MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN

Nguyễn Tuấn Hoàn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN 3 1.1. Giới thiệu chung về mạng cảm biến vô tuyến 3 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến vô tuyến. 4 1.2.1. Kiến trúc giao thức mạng 7 1.2.2. Cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến vô tuyến. 9 1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến 11 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội 11 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường 12 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 13 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình 13 1.4. Kiến trúc WSN và giao thức stack 13 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs. 16 1.5.1. Hạn chế phần cứng. 16 1.5.2. Khả năng chịu lỗi 17 1.5.3. Khả năng mở rộng 17 1.5.4. Chi phí sản xuất 17 1.5.5. Năng lượng tiêu thụ 18 1.5.6. Truyền thông 18 1.5.7. Cấu trúc mạng WSN (WSN Topology): 18 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 802.15.4 20 2.1. Khái niệm 20 2.2. Đặc điểm 20 2.3. Ưu điểm của ZigBeeIEEE 802.15.4 với BluetoothIEEE 802.15.1 21 2.4. Mạng ZigBee IEEE 802.15.4 LRWPAN 22 2.4.1. Thành phần của mạng LRWPAN 22 2.4.2. Kiến trúc liên kết mạng 22 2.5. Mô hình giao thức của ZigBeeIEEE 802.15.4 26 2.6. Tầng vật lý ZigBeeIEEE 802.15.4 27 2.6.1. Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. 29 2.6.2. Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4 34 2.6.3. Định dạng khung tin PPDU 35 2.7. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBeeIEEE 802.15.4 MAC. 36 2.7.1. Cấu trúc siêu khung 36 2.7.2. Các mô hình truyền dữ liệu 39 2.8. Tầng mạng của ZigBeeIEEE 802.15.4 42 2.8.1. Dịch vụ mạng 42 2.8.2. Dịch vụ bảo mật 43 2.9. Tầng ứng dụng của ZigBeeIEEE 802.15.4 45 CHƯƠNG 3. CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CỦA 46 ZIGBEEIEEE 802.15.4 46 3.1. Tổng quan về định tuyến 46 3.2. Các thuật toán định tuyến trong mạng ZigBee 48 3.2.1. Định tuyến ZigBee 48 3.2.2. Quảng bá gói tin trong ZigBee (ZigBee Broadcasting) 50 3.2.3. Quan hệ nhiều một – Many – to – one. 51 3.3. Thuật toán định tuyến theo yêu cầu – AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) 52 3.3.1. Tổng quan 52 3.3.2. Tìm đường Path Discovery 53 3.3.3. Thiết lập đường ngược 54 3.3.4. Thiết lập đường tiến 54 3.4. Thuật toán hình cây 55 3.4.1. Tổng quan 55 3.4.2. Cây đơn nhánh 56 3.4.3. Cây đa nhánh 60 3.5. Vấn đề tối ưu năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến ZigBee 64 3.6. Thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến ZigBee 69 CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV 72 4.1. Công cụ mô phỏng 72 4.1.1. Ubuntu 14.04.2. 72 4.1.2. NS2 72 a) Giới thiệu về NS2 72 b) Các đặc tính của NS2 73 c) Cài đặt NS2 73 4.2. Xây dựng kịch bản và thử nghiệm 75 4.2.1. Thuật toán AODV 75 4.2.2. Thử nghiệm 76 4.3. Kết quả 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………...…………………………….81  

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN SINH VIÊN: NGUYỄN TUẤN HOÀN MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ZIGBEE VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Mã ngành: NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS HÀ MẠNH ĐÀO Hà Nội - 2015 Lời cảm ơn Để hoàn thành đồ ánnày, nỗ lực thân, nhận nhiều hướng dẫn, bảo giúp đỡ từ thầy giáo, cô giáo, tổ chức, cá nhân Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy TS Hà Mạnh Đào -Trưởng khoa Công nghệ thông tin, Đại Học Tài nguyên Môi trường Hà Nội đặt móng, bồi dưỡng, khuyến khích nghiên cứu viết đề tài Cảm biến- lĩnh vực thú vị nhiều khó khăn, thầy nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành đồ án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo khoa Công nghệ thông tin – trường ĐH Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội động viên, giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến, chuyên môn quan trọng để giúp đỡ hoàn thành tiểu luận Lời cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn lớp ĐH1C2, người thân gia đình động viên tinh thần giúp hoàn thành đồ án Đồ án không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận góp ý nhiệt tình thầy cô giáo bạn sinh viên Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Tuấn Hoàn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Vệt ACK Acknowledgment Sự thừa nhận PAN Private Area Net Khu vực mạng riêng tư MAC Media Access Control DLL Data Link Layer Điều khiển truy cập truyền thông Tầng liên kết liệu FFD Full Function Device Thiết bị đầy đủ chức RFD Reduced Function Device Thiết bị giảm chức NL Network Layer Tầng mạng AL Application Layer Tầng ứng dụng ZDO ZigBee Device Object Đối tượng thiết bị ZigBee ZAP ZigBee Application Profile Hồ sơ ứng dụng ZigBee ZC ZR ZigBee Coordinator ZigBee Router Điều phối ZigBee Định tuyến ZigBee ZED ZigBee End Device Thiết bị cuối ZigBee RD Routing Device Thiết bị định tuyến RREQ Route Request Yêu cầu định tuyến RREP DD Route Reply Designated Device Trả lời định tuyến Thiết bị định HERA Hierarchical Routing Algorithm Thuật toán phân cấp định tuyến AODV Ad hoc On Demand Distance Vector PPDU Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance Open Systems Interconnection Reference Model PHY protocol data unit Thuật toán định tuyến theo yêu cầu Đa truy cập nhận biết sóng mang phát xung đột Mô hình tham chiếu kết nối hệ thống mở Khối thu phát liệu tầng vật lí LLACK Link Layer ACK Tầng kết nối ACK CSMA/CA OSI LỜI NÓI ĐẦU Hàng ngày thấy ví dụ cách thức mà công nghệ thông tin viễn thông (ICT) tác động làm thay đổi sống người giới Từ mức độ hay mức độ khác, cách mạng kỹ thuật số lan rộng đến ngõ ngách toàn cầu Mạng viễn thông ngày tạo cầu nối liên kết loài người khắp giới, người sử dụng mạng để trao đổi, quản lý, giao tiếp, mua bán Với phát triển không ngừng khoa học kĩ thuật, mạng cảm biến không dây xuất ngày phổ biến với nhiều ứng dụng lĩnh vực sống ứng dụng giám sát điều khiển sản xuất, tự động hóa gia đình điện dân dụng, ứng dụng y tế giám sát sức khỏe Một yêu cầu quan trọng mạng cảm biến không dây tiết kiệm lượng pin để đảm bảo cho hoạt động mạng ổn định khoảng thời gian đủ lớn Mặc dù mạng ZigBee có mức tiêu hao lượng thấp việc lựa chọn giải thuật định tuyến tối ưu lượng định lớn đến hoạt động lâu dài mạng Mạng ZigBee áp dụng cho hệ thống điều khiển cảm biến có tốc độ truyền tin thấp chu kỳ hoạt động dài Đối tượng mà mạng ZigBee nhắm vào mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), tự động hóa trình (Home Automation, Building Automation), hoạt động theo dõi, tiếp nhận xử lý thông tin lĩnh vực y tế (Health Care), quản lý lượng cho hiệu (Smart Energy)… Khi sử dụng hệ thống này, mạng ZigBee phát huy tất điểm mạnh độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng thời gian sử dụng pin dài Công nghệ ZigBee hoạt động dải tần 868/915 MHz 2,4 GHz, với ưu điểm độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao lượng, giá thành thấp, lỗi, dễ mở rộng, khả tương thích cao Trong luận văn này, em muốn trình bày khảo cứu em công nghệ ZigBee mô thuật toán định tuyến ZigBee để hiểu rõ công nghệ Hy vọng thông qua vấn đề đề cập đồ án này, bạn đọc có đánh giá hiểu biết sâu sắc công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 vai trò tiềm sống CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chung mạng cảm biến vô tuyến Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến vô tuyến phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi môi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc công vũ khí hạt nhân, sinh học hóa học, chuẩn đoán hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dõi điều khiển giao thông… Hơn nữa, với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính toán tín hiệu… tạo mạch cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến vô tuyến Một mạng cảm biến vô tuyến mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng ít, giao tiếp qua kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định toàn cục môi trường tự nhiên Một mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) mạng PAN (Personal Area Network) nằm nhóm mạng cảm biến vô tuyến, mạng kết nối thiết bị tập trung không gian làm việc cá nhân mà kết nối dựa song vô tuyến Một WPAN sử dụng kỹ thuật cho phép truyền tin với khoảng cách ngắn WPAN thuộc nhóm mạng không dây adhoc – mạng không dây sử dụng chuyển tiếp gói đa hop (multi-hopping) Do đó, chúng có khả hoạt động mà không cần hỗ trợ sở hạ tầng Các mạng không dây adhoc hình thành số loại thiết bị, hỗn tạp với khả giao tiếp không dây cho phép kết nối dừng kết nối tùy theo điều kiện cụ thể Ngay khả di động, nút gia nhập rời mạng nào, mạng cần có khả tự tổ chức truy cập phương tiện, định tuyến chức mạng khác Các mạng adhoc không dây thường sử dụng ứng dụng di động, tính toán phân bố, truy cập di động tới Internet, mạng mắt lưới không dây, ứng dụng quân sự, mạng đáp ứng tình trạng khẩn cấp Những nút cảm biến nhỏ bé mạng cảm biến bao gồm thành phần: Các vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, phận cảm biến, thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thước cảm biến thay đổi từ to hộp giấy nhỏ hạt bụi, tùy thuộc vào ứng dụng Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: - Có khả tự tổ chức, yêu cầu can thiệp người Truyền thông không tin cậy, quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop - Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm biến - Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading hư hỏng nút - Các giới hạn mặt lượng, công suất phát, nhớ công suất tính toán Chính đặc tính đưa chiến lược yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến vô tuyến Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến vô tuyến: Như ta biết, đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến sau: 10 tất node mạng Một hướng khác tùy theo vào cấu hình mạng, ta đưa thuật toán định tuyến phù hợp với cấu hình mạng để tối ưu hóa lượng mạng Tuy nhiên vấn đề định tuyến gặp thách thức - Tính động mạng: Các thành phần cấu thành nên mạng ZigBee di động đặc biệt node cảm biến Khi việc định tuyến phải đối mặt nhiều vấn đề như: đường liên lạc, cấu hình mạng, lượng độ rộng băng thông - Triển khai node mạng: Trong mạng cảm biến ZigBee node cảm biến phân bố ngẫu nhiên tạo cấu trúc ad-hoc, cấu trúc việc đặt thiết bị ZC ZR quan trọng, góp phần vào hoạt động hiệu lượng mạng Trong mạng cảm biến nói chung mạng cảm biến ZigBee, trình định tuyến bị ảnh lớn lượng Sở dĩ nói lượng truyền sóng vô tuyến hàm suy hao theo khoảng cách đặc biệt suy giảm nhiều trường hợp có nhiều vật cản Việc định tuyến đa bước nhảy giảm việc tiêu hao lượng việc truyền liệu trực tiếp node Định tuyến trực tiếp tốt trường hợp tất node cảm biến gần ZC, ZR Tiết kiệm lượng hầu hết mạng/ thiết bị viễn thông vấn đề quan tâm hàng đầu nhà mạng người sử dụng Tuy nhiên, với đặc tính riêng mình, vai trò tiết kiệm lượng mạng WSN nói chung mạng cảm biến ZigBee nói riêng quan trọng Nó ảnh hưởng trực tiếp đến chu kỳ sống cảm biến trong, qua ảnh hưởng đến hiệu toàn hệ thống Một số nguyên lý tối ưu việc quản lý lượng mạng ZigBee: 72 Cơ ZigBee sử dụng thuật toán AODV thuật toán định