Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG iso 9001 : 2000 BÁO CÁO TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đề tài :Nghiên cứu kiến trúc cluster mạng cảm nhận không dây Giáo viên hƣớng dẫn :Th.s Hoà Quang Dự Sinh viên thực : Nguyễn Văn Hạnh Lớp CT701 Khoá Hải phòng tháng năm 2007 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1, Tìm hiểu tổng quan mạng cảm nhận khơng dây,Khái niệm,Yêu cầu WSN, Ưu nhược điểm WSN,Kiến trúc,Tình hình nghiên cứu ứng dụng WSN Trên giới Việt Nam 2, Nghiên cứu, xây dựng mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER với cách thức chon nút gốc, cách thức quản lý nút mạng CLUSTER,cách thức giao tiếp nút mạng, cách thức xử lý cố nút CLUSTER bi hỏng, thêm bớt nút mạng CLUSTER 3, Viết chương trình truyền liệu nút mạng làm sở để xây dựng ứng dụng thực tế mạng cảm nhận khơng dây, ví dụ: xây dựng hệ thống đo khí tượng dự báo thời tiết, cảnh báo thảm họa môi trường… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây: WSN mạng không dây, mà nút mạng vi điều khiển sau cài đặt phần mềm nhúng, kết hợp với phát sóng vơ tuyến với cảm biến có khả thu nhận ,xử lý liệu từ môi trường xung quanh nút mạng từ nút mạng khác truyền tới 1.2 Yêu cầu mạng cảm nhận không dây: + Các nút mạng phải tiêu thụ lượng + Các nút mạng có thời gian sống dài + Độ bao phủ rộng + Mạng phải có khả tự cấu hình lại, nghĩa phải phát nút bị hỏng định việc cấu hình lại mạng + Tích hợp ADC để ghép nối với cảm biến tương tự + kích thước vật lý nhỏ + Bảo mật tốc độ thu thập thông tin hiệu giá thành rẻ tính dễ triển khai LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.3.Ƣu nhƣợc điểm WSN: 1.3.1 Ƣu điểm WSN: + Tính linh hoạt + Tiết kiệm chi phi xây lắp + Dễ dàng sử dụng cài đặt + Dễ dàng mở rộng hệ thống mạng 1.3.2 Nhƣợc điểm WSN: + Mạng cảm nhận khơng dây cho người truy cập đâu thiết bị di động có hình hiển thị nhỏ nên hiển thi thơng tin gặp khó khăn + Tốc độ truyền liệu mạng khơng dây chậm + An tồn bảo mật thông tin mạng phức tạp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.4 Các Kiến trúc mạng cảm nhận không dây: 1.4.1 Mạng đơn : Tất nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc Base Station 1.4.2 Mạng liên kết bước : Các nút xa truyền liệu tới trạm gốc thông qua nút trung gian, Nút trung gian tiêu hao lượng nhiều LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.4 Các Kiến trúc mạng cảm nhận khơng dây: 1.4.3 Mạng liên kết bó : Nhóm nút gần tập hợp liệu đánh dấu nút giữ việc truyền thông với trạm gốc Base Station 1.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng WSN Trên giới Việt Nam 1.5.1 Ứng dụng WSN Trên giới 1.5.2 Ứng dụng WSN Việt Nam LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG II : Kiến trúc nút WSN II.1 Bộ vi xử lý: Xử lý liệu thu thập từ mơi trường tín hiệu truyền nhận nút II.2 Bo mạnh: Bao gồm nguồn nuôi, ăng ten ,các cổng giao tiếp nơi để tích hợp thiết bị : cảm biến , lưu trữ liệu,bộ truyền thông… II.3 Bộ lƣu trữ: Kiến trúc lưu trữ phải nhỏ: sử dụng nhớ DRAM Flash II.4 Bộ truyền thông: Mơ hình truyền thơng thường đề cập WSN thời việc truyền thông đa bước theo kiến trúc bó kết thời việc truyền thơng đa bước theo kiến trúc bó tiết kiệm lượng II.5 Bộ cảm biến, khởi động: Có nhiều loại cảm biến (quang, cơ, nhiệt ) cảm biến đôi mắt mạng cảm nhận khơng dây cịn khởi động bắp LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER III.1 Giới thiệu chung kiến trúc CLUSTER Trong mạng tổ chức thành tập hợp bó nút, nút thuộc bó,mỗi bó có NID CID.Các nút bó thực giải thuật để chọn nút đầu bó thành viên khác Tất nút thành viên bó truyền liệu chúng tới nút đầu bó, nút đầu bó nhận liệu từ thành viên bó, thực xử lý truyền tới trạm gốc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Ƣu điểm:Tiết kiệm lượng truyền từ nút tới trạm gốc,nhanh chóng, tiện dụng tránh xung đột,dễ dàng mở rộng kích thước mạng Nhƣợc điểm: Năng lượng nút đầu bó tiêu hao nhanh, phải có giả thuật chon nút đầu bó,phải quản lý kích thước bó,giao thức truyền thơng nút tránh xung đột Chu kỳ thiết lập bó:Các nút đầu bó chọn quảng bá thơng điệp thơng báo đến nút lân cận Các nút lân cận tiếp nhận