BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY \BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂYBÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY BÁO CÁO TỐT NGHIỆP CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo hướng dẫn Ngô Văn Tuấn đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo em trong những năm học qua và đã dành rất nhiều thời gian quí báu để giúp em hoàn thành bài báo cáo tốt nghiệp này.Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu, các Thầy cô giáo của Trường Cao Đẳng Công Nghệ Bắc Hà đã giảng dạy chúng em trong suốt quãng thời gian qua, cung cấp cho chúng em những kiến thức chuyên môn cần thiết và quý báu giúp chúng em hiểu rõ hơn các lĩnh vực đã nghiên cứu để hoàn thành đề tài được giao Xin cảm ơn các bạn bè và gia đình đã động viên cổ vũ, đóng góp ý kiến, trao đổi, động viên trong suốt quá trình học cũng như làm tốt nghiệp, giúp em hoàn thành đề tài đúng thời hạn.Và qua đây em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới ban lãnh đạo, các anh chị nhân viên trong công ty đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ nhiệt tình, cho em hoàn thành báo cáo thực tập với chuyên đề :”ứng dụng mạng cảm nhận không dây” đúng thời hạn Bắc Ninh, ngày 1 tháng 5 năm 2013 Sinh viên thực hiện Nguyễn Anh Phương SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 1 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng MỤC LỤC SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 2 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Trên thế giới, mạng không dây phát triển mạnh và được chuẩn hoá thành các loại khác nhau Về bản chất chúng đều là mạng truyền thông không dây, nhưng cấu hình, quy mô, mục đích sử dụng khác nhau nên chúng có những điểm giống nhau và những điểm khác nhau Trong số các mạng không dây, mạng cảm nhận không dây ra đời trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử và sự chín muồi trong việc hiểu biết và làm chủ kiến thức phần mềm hệ điều hành mạng Mỗi nút mạng trong mạng cảm nhận không dây được xem như những hạt bụi (motes) vì kích thước của chúng rất bé, tiêu thụ năng lượng rất ít nhưng chính chúng có thể đảm đương chức năng nút mạng, và hơn thế, chúng còn có chức năng đo các thông số môi trường (chức năng cảm nhận) nơi chúng có mặt Với các nhận thức trên và mong muốn được tìm hiểu, thử nghiệm ứng dụng công nghệ mạng không dây em đã chọn đề tài “Xây dựng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây” Đề tài gồm 4 chương như sau: Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây Chương 2: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây trên thế giới Chương 3: Những ứng dụng của mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng ở nước ta Chương 4: Thực nghiệm của mạng cảm nhận không dây SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 3 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT 1.1.Giới thiệu vài nét về đơn vị thực tập Công Ty TNHH Dịch Vụ Tin Học Thùy Linh Tên chính thức : Công Ty TNHH Dịch Vụ Tin Học Thùy Linh Tên giao dịch : THUYLINH ISC.CO.,LTD Mã số ĐTNT : 2500438821 Ngày cấp : 22-06-2011 Địa chỉ trụ sở : Tổ Bảo An, Thị xã Phúc Yên, Vĩnh Phúc Điện thoại : Tên giám đốc : Lê Việt Quang Ngành nghề KD : máy vi tính, thiết bị ngoại vi, phần mềm và thiết bị viễn thông trong các cửa hàng chuyên doanh Chiến lược phát triển và định hướng của công ty Giữ vững và ngày càng tăng tốc độ phát triển mọi thành quả mà Công ty đã đạt được như các chỉ tiêu: Doanh số, thị phần, nhân lực, số lượng cửa hàng bán lẻ Công Ty TNHH Dịch Vụ Tin Học Thùy Linh sau khi thành lập và phát triển đã có nhiều năm kinh nghiệm hoạt động trong lĩnh vực dịch vụ sau bán hàng cho các sản phẩm công nghệ thông tin và viễn thông hiện nay công ty đang