Nén dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN PHƢƠNG NÉN DỮ LIỆU TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Chun ngành : Cơng Nghệ Thông Tin LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Công nghệ thông tin NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Ngô Quỳnh Thu Hà Nội – Năm 2014 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu cảm biến không dây MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU 1.Lý lựa chọn đề tài 2.Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng, phạm vi áp dụng 3.Các nội dung chính, đóng gói 4.Phƣơng pháp nghiên cứu Nội dung luận văn CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 1.1 Mạng cảm biến không dây 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu trúc mạng WSN 1.1.3 Kiến trúc giao thức mạng : 12 1.1.4 Ứng dụng WSN 13 1.1.5 Hoạt động 15 1.2 Internet of things 16 1.2.1 Khái niệm 16 1.2.2 Lịch sử phát triển 17 1.2.3 Phạm vi ứng dụng 17 1.2.4 Đặc điểm 18 1.3 Mơ hình mạng 20 1.3.1 Giới thiệu chung RPL 20 1.3.2.Khái niệm, thuật ngữ sử dụng RPL 21 1.3.3 Các chế hoạt động RPL 23 1.4 Các hƣớng tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây 31 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu cảm biến không dây 1.5 Kết luận 36 CHƢƠNG : TÌM HIỂU GIẢI PHÁP 38 2.1 Mã hóa liệu để tƣơng thích với RPL 38 2 Tìm hiểu ba phƣơng thức xử lý liệu 41 2.1 Nén liệu sử dụng hàm tiên đốn tuyến tính 41 2.2 Nén liệu dựa chênh lệch giá trị 42 2.2.3 Nén liệu tổng hợp 45 CHƢƠNG III: CÀI ĐẶT MÔ PHỎNG THỬ NGHIỆM 47 3.1.Giới thiệu hệ điều hành contiki 47 3.1.1.Giới thiệu Contiki 47 3.1.2 Phƣơng thức hoạt động Contiki 49 3.1.3 Kiến trúc giao thức mạng Contiki 54 3.1.4 uIP STACK 55 3.1.5RIME STACK 59 3.1.6 Công cụ mô Contiki 61 3.1.7 Kết luận 62 3.2 Mô phân tích đánh giá kết 63 3.2.1 Kịch mô 63 3.2.2 Phân tích đánh giá kết 65 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu cảm biến không dây LỜI CAM ĐOAN Luận văn Thạc sĩ “Nén liệu mạng cảm biến không dây”, chuyên ngành Công nghệ thông tin cơng trình cá nhân tơi Các nội dung nghiên cứu kết trình bày luận văn trung thực rõ ràng Các tài liệu tham khảo, nội dung trích dẫn ghi rõ nguồn gốc Ngày 15 tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Phuơng Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu cảm biến không dây DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RPL IPv6 Routing Protocol For Low Power And Lossy Network Giao thức định tuyến cho mạng lƣợng thấp có tổn hao DAG Directed Acyclic Graph Đồ thị có hƣớng khơng chu trình WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến khơng dây ID Identifycation DIS DAG Information Solicitation Bản tin yêu cầu thông tin DODAG DIO DAG Information Object Bản tin thông tin DODAG DAO Destination Advertisment Object Bản tin quảng bá đích đến ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển tin Internet PDR Packet Delivery Ratio Tỉ lệ truyền nhận gói tin PDC Packet Delivery Cost Chi phí truyền nhận gói tin RFC Request For Comments UDP User Datagram Protocol Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến khơng dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần nút cảm biến 10 Hình 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 12 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 12 Hình 1.4 Một vài ứng dụng mạng cảm biến không dây 15 Hình 1.5: Tổng quan ứng dụng Internet Of Things 16 Hình 1.6: Một ứng dụng IoT : nhà thông minh 18 Hình 1.7 :Mơ hình RPL DAG 21 Hình 1.8 : Các hƣớng tiết kiệm lƣợng 32 Hình 1.9 Phân loại phƣơng pháp hƣớng liệu 34 Bảng 2.1 : Giá trị nhiệt độ độ ẩm, cƣờng độ ánh sáng kiểu số thực 39 Bảng 2.2 : Giá trị nhiệt độ độ ẩm chuyển độ sang số nguyên 40 Hình 2.3 So sánh liệu phƣơng pháp nén sử dụng hàm tiên đốn tuyến tính phƣơng pháp sử dụng độ chênh lệch 44 Hình 3.1 Lịch sử phát triển Contiki 48 Hình 3.3 phƣơng thức sử dụng nhớ Event-driven 50 Hình 3.4 So sánh luồng điều khiển Threads events 50 Hình 3.5 Ví dụ Protothreads 51 Hình 3.6 Sử dụng Protothread Contiki Process 52 Hình 3.7 Ví dụ sử dụng Etimer 53 Hình 3.8 Ví dụ sử dụng Ctimer Contiki 53 Hình 3.9 Kiến trúc giao thức mạng Contiki 54 Hình 3.10 Sơ đồ hoạt động ứng dụng Contiki 55 Hình 3.11 uIP STACK 56 Hình 3.12 Cấu trúc Rime 60 Hình 3.13 Màn hình mơ Cooja 62 Bảng 3.14 : Các thông số nút cảm biến mô 63 Hình 3.15 :Mơ hình minh họa cho việc định tuyến tìm đƣờng 65 Hình 3.16: Đánh giá độ xác liệu nhiệt độ sau 50 vòng 66 Hình 17 :Thành phần lƣợng tiêu thụ 68 Hình 3.18 : Năng lƣợng tiêu thụ trung bình sau 50 vịng(uW.h) 68 Hình 3.19 : Năng lƣợng tiêu thụ cho việc truyền tin trung bình sau 50 vịng 70 Hình 3.20 : Phân bố lƣợng lại sau 50 vòng 72 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây PHẦN MỞ ĐẦU 1.Lý lựa chọn đề tài Cùng với phát triển công nghệ thông tin truyền thông, mạng cảm biến khơng dây ngày đóng vai trị quan trọng đời sống, cụ thể lĩnh vực : nhƣ theo dõi môi trƣờng, quân sự, y tế, nông nghiệp… Khi triển khai mạng cảm biến không dây cho mục đích theo dõi điều kiện mơi trƣờng ứng dụng cảnh báo thiên tai, việc cập nhật liệu cảm biến, xác định thay đổi đột ngột cảnh báo vƣợt ngƣỡng phải đảm bảo tối thiểu hóa lƣợng tiêu thụ nhiệm vụ quan trọng Hiện nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lƣợng lĩnh vực khác Vấn đề lƣợng lý em lựa chọn động lực giúp em hồn thành đề tài 2.Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi áp dụng - Mục đích Đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp nén liệu mạng cảm biến không dây để đƣa phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng cho mạng cảm biến không dây Để đạt đƣợc mục tiêu đề tài tập trung vào nhiệm vụ cụ thể sau: o Tìm hiểu sở lý thuyết mạng cảm biến không dây, Internet of things, giao thức RPL (Routing Protocol For Low Power and Lossy Network) o Tìm hiểu phƣơng pháp nén dựa vào phƣơng pháp để đƣa phƣơng pháp thích hợp để nâng cao hiệu mạng cảm biến không dây o Giới thiệu môi trƣờng cài đặt, phƣơng thức mô thông số, phân tích đánh giá mơ - Đối tượng, phạm vi áp dụng Nghiên cứu đặc điểm, đặc trƣng mạng cảm biến không dây, thành phần mạng cảm biến, Internet of things, giao thức RPL Cài đặt mô hệ điều hành Contiki có tích hợp sẵn giao thức RPL Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây 3.Các nội dung chính, đóng gói Luận văn nghiên cứu lý thuyết phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây thực cài đặt mô hệ điều hành Contiki Là sở cho phát triển toán tiết kiệm lƣợng nâng cao hiệu cho mạng cảm biến không dây sau 4.Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ công nghệ liên quan Tổng hợp tài liệu lý thuyết phƣơng pháp nén liệu mạng cảm biến không dây - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Phân tích tốn nén liệu để tiết kiệm lƣợng nâng cao hiệu cho mạng cảm biến không dây Cài đặt mô phỏng, thử nghiệm liệu tham khảo từ thực tế Nội dung luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng cụ thể nhƣ sau: CHƢƠNG 1: Cơ sở lý thuyết Trình bày số lý thuyết mạng cảm biến không dây, Internet of things, giới thiệu giao thức RPL hƣớng tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến khơng dây CHƢƠNG 2: Tìm hiểu giải pháp Tìm hiểu ba phƣơng pháp xử lý liệu sử dụng thuật toán nén mã hóa CHƢƠNG 3: Cài đặt mơ thử nghiệm đánh giấ kết Giới thiệu môi trƣờng cài đặt, phƣơng thức mô thông số Phân tích đánh giá kết mơ Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHÂN TÍCH BÀI TỐN 1.1 Mạng cảm biến khơng dây 1.1.1 Giới thiệu Ngày với phát triển nhƣ vũ bão khoa học công nghệ tạo nhiều ứng dụng phục vụ cho sống ngƣời, nhƣ phục vụ cho mục đích nghiên cứu khoa học Cũng nhờ tiến lĩnh vực truyền thông vô tuyến mà mạng sử dụng sensor giá thành thấp, tiêu thụ lƣợng thực đa chức đƣợc ý nghiên cứu phát triển Những sensor có kích cỡ nhỏ thực việc thu phát liệu giao tiếp với chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Dựa sở đó, ngƣời ta thiết kế mạng cảm biến không dây nhằm phát kiện tƣợng, thu thập truyền liệu, truyền thông tin cảm nhận đƣợc đến ngƣời dùng Mạng cảm biến khơng dây có đặc điểm sau:  Có khả tự tổ chức  Truyền thông quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop  Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm ứng  Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading hƣ hỏng nút  Các giới hạn mặt lƣợng, công suất phát, nhớ cơng suất tính tốn 1.1.2 Cấu trúc mạng WSN 1.1.2.1 Cấu trúc node mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến trƣớc hết phải chế tạo phát triển nút cấu thành mạng - nút cảm biến Các nút phải thỏa mãn số yêu cầu định tùy theo ứng dụng: Chúng phải có kích thƣớc nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu lƣợng, có thiết bị cảm biến xác cảm nhận, thu thập thơng số mơi trƣờng, có khả tính tốn có nhớ đủ để lƣu trữ, phải có khả thu phát sóng để truyền thơng với nút lân cận Mỗi nút cảm ứng đƣợc cấu thành Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây thành phần bản, nhƣ hình 1.2, cảm nhận (a sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng nhƣ hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.1 Các thành phần nút cảm biến Các phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC) Dựa tƣợng quan sát đƣợc, tín hiệu tƣơng tự tạo sensor đƣợc chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đƣợc đƣa vào xử lý Bộ xử lý thƣờng đƣợc kết hợp với lƣu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Chúng gửi nhận liệu thu đƣợc từ nút lân cận tới nút khác tới