Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kỹ thuật ad hoc đa chặng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐĂNG MẠNH THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY SỬ DỤNG KĨ THUẬT AD-HOC ĐA CHẶNG Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật truyền thông Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS ĐỖ TRỌNG TUẤN Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu cá nhân, thực hướng dẫn khoa học TS Đỗ Trọng Tuấn Các số liệu kết luận nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Học viên Nguyễn Đăng Mạnh ii MỤC LỤC MỤC LỤC i BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ vii LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG WPAN VÀ ỨNG DỤNG CHO 1.1 1.2 MẠNG CẢNH BÁO CHÁY Mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) Phân loại chuẩn mạng WPAN 1.3 1.3.1 1.3.2 Khái quát ZigBee/ IEEE 802.15.4 Khái niệm Ưu điểm ZigBee/IEEE802.15.4 với Bluetooth/IEEE802.15.1 1.4 1.4.1 1.4.2 Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN Thành phần mạng LR-WPAN Kiến trúc liên kết mạng 1.5 Mơ hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 Tầng vật lý ZigBee 10 Mơ hình điều chế tín hiệu tầng vật lý 12 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý IEEE 802.15.4 15 Định dạng khung tin PPDU 15 1.7 1.7.1 1.7.2 Tầng điều khiển liệu ZigBee MAC 16 Cấu trúc siêu khung 17 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA 20 Các mơ hình truyền liệu 23 Phát thông tin báo hiệu beacon 25 Quản lý phân phối khe thời gian đảm bảo GTS 25 Định dạng khung tin MAC 27 1.7.3 1.7.4 1.7.5 1.7.6 1.8 1.8.1 Khả ứng dụng công nghệ mạng Zigbee vào hệ thống cảnh báo cháy 28 Thực trạng nhà cao tầng công tác PCCC 28 iii 1.8.2 Các loại hệ thống cảnh báo cháy phổ biến 29 1.8.3 Khả xây dựng hệ thống cảnh báo cháy dùng Zigbee 31 CHƢƠNG 2: CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD-HOC ĐA CHẶNG 32 2.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) 32 2.2 2.2.1 Thuật tốn hình 35 Thuật tốn hình đơn nhánh 35 2.2.2 Thuật tốn hình đa nhánh 38 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN 41 3.1 Thiết kế hệ thống tổng thể 41 3.1.1 Sơ đồ hệ thống 41 3.1.2 Chức thành phần hệ thống 41 3.2 3.2.1 Triển khai mạng chi tiết 42 Sơ đồ khối môđun zigbee 42 3.2.2 Cơ chế nhận gói tin 43 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 Cơ chế phát gói tin 44 Truyền khung 45 Thử nghiệm hiệu mạng không dây chuẩn WPAN 51 Cấu hình thử nghiệm 51 Kết 52 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 Xây dựng mạng hoạt động theo AODV (ad hoc on-demand distance-vector) 56 Thuật toán 56 Mô kết 63 Kết luận 68 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 Xây dựng mô hình mạng dạng lƣới khơng gian 69 Thông số nút mạng tin liệu 69 Thuật toán 70 Mô mạng dùng OMNET 76 Thử nghiệm 78 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 iv BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ viết đầy đủ Ghi APL Application Layer Tầng ứng dụng CAP Contention Access Period Thời gian truy cập tranh chấp CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh rỗi CFP Contention-Free Period Thời gian tranh chấp tự CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra chuỗi vòng CSMA-CA Carrier Sense Multiple Đa truy nhập cảm nhận sóng mang - Access with Collision chống va chạm Avoidance ED Energy Detection Phát lượng FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FFD Full-Function Device Thiết bị đầy đủ chức GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo HDR Header Tiêu đề IFS Interframe Spacing Khoảng cách liên khung ISM Industrial, Scientific, and Công nghiệp, khoa học y tế Medical LIFS Long Interframe Spacing Khoảng cách liên khung dài LQI Link Quality Indicator Chỉ số chất lượng liên kết LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp Area Network MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện MLME MAC Layer Management Thực thể quản lý lớp MAC Entity MPDU MAC Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức MAC MSDU MAC Service Data Unit Đơn vị liệu dịch vụ MAC v Từ viết tắt Từ viết đầy đủ Ghi O-QPSK Offset Quadrature Phase- Điều chế khóa dịch pha bốn mức Shift Keying PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PD PHY Data Dữ liệu PHY PHR PHY Header Tiêu đề PHY PLME Physical Layer Management Thực thể quản lý lớp vật lý Entity PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị liệu giao thức PHY PSDU PHY Service Data Unit Đơn vị liệu dịch vụ PHY RFD Reduced Function Device Thiết bị bớt chức RREP Route Reply Trả lời tuyến RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RX Receiver Bộ thu SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SIFS Short Interframe Spacing Khoảng cách liên khung ngắn SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu TX Transmitter Bộ phát WLAN Wireless Local Area Mạng cục không dây Network WPAN Mạng cá nhân không dây Wireless Personal Area Network vi DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ Hình 1.1 So sánh chuẩn Zigbee với Bluetooth IEEE 802.11b Hình1.2 Cấu trúc mạng hình Hình1.3 Cấu trúc mạng mesh Hình1.4 Cấu trúc mạng hình Hình 1.5 Các lớp giao thức ZigBee 10 Hình 1.6 Băng tần hệ thống ZigBee 11 Hình 1.7 Pha sóng mang 14 Hình 1.8 Mơ hình tham chiếu lớp vật lý IEEE 802.15.4 giao tiếp với lớp MAC 16 Hình 1.9 Cấu trúc siêu khung 17 Hình 1.10 Khoảng cách liên khung (a) Truyền có ACK (b) Truyền khơng có ACK 19 Hình 1.11 Thuật tốn tránh xung đột CSMA-CA 21 Hình 1.12 Liên lạc mạng (a) có beacon (b) khơng beacon 23 Hình 1.13 Kết nối mạng (a) có beacon (b) khơng beacon 24 Hình 2.1 Định dạng tuyên đường giao thức AODV 34 Hình 2.2 Quá trình chọn nốt gốc (CH) 36 Hình 2.3 Thiết lập kết nối CH nốt thành viên 36 Hình 2.4 Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc 37 Hình 2.5 Gán địa nhóm qua nốt trung gian 38 Hình 2.6 Gán địa nhóm qua nốt gốc 39 Hình 2.7 Gán địa nhóm qua nốt gốc nốt trung gian 39 Hình 2.8 Mạng đa nhánh nốt trung gian 40 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống 41 Hình 3.2 Thành phần nút cảm biến 41 Hình 3.3 Thành phần nút trung tâm 42 Hình 3.4 Giao tiếp mơđun điều khiển môđun mạng không dây 43 Hình 3.5 Cấu trúc tin từ kênh truyền tới ghi liệu thu 44 vii Hình 3.6 Các ghi điều khiển chế độ nhận tin 44 Hình 3.7 Cấu trúc tin từ ghi liệu tới kênh