tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN

Tài liệu tham khảo chuyên ngành tin học tổng quan về mạng cảm ứng không dây Wireless Sensor Netwơrk-WSN

Trong suốt trình nghiên cứu thực đồ án, em nhận động viên, giúp đỡ tận tình PGS.TS Vương Đạo Vy Em xin chân thành cảm ơn thầy bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Điện Tử Viễn Thông -Khoa Vật Lý-Trường Đại Học Khoa Học dạy bảo em suốt năm học đại học, để em có kiến thức ngày hơm cụ thể qua kết đồ án phần thể điều Ngoài ra, trình làm đồ án xa nhà , em trợ giúp, động viên to lớn mặt vật chất tinh thần từ gia đình, người thân bạn bè Em xin chân thành cảm ơn Huế, ngày 28 tháng năm 2009 Người thực đồ án Nguyễn Duy Thanh Đồ án tốt nghiệp LỜI NĨI ĐẦU Nhờ có tiến lĩnh vực truyền thông vô tuyến năm gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nên ý lĩnh vực thông tin Hiện nay, người ta tập trung triển khai mạng cảm ứng không dây để áp dụng vào sống hàng ngày Mạng cảm ứng ứng dụng nhiều đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm ứng không dây nguồn lượng bị giới hạn, nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng lĩnh vực khác Trong tương lai ứng dụng mạng cảm ứng không dây trở thành phần thiếu sống Trong đồ án giới thiệu cách tổng quan mạng cảm ứng không dây, giao thức định tuyến phổ biến, đồng thời sử dụng phần mềm để mô đánh giá giao thức mạng cảm biến khơng dây Đó giao thức LEACH, LEACH-C, STAT_CLUSTER Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN I.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây công nghệ thông tin phát triển nhanh chóng nhất, với nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực: điều khiển q trình cơng nghiệp, bảo mật giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe… Hình 1.1: Biểu tượng mạng mơ hình Mạng cảm biến khơng dây WSN mạng liên kết node với nhờ sóng radio Nhưng đó, node mạng bao gồm đầy đủ chức để cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu Các node mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp ,…và có số lượng lớn, phân bố khơng có hệ thống phạm vi rộng, sử dụng nguồn lượng (pin) hạn chế thời gian hoạt động lâu dài Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng WLAN, mạng phạm vi nhà (Bluetooth) Các gói chuyển từ mạng qua mạng khác hỗ trợ internet khơng dây Mạng cellular đích đến người sử dụng với tính di động cao Tốc độ liệu cho tính di động mức bị giới hạn dịch tần Doppler Mặt khác, WLAN có tốc độ liệu cao Bluetooth Home RF đích đến nhà Tốc độ liệu mong muốn có dải radio thấp ngắn nhiều, tính di động thấp WSN khác với mạng Nó có số lượng lớn node Khoảng cách node neighbor ngắn so với mạng Do WSN hoàn toàn node, chi phí cho node Mức tiêu thụ lượng thấp nhiều, Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp việc thay pin node chí tháng lần vất vả Tốc độ liệu tính di động WSN thấp Các nhà nghiên cứu Berkeley phát triển thiết bị mạng cảm nhận không dây, gọi hạt bụi “motes”, tạo thành cách cơng khai, sẵn sàng để thương mại hóa, với TinyOS hệ điều hành kết nối nhúng để dễ dàng sử dụng thiết bị Hình minh họa thiết bị “mote”của Berkeley Sự tiện ích thiết bị chương trình dễ sử dụng, hoạt động đầy đủ, với giá tương đối rẻ, cho thí nghiệm triển khai thực tế mang lại vai trò đầy đủ cách mạng vàng mạng cảm nhận khơng dây Hình 1.2: Thiết bị “mote” Berkeley I.2 Cấu trúc mạng WSN I.2.1 Cấu trúc node mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến trước 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 thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu lượng, có thiết bị cảm biến xác cảm nhận, thu thập thơng số mơi trường, có khả tính tốn có nhớ đủ để lưu trữ, phải có khả thu phát sóng để truyền thơng với nút lân cận Mỗi nút cảm ứng cấu thành thành phần bản, hình 3, cảm nhận (sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp unit) Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.3: Các thành phần nút cảm ứng Các phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Bộ xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục 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 từ nút lân cận tới nút khác tới sink Phần quan trọng nút mạng cảm ứng nguồn Bộ nguồn số loại pin Để nút có thời gian sống lâu nguồn quan trọng, phải có khả nạp điện từ mơi trường lượng ánh sáng mặt trời 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 nhiệm vụ ấn định cảm biến theo dõi chuyển động vật Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngồi kích cỡ nút cảm ứng số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích ứng với môi trường Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp I.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp khơng dây kĩ thuật chính, giao tiếp trực tiếp hai nút có nhiều hạn chế khoảng cách hay vật cản Đặc biệt nút phát nút thu cách xa cần cơng suất phát lớn.Vì cần nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop Hoạt động hiệu lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống toàn mạng, hoạt động hiệu lượng kĩ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây Tự động cấu hình: Mạng cảm biến khơng dây cần phải cấu hình thông số tự động Chẳng hạn nút xác định vị trí địa lý thơng qua nút khác (gọi tự định vị) Xử lý mạng tập trung liệu: Trong số ứng dụng nút cảm biến khơng thu thập đủ liệu mà cần phải có nhiều nút cộng tác hoạt động thu thập đủ liệu, mà nút thu liệu gửi đến sink tốn băng thông lượng Cần phải kết hợp liệu nhiều nút vùng gửi tới sink tiết kiệm băng thơng lượng Do , cấu trúc mạng sẽ:  Kết hợp vấn đề lượng khả định tuyến  Tích hợp liệu giao thức mạng  Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây  Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm ứng phân bố sensor field hình 1.4 Mỗi nút cảm ứng có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet vệ tinh Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp Hình 1.4: Cấu trúc mạng cảm biến không dây I.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN Trong mạng cảm ứng, liệu sau thu thập nút định tuyến gửi đến sink Sink gửi liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức sử dụng nút gốc nút cảm biến (hình 1.5) Hình 1.5: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Kiến trúc giao thức kết hợp công suất chọn đường, kết hợp số liệu với giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu với môi trường vô tuyến tương tác nút cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động phần quản lý nhiệm vụ Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp  Lớp ứng dụng :Tùy vào nhiệm vụ mạng cảm biến mà phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá liệu định nhiệm vụ cho sensor (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối liệu truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination)  Lớp truyền tải: giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Lớp truyền tải đặc biệt cần mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet Giao thức lớp vận chuyển sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) giao thức gói ngừời dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet vệ tinh Còn giao tiếp sink nút cảm biến cần giao thức kiểu UDP nút cảm biến bị hạn chế nhớ Hơn giao thức cịn phải tính đến tiêu thụ cơng suất, tính mở rộng định tuyến tập trung liệu  Lớp mạng: quan tâm đến việc định tuyến liệu cung cấp lớp truyền tải Việc định tuyến mạng cảm biến phải đối mặt với nhiều thách thức mật độ nút dày đặc, hạn chế lượng…Do thiết kế lớp mạng mạng cảm biến phải theo nguyên tắc sau:  Hiệu lượng xem vấn đề quan trọng hàng đầu  Các mạng cảm biến gần tập trung liệu  Tích hợp liệu giao thức mạng  Phải có chế địa theo thuộc tính biết vị trí Có nhiều giao thức định tuyến thiết kế cho mạng cảm biến khơng dây Nhìn tổng quan, chúng chia thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí Xét theo hoạt động chúng chia thành định tuyến dựa đa đường (multipathbased), định tuyến theo truy vấn (query- based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based) Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp  Lớp kết nối liệu: Lớp kết nối liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép luồng liệu, dò khung liệu, điều khiển lỗi truy nhập mơi trường Vì mơi trường có tạp âm nút cảm biến di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề cơng suất phải có khả tối thiểu hố việc va chạm với thơng tin quảng bá nút lân cận  Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã tách sóng  Phần quản lý cơng suất: điều khiển việc sử dụng công suất nút cảm biến Ví dụ, nút cảm biến tắt khối thu sau thu tin từ nút lân cận Điều giúp tránh tạo tin giống Khi mức công suất nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới nút lân cận để thơng báo có mức cơng suất thấp khơng thể tham gia vào tin chọn đường Cơng suất cịn lại dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến  Phần quản lý di động phát ghi lại di chuyển nút cảm biến để trì tuyến tới người sử dụng nút cảm biến Nhờ xác định nút cảm biến lân cận, nút cảm biến cân cơng suất nhiệm vụ thực  Phần quản lý nhiệm vụ lên kế hoạch nhiệm vụ cảm biến vùng xác định Không phải tất nút cảm biến vùng điều phải thực nhiệm vụ cảm biến thời điểm Kết số nút cảm biến thực nhiệm vụ nhiều nút khác tuỳ theo mức cơng suất Những phần quản lý cần thết để nút cảm biến làm việc theo cách thức sử dụng hiệu công suất, chọn đường số liệu mạng cảm biến di động phân chia tài nguyên nút cảm biến I.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng WSN I.4.1 Thời gian sống bên Các nút WSN với nguồn lượng pin giới hạn Ví dụ: loại pin kiềm cung cấp 50Wh lượng, truyền cho nút mạng chế độ tích cực gần tháng hoạt động Sự tiêu tốn tính khả thi giám sát thay pin cho mạng rộng, thời gian sống dài thiết kế Trong thực tế, pin cần Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 Đồ án tốt nghiệp thiết nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN tự động sử dụng không cần thay vài năm Sự cải thiện phần cứng thiết kế pin kĩ thuật thu lượng giúp ta phần việc tiết kiệm pin I.4.2 Sự đáp ứng Giải pháp đơn giản để kéo dài thời gian sống bên điều khiển node chu kì làm việc với chu kì chuyển mạch chế độ: chế độ ngủ (mode sleep) chế độ hoạt động (mode active) Trong trình đồng chế độ ngủ thách thức WSN, vấn đề lớn liên quan đến chu trình ngủ cách tùy ý làm giảm khả đáp ứng hiệu suất sensor Trong số ứng dụng, kiện tự nhiên tìm thấy thơng báo nhanh, trễ lịch ngủ phải giữ giới hạn xác, chí tồn nghẽn mạng I.4.3 Tính chất mạnh (Robustness) Mục tiêu WSN cung cấp phạm vi rộng lớn, độ bao phủ xác (fine-grained coverage) Mục tiêu phổ biến số lượng lớn thiết bị không đắt tiền Tuy nhiên thiết bị rẻ thường tin cậy thường dễ xảy lỗi Tốc độ lỗi cao thiết bị cảm ứng triển khai môi trường khắc khe vùng kẻ địch Giao thức thiết kế phải xây dựng kỹ sảo để đáp ứng tốt Rất khó để chắn việc định dạng tồn cầu hệ thống khơng bị hỏng với thiết bị lỗi I.4.4 Hiệu suất (Synergy) Các cải tiến luật Moore công nghệ đảm bảo dung thiết bị mặt: xử lí nguồn, nhớ - lưu trữ, thực truyền nhận vơ tuyến, cải thiện nhanh chóng xác cảm biến Tuy nhiên, vấn đề kinh tế đặt giá node giảm mạnh (từ hàng trăm la xuống cịn vài cent), làm cho dung vài node bị hạn chế mức độ định Đó lý để thiết kế giao thức cho hiệu suất cao, bảo đảm hệ thống tổng có dung lớn so với dung thành phần cộng lại Các giao thức cung cấp khả hợp tác lưu trữ, máy tính tài nguyên thông tin Nguyễn Duy Thanh - Lớp ĐTVT K28 ... sống hàng ngày Mạng cảm ứng ứng dụng nhiều đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên, mạng cảm ứng không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm ứng không dây nguồn lượng... hiệu lượng lĩnh vực khác Trong tương lai ứng dụng mạng cảm ứng không dây trở thành phần thiếu sống Trong đồ án giới thiệu cách tổng quan mạng cảm ứng không dây, giao thức định tuyến phổ biến, đồng... gần đây, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Netwơrk-WSN) với giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nên ý lĩnh vực thông tin Hiện nay, người ta tập trung triển khai mạng cảm ứng không dây để