tiếp tục đẩy mạnh các loại hình dịch vụ hỗ trợ chuyên nghiệp và nâng cấp và mở rộng hệ thống bán lẻ tại công ty.Thùy Linh luôn chiếm được sự tin tưởng của các khách hàng bởi quan điểm làm việc, chính sách bán hàng, bảo hành mà nhiều công ty khác không làm được Công ty Thùy Linh có một đội ngũ nhân viên tốt được đào tạo chính quy sẵn sàng đáp ứng những yêu cầu dù là khắt khe nhất của Quý khách hàng Đến đây sẽ mang lại những trải nghiệm thú vị của quý khách hàng khi đến thăm và mua hàng tại công ty SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 4 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu 1.2 Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây 1.2.1 Định nghĩa về mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một mạng không dây mà các nút của nó sử dụng các vi điều khiển, cảm biến, Bộ truyền tín hiệu sóng Radio,… với kích thước rất nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, tự tổ chức, giá thành thấp dùng để đo các dữ liệu và truyền thông không dây giữa các nút trong mạng Hình 1.1: một mô hình của mạng cảm nhận không dây 1.2 Yêu cầu của WSN 1.2.1 Khả năng tự cấu hình - Ưu điểm mấu chốt của WSN đó là tính dễ triển khai, để triển khai thành công , thì khi đưa ra sử dụng các nút mạng phải có chức năng tự cấu hình Các nút khi được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay Một vài nút vì một số lí do không hoạt động , để mạng tiếp tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, Nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện cấu hình lại mạng - Việc mạng phải thực hiện cấu hình có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau như : càn phải thích ứng với sự thay đổi của môi trường, do khoảng cách giữa các nút mạng bị thay đổi… Chính vì vậy việc cấu hình lại là việc cần thiết để duy trì hoạt động của mạng SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 5 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu - Để khắc phục điều này thì giải pháp tốt nhất đó là dùng kiến trúc bó và khẳ năng tự cấu hình của bó Kiến trúc bó là kiến trúc mà các nút mạng theo một tiêu chuẩn nào đó mà thành lập bó ( Vd các nút ở cạnh nhau có thể được tạo thành một bó, trong mỗi bó thì có một nút đầu bó để nhận dữ liệu gửi về từ các nút trong bó sau đó các nút đầu bó có thể gửi dữ liệu cho nhau để chuyền về máy tính…) 1.2.2 Vấn đề tiết kiệm năng lượng Nguồn năng lượng của các nút mạng cảm nhận không dây thường là pin Chính vì vậy mà nguồn năng lượng này là có hạn dẫn đến việc tiết kiệm năng lượng là yêu cầu cần thiết Theo các nhà nghiên cứu thì mức điện tiêu thụ trung bình của một nút mạng trong mạng cảm nhận không dây là trên dưới 50 MW - Để đảm bảo các nút mạng có thể hoạt động được trong thời gian dài (hàng năm) thì việc cần thiết là phải sử dụng các phần cứng tiêu thụ hết it điện năng Ngoài nguồn điện năng là pin thì ta có thể dùng các nguồn năng lượng khác để có thể tiết kiệm năng lượng như: Nguồn năng lượng có thể tự tạo ra từ môi trường hoạt động của mạng ( VD: Dùng năng lượng mặt trời, năng lượng được tạo ra từ nhiệt … - Việc sử dụng các phần mềm nhúng với các thuật toán nhằm tiết kiệm năng lượng cũng có thể là một giải pháp hữu hiệu đối với việc tiết kiệm năng lượng 1.2.3 Giá thành thấp Do quy mô của mạng cảm nhận không dây la rất rộng do vậy chi phí cho mỗi nút mạng cũng ảnh hưởng tới việc chiển khai mạng Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đến việc có thể chấp nhận các công nghệ WSN Với mộ ngân sách cố định thì việc làm giảm giá thành trên mỗi nút sẽ làm cho khả mua thêm nhiều nút, triển khai một mạng thu thập với mật độ cao hơn, và thu thập được nhiều dữ liệu hơn 1.2.4 An toàn bảo mật dữ liệu Mạng cảm nhận không dây thường được dùng ở ngoài môi trường, phạm vi rộng, giao