sink Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến không dây nguồn Bộ nguồn số loại pin Để nút có thời gian sống lâu nguồn quan trọng, phải có khả nạp điện từ mơi trƣờng nhƣ lƣợng ánh sang mặt trời Ngoài có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm ứng mạng u cầu có độ xác cao vị trí Vì cần phải có định vị Các phận di động, đôi lúc cần để dịch chuyển nút cảm ứng cần thiết để thực 10 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến khơng dây mà cịn có khả đáp ứng ứng dụng TCP/IP với uIP Nhờ Contiki tạo mạng có khả hỗ trợ ứng dụng cách phong phú, đa dạng 3.2 Mơ phân tích đánh giá kết 3.2.1 Kịch mô Em thực mô mạng cảm biến không dây triển khai hệ điều hành Contiki, sử dụng công cụ mô Cooja Các nút cảm biến đo thông số nhiệt độ, độ ẩm, cƣờng độ ánh sáng gửi liệu nút gốc Các nút cảm biến có mức lƣợng cố định, đồng khơng có khả nạp lƣợng Nút cảm biến đƣợc sử dụng mô thuộc kiểu Tmote Sky, mẫu phổ biến cho mạng cảm biến không dây dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Tham số Giá trị Loại nút cảm biến Tmote Sky Dữ liệu cảm biến Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Số nút gốc Số nút cảm biến 20 Phạm vi mạng 270m × 270m Phạm vi truyền tin 50m Mức lƣợng ban đầu 1mW Ngƣỡng thấp 1% (0.01mW) Thời gian chờ thiết lập mạng 60 giây Chu kì 20 giây Bảng 3.14 : Các thông số nút cảm biến mô Sau trình khởi tạo mạng, nút thiết lập kết nối tới nút gốc truyển tin chứa liệu theo chu kì phụ thuộc vào kịch xây dựng Em mô theo kịch sau : 63 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây  Kịch 1: Truyền liệu nút gốc mà không qua nén: ba loại liệu nhiệt độ, độ ẩm, cƣờng độ ánh sáng đƣợc truyền gói tin  Kịch 2: Truyền liệu nén phƣơng pháp nén sử dụng hàm tiên đốn tuyến tính: thực nén tuyến tính với số mẫu cho nhiệt độ độ ẩm, cƣờng độ ánh sáng hầu nhƣ khơng đổi nên ta khơng cần dự đoán Sau nén loại liệu, ta kết hợp kết thu đƣợc lại, truyền gói tin  Kịch 3: Truyền liệu nén phƣơng pháp nén sử dụng độ chênh lệch hai giá trị: tính độ chênh lệch mẫu cần gửi giá trị mẫu trƣớc đó, sau ta truyền giá trị chênh lệch nút gốc  Kịch 4: Truyền liệu nén phƣơng pháp nén tổng hợp: đƣa vào ngƣỡng 0.01 cho nhiệt độ, ngƣỡng 0.05 cho độ ẩm, ngƣỡng cho cƣờng độ ánh sáng (vì cƣờng độ ánh sáng thay đổi) Đầu tiên ta tính giá trị chênh lệch mẫu với mẫu trƣớc đó, giá trị vƣợt qua mức ngƣỡng đƣợc truyền nút gốc, ngƣợc lại khơng truyền Cả ba loại liệu đƣợc truyền gói tin Qua việc mô bốn kịch này, em so sánh lƣợng tiêu hao phƣơng pháp nén kịch với lƣợng tiêu hao khơng nén Sau so sánh phƣơng pháp với để tìm phƣơng pháp nén đạt hiệu tốt 64 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến khơng dây Hình 3.15 :Mơ hình minh họa cho việc định tuyến tìm đường Để tiện cho việc so sánh hiệu mạng phƣơng pháp, em thực với mơ hình mạng gồm nút gốc(ID1), 20 nút cảm biến (ID 2…21) đƣợc đặt theo vị trí tuyến tính thẳng hàng nhƣ Việc theo dõi nút hoạt động hay chết đƣợc phân biệt đèn LED trang bị nút Khi nút có mức lƣợng xuống dƣới ngƣỡng quy định đèn LED sáng, báo hiệu nút ngừng hoạt động 3.2.2 Phân tích đánh giá kết 3.2.2.1 Đánh giá độ xác liệu Với liệu nhiệt độ, độ xác liệu nhận đƣợc nút gốc so với liệu cảm