Mô phỏng và đánh giá hiệu năng mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát hiện sớm cháy rừng

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực đồ án tốt nghiệp “Mô đánh giá hiệu mạng cảm biến không dây WSN ứng dụng cho hệ thống phát sớm cháy rừng” em hoàn thành Đồ án phát triển phần nhờ nỗ lực tìm hiểu thân, phần nhờ hướng dẫn tận tình, chu đáo thầy giáo Ths.Đinh Xuân Lâm Thầy bảo cho em bước để thực đồ án thầy giúp em vạch hướng phát triển đắn để em thực đồ án cách tốt đẹp Bên cạnh em có quan tâm, giúp đỡ thầy cô giáo môn, nguồn động viên to lớn để em thực tốt đồ án Em xin cám ơn gia đình, bạn bè người giúp đỡ em nhiều lúc em gặp khó khăn thử thách Qua đây, lần em muốn nói lên lòng biết ơn to lớn đến tất người, người giúp đỡ em thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2012 Sinh viên thực Lê Thị Hòa LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Những nội dung đồ án em thực hướng dẫn trực tiếp thầy giáo hướng dẫn: ThS Đinh Xuân Lâm Mọi tham khảo dùng đồ án trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Sinh viên thực Lê Thị Hòa MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các ứng dụng cảm biến mối nguy hại Bảng 2.2: Các thông số kĩ thuật Sensor node 54 Bảng 2.3: Định nghĩa trường gói tin Bảng 2.4,5: Các mức độ nguy hiểm cháy rừng THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ad hoc On - Demand Distance - Vector Routing CSMA Carrier Sense Multiple Access Distributed Aggregate DAM Management Destination-Sequenced DSDV Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing Global Navigation Satellite GLONASS System GPS Global Positioning System Heating, Ventilation, and Air HVAC Conditioning MAC Medium Access Control NS-2 Network Simulator – PDA Personal Digital Assistant RF Radio Frequency AODV RFM RKE SMP SQDDP SWAN TADAP TDMA TORA Chuỗi hướng theo yêu cầu Ad hoc Đa truy nhập cảm biến sóng mang Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán Chuỗi hướng với đích Giao thức định tuyến nguồn động Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu Hệ thống định vị toàn cầu Hơi ấm, thông gió điều kiện không khí Điều khiển truy nhập môi trường Bộ mô mạng phiên Trợ tá số cá nhân Tần số vô tuyến Thành phần nguyên khối tần số vô RF Monolithic tuyến Remote Keyless Entry Đăng nhập mục không khoá từ xa Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến phổ Dissemination Protocol biến số liệu Simulator for Wireless Ad- Mô hình mô mạng Ad hoc hoc Networks không dây Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ quảng cáo Advertisement Protocol số liệu Time Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo thời gian Access Temporally Ordered Routing Thuật toán tìm đường theo thời Algorithm gian UART VHDL WINS WLAN Universal Asynchronous Receiver Transmitter VHSIC Hardware Description Language Wireless Integrated Network Sensors Wireless Local Area Network Bộ thu phát không đồng chung Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ cao Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến Mạng nội hạt vô tuyến LỜI NÓI ĐẦU Cùng với gia tăng nhanh chóng số lượng công nghệ thiết bị di động kéo theo nhu cầu người sử dụng công nghệ không dây ngày cao đa dạng Chúng làm thay đổi ngày sống người, theo hướng đại Đi đôi với trình phát triển người, thay đổi tác động người tự nhiên, môi trường sống diễn ra, tác động trở lại chúng ta, ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, Tài nguyên rừng với