tiếp với nhau dưới dạng sóng ( sóng Radio, sóng vô tuyến ) chính vì vậy mà việc khi dữ liệu gửi đi bị nhiễu là hoàn toán không thể tránh khỏi, hay việc bất kỳ một người nào cũng có thể truy nhập vào để lấy thông tin của mạng, yêu cầu đặt ra là phải đảm bảo an toàn và bảo mật SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 6 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu - Việc mã hóa thông tin để đảm bảo tính an toàn trong mạng, cần bảo đảm cho bất kỳ người nhận được thông báo từ người gửi không bị sửa đổi thông tin bên trong bằng bất kỳ cách nào - Các nút mạng trước khi truyền dữ liệu đi cần phải được mã hóa bằng các thuật toán mã hóa như: mã hóa DES… 1.3 Các ứng dụng của WSN Ngày nay với sự phát triển của công nghệ cao, các mạng cảm nhận không dây không ngừng được phát triển và được ứng dụng rất nhiều vào cuộc sống Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây mà chúng ta có thể thấy rõ nhất như là: - Điều khiển và giám sát công nghiệp - Nhà điều khiển tự động và điều khiển điện tiêu dùng tự động - Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội - Theo dõi tài sản và quản lý dây chuyền cung cấp - Nông nghiệp và cảm nhận môi trường thông minh - Theo dõi sức khỏe + Thu thập thông tin trong An ninh và Quân đội Việc sử dụng mạng cảm nhận không dây đầu tiên là được ứng dụng trong quân đội Các nút mạng cảm nhận có thể thay thế các lính gác khi đó có thể đảm bảo an toàn cho họ Mạng có thể sử dụng để kiểm soát việc đột nhập bất ngờ bằng cách các nút mạng có thể được gắn các cảm biến đo chấn động, đo thân nhiệt khi đó có thể kiểm soát được việc đột nhập bất hợp pháp trong khi đó các nút mạng trong mạng cảm nhận không dây là rất nhỏ do đó rễ dàng ngụy trang cho các nút mạng này ( có thể dấu vào bụi cây, hòn đá…) Ngoài ra còn có thể dung để thay thế con người trong các công việc nguy hiểm ( như trong hầm mỏ, nơi nhiễm phóng xạ ) + Nông nghiệp và cảm nhận môi trường thông minh Trong các trang trại thì diệm tích thường rất lớn do vậy việc kiểm soát cây trồng cũng như điềm kiện tự nhiên của tường khu vực là khó khăng, nhất là SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 7 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu lượng mưa trong từng khu vực vì mỗi khu vực thường có lượng mưa khác nhau khi đó mạng cảm nhận không dây có thể thu thập về lượng mưa của từng khu vực Mạng cảm nhận không dây có thể thu thập dữ liệu của môi trường sống của cây trồng, vật nuôi (độ ẩm, nhiệt độ ) để cho con người tìm cách trăm sóc cây trồng, vật nuôi để đạt được năng suất cao 1.4 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm nhận không dây trên thế giới và trong nước 1.4.1 Trên thế giới Trên thế giới thì việc phát triền của mạng cảm nhận không dây đã ra đời được một thời gian khá lâu do vậy họ đã ứng dụng vào một số lĩnh vực trong đời sống Không những thế mà còn nghiên cứu để phát triển thêm mạng này kết hợp với việc công nghệ điện tử ngày càng phát triển với giá thành ngày càng thấp Việc phát triển mạng cảm nhận không dây điược nghi lại với những mốc quan trọng nhu sau: • Tương ứng với sự phát triên và mở rộng của hệ thống truyền thông không dây sự phát triển cuả mạng cảm nhận không dây bắt đầu từ 1978 khi DARPA tài trợ cho Sensor Nets Workshop trường đại học Mellon Pittsburgh, Pennsylvania theo yêu cầu cảu hệ thống giám sát quân đội • Tiếp đó 1990 dự án SensIT 1998 tiêu điểm về mạng không dây cho hệ thống cảm biến quân đội phân tán tổng số 29 dự án nghiên cứu 25 cơ quan được cấp vốn dưới dự án này • 1993 Trường DDH California Los Angeles hợp tác với trung tâm Rock well đã có một mạng tích hợp cảm biến không dây Wireless Intergate Network Sensor (WINS) và được thương mại hóa thành công ty Sensonia – California 1998 • Jan M Rabaey