Mạng cảm biến không dây cỡ nhỏ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - NGUYỄN ĐẠT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CỠ NHỎ HỒ CHÍ MINH, 2011 BỘ GIAO THƠNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG - - NGUYỄN ĐẠT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CỠ NHỎ Chuyên ngành: Điện Tử Viễn Thông Mã số sinh viên: DV06014 GVHD: Th.S Ong Mẫu Dũng HỒ CHÍ MINH, 2011 LỜI CẢM ƠN Với khoảng thời gian năm năm ngồi ghế giảng đường, đặc biệt bốn tháng làm luận văn tốt nghiệp vừa qua, chúng em trưởng thành nhiều việc nghiên cứu rèn luyện nhân cách thân Để có điều này,chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đế n tất quý thầy cô trường Đại học GTVT TP Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy cô Khoa Điện- Điện Tử Viễn Thơng, nhữn g người giúp đỡ dìu dắt chún g em nhiều đường trở thành kỹ sư, trí thức trẻ tương lai Em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Ong Mẫu Dũng tận tình hướng dẫn bảo cho em thời gian làm luận văn vừa qua Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ em suốt thời gian học tập, trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn TpHCM, ngày 10 tháng 10 năm 2011 Sinh viên Nguyễn Đạt LỜI MỞ ĐẦU Ngày nhờ tiến vượt bậc khoa học công nghệ, mạng cảm biến trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng nhận tiến đáng kể vài năm qua Mạng cảm biến mạng vô tuyến bao gồm thiết bị cảm biến phân bố cách ngẫu nhiên không gian, nhằm quan sát cá c tượng vật lý, hay điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, chấ n động, áp suất, chuyển động, ô nhiễm cá c vị trí khác Các cảm biến thiết bị điện tử nhỏ, thông thường trang bị thu phát vô tuyến thiết bị không dây khác, vi xử lý nhỏ nguồn lượng Các cảm biến có khả thu thập, xử lý truyền thông thông tin đến cá c nút khác giới bên Công nghệ điều khiển cảm biến có tiềm lớn, không khoa học nghiên cứu mà quan trọng chúng sử dụng rộng rãi liên quan đến bảo vệ công trình trọng yếu, chăm só c sứ c khỏe, bảo vệ môi trường, nhà tự động hay điều khiển giao thông…Với mục tiêu giảm giá thành nâng cao hiệu công nghiệp thương mại, mạng cảm biến không dây mang đến tiện nghi ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng sống cho người Trong nội dung tài liệu em trình bày tổng quan mạng cảm biến khô ng dây, giới thiệu vài giao thức đặc trưng trình định tuyến mạng cảm biến không dây Để tìm hiểu kó hơn, chúng em nghiên cứu chuẩn cụ thể Zigbee 802.15.4 mô thành công trình định tuyến mạng mắc lưới Zigbee Chương trình mô viết ngôn ngữ Visual C chạy mô Matlab Luận văn tốt nghiệp MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VEÕ iii DANH SÁCH BẢNG BIỂU v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi Chương 1: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN .1 1.1.2 Khái niệm 1.1.3 Cấu hình đặc trưng mạng cảm biến không dây .1 1.1.4 Một số chuẩn mạng cảm biến không dây .4 1.1.