quốc gia đóng vai trò quan trọng, từ việc cung cấp tài nguyên thiên nhiên tới nhiệm vụ điều hòa hệ sinh thái hay khí hậu Cháy rừng vấn nạn lớn giới đương đại năm gần Tất nước, từ giàu đến nghèo điêu đứng nạn cháy rừng Tình hình lúc tệ hại Rừng Việt Nam không ngoại lệ, từ Lào Cai đến Mũi Cà Mau, nguy cháy rừng mức báo động đỏ vào tháng hanh nóng Tuy có biện pháp phòng cháy chữa cháy mức thô sơ, yêu cầu đặt phải xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sớm kịp thời để giảm thiểu tối đa thiệt hại Đã có nhiều nghiên cứu nhà khoa học xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng từ chụp ảnh vệ tinh, dự báo dựa vào dấu hiệu, biến đổi động thực vật Tuy nhiên hệ thống chưa đem lại hiệu cao, nhu cầu đưa giải pháp tốt vô cấp thiết Với ưu riêng mạng cảm biến không dây WSNs ngày trở thành vấn đề quan trọng ứng dụng giám sát môi trường, hệ thống nhà máy nhà tự động, dịch vụ hậu cần nhiều Hệ thống WSNs với đặc điểm kích thước nhỏ, công suất thấp, chi phí cho thiết bị thấp tích hợp với việc tính toán hạn chế, cảm biến khả truyền tin qua giao diện vô tuyến WSNs giả định có khả giải nhiều tình khẩn cấp với khả cảnh báo sớm Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa áp dụng rộng rãi nước ta, điều kiện kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng Song hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm Để áp dụng công nghệ vào thực tế tương lai, có không nhà khoa học tập trung nghiên cứu, nắm bắt thay đổi công nghệ Vì lý định hướng dẫn Th.s Đinh Xuân Lâm, em chọn đồ án tốt nghiệp: “ Mô đánh giá hiệu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho hệ thống phát sớm cháy rừng” Với mục đích tìm hiểu mạng cảm biến không dây, dựa công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần sở hạ tầng lĩnh vực cảm biến thu nhận liệu Trong đề tài thực mô mô hình cảm báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô mạng kịch đánh giá hiệu qua tham số mạng Nội dung đề tài thể qua chương: Chương 1: Tìm hiểu vấn đề tổng quan mạng cảm biến không dây Giới thiệu đưa định nghĩa khái quát mạng WSN, kiến trúc ứng dụng, ngữ cảnh sử dụng Chương 2: Các phương pháp nghiên cứu đánh giá hiệu mạng WSN, phương pháp luận nghiên cứu hướng xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng Chương 3: Giới thiệu phần mềm mô NS2, phương pháp mô mạng cảm biến NS2, thực mô hệ thống cảnh báo cháy rừng NS2 kịch mô đánh giá hiệu mạng dựa số tham số mạng Trong trình làm đề tài, em cố gắng thiếu sót, em mong nhận bảo, góp ý thông cảm thầy cô giáo, để em có hội tiếp tục nghiên cứu sâu phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Mục đích lý chọn đề tài Cùng với phát triển người, phát triển khoa học công nghệ lĩnh vực đời sống xã hội ngày mạnh mẽ Nhu cầu người xã hội vấn đề mô trường, giáo dục, y tế, sản xuất ngày tăng Từ cần tới việc áp dụng công nghệ ngành điện tử, công nghệ thông tin viễn thông vào thực tiễn sống người Đặc biệt vấn đề bảo vệ môi trường việc bảo vệ tài nguyên rừng thông qua việc phòng cháy chữa cháy vô cấp thiết Mục đích đề tài đưa nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến không dây Tìm hiểu tình hình ứng dụng mạng cảm biến không dây áp dụng vào thực tiễn giới nước ta Đưa ưu điểm, nhược điểm mạng cảm biến không dây Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp, sở lý luận triển khai hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây Qua xây dựng chương trình mô hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng WSN NS2, đánh giá hiệu mạng WSN dựa tham số mạng Lý chọn công cụ mô NS2 tính cụ thể, chi tiết xuất tracefile để phân tích Lựa chọn phần mềm mô NS-2 cho mô mạng cảm biến việc định nghĩa "Phenomenon" (hiện tượng) Ví dụ tượng hoá học, tín hiệu âm thanh, đối tượng di chuyển kích hoạt cảm biến gần qua kênh không khí hay rung động mặt đất Khi cảm biến phát tín hiệu từ tượng kênh này, cảm biến phản ứng tuỳ theo ứng dụng định nghĩa người sử dụng NS-2 Các ứng dụng quy định việc cảm biến làm phát tượng, mục tiêu Ví dụ, cảm biến định kỳ gửi thông báo đến số điểm thu thập số liệu tiếp tục phát thấy tượng, làm số việc phức tạp cộng tác với cảm biến lân cận để có thông tin cụ thể chi tiết tượng trước cảnh báo người giám sát tượng giả định Mỗi mạng cảm biến có ứng dụng giám sát động đất, môi trường,… 1.1.2 Ý nghĩa đề tài Việc nghiên cứu xây dựng hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng không dây mang lại ý nghĩa quan trọng cho hoạt động giám sát bảo vệ môi trường sống, giảm thiểu nguy hại cháy rừng xảy người tài nguyên thiên thiên Với công nghệ mở bước tiến cho việc giảm thiểu cản phá thiên tai, góp đưa công nghệ tiến bước vào trình chinh phục thiên nhiên Chi tiết bước thực triển khai cho kĩ sư thiết kế hệ thống có nhìn vấn đề kĩ thuật gặp trình triển khai, giúp tận dụng tối đa ưu thế, thuận lợi tiện ích hạn chế điểm yếu hệ thống mạng Đưa công nghệ ngày gần với sống sinh hoạt người hứa hẹn đích đến tiêu biểu cho nhà nghiên cứu, cho mục đích phát triển đầy tiềm 1.1.3 Phương pháp nghiên cứu Vấn đề cần quan tâm tới phương pháp nghiên cứu khoa học đề tài giúp việc tiếp cận giải vấn đề đặt Bước 1: Thông qua phương pháp tìm hiểu, thu thập tài liệu, số liệu, khảo sát đánh giá hệ thống cũ Qua tài liệu thu thập để tìm hiểu lý thuyết mạng cảm biến, kỹ thuật sử dụng công nghệ cần thiết Khảo sát phân tích thực trạng hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng nước ta xác định ưu nhược điểm, hạn chế mạnh cần phát huy từ đưa ý tưởng xây dựng mô hình phù hợp Bước 2: Từ kiến thức bước vào trình phân tích thiết kế mô hình hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây Xác định yêu cầu toán đặt xác định: nhiệm vụ, chức năng, phạm vi, môi trường hệ thống Từ thiết kế mô hình với kích thước, thành phần, kiến trúc, cách thức xây dựng, tổ chức cho phù hợp Bước 3: Thông qua thực nghiệm, thí nghiệm, kịch mô hệ thống đưa kết 1.2 Khái quát chung mạng cảm biến không dây WSN Ngày nay, tiến vượt bậc lĩnh vực truyền thông vô tuyến (các mạng sử dụng sensor có ưu giá thành, tiêu thụ lượng thực đa chức năng) kết phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật Những sensor có kích cỡ nhỏ thực việc thu phát liệu giao tiếp với chủ yếu thông qua kênh vô tuyến Từ đó, để phát kiện tượng, thu thập, truyền liệu, truyền thông tin cảm nhận đến người dùng, người ta thiết kế mạng cảm biến Hình 1.1: Ví dụ mạng cảm biến Mạng cảm biến không dây có đặc điểm sau:  Có khả tự tổ chức  Truyền thông 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 cố nút  Các giới hạn mặt lượng, nhớ công suất phát, công suất tính toán Như vậy, mạng cảm biến không dây mạng bao gồm tập hợp thiết bị cảm biến sử dụng liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ cảm biến phân tán đối tượng mục tiêu Mạng liên kết trực tiếp với node quản lý giám sát viên hay gián tiếp thông qua điểm thu (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các node cảm biến không dây triển khai cho mục đích