truyền 45 Hình 3.8 Mơ hình thử nghiệm 51 Hình 3.9 Tốc độ liệu truyền trực tiếp gián tiếp mạng không beacon 53 Hình 3.10 Giá trị RSSI với việc truyền trực tiếp gián tiếp mạng không beacon 53 Hình 3.11 Tốc độ liệu hiệu dụng tỉ lệ chuyển gói dùng CSMA-CA với tải lưu lượng biến thiên mạng không beacon 54 Hình 3.12 Tốc độ liệu hiệu dụng tỉ lệ chuyển gói dùng CSMA-CA với kích thước tải liệu biến thiên mạng khơng beacon 55 Hình 3.13 Tốc độ liệu hiệu dụng mạng cho phép beacon 56 Hình 3.14 Thuật tốn AODV 57 Hình 3.15 Thơng lượng mạng với thông số thay đổi 65 Hình 3.16 Trễ tìm đường với thông số thay đổi 67 Hình 3.17 Sơ đồ mạng lưới đầy đủ kích thước 4x4x3 70 Hình 3.18 Xét nút mạng với nút lân cận 71 Hình 3.19 Tuyến đường mạng kích thước 2x2x2 72 Hình 3.20 Quá trình truyền tin truy vấn từ nút trung tâm tới nút 73 Hình 3.21 Thuật toán xử lý nút cảm biến 74 Hình 3.22 Thuật tốn chi tiết cho trình chuyển tiếp tin nút L(x.y.z) 75 Hình 3.23 Mơ hoạt động mạng 76 Hình 3.24 Bản tin truyền theo tuyến 77 Hình 3.25 Bản tin truyền theo tuyến 78 viii LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ mạng thơng tin có bước phát triển nhanh chóng, cho phép ta ứng dụng vào nhiều lĩnh vực thực tế để phục vụ tốt cho sống người Một công nghệ mà học viên muốn đề cập đến nghiên cứu phát triển đồ án này, mạng WPAN Mạng cá nhân không dây tốc độ thấp LR-WPAN (IEEE 802.15.4) chuẩn mạng phát triển có tính ứng dụng cao sống Đây chuẩn truyền tin tốc độ thấp có ưu điểm trội tiêu hao lượng thấp có khả thiếp lập phiên truyền nhanh chóng Chính mà thích hợp với ứng dụng điều khiển từ xa, tự động hóa, số ứng dụng vào mạng cảnh báo cháy tự động- mạng có nhiều nút cảm biến thơng tin cần truyền tải cách kịp thời Xuất phát từ thực tế, tịa nhà cao tầng mọc lên ngày nhiều với khả xảy tai nạn cháy nổ nguy hiểm tính mạng người kéo theo thiệt hại lớn tài sản Do vậy, ta thấy cần thiết phải xây dựng hệ thống có khả thu thập giám sát tất thông tin nguy cháy nổ tới tất vị trí tịa nhà để thực cơng tác phịng cháy Sau tìm hiểu LRWPAN, học viên thấy hồn tồn ứng dụng công nghệ để xây dựng nên hệ thống mạng không dây với số lượng lớn nút, đặt điểm cần giám sát để cảm nhận thông tin môi trường truyền trung tâm quản lý để có phản ứng kịp thời nhằm chữa cháy có hiệu Với ý tưởng trên, học viên thực nghiên cứu thực đề tài “Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kĩ thuật Ad-hoc đa chặng” Đề tài phần đóng góp vào cơng trình “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ thống cảnh báo tự động hỗ trợ tìm kiếm cứu nạn phục vụ Phịng Cháy Chữa Cháy địa bàn Thành phố Hà Nội” TS Đỗ Trọng Tuấn làm chủ đề tài Hệ thống có nhiệm vụ phát đám cháy tịa nhà cao tầng đưa thơng tin trạm trung tâm quận, huyện thông lực lượng cảnh sát PCCC gần nơi xảy đám cháy Một phương tiện bay không người lái chế tạo để hỗ trợ công tác PCCC Trong trình thực đề tài này, em nhận quan tâm, hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn, cộng tác làm việc em sinh viên phòng Lab 410 với ủng hộ từ gia đình Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Đỗ Trọng Tuấn người trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ ý tưởng tài liệu cần