tuyến cho gói tin Đặc tả ZigBee đưa số tối ưu cho định tuyến Đó là: many-toone, neighbor table link status message Bảng lân cận - Neighbor table: ZigBee sử dụng bảng lân cận để giảm số gói tin RREQ truyền mạng Bảng lân cận chứa thông tin lân cận để gia nhập tái gia nhập mạng thông tin định tuyến Cơ chế định tuyến tối ưu sử dụng địa thiết bị phần thông tin bảng lân cận Hơn nữa, chi phí để tới node đích thông qua lân cận lưu lại Bảng thông tin đưa nhìn khái quát lân cận trung gian cho phép tự kết nối thiết bị Điều có nghĩa gói tin khởi nguồn từ thiết bị không nằm bảng lân cận thêm mục vào bảng lân cận Thông tin trạng thái đường kết nối – Link Status Message: Việc xây dựng mạng không dây đòi hỏi cân nhắc đến yếu tố di động mạng Nó làm tăng tính động cho thiết bị Để nhận biết thay đổi cấu trúc mạng thiết bị ZC ZR cần thiết gửi gói tin trạng thái liên kết mạng Thông điệp trạng thái mạng gửi tới tất lân cận phạm vi ZC ZR để lân cận biết vị trí chúng mạng chất lượng mạng thời điểm gửi Việc gửi gói tin giúp cho lân cận trạng thái cập nhật thông tin Điều giúp cho việc định tuyến hệ thống diễn nhanh chóng Tuy nhiên việc sử dụng gói tin trạng thái liên kết nên áp dụng với mạng đòi hỏi tính động, với mạng tĩnh điều không cần thiết 3.6 Thuật toán định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến ZigBee Như đề cập phần trên, lượng mạng cảm biến nói chung mạng cảm biến ZigBee vấn đề nhiều thách thức Làm để tiết kiệm lượng, tiết kiệm bước tốt nhất… câu hỏi nhà nghiên cứu đặt nhiều 73 Ta biết trình truyền tin trình tiêu hao nhiều lượng do: • Tiêu hao lượng qua công suất phát sóng sensor node mạng • Tiêu hao lượng xử lý thuật toán định tuyến • Tiêu hao có xung đột gói tin truyền thời điểm, gói tin bị hỏng, phải yêu cầu truyền lại • Tiêu hao vấn đề nghe rỗi (Idle Listening) Nó xảy thành phần sóng vô tuyến thực nghe xem có liệu để nhận không • Tiêu hao vấn đề nghe thừa (Over hearing) Nó xảy node mạng nhận gói tin dành cho node khác Nếu việc định tuyến sai, dẫn đến truyền tin sai làm thay đổi trạng thái toàn mạng Khi đó, việc định tuyến truyền tin lại vô thời gian tiêu tốn nhiều lượng Vì vậy, định tuyến đúng, truyền tin xác bước quan trọng muốn tiết kiệm lượng Vấn đề khó khăn đưa thuật toán định tuyến để tối ưu lượng cho tất trường hợp Với điều kiện cụ thể, thuật toán phát huy mạnh riêng Việc đưa thuật toán tối ưu lượng cho tất trường hợp cấu hình mạng cảm biến ZigBee thách thức lớn Bản thân thuật toán định tuyến AODV có sẵn ưu điểm đó, tảng để phát triển thuật toán định tuyến khác Tuy nhiên số trường hợp cụ thể, ta đưa thuật toán phù hợp, tối ưu lượng thuật toán AODV Chỉ tiêu đánh giá tối ưu lượng thuật toán AODV: Đối với hệ thống nói chung, hiệu suất độ đo công việc mà hệ thống thực bao gồm tính sẵn sàng, thông lượng, thời gian đáp ứng Vì thế, sử dụng thông số sau để đánh giá hiệu suất giao thức định tuyến mạng mô : 74 • Tỉ lệ gói tin nhận được: tỉ lệ số lượng gói tin đến đích số lượng gói tin tạo node phát • Độ trễ trung bình đầu cuối: tổng độ trễ tính từ node nguồn phát gói tin đến node đích nhận gói tin Nó bao gồm: trễ phát đường, xếp hàng hàng đợi, trễ phát lại tầng MAC trễ thời gian truyền Ý nghĩa: Hai độ đo đánh giá kết hoạt động giao thức định tuyến Nó có ý nghĩa hoạt động giao thức lớp giao thức giao vận giao thức ứng dụng Ngoài ra, mạng adhoc, việc hạn chế tài nguyên mạng đòi hỏi giao thức phải sử dụng hiệu tài nguyên Với giao thức định tuyến, chi phí để thực yêu cầu định tuyến Do đó, người ta xét thêm thông số để thể việc sử dụng tài nguyên mạng Đó tải định tuyến chuẩn hóa: tỉ lệ số gói tin định tuyến số gói tin liệu gửi Nếu gói tin định tuyến qua nhiều chặng chặng tính truyền thông • Thông lượng trung bình: tỉ lệ số gói