Tìm hiểu phương pháp thiết kế hình trạng mạng rfid dựa trên giải thuật di truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC PHẠM TRÍ THỨC TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ HiINH TRANG MANG RFID DUA TREN GIAI THUAT DI TRUYEN CHUYEN NGANH: KHOA HOC MAY TINH MA SO: 60.48.01.01 LUAN VAN THAC SI KHOA HOC DINH HUONG UNG DUNG NGƯỜI HƯỚNG DAN KHOA HOC PGS.TS VO VIET MINH NHAT Thừa Thiên Huế, 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Đây cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu, trích dẫn, kết thực nghiệm cài đặt trình bày luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Thừa Thiên Huế, tháng năm 2018 Học viên Phạm Trí Thức LOI CAM ON Hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Vð Viết Minh Nhật, Ban Đào tạo - Đại học Huế, tận tình hướng dân suốt qua trinh thuc hién dé tai Xin chan cam on su gitip mặt Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo Sau đại học, Khoa Cơng nghệ thông tin - Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế quý thây cô tham gia giảng day suốt trình học tập Cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp người thân động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Học viên Phạm Trí Thức il MỤC LỤC Trang 0909.0000990 899 90 HH ,ÔỎ i ii MỤC LỤ Cesasaasaeasrdaiertsaxgttidiidsettdti0is684800654801141153000013965XG0046354300038000130x360 iii ID 0\028)/10/990.(0:70 c1 Vv DANH MUC CAC HINH VE, DO THI .c sccssesssssssssssesssecssesssesssessscsssecssecssecsees vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỂU, CHỮ VIẾT TẮTT . 2ss©-ss©cs+ viii MO DAU ssssssessvanranrenssnemmmnnennanncannan nana CHUONG 1:TONG QUAN VE CONG NGHE RFID VA TiCH HOP RFID VOI MANG CAM BIEN KHONG DAY eccsssssssssssssssssssssssccsssccsseccssecsssecsssecssnecesse 1.1 GIỚI THIỆU VẺ CÔNG NGHỆ RFID -2-2222 222222212211 221122 zzxev 1.1.1 Lịch sử trình phát triên hệ thống RFID 2-2-2 1.1.2 Ứng dụng hệ thống RFID 222222 2222221222112212212222 xee 1.1.3 Các thành phần hệ thống RFID .2222222 2212221222122212221222ee § 1.1.4 Nguyên tắc hoạt động hệ thống RFID -©22-222222222xcsze2 11 1.2 MANG CAM BIEN KHONG DAY o.o.escscsssssssssessssesssiesssiessssessseesseesetesvisee 12 1.2.1 Sự khác mạng cảm biến không dây mạng truyền thống 13 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 222 2222222222222222222 14 1.2.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây . -©22- 2222222222222 16 1.3 TÍCH HỢP RFID VỚI MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 17 1.3.1 Tích hợp thẻ RFID với cảm biến 222222221 22222212221221221 222 x2e 18 1.3.2 Tích hợp thẻ RFID với nút W§N 220 221222222 19 13.3 Tích hợp đầu đọc REID với nút WSN 2n n2 2 rrrre 20 1.3.4 Lợi ích việc tích hợp RFID với mạng cảm biến không dây 20 1.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG l 2-222222222 22212221112211221122112211221 2E cee 20 CHUONG 2:THIET KE HiINH TRANG MANG RFID DUA TREN GIAI THUAT DI TRU VEN ssesscisscscrisanennenncnaniamnnrannnnennmnnnnin 22 2.1 GIGI THIEU VE BAI TOAN THIET KE HINH TRANG MANG RFID 22 1H 2.2 TÔNG QUAN VỀ GIẢI THUẬT DI TRUYÊN 52 5ccczszEcrrei 23 2.2.1 Giải thuật di truyễn 22 2222212211211121112211221211211212 re 23 2.2.2 Cách biểu diễn lời giải giải thuật di truyễn -2-©2-22cc2sce2 26 2.2.3 Các toán tử truyển -22s 222222122122111211221222222 xe 28 2.3 BÀI TỐN THIẾT KÉ HÌNH TRẠNG MẠNG THUẬT DI TRUYỂN RFID DỰA TRÊN GIẢI 22 22222222112111211121112112211121121212222ee 30 2.3.1 Thiết kế hình trạng mạng RFID với ràng buộc vùng phủ sóng, tỷ lệ nhiễu phí .