Đồ án tốt nghiệp

- Đồ án tốt nghiệp M CL C L IC M N.
- iii Chư ng I: Tổng quan về m ng c m bi n không dây.
- Giới thiệu mạng cảm biến không dây.
- Cấu trúc mạng cảm biến không dây.
- Đặc điểm c a cấu trúc mạng cảm biến.
- Các thành phần cơ bản c a một node cảm biến.
- Mô hình mạng trong mạng cảm biến không dây.
- Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây.
- Thủ tục thâm nhập môi tr ng MAC trong WSN.
- Các loại MAC trong mạng WSN.
- Yêu cầu c a giao th c MAC trong mạng WSN.
- Vấn đề trong truy cập kênh không dây.
- 33 Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 Đồ án tốt nghiệp 2.4.1.
- Thực nghi m, đánh giá hi u qu truyền nh n gói tin trong m ng c m bi n không dây.
- Yêu cầu thực nghiệm.
- Thực nghiệm đo hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN.
- 58 Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 Đồ án tốt nghiệp L IC M N L i đầu tiên em xin đ ợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS.
- V ơng Đạo Vy, giảng viên tr ng Đại học Công Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội , ng i đư trực tiếp h ớng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em hoàn thành đồ án này.
- Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ trong Khoa Công nghệ thông tin Tr ng Đại học Dân lập Hải Phòng đư cung cấp kiến thức cho em suốt những học kỳ qua, để em có nền tảng cơ s thực hiện đồ án này.
- Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt th i gian học tập, cũng nh quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, 07/2009 Sinh viên Nguyễn Thị Khánh Chi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 i Đồ án tốt nghiệp L I NÓI Đ U Ngày nay nh 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 l ợng và đa chức năng đư nhận đ ợc những sự chú ý đáng kể.
- Hiện nay ng i 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 tr ng, giao thông… Trong một t ơng lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ tr thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con ng i nếu chúng ta phát huy đ ợc hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có đ ợc nh mạng cảm biến không dây.
- Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng l ợng bị giới hạn và không thể nạp lại.
- Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng l ợng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau.
- Mạng cảm biến là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án “Đa thâm nhập môi tr ng trong mạng WSN” sẽ giới thiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến không dây.
- Sau đó tập trung tìm hiểu về thủ tục đa thâm nhập môi tr ng cạnh tranh trong mạng cảm biến không dây và đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin bằng phần mềm nhúng trong môi tr ng mạng cảm biến không dây.
- Đồ án này gồm có 3 ch ơng: Ch ơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Ch ơng 2: Đa thâm nhập môi tr ng trong mạng WSN Ch ơng 3: Thực nghiệm và đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 ii Đồ án tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC T VI T T T ACK Acknowledge Tin báo nhận Bộ chuyển đổi t ơng tự/số ADC Analog Digital Converter sang số/t ơng tự GPS Geopositioning System Hệ thống định vị địa lý Institute of Electrical and Tổ chức kỹ nghệ Điện và IEEE Electronic Engineering Điện Tử Điều khiển truy cập môi MAC Medium Access Control tr ng Th i gian truy cập cạnh CAP Contention Access Period tranh PHY Physical Tầng vật lý RF Radio Frequency Sóng radio ROM Read-Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc RAM Random-Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên GTS Guaranteed Time Slot Khe th i gian đảm bảo WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Đa truy cập phân chia theo TDMA Time-division multiple access th i gian Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng CSMA mang PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 iii Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Chư ng I: Tổng quan về m ng c m bi n không dơy 1.1.
- Định nghĩa: Một mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các node mạng là các vi điều khiển sau khi đã được cài đặt phần mềm nhúng kết hợp với các bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến và nó có khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu từ các node mạng và môi trường xung quanh node mạng.
- Những node cảm biến này bao gồm các thành phần: bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi.
- Kích th ớc của các con cảm biến thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
- Do số l ợng các node mạng lớn, có thể đ ợc triển khai nhiều những nơi địa lý phức tạp, nên khả năng thay thế nguồn nuôi cho từng node mạng là gần nh không thể.