thiết để em thực đề tài Thời gian qua, em nỗ lực tìm hiểu thực đồ án, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót định Vì vậy, em mong nhận ý kiến đóng góp q thầy bạn để hệ thống triển khai tốt điều kiện thực tế Hà nội, ngày 08 tháng 09 năm 2014 Sinh viên thực Nguyễn Đăng Mạnh 3.5 Xây dựng mơ hình mạng dạng lƣới khơng gian 3.5.1 Thơng số nút mạng tin liệu -Mỗi nút mạng có thơng tin: + Level (L) + Tọa độ (x.y.z)  Trên trục tọa độ, nút mạng xa có giá trị Level tăng dần (tọa độ trục tăng đơn vị giá trị Level tăng đơn vị) Tọa độ L = 1, (x, y, z) = (1 gọi địa sở, địa nút trung tâm  Một nút có tọa độ (x, y, z) có level L = x + y + z –  Các nút có giá trị Level ba giá trị tọa độ có quan hệ lân cận với Một nút có nút lân cận với theo hướng x, y, z Ví dụ, nút có L = 3, (x, y, z) = (2,2,2), có quan hệ lân cận với nút có L = (x, y, z) = (1,2,2) (2,1,2) (2,2,1); với mức ưu tiên giảm dần Chỉ có nút lân cận liên lạc với  Nút trung tâm nút đặc biệt, có địa sở (1,1,1) nằm gốc tọa độ, nút giám sát tồn nút cịn lại mạng cảm biến -Khi nút truyền thông tin trạm, truyền nút lân cận có giá trị Level nhỏ -Định dạng tin mà nút mạng trao đổi với Message type Source address Destination address Source address Level x y z Destination address Level x y z Source - Trans Level x y z 69 Source - Trans Direction 6 7 6 5 y x z 8 5 Hình 3.17 Sơ đồ mạng lƣới đầy đủ kích thƣớc 4x4x3 3.5.2 Thuật toán Khi nút L(x.y.z) truyền liệu qua nút L-1(x-1.y.z) nút L-1(x.y-1.z) L-1(x.y.z-1) phải lắng nghe Nút hướng ưu tiên cao phải truyền liệu Nếu không, nút hướng khác có mức ưu tiên thấp phải chuyển tiếp liệu Như vậy, nút mạng khơng có nhiệm vụ chuyển tiếp tin mà thực chế dự phòng trường hợp có nút mạng bị lỗi a) Thuật tốn chuyển tiếp tin Sau mơ tả chi tiết thuật toán chuyển tiếp tin viết dạng mã giả Một nút L(x.y.z) nhận tin A từ nút {L+1(x+1.y.z) , L+1(x.y+1.z), L+1(x.y.z+1)} thì: #Nếu thấy đích truyền chuyển tiếp tin #Nếu khơng thì: #Nếu nhận từ nút L+1(x+1.y.z) lắng nghe tin B #Nếu thấy có tin B vịng 5ms khơng cần làm 70 #Nếu khơng #Nếu đích truyền tin A L(x+1.y.z-1) truyền #Nếu đích truyền tin A L(x+1.y-1.z) đợi thêm 5ms khơng thấy tin B truyền #Nếu nhận từ nút L+1(x.y+1.z) lắng nghe tin B #Nếu thấy có tin B vịng 5ms khơng cần làm #Nếu khơng #Nếu đích truyền tin A L(x-1.y+1.z) truyền #Nếu đích truyền tin A L(x.y+1.z-1) đợi thêm 5ms khơng thấy tin B truyền #Nếu nhận từ nút L+1(x.y.z+1) lắng nghe tin B #Nếu thấy có tin B vịng 5ms khơng cần làm #Nếu khơng #Nếu đích truyền tin A L(x.y-1.z+1) truyền #Nếu đích truyền tin A L(x-1.y.z+1) đợi thêm 5ms khơng thấy tin B truyền 6 5 5 Hình 3.18 Xét nút mạng với nút lân cận b) Cơ chế cân tải cho mạng Nút L(x.y.z) sau truyền xong liệu phải chuyển tiếp cờ ưu tiên cho hướng Giả sử ban đầu cờ ưu tiên đặt cho hướng x, sau 71 chuyển cho hướng y z lại quay lại Với chế này, lưu lượng phân cho nút mạng, giảm bớt trường hợp nút gửi tin theo đường cố định nút tuyến đường tiêu hao lượng nhiều Minh họa cho trường hợp có nút mạng 122 112 112 222 4 222 3 212 2 111 1 111 222 4 121 1 111 3 221 2 Hình 3.19 Tuyến đƣờng mạng kích thƣớc 2x2x2 c) Thuật tốn truy vấn thơng tin Nút trung tâm muốn