Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

TRN DON TUN B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI - Trn Doón Tun K THUT MY TNH V TRUYN THễNG MNG CM BIN KHễNG DY V Mễ HèNH KHễNG GIAN THễNG MINH LUN VN THC S KHOA HC K THUT MY TNH V TRUYN THễNG 2009 H NI 2011 B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI Trn Doón Tun MNG CM BIN KHễNG DY V Mễ HèNH KHễNG GIAN THễNG MINH Chuyờn ngnh: K thut mỏy tớnh v truyn thụng LUN VN THC S KHOA HC K THUT MY TNH V TRUYN THễNG NGI HNG DN KHOA HC: TS Nguyn Kim Khỏnh H NI 2011 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thày cô giáo Viện Công nghệ thông tin truyền thông Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội truyền thụ kiến thức giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu trờng Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Kim Khánh định hớng tận tâm hớng dẫn em trình thực luận văn cao học Hà Nội tháng -2011 Học viên: Trần Doãn Tuấn Lun thc s khoa hc LI CAM OAN Tụi Trn Doón Tun cam kt lun thc s khoa hc ny l cụng trỡnh nghiờn cu ca bn thõn tụi di s hng dn ca TS Nguyn Kim Khỏnh Nhng iu trỡnh by lun l hon ton trung thc v khụng phi l chộp ton ca bt k cụng trỡnh no khỏc H Ni, ngy 26 thỏng nm 2011 Trn Doón Tun Lun thc s khoa hc MC LC Trang Trang ph bỡa .1 Li cam oan Danh mc cỏc ch vit tt Danh mc cỏc bng Danh mc hỡnh v M U 10 CHNG 1: TNG QUAN V MNG CM BIN 12 1.1 Gii thiu 12 1.2 c trng v cu hỡnh mng cm bin .13 1.2.1 Cỏc yu t nh hng n cu trỳc mng cm bin 17 1.2.2 Cu trỳc ca mng cm bin 21 1.3 ng dng ca mng cm bin khụng dõy 22 1.3.1 ng dng quõn s v an ninh quc gia 25 1.3.2 ng dng mụi trng 27 1.3.3 ng dng thng mi 29 1.3.4 ng dng chm súc sc khe .30 1.3.5 ng dng gia ỡnh 30 CHNG 2: K THUT C BN MNG CM BIN .32 2.1 Node 32 2.2 Cỏc k thut truyn dn vụ tuyn v cỏc tiờu chun ỏp dng 34 2.2.1 Chun Bluetooth 36 2.2.2 Chun WLAN 37 2.2.3 Chun Zigbee 39 2.2.3.1 Topology 40 2.2.3.2 Tng vt lý 41 2.2.3.2 Tng MAC 44 2.2.3.3 Tng mng 46 2.2.3.4 Tng ng dng 49 Lun thc s khoa hc 2.3 H iu hnh cho mng cm bin khụng dõy 50 CHNG 3: Mễ HèNH KHễNG GIAN THễNG MINH: PHT TRIN H THNG XP HNG T NG TRONG CC NGN HNG DA TRấN MNG CM BIN KHễNG DY 54 3.1 Gii thiu v h thng xp hng t ng 54 3.2 Hot ng ca h thng xp hng t ng 57 3.2.1 Quy trỡnh ca khỏch hng 57 3.2.2 Chc nng h thng xp hng t ng 57 3.3 Phõn tớch, thit k h thng 59 3.3.1 Mụ hỡnh tng quan h thng 59 3.3.2 Thit k c s d liu 60 3.4 Th nghim 62 3.4.1 Ci t phn mm, mụi trng phỏt trin 62 3.4.2 Kt qu th nghim 63 CHNG 4: KT LUN V HNG NGHIấN CU .69 4.1 Kt qu t c .69 4.2 Khú khn v hn ch 69 4.3 Hng phỏt trin .69 TI LIU THAM KHO .71 Lun thc s khoa hc DANH MC CC CH VIT TT ADC Analog to Digital Converter AODV Ad