- Do vậy việc quản lý năng l ợng để tăng th i gian sống của các con cảm biến là một vấn đề trọng tâm trong mạng cảm biến không dây ( bao gồm lựa chọn phần cứng, ch ơng trình nhúng tại các node).
- B i vậy mà tùy theo các loại ứng dụng mà ta có thể lựa chọn các node mạng phù hợp.
- Đặc điểm của mạng cảm biến không dây.
- Khả năng tự cấu hình, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ng i - Truyền thông vô tuyến và truyền đa b ớc - Triển khai với số l ợng lớn trên phạm vi rộng - Cấu hình mạng th ng xuyên thay đổi do môi tr ng truyền hoặc node mạng lỗi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 4 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN - Năng l ợng, bộ nhớ, khả năng xử lý có hạn Nh khả năng triển khai trên một phạm vi rộng và khả năng tự cấu hình cho mục đích giám sát, cảnh báo….
- Thêm vào đó sử dụng kênh truyền vô tuyến nên không phải đầu t triển khai cơ s hạ tầng mạng, các thiết bị phần cứng có khả năng tích hợp cao và tốn ít năng l ợng.
- B i vậy các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây ngày càng phổ biến cho các ứng dụng nh : quân sự, các ứng dụng gia đình, giám sát, cảnh báo… 1.2.
- C u trúc m ng c m bi n không dơy Các node cảm biến đ ợc phân bố trong một tr ng cảm biến, chức năng của các node là thu thập dữ liệu của đối t ợng tại khu vực nó đ ợc triển khai, truyền và chuyển tiếp dữ liệu về node cơ s ( Base station, Sink).
- Cấu trúc mạng cảm biến Sink là một thực thể, tại đó thông tin đ ợc yêu cầu.
- Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng.
- Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ nh máy tính xách tay mà Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 5 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN t ơng tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn nh Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng.
- Đặc điểm c a cấu trúc mạng cảm biến Nh trên ta đư biết mạng cảm biến không dây đ ợc triển khai với số l ợng lớn các node cảm biến trên một phạm vi rộng, các node cảm biến có các giới hạn về khả năng l u trữ đặc biệt là vấn đề về năng l ợng.
- D ới đây là một số đặc điểm nổi bật trong cấu trúc mạng cảm biến: Khả năng chịu lỗi: thể hiện việc mạng vẫn hoạt động bình th ng, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động do thiếu năng l ợng, do những h hỏng vật lý hoặc do ảnh h ng của môi tr ng.
- Khả năng mở rộng: tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà số l ợng các node cảm biến đ ợc triển khai.
- Do đó mạng mới cần phải có khả năng m rộng để có thể làm việc với số l ợng lớn các node cảm biến đ ợc triển khai.
- Môi trường triển khai: Các node cảm biến đ ợc thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện t ợng để quan sát.
- Vì thế, chúng làm việc những vùng xa xôi con ng i khó có thể kiểm soát đ ợc.
- Chúng có thể làm việc bên trong các máy móc lớn, d ới đáy biển, hoặc trong những vùng môi tr ng ô nhiễm, gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
- Tùy thuộc vào môi tr ng đ ợc triển khai mà các node cảm biến đ ợc thiết kế cho phù hợp.
- Phương tiện truyền dẫn: những mạng cảm biến multihop, các node đ ợc kết nối bằng những ph ơng tiện không dây.
- Các đ ng kết nối Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 6 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN này có thể tạo nên b i sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những ph ơng tiện quang học.
- Chi phí sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số l ợng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng.
- Do vậy chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ mức thấp.
- Ràng buộc về phần c ng: Vì số l ợng các node trong mạng rất nhiều nên các node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng nh sau: Kích th ớc phải nhỏ, tiêu thụ năng l ợng thấp, có khả năng hoạt động những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có ng i kiểm soát, thích nghi với môi tr ng.
- Topo mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node đ ợc triển khai trên tr ng cảm biến.
- Mật độ các node có thể lên tới 20node/m3.
- Do số l ợng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một topo mạng ổn định.
- Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình 3 pha sau.
- Pha tiền triển khai và triển khai: các node cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên tr ng cảm biến.
- Chúng có thể đ ợc triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể đặt từng cái một.
- Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản.
- Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 7 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN - Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các node cảm biến khác để thay thế các node gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng.
- Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 49 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Trong đó: test là chứa giá trị nhận đ ợc tr ớc đó, data là giá trị nhận đ ợc hiện tại, error là số lỗi truyền.
- data- test – 1) Có Test> data? data Test = data T Data= Data+1 Error= data -1 F Data>10 T F Data= Hiển thị 0 100 T Hình 3.3a: Thuật toán Hình 3.3b: Thuật toán node truyền node nhận Nếu gói tin gửi thành công, số lỗi error đ ợc giữ nguyên, nếu mất gói hoặc lỗi thì error tăng lên một giá trị chính bằng giá trị truyền đúng mới nhất trừ đi giá trị tr ớc khi bắt đầu lỗi và trừ đi 1.
- Tiến hành thực nghiệm và các kết quả đo được Mối liên hệ khoảng cách và hiệu quả truyền nhận gói tin: Tiến hành đo tỷ lệ nhận gói của quá trình truyền nhận các địa điểm khác nhau, cho ta đồ thị nh hình 3.14.
- môi tr ng khoảng không rộng lớn, không có vật chắn (thí nghiệm đ ợc thực hiện sân Mỹ Đình vào 10AM-11AM, nhiệt độ trung bình tầm 29- 36oC, ít ng i qua lại) và môi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 50 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây tr ng có vật chắn: cây cối, nhà… (thí nghiệm đ ợc thực hiện tại sân tr ng ĐHQG Hà Nội tầm 3PM-5PM, nhiệt độ 26-34oC, th i gian ít ng i qua lại) Hiệu quả truyền nhận gói % Khoảng cách (m) Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự liên hệ giữa khoảng cách và hiệu quả truyền nhận gói tin Nhận thấy, kết quả đo SVĐ Mỹ Đình cho tỷ lệ nhận gói tin cao hơn cùng một khoảng cách và khoảng cách truyền nhận đây cũng xa hơn.
- Tuy nhiên, trên thực tế kết quả quá trình nhận gói tin thực hiện b i các bộ nhận tại các vị trí khác nhau từ bên phát là không có quy tắc hay không theo cùng một h ớng.
- Tiến hành đo với các trục cùng tâm trong khoảng truyền nhận cho các đ ng truyền nhận gói tin thực nh hình 3.5.
- Đ ng bao của các điểm có cùng tỷ lệ nhận gói có hình dạng con sứa chứ không phải là một đ ng tròn.
- Có những điểm khoảng cách xa nh ng lại có tỷ lệ truyền nhận gói tin tốt hơn.
- Điều này có thể đ ợc giải thích là do những vị trí có fading tác động Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 51 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây mạnh làm cho tín hiệu bị sai lệch thì tỷ lệ nhận gói tin sẽ giảm xuống.
- Vì vậy tuy khoảng cách gần hơn nh ng hiệu quả truyền gói lại thấp hơn.
- Hình 3.5: Đường biểu diễn tỷ lệ nhận gói tin thực theo khoảng cách Thực nghiệm đo hiệu quả nhận gói tin khi thay đổi khoảng cách và khoảng delay: Tiến hành thí nghiệm trong phạm vi một tòa nhà.
- Sử dụng các node mạng: một node cơ s đ ợc kết nối máy tính qua RS232 làm nhiệm vụ truyền tín hiệu và node thu nhận tín hiệu đ ợc tích hợp sẵn màn hình LCD để dễ theo dõi, thu thập xử lý thông tin nhận đ ợc, di chuyển node thu nhận tín hiệu các khoảng cách khác nhau.
- Lần l ợt thay đổi khoảng delay ta sẽ thu đ ợc các kết quả đo nh trên trục đồ thị: Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 52 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Hiệu quả truyền nhận gói % Khoảng cách (m) Hình3.6: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc c a hiệu quả truyền nhận gói tin vào khoảng delay và khoảng cách Nhận xét: Khi node cảm nhận di chuyển theo các khoảng cách ta sẽ thấy có sự thay đổi đáng kể hiệu quả truyền nhận gói tin khi thay đổi khoảng delay giữa chúng.