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 1.2 GIAO THỨC ĐẶC TRƯNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN 1.2.1 Giới thiệu .5 1.2.2 Giao thức đồng thời gian 1.2.3 Giao thức vị trí 14 1.3 ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 16 1.3.1 Giới thiệu 16 1.3.2 Thaùch thức vấn đề định tuyến 17 1.3.3 Các vấn đề thiết kế giao thức định tuyến .17 1.3.4 Phân loại so sánh giao thức định tuyến 19 1.3.5 Giao thức trung tâm liệu .20 1.3.6 Giao thức phân cấp .25 1.3.7 Giao thức dựa vị trí 28 Chương 2: CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/802.15.4 33 2.1 TỔNG QUAN VỀ MAÏNG WPAN 33 2.1.1 Khái niệm mạng WPAN .33 2.1.2 Sự phát triển mạng WPAN 33 2.1.3 Phân loại chuẩn mạng WPAN.33 2.1.4 Khái quát ZigBee/802.15.4 33 2.2 CHUAÅN ZIGBEE/802.15.4 .38 2.2.1 Mô hình giao thức ZigBee/802.15.4 38 2.2.2 Tầng vật lý ZigBee/802.15.4 39 2.2.3 Tầng điều khiển liệu ZigBee/802.15.4 MAC .44 2.2.4 Tầng mạng cuûa ZigBee/802.15.4 .53 2.2.5 Tầng ứng dụ ng ZigBee/802.15.4 55 i Luận văn tốt nghiệp 2.3 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA ZIGBEE/802.15.4 55 2.3.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầ u AODV(Ad-hoc On Demand Distance Vector) .55 2.3.2 Thuật toán hình 57 Chương 3: XBEE XBEE- PRO OEM RF MODULES 63 3.1 GIỚI THIỆU 63 3.2 ĐẶC ĐIỂM .63 3.3 HOẠT ĐỘNG TRUYỀN CỦA XBEE XBEE-PRO MODULES 63 3.3.1 Truyền nối tiếp 63 3.3.2 Luồn g liệu nối tiếp 64 3.3.3 Cách thức truyền liệu .64 3.3.4 Caùc chế độ hoạt độ ng Xbee 66 3.4 THIẾT LẬP MẠNG ZIGBEE VỚI XBEE XBEE-PRO MODULES 66 3.4.1 Thôn g tin mạng ZigBee 67 3.4.2 Khởi đầu ZigBee coordinator 69 3.4.3 Sự tham gia router 69 3.4.4 Kết nối end device .70 3.4.5 Keát nối mạng ZigBee 70 Chương 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG MESH CỦA ZIGBEE/802.15.4 BẰNG PHẦN MỀM MATLAB VÀ VISUAL C 71 4.1 THIẾT LẬP MÔ PHỎNG 76 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 77 4.3 NHẬN XÉT 81 4.4 KẾT LUẬN .82 ii Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo nút cảm biến .2 Hình 1.2 Đồng bên phát/bên nhận bên nhận/bên nhận .7 Hình 1.3 Hoạt động việc đồng bên phát/bên nhận .8 Hình 1.4 LTS multihop phân boá 11 Hình 1.5 Ví dụ RBS 12 Hình 1.6 Chuyển tiếp gói liệu chuyển đổi nhãn thời gian 14 Hình 1.7 Mô hình truyền liệu sink cá c nút 19 Hình 1.8 Truyền gói Flooding 21 Hình 1.9 Ba tín hiệu bắt tay SPIN 22 Hình 1.10 Hoạt động SPIN 22 Hình 1.11 Hoạt động Directed Diffusion 24 Hình 1.12 Mô hình mạng LEACH 26 Hình 1.13 Ví dụ lưới ảo GAF 29 Hình 1.14 Sự chuyển trạng thái GAF 30 Hình 1.15 Chuyển tiếp địa lý đệ quy GEAR .31 Hình 2.1 Cấu trúc liên kết mạng 36 Hình 2.2 Cấu trúc mạng hình 36 Hình 2.3 Cấu trúc mạng mesh 37 Hình 2.4 Cấu trúc mạng hình 37 Hình 2.5 Mô hình giao thức cuûa ZigBee 38 Hình 2.6 Băng tần hệ thống ZigBee 40 Hình 2.7 Sơ đồ điều chế .40 Hình 2.8 Pha sóng mang 41 Hình 2.9 Sơ đồ điều chế 42 Hình 2.10 Cấu trúc siêu khung 45 Hình 2.11 Khoảng thời gian khung .46 Hình 2.12 Lưu đồ thuật toán .47 Hình 2.13 Các mô hình truyền liệu 48 Hình 2.14 Liên lạc từ thiết bị sang thiết bị điều phối không hỗ trợ beacon 49 Hình 2.15 Liên lạc từ thiết bị sang thiết bị điều phối hỗ trợ beacon 49 Hình 2.16 Mô hình truyền liệu hỗ trợï beacon 50 Hình 2.17 Mô hình truyền liệu không hỗ trợ phát beacon 50 Hình 2.18 Khung tin mã hóa tầng MAC 54 Hình 2.19 Khung tin mã hóa tầng mạng 54 Hình 2.20 Định dạng tuyến đường giao thức AODV 57 Hình 2.21 Quá trình chọn nút lãnh đạo .58 Hình 2.22 Thiết lập trình kết nối nút gốc nút thành viên 58 Hình 2.23 Quá trình hình thành cluster đa bước truyền 59 Hình 2.24 Nút lãnh đạo (CH) đóng vai trò nút trung gian 60 Hình 2.25 Nút thành viên đóng vai trò