chuyên dụng giám sát an ninh; kiểm tra môi trường; tạo không gian thông minh; khảo sát, xác hóa nông nghiệp; y tế; Lợi chủ yếu chúng khả triển khai loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.3.1 Cấu trúc nút mạng WSN Để xây dựng mạng cảm biến, trước tiên phải xây dựng triển khai nút cấu thành mạng, nút cảm biến Các nút phải đáp biến số yêu cầu định tùy theo biến dụng: kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu lượng, với thiết bị cảm biến xác cảm nhận, thu thập thông số môi trường, có khả tính toán có nhớ đủ để lưu trữ, phải có khả thu phát sóng để truyền thông tới nút lân cận Mỗi nút cảm biến cấu thành thành phần bản, hình 1.2, cảm nhận (a sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngoài thêm thành phần khác tùy biến dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) 10 3.2.6 Thiết lập node non-sensor (điểm thu thập liệu, Gateway) Các node cảm biến hay Phenomenon node không định hình với kênh Phenom Channel chúng có giao diện đến mạng MANET (Mobile Ad hoc Network - mạng di động sử dụng giao thức định tuyến Ad hoc) thực với thuộc tính - Phenom Channel "off" Ví dụ: $ns node-config \ -adhocRouting $val(rp) \ -Channel $chan \ -PHENOMChannel "off" 3.2.7 Gắn kết tác nhân cảm biến Lệnh tạo tác nhân cảm biến cho node cảm biến gắn kết tác nhân với node tương ứng Ngoài ra, phải tất gói tin đến từ kênh Phenome nhận Sensor Agent Ví dụ: set Sensor ($i) [new \ Agent/SensorAgent] $ns attach-agent $node ($i) \ $Sensor ($i) [$node ($i) set ll (1)] \ up-target $Sensor ($i) 3.2.8 Gắn kết tác nhân UDP ứng dụng cảm biến cho node Việc node cảm biến phản ứng chúng phát tượng mục tiêu định nghĩa ứng dụng cảm biến Ví dụ chúng thông báo thông tin tượng tới điểm thu thập liệu qua UDP 3.2.9 Khởi động ứng dụng cảm biến Nút cảm biến nhận gói Phenom Sensor Agent gắn tới node Nhưng node có phản ứng ứng dụng cảm biến gắn kết khởi động $ns at 5.0 "$app ($i) start \ $Sensor ($i)" 81 3.3 Mô tả kịch mô hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng WSN 3.3.1 Kịch mô mạng WSN Mục đích phần mô tìm hiểu cách thức hoạt động đánh giá hiệu hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây thông qua việc khảo sát số tham số đánh giá chất lượng dịch vụ mạng Tức khảo sát số tham số đánh giá hiệu mạng theo giao thức định tuyến khác số lượng node cảm biến thay đổi vùng khảo sát cố định - Khảo sát tỷ lệ chuyển tiếp gói tin gói lớp giao vận - Tính toán độ trễ gói tin từ node nguồn cảm biến đến điểm thu Sink - Tính toán tốc độ gói trung bình đến điểm thu Sink - Tính toán thông lượng trung bình - Tính toán tỷ lệ NRL Các kịch mô thực với mạng cảm biến triển khai theo hình lưới vuông, đồ hình vuông 1000×1000 m: Số lượng node mạng: biến đổi từ 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 400 node Mẫu chuyển động tượng: Ngẫu nhiên Số lượng node nguồn tượng: Dải truyền dẫn dải tượng Tx = 218.9m Công suất phát node cảm biến node tượng là: Pt=0.22960590141841 W (Pt = (1.0e-10) * (Tx)**4) ; Giao thức định tuyến AODV, DSR Kiểu tượng TEST_PHENOM biểu diễn node tượng Phenomenon đơn di chuyển cách ngẫu nhiên trường cảm biến Số lượng điểm thu thập số liệu (Sink) 1, đặt biên trường cảm biến (góc phải mô hình mô phỏng) Các mạng cảm biến sử dụng giao thức định tuyến AODV, DSR kiểu hàng đợi Droptail (Kiểu FIFO: vào trước trước), kiểu phát vô tuyến mặt hai tia mặt đất (Two Ray Ground), antent có độ lợi đơn 82 10 Xác định thời điểm xảy tượng cháy rừng sensor node vùng cảm biến