hoc On Demand Distance Vector AP Access Point CCA Clear Channel Assessment CSDL C s d liu CSMA-CA Carrier Sence Multiple Access Collision Avoidance ED Energy Detection FFD Full-Function Device FIFO First In First Out ID Identification ISM Industrial, Scientific and Medical LQI Link Quanlity Indication LW-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network MAC Media Access Control OS Operating System PAN Personal Area Network PPDU Physical Protocol Data Unit QMS Queue Managerment System RF Radio Frequency RFD Reduced-Function Device SHR Synchronization Header WSN Wireless Sensor Network Lun thc s khoa hc DANH MC CC BNG Bng 2.1: So sỏnh mt s chun truyn dn vụ tuyn .36 Bng 2.2: Di tn s vụ tuyn theo chun IEEE 802.15.4 42 Bng 2.3: Cỏc kờnh truyn dn vụ tuyn theo chun IEEE 802.15.4 .43 Bng 3.1: Bn phc v .61 Bng 3.2: Khỏch hng 62 Bng 3.3: Cỏc dch v 62 Bng 3.4: Quan h dch v - bn 62 Lun thc s khoa hc DANH MC HèNH V Hỡnh 1.1: Cu trỳc chung ca mng cm bin 13 Hỡnh 1.2: Vớ d v nỳt cm bin 15 Hỡnh 1.3: Cu to nỳt cm bin 15 Hỡnh 1.4: Kin trỳc giao thc mng cm bin 16 Hỡnh 1.5: Cu trỳc mng cm bin 18 Hỡnh 1.6: Cu trỳc mng cm bin loi 21 Hỡnh 1.7 : Cu trỳc mng cm bin loi .22 Hỡnh 1.8: Phỏt hin v theo dừi mc tiờu 26 Hỡnh 1.9: Theo dừi cỏc iu kin mụi trng 28 Hỡnh 1.10: Theo dừi v cnh bỏo chỏy rng 29 Hỡnh 1.11: ng dng mng cm bin y t .30 Hỡnh 1.12: ng dng mng cm bin - nh thụng minh 31 Hỡnh 2.1: Cu to c bn ca mt nỳt cm bin - phn cng 33 Hỡnh 2.2: Cu to c bn ca mt nỳt cm bin phn mm 34 Hỡnh 2.3: Mt s chun truyn dn vụ tuyn 35 Hỡnh 2.4: Cu trỳc phõn lp giao thc IEEE 802.15.4/Zigbee 40 Hỡnh 2.5: Topology mng Zigbee 41 Hỡnh 2.6: Di tn s theo IEEE 802.15.4 42 Hỡnh 2.7: Khung tin PPDU .44 Hỡnh 3.1 S h thng xp hng t ng .56 Hỡnh 3.2: Lung x lý ca h thng: khỏch hng ly s 58 Hỡnh 3.3: Lung x lý ca h thng: nhõn viờn gi s phc v .58 Hỡnh 3.4: Chc nng x lý ti trung tõm 59 Hỡnh 3.5: Kin trỳc h thng 59 Hỡnh 3.6: Mụ hỡnh thc th/liờn kt 61 Hỡnh 3.7: Mn hỡnh hin th trung tõm 63 Hỡnh 3.8: Mn hỡnh ly s phc v 64 Hỡnh 3.9: Chc nng ly s 65 Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.10: Mn hỡnh bn phc v 65 Hỡnh 3.11: Chc nng gi s phc v 66 Hỡnh 3.12: Mn hỡnh qun tr bn 67 Hỡnh 3.13: Mn hỡnh qun tr dch v 67 Hỡnh 3.14: Mn hỡnh chc nng bỏo cỏo 68 Lun thc s khoa hc nguyờn tng i ln khc phc nhng nhc im ú, mng cm bin khụng dõy ang c xem xột nh l mt la chn tt vi cỏc u im: - Tiờu tn ớt nng lng hn, cú th dựng ngun pin hay c-quy - D dng trin khai cỏc tũa nh ó xõy dng t trc ú Chớnh vỡ vy tỏc gi tin chc rng vic s dng mng cm bin khụng dõy l mt gii phỏp cú tớnh kh thi cao vi ng dng qun lý h thng xp hng t ng cỏc ngõn hng Trong phm vi bi lun ca mỡnh tỏc gi