Đề tài tốt nghiệp xây dựng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây

1 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI • Đề tài tìm hiểu tổng quan nét lớn, mạng cảm nhận không dây.Các ứng dụng mạng cảm nhận không dây mục tiêu thực mạng cảm nhận khơng dây • Tìm hiểu tình hình ứng dụng mạng cảm nhận không dây giới nuớc ta Đưa ưu điểm, nhược điểm mạng cảm nhận khơng dây Tìm hiểu ứng dụng mạng cảm nhận khơng dây ứng dụng trng thực tiễn nước ta Xây dựng mơ hình đánh giá cho ứng dụng cụ thể lĩnh vực nuôi trồng thuỷ sản mạng cảm nhận không dây LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com NỘI DUNG LUẬN VĂN Trên giới, mạng không dây phát triển mạnh chuẩn hoá thành loại khác Về chất chúng mạng truyền thơng khơng dây, cấu hình, quy mơ, mục đích sử dụng khác nên chúng có điểm giống điểm khác Trong số mạng không dây, mạng cảm nhận không dây đời sở ứng dụng thành tựu cao công nghệ chế tạo linh kiện điện tử chín muồi việc hiểu biết làm chủ kiến thức phần mềm hệ điều hành mạng Mỗi nút mạng mạng cảm nhận không dây xem hạt bụi (motes) kích thước chúng bé, tiêu thụ lượng chúng đảm đương chức nút mạng, thế, chúng cịn có chức đo thơng số mơi trường (chức cảm nhận) nơi chúng có mặt Lợi ích mà mạng cảm nhận không dây đem lại to lớn, giới hình thành trào lưu nghiên cứu, chuẩn hoá, phát triển khai thác ứng dụng đa dạng Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận liệu, điều khiển, tìm nhiều ứng dụng Ví đo thơng số mơi trường cho nuôi trồng thuỷ sn, dự báo cháy rừng, dự báo lũ sông, theo dõi sức khỏe… Với nhận thức với khuyến khích động viên, hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn mong muốn tìm hiểu, thử nghiệm ứng dụng cơng nghệ mạng không dây em chọn đề tài “Xây dựng ứng dụng mạng cảm nhận không dây” Đề tài gồm chương sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây Chương 2: Những ứng dụng mạng cảm nhận không dây giới Chương 3: Những ứng dụng mạng cảm nhận khơng dây ứng dụng nước ta Chương 4: Thực nghiệm mạng cảm nhận không dây Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn Th.s Hòa Quang Dự tận tình bảo, hướng dẫn động viên em hoàn thành đề tài Em xin chân thànhg cảm ơn Thầy, Cô Trường Đại học Dân lập Hải Phịng nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức chuyên môn tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành đề tài Hải Phịng, tháng năm 2007 Nguyễn Xuân Hùng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.1 Định nghĩa mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) mạng không dây mà nút sử dụng vi điều khiển, cảm biến, Bộ truyền tín hiệu sóng Radio,… với kích thước nhỏ, tiêu thụ lượng ít, tự tổ chức, giá thành thấp dùng để đo liệu truyền thơng khơng dây nút mạng Hình 1.1: mơ hình mạng cảm nhận khơng dây 1.2 Yêu cầu WSN 1.2.1 Khả tự cấu hình - Ưu điểm mấu chốt WSN tính dễ triển khai, để triển khai thành cơng , đưa sử dụng nút mạng phải có chức tự cấu hình Các nút đặt vào mơi trường hoạt động Một vài nút số lí khơng hoạt động , để mạng tiếp tục hoạt động phải có khả tự cấu hình lại, Nghĩa phải phát nút bị hỏng định cấu hình lại mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Việc mạng phải thực cấu hình nhiều ngun nhân khác : càn phải thích ứng với thay đổi môi trường, khoảng cách nút mạng bị thay đổi… Chính việc cấu hình lại việc cần thiết để trì hoạt động mạng - Để khắc phục điều giải pháp tốt dùng kiến trúc bó khẳ tự cấu hình bó Kiến trúc bó kiến trúc mà nút mạng theo tiêu chuẩn mà thành lập bó ( Vd nút cạnh tạo thành bó, bó có nút đầu bó để nhận liệu gửi từ nút bó sau nút đầu bó gửi liệu cho để chuyền máy tính…) 1.2.2 