Mô phỏng và đánh giá năng lượng tiêu thụ trong mạng wireless sensor network

Nhu cầu về hệ thống khi được đưa vào sử dụng phải có khả năng sử dụng lâu dài với một nguồn năng lượng hạn chế pin và nguồn năng lượng có thể tận dụng từ tự nhiên năng lượng mặt trời, gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cánbộhướngdẫnkhoahọc : PGS TS ĐinhĐức Anh Vũ

Cánbộchấmnhậnxét1 : TS Nguyễn Minh Sơn

Cánbộchấmnhậnxét2 : TS Bùi HữuPhú

LuậnvănthạcsĩđượcbảovệtạiTrườngĐạihọc Bách Khoa, ĐHQG Tp HCMngày25tháng12năm2013 Thànhphần Hội đồngđánhgiáluậnvănthạcsĩgồm: (Ghirõhọ, tên, họchàm, họcvịcủa Hội đồngchấmbảovệluậnvănthạcsĩ) 1 PGS TS ĐinhĐức Anh Vũ

2 TS Trần Ngọc Thịnh

3 TS Nguyễn Minh Sơn

4 TS Bùi HữuPhú

5 TS Trần Ngọc Minh

XácnhậncủaChủtịch Hội đồngđánhgiá LV vàTrưởng Khoa

quảnlýchuyênngànhsaukhiluậnvănđãđượcsửachữa (nếucó)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Vũ Trọng Thiên MSHV: 11070477 Ngày, tháng, năm sinh: 15/01/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số : 60.48.01

I TÊN ĐỀ TÀI:

Mô phỏng và đánh giá năng lượng tiêu thụ trong mạng Wireless Sensor Network

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Mạng cảm biến không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng cuộc sống và khoa học, Đối với mạng cảm biến không dây, năng lượng là một vấn đề quan trọng mà cộng đồng nghiên cứu quan tâm Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu, mô phỏng và hiện thực mô hình năng lượng tiêu thụ trong các hệ thống WSN Học viên phải đưa ra một mô hình năng lượng tiêu thụ của mạng WSN và tiến hành thực hiện các

mô phỏng để đánh giá mô hình này

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/12/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Đinh Đức Anh Vũ

Tp HCM, ngày tháng năm 20

TRƯỞNG KHOA KH&KTMT

(Họ tên và chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký)

PGS TS Thoại Nam PGS TS Đinh Đức Anh Vũ

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành đề tài luận văn này tôi chân thành cảm ơn tới:

PGS TS Đinh Đức Anh Vũ, cán bộ hướng dẫn khoa học, đã không ngừng hướng dẫn, chỉ bảo và hỗ trợ trong định hướng nghiên cứu của đề tài

KS Phan Đình Thế Duy và CLB Phần cứng máy tính BKIT4U đã hỗ trợ về mặt vất chất, trang thiết bị tạo điều kiện cho đề tài được hoàn thành

ThS Bùi Văn Hiếu đã không ngừng theo sát, đôn đốc và hỗ trợ trong quá trình hiện thực đề tài

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô Khoa Khoa Học và Kỹ Thuật Máy Tính

và thầy cô trường Đại Học Bách Khoa TP HCM đã tận tình giảng dạy tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn ủng hộ, chia sẽ những khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình làm đề tài luận văn này

Tôi xin chần thành cảm ơn

TpHCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013

Học viên

Vũ Trọng Thiên

Đề tài đã thực hiện được việc xây dựng một mô hình hệ thống với năng lượng được kiểm soát dựa trên mô hình Energy Neutral Sensing Systems xoay quanh chức năng quản

lý năng lượng hệ thống Đồng thời, đề tài cũng đã khảo sát các bộ công cụ mô phỏng hiện có trong lĩnh vực WSN, thử nghiệm và đánh giá mô hình trên công cụ mô phỏng OMNeT++

Vấn đề tồn đọng của đề tài là vẫn chưa khảo sát được đầy đủ các yếu tố liên quan đến hệ thống và hệ thống mô phỏng cũng chưa thể hiện được đầy đủ mô hình đặt ra Hướng phát triển của đề tài là xây dựng hệ thống thích nghi tốt hơn, và thể hiện được các ràng buộc tham số ảnh hưởng hệ thống tốt hơn với hệ thống tại thời điểm báo cáo Hiện thực được mô hình tổng quát trên công cụ mô phỏng để kiểm tra và đánh giá

Some issues of the study is still not a full survey of factors related to system and system simulation is not shown full model poses

Study development is the study of building a better adaptation system, and demonstrate the binding parameters affect the system better with the system at the time

of reporting Implementing a general model on the simulation tool to test and evaluate

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác Kết quả mà tôi đạt được là do công sức của chính bản thân tôi cùng với sự hướng dẫn của PGS TS Đinh Đức Anh Vũ

Tôi sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình

TpHCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013

Học viên

Vũ Trọng Thiên

Mục lục

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT ii

SUMMARY iii

LỜI CAM ĐOAN iv

Mục lục v

Danh mục các từ viết tắt ix

Mục lục hình xi

Mục lục bảng xiii

Chương 1 Đặt vấn đề 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Kết quả của luận văn 4

