Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây

Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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: .…………….………….… Số hiệu sinh viên: ………………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………… Họ và tên sinh viên: .…………….………….… Số hiệu sinh viên: ………………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ……………… 1 Đầu đề đồ án: ……………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… ……… 2 Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………… …………………………………………… …… ………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… . 3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ……………………………………………………………………………………………………………… ….……………… …………………………………………………………………………………………………………………………… ……… 4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ……………………………………………………………………………………………………………………… ….…….… ………………………………………………………………………………………………………………… ……….……… 5 Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………………………………………… ……………………… 6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……………………………………………….………………… 7 Ngày hoàn thành đồ án: ……………………………………………………………………… …………… 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 Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 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: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Họ và tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Ngành: Khoá: Giảng viên hướng dẫn: Cán bộ phản biện: 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 ) Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây, nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cùng với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tạo đã tạo điều kiện cho một thế hệ mạng mới ra đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks-WSNs). Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng, mạng cảm biến không dây đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng sâu rộng trong đời sống hàng ngày trên khắp các lĩnh vực như y tế, quân sự, môi trường, giao thông Trong một tương lai gần, khi một số lượng lớn các thiết bị cảm biến được tích hợp vào hệ thống, mạng cảm biến không dây sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong xã hội hiện đại nhằm mang lại sự tiện nghi và những ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người. Mạng cảm biến không dây có tiềm năng lớn không chỉ trong khoa học và nghiên cứu mà còn trong những ứng dụng thực tế. Ngoài truyền dữ liệu, mạng cảm biến không dây còn được ứng dụng trong truyền ảnh để tăng tính trực quan trong quá trình theo dõi đối tượng. Do sự giới hạn về công suất, bộ nhớ, tốc độ truyền nên kỹ thuật truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây trở nên phức tạp và đòi hỏi nghiên cứu chuyên sâu. Nhận thức được tính cấp thiết của vấn đề này, Chúng em đã lựa chọn đề tài“Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây“ để làm đồ án tốt nghiệp của mình. Trong đồ án này, Chúng em sẽ trình bày chi tiết về cách thức truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây, giới thiệu mã kênh truyền LDPC (Low Density Parity Check) và cách thức chèn mã LDPC để nâng cao độ tin cậy đường truyền. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Vũ Thắng, Ths. Phùng Kiều Hà và Ks. Nguyễn Nam Phong đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn, cung cấp cho chúng em những điều kiện tốt nhất. Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã sát cánh và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em thực hiện đồ án này. Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÓM TẮT ĐỒ ÁN Để thực hiện đồ án này, chúng em nghiên cứu về phương pháp truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây và các phương pháp nâng cao truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây. Cụ thể, mã hóa LDPC có khả năng ứng dụng cao trong nâng cao độ tin cậy của kênh truyền trong mạng cảm biến không dây. Mục đích của chúng em là ứng dụng thuật toán LDPC để nâng cao chất lượng truyền ảnh của mạng cảm biến không dây. Vì vậy, chúng em đã đi tìm hiểu về thuật toán LDPC và các hướng triển khai phù hợp với cách thức truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây. Để đánh giá được sự cải thiện của thuật toán LDPC, chúng em đã thực hiện quá trình mô phỏng theo 2 hướng: thực hiện truyền ảnh khi sử dụng mã hóa LDPC và truyền ảnh khi không sử dụng mã hóa LDPC. Kết quả thu được sau khi thực hiện mô phỏng được xử lý và vẽ biểu đồ so sánh để đánh giá sự cải thiện của thuật toán LDPC dựa trên kết quả thực tế. ABSTRACT In order to perform the thesis, we studied about image transmission over Wireless Sensor Network and methods to improve quality of WSN tramission. In particular, LDPC coding has high ability to improve the reliability of transmission channel in WSN. Our purpose is using LPDC algorithm to improve image transmission quality over WSN. Hence, we studied the LDPC algorithm and implemented in the way that suitable for image transmission over WSN. To evaluate the improvement of LDPC algorithm, we simulate the WSN system in two ways: transmitting images without LDPC and transmitting image with LDPC coding. The results are processed and visualized to evaluate the improvement of LDPC algorithm. Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCHHÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT WSNs Wireless Sensor Networks MAC Medium Access Control LDPC Low Density Parity Check RA Repeat Accumulate LLR Log Likely-hood Ratio PSNR Peak Signal to Noise Ratio PDR Packet Delivery Ratio PRR Picture Recovery Ratio BER Bit Error Ratio BEC Binary Erasure Channel ML Maximum Likely-hood MAP MaximumA posteriori Probability UDP User Datagram Protocol ID Identification ADC Analog to Digital Converter IP Internet Protocol OSI Open Systems Interconnection PHY Physical LLC Logical Link Control NWK Network CSMA Carrier Sense Multiple Access UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây vii LỜI MỞ ĐẦU Mạng cảm biến không dây được sử dụng rộng rãi trong đời sống con người bởi chi phí rẻ và dễ triển khai. Kỹ thuật truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây là một hướng đi mới. Tuy nhiên độ tin cậy về chất lượng chưa được cao. Vì vậy các thuật toán xử lý ảnh được ra đời để nâng cao độ tin cậy này. Thuật toán LDPC là một thuật toán mới đã được sử dụng phổ biến trong mạng cảm biến không dây để nâng cao độ tin cậy của đường truyền. Tuy nhiên, thuật toán này chưa được ứng dụng trong truyền ảnh qua WSNs . Vì vậy, thông qua đồ án này, chúng em đi nghiên cứu chuyên sâu và triển khai thuật toán LDPC để nâng cao chất lượng truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây. Dựa vào lý thuyết về thuật toán LDPC, và các kiến thức liên quan về hệ điều hành Contiki, chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4, chúng em thực hiện đề tài: “Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây ”. Đồ án được phân chia thành các chương như sau: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng Chương 2: Truyền ảnh và phương pháp nâng cao chất lượng truyền ảnh qua hệ thống WSN Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương 4: Kết Quả Và cuối cùng là kết luận về sự cải thiện chất lượng truyền ảnh của thuật toán LDPC. Để thực hiện đề tài này, chúng em phân công nhiệm vụ như sau: Ngô Cao Đại: Tìm hiều ứng dụng của mạng cảm biến không dây, tìm hiểu thuật toán LDPC và triển khai thuật toán LDPC trên phần mềm. Hồ Đức Trung: Tìm hiểu về chuẩn Zigbee, kỹ thuật truyền ảnh qua chuẩn Zigbee, xây dựng hệ thống kiểm tra, mô phỏng, xử lý, và đánh giá kết quả thu được. Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc và đặc điểm của nút cảm biến, cấu trúc và đặc điểm toàn mạng cảm biến, kiến trúc giao thức mạng và các ứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây trong đời sống con người. 1.1. Giới thiệu chung Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ vi mạch thích hợp, giao tiếp không giây, công nghệ nano, vi mạch cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu nói riêng, đã tạo tiền đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng công suất tiêu thụ thấp ra đời. Mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network ) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau thông qua truyền thông vô tuyến, trong đó các nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có số lượng lớn được phân bố một cách không có hệ thống (non - topology) trên một diện tích rộng lớn (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết đinh toàn cục về môi trường tự nhiên. Các thành phần cơ bản tạo nên mạng cảm biến không dây: 1- Các cảm biến được xây dựng theo mô hình tập trung hay phân bố, được kết nối bằng truyền thông vô tuyến. 2- Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (cluster). 3- Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm. Các ứng dụng cả mạng gồm thu thập dữ liệu, giám sát, theo dõi, và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên, ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và không bị giới hạn. Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 9 1.1.1. Mạng cảm biến không dây Trong mạng cảm biến, nút cảm biến được xem là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến 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 sinh hóa, Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn. Cảm biến có thể gồm một hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano(1- 100nm), meso (100- 10000nm), micro (10 – 1000um), macro (vài mm - m)… Trước đây, do đặc tính của WSNs là di động và chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSN được mở rộng cho các ứng dụng dân sự, thương mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSN. Các nghiên cứu gần đây về WSNs chủ yếu là phát triển truyền thông với công suất thấp, phát triển các nút xử lý có giá thành thấp và có khả năng tự cấu hình, tự phân bố, thiết kế giao thức truyền thông nhằm hướng đến giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSN là giới hạn về năng lượng cung cấp cho các nút. Các mô hình truyền thông vô tuyến của WSN về cơ bản dựa trên 3 tiêu chí: • Chu kì hoạt động ngắn • Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền. • Mô hình mạng đa chặng để giảm chiều dài đường truyền qua đó giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho truyền thông. 1.1.2. Phân loại WSN WSN được phân ra làm 2 loại . theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nút sử dụng:  Loại 1 (C1WSN): • Sử dụng giao thức định tuyến động • Các nút tìm đường đi tốt nhất đến đích • Vai trò của các nút sensor này với các nút kế tiếp như là các trạm lặp (repeater) • Khoảng cách rất lớn (vài ngàn mét) Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 10 [...]... tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 30 CHƯƠNG 2 TRUYỀN ẢNH VÀ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN ẢNH QUA HỆ THỐNG WSN Chương này giới thiệu tổng quan về chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4, phương pháp truyền ảnh qua chuẩn Zigbee, khái niệm và các loại mã hóa kênh truyền được sử dụng trong mạng cảm biến không dây 2.1 Giới thiệu Do các nhược điểm của mạng cảm biến không dây như giới hạn về năng lượng,... Hình ảnh được truyền trong WSN thông thường là các ảnh có chuẩn nén ảnh JPEG vì đây là chuẩn nén ảnh được sử dụng rất phổ biến nhất hiện nay Ảnh nén theo chuẩn JPEG có kích thước tương đối nhỏ so với các chuẩn khác và vẫn đảm bảo được chất lượng hình ảnh và tính trực quan của người nhìn Kỹ thuật truyền ảnh JPEG qua mạng cảm biến không dây gặp nhiều khó khăn như tốc độ truyền chậm, ảnh kích thước nhỏ, truyền. .. số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và rành buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống: Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 16 Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường... thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến Đặc điểm của mạng cảm biến là bao... 1.5.4 Ứng dụng trong quân đội Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng trong quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết... nút cảm biến đều có gắn những bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô (chưa xử lý) tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản • Các nút bị giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ, khả năng tính toán Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 11 • Các nút phân bố ngẫu nhiên trong những địa hình phức tạp, dễ bị hư hỏng 1.2 Cấu trúc của nút cảm biến Mạng cảm biến không. .. của mạng cảm biến Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 20 Hình 1.5: Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6) Mạng cảm. .. các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Nó Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 31 được xem như là phương pháp phù hợp nhất, tận dụng tối ưu nhất phần cứng của các sensor Ở mục 2.4 sẽ nói rõ hơn về các loại mã hóa kênh truyền Hamming và LDPC 2.2 Tổng quan về Zigbee IEEE 802.15.4 2.2.1 Sự phát triển của chuẩn Zigbee 802.15.4 Cho tới ngày nay, hầu hết các chuẩn giao thức không dây tập trung vào... nối không ổn định và với các môi trường khác nhau cần có một mô hình theo dõi khác nhau Thông thường, mạng cảm biến không dây được sử dụng để truyền dữ liệu các bản tin Hiện nay với sự phát triển của công nghệ tích hợp, hệ thống phần cứng được phát triển mãnh mẽ, công suất tiêu thụ thấp hơn Vì vậy, ngoài truyền dữ liệu công nghệ mạng cảm biến không dây được ứng dụng để truyền ảnh để tăng tính trực quan... nút cảm biến phân bố trong vùng A R : Là phạm vi truyền sóng Chi phí sản xuất (productio costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triền khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến . tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Chương này giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây, cấu trúc và đặc điểm của nút cảm. Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây 9 1.1.1. Mạng cảm biến không dây Trong mạng cảm biến, nút cảm biến được xem là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến bao gồm các cảm. tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Đề tài: Truyền ảnh qua mạng cảm biến không dây v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCHHÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU Đề tài: Truyền ảnh qua