DDH California bắt đầu chương trình PicoRadio Dựa trên những nghiên cứu đó kể từ đây hàng loạt các nghiên cứu , dự án về phát triển mạng cảm nhận không dây ra đời ; • MAMPS là chương trình do Principal Investigator Anantha Chandrakasan – viện công nghệ Massachusetts tập trung vào sự phát triển của một hệ thống đầy đủ mạng cảm biến không dây nhấn mạnh việc tiêt kiệm năng lượng : và giao thức SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 8 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu truyền thông cho magnj cảm biến này đó là phân cấp xếp nhóm Adaptive năng lượng thấp LEACH • Dự án Terminodes và mạng di động đặc biệt MANET của IETF – Intenet Engineering Task Force với mức tiêu thụ điện thấp, vấn đề địa chỉ và lộ trình trong mạng cảm nhận không dây với các nút mạng lưu động • Mạng không gian sâu và âm thanh dưới nước ,với những đặc tính phạm vi rộng, truyền dữ liệu bằng mạng Radio Mạng cảm nhận không dây là chìa khóa để thu thập thông tin cần thiết qua những môi trường nhạy cảm, cho dù trong những tòa nhà, những nơi công cộng, khu công nghiệp, tàu thuyền, các hệ thống chuyên chở tự động hay bất cứ nơi nào khác Mạng không dây làm tăng khả năng trao đổi dữ liệu Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ liên quan, các nhà kinh doanh đã đưa ra các bộ cảm ứng sẵn có nhiều loại mà phù hợp cho các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây với các chuẩn được đưa ra: + 802.11 Wireless Local Area Netwrok + Bluetooth 1 (802.15.1) + Home RF (Radio Frequency) + 802.15.4 WPAN :chuẩn với những cải tiến vượt bậc : sự phức tạp thấp, giá và năng lượng tiêu thụ thấp, ổn định, uyển chuyển được phê chuẩn tháng 5 năm 2003 Như vậy với nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ liên quan mà mà mạng cảm nhận không dây được phát triển mạnh mẽ và đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống 1.4.2 Ở trong nước Ở nước ta bài toán tự động hoá đang được đặt ra cho mọi lĩnh vực kinh tế, quốc phòng nhằm nâng cao hiệu quả công việc,tiến kịp trình độ chung của khu vực và thế giới Trong lĩnh vực đo lường điều khiển tự động từ xa, việc ứng dụng công nghệ mạng cảm nhận không dây để thu nhận dữ liệu, và điều khiển, tìm được rất nhiều SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 9 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 1:Giới thiệu ứng dụng Ví như đo các thông số môi trường dự báo thời tiết, cho nuôi trồng thuỷ sản, dự báo cháy rừng, dự báo lũ trên các sông, … Mới bắt đầu nghiên cứu và chưa có ứng dụng cụ thể nào Do Những điều kiện về vật chất, thiết bị, cũng như đây là một vấn đề rất mới đối với nước ta, nên hiện dang fchỉ có một vài trung tâm khoa hoc công nghệ lớn dang quá trình nghiên cứu: Trung tâm thông tin KH& CN quốc gia, Hội đồng khoa học trường đại học công nghệ đại hoc Quốc Gia Hà Nội: Nghiên cứu về lý thuyết, truyền thông giữa 2 nút, truyền thông tuyến tính đa bước để đo một số thông số cơ bản: nhiệt độ, độ ẩm, quang Nhận rõ sức mạng ứng dụng thực tế của WSN , hi vọng trong tương lai gần WSN sẽ không ngừng được mở rộng nghiên cứu,và ứng dụng rộng rãi trong nước 1.5 Kiến trúc 1.5.1 Kiến trúc mạng Do việc ứng dụng trong thực tế mà kiến trúc của mạng thường hay dùng là dạng hình cây, dạng tuyến tính và Kiến trúc mạng dạng bó 1.5.1.1 Kiến trúc mạng dạng tuyến tính Mạng cảm nhận không dây sử dụng kiến trúc dạng tuyến tính thì trong mạng gồm có các thành phần sau: Nút gốc, nút trung gian và nút cảm biến : Nút gốc : Nút trung gían : Nút cảm ứng Hình 1.2: Kiến trúc mạng dạng tuyến tính SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 10 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 4:Thực nghiệm Giữ cho nhân viên luôn di động, kết nối và làm việc hiệu quả với mạng không dây an toàn 3.1.1 