1.5 Tổ chức của luận văn 4

Chương 2 Tổng quan về WSN 6

2.1 Giới thiệu Wireless Sensor Network (WSN) 6

2.1.1 Wireless Sensor Network là gì? 6

2.1.2 Topology của WSNs 7

2.1.3 Các kỹ thuật truyền dữ liệu trong WSNs (Routing Strategy) 11

2.2 Một số Platform phần cứng trong lĩnh vực WSN 14

2.2.1 MicaZ – Crossbow 14

2.2.2 TelosB – Crossbow 15

2.2.3 Wasmote – Libelium 17

2.2.4 Wireless Sensor Node – Arduino 18

2.3 Chuẩn Zigbee 18

2.3.1 Ưu điểm 19

2.4 Hệ thống các ứng dụng tiêu biểu dựa trên WSNs 24

2.4.1 Giám sát theo khu vực 24

2.4.2 Giám sát chăm sóc sức khỏe 25

2.4.3 Giám sát môi trường, điều kiện khí hậu, trái đất 26

2.4.4 Giám sát trong công nghiệp 26

2.4.5 Nông nghiệp 29

2.4.6 Nhà thông minh 30

Chương 3 Công cụ mô phỏng trong lĩnh vực WSN 32

3.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng trong WSN 32

3.2 Thiết kế cơ bản của các công cụ mô phỏng WSN 33

3.2.1 Sự kiện – Events 33

3.2.2 Môi trường truyền dẫn – Medium 33

3.2.3 Môi trường tự nhiên – Environment 34

3.2.4 Node mạng – node 34

3.2.5 Bộ truyền nhận – Transceiver 34

3.2.6 Bộ giao thức lớp vật lý – Physical Protocol 34

3.2.7 Bộ giao thức lớp MAC – MAC Protocol 35

3.2.8 Giao thức định tuyến – Routing Protocol 35

3.2.9 Lớp ứng dụng 35

3.2.10 Các đặc tính nên có trong các bộ mô phỏng WSN 35

3.3 So sánh các công cụ mô phỏng 36

3.3.1 NS-2 36

3.3.2 TOSSIM 38

3.3.3 GLoMoSim 39

3.3.4 COOJA (COntiki Os Java) 40

3.3.5 OMNeT++ và các bộ thư viện mô phỏng 42

3.4 Công cụ mô phỏng OMNeT++ và gói MiXiM 43

3.4.1 OMNeT++ là gì? 43

3.4.2 Ứng dụng của OMNeT++ 44

3.4.3 Các thành phần trong OMNeT++ 45

3.4.4 Mô hình trong OMNeT++ 45

3.4.5 Khái niệm mô hình hóa 46

3.4.6 Bộ framework MiXiM 50

Chương 4 Mô hình năng lượng trong WSN 52

4.1 Mô hình năng lượng node mạng WSN 52

4.1.1 Mô hình năng lượng tổng quát 52

4.1.2 Mô hình năng lượng của vi xử lý/ vi điều khiển (PEM) 55

4.1.3 Mô hình năng lượng trên bộ phận truyền nhận Transceiver (TEM) 57

4.1.4 Mô hình năng lượng của bộ phận cảm biến (SEM) 59

4.1.5 Mô hình năng lượng của bộ phận quản lý năng lượng (PSM) 60

4.2 Mô hình bộ phận quản lý năng lượng NEO System 61

4.2.1 Giới thiệu về thu thập năng lượng - Energy harvesting 61

4.2.2 Energy harvesting trong WSN 62

4.2.3 Hệ thống Energy Neutral 64

Chương 5 Hiện thực hệ thống và kết quả 67

5.1 Giới thiệu hệ thống 67

5.2 Các nghiên cứu liên quan trước đây 68

5.3 Kiến trúc tổng quát cho Energy harvesting WSNs 69

5.4 Phối hợp mô hình năng lượng tiêu thụ và lưu trữ cho PM 71

5.4.1 Bộ dự đoán EWMA 74

5.4.2 Bộ thích ứng tuyến tính – Linear Adaptation 75

5.5 Kết quả 76

Chương 6 Kết luận và đề nghị 77

6.1 Kết luận về kết quả đạt được 77

6.2 Đề nghị hướng phát triển tương lai 77

Tài liệu tham khảo 78

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 82

QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO 83

QÚA TRÌNH CÔNG TÁC 84

Danh mục các từ viết tắt

ADC Analog to Digital Conversion (or Converter)