truy vấn liệu từ nút để kiểm tra thơng số mơi trường nút đơn giản để kiểm tra trạng thái link kết nối từ nút trung tâm tới nút đích Chi tiết thuật tốn: Nút trung tâm muốn truy vấn liệu nút Ld(x.y.z), phát tin REQ có trường Message type =30 Bản tin phát cách quảng bá từ nút có giá trị level nhỏ tới nút có giá trị level lớn Một nút L nhận tin REQ từ nút L-1 phát quảng bá tới nút L+1 Trước nút muốn quảng bá tin đi, phải kiểm tra điều kiện: 72 + Thứ nhất, khơng có giá trị tọa độ lớn giá trị tọa độ nút đích Ld(x.y.z) + Thứ hai, giá trị level nút giá trị level nút đích mà lại khơng phải nút đích Nút đích nhận tin truy vấn từ nút trung tâm bắt đầu trình truyền liệu nút trung tâm theo thuật toán truyền tin cảnh báo, khác trường Message type lúc có giá trị 31 L L+1 L-2 L-1 L L-2 L+1 L-1 L L L-2 L+1 L-1 L L+1 L-2 L-1 L L L-2 L+1 L-1 L L-2 L+1 L-1 L Hình 3.20 Quá trình truyền tin truy vấn từ nút trung tâm tới nút 73 Bắt đầu Nhận thông tin môi trường từ cảm biến Xác định khả có cháy Có Truyền thơng tin trạm thơng qua node có level nhỏ Khơng Trễ khoảng thời gian Kiểm tra xem có tin từ node khác gửi đến khơng Có Node level cao gửi tin cảnh báo đến Chuyển tiếp tin trạm Node level nhỏ quảng bá tin truy vấn đến Kiểm tra xem có phải nút truy vấn Khơng Có Gửi tin trạm Quảng bá tin truy vấn tới nút level cao Hình 3.21 Thuật tốn xử lý nút cảm biến 74 Node L(x.y.z) Bắt đầu Nhận tin từ node L+1 gửi tới Kiểm tra có phải hướng chọn để chuyển tiếp tin không Đúng Sai Chuyển tiếp tin trạm Kiểm tra xem tin node gửi đến Bản tin node L+1(x+1.y.z) gửi tới Bản tin node L+1(x.y+1.z) gửi tới Bản tin node L+1(x.y.z+1) gửi tới Đợi khoảng thời gian two Đợi khoảng thời gian two Đợi khoảng thời gian two Nếu hướng chọn 1là L(x+1.y.z-1) Nếu hướng chọn 1là L(x+1.y-1.z) Nếu hướng chọn 1là L(x-1.y+1.z) Nếu hướng chọn 1là L(x.y+1.z-1) Nếu hướng chọn 1là L(x.y-1.z+1) Nếu hướng chọn 1là L(x-1.y.z+1) Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin khơng Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin khơng Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin khơng Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin khơng Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin khơng Xem hướng chọn có chuyển tiếp tin không Không Không Không Không Đợi khoảng thời gian two Đợi khoảng thời gian two Đợi khoảng thời gian two Xem hướng chọn L(x+1.y.z-1)có chuyển tiếp tin không Không Không Xem hướng chọn L(x-1.y+1.z)có chuyển tiếp tin khơng Khơng Xem hướng chọn L(x.y-1.z+1)có chuyển tiếp tin khơng Khơng Khơng Chuyển tiếp tin trạm Hình 3.22 Thuật tốn chi tiết cho q trình chuyển tiếp tin nút L(x.y.z) 75 3.5.3 Mô mạng dùng OMNET Mạng mơ OMNET gồm có tổng cộng 55 nút mạng với số lượng nút theo level liệt kê theo bảng Số Level lượng 1 2 10 15 21 Level Level Level Level Hình 3.23 Mơ hoạt động mạng 76 Level Trong mạng giả lập có nút level nhận thấy nguy có cháy truyền tin cảnh báo nút trung tâm Các nút định kì sau khoảng thời gian đặt trước liên tục truyền tin qua nút trung gian có level nhỏ dần Mỗi chu trình chuyển tiếp tin, thông tin từ nút nguồn truyền theo tuyến đường khác để đảm bảo tải chia nút trung gian chuyển tiếp Điều