ó xõy dng mt h thng qun lý vic xp hng cỏc ngõn hng s dng cụng ngh mng cm bin khụng dõy 3.2 Hot ng ca h thng xp hng t ng 3.2.1 Quy trỡnh ca khỏch hng Bc 1: Ly s Khỏch hng ti bn ly s v la chn dch v thụng qua nỳt bm Mỏy in s t ng in giy mó s khỏch hng, ngy gi, loi dch v Mi khỏch hng s cú mt mó s theo ỳng th t bm nỳt Bc 2: Ngi ch Sau nhn c mó s, khỏch hng ngi vo v trớ v ch h thng thụng bỏo n lt phc v H thng thụng bỏo qua loa: phỏt õm gi, vớ d: mi quý khỏch hng s 123 n quy s c phc v H thng thụng bỏo trng thỏi hng i trờn cỏc bng hin th: cỏc trng thỏi v khỏch hng ang c phc v, khỏch hng sp c phc v v khỏch hng ang ch phc v theo s hiu ca tng quy giao dch Bc 3: Giao dch Khỏch hng vo quy c phc v theo thụng bỏo ca h thng i vi khỏch hng thc hin giao dch ti nhiu quy, nhiu dch v thỡ sau hon thnh vic giao dch ti mt quy khỏch hng s thc hin lp li bc 3.2.2 Chc nng h thng xp hng t ng Cỏc lung x lý chớnh ca h thng: 57 Lun thc s khoa hc Khỏch hng ly s: Khỏch hng chn dch v Phiu ly s H thng Phiu dch v Khỏch hng Chn v ng ký dch v Ghi vo CSDL In phiu CSDL Hỡnh 3.2: Lung x lý ca h thng: khỏch hng ly s Nhõn viờn gi s phc v: Nhõn viờn gi s tip theo H thng Thụng bỏo mn hỡnh hoc loa Bng hin th, loa i Nhõn viờn Gi s tip theo Trớch rỳt CSDL Thụng bỏo CSDL Hỡnh 3.3: Lung x lý ca h thng: nhõn viờn gi s phc v 58 Lun thc s khoa hc Cỏc chc nng x lý ti trung tõm Thờm dch v Thờm bn Trung tõm Xúa bn Xúa dch v Bỏo cỏo Hỡnh 3.4: Chc nng x lý ti trung tõm 3.3 Phõn tớch, thit k h thng 3.3.1 Mụ hỡnh tng quan h thng Server Remote Display Zigbee Base Remote Zigbee Remote Hỡnh 3.5: Kin trỳc h thng Yờu cu chung ca h thng l phi x lý c cỏc thụng tin m cỏc node gi lờn v x lý cỏc thụng tin ti trung tõm Server da trờn h tng mng cm bin khụng dõy, ng thi phi cú cỏc c im sau: - Kh nng m rng, kt ni linh hot - Cú node iu khin trung tõm 59 Lun thc s khoa hc Hỡnh minh trờn biu din kin trỳc h thng xp hng t ng, theo ú h thng s bao gm: Server: Cha phn nhõn iu khin x lý ca h thng, cú cỏc chc nng sau: Thờm xúa cỏc dch v m ngõn hng cung cp Thờm xúa cỏc bn phc v Bỏo cỏo theo ngy, theo thỏng, theo dch v lng khỏch hng m ngõn hng ó phc v ng kớ v cp s cho khỏch hng c d liu t Base gi lờn v tr v mt mó s khỏch hng chun b c phc v Base: Mt vi iu khin thc hin truyn thụng gi Server v cỏc Remote Do hn ch v b nh v ngun nng lng, Base ch truyn thụng khụng lu tr d liu Remote: Cỏc thit b ti cỏc bn phc v gi khỏch hng Display: H thng loa gi khỏch hng v h thng hin th thụng tin khỏch hng ang ch, ang c phc v ti cỏc bn 3.3.4 Thit k c s d liu Lun xõy dng mụ hỡnh thc th/liờn kt nh sau: 60 Lun thc s khoa hc IDService IDTable m n Service Table IDTable Name Address Table IDService Name Register