API Application Programming Interface

CBT Calculation Before Transmission

CCA Clear Channel Assessment

CRC Cyclic Redundancy Check

CSMA-CA Carrier Multiple Access Collision Avoidance

DB Data Packet

DT Data Transmission

ENO Energy Neutral Operation

ENSS Energy Neutral Sensing System

EWMA Exponentially Weighted Moving Average

FCS Frame Checksum

FFD Full Function Device

IC Integrated Circuit

MCU Micro Controller Unit

PEM MicroProcessor Energy Model

RF Radio Frequency

RS232 Recommended Standard 232

RX Receive

SEM Sensor Energy Modal

SoC System on Chip

TEM Transceiver Energy Model

TI Texas Instruments

TX Transmit

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

USB Universal Serial Bus

WSNs Wireless Sensor Networks

WSN Wireless Sensor Network

WUB Wake-up beacon

Mục lục hình

Hình 1-1 Ví dụ WSN 1

Hình 1-2 Các vấn đề trong WSN 3

Hình 2-1 Node cảm biến 7

Hình 2-2 Network topologies 8

Hình 2-3 WSN Topologies 8

Hình 2-4 Đồ hình WSN có 7 node kế cận 10

Hình 2-5 WSNs có kiến trúc two-tiered 10

Hình 2-6 WSN có đồ hình dạng 3D 11

Hình 2-7 MicaZ – Crossbow 14

Hình 2-8 TelosB hãng Crossbow 15

Hình 2-9 Platform Wasmote hãng Libelium 17

Hình 2-10 Wireless Sensor Node – Arduino 18

Hình 2-11 Tuổi thọ pin Zigbee 23

Hình 2-12 Ví dụ ứng dụng giám sát theo khu vực 25

Hình 2-13 Ví dụ ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 25

Hình 2-14 Ví dụ ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng 26

Hình 2-15 Ví dụ trong quản lý chất lượng máy móc 27

Hình 2-16 Ví dụ ứng dụng trong việc thu thập và lưu trữ dữ liệu 28

Hình 2-17 Ví dụ ứng dụng trong giám sát chất lượng nước 29

Hình 2-18 Ví dụ ứng dụng trong nông nghiệp 30

Hình 2-19 Ví dụ ứng dụng trong nhà thông minh 31

Hình 3-1 Công cụ mô phỏng NS-2 37

Hình 3-2 Công cụ mô phỏng TOSSIM TinyViz 39

Hình 3-3 GloMoSim 40

Hình 3-4 Công cụ mô phỏng COOJA 42

Hình 3-5 Công cụ mô phỏng OMNeT++ 43

Hình 3-6 OMNeT++ 44

Hình 3-7 Module đơn giản và kết hợp trong OMNeT++ 47

Hình 3-8 Hai simple module kết nối với nhau trong một compound module 48

Hình 3-9 Hai simple module kết nối với compound module chứa chúng 48

Hình 3-10 Mô hình truyền gói 49

Hình 3-11 Mạng mô phỏng trong OMNeT++ sử dụng MiXiM Framework 51

Hình 4-1 Kiến trúc của một node cảm biến cơ bản 53

Hình 4-2 Mô hình năng lượng cơ bản của node mạng WSN 53

Hình 4-3 Sơ đồ chuyển trạng thái chip 56

Hình 4-4 Mô hình bộ phận quản lý năng lượng của node mạng 61

Hình 4-5 Ví dụ về Energy Harvesting 62

Hình 4-6 Mô hình module quản lý năng lượng với Energy harvesting 64

Hình 5-1 Kiến trúc tổng quát của energy harvesting WSN đề nghị 70

Hình 5-2 Kiến trúc Power Manager 71

Hình 5-3 PM với chu kỳ thích ứng động 72

Hình 5-4 Giao tiếp giữa 2 node mạng 73

Hình 5-5 Sự thích ứng tự động của PM đề nghị 76

Mục lục bảng

Bảng 2-1 So sánh chuẩn Zigbee và các chuẩn khác 19Bảng 2-2 Zigbee 20Bảng 5-1 Bảng năng lượng tiêu thụ trên nền tảng BK-WSN 74

đã và vẫn còn đang rất được quan tâm được đưa vào ứng dụng rất nhiều trong thực tiễn

là chuẩn IEEE 802.15.4 mà thường được đề cập đến với chủ đề: Wireless Sensor Network [1][2][3]

Hình 1-1 Ví dụ WSN

Dù đã được tìm hiểu nghiên cứu từ khá lâu, và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống nhưng Wireless Sensor Network vẫn còn được không ngừng nghiên cứu, đặc biệt nổi cộm lên là những vấn đề như [4]:

- Độ tin cậy: WSNs là các mạng không dây và do đó dễ bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như mất gói tin Đặc biệt, khi WSN được ứng dụng trong các lĩnh vực nguy hiểm như quân sự, cảnh báo cháy rừng, …thì những vấn đề về độ tin cậy này không được giải quyết triệt để có thể dễ dàng dẫn đến thảm họa nghiêm trọng

- Tiêu thụ năng lượng: năng lượng tiêu thụ trên từng node mạng, trên từng thành phần, hoặc trên cả hệ thống là những điều đáng quan tâm bởi thời gian sống của cả hệ thống sẽ bị ảnh hưởng bởi nguồn năng lượng để hệ thống hoạt động Nhu cầu về hệ thống khi được đưa vào sử dụng phải có khả năng sử dụng lâu dài với một nguồn năng lượng hạn chế (pin) và nguồn năng lượng

có thể tận dụng từ tự nhiên (năng lượng mặt trời, gió, độ rung,…) đặt ra yêu cầu bức thiết về việc nghiên cứu về vấn đề năng lượng trong hệ thống WSNs

- Kích thước node: Việc triển khai hệ thống trong môi trường thực tế đòi hỏi mỗi node mạng WSN được triển khai phải nhỏ gọn, và dễ dàng đặt để trong những điều kiện khắc nghiệt như trong nền gạch, trên thanh sắt công viên…

do đó, vấn đề kích thước node mạng đóng vai trò cũng khá quan trọng trong việc triển khai hệ thống WSN

- Tính chuyển động: đây là đặc tính trong điều kiện tự nhiên phải đối mặt, đặc tính này ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền, đồ hình mạng có thể bị thay đổi,…

- Vấn đề bảo mật: vấn đề này là một trong những vấn đề quan trọng đặc biệt trong lĩnh vực quân sự vì tính bảo mật sẽ đảm bảo nguồn thông tin được truyền, lưu trữ trên mạng là an toàn với những đối tượng muốn xâm nhập đường truyền mạng, hoặc bắt gói tin để khai thác thông tin từ mạng

tự nhiên để tái tạo, tích trữ năng lượng cho hệ thống [4]

Mô hình mạng được ứng dụng ngày càng lớn và ngày càng đòi hỏi khả năng quản

lý năng lượng trong hệ thống ngày càng tốt hơn để cải thiện vấn đề điện năng tiêu thụ Vấn đề xây dựng một mô hình quản lý năng lượng, tận dụng nguồn năng lượng sẵn có trong tự nhiên là vấn đề quan trọng trong việc triển khai hệ thống trong thực tế Ngoài

ra, đề tài cũng quan tâm đến việc khảo sát và xây dựng mô phỏng hệ thống để đánh giá năng lượng tiêu thụ

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu hướng đến 2 mục tiêu chính như sau:

- Một là xây dựng mô hình năng lượng của hệ thống ứng dụng WSN

- Hai là tìm hiểu vấn đề mô phỏng trong nghiên cứu WSN

Reliability Power Consumption

Node size Mobility Privacy and Security

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu đánh giá các mô hình năng lượng trong WSNs

