Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)

Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)Tiết Kiệm Năng Lượng Tiêu Thụ Trong Mạng Cảm Biến Không Dây Sử Dụng Phân Cụm Dựa Trên Logic Mờ (tt)

1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn nút cảm biến không dây nằm khu vực địa lý Các "nút cảm biến không dây" thiết bị sử dụng điện thấp trang bị với nhiều cảm biến Các nút cảm biến có cảm biến để phát đo lường nhiệt, khí, quang, từ, hóa học tín hiệu sinh học Trong WSN bản, tích hợp số đơn vị phát nút cảm biến gửi liệu thu thập trạm sở Các trạm sở thường nằm xa nút cảm biến đóng vai trò cổng mạng trung tâm xử lý thông tin Một cấu trúc chung WSN trình bày hình 1.1 WSN cấu trúc hay khơng có cấu trúc Một mạng cảm biến khơng dây đòi hỏi sở hạ tầng Trong mạng lưới vậy, nút khám phá mạng ad hoc Các mạng không kết nối sau triển khai không giám sát báo cáo riêng Tuy nhiên, mạng cảm biến triển khai để có liệu từ mơi trường yêu cầu số lượng lớn nút cảm biến, đánh số hàng ngàn đến hàng chục ngàn tùy thuộc vào khu vực triển khai Do số lượng lớn nút việc quản lý mạng trở nên khó khăn cấu trúc phức tạp Các mạng cảm biến khơng dây có cấu trúc có kế hoạch triển khai nút cảm biến, điều có nghĩa vài nút cảm biến cần thiết để kiểm soát khu vực so với cấu trúc mạng lớn khơng kiểm sốt Chi phí vận hành bảo trì giảm 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Cấu trúc nút WSN Mỗi nút cảm ứng cấu thành thành phần bản, hình 1.2, cảm nhận (Sensing unit), xử lý (a processing unit), thu phát (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngồi có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) [2,3] 2 Hình 1.2 Cấu trúc nút WSN 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây (WSN) Các nút cảm ứng phân bố sensor field hình 1.3 Mỗi nút cảm ứng có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager) qua mạng Internet vệ tinh Hình 1.3 Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Trong mạng cảm biến không dây, liệu sau thu thập nút định tuyến gửi đến sink Sink gửi liệu đến người dùng đầu cuối thông qua internet hay vệ tinh Kiến trúc giao thức sử dụng nút gốc nút cảm biến 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 1.4.1 Thời gian sống bên 1.4.2 Sự đáp ứng 1.4.3 Hiệu suất khả tự cấu hình 1.4.4 Khả mở rộng tự thích nghi 1.5 Ứng dụng mạng cảm biến không dây Tất ứng dụng mạng cảm biến không dây phân loại thành: - Giám sát môi trường tĩnh: giám sát môi trường, hệ sinh thái, cảnh báo cháy… - Giám sát chuyển động đối tượng: giám sát động vật sống hoang dã, giám sát chuyển động phương tiện giao thông… 1.6 Kết luận chương Trong chương giới thiệu tổng quan WSN bao gồm: cấu tạo node cảm biến, cấu trúc yếu tố ảnh hưởng đến WSN Các ứng dụng WSN lĩnh vực mơi trường, y học, gia đình, cơng nghiệp, nông nghiệp, quân 4 CHƯƠNG CÁC GIAO THỨC PHÂN CỤM VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ 2.1 Giao thức Leach [7] LEACH (Low Enegrgy Adaptive Clustering Hierarchy) giao thức phân cấp theo cụm thích ứng lượng thấp Đây giao thức thu lượm phân phát liệu tới sink đặc biệt trạm sở Mục tiêu LEACH là: - Mở rộng thời gian sống mạng - Giảm thiểu tiêu thụ lượng nút mạng - Sử dụng tập trung liệu để giảm tin truyền dẫn mạng Để đạt mục tiêu LEACH thơng qua mơ hình phân cấp để tổ chức mạng thành cụm, cụm quản lý nút chủ cụm