nút trung gian 60 Hình 2.26 CH1 đóng vai trò nút trung gian DD CH2 61 iii Luận văn tốt nghiệp Hình 2.27 CH1 nút thành viên đóng vai trò nút trung gian 61 Hình 2.28 Mạng đa nhánh nút trung gian 62 Hình 3.1 Giản đồ luồng liệu hệ thống môi trường giao diện UART .63 Hình 3.2 Gói liệu UART 0×1F(31) truyền thông qua RF Module 64 Hình 3.3 Giản đồ luồng liệu bên 65 Hình 3.4 Chế độ phát 67 Hình 3.5 Các loại nút mạng ZigBee .69 Hình 3.6 Truyền Beacon Beacon Request trình tham gia vào mạng 70 Hình 3.7 Ví dụ định địa lớp ZigBee 71 Hình 3.8 Truyền liệu broadcast .72 Hình 3.9 Ví dụ trình truyền maïng Mesh 73 Hình 3.10 Truyền broadcast Route request R3 cố gắn g tìm đường đến R6 .74 Hình 3.11 Ví dụ route reply(unicast) R6 gửi route reply cho R3 74 Hình 3.12 Truyền lieäu Unicast 75 Hình 4.1a Mô phương pháp hop_count với 10 nút mạng .77 Hình 4.1b Mô phương pháp hop_count với hao phí đường cực tiểu 77 Hình 4.1c Mô phương pháp lượng với 10 nút mạng .78 Hình 4.2a Mô phương pháp hop_count với 20 nút mạng .79 Hình 4.2b Mô phương pháp hop_count với hao phí đường cực tiểu 79 Hình 4.2c Mô phương pháp lượng với 20 nút mạng 80 Hình 4.3a Mô phương pháp hop_count với 70 nút mạng .80 Hình 4.3b Mô phương pháp hop_count với hao phí đường cực tiểu 81 Hình 4.3c Mô phương pháp lượng với 70 nút mạng 81 iv Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Miêu tả interest sử dụng cặp thuộ c tính- giá trị 24 Bảng 2.1 Băng tần tốc độ liệu 39 Bảng 2.2 Kênh truyền tần số 39 Bảng 2.3 Biến đổi bit thành giá trị chip .43 Bảng 2.4 Định dạng khung PPDU .44 Baûng 2.5 Định dạng khung MAC 52 Bảng 3.1 Bảng định tuyến theo giải thuật AODV 74 v Luận văn tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ID ADC RF MAC UTC GPS LTS RBS RSS TOA AOA TDOA RSSI PLF TDMA CDMA ARP BS WSN AODV API PAN ST Identification Analog to Digital Converter Radio frequency Media Access Control Coordinated Universal Time Global Positioning System Lightweight time synchronization protocol Reference broadcast synchronization Received signal strength Time of arrival Angle of arrival Time difference of arrival Receiver Signal Strength Indicator Perceptive localization framework Time Division Multiple Access Code Division Multiple Access Address Resolution Protocol BaseStation Wireless Sensor Network Ad hoc On demand Distance Vector Application Programming Interface Personal Area Network Time before Sleep vi Chương 4: Mô thuật toán định tuyến mạng mesh ZigBee/IEEE 802.15.4 phần mềm MatLab Visual C Hình 4.3b Mô phương pháp hop_count với hao phí đường cực tiểu Hình 4.3c Mô phương pháp lượng với 70 nút mạng 4.3 NHẬN XÉT * Phương pháp số bước truyền cực tiểu Sử dụng phương pháp nà y, nút có số bước truyền đệm giảm xuống mức thấp nhất, sau nút tìm thấy đường liên kết đến nút khác với số bước truyền thấp Tuy nhiên phương pháp không quan tâm đến hao phí lượ ng hay nói cụ thể 81 Chương 4: Mô thuật toán định tuyến mạng mesh ZigBee/IEEE 802.15.4 phần mềm MatLab Visual C không quan tâm đến hao phí đườ ng truyền Giả sử có nhiều liên kết đến nút với số bước truyền đệm, khôn g ưu tiên cho liên kết có hao phí đường truyền thấp Đây nhược điểm lớn phương pháp Phương pháp số bước truyền cực tiểu với hao phí đường khắc phục nhược điểm phương pháp số bước truyền cực tiểu * Phương pháp số bước