Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỒNG TIẾN LONG PHÂN CỤM NÚT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUYÊN, THÁNG 10 NĂM 2015 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây ứng dụng” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Lê Bá Dũng Trong thời gian làm luận văn này, nhận bảo nhiệt tình thầy giáo, nhiệt tình thầy giúp tơi hồn thành tốt luận văn Các số liệu kết luận văn bao gồm công thức hình ảnh mơ tả q trình phân chia, lượng lại thời gian sống hay tồn mạng (cảm biến không dây) Đây kết trình làm việc nhiệt tình nghiêm túc thầy trò tạo sở thực tiễn Thái nguyên, ngày 10 tháng năm 2015 Hoàng Tiến Long Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập làm việc để hoàn thành luận văn này, tơi nhận hướng dẫn, nhiệt tình q báu thầy giáo Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, khoa đào tạo sau đại học, ngành khoa học máy tnh trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thông – Đại học Thái nguyên tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Thầy giáo: PGS TS Lê Bá Dũng, người thầy kính mến hết lòng giúp đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc tạo điều kện thuận lợi cho tơi, suốt q trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô, anh, chị bạn trước, nghiên cứu mạng cảm biến khơng dây, nhờ mà tơi có thơng tn bổ sung hữu ích cần thiết cơng việc Lời cảm ơn sau cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, lãnh đạo quan, bạn bè đồng nghiệp động viên giúp đỡ q trình học tập làm việc để hồn thành chương trình Thạc sĩ tơi Thái ngun, ngày 10 tháng năm 2015 Hoàng Tiến Long Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN 14 1.1: Khái quát mạng cảm biến không dây 14 1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây 15 1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 15 1.1.2.1: Cấu trúc nút mạng cảm biến không dây 15 1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17 1.1.3: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây 19 1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm mạng cảm biến không dây 20 1.1.4.1: Ưu điểm mạng cảm biến không dây 20 1.1.4.2: Nhược điểm mạng cảm biến không dây 23 1.1.5: Ứng dụng mạng cảm biến không dây 24 1.2: Bài toán định tuyến mạng cảm biến không dây 25 1.2.1: Bài toán 25 1.2.2: Công thức 25 Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 26 2.1: Các kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây 26 2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng 26 2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm lượng 27 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ .27 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây 28 2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu 29 2.1.6: Kỹ thuật tập trung hợp liệu .29 2.2: Giao thức mạng cảm biến không dây …34 2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý .34 2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây .36 2.3: Giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây 39 2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ (Minimum Batery Cost Routing) 39 2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức lượng EAR (Energy Aware Routing) 40 2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) 40 2.3.4: Giao thức định tuyến có nhận thức lượng cân tải 41 2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routng Extensisons) 41 2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) .41 2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) 42 2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân lượng (Load-balanced Energy aware routng) 43 2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) .44 2.3.10: Giao thức dựa vị trí (Location-based protocols) .47 Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HỊA BÌNH 48 3.1: Khảo sát mơ hình nhà máy thủy điện Hòa Bình .48 3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình 51 3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây 51 3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes) 52 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện Hòa Bình 52 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.3: Mơ q trình thu nhập mạng cảm biến không dây cho xử lý số liệu nhà máy thủy điện sở phân cấp, phân cụm, nút mạng với trình giảm thiểu lượng tiêu hao mạng 53 3.4: Phân cụm mạng cảm biến không dây 54 3.4.1: Phân tích lượng tiêu thụ mạng 54 3.4.2: Phân cụm phân cấp nút mạng cảm biến với lượng tiêu thụ nhỏ 56 3.5: Mơ q trình phân cụm trọn cụm chủ 60 Kết luận hướng phát triển 67 Tài liệu tham khảo 68 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số ban đầu hệ thống mạng 61 Bảng 3.2: Năng lượng cho trường hợp 66 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các thành phần nút cảm ứng 16 Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18 Hình 1.3: Mơ hình mạng infrastructure 19 Hình 1.4: Mơ hình vật lý hệ thống mạng 20 Hình 2.1: Mơ hình định tuyến điểm điểm 30 Hình 2.2: Mơ hình định tuyến điểmđa điểm 30 Hình 2.3: Mơ hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm 32 Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 34 Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến 35 Hình 2.6: Mơ hình mạng LEACH 45 Hình 3.1: Tồn cảnh cơng trình thủy điện Hòa Bình 48 Hình 3.2: Hồ chứa nước cửa nhận nước 49 Hình 3.3: Giàn máy gồm tổ máy 49 Hình 3.4: Trạm phân phối ngồi trời 220/110/35kv 50 Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv 51 Hình 3.6: Minh họa mơ hình tổng thể hệ thống 52 Hình 3.7: Minh họa mơ hình giao thức định tuyến phân theo cụm 53 Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo hàng 55 Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ cụm hình thành thời điểm (t) 56 Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ cụm hình thành thời điểm (t+1) 56 Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp 58 10 Số hóa Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.4.2: Phân cụm phân cấp nút mạng cảm biến với lượng tiêu thụ nhỏ Giao thức LEACH giao thức tự tổ chức, phân cụm thích nghi sử dụng phân bổ ngẫu nhiên lượng nút mạng Trong LEACH nút mạng tự tổ chức cụm theo nút Mỗi vòng lặp nút lại bị thay đổi vào trình hình thành cụm thực xem (Hình 3.8) Trường hợp cụm có nhiều lượng đáp ứng cho vòng tếp theo giữ ngun Và (Hình 3.9) mơ tả rõ cụm hình thành thời điểm b) a) Hinh 3.9: a): Các cụm hình thành thời điểm (t) b): Các cụm hình thành thời điểm (t+1) Trên (Hình 3.9) cho thấy thời điểm t, nút C chọn nút có lượng cao, đến thời điểm t + nút C1 lại chọn nút lượng lại cao nút khác Vấn đề đặt là, hệ thống mạng cảm biến có cụm tối ưu, điều phụ thuộc vào thơng số ví dụ như: cấu hình mạng, hay chi phí tương đối tính tốn q trình truyền thông Ở giao thức định tuyến phân cấp cho truyền thơng dựa thuật tốn phân cụm, với việc truyền liệu tầng mạng sử dụng LEACH truyền liệu phân cấp thông qua việc chọn nút chủ cụm cho đường tới trạm (trạm gốc) ngắn Do theo cụm hình thành theo vị trí địa lý, thơng qua kích cỡ cụm vị trí khơng gian mạng, hình thành cụm hay hình thành cụm thể mức khác sơ đồ phân cấp Chúng ta xem xét thuật toán sau: Thuật toán tạo cụm chủ truyền liệu đến trạm gốc Tạo cụm theo vòng địa lý Chọn nút mạng chủ cụm tạo Thu thập liệu tích hợp liệu cụm chủ từ nút thành viên Tích hợp liệu truyền nút chủ gần tới trạm gốc (xem hình 3.10) Thuật tốn chọn nút chủ cụm Xác định lượng El(u) nút Xác định khoảng cách d(l) từ nút tới trạm gốc