Phân tích, phát triển mô hình năng lượng dựa trên yêu cầu về thời gian sống của hệ thống, khả năng tận dụng năng lượng tự nhiên thích nghi với môi trường ứng dụng của

hệ thống

Tìm hiểu đánh giá hệ thống mô phỏng WSN

1.4 Kết quả của luận văn

Xây dựng thành công mô hình năng lượng dựa trên mô hình năng lượng Energy Neutral Sensing System (ENSS), với những cải tiến trong việc kết hợp sử dụng tính toán liên quan đến siêu tụ (SuperCap) và khả năng nhận diện năng lượng trong hệ thống dẫn đến những điều khiển phù hợp của hệ thống

Tím hiểu được công cụ OMNet++ với gói MiXim hỗ trợ mô phỏng hệ thống

1.5 Tổ chức của luận văn

Tổ chức luận văn bao gồm:

- Chương 1: Đặt vấn đề: đề cập đến những vấn đề liên quan bức thiết đối với WSNs, lý do chọn đề tài nghiên cứu, mục tiêu, kết quả, định hướng của nghiên cứu

- Chương 2: Tổng quan về WSN: tìm hiểu tổng quan những vấn đề trong lĩnh vực WSN, những đặc điểm và ứng dụng của WSN

- Chương 3: Công cụ mô phỏng trong lĩnh vực WSN: trình bảy về mô hình năng lượng và các vấn đề liên quan đến năng lượng trong WSN

- Chương 4: Mô hình năng lượng trong WSN: trình bảy về mô hình năng lượng

và các vấn đề liên quan đến năng lượng trong WSN

- Chương 5: Hiện thực hệ thống và kết quả: trình bày những cái đã đạt được, những vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu

- Chương 6: Kết luận và đề nghị: kết luận tổng kết báo cáo, đưa ra những đề nghị cho hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai trên hướng nghiên cứu này

Chương 2 Tổng quan về WSN

2.1 Giới thiệu Wireless Sensor Network (WSN)

2.1.1 Wireless Sensor Network là gì?

WSN là mạng cảm biến không dây, bao gồm nhiều hệ thống cảm biến độc lập giữ những vai trò chức năng nhất định để giám sát các điều kiện vật lý, môi trường, hoặc bất

cứ tham số, yêu cầu giám sát nào mà ứng dụng cụ thể đòi hỏi và sau đó những dữ liệu này được thu thập ví dụ như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm không khí, thông số đặc trưng môi trường như pH,… gửi lên một điểm thu thập dữ liệu chính theo đường mạng Dữ liệu được thu thập có thể được sử dụng để xử lý và đưa ra những điều khiển nhất định tại bộ điều khiển nơi đặt cảm biến hoặc tại điểm thu thập dữ liệu như server dữ liệu Với những mạng WSN ở thời điểm hiện tại (2013), các mạng WSN ngày càng trở nên đa dạng về

cả kết cấu, cấu hình, phương thức hoạt động, và cách giao tiếp, điều khiển trong mạng: các node mạng kết cấu nhỏ gọn, đường giao tiếp có thể thực hiện 2 chiều, điều khiển hoạt động cảm biến một cách linh động Sự phát triển của mạng WSNs tạo động lực phát triển rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự, y tế, đời sống, công nghiệp,…[1]

Có 4 thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:

- Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố rải

- Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây hay vô tuyến)

- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering)

- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

WSN được xây dựng dựa trên những node mạng Một WSN có thể được xây dựng

từ vài nodes mạng, hoặc có thể đến hàng trăm, hàng ngàn nodes mạng tùy theo nhu cầu, diện tích, mục đích của ứng dụng WSN Các nodes trong WSN sẽ được kết nối với nhau theo chuẩn mạng (thường là chuẩn Zigbee, IEEE 802.15.4) theo một kỹ thuật kết nối nhất định (đồ hình kết nối – topology mạng và cách giao tiếp nhất định) [1] [2] [3]

Mỗi node trong WSN có cấu tạo như sau [6]:

- Một “radio transceiver” với antenna được tích hợp sẵn hoặc có kết nối với một antenna ngoài

- Một “Microcontroller” dùng để đưa ứng dụng điều khiển như mong muốn

- Một mạch điện dùng để giao tiếp với các cảm biến và một hệ thống nguồn năng lượng

- Một nguồn năng lượng như pin hoặc dạng thu thập năng lượng từ tự nhiên (energy harvesting)

Hình 2-1 Node cảm biến

2.1.2 Topology của WSNs

Sự phát triển và sự triển khai của các WSNs đã đưa những đồ hình mạng (network topologies) truyền thống theo một hướng mới Rất nhiều ứng dụng của các mạng cảm biến ngày nay đòi hỏi những sự thay đổi nhất định về mạng để giảm thiểu chi phí và sự phức tạp trong khi vẫn đảm bảo cải thiện về độ tin cậy và hiệu suất của mạng [7][8] WSNs cũng tuân theo những đồ hình mạng thông dụng và phổ biến

Hình 2-2 Network topologies

Song, WSN với những đặc thù rất riêng của mình: là mạng cảm biến không dây, khoảng cách giao tiếp giới hạn giữa 2 node (phụ thuộc vào sức mạnh của Radio Transceiver), và nhu cầu sử dụng nhất định trong thu thập, xử lý dữ liệu mà những đồ hình mạng truyền thống thường được đề cập khi tìm hiểu và nghiên cứu liên quan đến WSN là Star, Tree, Mesh

Hình 2-3 WSN Topologies

2.1.2.1 Star

Mạng kiểu Star được kết nối đến một node mạng trung tâm (Coordinator) trong giao tiếp Mỗi node không thể trực tiếp giao tiếp với nhau; tất cả giao tiếp phải được định

tuyến qua node trung tâm Mỗi node đều đóng vai trò client trong khi node trung tâm đóng vai trò server