Vấn đề tiết kiệm lượng Nguồn lượng nút mạng cảm nhận không dây thường pin Chính mà nguồn lượng có hạn dẫn đến việc tiết kiệm lượng yêu cầu cần thiết Theo nhà nghiên cứu mức điện tiêu thụ trung bình nút mạng mạng cảm nhận không dây 50 MW - Để đảm bảo nút mạng hoạt động thời gian dài (hàng năm) việc cần thiết phải sử dụng phần cứng tiêu thụ hết it điện Ngoài nguồn điện pin ta dùng nguồn lượng khác để tiết kiệm lượng như: Nguồn lượng tự tạo từ mơi trường hoạt động mạng ( VD: Dùng lượng mặt trời, lượng tạo từ nhiệt … ) - Việc sử dụng phần mềm nhúng với thuật tốn nhằm tiết kiệm lượng giải pháp hữu hiệu việc tiết kiệm lượng 1.2.3 Giá thành thấp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Do quy mô mạng cảm nhận không dây la rộng chi phí cho nút mạng ảnh hưởng tới việc chiển khai mạng Tổng chi phí vật tư chi phí triển khai ban đầu hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc chấp nhận công nghệ WSN Với mộ ngân sách cố định việc làm giảm giá thành nút làm cho khả mua thêm nhiều nút, triển khai mạng thu thập với mật độ cao hơn, thu thập nhiều liệu 1.2.4 An toàn bảo mật liệu Mạng cảm nhận không dây thường dùng ngồi mơi trường, phạm vi rộng, giao tiếp với dạng sóng ( sóng Radio, sóng vơ tuyến ) mà việc liệu gửi bị nhiễu hồn tốn khơng thể tránh khỏi, hay việc người truy nhập vào để lấy thông tin mạng, yêu cầu đặt phải đảm bảo an toàn bảo mật - Việc mã hóa thơng tin để đảm bảo tính an tồn mạng, cần bảo đảm cho người nhận thông báo từ người gửi không bị sửa đổi thông tin bên cách - Các nút mạng trước truyền liệu cần phải mã hóa thuật tốn mã hóa như: mã hóa DES… 1.3 Các ứng dụng WSN Ngày với phát triển công nghệ cao, mạng cảm nhận không dây không ngừng phát triển ứng dụng nhiều vào sống Các ứng dụng mạng cảm nhận khơng dây mà thấy rõ là: - Điều khiển giám sát công nghiệp - Nhà điều khiển tự động điều khiển điện tiêu dùng tự động - Thu thập thông tin An ninh Quân đội LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Theo dõi tài sản quản lý dây chuyền cung cấp - Nông nghiệp cảm nhận môi trường thông minh - Theo dõi sức khỏe + Thu thập thông tin An ninh Quân đội Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây ứng dụng quân đội Các nút mạng cảm nhận thay lính gác đảm bảo an tồn cho họ Mạng sử dụng để kiểm soát việc đột nhập bất ngờ cách nút mạng gắn cảm biến đo chấn động, đo thân nhiệt kiểm soát việc đột nhập bất hợp pháp nút mạng mạng cảm nhận khơng dây nhỏ rễ dàng ngụy trang cho nút mạng ( dấu vào bụi cây, hịn đá…) Ngồi cịn dung để thay người công việc nguy hiểm ( hầm mỏ, nơi nhiễm phóng xạ ) + Nông nghiệp cảm nhận môi trường thông minh Trong trang trại diệm tích thường lớn việc kiểm soát trồng điềm kiện tự nhiên tường khu vực khó khăng, lượng mưa khu vực khu vực thường có lượng mưa khác mạng cảm nhận khơng dây thu thập lượng mưa khu vực Mạng cảm nhận không dây thu thập liệu mơi trường sống trồng, vật nuôi (độ ẩm, nhiệt độ ) người tìm cách trăm sóc trồng, vật nuôi để đạt suất cao 1.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng mạng cảm nhận không dây giới nước 1.4.1 Trên giới LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trên giới việc phát triền mạng cảm nhận không dây đời thời gian lâu họ ứng dụng vào số lĩnh vực đời sống Không mà nghiên cứu để phát triển thêm mạng kết hợp với việc công nghệ điện tử ngày phát triển với giá thành ngày thấp Việc phát triển mạng cảm nhận không dây điược nghi lại với mốc quan trọng nhu sau: • Tương ứng với phát triên mở rộng hệ thống truyền thông không dây phát triển cuả mạng cảm nhận không dây 1978 DARPA tài trợ cho Sensor Nets Workshop trường đại học