biến đƣợc thể biểu đồ sau : 65 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Hình 3.16: Đánh giá độ xác liệu nhiệt độ sau 50 vòng Với liệu truyền nhiệt độ, sau 50 chu kỳ theo phƣơng pháp không nén, liệu nhận đƣợc nút gốc trùng với liệu cảm biến đƣợc truyền mơi trƣờng lý tƣởng 100% Cịn theo phƣơng pháp đề xuất liệu truyền liệu nhận sever có sai khác định Theo phƣơng pháp dự đoán, giá trị truyền độ chênh lệch giá trị dự đốn tính đƣợc giá trị cảm biến trƣớc nút cảm biến Khi bên nút gốc, liệu sau khơi phục liệu dự đốn, ln dao động quanh giá trị cảm biến thật nút cảm cảm biến Với phƣơng pháp nén theo độ chênh lệch, có sai khác với giá trị gốc nhƣng dao động nhỏ, giá trị nhận đƣợc gần với giá trị thật phƣơng pháp dự đoán tuyến tính Do giá trị truyền giá trị sai lệch lần cảm biến, nên nút gốc nhận đƣợc giải mã khơi phục giá trị ban đầu với độ xác cao Tuy nhiên lần truyền với giá trị sai lệch khơng lãng phí tài ngun cần có ngƣỡng quy định truyền nút gốc Phƣơng pháp nén tổng hợp đề xuất để cải tiến điều đó, ngồi đảm bảo độ xác liệu 66 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây truyền giảm đƣợc số lần truyền qua tiết kiệm đƣợc tài nguyên cho nút cảm biến Nhìn vào biểu đồ ta thấy với phƣơng pháp dự đoán, với giá trị đầu khơng có giá trị sai lệch Nhƣng từ giá trị thứ 6, bắt đầu thực dự đoán kết nên giá trị nhận đƣợc giá trị cảm biến thật có sai khác định, dao động chênh lệch giá trị thay đổi khác vòng, phụ thuộc vào giá trị cảm biến trƣớc Với phƣơng pháp nén tổng hợp, giá trị nhận đƣợc trùng với giá trị cảm biến thật Nhƣng từ giá trị thứ nhận đƣợc trở phụ thuộc vào giá trị trƣớc có sai lệch định Với việc kết hợp với ngƣỡng truyền về, có vịng mà giá trị lớn ngƣỡng đƣợc gửi nút gốc có vịng giá trị khơng đƣợc truyền độ lớn nhỏ ngƣỡng Nên có sai lệch giá trị nhƣng độ trễ thơng tin cần đƣợc xem xét cẩn trọng 3.2.2.2 Hiệu sử dụng lƣợng Các giá trị CPU, TRANSMIT, LISTEN, LPM tƣơng ứng với lƣợng tiêu thụ xử lý CPU, truyền tin, nghe nhận tin, trạng thái ngủ Trong thành phần lƣợng CPU phụ thuộc vào độ phức tạp tính tốn xử lí nút cảm biến Năng lƣợng truyền TRANSMIT phụ thuộc vào số lần truyền tin kích cỡ gói tin Năng lƣợng nghe nhận tin LISTEN chiếm tỉ lệ lớn phụ thuộc vào chế kiểm soát tin, nghe thông tin từ nút xung quanh nhận gói tin Năng lƣợng LPM lƣợng tiêu thụ thời gian nút ngủ, chiếm phần nhỏ tổng lƣợng tiêu thụ nút cảm biến 67 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Hình 17 :Thành phần lượng tiêu thụ Hình 3.18 : Năng lượng tiêu thụ trung bình sau 50 vòng(uW.h) Trong đồ án tốt nghiệp này, em tập trung nghiên cứu theo hƣớng làm giảm mức lƣợng tiêu thụ TRANSMIT qua làm giảm tổng mức lƣợng tiêu thụ nút cảm biến 68 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Qua trình mơ mơ hình mạng cảm biến không dây với 20 nút cảm biến nút gốc với phƣơng pháp : khơng nén, dự đốn, chênh lệch, tổng hợp Sau 50 vịng thu đƣợc mức lƣợng tiêu thụ trung bình nút theo phƣơng pháp Kết thu đƣợc, sử dụng phƣơng pháp nén dự đốn tuyến tính tiết kiệm cho nút cảm biến xấp xỉ 7% mức lƣợng tiêu thụ so với phƣơng pháp không nén Còn sử dụng phƣơng pháp nén theo chênh lệch tiết kiệm cho nút