tin liệu truyền đơn vị thời gian Ý nghĩa: Khi băng thông sẵn có mạng mô băng thông thực có bao nhiêu? Thông số thông lượng T cho biết băng thông thực mô cho thấy hiệu giao thức định tuyến Thông lượng trung bình cao nghĩa băng thông dành cho định tuyến ít, giao thức định tuyến hoạt động tốt • Tải thông tin định tuyến: tỉ lệ gói tin định tuyến gửi với số gói liệu gửi tới đích Ý nghĩa: Nó cho biết hiệu sử dụng băng thông giao thức định tuyến Phần tải định tuyến giao thức định tuyến theo yêu cầu thông thường lớn phải gửi tin cập nhật định kỳ toàn mạng Trường hợp lý tưởng tin định tuyến, có gói tin liệu 75 truyền mạng, nhiên, giao thức định tuyến triển khai thực tế 76 CHƯƠNG MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV 4.1 Công cụ mô Sử dụng phần mềm ảo hóa Vmware Workstation cài đặt hệ điều hành Ubuntu 14.04.2.Sử dụng công cụ mô NS-2 Hệ điều hành 4.1.1 Ubuntu 14.04.2 Download phần mềm Vmware Workstation 10 Download Ubuntu 14.04.2 phiên desktop địa http://releases.ubuntu.com/14.04.2/ubuntu-14.04.2-desktop-amd64.iso Chọn phiên “PC (Intel x86) desktop CD ” Sau cài đặt xong Ubuntu, cần tiến hành cài thêm gói phần mềm sau ( để phục vụ cho việc chạy biên dịch NS-2) Install GCC G++ version 4.3 $ sudo apt-get install build-essential autoconf automake libxmu-dev $ sudo apt-get install libx11-dev libxmu-dev libxmu-headers libxt-dev libtool $ sudo apt-get install dpkg-dev g++ libc6-dev make $ sudo apt-get install tcl8.4 tk8.4 $ sudo apt-get install build-essential 4.1.2 NS-2 a) Giới thiệu NS2 NS (Netwok Simulator v2) phần mềm mô mạng điều khiển kiện riêng rẽ hướng đối tượng, phát triển UC Berkely, viết ngôn ngữ C++ OTcl NS hữu ích cho việc mô mạng diện rộng (WAN) mạng local (LAN) Bốn lợi ích lớn NS-2 phải kể đến là: - Khả kiểm tra tính ổn định giao thức mạng tồn Khả đánh giá giao thức mạng trước đưa vào sử dụng Khả thực thi mô hình mạng lớn mà gần ta thực thi thực tế 77 - Khả mô nhiều loại mạng khác b) Các đặc tính NS2 NS-2 thực thi tính sau: - Các kỹ thuật quản lý hàng đợi Router DropTail, RED, CBQ - Multicasting - Mô mạng không dây - Định tuyến - Hành vi nguồn traffic-www - Luồng packet - Mô hình mạng - Các ứng dụng… c) Cài đặt NS2 • Tải ns-allinone-2.35 địa : http://media.thanhnt.com/public_file/ns-allinone-2.35.tar.gz • Copy file ns-allinone-2.35.tag.gz từ thư mục Download vào thư mụchome Dùng lệnh sau : $ tar –xzvf ns-allinone-2.35.tar.gz $ cd ns-allinone-2.35 • Cài đặt X-window sudo apt-get install xorg-dev g++ xgraph • Sửa lỗi đường dẫn otcl dòng 6304 of otcl-1.13/configure , chuyển thành SHLIB_LD="gcc -shared" từ SHLIB_LD="ld -shared" • Chạy Lệnh $ sudo apt-get install build-essential autoconf automake libxmu-dev gcc-4.3 • Cài đặt thêm công cụ cần thiết cho việc build ns-2 78 Đang thư mục ns-allinone-2.32, chạy lệnh /install cài đặt ns2 Sau cài đặt xong ns-2.35 Thiết lập biến môi trường theo bước sau: > sửa file bashrc home $gedit bashrc Thêm dòng sau vào cuối file : #LD_LIBRARY_PATH OTCL_LIB=/home/hoan/ns-allinone-2.35/otcl-1.13 NS2_LIB=/home/hoan/ns-allinone-2.35/lib USR_LOCAL_LIB=/usr/local/lib export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$otc #TCL_LIBRARY TCL_LIB=/home/hoan/ns-allinone-2.35/tcl8.4.18/library USR_LIB=/usr/lib export TCL_LIBRARY=$TCL_LIB:$USR_LIB # PATH XGRAPH=/home/hoan/ns-allinone-2.35/bin:/home/hoan/ns-allinone2.35/tcl8.4.18/unix:/home/hoan/ns-allinone-2.35/tk8.4.18/unix NS=/home/hoan/ns-allinone-2.35/ns-2.35/ NAM=/home/hoan/ns-allinone-2.35/nam-1.14/ PATH=$PATH:$XGRAPH:$NS:$NAM Chạy lệnh source.bashrc để cập nhật 4.2 Xây dựng kịch thử nghiệm 4.2.1 Thuật toán AODV Thuật toán xây dựng với nội dung sau: 79 Thông số Thời gian mô Giá trị Server 1: 21 nút Server 2: nút 150s Traffic Type ftp