- 2: 22+ 21 212211221221121121121121121121211211222 re 30 2.3.2 Thiết kế hình trạng mạng RFID với ràng buộc phí, nhiễu, mức b890180i1500008019ì000)900)017 da 35 2.3.3Thiết kế hình trạng mạng RFID với ràng buộc chồng lấn vùng đọc, số đầu đọc vô dụng, số lượng thẻ bao phủ, số đầu đọc nằm khu vực triển khai, số đầu đọc dư thừa số thẻ nằm vùng chồng lấn 43 2.3.4 So sánh toán thiết kế mạng RFID 2222222z222zz2zce2 51 2.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 22z-s2 CHU ONG 52 3: CAI DAT VA PHAN TICH KET QUẢ . 54 3.1 MƠI TRƯỜNG CÀI ĐẶTT . -©2-22222212221221112111211221121222ee 54 3.2 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 52 2222212221221122112112122222222ee 54 3.3 KÉT QUẢ THỰC HIỆN MÔ PHỎNG .- 5t S2 E222 rrrreg 57 3.3.1 Kích thước quần thê N = số lượng đầu đọc 20 -s¿ 57 3.3.2 Kích thước quần thê N = 10 số lượng đầu đọc 20 . -¿ 58 3.3.3 Kích thước quần thê N = số lượng đầu đọc 30 -¿ 60 3.3.4 Kích thước quần thể N = 10 số lượng đầu đọc 30 - 61 3.4 TIỂU KÉT CHƯƠNG 95/1009 22 222221222112212211121121121212222ee 64 ô ôôốỐốỐốỐố ốc 65 KẾT LUẬN -222222222211211121112111211211112212212112212122121222 65 HƯỚNG PHÁT TRIÊẾN CỦA ĐỀ TÀI .-©222222221222122211221222122222 e6 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 5080090777 £AỈNàậẬậ ĂA 1V 65 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I So sánh tốn thiết kế hình trạng mạng RFID trình bày 52 Bảng I Các tham số mô giải thuật truyền triển khai 37 Bảng So sánh hiệu trường hợp với kích thước quân thể độ dài nhiễm sắc thể thay đỒi - 52 21 2222211211121112111211121112111211221222212222222 2e 63 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỎ THỊ Hinh 1.1 Méchinh céngmgh@ REID s«cscsecceeseeiiniseeineniasinninmiEEODEnEEE11 1126148100001 Hình 1.2 Thiét bi IFF va thiét bi RFID hién dai cece Hình 1.3 Dạng số loại thẻ tiêu biểu - 2S 21211112111121111211x511xExxe Hình 1.4 Đầu đọc HH tu He 11 Hình I Hệ thống RFID . .©222222222122211221122121121121121221222 ee 12 Hình 1.6 Ngun tắc hoạt động hệ thống RFID 522 2222221222122122 e6 12 Hình 1.7 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây - 22222222222122212222e6 13 Hình Cấu tạo nút cảm Hình I Kiến trúc mạng WSN da 14 52222 2212221221221222222222222 2e 15 Hinh I 10 Các loại tích hợp RFID với WSN c2 he 18 Hình 1.11 Tich hop thẻ RFID với cảm biến 5222222 22222212221222122222 e6 18 Hình 1.12 Tích hợp thẻ RFID với nút WSN che 19 Hình 1.13 Tích hợp đầu đọc RFID với nút WSN .s c s2 2scssrses 20 Hình I Lai ghép điểm 222222 222222122122122112122122222 2e 29 Hình 2 Lai ghép hai điểm Hình Lai ghép đồng .-22 S22 2211221221211211211211221222222 2e Hình Phương pháp đột biến 222222 221222122122212112222212222 xe 30 Hình Vùng thử nghiệm (nguồn từ [4]) 22222222 221222122122212222.2 xe 31 Hình Vi trí lý trởng đầu đọc RFID với vùng phủ sóng hình lục giác (nguồn từ [4]) -©25-222221222112212212211221122112211222121222222222222122 22a 32 Hình Vùng thử nghiệm (nguồn từ [3]) 5222222 2222212221222122222222.2 xe 36 Hình Mã hóa phân cấp gen (nguồn từ [3]) -222222.22x 22a Hình Sự chồng lấn vùng đọc 2222222221221212 2e 44 Hình 10 Đầu đọc vơ đụng 2-2222 2222212221222121121122122222 se 45 Hình 11 Các vùng với xác suất phát