localization in the wireless sensor networks

Và tập trung trong đồ án này, sẽ trình bày về phần localization, các phương pháp tính toán trong kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các cảm biến với vị trí ban đầu

Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Khoa Điện – Điện Tử

Bộ Môn Viễn Thông

LOCALIZATION IN THE WIRELESS

SENSOR NETWORKS

GVHD : T.S VÕ QUẾ SƠN SVTH :LÊ ANH TÚ MSSV:40802504 :VŨ VĂN BIÊN MSSV:40800135

Tháng 5/2012

i

Lời nói đầu v

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY……….

LỜI NÓI ĐẦU iv

1.1.1 CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK 2

1.1.2 HẠN CHẾ 3

1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4

1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN 4

5 1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN 5

1.2.3 MÔI TRƯỜNG HOẠT ĐỘNG CỦA NODE CẢM BIẾN 8

1.2.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NODE CẢM BIẾN 8

CHƯƠNG II ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11

Ứng dụng trong y học và môi trường: 11

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ LOCALIZATION 16

3.1 GIỚI THIỆU 16

3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ 17

3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỊNH VỊ TRONG LOCALIZATION .19

3.3.1 PHÉP ĐO AOA 19

3.3.2 PHÉP ĐO TOA 21

3.3.3 PHÉP ĐO TDOA (Time-Difference-of-Arrival ) 24

3.3.4 MAPPING TECHNIQUES .25

3.3.5 PHÉP ĐO RSS 26

3.3.6 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 27

CHƯƠNG 4 TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ RSSI 28

4.1 THUẬT TOÁN MIN-MAX 28

4.2 THUẬT TOÁN TAM GIÁC 29

4.3 THUẬT TOÁN WCL 30

4.4 TRỌNG SỐ TUYẾN TÍNH ĐỊNH VỊ TRỌNG TÂM-LWCL 33

4.4.1 CHỈ SỐ CƯỜNG ĐỘ TÍNH HIỆU NHẬN 33

4.4.2 Trọng số tuyến tính định vị trọng tâm (LWCL) 35

4.4.3 LWCL trong môi trường free-space 37

4.4.4 LWCL trong môi trường log-distance 38

ii

4.4.5 Đánh giá độ chính xác 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

iii

những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo ra điều kiện cho các thể hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số

vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar và cảm biến định vị dẫn đường

Công nghệ cảm biến điều khiển có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng, liên quan đến chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm….Với mục tiêu tăng hiệu quả và giảm giá thành trong công nghiệp, thương mại mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nhằm nâng cao cuộc sống con người

Trong nội dung đồ án này, trình bày một cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, về các kỹ thuật trong mạng cảm biến không dây Bên cạnh đó là các ứng dụng phổ biến có nhiều tiềm năng trong ứng dụng thực thế

Và tập trung trong đồ án này, sẽ trình bày về phần localization, các phương pháp tính toán trong kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các cảm biến với vị trí ban đầu chưa biết trong một mạng bằng cách sử dụng có sẵn một kiến thức ưu tiên của vị trí của một bộ cảm biến cụ thể trong mạng và giữa các cảm biến đo lường như khoảng cách, thời gian khác nhau khi đến, góc đến và kết nối

Do thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung Do vậy em rất mong các thầy chỉ bảo và bổ sung thêm, các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn thiện hơn

iv

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn – TS Võ Quế Sơn, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt đồ án theo.