2.1.2.2 Tree

Mạng kiểu Tree sử dụng 1 node gọi là node gốc (Root) như là router giao tiếp chính (coordinator) Mỗi node ở cấp thấp hơn node gốc trong hệ thống phân cấp có thể đóng vai trò là node trung chuyển dạng Full Function Device hoặc node lá cảm biến Reduced Function Device Mạng kiểu Tree có thể xem như là sự kết hợp giữa mạng kiểu Star và mạng kiểu Peer to Peer

2.1.2.3 Mesh

Mạng kiểu Mesh cho phép dữ liệu đến node thu thập dữ liệu trung tâm Coordinator bằng cách di chuyển dữ liệu từ node sang node Mỗi node có thể giao tiếp với nhau như thể dữ liệu được định tuyến từ node sang node cho đến khi đến đượn node đích mong muốn Dạng mạng Mesh là một kiểu mạng khá phức tạp và chi phí để triển khai cho mạng kiểu này cũng là một vấn đề cần quan tâm

2.1.2.4 Các kiểu mạng khác được đề cập trong WSNs

Từ những kiểu mạng cơ bản trên, trong lĩnh vực WSN, các nhà nghiên cứu cũng xem xét và đưa ra những đồ hình mạng nhất định dựa trên những đặc tính mạng của các kiểu mạng đã có nhằm mục đích khảo sát các thuộc tính, các vấn đề trong WSN như năng lượng tiêu thụ, độ tin cậy hay sự đụng độ, thời gian truyền dữ liệu… Do đó, trong lĩnh vực WSN hình thành nên một số tên kiểu mạng như [8][9]:

- Các kiểu mạng phân loại theo số node kế cận có thể giao tiếp: three neighbors WSN, four neighbors WSN, …

Hình 2-6 WSN có đồ hình dạng 3D

2.1.3 Các kỹ thuật truyền dữ liệu trong WSNs (Routing Strategy)

Các kỹ thuật truyền dữ liệu trong WSNs hay thường được đề cập đến trong nghiên cứu là vấn đề về chiến lược định tuyến (Routing Strategy) trong WSN, các giao thức định tuyến dùng cho WSN có thể được phân loại theo: data-centric, hierarchical or location-based; trong 3 phân loại đó thì các chiến lược định tuyến thường được sử dụng trong lĩnh vực WSN là [11][12][13]:

- Source: Chiến lược định tuyến Source được lựa chọn dựa trên đặc tính là nó không đòi hỏi nhiều về chi phí bảo trì cho đồ hình mạng

- Shortest Path: Chiến lược định tuyến Shortest Path được lựa chọ dựa trên đặc tính vì đây là chiến lược giúp cho việc xác định đường đi trong giao tiếp đơn giản và hiệu quả trong mạng

- Hierchical-geographical: Chiến lược Hierarchical-geographical được chọn vì

nó sử dụng thông tin về vị trí thông qua GPS

Các chiến lược này đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển tất cả các giao thức định tuyến khác

2.1.3.1 Data-Centric Protocols

Trong loại Data-centric Protocols, các node cảm biến hoặc yêu cầu các gói dữ liệu

đi theo dạng broadcast đến các điểm node đích và chờ đợi sự phản hồi từ các node đó Flooding là một trong những đại diện có thể lan truyền broadcast dữ liệu trong mạng WSN, tuy nhiên nó đòi hỏi phải quy định số hops (số node trung chuyển mà dữ liệu được phép qua để đến được node đích), nếu không quy định có thể việc lan truyền sẽ diễn ra trên toàn mạng với số hops là lớn nhất thì việc tiêu tốn năng lượng sẽ vượt mức mong muốn Kỹ thuật flooding có đặc tính là đỡ tốn công sức và tiền của trong việc bảo trì hệ thống đồ hình mạng hoặc các giải thuật định tuyến phức tạp, tuy nhiên, nó lại vướng phải những đặc điểm không hiệu quả như: đụng độ, sự bùng nổ gói tin trong mạng, …

Để cải thiện kỹ thuật Flooding, những vẫn dùng Data-centric protocols, thì xuất hiện những dạng thức khác của kỹ thuật này như:

- Sensor protocols for information via negotiation – SPIN : định địa chỉ trong flooding, cung cấp các thông tin dùng để ra quyết định Tuy nhiên với cách làm này thì SPIN lại không đảm bảo phân phối dữ liệu (data delivery)

- Energy-Aware Routing protocol: tập trung vào việc gia tăng thời gian sống cho hệ thống, sử dụng đường đi duy nhất cho dữ liệu khi muốn truyền từ một node đến node khác

2.1.3.2 Hierarchical Protocols

Hierarchical Protocols dựa trên mạng dạng Cluster Tree vì với dạng Cluster Tree thì

có thể quản lý tốt hơn với việc bùng nổ số node trong mạng, việc điều khiển và tận dụng nguồn tài nguyên mạng khi phân chia giao tiếp, đường giao tiếp theo các nhánh của Cluster Tree để đảm bảo gửi dữ liệu từ một node bất kỳ đến coordinator (node thu thập

dữ liệu trung tâm)

Đại diện nồi trội cho dạng này có:

- LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy): hướng đến giảm thiểu năng lượng tiêu thụ trên mỗi node mạng, ý tưởng cơ bản của LEACH

là mở rộng thời gian sống của hệ thống bằng cách chỉ cho phép các nodes được giao tiếp theo tuyến nhất định trên cluster tree đã hình thành (giao tiếp với node gần nhất trong tầm giao tiếp và có chức năng thu thập hoặc trung chuyển dữ liệu)