truyền cực tiểu với hao phí đường Sử dụng phương pháp nà y, nút có số bước truyền đệm giảm xuống mức thấp nhất, sau nút tìm thấy đường liên kết đến nút khác với số bước truyền thấp có chi phí đường truyền thấp Có thể có nhiều liên kết có số bước truyền đệm liên kết có chi phí đườ ng truyền thấp chọn Phương pháp dẫn đến có liên kết dài nối từ nút đến nút gốc với chi phí đường truyền lớn, điều đặt yêu cầu phải sử dụng tối đa công suất phát Nếu xét góc độ can nhiễu đến nút lân cận cluster mạng hình phương pháp hạn chế *Phương pháp lượng cực tiểu Sử dụn g phương pháp nút tìm kiếm đường với lượng cực tiểu số bướ c truyền Phương pháp nà y thường dẫn đến sử dụ ng liên kết ngắn với hao phí đường truyền thấp, kết lại có khuynh hướng dẫn đến số bước truyền lớn Nếu xét góc độ can nhiễu từ nút đến nút lân cận can nhiễu đến cluster khác mạng hình phương phá p lựa chọn thích hợp 4.4 KẾT LUẬN Việc tìm đường tối ưu yêu cầu quan trọng mạng ZigBee, giải vấn đề hiệu lượng truyền tin vấn đề chốn g xung đột mạng Đối vơi cấu trúc liên kết mạng khác ứng với mục đích ứng dụn g khác ta chọn phương pháp định tuyến phù hợp Trong phương pháp trình bày phương pháp “năng lượng cực tiểu” phương pháp “số bước truyền cực tiểu với hao phí đường truyền nhất” hay sử dụng Phương pháp thứ có ưu điểm giảm lượng phát từ giúp giảm can nhiễu nút cluster, nhiên phương pháp lại sủ dụng nhiều trạm phát trung gian để đến đích Ngược lại phương pháp thứ hai lại giảm số t rạm trung gian cách đáng kể giảm hao phí đường truyền xuống mứ c thấp nhất, nhiên việc sử dụ ng lượn g phát lớn gây nhiễu đến trạm trung gian Chương trình mô phỏn g trình tìm đường tối ưu từ nút cụ thể mạng đến tất nút thành viên ba phương phá p khác nhau, so sá nh khác ưu nhượ c điểm phương phá p Tuy nhiên thời gian thực chương trình hạn chế nên mô tính tự cấu hình mạng thuật toán định tuyến ZigBee Hi vọng thời gian tới chúng em hoàn thiện, phát triển mở rộn g chương trình để tiếp cận sâu với ứng dụ ng công nghệ 82 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khaûo [1] Holger Karl Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, Wiley, 2005 [2] Jamal N Al-Karaki Ahmed E Kamal, Routing Techniques in Wireless Sensor Networks, Dept of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, Ames, Iowa 50011 [3] Armin Veichtlbauer, Peter Dorfinger Salzburg, Modeling of Energy Efficient Wireless Communication, Research Forschungsgesellschaft mbH, Advanced Networking Center Salzburg, Austria [4] I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci, “Wireless sensor networks: a survey”, Broadband and Wireless Networking Laboratory, School of Electrical and Computer Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA, Received 12 December 2001; accepted 20 December 2001 [5] Le Tuan Khanh, “Implementation of Zigbee Ready IEEE 802.15.4-RFIC” http://www.chipcon.com , 2005-04 [6] Samir R Das, Charles E Perkins, Elizabeth M Royer, “Performance Comparison of Two On-demand Routing Protocols for Ad Hoc Networks”- 2005 [7] Heike N Koivo, “Basics using MATLABNeural Network Toolbox”, 2005 [8] Wendi Rabiner Heinzelman, Anantha Chandrakasan, and Hari Balakrishnan “EnergyEfficient Communication Protocol forWireless Microsensor Networks” [9] Zigbee/Mesh, http://www.digi.com [10] “IEEE