Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây

Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng MC LC MC LC LỜI CẢM ƠN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY I.1Định nghĩa mạng cảm nhận không dây I.2 Yêu cầu mạng cảm nhận không dây I.3.Ưu nhược điểm WSN I.3.1 Ưu điểm WSN I.3.2 Nhược điểm WSN I.4 CácKiến trúc mạng cảm nhận không dây I.4.1 Mạng đơn I.4.2 Mạng liên kết bước I.5 Tình hình nghiên cứu ứng dụng WSN Trên giới Việt Nam I.5.1 Ứng dụng WSN Trên giới .8 I.5.2 Ứng dụng WSN Việt Nam .9 CHƯƠNG II : KIẾN TRÚC NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 10 II.1 Bộ vi xử lý (xử lý liệu: Nhiều loại) .10 II.2 Bo mạnh 10 II.3 Bộ lưu trữ 10 II.4 Bộ truyền thông 10 II.5 Bộ cảm biến, khởi động .10 II.6 Giới thiệu vi điều khiển CC1010 11 CHƯƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY - KIẾN TRÚC CLUSTER 12 III.1 Giới thiệu chung kiến trúc CLUSTER 12 III.2 Cấu trúc bó (địa nút bó) 13 III.3.1Chu kỳ thiết lập bó 14 III.3.2 Giải thuật chọn nút đầu bó .15 III.3.3 Thiết lập bó .17 III.3.4 Giao thức phân cấp lượng thấp LEACH .20 III.4 Truyền thông WSN kiến trúc bó 23 III.4.1Truyền nhận liệu .23 III.4.2 Giao thức truyền thông tránh xung đột 27 III.4.2.1 Giao thức lộ trình phản ứng DSR (Dynamic Source Routing) 28 III.4.2.2 Giao thức điều khiển truy cập mơi trường mạng (MAC) 31 III.5 Các tình đặt WSN kiến trúc bó 38 III.5.1 Giới hạn nút bó(quản lý kích thước bó) 38 III.5.2 khả tự cấu hình 38 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng III.5.3 kh nng cu hỡnh lại thêm nút có nút bị hỏng 39 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHƠNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc Bó) .43 IV.1 Yêu cầu 43 IV.2 Lập trình thử nghiệm .44 IV.2.1 Khái quát chương trình 44 IV.2.2 Sơ đồ khối giải thuật .46 IV.2.4 Thư viện HAL CC1010 47 IV.2.5 Chương trình 59 IV.3 Các bước thực chương trình 67 IV.3.1 Dịch chương trình 67 IV.3.2 Nạp chương trình 67 IV.3.3 Thực truyền nhận liệu 68 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng LI CM N Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ Hịa Quang Dự, Sở Khoa học Cơng Nghệ Hải Phịng tận tình giúp đỡ, bảo em năm học qua dành nhiều thời gian q báu để hướng dẫn em hồn thành báo cáo tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu Thầy cô giáo Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng giảng dạy chúng em suốt quãng thời gian qua, cung cấp cho chúng em kiến thức chuyên môn cần thiết quý báu 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, trao đổi, động viên suốt trình học làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài thời hạn Hải Phòng ngày 10 tháng năm 2007 Nguyn Vn Hnh Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng NI DUNG CA TI Tỡm hiu tổng quan mạng cảm nhận không dây(WSN): Khái niệm ,Yêu cầu WSN, Ưu nhược điểm WSN, Kiến trúc WSN,kiến trúc nút mạng, Tình hình nghiên cứu ứng dụng WSN Trên giới Việt Nam Nghiên cứu, tìm hiểu xây dựng mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER với giao thức lớp mạng, hệ điều hành áp dụng cho mạng, cách thức quản lý nút mạng CLUSTER, cách thức giao tiếp CLUSTER,cách thức chon nút đầu bó CLUSTER,cách thức xử lý cố nút CLUSTER bi hỏng, thêm bớt nút mạng CLUSTER 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 nhiệt độ , đo khí tượng dự báo thi tit, cnh bỏo thm mụi trng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng M U Ngày công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ ứng dụng hầu hết lĩnh vực, đặc biệt phát triển công nghệ mạng Mạng cảm nhận không dây đời dựa sở ứng dụng thành tựu cao công nghệ chế tạo linh kiện điện tử công nghệ thông tin Mạng cảm nhận không dây nghiên cứu có xu hướng phát triển rộng khắp, mang lại lợi ích nhiều phương diện cho người Đặc điểm mạng loại tính linh hoạt, tiết kiệm chi phi xây lắp, dễ dàng sử dụng cài đặt, dễ dàng mở rộng hệ thống mạng, nút mạng vừa có chức truyền nhận thơng tin vừa có chức cảm nhận Sau tiến hành cảm nhận, đo đạc thông số môi trường, nút mạng tiến hành truyền liệu không dây trạm gốc (nút gốc), để sở đó, nút gốc đưa lệnh xử lý cần thiết chuyển số liệu vào máy tính Mạng cảm nhận khơng dây mở hướng nghiên cứu mới, với loạt ứng dụng hấp dẫn đáp ứng đòi hỏi khắt khe nhiều lĩnh