2.1.3.3 Location-based Protocols

Trong định tuyến dựa trên vị trí, các quyết định chuyển dữ liệu từ node này sang node khác đều dựa trên vị trí của node đích và vị trí của các node trung chuyển trung gian, và các node kế cận Điều này được thực hiện bằng cách gắn vào gói tin các thông tin về vị trí của các node trong định tuyến, vị trí này có thể được cập nhật thường xuyên phụ thuộc vào đặc tính vị trí (ví dụ như vị trí dựa trên GPS thì sử dụng công nghệ GPS

để cập nhật)

Đại diện trong dạng này có thể kể đến: MECN (Minimum Energy Communication Network) sử dụng GPS cho thiết lập vị trí, SMECN mở rộng từ MECN, GAF (Geographic Adaptive Fidelity) sử dụng kết hợp dựa trên vị trí và khả năng nhận thức về năng lượng mạng, ngoài ra còn có Geographic and Energy Aware Routing sử dụng thêm những quyết định dựa trên kinh nghiệm (selection heuristic) để định tuyến gói tin

2.2 Một số Platform phần cứng trong lĩnh vực WSN

2.2.1 MicaZ – Crossbow

Hình 2-7 MicaZ – Crossbow

2.2.1.1 Ứng dụng

- Giám sát và theo dõi an ninh trong nhà

- Âm thanh, video, độ rung và các sensor tốc độ cao khác

- Mô hình mạng rộng (1000+)

2.2.1.2 Đặc điểm:

- 2.4 GHz IEEE 802.15.4, một hệ thống đo lường không dây loại nhỏ

- Thiết kế đặc biệt cho các mạng cảm biến không dây có chiều sâu

- Tốc độ 250 kbps

- Giao tiếp không dây với các node như là một router

- Giao tiếp mở rộng cho nhiều loại sensor như ánh sáng, nhiệt độ, gia tốc, áp suất… và nhiều loại sensor board khác của Crossbow

- Micaz cho phép phát triển nhiều ứng dụng sensor và được tối ưu cho các hệ thống mạng năng lương thấp Micaz dựa vào hệ điều hành mã nguồn mỡ

TinyOS, hỗ trợ mạng ad-hoc, khả năng lập trình over-the-air, các công cụ phát triển, giao diện người dùng để phân tích và cấu hình

- Phát triển dựa trên Atmel ATmega128L ATmega128L là một vi điều khiển năng lượng thấp sẽ chạy ứng dụng từ bộ nhớ flash nội Một board điều khiển

có thể được cấu hình để chạy ứng dụng sensor, xử lý và giao tiếp trong mạng Một cổng kết nối 51 chân hỗ trợ đầu vào Analog, xuất nhập I/O, các giao tiếp I2C, SPI và UART Các giao tiếp này giúp dễ dàng kết nối đến các thiết bị ngoại vi khác

2.2.2 TelosB – Crossbow

Hình 2-8 TelosB hãng Crossbow

2.2.2.1 Ứng dụng

- Platform cho việc phát triển các nghiên cứu sự dụng năng lượng thấp

- Thí nghiệm mạng cảm biến không dây

2.2.2.2 Đặc điểm

- Là một platform được thiết kế cho phép các thí nghiệm tiên tiến từ cộng đồng nghiên cứu TelosB gộp tất cả các yếu tố cần thiết từ phòng thí nghiệm trong

một sản phẩm duy nhất bao gồm: lập trình qua USB, giao tiếp radio 802.15.4 với antenna tích hợp, một vi điều khiển năng lượng thấp với bộ nhớ mở rộng

và nhiều loại sensor Cung cấp nhiều chức năng bao gồm:

o Bộ truyền nhận RF 802.15.4/Zigbee

o Tần số 2.4 GHz – 2.4835 GHz

o Tốc độ truyền 250 kbps

o Antenna tích hợp trên board

o Vi điều khiển MSP430 tốc độc 8MHz và 10kB RAM

o Tiêu thụ năng lượng thấp

o Bộ nhớ ngoài 1MB cho lưu trữ dữ liệu

o Lập trình và thu thập dữ liệu thông qua USB

o Nhiều tùy chọn sensor như ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm

o Chạy TinyOS 1.1.10 hoặc cao hơn

- TelosB được phát triển và cung cấp đến cộng đồng bởi UC Barkeley Platform này có sự tiêu thụ năng lượng thấp cho phép kéo dài thời gian pin TelosB được cung cấp năng lượng từ 2 pin AA Nếu như được cắm vào cổng USB cho lập trình và giao tiếp, năng lượng sẽ được cung cấp từ máy tính

o Khả năng mở rộng lưu trữ với SD card

- Hỗ trợ nhiều giao tiếp ngoại vi: 7 chân input analog, 8 chân xuất nhập digital, PWM, UART, I2C, SPI và USB

2.2.4 Wireless Sensor Node – Arduino

Hình 2-10 Wireless Sensor Node – Arduino

cao và các ứng dụng trong phạm vi rộng như là chuẩn IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) Chuẩn được biết nhiều đầu tiên là Bluetooth.Tuy nhiên nó có giới hạn sức chứa các node trong mạng Có nhiều ứng dụng giám sát và điều khiển không dây được dùng trong gia đình và công nghiệp, những môi trường đòi hỏi tuổi thọ pin phải dài, tốc độ truyền thấp, ít phức tạp hơn những chuẩn khác mà Zigbee là một điển hình Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ truyền

dữ liệu thấp, tiết kiệm năng lượng hơn Một node mạng trong Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn năng lượng pin AA Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth là 10m (trong trường hợp không khuếch đại) Tốc độ truyền dữ liệu của Zigbee thua Bluetooth.Tốc độ truyền của Zigbee là lần lượt là 250kb/s, 40kb/s, 20kb/s tương ứng với các tần số 2.4GHz, 915MHz, 868MHz, trong khi của Bluetooth là 1Mb/s Zigbee sử dụng cấu hình chủ tớ cơ bản phù hợp với những mạng hình sao tĩnh trong đó thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa 254 node mạng Giao thức bluetooth phức tạp hơn bởi nó hướng tới truyền nhận file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad-hoc (ad-hoc là mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, và nó có hạn chế về không gian lẫn thời gian) [37][38]