Standards 802.15.4, IEEE 2003, ISBN 0-7381-3677-5 SS95127”,2004 [11] “ Wireless Sensor Network”, http://en.wikipedia.org [12] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org , 2005-03 [13] Zigbee technical documents, www.zigbee.org [14] Đỗ Thị Tuyết[2008] Nghiên cứu mô giao thức định tuyến PEGASIS mạng cảm biến Đồ án tốt nghiệp đại học Đại học Bách Khoa Hà Nội [15] MSDN Library Visual Studio , 2003-04 [16] Mã nguồn mở trang web http://www.koders.com [17] http://www.sparkfun.com 83 Phụ lục Phụ lục A Bảng 1: Đặc tính XBee Xbee-Pro Modules Bảng 2: Sơ đồ chân Xbee Xbee-Pro Modules 84 Phụ lục Phụ lục B Mã nguồn chương trình #include #include #include #include #include #include #include "mesh.h" #define RCV_TN -108.0 +10*log10(BW/1000000.0) #define C 29800000 #define DOUBLE_MAX (double)INT_MAX #define DOUBLE_MIN (double)INT_MIN #define EPS 0.0000001 #define FALSE #define TRUE #define DESIRED #define INTERFERENCE #define MAXHOPS #ifndef M_PI #define M_PI 3.1415926535897931160E0 #ifndef M_PI_2 #define M_PI_2 1.5707963267948965580E0 typedef struct location { double x,y; } Location; #define MINIMIZE_HOPS #define MINIMIZE_EPB static double RCVSENS[] = RECEIVER_SENSITIVITY; static double PL_EXP_D[] = PATHLOSS_EXPONENT_DESIRED; static double PL_EXP_I[] = PATHLOSS_EXPONENT_INTERFERENCE; static double PL_DIST_D[] = PATHLOSS_DISTANCE_DESIRED; 85 Phuï luïc static double PL_DIST_I[] = PATHLOSS_DISTANCE_INTERFERENCE; static double INR = INTERFERENCE_TO_NOISE_RATIO; static int BPS[] = BYTES_PER_SYMBOL; double RefPathLoss; double dmax(double x, double y) { return (x>y)?x:y;} double dmin(double x, double y) { return (x>y)?y:x;} static int newGap(int gap) { /* Chuong trinh sap xep theo thuat toan combsorting */ gap = (gap * 10) / 13; if (gap == || gap == 10) gap = 11; if (gap < 1) gap = 1; return gap; } static void combsort(double a[], int aSize) { int i,j; double tmp; int gap, swapped; gap = aSize; for (;;) { gap = newGap(gap); swapped = FALSE; for (i = 0; i < aSize - gap; i++) { j = i + gap; if (a[i] > a[j]) { tmp = a[i]; a[i] = a[j]; a[j] = tmp; swapped = TRUE; }} if (gap == && !swapped) break; 86 Phụ lục }} /*tao cac nút ngau nhien*/ double randGaussian() { double x1,x2,w; { x1= 2.0*((double)rand()/RAND_MAX) -1.0; x2= 2.0*((double)rand()/RAND_MAX) -1.0; w = x1*x1+x2*x2; } while (w >= 1.0); w = sqrt( (-2.0*log(w) ) / w); return x1*w; } Location randLocInCircle() { Location newLoc; double a,r; a = SECTOR*((double)rand()/RAND_MAX); r = CELLRADIUS*((double)rand()/RAND_MAX); newLoc.x = r*sin(a); newLoc.y = r*cos(a); return newLoc; } double distance(Location x, Location y) { /* Khoang cach giu hai not mang */ return sqrt( (x.x-y.x)*(x.x-y.x)+(x.y-y.y)*(x.y-y.y) ); } double pathloss_dB(double Distance, int dORi) { /* tinh toan hao phi duong truyen */ int i; double pl; pl = RefPathLoss; if (dORi== DESIRED) { for ( i=0;i= PL_DIST_D[i] ) pl += 10*PL_EXP_D[i]*log10( dmin(PL_DIST_D[i+1],Distance)/PL_DIST_D[i] ); 87 Phuï luïc } } else { for ( i=0;i= PL_DIST_I[i] ) pl += 10*PL_EXP_I[i]*log10( dmin(PL_DIST_I[i+1],Distance)/PL_DIST_I[i] ); }} return pl + PL_STD_DEV*randGaussian(); } int dijkstraIteration(int Picked[], int Route[], int Hops[], int Links[][NODES]) { int i,j; int bestNode; int bestHops; bestHops = INT_MAX; for ( i=0; i