thơng điệp nút đầu bó lựa chọn để trở thành nút thành viên bó, cách gửi lại thơng điệp tới nút đầu bó mà tham gia Nút đầu bó tiếp nhận thơng điệp, tạo lịch trình gửi tới nút thành viên để thông báo khung thời gian làm việc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp Mỗi nút tự bầu chọn thành nút đầu bó với xác suất Pi(t) tổng số N nút mạng Với k: số lƣợng nút đầu bó Để đảm bảo nút trở thành nút đầu bó lần N/k vịng, đánh dấu Ci(t) = nút nút đầu bó vịng Ci(t) = ngược lại.Mỗi cá nhân nút chọn làm nút đầu bó vòng r với xác suất Pi(t) Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện cho số lượng nút chưa chọn Sử dụng r mod N/k bảo đảm bắt đầu lại sau tất nút chọn lọc 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp Các nút có mức lượng cao có xác suất trở thành nút đầu bó cao nút khác Như vậy, xác suất nút chọn dựa mức lượng nút mức lượng tổng thể nút bó Với Ei(t) mức lượng nút i Chú ý giải thuật yêu cầu nút cần phải biết giá trị Etotal(t), để xác định xác giá trị thời gian hoạt động lượng tiêu thụ 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Sơ đồ thiết lập bó Đúng Nút i đầu bó Thơng báo trạng thái nút đầu bó Sai Đợi thơng báo nút đầu bó Đợi thơng báo join-REQ nút Gửi thơng báo joinREQ tới nút đầu bó chọn Tạo lịch trình TDMA gửi thành viên bó t=0 Đợi lịch trình làm việc từ nút đầu bó t=0 Thực giai đoạn trạng thái ổn định t=Tround giây 12 Hình 3.4: sơ đồ thiết lập bó LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Truyền liệu chế độ bytemode: bit ghi dịch bit chuyển tới điều chế.Nó nạp liệu từ ghi RFBUF, có yêu cầu ngắt sinh để RFBUF nạp liệu Trong chế độ bitmode: thời điểm có bit đưa vào đệm Vì ghi dịch nạp bit từ RFBUF sau bit truyền Để ghi bit vào RFBUF, Để bắt đầu truyền liệu cách nhanh chóng byte bit phải nạp vào ghi RFBUF Sau nạp vào ghi dịch yêu cầu ngắt sinh cho byte/bit thứ 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Nhận liệu Khi nhận liệu đệm làm cơng việc ngược lại so với q trình truyền liệu Từng bit giải mã chuyển vào ghi dịch liệu đưa sang RFBUF yêu cầu ngắt sinh chế độ bytemode Các byte phải đọc chu kỳ byte (chu kỳ Baud mã NRZ chu kì 16 Baud mã Manchester) Nếu khơng liệu cũ bị ghi đè Trong chế độ bitmode việc nạp đệm liệu diễn tương tự thời điểm có bit nạp vào Vì bit liệu đến từ giải mã ghi dịch lưu trữ lưu bit cuối vào RFBUF.0 Nó sinh yêu cầu ngắt để nhận bit liệu 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức truyền thơng tránh xung đột Lộ trình mạng:giao thức DSR (Dynamic Source Routing) giao thức định tuyến phản ứng sử dụng định tuyến nguồn (source routing) đặc trưng cho giao thức theo yêu cầu (on-demand protocol) Tiêu đề gói tin liệu chứa thứ tự nút mà gói tin cần phải qua để tới đích Do vậy, nút trung gian cần giữ liên lạc với nút hàng xóm sát cạnh để chuyển tiếp gói tin Ngược lại, nút nguồn cần phải biết thứ tự toàn chặng để đạt tới đích III.5.2Các giao thức bao gồm DSR (Dynamic Source Routing) bao gồm giai đoạn: Route Discovery (Phát đường) Route Maintenance (Duy trì đường) 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) Giao thức MAC (giao thức điều khiển truy cập) nhiệm vụ giao thức MAC tránh xung đột để hai nút khơng truyền thơng thời điểm Có nhiều giao thức MAC phát triển TDMA (Time division multiple access) CDMA (Code division multiple access) S-MAC (Sensor MAC), giao thức MAC thiết kế dành riêng cho mạng cảm nhận khơng dây Trong việc giảm bớt tiêu thụ lượng mục đích 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER giới hạn nút bó(quản lý kích thƣớc bó) Tránh việc có q nhiều hay q nút bó, đảm bảo kết nối tốt tránh xung đột.Gọi A nút đầu bó ,n(A) số nút nhỏ N(A) số nút lớn bó , số khả thi đưa N(A) = với 3bit địa gán cho bó Nếu khơng đủ số nút cho bó nút đầu bó giữ tín hiệu join tăng bán kính(r) truyền lên : r = k.r (là giới hạn số lượng nút mới) với k>1 Do xuất giá trị Rmax , Nếu r>Rmax thuật tốn kết thúc 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) khả tự cấu hình: khả tự động tổ chức trì mạng mà khơng cần can thiệp người quản trị mạng yêu cầu mạng cảm nhận khơng dây kiến trúc bó Bao gồm giai đoạn : Giai đoạn cấu hình : nút mạng