Đề tài nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây

Đề tài nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NỘI DUNG BÁO CÁO

I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

II. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

III. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG

IV. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

V. THỰC NGHIỆM

VI. TỔNG KẾT

I MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

 Tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về mạng WSN

 Nghiên cứu vấn đề năng lượng trong WSN, những

phương pháp và thuật toán để duy trì thời gian

sống của nút mạng dài

 Xây dựng chương trình mô phỏng việc quản lý

năng lượng của WSN

II MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

1.Khái niệm:

Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhận bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ cảm biến

2.Cảm biến:

Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu hay kích thích Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốc

độ, áp suất, momen

III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG

A.Vấn đề quản lý năng lượng

 Nguyên nhân quản lý năng lượng

 Hao phí năng lượng

 Phân bố năng lượng

B.Các nguồn năng lượng

 Pin

 Nguồn năng lượng khác

A Vấn đề quản lý năng lượng

 Nguyên nhân quản lý năng lượng

— Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượng

— Nút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trị

 Nguyên nhân hao phí năng lượng

— Hao phí điện năng trong quá trình xung đột

— Phí tổn điều khiển gói tin

— Nghe lỏm truyền thông không cần thiết

— Thời gian nghỉ kéo dài

 Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động:

 Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mW

 Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW

 Đánh giá :

 Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhất

 Radio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm biến

A Vấn đề quản lý năng lượng

 Phân bố năng lượng

 Bộ xử lý

 Radio

 Sensors và ADC

B.Các nguồn năng lượng

• Nguồn năng lượng mặt trời

• Nguồn năng lượng rung động cơ học

• Nguồn năng lượng từ pin…

 Chọn nguồn năng:

— Thời gian sản xuất

— Khả năng thay thế

— Giá cả ban đầu và giá cả phát sinh

— Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học

B.Các nguồn năng lượng

 Pin

— Thời gian sống

— Quá trình phát hiện pin yếu

— Cảnh báo “pin yếu”

IV QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

1 Giao thức điều đình (Mediation Device- MD)

2 Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen)

3 Giải thuật LEACH

4 Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum Power Configuration)

Giao thức điều đình

 Nút mạng tiêu thụ điện năng

trung bình theo thời gian

Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng

Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút

Giải thuật LEACH

1.Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase)

2.Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase )

3 Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation)

4 Truyền dữ liệu (Data Transmission)

Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum

Power Configuration)

 Mạng WSN cần phải giảm năng lượng tiêu thụ trong mỗi

trạng thái năng lượng của radio (trạng thái truyền, nhận, và nghỉ)

 MPC giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong tất

cả trạng thái năng lượng

Ví dụ minh họa

truyền thông từ a tới c: a → c hoặc a → b → c

-Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền

|ac| khi b đang ngủ

-Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| và b chuyển tiếp dữ liệu từ a tới c

Định nghĩa bài toán

1 Pmintx ≤ Ptx(u,v) ≤ Pmaxtx

2 G(V,E) mạng không dây

 V tập các nút

 E định nghĩa là E = {(u,v)|(u,v є V ^(Ptx (u,v)≤ Pmax

tx )}

3 Prx tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ thu

Pid tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ nghỉ

Bài toán MPC: Đưa ra mạng G(V,E) và bộ yêu cầu truyền thông I,

tìm một đồ thị G’(V’,E’), và lộ trình f(si,tj) bên trong G’ cho mỗi yêu cầu truyền thông (si,tj,ri,j) є I sao cho tổng giá trị năng lượng P(G’) là rất nhỏ

Thuật toán MBA

Input:G(V,E),bộ W = S U {t} và yêu cầu truyền

thông I

Output: G’(V’,E’)

1 Tạo ra đồ thị đầy đủ M bao gồm tất cả

các nút trong W Mỗi cạnh giữa 2 nút

trong M là đường đi ngắn nhất giữa 2

nút trong G theo giá trị cạnh D Cho 2

nguồn si và sj, Du,v =z +

(2rirj/(ri+rj))Cu,v, ( u,v ) є E Cho nguồn

si và đích t, Du,v = z + riCu,v ,( u,v ) єE

Tìm đồ thị phù hợp với đồ thị M mà có

nửa giá trị của đồ thị đầy đủ tối thiểu

tương ứng, và có nửa trong tổng số

nút

2 Các nút và cạnh của G tương ứng với

mỗi cạnh của M được thêm vào G’

Cho mỗi đỉnh tương ứng (si, sj) trong

M, chọn si làm tâm với xác suất

ri/(ri+rj), ngược lại chọn sj sẽ là tâm

Thay đổi tốc độ dữ liệu của tâm khi ri

+ rj

3 Mỗi nút không phải là tâm trong đỉnh tương

ứng của M được đưa tới W.Dừng lại nếu S

chỉ chứa đích, nếu không chuyển về bước

Cây tìm đường đi ngắn nhất

(Shortest-path Tree Heuristic -STH)

 Ý tưởng: cân bằng theo giá trị

liên quan (ri,j Cu,v) và giá trị

Bài toán ISTH

 Input: G(V,E), bộ nguồn S, đích t và

yêu cầu truyền thông I

(a) Tìm si Є W sao cho khoảng cách ngắn

nhất trong G(V,E) tới t với trọng số

2) Tốc độ dữ liệu của luồng hiện có thay đổi

3) Luồng dữ liệu được bắt đầu hoặc hoàn thành

 Giao thức mạng MASP

-chi phí định tuyến của nút trong MASP không phụ thuộc vào tốc độ

dữ liệu

V THỰC NGHIỆM

 Mục đích thực nghiệm

-Nghỉ (Idle): Chế độ radio được bật, nhưng chưa sử dụng

-Truyền (Transmit): Radio đang thực hiện truyền gói dữ liệu

-Nhận (Receive): Radio đang thực hiện nhận gói dữ liệu được gửi tới

-Ngủ (Sleep): Radio đang ở chế độ giảm điện năng

-Nghe lỏm (overhear): Radio nghe (listen) thông tin từ nút khác gửi tới nhưng không thực hiện quá trình thông tin đó

 Bài toán: Thực nghiệm nhằm đưa ra chương trình mô phỏng

minh họa chế độ năng lượng CC1010 ở chế độ idle và sleep

Minh họa trên macro ENTER_IDLE_MODE và

ENTER_SLEEP_MODE

 Mô hình thực nghiệm

 Ngôn ngữ lập trình

Chương trình thực nghiệm

Khởi tạo

-Các ngắt, bộ định thời, đèn tín hiệu -Về chế độ chờ

F

T

-Bật đèn xanh -Kích hoạt Timer0

-Về chế độ nghỉ

-Vô hiệu hoá Timer0

-Bật đèn vàng -Đèn xanh tắt

-Về chế độ ngủ

Reset

Nhấn switch1

Nhấn switch2

T

Begin

F

VI TỔNG KẾT

nguồn tích nạp từ môi trường

lượng trong mạng

và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ

Thực nghiệm:

chế độ năng lượng trên một nút mạng, phần nào đã minh họa cho lý thuyết của đồ án

LỜI CẢM ƠN !

 Mặc dù đã cố gắng nhiều, nhưng đề tài cũng

không tránh khỏi những sai sót Nếu điều kiện

thời gian và trang thiết bị cho phép em sẽ phát triển hơn nữa phần lý thuyết cũng như phần thực nghiệm

và PGS.TS Vương Đạo Vy, cùng toàn thể các

Thầy, Cô trong bộ môn CNTT đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt nhất đề tài tốt nghiệp