đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351 Khoá:……48………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: …Điện tử tin học 1. Đầu đề đồ án: Đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến không dây sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Mô phỏng giao thức ứng dụng giám sát theo vùng sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu dùng OMNET++ Mô hình triển khai 75x75m Số nút cảm biến : 49 nút đặt ở vị trí ngẫu nhiên Khoảng phát sóng của nút : 20m 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 3.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSNs 3.2 Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến 3.3 Ứng dụng giám sát theo vùng 3.4 Kết quả mô phỏng 3.5 Kết luận. 4. Họ tên giảng viên hướng dẫn: …Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng…… ………………… 5. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 17/02/2008 . 6. Ngày hoàn thành đồ án: 14/05/2008 . Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Huy Thực Số hiệu sinh viên: 20033351 Ngành: Điện tử tin học Khoá: 48 Giảng viên hướng dẫn: Thạc sỹ Nguyễn Trung Dũng Cán bộ phản biện: PGS. TS Phạm Minh Việt 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 2 Lời nói đầu Nhờ có những tiến bộ trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến vào những năm gần đây, sự phát triển của những mạng gồm các sensor giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Mạng cảm biến được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như trong đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh…Tuy nhiên hiện nay mạng cảm biến đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau. Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người, nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến. Trong đồ án này em sẽ giới thiệu một cách tổng quan về mạng cảm biến, các giao thức cũng như các giải thuật định tuyến thường được dùng, đồng thời đánh giá năng lượng tiêu thụ của các node cảm biến trong ứng dụng giám sát vùng khi sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu so với trường hợp truyền tin trực tiếp về trạm gốc. Đồ án gồm 5 chương : Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến WSN. Chương 2 : Định tuyến trong mạng WSN. Chương 3 : Hoạt động của ứng dụng giám sát vùng Chương 4 : Mô phỏng ứng dụng giám sát vùng dùng OMNeT++. Chương 5 : Tổng kết. 3 Để có thể hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quí báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong suốt năm năm đại học. Em vô cùng biết ơn sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn của mình tới thầy Nguyễn Trung Dũng – Bộ môn Hệ thống viễn thông – Khoa Điện tử viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người đã định hướng cho những nghiên cứu của em, người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo em hoàn thiện đồ án này. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án này. Hà Nội, Tháng 5 - 2008 Sinh viên thực hiện Lê Huy Thực. 4 Tóm tắt đồ án Trong thời đại các mạng viễn thông ngày càng phát triển, một lĩnh vực đầy thách thức và thú vị - mạng cảm biến không dây - bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Mạng cảm biến không dây bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến được triển khai dày đặc và ngẫu nhiên. Các nút cảm biến là các thiết bị điện nhỏ gọn có khả năng cảm nhận nhiều loại thông tin từ môi trường, như là nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, bức xạ, các yếu tố địa lý, các rung động địa chấn, các loại dữ liệu máy tính đặc biệt… Những tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã có khả năng làm cho những thiết bị này nhỏ gọn, có năng lượng hiệu quả và bây giờ chúng có thể được sản xuất với chi phí thích hợp dùng trong những ứng dụng viễn thông chuyên dụng. Với kích cỡ rất nhỏ, các nút cảm biến có khả năng tập hợp, xử lý và truyền thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài Mạng cảm biến có rất nhiều ứng dụng, bao gồm lĩnh vực sức khỏe; nông nghiệp; địa chất học; buôn bán; quân đội và quản lý báo động. Tuy nhiên hàng