vực quân sự, công nghiệp, nông nghiệp, y tế Trước xu phát triển nhanh chóng mạng cảm nhận khơng dây, vào tình hình thực tế nước ta cần để phục vụ cho nhiều nghành, lĩnh vực mong muốn tìm hiểu kiến thức Được động viên hướng dẫn thầy giáo bạn bè , em chọn hướng nghiên cứu mơ hình mạng cảm nhận khơng dây, mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER Đề tài gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây Chương 2: Kiến trúc nút mạng cảm nhận không dây Chương 3: Mạng cảm nhận không dây kiến trúc CLUSTER Chương 4: Xây dựng thử nghiệm mạng cảm nhn khụng dõy kin trỳc CLUSTER Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng CHNG I GII THIU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY I.1Định nghĩa mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - 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 nút mạng môi trường xung quanh nut mạng I.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 I.3.Ưu nhược điểm WSN I.3.1 Ưu điểm WSN + Tính linh hoạt cao (không cần sở hạ tầng) + Tiết kiệm chi phi lắp đặt + Dễ dàng sử dụng cài đặt + Dễ dàng mở rộng hệ thng mng Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng I.3.2 Nhc im ca WSN + Mng cm 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 thơng tin mạng phức tạp + Thời gian sống nút mạng phụ thuộc vào nguồn pin độc lập gắn theo nút mạng I.4 CácKiến trúc mạng cảm nhận không dây I.4.1 Mạng đơn Tất nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc I.4.2 Mạng liên kết bước Các nút xa truyền liệu tới trạm gốc thông qua nút trung gian, nhằm giảm lượng tiêu thụ cho nút xa nút gốc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng Hình 1.2 :Kiến trúc mạng liên kết bước I.4.3 Mạng liên kết bó Nhóm nút gần tập hợp liệu đánh dấu nút giữ việc truyền thụng vi trm gc Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng I.5 Tỡnh hỡnh nghiờn cu v ứng dụng WSN Trên giới Việt Nam I.5.1 Ứng dụng WSN Trên giới Trên giới hình thành trào lưu nghiên cứu, phát triển khai thác ứng dụng đa dạng WSN Đã thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi WSN tất lĩnh vực truyền thơng, sản xuất tự động hố ,y tế ,quốc phịng nghiên cứu mơi trường để thu thập thông tin cần thiết qua môi trường nhạy cảm, vượt qua cách trở địa lý Ví dụ : Thu thập thông tin môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất… phân xưởng, nhà kho, hầm mỏ, sản xuất nông nghiệp, ứng dung theo doi sức khoẻ y tế,điều khiển tự động công nghiệp, giám sát an ninh quốc phòng I.5.2 Ứng dụng WSN Việt Nam 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 Việc nghiên cứu ứng dụng WSN bắt đầu nghiên cứu chưa có ứng dụng cụ thể tạm thời có nhóm nghiên cứu ĐHQG :Nghiên cứu lý thuyết ,nghiên cứu cấu hình truyền thơng hai nút, truyền thơng tuyến tính đa bước để đo số thông số :Nhiệt độ, độ ẩm , Quang học….Vì nhu cầu nghiên cứu triển khai WSN lĩnh vực lớn cần thiết §å án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh Khoa công nghệ thông tin Trờng Đại học Dân lập Hải Phòng CHNG II KIẾN TRÚC NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY Kiến trúc nút mạng cảm nhận không dây gần tương tự kiến trúc máy tính thơng thường, gồm thành phần : Bộ vi xử lý, lưu trữ, truyền thông, cảm nhận, khởi động II.1 Bộ vi xử lý (xử lý liệu: Nhiều loại) Xử lý lệu thu thập từ mơi trường, xử lý tín hiệu truyền nhận nút mạng cấu tạo nút mạng nhỏ nên vi xử lý phải đáp ứng kiến trúc nhỏ ,tiêu thu điện (ví dự CC1010 hãng Chipcon) II.2 Bo mạnh Bao gồm nguồn nuôi, cổng giao tiếp nơi để tích hợp thiết bị : cảm biến ,bộ lưu trữ liệu,bộ truyền thông… II.3 Bộ lưu trữ Các nút mạng cảm nhận không dây có thành phần lưu trữ nhỏ Chúng thường sử dụng nhớ DRAM Flash việc truyền thông thành phần tiêu thụ lượng mạng cảm nhận không dây n ếu mong muốn khả lưu trữ nút mạng tăng lên phải qu ản lý lượng mạng II.4 Bộ truyền thông Gồm ăng ten (thu, phát sóng radio với bước sóng giải khơng cần cấp phép ISM) Mơ hình truyền thơng thường đề cập mạng cảm nhận không dây thời việc truyền thông đa bước theo kiến trúc bó Các kết thời việc truyền thơng đa bước theo kiến trúc bó tiết kiệm lượng có nút gốc tiêu thu điện lớn việc lắng nghe yêu cầu lượng ngang với việc truyền thụng tin Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Văn Hạnh 10