Customer Index IDService Status Time Hỡnh 3.6: Mụ hỡnh thc th/liờn kt Xõy dng cỏc thc th v cỏc thuc tớnh H thng m tỏc gi xõy dng gm cú cỏc thc th sau: - Bn phc v - Dch v m ngõn hng cung cp - Khỏch hng ng kớ dch v Nh vy cỏc bng c s d liu s l: Bn phc v: nhõn viờn phc v s gi s v phc v khỏch hng Tờn trng Kiu d liu NULL IDTable nvarchar(10) Not NULL Name nvarchar(100) Not NULL Address nvarchar(200) Not NULL Status Tinyint Not NULL Bng 3.1: Bn phc v Khỏch hng s ng kớ vo c s d liu v h thng s cp cho h mt s th t: 61 Lun thc s khoa hc Tờn trng Kiu d liu NULL IDCustomer nvarchar(10) Not NULL IDService nvarchar(10) Not NULL Status Tinyint Not NULL Time Datetime Not NULL Bng 3.2: Khỏch hng Cỏc dch v m ngõn hng phc v: Tờn trng Kiu d liu NULL IDService nvarchar(10) Not NULL Name nvarchar(50) Not NULL Bng 3.3: Cỏc dch v Mt bn phc v cú th phc v nhiu dch v, mt dch v cú th c phc v bi nhiu bn Tờn trng Kiu d liu NULL IDService nvarchar(10) Not NULL IDTable nvarchar(10) Not NULL Bng 3.4: Quan h dch v - bn 3.4 Th nghim 3.4.1 Ci t phn mm, mụi trng phỏt trin - Mụi trng ci t ng dng: Microsoft Windows - Ngụn ng cho h thng: Microsoft Visual Basic 2010 - IDE h tr xõy dng: Microsoft Visual Studio 2010 Ultimate Microsoft SQL Server Compact 3.5 62 Lun thc s khoa hc 3.4.2 Kt qu th nghim 3.4.2.1 Modul hin th trung tõm: Hỡnh 3.7: Mn hỡnh hin th trung tõm Mn hỡnh ny s hin th thụng tin v cỏc bn phc v, danh sỏch khỏch hng ang i phc v, thụng tin v ngõn hng cng nh cỏc thụng bỏo cn thit mi khỏch hng 3.4.2.2 Modul dch v khỏch hng vo ly s: 63 Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.8: Mn hỡnh ly s phc v Ti õy, khỏch hng s vo la chn dch v, sau ú nhn nỳt ng ý, modul ny s liờn lc vi trung tõm v tr v s phc v khỏch hng, mỏy in s in phiu cú cha s phc v ny khỏch hng cm v bn ngi i 64 Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.9: Chc nng ly s 3.4.2.3 Modul bn phc v: Hỡnh 3.10: Mn hỡnh bn phc v 65 Lun thc s khoa hc mi bn phc v s cú mt modul hin th khỏch hng ang c phc v ti bn, nhõn viờn ti bn ny mi phc v xong mt khỏch hng thỡ nhn nỳt Tip gi khỏch hng tip theo Khi nhõn viờn nhn nỳt thỡ h thng s cn c vo khỏch hng ang i phc v chuyn s phc v cho bn ny, ng thi s cú mt thụng bỏo trờn bng hin th trung tõm mi khỏch hng n bn giao dch Hoc mt s trng hp, nhõn viờn ti bn cú th gừ s ri nhn nỳt gi s mi khỏch n bn Hỡnh 3.11: Chc nng gi s phc v 3.4.2.4 Modul qun tr ti trung tõm: qun tr bn, qun tr dch v v cỏc bỏo cỏo thng kờ cn thit Khi vo chc nng Qun tr - Bn, ta cú th thờm, sa(tờn, a ch) hoc xúa cỏc bn 66 Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.12: Mn hỡnh qun tr bn Tng t nh th i vi chc nng Qun tr - Dch v Hỡnh 3.13: Mn hỡnh qun