giúp thực chế dự phịng: giả sử có nút mạng gặp lỗi thơng tin đích theo tuyến đường khác Hình kịch thử nghiệm với 10 nút mạng, nút 222 (level 4) truyền tin cảnh báo nút trung tâm Bản tin chuyển nhiều tuyến đường khác Dưới ví dụ đường tin qua Bản tin truyền theo tuyến Hình 3.24 Bản tin đƣợc truyền theo tuyến Bản tin truyền theo tuyến 77 Hình 3.25 Bản tin đƣợc truyền theo tuyến 3.5.4 Thử nghiệm Mục đích: thử nghiệm xác hoạt động nút cảm biến truyền tin Sơ đồ thực nghiệm Mạng gồm: + nút cảm biến (1 nút level 5; nút level 4; nút level 3) + nút giám sát (thu tất tin gửi từ nút cảm biến) + máy tính (máy A phát liệu, máy B thu liệu) 78 5/3.2.2 A A 4/2.2.2 3/1.2.2 4/3.1.2 3/2.1.2 Giám sát B B 3/2.2.1 4/3.2.1 Phương án tiến hành - Truyền 510 tin từ máy tính A nút 5/3.2.2 (mỗi tin cách 5s) - Nút 5/3.2.2 phát tin xoay vòng tới nút - Nút giám sát thu lại tất tin truyền máy tính B để lấy log file theo dõi - Kiểm tra log file để xem nút có hoạt động xác khơng - Đếm số tin nhận để tính tỉ lệ tin truyền thành công - Yêu cầu: Tỉ lệ tin truyền thành công phải đạt 100% khơng có tin dư thừa Kết Với cấu hình đủ nút - Độ xác tin: 100% - Tỉ lệ gói tin: 1.4% - Độ trễ trung bình: 5.23 s - Đồ thị độ biến động trễ: 79 Với cấu hình cịn nút (giả sử nút level nút level hỏng) - Độ xác tin: 100% - Tỉ lệ gói tin: 1.4% - Độ trễ trung bình: 10.54 ms - Đồ thị độ biến động trễ: Thử nghiệm hiệu khả chống xung đột nút mạng a Mơ hình thử nghiệm Sử dụng nút mạng, nút B làm nhiệm vụ phát lưu lượng, nút A thu tin nút C phát lưu lượng phụ để tạo xung đột nút mạng nằm vùng phủ sóng Nút nguồn B phát liên tục 1000 gói tin khoảng thời gian 50s (cứ 20ms truyền gói tin) Nút thu A thu nhận tin gửi số lượng tin thu từ nút B tới máy tính Khi bắt đầu thử nghiệm, nút B truyền lưu lượng tới A Sau đó, ta dùng nút C để tạo lưu lượng gây nhiễu Thay đổi tốc độ phát gói tin C sau ghi nhận ảnh hưởng nhiễu đến tỉ lệ tin truyền thành công từ B A b Kết quả: Tiến hành thử nghiệm với tác động khác lưu lượng nhiễu sinh 80 nút C, chu kì phát gói tin gây nhiễu khác Ta thu kết bảng sau: Thử nghiệm Chu kì nhiễu (ms) Số gói truyền thành cơng 400 300 200 100 50 1000 947 932 898 785 623 Với trường hợp đầu tiên, khơng có xung đột tạo nút C, tất gói tin từ B truyền A cách xác Bắt đầu cho nút C phát tin xung đột xảy lượng tin truyền thành công giảm dần tốc độ phát nút C tăng dần Như vậy, với cấu hình nút mạng thiết kế, chặng truyền liệu với tốc độ 20 gói tin 1s với độ tin cậy cao Khi chịu thêm tác động nhiễu, để giữ tỉ lệ chuyển gói đạt khoảng 90% trở lên tốc độ tin nhiễu phải giới hạn khoảng gói tin/s trở xuống Trong thực tế, mạng cảm biến cảnh báo cháy, số lượng gói tin thời điểm thường không cao, nên với kết thực nghiệm trên, ta thấy nút cảm biến thiết kế hoàn tồn đảm nhận tốt nhiệm vụ Trong điều kiện lý tưởng, không xảy xung đột gói tin truyền từ nút cảnh báo nút trung tâm cách nhanh chóng xác Trong trường hợp xấu hơn, tức gói tin tới chặng gặp xung đột với gói khác có xác xuất lớn để truyền trung tâm, trường hợp xấu nhất, gói tin bị đường đi, mạng thực chế dự phịng để thực lại việc truyền cảnh báo 81 KẾT LUẬN Mạng cảm biến với chức truyền số liệu