2.3.1 Ưu điểm

Zigbee là một chuẩn phù hợp với thị trường mạng tốc độ thấp khi mà các kĩ thuật không dây khác không hướng tới Ta có thể làm một phép so sánh đơn giản giữa Zigbee với các chuẩn mạng không dây khác:

- Cố gắng truyền càng nhanh càng tốt

- Giao thức thêm nhiều đặc tính hơn

- Truyền xa và phục vụ các phương tiện

có độ phân giải cao

- Chạy pin hằng giờ hoặc hằng ngày

- Tuổi thọ sản phẩm 12-24 tháng

- Hướng mục đích truyền tốc độ thấp

- Phù hợp với các MCU 8-bits

- Điều khiển đèn và gửi dữ liệu nhiệt tới các máy điều chỉnh nhiệt

- Chạy pin hằng năm

- Tuổi thọ sản phẩm có khi hơn thập

kỷ

Bảng 2-1 So sánh chuẩn Zigbee và các chuẩn khác

Bảng 2-2 Zigbee

Zigbee cũng có thể gọi là mạng mắt lưới, có thể mở rộng phạm vi mạng và chứa khoảng hàng ngàn node Mỗi FFD (Full Function Device) trong mạng hoạt động như một router chuyển tin Giao thức định tuyến tối ưu đường đi ngắn nhất và đáng tin cậy nhất trong mạng và có thể tự động thay đổi, điều này làm cho mạng trở nên đáng tin cậy

vì khả năng tự hồi phục khi một node không được kích hoạt Điều này tương tự với tính năng dự phòng số người dùng trong Internet Mạng Zigbee chủ yếu là dành cho các cảm biến làm việc với chu kỳ hoạt động thấp (<1%) Một node mạng mới có thể được nhận biết và thêm vào trong mạng trong vòng 30 ms Đánh thức một node đang chế độ “sleep” mất 15ms, bằng với việc truy cập một kênh hay truyền dữ liệu Những ứng dụng của Zigbee giúp khả năng đính kèm, tách rời thông tin và hoạt động chế độ “sleep” nhanh chóng, giúp tiêu hao ít năng lượng, cũng như tăng tuổi thọ pin

Các tính năng nổi bật của Zigbee:

- Độ tin cậy cao:

Giao tiếp không dây vốn dĩ đã không có độ tin cậy cao Bằng chứng là dùng điện thoại di động luôn bị các vấn đề “ngắt cuộc gọi” khi đi vào thang máy hoặc tín hiệu chập

chờn Điều đó là do sóng radio không tốt Các sóng này bị chặn bởi các khối kim loại, nước, hay bê tông, và phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác như thiết kế an-ten, độ khuếch đại năng lượng, hoặc là điều kiện thời tiết Tuy nhiên, không phải tất cả đều có cùng giải pháp khắc phục, có thể là đi tìm chỗ có tín hiệu tốt hơn hoặc là thử vào lúc khác Zigbee hiểu được điều này và có thể đáp ứng những nhu cầu đó Zigbee đạt được điều này bằng các cách sau:

o EEE 802.15.4 với O-QPSK and DSSS

o CSMA-CA

o 16-bit CRCs

o Xác nhận tại mỗi hop

o Mạng mắt lưới cho phép tìm đường đi đáng tin cậy

o Xác nhận End-to-end kiểm tra dữ liệu có đến được đích hay chưa

IEEE 802.15.4 là kỹ thuật hiện đại với sóng radio mạnh mẽ được xây dựng trên 40 năm kinh nghiệm của IEEE Nó sử dụng Offset-Quadrature Phase-Shift Keying

(O-QPSK) và Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), một sự kết hợp các kỹ thuật giúp hoạt động tốt trong môi trường tỷ lệ tín hiệu/ tạp âm thấp(signal - to – noise) Zigbee cũng sử dụng Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMACA)

để tăng độ tin cậy Trước khi truyền dữ liệu, Zigbee sẽ lắng nghe kênh.Khi đã rõ, nó sẽ bắt đầu truyền Điều này ngăn không cho sóng truyền sang kênh khác, gây hỏng dữ liệu CSMA-CA cũng tương tự như hai người đàm thoại với nhau, một bên phải đợi cho đối phương kết thúc thì mới bắt đầu nói Zigbee sử dụng CRC 16 bits trên mỗi gói tin, được

gọi là Frame Checksum(FCS) để đảm bảo các bit dữ liệu chính xác CRC (cyclic

redundancy check) là một loại hàm băm, được dùng để sinh ra giá trị kiểm thử, của một

chuỗi bit có chiều dài ngắn và cố định, của các gói tin vận chuyển qua mạng hay một khối nhỏ của tệp dữ liệu Giá trị kiểm thử được dùng để dò lỗi khi dữ liệu được truyền hay lưu vào thiết bị lưu trữ Giá trị của CRC sẽ được tính toán và đính kèm vào dữ liệu trước khi dữ liệu được truyền đi hay lưu trữ Khi dữ liệu được sử dụng, nó sẽ được kiểm thử bằng cách sinh ra mã CRC và so khớp với mã CRC trong dữ liệu Mỗi gói tin sẽ thử