yếu tố môi trường, phát tín hiệu gửi base station nhận thông tin cảnh báo 11 Thời gian mô 20s 3.3.2 Phân tích kết đạt Sau chạy xong mô NS-2, việc phân tích file Trace Mô sử dụng loại Trace với định dạng trường sau: [sự kiện] [thời gian] [số thứ tự nút] [mức Trace] [số thứ tự gói] [kiểu gói] [kích thước gói] Trong đó, kiện trường kiện gồm r (nhận gói), s (gửi gói), D (mất gói), f (chuyển tiếp gói); trường thời gian thời điểm xảy kiện; trường mức Trace kiện thuộc phạm vi (mức độ) mô (tác nhân (như udp), lớp liên kết số liệu (MAC) hay mức vật lý, ) Với yêu cầu tính toán trường hợp này, ta cần quan tâm tới trường này, trường sau có định dạng tuỳ theo mức Trace kiểu gói Ví dụ với mức Trace MAC kiểu gói PHENOM (tín hiệu tượng) trường [thời gian chuyển] [địa MAC] [Kiểu tượng] Ví dụ đoạn file Trace mạng 40 node cảm biến sau: s 3.340224734 _21_ MAC - RTS 44 [7de 1b 15 0] r 3.340891834 _21_ MAC - CTS 38 [6a4 15 0] s 3.340901834 _21_ MAC - 24 udp 172 [13a 1b 15 800] - [9:1 41:0 26 27] r 3.342278384 _27_ MAC - 24 udp 120 [13a 1b 15 800] - [9:1 41:0 26 27] s 3.342288384 _27_ MAC - ACK 38 [0 15 0] r 3.342303384 _27_ RTR - 24 udp 120 [13a 1b 15 800] - [9:1 41:0 26 27] f 3.342303384 _27_ RTR - 24 udp 120 [13a 1b 15 800] - [9:1 41:0 25 33] Công việc phân tích file Trace thực qua hai bước: - Tách file Trace: Mục đích việc tách file Trace lấy loại gói trường cần thiết cho việc tính toán kết - Tính toán kết quả: thực tính toán kết phần tách bước a Tính tỷ lệ gói UDP lớp giao vận 83 - Công thức tính tỷ lệ gói udp: Tỷ lệ gói udp = – (Số gói udp nhận/số gói udp gửi) - Tách số liệu nhận gửi điểm thu Sink: Sử dụng lệnh sau để tách lấy kiện nhận gói udp điểm thu Sink (trong file Trace filename.tr) để tính số gói udp nhận $ cat filename.tr | grep "AGT" | grep "udp" | grep ^r | awk ' { printf ("%c\t %f\t%s\t%s\t%d\t%s\t%d\n",$1,$2,$3,$4,$6,$7,$8)} ' > nhanudp.txt Số nod e 20 40 60 80 100 200 300 400 Số gói udp gửi từ node cảm biến (AODV) 210 207 294 299 305 676 874 1050 Số gói udp gửi từ node cảm biến (DSR) 211 204 296 299 306 676 856 1055 Số gói nhận điểm thu Sink (AODV) 210 205 285 285 277 505 521 532 Số gói nhận điểm thu Sink (DSR) 211 204 294 294 300 126 216 39 Tỷ lệ gói udp (AODV) Tỷ lệ gói udp (DSR) 0.009662 0.0306 0.0468 0.0918 0.253 0.4039 0.4933 0 0.0068 0.0167 0.0196 0.8136 0.7477 0.9630 Bảng 3.: Tỷ lệ gói theo số lượng node cảm biến AODV DSR 84 Hình 3.8: Đồ thị tỷ lệ gói lớp giao vận – giao thức AODV Hình 3.9: Đồ thị tỷ lệ gói lớp giao vận – giao thức DSR 85 Hình 3.10: Đồ thị tỷ lệ gói lớp giao vận –AODV DSR Một gói tin gọi drop hai trường hợp: đệm đầy thời gian gói tin đệm vượt giới hạn Hình 3.10 thị biểu thị tỷ lệ gói tin lớp giao vận hai giao thức AODV DSR qua kịch với thay đổi số lượng nút cảm biến : 20, 40, 60, 80, 100, 200, 300, 400 Trong trường hợp số lượng nút nhỏ tỷ lệ gói DSR nhỏ AODV, ngược lại số lượng nút lớn tỷ lệ gói sử dụng giao thức DSR lớn AODV nhiều Do tuyến đường dự phòng chế sửa chữa liên kết hỏng Yếu tố tốc độ di chuyển ảnh hưởng nhiều tới tỷ lệ chuyển phát gói tin, tốc độ di chuyển nút mạng tăng lên tỷ lệ gói tin drop tăng đáng kể với DSR Trong trường hợp ta thấy AODV chiếm ưu nhiều, tỷ lệ chuyển phát gói tin ổn định DSR Tuy nhiên với hai giao thức số lượng nút cảm biến thay đổi tỷ lệ gói tăng dần lên b Tính độ trễ gói (s) - Công thức độ trễ gói udp: Độ trễ gói = Thời điểm nhận – Thời điểm gửi 86 − Tdelay = Trev – Tsend − Tdelay = T buffer + Trelay + Tprop + Tresend