cảm biến khoảng 3% lƣợng tiêu thụ so với không nén Trong với phƣơng pháp nén tổng hợp tiết kiệm cho nút cảm biến khoảng 9,5% lƣợng tiêu thụ Với phƣơng pháp không nén, sau cảm biến đƣợc giá trị thực gộp mẫu thành tin truyền Việc truyền tin chứa giá trị gốc với kích thƣớc lớn u cầu lƣợng tiêu hao lớn cho việc truyền xử lý gói tin Ta nhận thấy với phƣơng pháp nén dự đoán tuyến tính, nhờ dự đốn giá trị truyền gộp mẫu giá trị chênh lệch thơng số thay vị giá trị gốc tiết kiệm đƣợc lƣợng tiêu thụ cho nút cảm biến Hiệu phƣơng pháp dự đoán tuyến tính tốt so với phƣơng pháp nén chênh lệch không nén, nhƣng hiệu không cao phƣơng pháp nén tổng hợp Với phƣơng pháp nén chênh lệch giá trị, có tiết kiệm đƣợc lƣợng, nhƣng hiệu khơng cao Thay gửi tin chứa giá trị gốc phƣơng pháp nén chênh lệch gửi giá trị sai lệch nút gốc nên kích thƣớc tin nhỏ tiết kiệm đƣợc lƣợng truyền Nhƣng phải ý rằng, lƣợng tiêu thụ nút cảm biến gồm lƣợng xử lý, nghe, trạng thái ngủ, truyền liệu Trong lƣợng tiêu hao cho trạng thái nghe xử lý chiếm tỷ lệ lớn lƣợng truyền Vì vậy, kích thƣớc gói tin thƣờng nhỏ, giảm đƣợc lƣợng truyền phần nhƣng hiệu lƣợng không cao Thay ta cải tiến thêm giảm số lần truyền để giảm tài nguyên cảm biến 69 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Với phƣơng pháp nén tổng hợp, cải tiến từ phƣơng pháp nén chênh lệch giá trị kết hợp với ngƣỡng Nhờ có ngƣỡng mà quy ƣớc giá trị đƣợc truyền qua giảm đƣợc tin có sai lệch nhỏ khơng có ý nghĩa thơng tin Vì giảm đƣợc lƣợng tiêu thụ cho việc truyền tin Hiệu thu đƣợc lớn nhiều so với phƣơng pháp nén chênh lệch giá trị Hình 3.19 : Năng lượng tiêu thụ cho việc truyền tin trung bình sau 50 vịng Nếu tập trung vào đánh giá lƣợng truyền nút cảm biến, phƣơng pháp dự đốn tiết kiệm đƣợc khoảng 20% so với khơng nén Biểu đồ có kịch mô 20 nút cảm biến truyền nút gốc, nút gần nút gốc có nhiều nhƣ nút 7, 13,16 lƣợng tiêu thụ cho việc truyên nhiều nút khác 70 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Với phƣơng pháp nén chênh lệch, hiệu không cao phƣơng pháp nén dự đốn tuyến tính nhƣng tiết kiệm gần 5% sơ với phƣơng pháp không nén Nhờ việc gửi tin giá trị chênh lệch thay vị giá trị cảm biến nên cho hiệu tốt phƣơng pháp không nén 71 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Phƣơng pháp nén tổng hợp cho hiệu lớn so với phƣơng pháp khác Với phƣơng pháp tiết kiệm khoảng gần 30% so với phƣơng pháp không nén Việc giảm số lần truyền giảm tiêu thu lƣợng lớn cho nút cảm biến 3.2.2.3Sự phân bố lƣợng lại sau 50 vòng Hình 3.20 : Phân bố lượng cịn lại sau 50 vòng 72 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến khơng dây Dựa vào biểu đồ hình 4.2.2.4, thấy phân bố lƣợng lại không đồng cho phƣơng pháp Trong phƣơng pháp khơng nén có độ dao động cao nhất, tiếp phƣơng pháp nén chênh lệch Phƣơng pháp nén tổng hợp cho phân phối đồng tất Lý đƣợc giải thích nút có cƣờng độ làm việc khác nên mức lƣợng tiêu thụ cho nút phải khác Nếu nút có nhiều nút con, việc ngồi phải gửi tin cịn tham gia gửi chuyển tiếp tin nút nút gốc, mức lƣợng cho việc truyền nghe, xử lý nhiều so với nút khác Việc phân bố lƣợng bất đồng phụ thuộc vào số lần truyền tin về, kích cỡ gói tin lần truyền Vì nút phải truyền nhiều lần tin có dung lƣợng lớn nút chả phải làm việc vất vả hơn, dễ gây tƣợng tải, tắc nghẽn làm cho nút gốc khả nhận đƣợc liệu Phƣơng pháp nén chênh lệch giá trị cho độ dao động lớn, nút phải liên tục truyền nên có bất cơng tiêu thụ lƣợng Những nút gần nút gốc có nhiều phải thực truyền tải trung gian cho nút nó, tiêu thụ lƣợng nhiều nút nên dễ chết Phƣơng pháp nén dự đốn tuyến tính cho phân bố tốt phƣơng pháp nén chênh lệch giá trị phƣơng pháp nén tổng hợp Với việc kết hợp với ngƣỡng tin truyền nhỏ nên bất công tiêu thụ lƣợng nút 3.2.3 Nhận xét Khơng nén Khơng sai lệch Năng lƣợng thụ/50vịng (uW.s) 360 Nén dự đốn Lớn 318 Trung bình Nén chênh lệch Nhỏ 345 Lớn Nén tổng hợp Trung bình 300 Đồng Sai lệch liệu tiêu Phân bố lƣợng lại Lớn 73 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây Nhận xét:  Phƣơng pháp nén tổng hợp phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng tiêu thụ tốt nhất, làm giảm số lƣợng lớn mức lƣợng tiêu thụ cho việc truyền qua tăng thời gian hoạt động mạng nhƣ làm đồng mức lƣợng tiêu thụ sau khoảng thời gian làm việc Nhƣng nhƣợc điểm phƣơng pháp nén tổng hợp lƣợng tin gửi ít, liệu sai lệch với giá trị gốc nhiều nên áp dụng mơi trƣờng có thơng số thay đổi giá trị  Phƣơng pháp dự đoán phƣơng pháp an toàn cân cho mạng cảm biến khơng dây có suy hao lƣợng cố định Ngoài việc giảm lƣơng lớn mức lƣợng tiêu thụ cho nút cảm biến vận hành đơn giản Phƣơng pháp cho kéo dài thời gian hoạt động mạng mà đảm bảo mức lƣợng phân bố đồng nút 74 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Trên đề xuất em phƣơng thức xử lý liệu mạng cảm biến không dây Từ sở lý thuyết kết thực nghiệm ta đến kết luận:  Phƣơng thức đề xuất đạt đƣợc tiêu chí thiết kế đề ra: đảm bảo độ tin cậy thông tin tiết kiệm lƣợng tiêu thụ trình truyền liệu  Phƣơng thức đề xuất đạt hiệu cao thử nghiệm, hƣớng vấn đề tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây  Có thể cài đặt hoạt động đƣợc hệ thống thật Tuy nhiên, để giải pháp ngày hoản thiện hơn, có tính ứng dụng cao tƣơng lai đƣợc phát triển theo số hƣớng sau:  Nghiên cứu áp dụng vào mạng cảm biến khơng dây có nút di động, tiện lợi cho việc theo dõi đối tƣợng chuyển động  Kết hợp với phƣơng pháp tiết kiệm lƣợng khác nhằm tối ƣu lƣợng tiêu thụ cho mạng cảm biến không dây nhƣ xử lý nội mạng, hƣớng chu kỳ nhằm thay đổi thời gian thức ngủ nút cảm biến  Kết hợp với giải pháp tăng tính tin cậy cho hệ thống mạng cảm biến không dây đặt môi trƣờng khắc nhiệt, có nguy mát thơng tin cao Vì cài đặt giao thức có sẵn, nên khơng can thiệp sâu vào q trình mạng nhƣ khởi tạo mạng, định tuyến… 75 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Luis Javier García Villalba, Ana Lucila Sandoval Orozco, Alicia Triviño Cabrera and Cláudia Jacy Barenco Abbas, “Routing Protocol in Wireless Sensor Network” , 2009 IEEE [2] S.S Pradhan, K Ramchandran, Distributed source coding using syndromes (DISCUS): design and construction, IEEE Transactions on Information Theory 49 (3) (2003) 626–643 [3] C Tang, C.S Raghavendra, Compression Techniques for Wireless Sensor Networks, Book Wireless Sensor Networks, Kluwer Academic