bắt đầu tập hợp lại thành bó Giai đoạn trì :Mỗi nút mạng phát đặn tín hiệu “ I`m alive”, thơng báo cho nút lân cận bảng định tuyến cịn mức độ lượng hoạt động Tiến trình gọi kiểm tra hoạt động, nút mạng hỏi nút khác để biết cịn hoạt động Giai đoạn cấu hình lại : Một nút phát nút lân cận bị lỗi bó bị phân chia, cập nhật bảng định tuyến Nếu bó bị chia cắt, bó cố gắng kết nối vào bó khác giữ nguyên cân cấp độ mạng 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER khả cấu hình lại thêm nút nút bị hỏng: Quá trình khám phá:Mỗi nút tạo cho bán kính truyền r để phát tín hiệu “Hello”Nếu nhận tín hiệu “I am here” cịn khả kết nạp vào bó ghi nhận bán kính truyền r Q trình cấu hình mạng: lắng nghe lời mời kết nối nút đầu bó Nếu có, phát tín hiệu “join-repuest” Nếu nhận tín hiệu chấp nhận “join-confim” trả lời tín hiệu ACK kết nối với bó Ngược lại, quay trở lại giai đoạn nghe Nếu khơng có lời mời trở thành nút đầu bó với địa ban đầu 000 Sau phát tín hiệu mời kết nối “join 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Quá trình trì cấu hình mạng: Cứ sau 30giây nút phát tín hiêu kiểm tra “I am alive”và nghe xem có tín hiệu trả lời ACK từ nút bó khơng nhận tín hiệu kiểm tra nút gửi lại ACK để báo cho nút biết hoạt động Nếu khoảng thời gian lần mà khơng nhận ACK từ nút bó coi nút bị lỗi Quá trình tự cấu hình lại mạng:Nếu phát nút hay đường liên kết bị lỗi, nút quay trở lại q trình khám phá từ đầu 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Khái quát chƣơng trình Chương trình sử dụng chuyển mạch CC1010EB (1-4) để truyền gói liệu đo cường độ tín hiệu Sử dụng đèn để thông báo truyền/nhận thành công hay thất bại: Blue: Truyền - Yellow: Nhận- Red: Truyền/nhận bị lỗi Green: Truyền/nhận thành công Hàm halRFSetRxTxOff(…) dùng để thiết lập cặp kênh truyền/nhận, tín hiệu sóng mang truyền hàm halRFSendPacket(…) nhận hàm halRFReceivePacket2(…) Sau tín hiệu xử lý xử lý điều khiển đèn thơng báo q trình truyền nhận thành công hay thất bại 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Các bƣớc thực chƣơng trình Bƣớc1: bật chuyển mạch gắn cảm biến CC1010 ,nếu đèn Blue không sang quay lại kiểm tra nguồn thực bật lại, đèn Blue bật sang chuyến sang bước Bƣớc 2: đèn Blue bật sáng, nghĩa nút sẵn sàng truyền tín hiệu thực tạo gói tin kiểm thử Bƣớc 3: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX gửi gói tin Bƣớc 4: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX biên nhận gói tin Bƣớc 5: kiểm tra xem số byte nhận =1và độ dài xâu nhận –ACK_BYTE tắt đèn Blue bật đèn Green ,nếu ngược lại bật đèn Red quay lai bước Bƣớc 6: hiển thị kết nhiệt độ đo tần số sóng lên 22 hình máy tính LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER Sơ đồ khối giải thuật: Bigin Đèn blue tắt Các chuyển mạch bật Đèn blue bật sáng Tạo gói tin kiểm thử Bật đèn red Thiết lập cặp kênh truyền Biên nhận gói tin Thiết lập cặp kênh truyền gửi gói tin Số byte nhận =1 Và độ dài xâu nhận =ACK_BYTE End Tắt đèn blue bật đèn yellow Tắt đèn yellow bật đèn green Hiển thị kết 23 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ Hòa Quang Dự, tận tình giúp đỡ em để em hồn thành báo cáo Em xin cảm ơn Ban giám hiệu Thầy cô giáo Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giảng dạy ,cung cấp cho chúng em kiến thức giúp chúng em hiểu rõ lĩnh vực nghiên cứu để hoàn thành đề tài Xin cảm ơn bạn bè gia đình động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, giúp em hồn thành đề tài Hải Phịng ngày 26 tháng năm 2007 24 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 25 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó) khả tự cấu hình: khả tự động tổ chức trì mạng mà không cần can thiệp người quản trị mạng yêu cầu mạng cảm nhận khơng dây kiến trúc. .. Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây: WSN mạng không dây, mà nút mạng vi điều khiển sau cài đặt phần mềm nhúng, kết hợp với phát sóng vơ tuyến với cảm biến có... luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây 1.4 Các Kiến trúc mạng cảm nhận không dây: 1.4.1 Mạng đơn : Tất nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc Base Station 1.4.2 Mạng liên kết bước : Các