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Lê Anh Tú - Vũ Văn Biên

v

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến (sensor network ) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào

đó Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học

Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu , giám sát, theo dõi, và các ứng dụng y học Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu càu sử dụng còn rất đa dạng và không giới hạn

Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý Các node cảm biến có khả năng liên lạc với các node lân cận và có các chức năng

cơ bản xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng, giao tiếp với các nút lận cận để truyền tới node focus

1

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

WSNslà mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến

1.1.1 CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK

Trong mạng sensor network, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục

vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa… Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn

Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, số lượng các node cảm biến lớn…

Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến Kích thước rất đa dạng, từ nano (1-100nm), micro (10-1000um), marco(vài nm-m)…

Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính báo mật cao Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSNs

Các nghiên cứu gần đầy phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức mạng, giải quyết bài toán quan trong nhất cảu mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho các node bị giới hạn Các mô hình không dây Có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát triển Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:

- Chu kỳ hoạt động ngắn

- Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền

- Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyển, qua đó giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền

Tính năng đặc biệt của WSNs:

- Đồng nhất các thiết bị

- Phân tán mạng

- Quy mô mạng lưới lớn

2

- WSNs hỗ trợ kích cỡ mạng khác nhau, từ một đến vài trăm nút.Có thể trải trên một phạm vị rộng lớn.

- Tiết kiệm chi phí

- Tính linh hoạt của hệ thống giám sát cảm biến không dây có thể chuyển thành tiết kiệm chi phí lớn

- Tất cả các nút hành vi như thiết bị định tuyến

- Không có cơ sở hạ tầng có dây và linh hoạt

Không có dây hoặc dây cáp để định tuyến, một hệ thống giám sát không dây vốn linh hoạt hơn hơn so với một mạng lưới truyền thống Hệ thống không bị khóa vào một cấu trúc liên kết mạng cố định hay thiết lập hệ thống, để mở khả năng bổ sung, nâng cấp, mở rộng, và như vậy Thuận lợi này có nghĩa là có ít chi phí liên quan đến thiết lập một đo lường, và ít tốn kém hơn có nghĩa là nhiều cơ hội hơn cho việc đo đạc bổ sung cho cái nhìn sâu sắc thêm vào hệ thống của bạn Không dây cũng mở rộng tính di động của việc mua lại dữ liệu của bạn Phép đo trường có thể được thời gian và tốn kém Với cảm biến không dây, thời gian thiết lập được giảm đáng kể

- Tiềm năng đa định tuyến

1.1.2 HẠN CHẾ

Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng , một số thách thức và trở ngại cần phải vượt qua:

- Yếu tố môi trường

Mạng lưới cảm biến có thể được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt Trong những trường hợp này, các nút không được bảo vệ khỏi sự tấn công vật lý.Nên có thể bị sự xâm hại của môi trường gây ảnh hưởng đến các node

- Yếu tố nguồn cung cấp:

Hạn chế nguồn của các nút cảm biến được nâng lên do kích thước vật lý của nó nhỏ và thiếu dây Kể từ khi sự vắng mặt của dây dẫn đến thiếu một nguồn cung cấp nguồn liên tục Các nút cảm biến thường điều khiển bằng pin Tuy nhiên, vì một mạng lưới cảm biến có chứa hàng trăm đến hàng ngàn các nút, và bởi vì thường WSN được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt, đó là khó khăn

để thay thế hoặc nạp lại năng lượng Nguồn cung cấp được sử dụng cho các hoạt

3

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

động khác nhau ở mỗi nút, chẳng hạn như chạy các cảm biến, xử lý thông tin thu thập và truyền dữ liệu

Và giao tiếp giữa các nút cảm biến tiêu thụ hầu hết nguồn sẵn có, nhiều hơn so với cảm biến và tính toán Hạn chế nguồn cung cấp ảnh hưởng lớn đến an ninh, kể

từ khi các thuật toán mã hóa giới thiệu một chi phí thông tin liên lạc giữa các nút, các tin nhắn khác phải được trao đổi, tức là cho các mục đích quản lý chủ chốt, nhưng cũng có tin nhắn trở nên lớn hơn khi khởi tạo và xác thực, mã hóa dữ liệu phải được bao gồm

- Lưu trữ hạn chế của các node

Khả năng hạn chế cho việc lưu trữ ảnh hưởng đến việc lưu trữ các khóa mật mã Theo chương trình mã hóa được sử dụng, mỗi nút cảm biến có thể cần biết một số lượng các phím cho mỗi nút khác trong mạng để đảm bảo thông tin liên lạc, và do

