Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của[r]
Trang 1đại học quốc gia hà nội
tr-ờng đại học công nghệ
***
NGÔ đức nghị
mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi tr-ờng
Trang 2MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 4
MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 10
1.1 Giới thiệu 10
1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 11
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 11
1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng 16
1.2.3 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 17
1.2.3.1 Cấu trúc phẳng 17
1.2.3.2 Cấu trúc tầng 17
1.3 Ứng dụng 20
1.3.1 Ứng dụng trong quân đội 20
1.3.2 Ứng dụng trong môi trường 22
1.3.3 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe Error! Bookmark not defined
1.3.4 Ứng dụng trong gia đình Error! Bookmark not defined
1.4 Kết luận Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNGError! Bookmark not defined
2.1 Tổng Quan Error! Bookmark not defined.
2.2 Các giao thức MAC truyền thống Error! Bookmark not defined.
2.2.1 Aloha và CSMA Error! Bookmark not defined
2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện Error! Bookmark not defined
2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA).Error! Bookmark not defined
2.2.4 IEEE 802.11 MAC Error! Bookmark not defined
2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC Error! Bookmark not defined
2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC Error! Bookmark not defined.
2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 Error! Bookmark not defined
2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS)Error! Bookmark not defined 2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi.Error! Bookmark not defined
2.4.1 Đánh thức máy thu thứ cấp Error! Bookmark not defined
2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp Error! Bookmark not defined
2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER)Error! Bookmark not defined 2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình Error! Bookmark not defined
2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ Error! Bookmark not defined.
Trang 32.5.1 Sensor MAC (S-MAC) Error! Bookmark not defined
2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) Error! Bookmark not defined
2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) Error! Bookmark not defined
2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) Error! Bookmark not defined
2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ Error! Bookmark not defined
2.6 Các giao thức tự do tranh chấp Error! Bookmark not defined.
2.6.1 MAC tình và sự khởi động (SMACS) Error! Bookmark not defined
2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS Error! Bookmark not defined
2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng Error! Bookmark not defined
2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA)Error! Bookmark not defined
2.7 Lập lịch không tập trung Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG
PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG Error! Bookmark not defined
3.1 Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: Error! Bookmark not defined.
3.1.1 Mục đích: Error! Bookmark not defined
3.1.2 Yêu cầu thực nghiệm: Error! Bookmark not defined
3.2 Các thiết bị thực nghiệm: Error! Bookmark not defined.
3.3 Giới thiệu VDK CC1010: Error! Bookmark not defined.
3.4 Tiến hành thực nghiệm Error! Bookmark not defined.
3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán: Error! Bookmark not defined
3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng có thể
liên lạc được với nhau : Error! Bookmark not defined
3.4.1.2 Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở.Error! Bookmark not defined
3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ,
truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung Error! Bookmark not defined
KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined
TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined
Trang 4DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt Tên tiếng Anh
1 ACKs Acknowledgement
2 ADC Analog To Digital Converter
3 AEA Adaptive Election Algorithm
4 BFS Breadth-First
5 CAP Contention Access Period
6 CCA Clear Channel Assessment
7 CDMA Code Division Multiple Access
8 CFP Collision-Free Period
9 CRC Cyclical Redundancy Check
10 CSMA Carrier Sense Medium Access
11 CTS Clear To Send
12 DCF Distributed Coordination Function
13 DESS Delay-Efficient Sleep Scheduling
14 DFS Depth-First
15 DIFS Distributed Inter-Frame Spacing
16 D-MAC Data-Gathering Media Access Control
17 FDMA Frequency Division Multiple Access
18 GTS Guaranteed Time Slots
19 ID Identification
20 IEEE Institute Of Electrical And Electronics Engineers
21 LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks
22 MAC Media Access Control
Trang 523 MACA Medium Access With Collision Avoidance
24 NAV Network Allocation Vector
25 NP Neighbor Protocol
26 PAMAS Power Aware Medium-Access With Signalling
27 PAN Personal Area Network
28 PCF Point Coordination Function
29 RF Radio Frequency
30 RICER Receiver-Initiated Cycle Receiver
31 RTS Request To Send
32 SEP Schedule Exchange Protocol
33 S-MAC Sensor Media Access Control
34 SMACS Stationary Mac And Startup
35 TDMA Time Division Multiple-Access
36 TICER Transmitter -Initiated Cycle Receptions
37 T-MAC Timeout Media Access Control
38 TRAMA Traffic-Adaptive Medium Access
39 WSF Wake-Up Schedule Function
40 WSN Wireless Sensor Network
Trang 6DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến 12
Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến 13
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 16
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến 17
Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 18
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 18
Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội 22
Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường 23
Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe Error! Bookmark not defined
Hình 2.1 Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC Error! Bookmark not defined
Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu Error! Bookmark not defined
Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER Error! Bookmark not defined
Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER Error! Bookmark not defined
Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng.Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC Error! Bookmark not defined
Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole trong D-MAC Error! Bookmark not defined
Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho các khe đánh thức không đồng bộError! Bookmark not defined
Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho một cấy thu thập dữ liệuError! Bookmark not defined
Hình 2.10: Thủ tục TRAMA Error! Bookmark not defined
Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung Error! Bookmark not defined
Hình 3.1: Sơ đồ khối của CC1010 Error! Bookmark not defined
Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận Error! Bookmark not defined
Hình 3.3 Màn hình hiển thị kết quả đo Error! Bookmark not defined
Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN Error! Bookmark not defined
Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN Error! Bookmark not defined
Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN ngoài trời Error! Bookmark not defined
Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu giữa các nút mạngError! Bookmark not defined Hình 3.9 Giải thuật nút cơ sở Error! Bookmark not defined
Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận Error! Bookmark not defined
Hình 3.11 Thời gian hoạt động và ngủ của nút mạng Master và SlaverError! Bookmark not defined
Trang 7Hình 3.12 Giải thuật nút cơ sở trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủError! Bookmark not defined Hình 3.15 Giải thuật nút cảm nhận trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủError! Bookmark not defined Hình 3.16 Sơ đồ chip CC1010, vị trí đánh dấu màu đỏ đo dòng điện tiêu thụError! Bookmark not defined Hình 3.17 Thực hiện đo dòng điện trên chip CC1010 Error! Bookmark not defined
Bảng 3.2 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng ngủ Error! Bookmark not defined
Bảng 3.3 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng truyền dữ liệu Error! Bookmark not defined
Bảng 3.4 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng nhận dữ liệu Error! Bookmark not defined
Bảng 3.5 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng không truyền/nhận dữ liệuError! Bookmark not defined Hình 3.18 Phần mềm viết trên môi trường Visual C++ Error! Bookmark not defined
Bảng 3.6 Bảng thống kê tổng hợp các chế độ hoạt động của nút mạng tham gia vào một
phiên gửi dữ liệu từ nút cơ sở tới nút cảm nhận Error! Bookmark not defined
Hình 3.19 Đồ thị tuổi thọ nút mạng tỉ lệ nghịch với số nút trong mạngError! Bookmark not defined
theo hàm
38.062.0
1
N
Hình 3.20 Sơ đồ lập lịch cải tiến Error! Bookmark not defined
Trang 8MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy tính di động được phát triển mạnh mẽ Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad-hoc mobile network) mới xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế… quan tâm
Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ Thông qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý Trong khi khả năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hàng trăm thiết bị như vậy yêu cầu là phải có công nghệ mới
Nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến
Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị
Tính chất không dây của WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ nhưng có nhiều thách thức cần được giải quyết một trong những thách thức lớn nhất đó
là nguồn năng lượng bị giới hạn, các nút mạng cảm biến lại hoạt động ngoài môi trường rất khó nạp lại năng lượng Trong khi đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng Trong trường hợp mạng an ninh, mỗi nút phải sống trong nhiều năm Một nút bị lỗi sẽ làm tổn thương hệ thống an ninh.Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau
Nhận thấy tầm quan trọng của trong việc hạn chế tiêu thụ năng lượng tối đa
Trang 9trong mạng cảm biến, tác giả đã đi vào nghiên cứu vấn đề “Mạng cảm nhận không
dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường.”
Luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục
và tài liệu tham khảo
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng
quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đưa ra những tiêu chí đánh giá cho WSN cũng như tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận
Chương 2: Giới thiệu các thủ tục thâm nhập môi trường, chọn thủ tục lập
lịch tập trung đi sâu nghiên cứu
Chương 3: Thực nghiệm đo kiểm mạng WSN sử dụng phương pháp lập
lịch tập trung
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã
đạt được đồng thời cũng đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS Vương Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này
Tác giả
Ngô Đức Nghị
Trang 10CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu
Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán
sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ…
Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên
Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần :
Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng
Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người
Trang 11 Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop
Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến
Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và
1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến
Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:
Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad hoc
Các nút cảm biến dễ bị lỗi
Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên
Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm-điểm
Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán
và bộ nhớ
Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến
Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:
Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến
Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng
Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây
Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận
Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1) Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink
Trang 12Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua mạng Internet hoặc vệ tinh
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng
Giới thiệu về nút cảm biến:
Cấu tạo của nút cảm biến như sau:
Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit) Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer)