Phân cụm dựa trên logic mờ khảo sát năng lượng cho mạng cảm biến không dây

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐỖ GIANG SƠN PHÂN CỤM DỰA TRÊN LOGIC MỜ KHẢO SÁT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐỖ GIANG SƠN PHÂN CỤM DỰA TRÊN LOGIC MỜ KHẢO SÁT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 61.49.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN SƠN Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung luận văn tơi thực hướng dẫn Thầy PGS.TS Lê Văn Sơn Mọi tài liệu tham khảo dùng để nghiên cứu thực luận văn trích dẫn ghi phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Các kết quả, liệu nêu luận văn trung thực Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm vi phạm quy chế Ban Khoa học Đào tạo Sau Đại học, Đại học Đà Nẵng phổ biến Người cam đoan Đỗ Giang Sơn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LOGIC MỜ VÀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN VỀ LOGIC MỜ 1.1.1 Các phép toán Logic mờ 1.1.2 Khái niệm tập mờ 10 1.1.3 Suy diễn mờ 14 1.1.4 Cấu trúc hệ thống Logic mờ 20 1.2 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22 1.3 ĐẶC ĐIỂM CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 27 1.4 KẾT LUẬN 32 CHƯƠNG THUẬT TOÁN PHÂN CỤM DỮ LIỆU MỜ 33 2.1 KHÁI NIỆM VÀ MỤC TIÊU CỦA PHÂN CỤM DỮ LIỆU 33 2.2 THUẬT TOÁN PHÂN CỤM DỮ LIỆU DỰA VÀO PHÂN CỤM TRUNG TÂM 34 2.3 KỸ THUẬT PHÂN CỤM DỮ LIỆU MỜ 39 2.3.1 Tổng quan phân cụm mờ 39 2.3.2 Thuật toán Fuzzy C-means (FCM) 40 2.4 MINH HỌA SỰ PHÂN CỤM ĐỐI VỚI THUẬT TOÁN FCM MỞ RỘNG 49 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 53 3.1 GIỚI THIỆU MATLAB 53 3.2 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 56 3.3 ĐÁNH GIÁ 68 3.4 KẾT LUẬN 69 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ý NGHĨA STT TỪ VIẾT TẮT WSNs – Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây ADC – Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số KPDL Khai phá liệu D – FLER – A Distributed Fuzzy Sự phân tán tập luật Logic Engine for Rule – based WSNs sử dụng Logic mờ Wireless Sensor Networks PCDL Phân cụm liệu DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Các dạng hàm thành viên tập mờ 10 1.2 Hàm thành viên số mờ hình thang 11 1.3 Hàm thành viên số mờ hình tam giác 11 1.4 Cấu trúc hệ thống logic mờ 21 1.5 Cấu trúc D – FLER 22 1.6 Thành phần node Sensor 23 1.7 Cấu trúc hoạt động phân cụm WSN 24 1.8 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 25 1.9 Các thành phần node cảm biến 27 1.10 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến khơng dây 30 2.1 Thuật tốn FCM mở rộng 44 2.2 Mã thuật toán FCM mở rộng 49 2.3 Số lần thực thi thuật toán FCM 50 2.4 Tối ưu hàm mục tiêu thuật toán FCM 50 2.5 2.6 Kết phân cụm thuật toán FCM với số lượng cụm Kết phân cụm thuật toán FCM với số lượng cụm 51 51 3.1 Giao diện phần mềm Matlab 53 3.2 Cấu trúc logic mờ Matlab 55 3.3 Cấu trúc điều khiển mờ 56 3.4 Hệ mờ gồm n đầu vào – đầu 57 3.5 Hệ thống mờ TWSN – với Input – Output 57 3.6 Mơ hình hệ thống điều khiển mờ 58 3.7 Hệ thống sinh luật với minh họa 19 luật sở luật 59 Số hiệu hình 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 Tên hình Các hàm thuộc biến Năng _ lượng độ(A~) Hàm thuộc hợp hạng tử biến Năng_ lượng(A~) Mức tiêu hao lượng trung bình mạng WSNs Mức tiêu hao lượng mạng WSNs với minh họa 48.8% Mức tiêu hao lượng sau giảm khoảng cách nút đến CH Mức tiêu hao lượng sau giữ nguyên diện tích hoạt động Mức tiêu hao lượng hệ thống mạng hoạt động tối đa Mức tiêu hao lượng hệ thống mạng hoạt động 50% thời lượng Mức tiêu hao lượng hệ thống mạng ngừng hoạt động Mức tiêu hao lượng hệ thống mạng hoạt động liên tục Trang 61 61 63 64 65 65 66 66 67 67 