đến nút chủ cụm có lượng cao Ước lượng lượng cần thiết nút cho truyền liệu Eamp.k.d Ước lượng lượng tối đa sau vòng truyền cho nút chọn nút chủ (CH) theo công thức El(u) = Eamp.k.d nút chủ chọn vòng xử lý hồn tất, thuật tốn xem (Hình 3.11): Bắt đầu Xét nút cảm biến triển Tạo cụm cảm biến với kích cỡ m; với m số nguyên Đưa số vòng cần thực cho vòng lặp Count =0; i=1 Chọn cụm chủ sở dự báo lượng khoảng cách ngắn đểnchạm gốc(BS) i=i+1 Là i>m Tập hợp liệu giai Truyền liệu giai count = count + Count= x? Hiển thị thời gian sống, lượng lại, Kết thúc N Hình 3.10 Sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp (Hình 3.10) Sơ đồ thuật tốn đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp (Hình 3.11) sơ đồ thuật toán chọn nút chủ cụm kỹ thuật định tuyến phân cấp Quy trình xác định trước, từ giai đoạn khởi đầu (hình 3.9) n = 50 j=1 Pred(j)=0 J=J+1 Là nút (j) ϵm ? Tính lượngEi(nút(j)) Xác định Min{d(nút(j))} đến nút chủ(BS) với {Hoặc CH tếp theo(m-1), m 1} Ước lượng pred(j) =Ei(nút(j)-Eamp*Min{d(node(j)))} Là j = n ? N Ức lượng Jmax(i)= max(prad(1), pred(2), , pred(n)) Gán CH(i)= Jmax(i) Quá trình xác định trước lượngcho bước tếp theo (tức i = i + 1) trên( hình 3.9) j=j+1 Hình 3.11 Sơ đồ thuật tốn chọn nút chủ cụm 3.5: Mơ q trình phân cụm chọn cụm chủ Q trình mơ thực mạng cảm biến với 50 nút mạng, lắp đặt khơng gian làm việc phòng đặt turbin 300 x 300m Trên (Hình 3.12) thể lắp đặt 50 nút Các nút có giả thiết sau: - Các nút mạng đồng - Các nút làm việc với lượng ban đầu sau - Trạm gốc tọa độ (0,0) không gian làm việc - Các cụm nút giả thiết tĩnh phải nút chủ truyền thông đến nút chủ cụm - Các nút nút chủ truyền thông đến nút chủ chong cụm - Các nút sử dụng định tuyến multihop để truyền thông đến trạm gốc Hình 3.12 Các nút mạng cảm biến lắp đặt hầm turbin theo hình vẽ Các thông số ban đầu (Bảng 3.1) Thông số Giá trị Tổng số nút cảm biến 50 Năng lượng ban đầu cho nút Eim(n) 300 Joules Độ lớn tin (k) tính byte 200 Tổn thất lượng mạch 50 Hệ số khuếch đại Eamp 100 Trạm gốc có tọa độ (0,0) Tất để cụm hình sau: Hình 3.13a Các nút mạng cảm biến hầm turbin không phân cụm Graph Illustrating the Network Life Time 50 45 40 SO NUT CON SONG 35 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 SO VONG 250 300 350 400 Hình 3.13b Miêu tả thời gian sống nút mạng qua 300 vòng thiết lập cụm DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT 200 NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH 180 NANG LUONG CON LAI TINH THEO J (Joules) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10 15 20 25 30 35 40 DINH DANH VE CAC NUT TRING MANG 45 Hình 3.13c Miêu tả lượng lại trung bình mạng 50 Chúng ta thực mô theo phân chia nút mạng theo cụm sau mô cụ thể sau Hình 3.14a Các nút mạng cảm biến hầm turbin chia thành cụm BIEU DO BIEU DIEN THOI GIAN SONG CUA MANG 50 45 SO NUT CON SONG 40 35 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 SO VONG 250 300 350 400 Hình 3.14b Thời gian sống mạng DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT NANG LUONG CON LAI TINH THEO J (Joules) 200 NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 10 15 20 25 30 35 40 DINH DANH VE CAC NUT TRING MANG 45 50 Hình 3.14c Năng lượng lại nút Các nút mạng phân thành cụm Hình 3.15.a Các nút mạng cảm biến hầm turbin chia thành cụm s BIEU DO BIEU DIEN THOI GIAN SONG CUA MANG 50 45 SO NUT CON SONG 40 35 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 SO VONG 250 300 Hình 3.15.b Thời gian sống nút mạng 350 400 DO THI BIEU DIEN NANG LUONG CON LAI O NUT 90 NANG LUONG CON LAI TREN MOI NUT NANG LUONG CON LAI TRUNG BINH 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Hình 3.15.c Năng lượng nút mạng giá trị trung bình Như (Hình 3.13, 