tr dch v i vi chc nng bỏo cỏo ta cú th chn khong thi gian bỏo cỏo ng thi chn loi bỏo cỏo theo Dch v - Khỏch hng, hoc Bn phc v - Khỏch hng 67 Lun thc s khoa hc Hỡnh 3.14: Mn hỡnh chc nng bỏo cỏo 68 Lun thc s khoa hc CHNG 4: KT QU T C V HNG PHT TRIN 4.1 Kt qu t c Lun ó hon thnh c cỏc nhim v ra: V mt lý thuyt ú l: - Nghiờn cu mng cm bin khụng dõy v kin trỳc, cỏc thnh phn, k thut c bn v dng c h thng - Nghiờn cu h thng xp hng t ng T ú xõy dng h thng xp hng t ng cỏc ngõn hng da trờn cụng ngh mng cm bin khụng dõy ng thi, v mt thc nghim: Lun ó xõy dng thnh cụng ng dng qun lý h thng xp hng t ng cỏc ngõn hng v ng dng ú ó chy thnh cụng trờn mụi trng PC 4.2 Khú khn v hn ch Mụ hỡnh khụng gian thụng minh v vic qun lý h thng xp hng t ng cỏc ngõn hng da trờn mng cm bin khụng dõy ó c xõy dng v h thng c bn ó ỏp ng c yờu cu v ý tng Nhng õy l mt ti ln, ũi hi tng hp kin thc t nhiu ngun khỏc v s phi hp lm vic ca nhiu nhúm nờn cũn cú nhng hn ch nht nh: - Mt dch v cú th c phc v bi nhiu bn - Cha c thc thi trờn cỏc nỳt mng tht 4.3 Hng phỏt trin Tuy cũn mt s hn ch nhng v c bn, h thng ó hon thnh cỏc nhim v t ra, ó thc hin c ý tng: qun lý h thng xp hng t ng mt cỏch khoa hc, hp lý, cung cp c cỏc bỏo cỏo phc v cỏc yờu cu qun lý iu hnh Trong thi gian ti, tỏc gi hy vng cú th tip tc phỏt trin ti: - Thc thi thnh cụng trờn cỏc nỳt mng thc - T cm bin khỏch hng vo ngõn hng, thụng bỏo hng dn cho 69 Lun thc s khoa hc khỏch vo khu vc chn dch v - Ti bn phc v, kt thỳc phc v cho mt ngi thỡ h thng s cm bin v t ng gi ngi tip theo m nhõn viờn khụng cn phi nhn nỳt gi Tỏc gi mong nhn c ý kin úng gúp cú th hon thin, phỏt trin h thng hn na 70 Lun thc s khoa hc TI LIU THAM KHO [1] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols and Applications, 2007 [2] Anna HAC, Wireless Sensor Network Designs, 2003 [3] IEEE, IEEE Std 802.15.4a, 2007 [4] ZigBee Alliance: http://www.zigbee.org [5] Th vin MSDN, http://msdn.microsoft.com/en-us/library, Truy cp ln cui thỏng 9/2011 [6] Din n VNTELECOM, http://vntelecom.org/diendan/forum.php, Truy cp ln cui thỏng 9/2011 71 ... KHễNG GIAN THễNG MINH Chuyờn ngnh: K thut mỏy tớnh v truyn thụng LUN VN THC S KHOA HC K THUT MY TNH V TRUYN THễNG NGI HNG DN KHOA HC: TS Nguyn Kim Khỏnh H NI 2011 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm. .. Mng cm bin khụng dõy v mụ hỡnh khụng gian thụng minh trung nghiờn cu mt cỏch tng quỏt v WSN v ng dng ca nú vo 10 Lun thc s khoa hc cỏc mụ hỡnh khụng gian thụng minh Ton b ni dung lun c trỡnh by... 49 Lun thc s khoa hc 2.3 H iu hnh cho mng cm bin khụng dõy 50 CHNG 3: Mễ HèNH KHễNG GIAN THễNG MINH: PHT TRIN H THNG XP HNG T NG TRONG CC NGN HNG DA TRấN MNG CM BIN KHễNG DY 54