thẻ khác - 22-22-2222 46 Hình 12 Dau đọc dư thừa c2 tteeerriie 48 Hình 13 Các thẻ nằm khu vực chồng lấn .22222221 2221222122122ee 49 VI Hình 2.15 Các gen biểu diễn cho đầu đọc - 22s 222112121151211212112x51 1x6 49 Hình I Vùng thử nghiệm - S 211211212111 1H hy HH Hà Hà Hye 34 Hình 3.2 Cấu trúc nhiễm sắc thể gen sử dụng cho tốn thiết kế hình trạng mạng RFÏD . L- L1 1E ng TH HH HH HH 55 Hình 3 Vị trí khởi tạo ban đầu đầu đọc (V= 6, /en = 40) 57 Hình Vị trí tốt đầu đọc đạt ( = 6, /en = 40) cc.ccceei 58 Hình 3.5 So sánh giá trị fitness nhiễm sắc thể qua 20 hệ (N = 6, len = AO) sesecceseocneesesme nn sransenenceaeamnenene tenn are nrc re nc tte entero 58 Hình Vị trí đầu đọc quần thê khởi tạo ban đầu (N=10, len=40) 59 Hình 3.7 Vị trí tốt đầu đọc hệ 30 (N=10, len=40) 59 Hình 3.8 So sanh gia tri fitness cua cac nhiềm sắc thể qua hệ (NÑ=10, len=40) re 60 Hình Vị trí đầu đọc quan thể khởi tạo ban đầu (N=6, len=60) 60 Hình 10 Vị trí tốt đầu đọc đạt (N=6, len=60) -cccccccei 61 Hình 3.11 So sánh giá trị fitness nhiễm sắc thể qua hệ (N=6, len=60) — 61 Hình 12 Vị trí đầu đọc quần thể khởi tạo ban đầu (N=10, len=60) 62 Hình 13 Vị trí tốt đầu đọc đạt (N=10, len=60) cccce¿ 62 Hình 3.14 So sánh giá trị fitness nhiễm Vii sắc thể qua hệ (N=10, DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT RFID Radio Frequency Identification AIDC Identification and Data Capture RNP RFID network planning WSN Wireless Sensor Network IoT Internet of Things GA Genetic Algorithm ITF Indoor test facility RTP Read test points SIR Signal to interference ratio STP Signal test points CS Cong su Vill MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nhan dang déi bang séng v6 tuyén (Radio Frequency Identification RFID) công nghệ nhận dạng thu thập di liéu tu dong (Automatic 1denHification and Data Capture - AIDC) thu hút đáng kê chủ ý năm gần phương tiện để tăng cường khả truy tìm nguồn hàng chuỗi cung ứng Xu hướng thị trường cho thấy có tăng trưởng nhanh chóng nhu cầu sử dụng cơng nghệ dựa RFID, với tốc độ tăng trưởng 18% hàng năm [7] Hệ thống RFID bao gồm thành phần chính: thẻ RFID, đầu doc RFID thành phần trung gian Công nghệ RFID triển khai cách đem lại nhiều lợi ích so với công nghệ AIDC thông thường (chẳng hạn, mã vạch), theo dõi thời gian thực đối tượng vật lý giảm thời gian xử lý, nhân công số lượng giấy tờ cần thiết hoạt động hàng ngày [5] Một định quan trọng thiết kế mạng RFID để hỗ trợ hoạt động có quy mơ lớn vị trí để đặt đầu đọc RFID Định vị đầu doc RFID sở (ví dụ, cơng xưởng lớn) xem tốn thiết kế mạng RFID (RFID network planning - RNP) [2-4] Trong thu tế, vị trí đầu doc RFID thuong duoc thuc hién trén co sé thu va lỗi (trial and error), ma cach lam thường tốn nhiều thời gian khó đạt vùng phủ sóng tối ưu sở cho Để giải tốn thiết kế mạng RFID, có số phương pháp khác để xuất [2-4] giải thuật dị truyền thể nhiều ưu điểm giải lớp toán tối ưu đa mục tiêu Đó lý đo tơi chọn đề tài “Tìm hiểu phương pháp thiết kế hình trạng mạng RFID dựa giải thuật di truyền ” Hình Vị trí tốt dau doc dat duoc (N = 6, len = 40) Hình 3.5 cho thấy biến đổi giá trị fitness (thấp nhất, cao trung bình) qua 20 hệ Như thể Hình 3.5, fitness đạt đến 0.707 điều phản ánh điều kích thước quân thê nhiềm sắc thể có độ đài 40 (tức tương ứng với 20 đầu đọc) khó tìm giải pháp tối ưu, tức đảm bảo phủ sóng hết tất thẻ 0.75 eee 0.7 20.0.65 i 06 0.55 - apt - —e—Fitness lớn yr —@—Fitness bé nhat é ==‡== Fitness trung bình 0.5 1011121314151617181920 Thế hệ Hình So sánh giá trị fitness nhiễm sắc thể qua 20 hệ (N = 6, len = 40) 3.3.2 Kích thước quần thể N = 19 số lượng đầu đọc 20 Hình 3.6 mơ tả vị trí đầu đọc tường ứng với quần thê khởi tạo ban đầu 58 Hình Vị trí đầu đọc quan thể khởi tạo ban đầu (N=10, len=40) Trải qua 30 hệ, vị trí tốt đầu đọc đạt Hình 3.7 So sánh với trường hợp kích thước quần thé N = số lượng đầu đọc 20 (len = 40) Hình 3.4, mức độ phủ sóng thẻ đạt nhiều Điều thể Hình 3.8 mà giá trị fitness (lớn nhất, nhỏ trung bình) đạt cao so với trường hợp kích thước quần thể N = (Hình 3.5) Hình Vị trí tốt đầu đọc hệ 30 (N=10, len=40) 59 075 — — 90660 he 0.7 w 0.65 = = —— 06 0.55 Fitness lon nhat =@= Fitness bé nhat | =#=— Fitness trung bình 1012 1416 1820 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Thế hệ Hình So sánh giá trị fitness nhiễm sắc thể qua hệ (N=10, len=40) 3.3.3 Kích thước quần thể N = số lượng đầu đọc 30 Hình 3.9 mơ tả vị trí đầu đọc tường ứng với quần thê khởi tạo ban đầu Hình Vị trí đầu đọc quan thể khởi tạo ban đầu (N=6, len=60) Trai qua 30 hệ, vị trí tốt đầu đọc mô tả Hình 3.10 Rõ ràng, 30 đầu đọc phủ sóng gần hết thẻ 60 Hình 10 Vị trí tốt đầu đọc đạt (N=6, len=60) Hình 3.11 cho thấy biến đổi giá trị fimess (thấp nhất, cao trung bình) qua 30 hệ Như thể Hinh 3.5, fitness dat dén 0,929 va diéu phan anh điều kích thước quân thể nhiềm sắc thê có độ dai 60 (tức tương ứng với 30 đầu đọc) tìm giải pháp gần tối ưu 0.95 0.9 0.85 0.8 ——Fitness lon nhat 0.75 0.7 0.65 —@—Fitness bé nhat é ==‡—Fitness trung bình 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Hình 11 So sanh gia tri fitness cua cac nhiém sac thé qua cac thé (N=6, len=60) 3.3.4 Kích thước quần thể N = 19 số lượng đầu đọc 30 Hình 3.12 mơ tả vị trí đầu đọc tường ứng với quân thể khởi tao ban dau 61 Hình 12 Vị trí đầu đọc quan thể khởi tạo ban đầu (N=10, len=60) Trai qua 30 hệ, vị trí tốt đầu đọc đạt Hình 3.13 So sánh với trường hợp kích thước quần thể N = số lượng đầu đọc 30 (len = 60) Hình 3.10, mức độ phủ sóng thẻ đạt nhiều Điều thể Hình 3.14 mà giá trị fitness (lớn nhất, nhỏ trung bình) đạt 0,939 cao so với trường hợp kích thước quan thé N =6 (Hinh 3.11) Hình 13 Vị trí tốt đầu đọc đạt (N=10, len=60) 62 0.95 0.9 - 0.85 + 0.8 0.75 ==Fitness lớn 07 đFitness nht 0.65 ==ÊFitness trung bỡnh 0.6 +rrTrrTrrTrrrrrrr.mnơ 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Hình 14 So sánh gia tri fitness nhiễm sắc thể qua hệ (N=10, len=60) Một so sánh trường hợp (kích thước quần thê, độ dài nhiễm sắc thê): (N = 6, len = 40), (N = 10, len = 40), (N = 6, len = 60) va (N = 10, len = 60) mô ta Bang 3.2 Kích thước Gia tri fimess Độ hội tu Tỉ lệ phủ sóng quan thé lớn N=ó, len=40 0,707070707 Tw thé 15 70.7% N=10, len=40 0,787878788 Từ thé 30 78.8% N=ó, len=60 0,929292929 Tw thé 21 92.9% N=10, len=60 0,939393939 Tw thé 28 93,9% tối đa đạt Bảng So sánh hiệu trường hợp với kích thước quân thể độ dài nhiễm sắc thé thay déi Nhận xét chung: - Với số lượng đầu đọc RFID thấp (20, tức với độ dài nhiễm sắc thể 40), mức độ phủ sóng đầu đọc rõ ràng so với tăng số lượng đầu đọc lên 30 (tương ứng độ dài nhiễm sắc thé 60) - Khi tăng kích thước quần thể (từ lên 10), có gia tăng hiệu (dựa tỉ lệ phủ sóng tối đa đặt được) hội tìm thấy lời giải tối ưu 63 cho tốn thiết kế