3 lần trong tổng số 4 lần truyền Nếu gói tin ko thành công trong 4 lần truyền, thì Zigbee

sẽ thông báo cho node gửi không hoàn thành Một cách khác mà Zigbee đạt được độ tin cậycao là sử dụng mạng mắt lưới Mạng mắt lưới đưa ra ba khả năng tăng cường cho mạng không dây: mở rộng phạm vi thông qua multi-hop, thông tin ad-hoc của mạng, tự tìm và sửa đường kết nối Với mạng mắt lưới, dữ liệu từ node thứ nhất có thể đến bất kỳ node nào trong mạng Zigbee, mà không cần quan tâm đến khoảng cách miễn là nằm trong vùng phủ sóng của nhau

- Chi phí thấp:

Giảm chi phí Zigbee không chỉ giảm giá thành silicon Thêm vào đó là giảm giá thành MCU và sóng radio, những ứng dụng phát triển Zigbee sẽ rẻ hơn theo những cách sau:

o Sử dụng sóng tần số 2.4 GHz

o Sự thống nhất giữa IEEE 802.15.4 và Zigbee

o Có các module có thể chạy được trên board Zigbee

o Công nghệ lõi miễn phí

o Chỉ yêu cầu trên môi trường phát triển chi phí thấp

o Các chuyên gia Zigbee sẵn sàng tư vấn và tùy chỉnh công nghệ

802.15.4 đều nhận sóng tần số 2.4 GHz và 915 MHz Trong khi 2.4GHz là chuẩn toàn cầu, miễn phí còn 915MHz thì lại phổ biến ở MỸ.Một cách khác là sử dụng các module có sẵn.Với cách này thì chi phí phát triển chỉ nằm ở khâu phần mềm Một khía cạnh giúp cho Zigbee có giá thành thấp là được sử dụng công nghệ miễn phí Zigbee sử dụng kỹ thuật mã hóa AES-128bit, đây là chuẩn miễn phí được chấp nhận trên toàn cầu Ngoài ra nó còn sử dụng AODV, một giải thuật mạng mắt lưới trong miền công cộng

- Tiêu tốn ít năng lượng:

Các thiết bị Zigbee chạy bằng pin AA Tùy thuộc vào ứng dụng mà các thiết bị này tiêu hao ít hay nhiều năng lượng.Một lý do mà chúng tiêu hao ít năng lượng là do sóng các thiết bị này có chế độ “sleep”.Một node trong mạng Zigbee không cần phải giữ liên

lạc thường xuyên với mạng để duy trì giao tiếp Thực tế mạng Zigbee hoạt động không náo nhiệt Một sensor chỉ có thể thông tin 1 lần mỗi giờ, nếu như không thay đổi đột ngột Một light switch có thể nhấp nháy 6- 10 lần mỗi ngày hoặc ít hơn

Hình 2-11 Tuổi thọ pin Zigbee

- Bảo mật cao:

Về bảo mật, Zigbee sử dụng the National Institute of Standards and Technology (NIST) Advanced Encryption Standard (AES).Với chuẩn này, AES-128, một khối cypher mã hóa và giải mã các gói bằng một cách rất khó để crack

Lý do để Zigbee sử dụng chuẩn này là :

o Chuẩn được thế giới công nhận và tin tưởng

o Miễn phí

o Dễ thực thi với processor 8 bit

Zigbee cung cấp mã hóa, nghĩa là các gói tin không được hiểu bởi các node lắng nghe mà không biết khóa, và chế độ xác thực, nghĩa là các node gây hại ko lấy một gói tin truyền hỏng trong mạng ,các node Zigbee sẽ loại bỏ chúng

- Chuẩn mở rộng toàn cầu:

Để có được tiêu chuẩn chi phí thấp và tốn ít năng lượng thì Zigbee đã thêm một ràng buộc đó là truyền tốc độ thấp Điều này là cần thiết vì các dịch vụ như audio, video đòi hỏi nhiều băng thông Zigbee dựa trên bộ thu phát IEEE802.15.4, hoạt động ở tần số 2.4GHz và giao tiếp ở tốc độ 250kb/s, nhưng với cơ chế mã hóa/ giải mã và giao thức xác nhận hoàn toàn được áp dụng,thì through-put thật sự chỉ gần 25kb/s Bộ thu phát là half duplex, nghĩa là quá trình truyền nhận không cùng lúc, đây cũng là yếu tố làm giảm through-put từ 250 xuống còn 25 kb/s Radio cũng dự kiến chia sẽ các kênh (16 kênh), mỗi 2 kênh cách nhau 5 MHz Bộ thu phát Zigbee chia sẻ tần số 2.4GHz với các mạng không dây khác như WiFi, Bluetooth

Như vậy để cùng tồn tại với những mạng này thì Zigbee đã chọn giải pháp giữ cho tốc độ dữ liệu trong các ứng dụng ở mức thấp Hiện nay thì các stack Zigbee ko còn hoạt động ở sóng 915MHz của chuẩn 802.15.4 nữa nhưng có khả năng hoạt động khi chuẩn 802.15.4b được thông qua trong đó tỷ lệ dữ liệu cao hơn 40kb/s tại tần số giao tiếp 915MHz hiện tại

IEEE 802.15.4 là chuẩn mà IEEE đưa ra với mục đích hướng về giải pháp có độ phức tạp, chi phí, mức tiêu thụ năng lượng cực thấp và tốc độ thấp giữa các thiết bị rẻ tiền Tốc độ dữ liệu thô sẽ đủ cao (tối đa 250 kb/s) dành cho các ứng dụng như sensor, báo động, hay các thiết bị giá trị thấp khác

2.4 Hệ thống các ứng dụng tiêu biểu dựa trên WSNs

2.4.1 Giám sát theo khu vực

Giám sát theo khu vực là một ứng dụng quen thuộc dùng để giám sát một số đặc tính nhất định như phát hiện đột nhập, các đường ống dẫn gas hay dầu, mật độ, áp dụng trong quân sự, dân dụng, quản lý tài nguyên môi trường,…