Số nút mạng Như ta biết, giao thức AODV tức định tuyến vecto cự ly theo yêu cầu tùy biến dựa thuật toán vector khoảng cách xếp tới đích DSDV (Destination Sequenced Dista-nce Vector) AODV tối thiểu hoá số tin quảng bá cần thiết cách tạo tuyến sở theo yêu cầu, ngược với việc trì danh sách hoàn chỉnh tuyến thuật toán DSDV Khi node nguồn muốn gởi tin đến node đích có tuyến đến đích đó, phải khởi đầu trình khám phá đường truyền để xác định node khác Nó phát quảng bá gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến node lân cận Node sau chuyển tiếp gói yêu cầu đến node lân cận khác Quá trình tiếp tục có node trung gian xác định tuyến “đủ tươi” (“fresh enough”) để đạt đến đích AODV sử dụng số thứ tự đích để đảm bảo tất tuyến không lặp chứa hầu hết thông tin tuyến Mỗi node trì số với ID quảng bá Trong AODV, tuyến đươc trì điều kiện sau: Nếu node nguồn chuyển động, phải khởi động lại giao thức khám phá tuyến để tìm tuyến đến đích Nếu node tuyến chuyển động, node lân cận luồng lên ý đến chuyển động truyền tin Khai báo cố đường thông (một RREP không xác định) đến node lân cận tích cực luồng lên để thông báo cho node xoá phần tuyến Các node thực chất truyền Thông báo cố đường thông đến node lân cận 80 luồng lên Quá trình tiếp tục đạt đến node nguồn Node nguồn sau chọn khởi động lại trình khám phá tuyến cho đích tuyến cần thiết [4] 4.2.2 Thử nghiệm Các node mạng mô định nghĩa sẵn tọa độ file AODV.scn diện tích mô với trục tọa độ node (x,y,z) z = -> Mặt phẳng Bởi giao thức định tuyến AODV hỗ trợ sẵn NS2 nên ta cần khai báo tên giao thức mô theo kịch Mô gồm tệp aodv.tcl chứa mã lệnh Để chạy mô sau có tệp chứa mã lệnh terminal gõ lệnh: ns aodv.tlc 4.3 Kết Hình 4.1 Toàn 22 nút khởi tạo mô hình Với node mạng khởi động node PAN Coor, chương trình mô toàn trình truyền tin mạng zigbee 81 Hình 4.2 Quá trình truyền tin mạng Zigbee Hình 4.3 Quá trình truyền tin mạng Zigbee Tại thời điểm này, tất node mạng hòa vào hệ thống 82 Các node mạng mạng Zigbee liên kết với theo cấu trúc mạng hình sao,hình lưới hình cây, đa dạng cho phép công nghẹ Zigbee ứng dụng ngày rộng rãi 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian làm đồ án tốt nghiệp hướng dẫn tận tình thầy giáo T.S Hà Mạnh Đào, đến em hoàn thành đồ án Đồ án tìm hiểu chung mạng máy tính, mạng cảm biến không dây, tìm hiểu chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee, tìm hiểu thuật toán định tuyến AODV Mạng cảm biến không dây gồm số lượng lớn thiết bị có khả cảm nhận truyền thông không dây Thông thường nút mạng hạn chế tài nguyên phần cứng khả xử lí thấp, giải thông bé, tín hiệu yếu hoạt động tần số chia sẻ Việc xác định chuẩn 802.15.4 có ý nghĩa quan trọng việc xác định không gian ứng dụng, thiêt kế mạng cảm nhận không dây Thông qua ứng dụng cụ thể y tế cho mạng cảm biến không dây Qua trình nghiên cứu mạng cảm biến ZigBee thuật toán định tuyến Luận văn đạt kết sau : • Trình bày cách tổng quan chuẩn IEEE 802.15.4 mạng cảm biến không dây ZigBee • Nghiên cứu hoạt động thuật toán định tuyến,thuật toán tối ưu lượng (AODV, LEACH, HERA ) Zigbee, từ cho thấy lợi mạng Zigbee ứng dụng thực tế • Mô thuật toán định tuyến AODV NS2 84 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN Trong khuôn khổ thời gian có hạn, đề tài tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu lý thuyết, phần mô thiết kế thiết bị chủ yếu phương pháp mô số máy tính, có thời gian nghiên cứu sâu phát triển đề tài tác giả cung cấp đầy đủ mô chi tiết mạng Em mong muốn tìm hiểu sâu mạng cảm biến không dây nói chung mạng Zigbee nói riêng, ứng dụng mạng Zigbee vào thực tế sống Việt Nam (phát triển nhà thông minh, công cụ tiện ích phục vụ y tế, hay hệ thống cảnh báo tự động ) 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Drew Gislason (2008), ZigBee Wireless Networking [2] Dr Wolfgang Kastner, ZigBee Network Layer Simulation on top of IEEE 802.15.4 [3] Tommaso Melodia, Routing in ZigBee: Benefits from exploiting the IEEE 802.15.4 association tree [4] ZigBee Alliance Địa : http://www.ZigBee.org [5] “IEEE 802.15.4 Standard Specification” Địa : http://www.standards.ieee.org [6] ZigBee routing Địa : http://daintree.net/resources/routing.php [7] ZigBee Địa : http://en.wikipedia.org/wiki/ZigBee [8] ZigBee Security Địa : http://www.daintree.net/resources/security.php [9]ZigBeeWirelessNetworkngSystems Địachỉ:http://www.silabs.com/products/wireless/ZigBee/Pages/default.aspx [11] Bluetooth Địa : http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth [12] OSI Địa : http://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%B4_h %C3%ACnh_OSI 86 [...]... thức trong mạng cảm biến được trình bày ở Hình 1.1 Hình 1.1 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến vô tuyến Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến 13 Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng... giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu Đặc tính là triển khai nhanh, tự tổ chức kỹ thuật cảm biến cho hệ thống 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 các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến làứng dụng tốt đối với chiến trường Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát... trường và kiểm soát lỗi Lớp mạng: - Định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi tầng giao vận Cung cấp liên kết mạng với các mạng bên ngoài như các mạng cảm biến khác, lệnh và kiểm soát hệ thống Lớp vận chuyển: Giúp duy trì lưu lượng của dữ liệu nếu ứng dụng là mạng cảm biến Lớp ứng dụng: - Quản lý các ứng dụng Quản lý mạng Xử lý truy vấn Là nơi chứa các mã ứng dụng Hình 1.5 Giao thức ngăn xếp mạng cảm biến. .. chỉ mạng trong cấu trúc tầng 1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát động Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều ứng dụng mới 1.3.1 Ứng dụng trong quân đội Mạng cảm biến không dây là một phần tích hợp trong hệ... được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến 12 multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một... một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn 15 Hình 1.3 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến vô tuyến 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 tất cả các nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cũng thực hiện phân phối dữ liệu Mạng cảm biến xây dựng... gia vào các nút chuyển tiếp các gói tin nhận được từ các nút khác đến địa điểm tiếp theo trong đường dẫn đa bước nhảy đến sink Hình 1.4 Các nút cảm biến phân tán trong vùng cảm biến Giao thức ngăn xếp được sử dụng bởi bộthu phát và tất cả các nút cảm biến trong Hình 1.5, giao thức ngăn xếp này là sự kết hợp giữa:     Năng lượng và sự nhận thức v định tuyến Tích hợp dữ liệu với các giao thức mạng. .. bệnh nhân sẽ được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sỹ cũng có thể mang nút cảm biến ể cho các bác sỹ khác xác định vị trí của họ trong bệnh viện 1.3.4 Ứng dụng trong gia đình Trong việc ứng dụng trong gia đình, thì các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ Không... tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến 11 năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn Cả 2 loại hồng ngoại và quang này đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi... nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng và sau đó truyền dữ liệu đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating) và xử lý dữ liệu (data processing) 1.2.1 Kiến trúc giao thức mạng Kiến