Luận văn Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thôi số qua điều khiển thâm nhập môi trường

-1- *** LUẬN VĂN MẠNG CẢM NAHANJ KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM MỘT SỐ THÔI SỐ QUA ĐiỀU KHIỂN THAAM NHẬP MÔI TRƯỜNG -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn khoa học nào khác. Các số liệu được trích dẫn tha khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể. Người viết cam đoan Ngô Đức Nghị -3- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................2 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................5 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN .............................................11 1.1. Giới thiệu .........................................................................................................11 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến .................................................................................12 1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến.....................................12 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 ........................................................................................18 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 ............................................................23 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình .............................................................................23 1.4. Kết luận............................................................................................................23 CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG ..............................24 2.1 Tổng Quan ........................................................................................................24 2.2 Các giao thức MAC truyền thống....................................................................24 2.2.1 Aloha và CSMA ..........................................................................................24 2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện. .................................................................24 2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA). ...............................25 2.2.4 IEEE 802.11 MAC.......................................................................................26 2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC....................................................................................26 2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC .............................................27 2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 .......................................................27 2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) ..................27 2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi. ......................................28 2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp. ........................................................................28 2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp. ........................................................28 2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER) ..........................29 -4- 2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình ........................................................................31 2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ........................................................................................32 2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) ................................................................................32 2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC)...............................................................33 2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) ..................................................................33 2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) ................................................................34 2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ.........................................................................35 2.6 Các giao thức tự do tranh chấp .......................................................................36 2.6.1 MAC tình và sự khởi động (SMACS) ..........................................................37 2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS ............................................................................37 2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng.............................................................................38 2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA) ...............................38 2.7 Lập lịch không tập trung .................................................................................40 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG...............................................................................42 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: .................................................................42 3.1.1. Mục đích:....................................................................................................42 3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm: .................................................................................42 3.2. Các thiết bị thực nghiệm: ................................................................................42 3.3 Giới thiệu VDK CC1010: .................................................................................43 3.4 Tiến hành thực nghiệm ....................................................................................46 3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán: .................................................................46 3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng có thể liên lạc được với nhau : ...........................................................................................46 3.4.1.2 Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở..............49 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. ...............................................54 KẾT LUẬN ................................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78 PHỤ LỤC ...................................................................................................................80 -5- DANH 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 -6- 23 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 -7- DANH 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 ....................................................................................... 21 Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường ................................................................................... 22 Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ....................................................................... 23 Hình 2.1. Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :................................ 25 Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC............................................................... 27 Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu. ............................................. 29 Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER................................................................... 30 Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER ................................................................. 30 Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng. ............................... 31 Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC ........................................................... 32 Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole trong D-MAC ............................................................................. 34 Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho các khe đánh thức không đồng bộ .......................................... 36 Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho một cấy thu thập dữ liệu ......................................... 37 Hình 2.10: Thủ tục TRAMA ................................................................................................. 40 Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung ................................................................................. 41 Hình 3.1: Sơ đồ khối của CC1010. ........................................................................................ 44 Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận ..................................................... 45 Hình 3.3. Màn hình hiển thị kết quả đo ................................................................................. 45 Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN............................................................................... 46 Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN........................................................................ 47 Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN ngoài trời ......................................................................... 47 Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu giữa các nút mạng ............................. 48 Hình 3.9 Giải thuật nút cơ sở ................................................................................................ 55 Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận........................................................................................ 56 Hình 3.11. Thời gian hoạt động và ngủ của nút mạng Master và Slaver................................ 58 -8- Hình 3.12 Giải thuật nút cơ sở trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ .......................... 59 Hình 3.15 Giải thuật nút cảm nhận trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ .................... 63 Hình 3.16 Sơ đồ chip CC1010, vị trí đánh dấu màu đỏ đo dòng điện tiêu thụ ........................ 66 Hình 3.17 Thực hiện đo dòng điện trên chip CC1010............................................................ 67 Bảng 3.2 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng ngủ .............................................................. 70 Bảng 3.3 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng truyền dữ liệu.............................................. 70 Bảng 3.4 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng nhận dữ liệu ................................................ 71 Bảng 3.5 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng không truyền/nhận dữ liệu .......................... 71 Hình 3.18 Phần mềm viết trên môi trường Visual C++.......................................................... 72 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 .............................................................................. 73 Hình 3.19 Đồ thị tuổi thọ nút mạng tỉ lệ nghịch với số nút trong mạng .................................. 75 theo hàm 38.062.0 1   N T .................................................................................................. 75 Hình 3.20 Sơ đồ lập lịch cải tiến ........................................................................................... 76 -9- MỞ 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 trong 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.” -10- 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 -11- CHƯƠNG 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  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 hư hỏng ở các nút  Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến. -12- 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến 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 đ