đó lưu trữ các phím trong không gian lưu trữ của các nút Tuy nhiên, số lượng lớn các nút cảm biến đòi hỏi rất nhiều bộ nhớ, mà có thể không được cung cấp Thách thức của việc hạn chế lưu trữ cho các nhà nghiên cứu để thiết kế các giao thức bảo mật trong một cách mà một số lượng tối thiểu của các phím mã hóa phải được sử dụng để cung cấp sự bảo vệ đầy đủ vào mạng

- Đặc tính kênh truyền

- Giao thức quản lý mạng phức tạp và sự phân bố rải rác các node

Đa số các node đều được phân bố rải rác nhiều nơi nên việc thống nhất và quản

lý các node cũng gây nhiều khó khăn

- Tiêu chuẩn và quyền sở hữu

Nhiều nhà cung cấp cảm biến không dây sử dụng một mạng lưới sở hữu độc quyền bởi vì các chi tiết của nó không phải công bố công khai

1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN

Mạng WSNs gồm nhiểu cảm biến phân bố phân tán bao phủ môt vùng địa lý Các node cảm biến có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức

4

năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyển dữ liệu từ nguồn đến trung tâm Chức năng của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính:

- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp Như có thể trả về nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng…tại nơi khảo sát

- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số của sự kiện đó Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện giao thông

- Phân biệt đối tượng

- Theo dấu đối tượng

- Các thông số vật lý

- Các thông số hóa học, sinh học

Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, đo nhạy cao và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế

1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN

biến điển hình bao gồm một ăng-ten và một tần số thu phát vô tuyến (RF) để cho

5

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

phép giao tiếp với các nút khác, một đơn vị bộ nhớ, CPU, đơn vị cảm biến và nguồn điện thường được cung cấp là pin

Hệ thống điều hành chạy trên các nút cảm biến được gọi là TinyOS TinyOS được thiết kế để chạy trên các nền tảng với sức mạnh tính toán hạn chế và ngôn ngữ lập trình space Bộ nhớ của TinyOS là cách điệu C và sử dụng một trình biên dịch tùy chỉnh được gọi là NesC Mặc dù nó có thể làm việc trên các nền tảng khác, các nền tảng hỗ trợ Linux RedHat 9.0, Windows 2000 và Windows XP

Bảng sau đây liệt kê một số khả năng của các nền tảng cảm biến mạng hiện tại được tổ chức lớp thiết bị được trình

6

Hình 1.3 Cấu hình của 1 số loại node cảm biến

Phần cấu tạo của node cảm biến thông thường gồm phần cứng và phần mềmCấu trúc bên trong và độ phức tạp phụ thuộc vào các ứng dụng

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

• Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin

• Liên lạc : trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm

1.2.3 MÔI TRƯỜNG HOẠT ĐỘNG CỦA NODE CẢM BIẾN

Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:

- Nguồn cung cấp : các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng hiệu quả nguồn và năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSNs

- Liên lạc :Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiều kênh truyền Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vị và độ bảo mật của hệ thống

- Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn.Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node

- Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu

từ môi trường Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu Sự sắp đặt các node gây sai lệch hoat động node

1.2.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NODE CẢM BIẾN

Do khả năng hạn chế của cảm biến, có rất nhiều vấn đề thiết kế phải được giải quyết để đạt được một hoạt động có hiệu quả và hiệu quả của các mạng cảm biến không dây

8

• Các thuật toán tiết kiệm năng lượng: Kể từ khi các nút cảm biến sử dụng

pin để thay thế cho điện khi tiêu thụ (hãy nhớ rằng các nút cảm biến thường được triển khai trong môi trường khắc nghiệt và từ xa), nó là quan trọng đối với các thuật toán thiết kế và các giao thức trong một cách như vậy để sử dụng năng lượng tối thiểu Để làm như vậy, người thực hiện phải giảm thông tin liên lạc giữa các nút cảm biến, đơn giản hóa tính toán và áp dụng các giải pháp bảo mật nhẹ