hình trạng mạng tăng lên - Cả trường hợp tăng kích thước nhiễm sắc thể tăng kích thước quân thể làm tăng khối lượng tính tốn giải thuật di truyền tìm kiếm lời giải tối ưu - Hiệu giải thuật di truyền phụ thuộc vào cách biểu diễn nhiễm sắc thể, phương pháp lựa chọn, lai ghép đột biến sử dụng nên mô tả Bảng 3.2, lời giải tối ưu tỉ lệ phủ sóng tối đa đạt 93.9% Về mặt lý thuyết, 30 đầu đọc cho phạm vi phủ sóng 100%, cài đặt Luận văn đạt 93.9% Kết phù hợp với cài đặt khác thực tế 3.4 TIEU KET CHUONG Trong chương này, Luận án thực mơ tốn thiết kế mơ hình mạng RFID dựa giải thuật di truyền Kết mô tỉ lệ bao phủ đầu đọc phụ thuộc vào số lượng đầu đọc, số lượng vị trí đầu đọc quan thể khởi tạo ban đầu Độ hội tụ quan thé phu thuộc vào kích thước quan thể lựa chọn ban đầu phu thuộc cách lựa chọn cá thể cho quan thé tiép theo 64 KẾT LUẬN › KẾTLUẬN Công nghệ RFID mạng cảm biến không dây xem công nghệ hứa hẹn cho tương lai Nó có nhiều chức riêng nhiều ưu điểm so với kỹ thuật nhận dạng khác Việc nghiên cứu cơng nghệ RFID tích hợp mạng cảm biến khơng thiết kế hình trạng mạng dựa giải thuật di truyền thu kết quan trọng Những vấn đề đạt luận văn là: -_ Khái quát công nghệ RFID mạng cảm biến không dây, thành phần RFID va mang cam biến không dây Trình bày mơ hình tích hợp RFID vào mạng cảm biến không - _ Phương pháp xây dựng tốn thiết kế hình trạng mạng RFID đựa giải thuật di truyền - _ Tìm hiểu tốn khác thiết kế hình trạng mạng RFID dựa giải thuật di truyền - Cài đặt toán thiết kế hình trạng mạng » HUONG PHAT TRIEN CUA DE TAI với số ràng buộc giảm nhẹ Ngồi kết đạt đựợc, luận văn cịn số vấn để cần nghiên cứu thêm như: tiến hành cài đặt mô với số lượng ràng buộc nhiều dé tối ưu vị trí đặt đầu đọc 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Thúc (2001) Lập trình tiến hóa Nhà xuất giáo đục, Hà Nội Tài liệu tiếng Ảnh [2] Botero O., Chaouchi H (2011) RFID network topology Genetic Algorithms JEEE International Conference based on on RFID-Technologies and Applications, Sitges, Spain, 15-16 September 2011, [3] design pp.300—305 Guan Q., et al (2006) Genetic Approach for Network Planning in the RFID Systems Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Applications, Jinan, China, 16-18 October 2006, Vol.2, pp.567—572 [4] Suritya A., David Porter J (2014) Genetic algorithm based approach for RFID network planning TENCON 2014 - 2014 IEEE Region 10 Conference, Bangkok, Thailand , 22-25 October 2014, pp.1-S [5] Yang H., Yang S.H (2007) RFID Sensor Network - Network Architectures to integrate RFID, sensor and WSN Measurement and Control, Vol.40, No.2, pp.56-59 [6] Yang Y., et al (2009) A RFID Network Planning Method Based on Genetic Algorithm 2009 International Communications Conference and Trusted Computing, on Networks Wuhan, Security, Wireless Hubei, China, 25-26 April 2009 Vol.1, pp.534-537 [7] Zhaung Y., Yang L.T., Chen J (2010) RFID and Sensor Networks, Taylor and Francis Group, LLC 66 PHỤ LỤC MÃ GIÁ THIẾT KẾ MẠNG RFID DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYÈN Kỹ hiệu: reader, reader , 0.5 | 0.5 | 3.0 gen reader; |9.5 |2.0 readerzo 45 | ******* 75 gen CC ——— |4.0 ~“ Nhiễm sắc thể n : sỐ lượng thê vùng thực nghiệm (n = 99) Tag :n thé ving thuc nghiém, Tag[i][0] va Tag[i][1] la toa d6X va Y cua thé Tag/i] N_ : Kích thước quần thể NST : quần thê N nhiễm sắc thê, nhiễm sắc thé NST[i],