Publishers., 2004 pp 207-231 (Chapter 10) [4] M Wu, C.W Chen, Multiple Bit Stream Image Transmission over Wireless Sensor Networks, Book Sensor Network Operations, IEEE & Wiley Interscience, 2006 pp 677-687 (Chapter 13) [5] Z Xiong; A.D Liveris, S Cheng, Distributed source coding for sensor networks, IEEE Signal Processing Magazine 21 (5) (2004) 80–94 [6] D Chu, A Deshpande, J.M Hellerstein, W Hong, Approximate data collection in sensor networks using probabilistic models, in: Proc 22nd International Conference on Data Engineering (ICDE06), Atlanta, GA, April 3–8, 2006, p 48 [7] A Jain, E.Y Chang, Y.-F Wang, Adaptive stream resource management using Kalman filters, in: Proc ACM International Conference on Management of Data (SIGMOD2004), Paris (France), June 13–18, 2004, pp 11–22 [8] A Deshpande, S Madden, MauveDB: supporting model-based user views in database systems, in: Proc 25th ACM International Conference on Management of Data (SIGMOD’06), Chicago (IL), USA, June 27–29, 2006, pp 73–84 [9] D Tulone, S Madden, PAQ: time series forecasting for approximate 76 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây query answering in sensor networks, in: Proc 3rd European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN06), February 21–37, 2006 [10] D Tulone, S Madden, An energy-efficient querying framework in sensor networks for detecting node similarities, in: Proc 9th International ACM Symposium on Modeling, Analysis and Simulation of Wireless and Mobile Systems (MSWIM06), October 2006, pp 291–300 [11] Y.-Ä Le Borgne, S Santini, G Bontempi, Adaptive Model Selection for Time Series Prediction in Wireless Sensor Networks, Signal Processing 87 (12) (2007) 3010–3020 [12] Sibila Ratnaraj, Sarangapani Jagannathan, and Vittal Rao, “OEDSR: Optimized Energy-Delay Sub-network Routing in Wireless Sensor Network”, 2006 [13] Azzedine Boukerche, Richard Werner N Pazzi, Regina B Araujo2, “HPEQ - A Hierarchical Periodic, Event-driven and Query-based Wireless Sensor Network Protocol”, IEEE Conference on Local Computer Networks 30th Anniversary (LCN’05), 2005 [14] RPL: IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks, http://tools.ietf.org/html/draft-ietf-roll-rpl-19 [15] Sanbo Li, “Applications of the Internet of Things Technology in Precision Agriculture Irrigation System”, Proceedings of the 2012 International Conference on Computer Science and Service System (ICCSSS 2012), August 11-13, China, 2012, pp 1009-1013 77 Học viên thực hiện: Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 ... Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến không dây 1.4 Các hƣớng tiết kiệm lƣợng mạng cảm biến không dây Đặc điểm quan trọng mạng cảm biến không dây nút cảm biến đƣợc phân bố diện tích... Nguyễn Văn Phương – CB120106 – 12BCNTT2 Nén liệu mạng cảm biến khơng dây Hình 1.4 Một vài ứng dụng mạng cảm biến không dây Tất ứng dụng mạng cảm biến không dây đƣợc phân loại thành :  Giám sát... nhƣ đặc tính liệu cảm biến, hạn chế nút cảm biến, kiến trúc mạng cảm biến cân đối lƣợng nén so với lƣợng tiết kiệm đƣợc truyền thông Nén liệu mạng cảm biến có điểm khác biệt với nén truyền thông