cảnh báo cháy thiết kết thử nghiệm thực tế với kết tương đối khả quan Qua nghiên cứu kiểm nghiệm, thấy zigbee cơng nghệ hồn tồn phù hợp đáp ứng tốt với yêu cầu việc xây dựng hệ thống truyền tin phục vụ cho công tác phòng chống cháy nổ tòa nhà hay nhiều khu vực khác Bởi, cho phép truyền tin khơng dây, đặt đâu, lại đảm bảo việc đưa thơng tin cách xác nhanh chóng từ nơi phát sinh liệu tới trung tâm giám sát xử lý Hơn mạng hoạt động theo IEEE 802.15.4 cịn có mức tiêu thụ lượng thấp, hồn tồn cấp lượng từ pin với thời gian sử dụng lâu dài Mạng thực tế áp dụng giải pháp định tuyến động ví dụ AODV dễ triển khai lại hiệu quả, vừa áp dụng giải thuật định tuyến đồ án đề xuất cho mạng dạng lưới khơng gian Q trình thử nghiệm cho thấy, với mạng cảnh báo cháy, không cần phải truyền lượng liệu lớn, yêu cầu việc thiết lập phiên truyền nhanh nút mạng, số lượng nút mạng tương đối lớn liệu chuyển tiếp qua nhiều chặng thuật tốn truyền tin theo mạng lưới khơng gian ba chiều hồn tồn đáp ứng Tuy nhiên, cần thêm nghiên cứu cải tiến để giải đề rớt gói xung đột hay quản lý mạng cho tối ưu 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEEE Computer Society, IEEE Std 802.15.4™, 2003 [2] Microchip Technology Inc, MRF24J40MA Datasheet, 2010 [3] Microchip Technology Inc, MRF24J40 Datasheet, 2010 [4] Microchip Technology Inc, PIC18F23K20 / 24K20/25K20 / 26K20 / 43K20 / 44K20 / 45K20 / 46K20 Data Sheet, 2010 [5] Digi International Inc, Wireless Mesh Networking ZigBee® vs DigiMesh™, 2008 [6] Newnes, ZigBee Wireless Networks and Transceivers [7] Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 for Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol 52, No 3, AUGUST 2006 [8] ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary, Sinem Coleri Ergen [9] Performance evaluation of IEEE 802.15.4 wireless multi-hop networks: simulation and testbed approach, Int J Ad Hoc and Ubiquitous Computing, Vol 3, No 1, 2008 [10] Simulating Wireless Sensor Networks with OMNeT++ [11] A new WPAN Model for NS-3 simulator [12] Performance Evaluation of AODV Routing Protocol: Real-Life Measurements [13] Adhoc On Demand Distance Vector Routing [14] Review paper on performance analysis of AODV, DSDV, OLSR on the basis of packet delivery, IOSR Journal of Computer Engineering (IOSR-JCE) [15] Introduction to IEEE 802.15.4 LR-WPANs/ZigBee [16] Low Power Consumption Features of the IEEE 802.15.4/ZigBee LR-WPAN Standard, Ed Callaway [17] http://www.freescale.com [18] Zigbee technical documents, www.zigbee.org , 2003-04 83 ... ĐỒ ÁN Đồ án ? ?Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kĩ thuật Ad- hoc đa chặng? ?? chủ yếu tập trung vào xây dựng hệ thống thu thập thơng tin tác nhân cháy với số lượng lớn nút cảm biến khơng... phần hệ thống -Các nút cảm biến: Nút cảm biến Môđun giao tiếp mạng không dây Cảm biến Hình 3.2 Thành phần nút cảm biến Mạng cảm biến cảnh báo cháy bao gồm nhiều nút cảm biến (có thể lên tới hàng... có phản ứng kịp thời nhằm chữa cháy có hiệu Với ý tưởng trên, học viên thực nghiên cứu thực đề tài ? ?Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kĩ thuật Ad- hoc đa chặng? ?? Đề tài phần đóng góp vào