Trong nông nghiệp Do nước ta là nước đang phát triển với nền nông nghiệp lớn Số lượng các trang trại của nước ta nhiều do đó việc theo dõi là rất tốn nhân công Trong khi đó việc đầu tư để phát triển một mạng cảm nhận không dây không phải là cao Mạng có thể được dùng để đo dộ ảm ở từng khu vực trong trang trại, hay lượng mưa ở những khu vực khác nhau Hình 3.1 : Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây sử dụng trong nông nghiệp Các nút mạng được bố trí tại các cánh đồng khác nhau để thu thập các thông tin về môi trường sau đó chuyển dữ liệu về co người sử dụng Người sử dụng khi có các thông tin về môi trường ở từng khu vực khác nhau sẽ đưa ra các phương hướng chăm sóc khác nhau đối với từng khu vực để chăm sóc cho tốt 3.2 Trong việc dự báo cháy rừng Tài nguyên thiên nhiên rừng ở Việt Nam rất phong phú Trữ lượng gỗ lớn Có các cánh rừng nguyễn sinh như: Cát Bà, Cúc Phương, … Mang lại rất nhiều nguồn lợi cho nước ta Chính vì vậy việc giữ gìn và bảo tồn chúng là rất khó khăn Trong đó việc cháy rừng do hạn hán, kho hanh thường xuyên sẩy ra do diện tích một khu rừng là rất lớn việc do độ ẩm của khu rừng trong từng khu vực là khó khăn SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 25 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 4:Thực nghiệm Hình 3.2: Ứng dụng của mạng cảm nhận không day trong cảnh bảo cháy rừng Mạng cảm nhận không dây sẽ giúp cho chúng ta được điều này bằng cách mỗi nút mạng sẽ gắn một cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm của không khí… gửi về cho con người sẽ giúp cho chúng ta biết cách quản sử lý tình trạng cháy rừng ro thiên tai gây ra 3.3 Trong việc cảnh báo lũ Các nút mạng cảm nhận không dây có thể được gắn ở hai bên bờ sông trên thượng nguồn khi đó nó có thể thông báo cho chúng ta biết lượng lước trên thượng nguồn nhất là khi mùa mưa đến để đưa ra những thông báo về lũ chính xác nhất 3.4 Trong nuôi trồng thuỷ sản Ở nước ta số hộ sông ở ven biến thì việc nuôi trồng thủy sản đem lại nguồn lợi kinh tế rất lớn Với một quy mô lớn với nhiều đầm nuôi thủy sản Trong khi đó nước chính là môi trường sống của các loài thủy sản việc môi trường sồng này bị ô nhiễm hay bị thiếu ô xy sẽ ảnh hưởng tới đời sống hay năng suất của nguồn thủy sản này Trong khi đó việc theo dõi nguồn nuớc (các thông số của nguồn nước như nồng độ oxy độ PH trong nước) đề phải tiến hành trong phong thín nghiệm và việc đo đạc lại hết sức khó khăn do mỗi hồ nuôi tròng thủy sản thì nguông nước lại khac nhau Chính vì vậy mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng được rất tốt ở đây Mạng cảm nhận không dây có thể được dùng để đo nồng độ ôxy độ PH trong các hồ nuôi trồng hải sản khi đó có thể điều khiển tự động các quạt đạp nước cung SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 26 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 4:Thực nghiệm cấp ôxy cho đầm nầy và thông báo cho người chăn nuôi biết được tình hình về nguồn nước hiện tại trong các hồ nước này Quạt đạp nước Hồ nuôi Nút mạng có lắp Sensor đo ôxy hoặc CO2 được thả xuống đầm để đo lượng Ôxy gửi dữ liệu qua cac nút trung gian về máy tính, máy tính được kết nối và lập trình điều khiển bật tắt các quạt đạp nước trong một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào nồng độ Ôxy đo được tại đầm tại các thời điểm khác nhau Toàn bộ hệ thống được tiến hành tự động SV: Nguyễn Anh Phương_B5th1 27 Báo cáo tốt nghiệp cao đẳng Chương 4:Thực nghiệm CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM CỦA MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 4.1 Bài toán Xây dựng mạng cảm nhận để đo nhiệt độ ở các diểm khác nhau Đưa ra thông bao khi có nhiệt độ tại một nut lớn hơn mức cho phép 4.2 Mô hình của mạng cảm nhận Nút 1 Nút 2 … Nút n (