Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu năng cho mạng cảm biến không dây trong công nghiệp sử dụng giao thức dsme

Báo cáo tốt nghiệp Đề tài : “Nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu cho mạng cảm biến không dây công nghiệp sử dụng giao thức DSME” Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.1 Khái niệm  Mạng cảm biến không dây (WSN - Wireless Sensor Network) mạng bao gồm nhiều nút mạng cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng ít, giao tiếp thơng qua kết nối khơng dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định tồn cục mơi trường tự nhiên  Mạng cảm biến không dây công nghiệp (IWSN – Industry Wireless Sensor Network) miền đặc biệt WSN, đặc biệt nhắm vào ứng dụng cơng nghiệp  Hình bên mơ tả ví dụ mơ hình mạng cảm biến khơng dây cơng nghiệp nhà máy xi măng Mơ hình mạng cảm biến không dây công nghiệp nhà máy xi măng Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc phần cứng Kiến trúc mạng Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.3 Hạn chế thách thức mạng cảm biến không dây công nghiệp a) Hạn chế  Giao tiếp bị giới hạn ràng buộc thời gian độ tin cậy nghiêm ngặt  Trong truyền thông mạng, tắc nghẽn gây chậm trễ đáng kể, gói, lãng phí lượng khơng tin cậy  Sự tắc nghẽn chủ yếu truyền thông tin không phối hợp, báo cáo liệu đồng thời tràn đệm b) Thách thức  Hạn chế tài nguyên  Cấu trúc liên kết động điều kiện môi trường khắc nghiệt  Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS)  Dữ liệu dự phòng  Bảo mật  Triển khai quy mô lớn kiến trúc đặc biệt Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây công nghiệp  Cảm biến môi trường: Các ứng dụng IWSN cho cảm biến môi trường bao gồm vấn đề khơng khí, nước (cùng với nước thải) ô nhiễm, bao gồm nguyên liệu sản xuất giám sát nhiễm  Giám sát tình trạng: Các vấn đề giám sát tình trạng kết cấu, cung cấp kết cấu thơng tin sức khỏe (tình trạng tịa nhà, cơng trình xây dựng, cầu, tuyến đường cung cấp, v.v.) giám sát tình trạng máy móc bao gồm khả bảo trì tự động  Tự động hóa quy trình: Nhóm ứng dụng cuối cung cấp người dùng có thơng tin liên quan đến nguồn lực để sản xuất cung cấp dịch vụ (bao gồm nguyên vật liệu, kho tình trạng chuỗi cung ứng, nhân lực có quy trình cơng nghiệp) Chuẩn IEEE 802.15.4 2.1 Khái niệm chuẩn IEEE 802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 nhằm cung cấp lớp mạng thấp thiết yếu cho mạng khu vực cá nhân không dây, WPAN Các yêu cầu chi phí thấp, tốc độ thấp giao tiếp phổ biến thiết bị IEEE 802.15.4 khơng nhằm mục đích cạnh tranh với hệ thống hướng tới người dùng cuối sử dụng phổ biến IEEE 802.11, nơi chi phí khơng q quan trọng yêu cầu tốc độ cao điện khơng q quan trọng Thay vào đó, IEEE 802.15.4 cung cấp giao tiếp với chi phí thấp thiết bị lân cận với khơng có sở hạ tầng 2.1.1 Tổng quan chuẩn IEEE 802.15.4 Chuẩn IEEE 802.15.4 dự định cung cấp lớp mạng thấp loại mạng khu vực cá nhân không dây (WPAN) tập trung vào giao tiếp phổ biến, tốc độ chi phí thấp thiết bị Các tính 802.15.4 bao gồm: Tính phù hợp thời gian thực cách đặt trước Khe thời gian đảm bảo (GTS) tránh va chạm qua CSMA / CA hỗ trợ tích hợp cho truyền thơng an toàn chức quản lý lượng tốc độ / chất lượng liên kết phát lượng Hỗ trợ cho ứng dụng nhạy cảm với thời gian tốc độ liệu khả hoạt động chế độ truy cập CSMA/CA TDMA Chế độ hoạt động TDMA hỗ trợ thơng qua tính GTS tiêu chuẩn Các thiết bị tuân theo IEEE 802.15.4 