loạt các thách thức đối với mạng cảm biến cần phải được xác định do những đặc điểm riêng biệt của các nút cảm biến và thực tế là có nhiều ứng dụng của mạng cảm biến bao gồm những nút cảm biến di động ở những vùng khó truy nhập bị giới hạn về nguồn năng lượng mà cần phải tự động thích ứng với môi trường. Đồ án này có 5 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây (WSNs): đưa ra định nghĩa, cấu trúc mạng WSN; cấu trúc của một nút mạng; 2 cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng; các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng WSN; các ứng dụng đồng thời đưa ra các thách thức mà mạng WSN đang phải đối mặt. Chương 2: Định tuyến trong WSNs :đưa ra các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến; đưa ra các giao thức định tuyến đang được dùng trong mạng cảm biến và trình bày cách phân loại các cách tiếp cận với vấn đề này. Ba loại định tuyến chính được đưa ra trong chương này là giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phân cấp và giao thức dựa vào vị trí. 5 Chương 3: Ứng dụng giám sát theo vùng Trình bày khái niệm về ứng dụng giám sát theo vùng và hoạt động của ứng dụng.Đặt ra các vấn đề cần giải quyết như tính linh động của ứng dụng,vấn đề năng lượng,lưu lượng trong ứng dụng và giải quyết vấn đề thông qua phương pháp tập trung dữ liệu.So sánh phương pháp tập trung dữ liệu với phương pháp truyền trực tiếp để làm rõ những ưu điểm của phương pháp tập trung dữ liệu. Chương 4: Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng dùng OMNeT++ : Khái quát về OMNeT++ và đưa ra phần mô phỏng ứng dụng giám sát vùng. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng dùng ứng dụng giám sát vùng sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu đã làm giảm sự tiêu thụ năng lượng của các nút trong mạng, tăng thời gian sống của mạng so với khi dùng phương pháp truyền trực tiếp thông tin. Chương 5: Tổng kết : Đưa ra những mặt còn hạn chế, hướng nghiên cứu và phát triển cho tương lai. Abstract                                     !           "    #   $    %      $                                    6               &           $                   '() *)+) ,- . .  ,- /) ,-) ,-               '       0            1   1 2),-)Target Region Define target region and its operation.   3)   Target Region   +4-'55  )   +4-'556Objective Modular Network Testbed in C+ +) and a clear simulation of DataCentric algorithm. The presented simulation results show that used algorithm DataCentric reduced node energy dissipation and increase the lifetime of WSN system. . ())' 77  7 Mục lục Mục lục 8 9 Mục lục hình vẽ 10 Danh sách các bảng biểu 11 Danh sách các từ viết tắt 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 13 1.2. Cấu trúc mạng WSN 14 1.2.1 Cấu trúc của 1 nút mạng WSN 14 1.2.2 Cấu trúc của toàn mạng WSN 16 1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 16 1.2.2.2 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến không dây 17 1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến không dây 22 1.3 Kiến trúc giao thức mạng 25 1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 28 1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN 33 CHƯƠNG 2. ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN 36 2.1 Giới thiệu 36 2.2 Các vấn đề phải đối mặt khi định tuyến: 37 2.2.1 Tính động của mạng 37 2.2.2 Sự triển khai các nút 38 2.2.3 Tính đến năng lượng 38 2.2.4 Phương pháp báo cáo số liệu 39 2.2.5 Khả năng của các nút 39 2.2.6 Tập trung/hợp nhất dữ liệu 40 2.3 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSNs 40 2.4 Giao thức trung tâm dữ liệu (data-centric protocols) 42 2.4.1 Flooding và gossiping 43 2.4.2 SPIN (Sensor protocols for information via negotiation) 45 2.4.3 Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) 46 2.4.4 Định tuyến khi xét đến năng lượng (Energy-aware routing) 48 2.5 Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) 49 2.5.1 LEACH 50 2.5.2 LEACH – C (LEACH Centralized) 51 2.5.3 LEACH – F : Fixed Cluster, Rotating Cluster Head 51 2.5.4 PEGASIS và PEGASIS phân cấp 52 2.6 Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) 54 2.6.1 GAF (Geographic adaptive fidelity) 54 2.6.2 GEAR (Geographic and Energy-Aware Routing) 56 Chương 3. ỨNG DỤNG GIÁM SÁT THEO VÙNG 59 3.1. Khái niệm 59 3.2. Hoạt động chung 60 3.2.1.Hoạt động theo vòng 60 3.2.2.Pha thiết lập 61 3.2.3.Pha ổn định 61 3.3.Hai phương pháp truyền dữ liệu về trạm gốc 62 3.3.1. Phương pháp truyền trực tiếp 63 3.3.2.Phương pháp tập trung dữ liệu 63 8 3.4.