Mellon Pittsburgh, Pennsylvania theo yêu cầu cảu hệ thống giám sát quân đội • Tiếp 1990 dự án SensIT 1998 tiêu điểm mạng không dây cho hệ thống cảm biến quân đội phân tán tổng số 29 dự án nghiên cứu 25 quan cấp vốn dự án • 1993 Trường DDH California Los Angeles hợp tác với trung tâm Rock well có mạng tích hợp cảm biến không dây Wireless Intergate Network Sensor (WINS) thương mại hóa thành cơng ty Sensonia – California 1998 • Jan M Rabaey DDH California bắt đầu chương trình PicoRadio Dựa nghiên cứu kể từ hàng loạt nghiên cứu , dự án phát triển mạng cảm nhận không dây đời ; • MAMPS chương trình Principal Investigator Anantha Chandrakasan –viện công nghệ Massachusetts tập trung vào phát triển hệ thống đầy đủ mạng cảm biến không dây nhấn mạnh việc tiêt kiệm lượng : giao thức truyền thơng cho magnj cảm biến phân cấp xếp nhóm Adaptive lượng thấp LEACH LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com • Dự án Terminodes mạng di động đặc biệt MANET IETF – Intenet Engineering Task Force với mức tiêu thụ điện thấp, vấn đề địa lộ trình mạng cảm nhận không dây với nút mạng lưu động • Mạng khơng gian sâu âm nước ,với đặc tính phạm vi rộng, truyền liệu mạng Radio Mạng cảm nhận không dây chìa khóa để thu thập thơng tin cần thiết qua môi trường nhạy cảm, cho dù tịa nhà, nơi cơng cộng, khu cơng nghiệp, tàu thuyền, hệ thống chuyên chở tự động hay nơi khác Mạng không dây làm tăng khả trao đổi liệu Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ liên quan, nhà kinh doanh đưa cảm ứng sẵn có nhiều loại mà phù hợp cho ứng dụng mạng cảm nhận không dây với chuẩn đưa ra: + 802.11 Wireless Local Area Netwrok + Bluetooth (802.15.1) + Home RF (Radio Frequency) + 802.15.4 WPAN :chuẩn với cải tiến vượt bậc : phức tạp thấp, giá lượng tiêu thụ thấp, ổn định, uyển chuyển phê chuẩn tháng năm 2003 Như với nhu cầu trao đổi thông tin xã hội với phát triển mạnh mẽ công nghệ liên quan mà mà mạng cảm nhận không dây phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi đời sống 1.4.2 Ở nước LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Ở nước ta toán tự động hoá đặt cho lĩnh vực kinh tế, quốc phòng nhằm nâng cao hiệu cơng việc,tiến kịp trình độ chung khu vực giới Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận liệu, điều khiển, tìm nhiều ứng dụng Ví đo thơng số mơi trường dự báo thời tiết, cho nuôi trồng thuỷ sản, dự báo cháy rừng, dự báo lũ sông, … Mới bắt đầu nghiên cứu chưa có ứng dụng cụ thể Do Những điều kiện vật chất, thiết bị, vấn đề nước ta, nên dang fchỉ có vài trung tâm khoa hoc cơng nghệ lớn dang q trình nghiên cứu: Trung tâm thông tin KH& CN quốc gia, Hội đồng khoa học trường đại học công nghệ đại hoc Quốc Gia Hà Nội: Nghiên cứu lý thuyết, truyền thơng nút, truyền thơng tuyến tính đa bước để đo số thông số bản: nhiệt độ, độ ẩm, quang Nhận rõ sức mạng ứng dụng thực tế WSN , hi vọng tương lai gần WSN không ngừng mở rộng nghiên cứu,và ứng dụng rộng rãi nước 1.5 Kiến trúc 1.5.1 Kiến trúc mạng Do việc ứng dụng thực tế mà kiến trúc mạng thường hay dùng dạng hình cây, dạng tuyến tính Kiến trúc mạng dạng bó 1.5.1.1 Kiến trúc mạng dạng tuyến tính Mạng cảm nhận khơng dây sử dụng kiến trúc dạng tuyến tính mạng gồm có thành phần sau: Nút gốc, nút trung gian nút cảm biến LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 53 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include // Temperature packet: #define TBC_NODE_ID_LENGTH // word #define TBC_NODE_NAME_LENGTH 20 #define TBC_TEMP_OFFSET (TBC_NODE_ID_LENGTH + TBC_NODE_NAME_LENGTH) #define TBC_TEMP_LENGTH #define TBC_DATA_LEN (TBC_NODE_ID_LENGTH + TBC_NODE_NAME_LENGTH + TBC_TEMP_LENGTH) // Radio related: #define TBC_MY_SPP_ADDRESS #define TBC_RX_INTERVAL 50 #define TBC_PREAMBLE_COUNT // Node registration #define TBC_INVALID_NODE_INDEX 255 #define TBC_UNUSED_NODE_ID 0x0000 // Speed related byte xdata waitMultiplier; // The temperature "table": LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 54 #define TBC_MAX_NODE_COUNT 16 word xdata nodeIDs[TBC_MAX_NODE_COUNT]; byte xdata nodeNames[TBC_MAX_NODE_COUNT][TBC_NODE_NAME_LENGTH] ; word xdata nodeTemps[TBC_MAX_NODE_COUNT]; word xdata nodeLastT[TBC_MAX_NODE_COUNT]; // SPP variables SPP_SETTINGS xdata sppSettings; SPP_RX_INFO xdata RXI; SPP_TX_INFO xdata TXI; byte xdata rxDataBuffer[TBC_DATA_LEN]; byte xdata txDataBuffer[TBC_DATA_LEN]; // Function prototypes void tbcWaitRandom (void); void tbcTransmit (void); void tbcReceive (void); void tbcPrintTable (void); // Unit name, stored in Flash byte code flashUnitName[TBC_NODE_NAME_LENGTH]; // RAM buffer for Flash copy byte xdata ramBufNonAligned[128]; // -// MAIN PROGRAM // -void main (void) { byte xdata n; byte xdata m; RF_RXTXPAIR_SETTINGS code RF_SETTINGS = { 0xA3, 0x2F, 0x15, // Modem 0, and 0x75, 0xA0, 0x00, // Freq A 0x58, 0x32, 0x8D, // Freq B 0x01, 0xAB, // FSEP and LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 55 0x40, 0x30, 0x6C, 0xF3, 0x32, 0xFF, 0x00, 0x00, }; // PLL_RX // PLL_TX // CURRENT_RX // CURRENT_TX // FREND // PA_POW // MATCH // PRESCALER // Calibration data RF_RXTXPAIR_CALDATA xdata RF_CALDATA; // Initialize peripherals WDT_ENABLE(FALSE); RLED_OE(TRUE); YLED_OE(TRUE); GLED_OE(TRUE); BLED_OE(TRUE); // Startup macros for speed and low power consumption MEM_NO_WAIT_STATES(); FLASH_SET_POWER_MODE(FLASH_STANDBY_BETWEEN_READS); // Seed the random generator: halRandomNumberGen(&n, 1); halRandomNumberGen(&m, 1); srand((n > 8) & 0xFF; txDataBuffer[1] = nodeIDs[0] & 0xFF; for (n = 0; n < TBC_NODE_NAME_LENGTH; n++) { txDataBuffer[n + TBC_NODE_ID_LENGTH] = nodeNames[0][n]; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 57 } // Loop forever while (TRUE) { tbcReceive(); // Tien hanh truyen goi tin nhan duoc tbcTransmit(); tbcWaitRandom(); } } // main void tbcWaitRandom (void) { byte xdata time; byte xdata n; time = rand(); for (n = 0; n < waitMultiplier; n++) { halWait (time, CC1010EB_CLKFREQ); } } // tbcWaitRandom void tbcTransmit (void) { word xdata temp; int m,n; // Indicate transmission RLED = LED_ON; YLED = LED_ON; for (n = 0; n > 8) & 0xFF; txDataBuffer[TBC_TEMP_OFFSET + 1] = temp & 0xFF; nodeTemps[0] = temp; nodeLastT[0] = (int) sppGetTime(); YLED = LED_OFF; // Transmit the temperature sppSend(&TXI); { /*nothing*/ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE); RLED = LED_OFF; } // tbcTransmit void tbcReceive (void) { byte xdata n,m,o; byte xdata nodeIndex; word xdata nodeID; // Throw out "old" nodes (no updates during the last seconds) for (n = 0; n < TBC_MAX_NODE_COUNT; n++) { if (((int) sppGetTime() - nodeLastT[n]) > 300) { // Re-organize the list (by moving the remaining nodes up one index) for (m = n; m < (TBC_MAX_NODE_COUNT - 1); m++) { nodeIDs[m] = nodeIDs[m + 1]; for (o = 0; o < TBC_NODE_NAME_LENGTH; o++) { nodeNames[m][o] = nodeNames[m + 1][o]; } nodeTemps[m] = nodeTemps[m + 1]; nodeLastT[m] = nodeLastT[m + 1]; } } } // Receive the packet (if any) YLED = LED_ON; sppReceive(&RXI); { /*nothing*/ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE); LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 59 YLED = LED_OFF; // Process the packet if (RXI.status == SPP_RX_FINISHED) { GLED = LED_ON; // Get the node ID nodeID = (rxDataBuffer[0]