - ADCs) Tín hiệu tương tự được sản sinh bởi những thành phần cảm biến dựa vào

quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý Bộ phận xử lý thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau khác để thực hiện nhiệm vụ cảm biến được định trước Bộ phận thu phát kết nối nút với mạng Một trong những thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời Nút cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc từng ứng dụng cụ thể

Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một mô đun cỡ hộp diêm Kích thước yêu cầu đôi khi phải nhỏ hơn một 1cm3 Ngoài kích thước, nút cảm biến phải thỏa mãn yêu cầu:

 Tiêu thụ điện cực nhỏ,

 Hoạt động được ở mật độ cao,

 Có chi phí sản xuất thấp và không thiết yếu,

 Không có định danh và thực hiện tự quản trị,

 Thích ứng với môi trường

Những nút cảm biến thường là không tác động được, tuổi thọ của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của những nguồn cung cấp năng lượng cho những nút Vì kích thước giới hạn, năng lượng của nút cảm biến cũng trở thành một tài nguyên khan hiếm

1.1.3.2 Mạng cảm biến

Các nút cảm biến thường được phân bố trong trường cảm biến Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập số liệu và chọn đường để chuyển số liệu tới nút gốc

Việc chọn đường tới nút gốc theo đa bước nhảy được minh hoạ trong Hình 1.2

Nút gốc có thể liên lạc với nút quản lý nhiệm vụ thông qua Internet hoặc vệ tinh

Việc thiết kế mạng cảm biến như mô tả trong Hình 1.2 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khả năng chống lỗi, giá thành sản phẩm, môi trường hoạt động, cấu hình mạng cảm biến, tích hợp phần cứng, môi trường truyền dẫn và tiêu thụ công suất

Hình 1.2 Phân bố nút cảm biến trong trường cảm biến

Kiến trúc giao thức [ 3 ] được sử dụng bởi nút gốc và các nút cảm biến ở Hình 1.2 được trình bày trong Hình 1.3 Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tương tác giữa các nút cảm biến Kiến trúc

giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với