Hình 3.11: Đồ thị tỷ lệ độ trễ gói – giao thức AODV DSR Độ trễ gói tin bị ảnh hưởng việc khám phá tuyến, xếp hàng, quảng bá, thời gian tuyền, tỷ lệ gói tin upd Các đệm bị đầy nhanh nhiều thời gian gói tin liệu vùng đệm dài thời gian trước chúng gửi Điều thấy rõ ràng đồ thị tỷ lệ gói giao thức DSR Với độ trễ đầu cuối trung bình ta thấy hiệu suất DSR thấp DSR chế việc xác định tuyến đệm trước, gói liệu chuyển tiếp tới liên kết bị hỏng c Thông lượng 87 Hình 3.12: Thông lượng mạng Thông lượng số lượng gói tin qua kênh đơn vị thời gian cụ thể (đơn vị tính bits/s) Hiệu suất số liệu cho thấy tổng số gói tin chuyển thành công từ nút nguồn đến nút đích cải thiện việc tăng mật độ nút Các giao thức định tuyến theo yêu cầu AODV DSR phải sử dụng số lượng lớn gói tin trình khám phá tuyến Thông lượng hai giao thức giảm tăng số lượng nút mạng tăng tốc độ di chuyển Với DSR thông lượng tăng nhanh AODV Điều việc phải cập nhật đường định tuyến cách thường xuyên Hơn nữa, mà tăng tốc tộ di chuyển nút mạng, việc cập nhật kiện nhiều hơn, kết thông lượng giảm đáng để Vấn đề không xảy với AODV tuyến đường tạo có yêu cầu kết nối AODV giúp tránh vòng lặp làm tuyến đường AODV có tỷ lệ chuyển phát gói tin nhỏ DSR tỷ lệ gói cao Khi AODV sử dụng 88 liên kết bị down, số gói tin bị tuyến đường hết hạn tuyến đường khám phá Vì vậy, xây dựng hệ thống mạng với yêu cầu lớn băng thông DSR thích hợp AODV d Overhead Hình 3.13: Tỷ lệ Overhead Số gói tin overhead mạng cho AODV DSR tăng dần theo số lượng nút cảm biến mạng Ở giây đầu tiên, mạng gần 100% gói liệu chứa thông tin định tuyến tìm đường giao thức Khi thay đổi số nút mạng, với số lượng nút mạng tỷ lệ số gói tin định tuyến AODV lớn Vậy nút mạng tăng số gói tin định tuyến cho mạng AODV tăng theo Số lượng gói tin định tuyến tăng mạnh số lượng nút tăng Các chi phí định tuyến tăng nút di động Tuy nhiên chúng có xu hướng bão hoà sau điểm định (khi tốc độc nút lớn nhiều 15m/s) Có hai lý để giải thích việc sau: 89 - Khi số lượng nút tăng lên, nút bị flooding gói tin RREQs kết có nhiều nút cho phép gửi lại RREPs - Khi thay đổi tốc độ di chuyển, nút nguồn A phải tạo nhiều RREQs để tìm tuyến đường đủ đề chuyển tới nút đích B Khi tăng thời gian tạm dừng, ổn định tuyến đường tăng lên, dẫn đến việc giảm số lượng gói tin định tuyến làm giảm chi phí định tuyến e Normalized Routing Load Hình 3.14: Tỷ lệ Normalized Routing Load Với số lượng nút mạng nhỏ từ 20-100 nút, tỷ lệ NRL hai giao thức chênh lệch không đáng kể Tuy nhiên số lượng nút tăng lên, tỷ lệ NRL tăng lên Đối với DSR thay đổi lớn AODV 3.3.3 Đánh giá kết đạt sau mô a Đánh giá theo biến đổi số lượng nút Qua đồ thị xây dựng từ mô trên, ta thấy tham số tập tham số hiệu chất lượng dịch vụ mạng cảm biến không dây có độ biến 90 động tương đối lớn mật độ tăng (số lượng node tăng) Khi tăng dần số node mạng đến số lượng định độ trễ, tốc độ thu số liệu tỷ lệ gói có xu hướng tăng, tốc độ thu số liệu cực đại lại ổn định Như vậy, ta nhận thấy có khoảng tăng số node cảm biến mạng (hay tăng mật độ node cảm biến): 1- Khoảng thứ nhất: Khoảng từ 40 đến 100 node (tương đương với 40 – 100 node/km2), độ trễ tỷ lệ gói, tốc độ thu số liệu nhỏ, ổn định nên thông tin cảm biến tượng 2- Khoảng thứ hai: khoảng từ 100 đến 200 node (100 – 200 node/km 2), tốc độ số liệu trung bình, độ trễ tỷ lệ gói nhìn chung tăng nhanh, độ dốc đồ thị thể độ trễ tỷ lệ gói có giá trị lớn đặc biệt từ 180 - 200 node/km khoảng tốc độ trung bình có xu hướng giảm 3- Khoảng