Nút chủ gánh lấy trọng trách thực nhiều tác vụ: thu lượm liệu theo chu kỳ từ node thành viên, trình tập trung liệu nút chủ cố gắng tập hợp liệu để giảm dư thừa liệu tương quan Nhiệm vụ thứ hai nút chủ trực tiếp truyền liệu tập hợp lại đến trạm sở Việc truyền thực theo kiểu single hop Nhiệm vụ thứ ba LEACH tạo mơ hình ghép kênh theo thời gian TDMA, nút cụm gán khe thời gian mà sử dụng để truyền tin Mơ hình LEACH hình vẽ, node chủ quảng bá mơ hình TDMA cho node thành viên cụm Để giảm thiểu khả xung đột node cảm biến cụm LEACH sử dụng mơ hình truy cập đa phân chia theo mã CDMA Quá trình hoạt động LEACH chia thành pha pha thiết lập pha ổn định Pha thiết lập bao gồm bước lựa chọn nút chủ thông tin cụm pha ổn định trạng thái bao gồm thu thập liệu, tập trung liệu truyền liệu đến trạm sở Thời gian bước ổn định kéo dài so với thời gian bước thiết lập để giảm thiểu tái lập 5 Hình 2.1 Mơ hình mạng LEACH Trong bước thiết lập, nút cảm biến lựa chọn số ngẫu nhiên Nếu số nhỏ ngưỡng T(n) nút cảm biến nút chủ T(n) tính sau : T(n)= n G T(n) = lại Trong đó: P: tỉ lệ % nút chủ r: chu kỳ G: tập hợp nút không lựa chọn làm nút chủ 1/p chu kỳ cuối Sau lựa chọn làm nút chủ, nút chủ quảng bá vai trò chúng cho nút lại mạng Các nút lại mạng dựa vào tin cường độ tín hiệu nhận để định xem có tham gia vào nhóm hay khơng Sau nút thơng báo nút chủ biết mong muốn trở thành thành viên nhóm nút chủ đảm nhận Q trình tạo cụm, nút chủ phân luồng theo khe thời gian (ghép kênh TDMA) cho nút cụm chọn lựa mã CDMA thông báo tới tất nút cụm biết sau pha thiết lập hoàn thành báo hiệu bắt đầu pha ổn định trạng thái nút cụm thu lượm liệu sử dụng khe thời gian để truyền liệu đến nút chủ Dữ liệu thu lượm theo chu kỳ 6 2.2 Logic mờ [8] Logic mờ (FL) loại nhiều giá trị logic sử dụng mạng cảm biến có góp phần cải thiện hiệu suất mạng FL đề với lập luận khơng xác khơng phải cố định xác Giáo sư Lotfi Zadeh giới thiệu khái niệm FL vào năm 1960 [12, 13, 14] Lôgic mờ giới thiệu nhiều phương pháp để biểu diễn suy luận từ kiến thức không chắn không đầy đủ Khái niệm mờ khơng thể mơ hình hóa tập hợp đơn giản bao gồm điều hành , có mức độ thành viên Nói cách khác, logic cổ điển có hai giá trị, (ln ln trình bày số 1) YES, sai (ln ln trình bày số 0), NO, Logic mờ kéo dài hai giá trị với giá trị dùng khái niệm mức độ Trong phần đây, chúng tơi giải thích sắc nét mờ, thuộc tính tập mờ, hoạt động tập mờ, biến ngôn ngữ, mờ IF-THEN, hệ thống suy diễn mờ, ví dụ từ hệ thống suy luận mờ công việc 2.2.1 Bộ Crisp Fuzzy Cho A tập hợp sắc nét xác định khơng gian X Sau cho phần tử x X, x thành viên hay không thành viên A Crisp gọi cổ điển vũ trụ thiết lập tất yếu tố có thể vào xem xét Các hàm thành viên fA phần tử x cho sắc nét A quy định sau: fA(x):  {0,1} fA Do đó, x thuộc tập A, phần tử x vũ trụ ngôn X, thành viên chức fA (x) 1, x thành viên tập A, sau Ngược lại với Crisp, yếu tố tập mờ bên cạnh tập mờ cấp với mức độ cụ thể thành viên [15] Đối với phần tử x vũ trụ X, x thuộc tập A, hàm thành viên μA (x) tương đương với mức độ mà x thuộc tập A thể hình 2.4 Nếu x khơng phải thành viên tập A hàm thành viên μA (x) không Sự khác biệt rõ nét tập mờ yếu tố tập mờ có phần với Các hàm thành viên μA (x) phần tử x cho mờ tập A xác định sau: µA(x) : X [0,1],where µA(x) = x thành viên tập A µA(x) = x không thành viên tập A < µA(x)