- Kết quả đo thực nghiệm cho thấy tỷ lệ nhận gói tin tốt khi Delay nằm trong khoảng 20000< Delay < 50000 khoảng cách 5m đến 10m.
- Nh vậy khoảng delay có ảnh h ng đến tỷ lệ nhận gói theo khoảng cách trong mạng cảm biến không dây.
- K t lu n vƠ hư ng nghiên c u ti p theo Tr ng hợp thí nghiệm sử dụng thủ tục Aloha cho 2 node trong mạng WSN ta thấy: Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 53 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Trong khi bên nhận chỉ có thực hiện quá trình nhận, xử lý số liệu và hiển thị thì bên truyền sẽ phải có một khoảng th i gian nghỉ giữa các lần truyền để đảm bảo lúc truyền đi thì bên nhận cũng đư sẵn sàng nhận gói tin.
- Th i gian nghỉ này có ảnh h ng đến hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng.
- Khi giữa node truyền và node nhận đồng bộ về mặt khe th i gian nh vậy thì trong một phạm vi về mặt địa lý ta có thể xác định đ ợc các miền: Miền kết nối, miền chuyển tiếp và miền không kết nối.
- Hiệu quả truyền nhận gói % Khoảng cách (m) Hình 3.7: Các miền c a hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN + Miền kết nối là vùng trong khoảng cách mà cho tỷ lệ nhận gói cao.
- Xa hơn miền này tỷ lệ nhận gói tin giảm xuống và có xác suất khác nhau, gọi là miền chuyển tiếp.
- Miền này có độ rộng tùy thuộc từng môi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 54 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây tr ng truyền nhận.
- Sự xuất hiện miền này cho phép giải thích tính không đối xứng về không gian của tỷ lệ nhận gói tin.
- Xa hơn miền chuyển tiếp gọi là miền không kết nối, tại đây tỷ lệ nhận gói tin là rất thấp.
- Do đó nó cũng ảnh h ng đến hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng.
- Tuy nhiên các miền sẽ không bị thay đổi nếu có giải thuật cho các node tốt.
- Sau đây là giải thuật cho 3 node mạng: Thuật toán node cơ s : Kh i tạo Gửi yêu cầu Nhận Xử lý, hiển thị Hình 3.8: Thuật toán node cơ sở Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 55 Đồ án tốt nghiệp Chương III.
- Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Thuật toán node cảm nhận 1 và 2: Kh i tạo Kh i tạo Nhận Nhận Ok? F Ok? F T T Truyền Delay Delay Truyền Hình 3.9: Thuật toán node cảm nhận 1 và 2 Cho nên h ớng nghiên cứu tiếp theo của đồ án này chính là dựa vào giải thuật 3 node mạng trên, viết ch ơng trình thích hợp cho các node để tăng hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng, khắc phục nh ợc điểm của thủ tục cạnh tranh môi tr ng Aloha trong mạng WSN.
- Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 56 Đồ án tốt nghiệp Kết luận K T LU N Trong phạm vi đồ án này, em đư nghiên cứu đ ợc tổng quan về mạng WSN, thủ tục điều khiển thâm nhập môi tr ng cạnh tranh trong mạng WSN và lựa chọn một thủ tục cạnh tranh trong mạng WSN để viết ch ơng trình phần mềm nhúng đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin cho 2 node mạng trong mạng WSN.
- Vì vậy em rất mong đ ợc sự phê bình, đóng góp của các thầy, cô và các bạn sinh viên quan tâm tới vấn đề này để đồ án của em đ ợc hoàn thiện tốt hơn.
- Một lần nữa em xin chân thành cám ơn PGS.TS V ơng Đạo Vy giảng viên tr ng ĐHCN- ĐHQG Hà Nội đư nhiệt tình giúp đỡ em trong th i gian vừa qua.
- cám ơn các thầy, cô và các bạn trong tr ng ĐHDL Hải Phòng đư động viên và giúp đỡ em làm tốt khoá luận! Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 57 Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LI U THAM KH O [1]- V ơng Đạo Vy.
- Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 58 Đồ án tốt nghiệp Phụ lục Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 1