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Bước vào kỷ 21, gới có phát triển vượt bậc, đặc biệt năm gần đây, với phát triển nhanh đạt nhiều thành tựu lớn lượng lẫn chất hầu hết lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật, quân sự, văn hoá, xã hội, … Xã hội phát triển nhu cầu truyền khai thác thơng tin ngày cao Nhu cầ u truyề n thông ngày càng lớn đòi hỏi những dich ̣ vu ̣ chấ t lươ ̣ng cao, cầ n phải có sở ̣ tầ ng đáp ứng cho quá trình truyề n thông nhiề u môi trường khác Đă ̣c biê ̣t sự đời ma ̣ng cảm biến không dây đã đáp ứng mô ̣t phầ n nhu cầu truyề n thông cho nơi mà ma ̣ng có dây không thể thực hiê ̣n tố t đươ ̣c Với phát triển nhanh vũ bảo ngành cơng nghệ thơng tin nói chung hướng nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến khơng dây nói riêng vấn đề quan tâm nghiên cứu hàng đầu Mạng cảm biến không dây tập hợp node Sensors hệ thống mạng liên kết với sóng vơ tuyến Mỗi node mạng bao gồm đầy dủ chức nhằm thực nhiệm vụ cảm nhận, thu thập, xử lý truyền liệu đến node gốc cách trao đổi gián tiếp với Các nodes mạng thường thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, với số lượng lớn phân bố phạm vi rộng ngẫu nhiên tạo thành cấu trúc kiểu AD – HOC với phân bố diện rộng nodes mạng cảm biến Vì mức tiêu hao lượng mạng cảm biến không dây vấn đề nhà khoa học tập trung nghiên cứu Xuất phát từ thực tế trên, hướng dẫn PGS.TS Lê Văn Sơn, chọn đề tài “Phân cụm dựa Logic mờ khảo sát lượng cho mạng cảm biến không dây” Mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu tài liệu mạng cảm biến không dây hệ thống logic mờ việc phân cụm mạng cảm biến không dây, thuật toán phân cụm Nhằm đánh giá độ hội tụ thuật toán phân cụm Mặt khác, xây dựng chương trình mơ phỏng, đánh giá khả ứng dụng Logic mờ mạng nhằm khảo sát nguồn lượng hệ thống mạng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu dựa nghiên cứu khảo sát nhà nghiên cứu kiến trúc cấu hình Topo cho phép tiết kiệm lượng hoạt động mạng cảm biến không dây Một kỹ thuật phổ biến kỹ thuật phân cụm (Cluster) Chủ yếu dựa sở luật hệ thống Logic mờ để mờ hóa phân cụm, từ để tính tốn nhằm đánh giá thời gian sống tối đa nodes hệ thống mạng cảm biến không dây Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu nghiên cứu tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Tìm hiểu số thuật tốn phân cụm dựa Logic mờ Mạng cảm biến không dây, đồng thời mơ thuật tốn phân cụm FCM mở rộng phân bố rộng khắp node mạng Sử dụng phần mềm Matlab để mô với nhiều kịch bản, đánh giá kết mô dựa sở lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn Với phát triển mạnh mẽ Công nghệ thông tin, mạng cảm biến không dây dường trở thành giải pháp hấp dẫn mang đến tiện ích nhiều phương diện, đặc biệt nhiều trường hợp chí cịn hạn chế nguy hiểm cho người môi trường làm việc khắc nghiệt, chẳng hạn nodes mạng thay làm việc trực tiếp người mơi trường có độc tính hay nhiệt độ cao, áp suất cao… Bên cạnh đó, mạng cảm biến khơng dây đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin môi trường, tập hợp điểm xác định khoảng thời gian định nhằm phát xu hướng quy luật vận động môi trường ... tài ? ?Phân cụm dựa Logic mờ khảo sát lượng cho mạng cảm biến không dây? ?? Mục tiêu nghiên cứu nhiệm vụ đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu tài liệu mạng cảm biến không dây hệ thống logic mờ việc phân. .. Tổng quan logic mờ mạng cảm biến không dây Trong chương luận văn, chủ yếu trình bày khái niệm số phạm vi nghiên cứu hệ thống Logic mờ Mạng cảm biến không dây vấn đề phân cụm hệ thống mạng Đối...ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ĐỖ GIANG SƠN PHÂN CỤM DỰA TRÊN LOGIC MỜ KHẢO SÁT NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 61.49.01.04 LUẬN