• Khám phá địa điểm: Nhiều ứng dụng có thể theo dõi một đối tượng đòi hỏi

phải biết vị trí chính xác hoặc gần đúng vật lý của một nút cảm biến để liên kết cảm nhận dữ liệu với những đối tượng bị điều tra Hơn nữa, nhiều giao thức định tuyến địa lý vị trí của các nút cảm biến để chuyển tiếp dữ liệu giữa các mạng Địa điểm giao thức phát hiện phải được thiết kế theo cách như vậy

mà thông tin tối thiểu cần thiết để được trao đổi giữa các nút để phát hiện ra

vị trí của họ Kể từ khi các nút cảm biến năng lượng hạn chế, các giải pháp như GPS không được khuyến khích Sau khi tất cả, chi phí là một yếu tố khác ảnh hưởng đến thiết kế, nhà sản xuất cố gắng giữ cho chi phí ở mức tối thiểu kể từ khi hầu hết các nút cảm biến thường cần thiết cho nhiều ứng dụng Nếu chi phí cao, việc áp dụng và lây lan của công nghệ cảm biến sẽ bị cấm

Để mạng WSNs có thể được triễn khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thước , giá thành và công suấy tiêu thụ của node phải giảm đáng kể và sự thông minh của node tăng lên Cần có hệ thống cảm biến kết hợp các kỹ thuật tiên tiến nhứ công nghệ nano, mạng phân bố…

Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp mạng WSNs ứng dụng rộng rãi hơn trong thực thế, có khả năng giao tiếp với các mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn Các nghiên cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân

bô, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trỡ hiệu quả cho các quá trình ra quyết định

9

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

10

CHƯƠNG II ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 PHÁT HIỆN VÀ GIÁM SÁT

- Ứng dụng trong y học và môi trường:

• Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên lượng lớn các cảm biến được thả từ trên không, mạng lưới cảm biến sẽ cho biết vị trí người sống sót, vùng nguy hiểm, giúp cho người giám sát có các thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiểm Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con người trong môi trường nguy hiểm

• Giám sát sự thay đổi khí hậu , rừng ,biển…

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

- Mạng cảm biến đang được sử dụng để theo dõi tỷ lệ tái sinh của rừng nhiệt đới từ trước đó nông nghiệp đồng cỏ và bây giờ liên quan đến mạng lưới của

48 nút được cài đặt trong lĩnh vực mở đồng cỏ,rừng nhiệt đới tái sinh.Các nút được trang bị với bộ cảm biến để đo vi khí hậu: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất, tiềm năng đất nước, bức xạ photosynthetically hoạt động (cải cách hành chính), tổng bức xạ mặt trời, khí áp, tốc độ gió, hướng gió

- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác

- Ứng dụng trong sinh hóa học: Phát hiện các chất hóa chất , sinh học , sóng

vô tuyến , phóng xạ hạt nhân, chất nổ

- Ứng dụng trong giao thông, đời sống: Giám sát xe cộ trên đường

12

Hình 2.2 Hệ thống node cảm biến theo dõi

rừng nhiệt đới

Hình 2.3 Node cảm biến ứng dụng trong quân sự

Hình 2.4 Các node cảm biến trên hệ thống giao thông

2.2 THU THẬP THÔNG TIN XỬ LÝ VÀ LƯU TRỮ DỮ LIỆU

- Ứng dụng trong giao thông: Mục tiêu của các hệ thống này là thu nhập thông

tin thông qua các mạng cảm biến, xử lý và lưu trữ dữ liệu trung tâm, sử dụng

dữ liệu đó cho các ứng dụng cần thiết Hệ thống được lắp đặt dọc theo các đường Dữ liệu sau đó được truyển đến trung tâm dữ liệu để xử lý Mạng theo dõi liên tục, cung cấp thông tin cập nhật thường xuyên theo thời gian thực Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng, điểu phối giao thông hoặc cho các mục địch khác