thứ ba: khoảng từ 200 đến 300 node (200 – 240 node/km 2), độ trễ tăng chậm, tốc độ thu số liệu tăng nhanh đạt giá trị cực đại khoảng 155kbps, tỷ lệ gói tiếp tục tăng có xu hướng giảm 220 node/km Khoảng 240 đến 280 node (240 – 280 node/km2), độ trễ tốc độ thu số liệu giảm nhanh chóng, tỷ lệ gói tiếp tục tăng Khoảng 280 đến 340 node (280 – 340 node/km2), tỷ lệ gói lại ổn định mức cao, độ trễ tăng lên có chiều hướng giảm xuống khoảng 320 node/km2, tốc độ thu số liệu tăng sau giảm nhanh xuống mức thấp khoảng 2- 4.5 kbps 4- Khoảng thứ tư: Từ 340 đến 360 node (340 – 360 node/km2), tỷ lệ gói lại ổn định mức cao, độ tốc độ thu số liệu tăng, đặc biệt độ trễ đạt cực đại khoảng 8.4s Từ 360 đến 400 node (360 – 400 node/km 2), tỷ lệ gói ổn định mức cao, tốc độ thu số liệu độ trễ có xu hướng giảm xuống Như vậy, với diện tích 1km 2, triển khai node cảm biến để đánh giá số tham số chất lượng dịch vụ theo mật độ, ta thấy với mật độ khoảng từ 40 đến 120node/km2 thông tin có độ xác cao 91 Để đánh giá xác số liệu ta phải thực mô nhiều với tham số đầu vào (như công suất truyền phát, dải cảm biến, v.v…), vào phải dựa vào nhiều mô hình mô phỏng, kinh nghiệm thực tế khác b Đánh giá theo giao thức định tuyến Các giao thức mô thực đồ hình mạng giống với kịch xây dựng Giao thức DSR thực chuyển tiếp gói liệu tương đối tốt tỷ lệ chuyển động tốc độ di node thấp Tuy nhiên chuyển động node tăng lên tỷ lệ gói rớt cao Hiệu suất giao thức AODV tốt tốc độ node di chuyển giảm số byte đầu vào định tuyến Tuy nhiên yêu cầu truyền dẫn nhiều gói mào đầu định tuyến tốc độ di chuyển node cao thực tốt so với giao thức DSR - Số gói tin mang thông tin định tuyến giao thức DSR nhỏ AODV - Số gói tin mang thông tin định tuyến tầng MAC giao thức DSR lớn AODV - DSR dựa chế định tuyến nguồn AODV kết hợp DSR DSDV - AODV có hiệu suất tốt DSR tính di động nút cao kịch - Quá trình khám phá tuyến AODV thường xuyên DSR 3.4 Nhận xét Qua mô thấy cách thức hoạt động mạng cảm biến không dây, cách thức mô hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng WSN NS2 Cách thức node phenom truyền nhiệt giống truyền tín hiệu radio tới node cảm biến qua giao thức AODV, DSR KẾT LUẬN Mạng cảm biến không dây WSN loại mạng có quan tâm cộng đồng nghiên cứu mạng truyền thông giới tính đặc biệt 92 khả ứng dụng thực tế Có nhiều vấn đề cần giải để đưa mạng cảm biến không dây WSN vào ứng dụng sống hứa hẹn đầy tiềm mà công nghệ khác hạn chế Tuy nhiên để triển khai cách hiệu nhà thiết kế hệ thống yêu cầu phải nắm bắt nhân tố tác động tới mạng, nhược điểm cần khắc phục, phát huy lợi cách tối ưu Trong đề tài em hoàn thành nội dung nghiên cứu đề tài thực tập tốt nghiệp, kết đạt tóm tắt lại sau:  Giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây với hiểu biết tảng công nghệ mạng cảm biến không dây, nhân tố ảnh hưởng đến mạng không dây, đặc điểm kiến trúc tổng quan mạng cảm biến không dây Tìm hiểu ứng dụng công nghệ cảm biến không dây việc tìm hiểu hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây, lĩnh vực áp dụng công nghệ cảm biến không dây tìm hiểu chi tiết ứng dụng (giám sát môi trường) triển khai dựa công nghệ cảm biến không dây (chương 1)  Nghiên cứu cách thức thiết kế hệ thống cảnh báo cháy rừng thực tế tìm hiểu cách thức triển khai dựa mạng cảm biến không dây WSN (chương 2)  Thực mô hình hoá tìm hiểu thiết kế phần mềm mô mạng cảm biến không dây dựa phần mềm mô mạng NS-2, viết mô tả mã lập trình cho việc mô mạng cảm biến không