sử dụng ba dải tần số khả thi để hoạt động (868/915/2450 MHz) 2.1.2 Kiến trúc giao thức Các thiết bị thiết kế để tương tác với qua mạng không dây đơn giản mặt khái niệm Định nghĩa lớp mạng dựa mơ hình OSI ; có lớp thấp xác định tiêu chuẩn, tương tác với lớp nhằm mục đích, sử dụng lớp điều khiển liên kết logic IEEE 802.2 truy cập MAC thông qua lớp hội tụ Việc triển khai dựa vào thiết bị bên hoàn toàn thiết bị nhúng, tự hoạt động Lớp Vật lý (PHY): Lớp vật lý lớp mơ hình tham chiếu OSI sử dụng toàn giới lớp giao thức truyền gói tin cách sử dụng Lớp vật lý (PHY) cung cấp dịch vụ truyền liệu Nó cung cấp giao diện cho thực thể quản lý lớp vật lý , cung cấp quyền truy cập vào chức quản lý lớp vật lý trì sở liệu thông tin mạng khu vực cá nhân liên quan Do đó, PHY quản lý thu phát vơ tuyến vật lý , thực lựa chọn kênh với chức quản lý lượng tín hiệu Nó hoạt động ba dải tần khơng cấp phép:    868,0–868,6 MHz: Châu Âu, cho phép kênh liên lạc (2003, 2006, 2011) 902–928 MHz: Bắc Mỹ, ban đầu phép tối đa mười kênh (2003), sau Hình 2.1 : Ngăn xếp giao thức mở rộng đến ba mươi (2006) IEEE 802.15.4 2400–2483,5 MHz: sử dụng toàn giới, lên đến mười sáu kênh (2003, 2006) Lớp MAC: Điều khiển truy cập phương tiện (MAC) cho phép truyền khung MAC thông qua việc sử dụng kênh vật lý Bên cạnh dịch vụ liệu, cung cấp giao diện quản lý quản lý quyền truy cập vào kênh vật lý báo hiệu mạng Nó kiểm sốt xác nhận khung, đảm bảo khe thời gian xử lý liên kết nút Cuối cùng, cung cấp điểm móc cho dịch vụ an tồn 2.1.3 Độ tin cậy bảo mật Phương tiện vật lý truy cập thông qua giao thức CSMA/CA Thông báo xác nhận tùy chọn số trường hợp định, trường hợp đó, giả định thành công đưa Dù trường hợp xảy ra, thiết bị xử lý khung thời điểm định, đơn giản khơng xác nhận việc nhận nó: q trình truyền lại dựa thời gian chờ thực số lần, sau đưa định hủy bỏ hay tiếp tục thử Về truyền thơng an tồn, lớp MAC cung cấp sở khai thác lớp để đạt mức độ bảo mật mong muốn Các quy trình lớp cao định khóa để thực mật mã đối xứng để bảo vệ tải trọng giới hạn nhóm thiết bị liên kết điểm-điểm; nhóm thiết bị định danh sách kiểm soát truy cập Hơn nữa, MAC tính tốn kiểm tra độ lần tiếp nhận liên tiếp để đảm bảo khung hình cũ liệu khơng cịn coi hợp lệ không chuyển sang lớp cao Ngồi chế độ bảo mật này, cịn có chế độ MAC khơng an tồn khác, cho phép danh sách kiểm soát truy cập đơn phương tiện để định việc chấp nhận khung theo nguồn (giả định) chúng 2.2 Cơ chế sử dụng CSMA/CA CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) phương pháp đa truy cập mạng cảm biến sóng mang sử dụng, nút cố gắng tránh va chạm cách bắt đầu truyền sau kênh cảm nhận "khơng hoạt động" Tính tránh va chạm sử dụng để cải thiện hiệu suất phương pháp CSMA cách cố gắng phân chia kênh cách đồng tất nút truyền miền xung đột ... dây công nghiệp 1.2 Kiến trúc mạng cảm biến không dây Cấu trúc phần cứng Kiến trúc mạng Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.3 Hạn chế thách thức mạng cảm biến không dây công nghiệp. .. kiến trúc đặc biệt Tổng quan mạng cảm biến không dây công nghiệp 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây công nghiệp  Cảm biến môi trường: Các ứng dụng IWSN cho cảm biến môi trường bao gồm vấn đề... dụng cơng nghiệp  Hình bên mơ tả ví dụ mơ hình mạng cảm biến khơng dây cơng nghiệp nhà máy xi măng Mơ hình mạng cảm biến không dây công nghiệp nhà máy xi măng Tổng quan mạng cảm biến không dây