3.14 3.15) quan sát cho số lần lặp cho q trình khơng phân cụm, phân cụm, phân cấp mức (2 cụm), phân cụm phân cấp mức (3 cụm) thực tăng lên vòng lặp từ 120 đến 180 330 Thời gian sống nút tăng lên đến 330 vòng thực Cùng ba hình cho thấy dự trữ lượng tăng lên đáng kể, tổng kết sau: Bảng 3.2 cho thấy lượng cho trường hợp Khoảng Giá trị trung bình lượng biến thiên lượng lại nút (J) nút (J) Không phân cụm 21.7008 8.1270 7.4039 Phân cấp mức 29.7538 13.1414 11.7406 Phân cấp mức 48.5569 43.9161 38.5569 Năng lượng lại nút (J) Trong (Bảng 3.2) cho thấy lượng lại sử dụng mức phân cấp mức tăng lên đáng kể KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Sau thời gian em nghiên cứu mạng cảm biến không dây, hệ thống mạng quan trọng, có nhiều ứng dụng nhằm tập trung ngiên cứu với đề tài có nhiều ứng dụng thực tiễn Luận văn thể thực vấn đề sau: - Trình bày khái quát mạng cảm biến khơng dây tốn định tuyến - Một số kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây - Cài đặt thử nghiệm, mô hệ thống mạng cảm biến không dây cho nhà máy thủy điện Hòa Bình - Đã nghiên cứu am hiểu nguyên lý vận hành giao thức sử dụng mạng cảm biến không dây - Đã đề xuất giải vấn đề định tuyến dựa lượng thông qua tạo cụm nút cảm biến nút chủ - Đã đánh giá hoạt động mạng cảm biến không dây thông qua quan sát cho số lần lặp cho q trình khơng phân cụm, phân cụm, phân cấp mức (2 cụm), phân cụm phân cấp mức (3 cụm) Thông qua nghiên cứu luận văn phát triển thêm bước có điều kiện thực nghiệm trường cho triển khai thực tế TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Thế Sơn – Đồ án Thạc Sĩ – 2006: Thiết kế, chế tạo, vận hành đo thử nghiệm mạng cảm nhận không dây - Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia HN [2] Vương Đạo Vy, Nguyễn Thế Sơn, Phùng Cơng Phi Khánh, Hòa Quang Dự, “Building the atmosphere pressure auto measure sytem using MEMS pressure sensor and the testing experiment”, tuyển tập cơng trình Hội nghị Quốc tế học kỹ thuật – 2005 Kuala Lumpur, Malaysia – ICMT – 2005, 5-9/12/2005 [3] PGS.TS Vương Đạo Vy – Mạng truyền liệu [4] Vu Thanh Vinh, Phạm Việt Bình, “A survey of routing using DHTs over wireless sensor networks”, Journal of Computer and Communicaton, USA, 2011 Tiếng Anh [5] D D Coutu, D Aguayo, J Bicket, and R Morris, “A High-Throughput path Metric for Multi-hop Wireless Routing”, In MobiCom’03, San Diego, CA, Sept 2012 [6] Chipcon, CC1010IDE Manual [7] Chipcon, CC1010 Datasheet [8] Topology Control in Wireless Ad Hoc and Sensor Networks by Paolo Santi (2005) [9] User’s guide ITM- 1602A LCM (Liquid Crystal Display Module), 2010 Intech LCD Group Ltd [10] Hill, J, et al System architechture directions for network sensor, in ASPLOS 2012 [11] #search=’LCD1602A’ http://www.supremetronic.com/spec/1602a.pdf [12] Kavin Fall, Kannan Varadhan “The ns Manual” The VINT Project, A Collaboraton between researchers at UC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC December 13, 2013 htp://www.isi.edu/nsnam/ns/ [13] Jamal N Al-Karaki and Ahmed E Kamal, “Routing Techniques in wireless sensor network: A survey”, IEEE Wireless Communicatons, December 2014 ... Khái quát mạng cảm biến không dây 14 1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây 15 1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 15 1.1.2.1: Cấu trúc nút mạng cảm biến không dây ... trúc mạng cảm biến không dây 17 1.1.3: Mô hình mạng cảm biến khơng dây 19 1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm mạng cảm biến không dây 20 1.1.4.1: Ưu điểm mạng cảm biến không dây ... phân cấp, phân cụm, nút mạng với trình giảm thiểu lượng tiêu hao mạng 53 3.4: Phân cụm mạng cảm biến không dây 54 3.4.1: Phân tích lượng tiêu thụ mạng 54 3.4.2: Phân cụm phân