Đánh giá phương pháp tập trung dữ liệu 64 3.4.1.Đánh giá về xử lý và phần cứng 64 3.4.2.Đánh giá về lưu lượng 64 3.4.3.Đánh giá về năng lượng 64 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG GIÁM SÁT VÙNG DÙNG OMNET ++ 65 4.1 Giới thiệu chung về Omnet++ 65 4.1.1 Tổng quan về Omnet++ 65 4.1.1.1 Omnet ++ là gì ? 65 4.1.1.2 Các thành phần chính của OMNeT++ 65 4.1.1.3 Ứng dụng 66 4.1.1.4 Mô hình trong OMNeT++ 66 4.1.2 Sử dụng OMNeT++ 68 4.1.2.1 Xây dựng và chạy thử các mô hình mô phỏng 68 4.1.2.2 Chạy các ứng dụng trong OMNeT++ 71 4.2. Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng 73 4.2.1 Giả thiết cho mạng 73 4.2.1.1 Giả thiết đầu vào: 73 4.2.1.2 Mô hình mô phỏng : 74 4.2.2 Hoạt động của mạng 75 4.2.3 Kết quả mô phỏng và nhận xét 84 4.2.3.1.Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 84 4.2.3.2.Năng lượng tại các nút gần trạm gốc 85 4.2.3.3.Lưu lượng gửi tới trạm gốc 86 4.3.Kết luận: 86 CHƯƠNG 5. TỔNG KẾT 87 Bảng đối chiếu thuật ngữ Việt Anh 90 9 Mục lục hình vẽ Hình 1.1 Ví dụ về mạng cảm biến không dây 13 Hình 1.2 Các thành phần của một nút cảm biến 15 Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng 18 Hình 1.5 Cấu trúc tầng 18 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 19 Hình 1.7 Cấu trúc mạng phân lớp xếp chồng vật lý 19 Hình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic 20 Hình 1.9 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 25 Hình 1.10 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng 29 Hình 1.11 Cảnh báo và đo thông số động đất 29 Hình 1.12 Ứng dụng trong y tế 30 Hình 1.13 Ứng dụng nhà thông minh 30 Hình 1.14 Ứng dụng trong quản lý hàng hóa 31 Hình 1.15 Ứng dụng ở cảng 32 Hình 1.16 Ứng dụng trong trồng trọt 32 Hình 1.17 Ứng dụng trong chăn nuôi 32 Hình 1.18 Ứng dụng trong giao thông 33 Hình 1.19 Cấu trúc phần cứng của hạt Mica 34 Hình 2.1 Phân loại giao thức chọn đường trong WSN 41 Hình 2.2 Hiện tượng bản tin kép 44 Hình 2.3 Hiện tượng chồng chéo 44 Hình 2.4 Cơ chế của SPIN 45 Hình 2.5 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp 47 Hình 2.6 Chuỗi trong PEGASIS 52 Hình 2.7 Tập hợp dữ liệu trong chuỗi dựa trên mô hình nhị phân 53 Hình 2.8 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 55 Hình 2.9 Sự chuyển trạng thái trong GAF 56 Hình 2.10 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 58 Hình 3.1. Ứng dụng Giám sát theo vùng 59 Hình 3.2. Hoạt động theo vòng 60 Hình 3.3. Hoạt động của pha thiết lập 61 Hình 3.4. Hoạt động theo khe thời gian 61 Hình 3.5. Truyền dữ liệu trực tiếp về trạm gốc 63 Hình 3.6. Phương pháp tập trung dữ liệu 63 Hình 4.1 Các module đơn giản và kết hợp 67 Hình 4.2 Các kết nối 68 Hình 4.4 Mô hình tiêu thụ năng lượng kênh vô tuyến Radio 74 Hình 4.5 BS gửi bản tin ADVMessage khởi động tới các nút 75 Hình 4.6 Các nút thiết lập kết nối tới các nút lân cận 78 Hình 4.7 Các nút gửi Status2BSMessage tới BS 79 Hình 4.8 BS gửi ClusterMessage tới các nút trong mạng 80 Hình 4.9 Nút chủ gửi TDMAMessage tới các nút trong cụm 81 Hình 4.10 Các nút trong vùng gửi dữ liệu về nút chủ 82 Hình 4.11 Nút chủ gửi dữ liệu về BS qua bản tin Data2BSMessage 83 Hình 4.12 Tổng năng lượng còn lại trên toàn mạng 84 Hình 4.14 Các nút lân cận trạm gốc trong trường hợp tập trung dữ liệu 85 10 [...]