13

Hình 2.5 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc

Hình 2.6 Các hệ thống dựa trên nền tản cảm biến đậu xe thông minh

mới của Libelium cho phép các trình điều khiển để tìm chỗ đậu xe miễn phí một cách nhanh chóng và hiệu quả

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

- Ứng dụng trong quân sự: Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có được thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác

- Ứng dụng trong y học: Một số bệnh viên và trung tâm y tế đang ứng dụng công nghệ WSNs vào tiền chẩn đoán, chăm sóc sức khỏe, đối phó với các dịch bệnh và phục hồi chức năng cho người bệnh WSNs cho phép theo dõi tình trạng của các bệnh nhân kinh niên ngay tại nhà, làm cho việc phân tích

và điều trị thuận tiện hơn, rút ngắn thời gian điều trị tại bệnh viện WSNs còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành các cơ sở dữ liệu quan trong, các biện pháp can thiệp hiệu quả

2.3 ĐIỀU KHIỂN QUẢN LÝ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

- Ứng dụng trong đời sống và an ninh

14

Hình 2.7 Các ứng dụng trong y khoa

Hình 2.8 Các ứng dụng điều khiển

• Các node cảm biến được lặp trên các thiết bị, vị trí cần thiết, sau đó kết nối thành mạng truyền dữ liệu về node trung tâm.

• Quản lý nhiều hệ thống cùng lúc ,hệ thống chiếu sang, nhiệt độ, an ninh, giám sát nhân viên, quản lý hiệu quả tiêu thị năng lượng trong tòa nhà, gắn các chip lên hàng hóa , giảm được thời gian kiểm tra …

có thể dễ dàng được thực hiện bằng WSNs

- Ứng dụng trong y học: các cảm biến theo dõi y tế được gắn trực tiếp lên cơ thể người bệnh để đo đạc thường xuyên các thông số về huyết áp, nhịp tim…

- Ứng dụng trong công nghiệp

15

Hình 2.9 Các ứng dụng trong công

nghiệp

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

Các ứng dụng trong sản xuất công nghiệp gồm điều khiển, quản lý, hiệu suất và

an toàn Các cảm biến đặt trong môi trường làm việc giám sát quá trình, chất lượng sản phẩm, kiểm soát môi trường làm việc, quản lý nhân viên…dữ liệu được đưa về trung tâm để người quản lý có thể đưa ra các quyết định kịp thời

CHƯƠNG III GIỚI THIỆU VỀ LOCALIZATION 3.1 GIỚI THIỆU

Phân phối mạng cảm biến đã được thảo luận trong hơn 30 năm, nhưng tầm nhìn của các mạng cảm biến không dây (WSNs) đã được đưa vào thực tế bởi những tiến bộ gần đây trong thông tin liên lạc không dây và điện tử, đã kích hoạt sự phát triển của chi phí thấp, thấp sức mạnh và đa chức năng cảm biến nhỏ trong kích thước và giao tiếp trên một khoảng cách ngắn.Ngày này, giá thành rẻ, cảm biến thông minh, nối mạng thông qua các liên kết không dây và triển khai với số lượng lớn, cung cấp cơ hội chưa từng có để theo dõi và kiểm soát nhà cửa, thành phố, và môi trường.Ngoài ra, bộ cảm biến được nối mạng có một dải rộng các ứng dụng trong khu vực phòng thủ, tạo ra khả năng mới để trinh sát và giám sát cũng như các ứng dụng chiến thuật khác Localization (vị trí dự toán) khả năng là điều cần

thiết trong hầu hết các ứng dụng WSN.Trong các ứng dụng giám sát môi trường như giám sát môi trường sống của động vật, giám sát chất lượng nước và nông nghiệp chính xác, các dữ liệu đo lường là khó xác định mà không có một kiến thức chính xác về vị trí từ nơi mà các dữ liệu thu được.Hơn nữa, sự sẵn có

của thông tin vị trí có thể cho phép vô số các ứng dụng như quản lý hàng tồn

kho, phát hiện xâm nhập, giám sát giao thông đường bộ, theo dõi sức khỏe, trinh sát và giám sát

Kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các cảm

biến với vị trí ban đầu chưa biết trong một mạng bằng cách sử dụng có sẵn một kiến thức ưu tiên của vị trí của một bộ cảm biến cụ thể trong mạng và giữa các cảm

16

biến đo lường như khoảng cách, thời gian khác nhau khi đến, góc đến và kết

nối Thiết bị cảm ứng với các thông tin vị trí được biết tiên được gọi là anchors

và địa điểm của họ có thể thu được bằng cách sử dụng một hệ thống định

vị toàn cầu (GPS), hoặc bằng cách cài đặt anchors tại các điểm với tọa độ được biết đến… Trong các ứng dụng đòi hỏi một hệ thống tọa độ toàn cầu, các anchors này sẽ xác định vị trí của các mạng cảm biến trong hệ thống tọa độ toàn cầu Trong các ứng dụng một suffices hệ thống tọa độ định vị (ví dụ, trong nhà thông minh, bệnh viện , quản lý hàng tồn kho kiến thức như trong phòng một bộ cảm

biến được đặt là đủ), các anchors xác định hệ thống tọa độ địa phương mà tất cả các cảm biến khác được gọi Do hạn chế về chi phí và kích thước của bộ cảm biến, tiêu thụ năng lượng, môi trường thực hiện (ví dụ, GPS là không thể truy cập trong một

số môi trường) và triển khai các bộ cảm biến (ví dụ, cảm biến có thể được ngẫu nhiên nằm rải rác trong khu vực), hầu hết các bộ cảm biến làm không biết vị trí của mình Các cảm biến này với thông tin địa điểm bí mật được gọi là các nút non-anchors tọa độ của họ cần phải được ước tính bằng cáchsử dụng một thuật toán nội địa hóa mạng cảm biến

3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ

17

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

Hình 3.1 Định nghĩa của các loại nút và tọa độ tương đối

18

Để có một mô tả rõ ràng ,hình 1 minh họa định nghĩa của các loại nút được dùng như sau:

- Nút anchor: là nút biết các vị trí của nó hoặc tọa độ của nó và nó được sử dụng như điểm tham chiếu để tính toán cho các vị trí của các nút kia

- Ưu điểm của việc sử dụng các nút neo là đơn giản nhiệm vụ chỉ định tọa độ cho các nút khác

- Nút báo hiệu: cũng giống như nút neo,bổ sung tạo ra và chương trình tin nhắn báo hiệu trong mạng.lấy 1 số ví dụ ,nút báo hiệu và nút neo k giống nhau bởi vì nút neo không cần phải tạo tin nhắn báo hiệu.trong trường hợp chung,các cả nút tọa độ đều di chuyển tương đương để các nút báo hiệu là trung tâm của tọa độ tương đương.Do đó,để đơn giản, các nút báo hiệu được giả định đặt tại điểm gốc của hệ thống hệ tọa độ tương đương.Ở đây ,các giao thức đinh tuyến được điều khiển bằng các nút báo hiệu được sử dụng để thực hiện các thông tin định vị

- Nút localized là nút thực hiện các thuật toán trong định vị

Ở đây,ở thực hiện dự đoán các vị trí , một mạng có thể có 1 nút báo hiệu ,1 vài nút neo và nút localized học chỉ cần duy nhất 1 nút báo hiệu và những nút localixed bởi vì nút báo hiệu có thể hoạt động như nút neo