dây Thực nghiệm số thí nghiệm mô hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng WSN nhờ kết mô (chương 3) Các kịch mô sử dụng giao thức định tuyến khác thay đổi số lượng nút mạng, di động nút mạng truyền liệu đánh giá hiệu mạng chất lượng dịch vụ mạng cảm biến không dây thông qua tham số mạng Dựa vào kết tìm sở khách quan, thực tế, kết hợp với sở lý thuyết để tìm cách xây dựng mô hình mạng ứng dụng cho nhiều lĩnh vực 93 dựa mạng WSN, vấn đề cải tiến hiệu suất, hiệu mạng WSN để xây dựng hệ thống mạng tối ưu Trong khuôn khổ có hạn đồ án tốt nghiệp, mặt khác mạng cảm biến không dây mạng nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót Các kiến thức đề tài đạt mức tổng quan, mô đơn giản việc phân tích đánh giá chưa thực sâu Cũng mạng WSN lĩnh vực mẻ nên công cụ mô mạng NS-2 chưa cho phép thực mô hoàn chỉnh với nhiều loại giao thức định tuyến khác Đó điểm hạn chế thực đề tài Trong thời gian tới, có điều kiện phát triển tiếp đề tài này, em theo hướng sâu vào: Thêm giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây WSN, mô đánh giá hoạt động giao thức định tuyến hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng WSN NS2 với giao thức định tuyến chưa tích hợp Thêm module đánh giá chất lượng dịch vụ QoS, vấn đề bảo mật, kĩ thuật phân cụm WSN TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 94 [1] Đỗ Duy Tân (2009), Wireless Sensor Networks: Kỹ Thuật, Giao Thức Ứng Dụng , Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tiếng anh [2] Holger Karl, Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons Ltd, ISBN: 978-0-470-09510-2 [3] Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, John Wiley & Sons Ltd [4] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons Ltd [5] Laiali Almazaydeh, Eman Abdelfattah, Manal Al- Bzoor, and Amer Al- Rahayfeh (2010), “Performance Evaluation Of rounting Protocols In Wireless Sensor Networks”, International Journal of Computer Science and Information Technology, Vol.2, No.2, pp 64-73 [6] Wang Jianguo,Wang Zhongsheng, Shi Fei and Song Guohua (2011), “Research On Routing Algorithm For Wireless Sensor Network Based On Energy Balance”, American Journal of Engineering and Technology Research, Vol 11, No.9, pp.189195 [7] K Padmanabhan, P Kamalakkannan (2011), “A Study on Energy Efficient Routing Protocols in Wireless Sensor Networks”, European Journal of Scientific Research, ISSN, Vol.60, No.4 , pp 517-529 [8] Katiyar, Chand, Gautam and Kumar (2011), “Improvement in LEACH protocol for large-scale wireless sensor networks”, Emerging Trends in Electrical and Computer Technology (ICETECT) [9] Ismail Ahmedy, Md Asri Ngadi, Syaril Nizam Omar and Junaid Chaudhry (2011), “A review on wireless sensor networks routing protocol: Challenge in energy perspective”, Scientific Research and http://www.academicjournals.org/S 95 Essays, Vol 6, pp 5628-5649, ... nghiệp: “ Mô đánh giá hiệu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho hệ thống phát sớm cháy rừng Với mục đích tìm hiểu mạng cảm biến không dây, dựa công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không. .. lĩnh vực cảm biến thu nhận liệu Trong đề tài thực mô mô hình cảm báo cháy rừng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô mạng kịch đánh giá hiệu. .. điểm mạng cảm biến không dây Tìm hiểu nghiên cứu phương pháp, sở lý luận triển khai hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây Qua xây dựng chương trình mô hệ thống cảnh báo cháy