... Ứng dụng trong giao thông Tất cả các ứng dụng của mạng cảm biến không dây được phân loại thành : -Giám sát các môi trường tĩnh :giám sát môi trường,các hệ sinh thái,cảnh báo cháy… -Giám sát sự chuyển động của các đối tượng: như là giám sát các động vật trong cuộc sống hoang dã ,giám sát sự chuyển động của các phương tiện giao thông… 1.5 Những khó khăn trong việc phát triển mạng WSN Vì mạng cảm biến không. .. trúc của toàn mạng WSN 1.2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Cấu trúc mạng cảm biến không dây cần phải thiết kế sao cho sử dụng có hiệu quả nguồn tài nguyên hạn chế của mạng, và khắc phục được những nhược điểm trên, kéo dài thời gian sống của mạng Vì vậy thiết kế cấu trúc mạng và kiến trúc mạng cần phải dùng một số cơ chế ,kỹ thuật đặc thù sau: • Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không. .. gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng mạng cảm biến không dây • Tự động cấu hình :Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một các tự động.Chẳng hạn như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (gọi là tự định vị) • Cộng tác,xử lí trong mạng và tập trung dữ liệu :Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ... thức do mạng cảm biến có nhiều đặc điểm riêng khác hẳn với các mạng khác  Thứ nhất là trong mạng WSN số lượng các nút là rất lớn, nên ta không thể xây dựng một chế độ địa chỉ toàn cầu cho việc triển khai các nút cảm biến, vì vậy không thể áp dụng giao thức dựa trên IP trong mạng cảm biến  Thứ hai là đối lập với các mạng điển hình, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến, các luồng dữ liệu cảm nhận... vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thúc quản lí mạng sensor (SMP), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng sensor (TADAP),giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP) -Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến. .. chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp Hình 1.16 Ứng dụng trong trồng trọt • Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát Hình 1.17 Ứng dụng trong chăn nuôi * Trong quân sự: Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT (military command, control, communications,... môi trường Bản tin quảng bá Bản tin yêu cầu Trải phổ tuần tự Trạm gốc Nút chủ cụm 12 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Chương này trình bày các khái niệm chung nhất về mạng cảm biến, cũng như các thành phần của mạng, cấu trúc của 1 nút mạng và của toàn mạng, các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng, và các ứng dụng vô cùng to lớn trong nhiều lĩnh vực cuộc sống của mạng cảm biến Bên cạnh đó cũng... có thể hiểu mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng mà có thể cảm nhận, tính toán và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm mục đích tập trung, xử lý thông tin cục bộ để đưa ra những phương án giải quyết phù hợp với từng ứng dụng của mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây có những đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức... không dây có những ứng dụng vô cùng to lớn trong cuộc sống, và để tận dụng hết những thuận lợi này chúng ta phải xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật mà ta sẽ gặp phải khi triển khai:  Bị giới hạn năng lượng Khi các thiết bị tính toán tăng hiệu quả nhanh chóng thì sự tiêu thụ năng lượng của mạng cảm biến không dây giống như một nút cổ chai Do các sensor có kích cỡ nhỏ và giá. .. dùng loại sensor nào Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại, hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng trong từng lĩnh vực khác nhau Trong mạng cảm biến, năng lượng được sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích: truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động Hiện nay người ta cũng đang . án: Đánh giá hiệu quả năng lượng của ứng dụng giám sát vùng trong mạng cảm biến không dây sử dụng phương pháp tập trung dữ liệu 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Mô phỏng giao thức ứng dụng giám. 5 Chương 3: Ứng dụng giám sát theo vùng Trình bày khái niệm về ứng dụng giám sát theo vùng và hoạt động của ứng dụng. Đặt ra các vấn đề cần giải quyết như tính linh động của ứng dụng, vấn đề năng lượng, lưu. Mô phỏng ứng dụng giám sát theo vùng dùng OMNeT++ : Khái quát về OMNeT++ và đưa ra phần mô phỏng ứng dụng giám sát vùng. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng dùng ứng dụng giám sát vùng sử dụng phương