3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỊNH VỊ TRONG LOCALIZATION

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

Dự toán AOA cũng được gọi là hướng đến (DOA) dự toán, hướng dẫn việc tìm kiếm hoặc mang dự toán trong nhiều trường hợp và đã được nghiên cứu rộng rãi trong khoa học.Một phương pháp phổ biến cho AOA dự toán là bằng cách sử dụng cấu trúc đặc biệt gọi là mảng tuyến tính thống nhất (Ula).Các yếu tố n của một Ula với khoảng cách d có thể được sử dụng để ước lượng hướng đến một tín hiệu RF dựa trên mối quan hệ sau đây:

d : là khoảng cách giữa các yếu tố liên tiếp

Để đạt được kết quả tốt hơn bằng cách sử dụng một cấu hình ăng-ten mảng nhất định người ta có thể sử dụng các kỹ thuật có độ phân giải siêu Các ràng buộc cho AOA được xây dựng

Δ : khoảng cách giữa các yếu tố, là hệ số kênh

Nó có thể được nhìn thấy rằng CRLB là tỉ lệ nghịch với số lượng của các yếu

tố N, fc và SNR.Vì vậy có một SNR cao và tín hiệu tần số cao như Band (UWB) tín hiệu cũng như một số cao của các phần tử mảng cho AOA độ phân giải cao hơn dự toán

Ultra-Wide-3.3.2 PHÉP ĐO TOA

Một phương pháp ước lượng khoảng cách là phương pháp TOA trong phạm vi được ước tính dựa trên thời gian các tín hiệu dành di chuyển từ máy phát đến máy thu.Tốc độ của RF truyền trong không gian tự do và không khí, nó sẽ cho một dự toán trực tiếp của khoảng cách giữa máy phát và nhận một khi thời gian đi lại được ước tính Khi hệ thống TOA được xem xét, thông số quan trọng duy nhất mà cần phải được ước tính một cách chính xác trong một môi trường truyền lan đa là TOA

21

( ) T os2 c

x t = A c π f t (3.3)

0

T

A A SNR

Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks

của con đường LOS hoặc đường dẫn trực tiếp (DP).Các thành phần đa đường khác

là không quan trọng và mục đích khác nhau, định vị trừ trường hợp khi DP không

có sẵn.Tình trạng này sẽ được điều tra chi tiết trong phần thách thức cho các hệ thống dựa trên TOA Phương trình cơ bản cần thiết để có được những khoảng cách được cho là

để hiệu chỉnh thời gian Phương pháp này được dễ dàng áp dụng cho GPS trong đó một vệ tinh thứ 4 được sử dụng để bù đắp cho sự thiên vị đồng hồ thu Việc lập dự toán TOA vị trí được mô tả trong hình 4, nơi một đồng bộ hóa hoàn hảo được giả định giữa các máy phát và máy thu.Cùng một thủ tục áp dụng phương pháp trong

đó ước tính khoảng cách cá nhân cũng được dùng để cố định vị trí.Các vòng tròn chấm biểu thị sự không chắc chắn trong phạm vi dự toán do đó dẫn đến một khu vực cho các vị trí có thể nhận giữa ba vòng tròn ước tính, chứ không phải là một điểm duy nhất

22

DP

Hình 3.3 Trilateration của một nút ba neo (RSS và TOA)

Một số phương pháp có sẵn để ước tính TOA.Các phương pháp truyền thống của dự toán là biến đổi Fourier ngược (IFT) và tối đa khả năng (ML) ước tính.Còn được gọi là phương pháp tương quan chéo

Phương pháp ML giả định mô hình tín hiệu sau đây cho các dự toán của TOA:

r (t) : tín hiệu nhận được

s (t) : tín hiệu truyền qua đường

τ :sự chậm trễ

w (t) :nhiễu mô hình hóa như AWGN

Các tín hiệu nhận về cơ bản là một phiên bản chậm trễ của tín hiệu cộng với nhiễu.Và tương quan chéo tối đa có thể truyền và nhận được tín hiệu xảy ra ở thực

tế chậm trễ của tín hiệu được hiển thị :

τ

τ τ

=