nghien cứu phương phap xac dịnh vị tri nut mạng khong day

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu mạng không dây 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1 Nút cảm biến 1.2.2 Mạng cảm biến 1.2.3 Cấu trúc đặc mạng cảm biến 1.3 Thách thức đặt mạng cảm biến 13 1.4 Các ứng dụng mạng cảm biến 13 1.5 Sự khác biệt mạng WSN mạng truyền thống 14 1.6 Kết luận .15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỊNH VỊ NÚT MẠNG 16 2.1 Pha Phân khoảng .16 2.2 Pha định vị .17 2.3 Một số hệ thống định vị .20 2.3.1 GPS 20 2.3.2 Radar 20 2.4 Một số hệ thống định vị sử dụng mạng cảm biến 21 2.4.1 Hệ thống định vị Beacon-based 21 2.4.2 SpotON 25 2.4.3 Calamari 25 2.5 Xác định vị trí nút mạng 25 2.6 Kết luận 25 CHƯƠNG 3: ĐỊNH VỊ NÚT MẠNG TRONG WSN 26 3.1 Tìm kiếm đối tượng đơn 26 3.1.1Kỹ thuật điện kế 26 3.1.2 Kỹ thuật RSSI 27 3.1.3 Hệ thống Ferret 28 3.1.4 Kết đạt 29 3.2 Định vị toàn mạng 32 3.3 Thuật toán xác định vị trí 36 3.4 Kết luận 36 KẾT LUÂN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 MỞ ĐẦU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ việc nghiên cứu mạng cho giá thành rẻ tiêu thụ lượng ít, đa chức mở rộng hoạt động cách dễ dàng tập trung nghiên cứu.Trong việc nghiên cứu mạng cảm biến phát triển mạnh mẽ đặc biệt hệ thống mạng cảm biến khơng dây (wireless sensor network).Ngày có nhiều ứng dụng mạng cảm biến triển khai Đó ứng dụng theo dõi, tự động hóa, y tế, quân đội an ninh,… Trong tương lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà khơng phải mạngnào có mạng cảm biến Tuy nhiên mạng cảm biến đối mặt với nhiều thách thức vấn đề lượng bị hạn chế Để trì tuổi thọ cho mạng có nhiều cách khác vấn đề định vị trí xác nút mạng Nó giúp giảm cách đáng kể lương cho việc tìm đường định tuyến làm tăng khẳ sống mạng Vì mà luận văn tốt nghiệp “ Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí nút mạng khơng dây ” nghiên cứu tổng quan mạng WSN, tìm hiểu vềcách xác định vị trí nút mạng Luận văn nhóm gồm có chương, lời cảm ơn, mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo Nội dung chương tóm tắt sau: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến, chương giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây, ứng dụng, thách thức đặt với mạng WSN Chương : Cơ sở lý thuyết, chương nghiên cứu sở lý thuyết việc định vi Tìm hiểu số hệ thống định vị sử dụng hệ thống định vị sử dụng mạng WSN Chương : Định vị nút mạng WSN, chương tìm hiểu kỹ thuật định vị thuật tốn để xác định vị trí Chương : Giải số tốn định vị hình học, chương ta xét số ví dụ cụ thể để minh họa cho việc xác định vị trí nút mạng mạng WSN Phần kết luận trình bày vấn đề nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Giới thiệu mạng không dây Trong năm gần đây, với phát triển Internet, truyền thông công nghệ thông tin, hệ thống mạng cảm biến phát triển Nó triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận qn sự, phát thám việc công hạt nhân, sinh học hoá học, chuẩn đoán hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông Một mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phân bố bên tượng phân bố bên cạnh tượng Vị trí nút cảm biến khơng cần phải thiết kế xác định trước, điều cho phép nút cảm biến phân bố ngẫu nhiên địa hình phức tạp Điều có nghĩa giao thức mạng cảm biến thuật tốn phải có khả tự tổ chức Một đặc điểm quan trọng khác mạng cảm biến khả phối hợp nút cảm biến Các nút cảm biến gắn xử lý bên Thay gửi số liệu thơ tới nút đích, chúng sử dụng khả xử lý để thực tính tốn đơn giản truyền số liệu xử lý theo yêu cầu Những ứng dụng mạng cảm biến đòi hỏi phải có kỹ thuật đặc biệt so với kỹ thuật áp dụng cho mạng không dây phi cấu trúc (mạng ad-hoc) Mặc dù nhiều giao thức giải thuật thiết kế cho mạng ad hoc không dây truyền thống, chúng chưa thỏa mãn đặc tính yêu cầu ứng dụng mạng cảm biến Khi số lượng lớn nút cảm biến triển khai mật độ dày nút lân cận phân bố gần lẫn nhau, truyền thông đa bước nhảy mạng cảm biến phải tiêu thụ lượng truyền thơng đơn bước nhảy truyền thống Hơn nữa, lượng phục vụ truyền liệu để mức thấp, chủ yếu dành cho hoạt động chuyển đổi, xử lý Truyền thơng đa bước nhảy khắc phục có hiệu vấn đề lan truyền tín hiệu khoảng cách xa giao tiếp không dây Một yêu cầu ràng buộc quan trọng nút cảm biến mức độ tiêu thụ điện phải thấp Nguồn cung cấp lượng điện cho nút cảm biến có hạn nói chung khơng thể thay Bởi vậy, mạng truyền thống tập trung vào để đạt chất lượng dịch vụ cao giao thức mạng cảm biến phải tập trung chủ yếu giữ gìn lượng Chúng phải có chế cân cho phép lựa chọn việc kéo dài tuổi thọ mạng hay thông lượng thấp, độ trễ cao Các mạng cảm biến gồm có nhiều phương thức thực cảm biến khác cảm biến địa chấn, cảm ứng từ, cảm biến nhiệt, cảm biến hình ảnh, cảm biến hồng ngoại, cảmbiến sóng âm sóng rađa …trong điều kiện bao quanh đa dạng như:nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động phương tiện, điều kiện ánh sáng, sức ép, ô nhiễm, mức độ ồn, có mặt khơng loại đối tượng định, đặc trưng thời tốc độ, hướng, kích thước đối tượng Những nút cảm biến sử dụng cho cảm biến liên tục, phát kiện, định danh kiện, cảm biến vị trí, điều kh iển cục thiết bị khởi động 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1 Nút cảm biến Một nút cảm biến cấu tạo bốn thành phần hình 1.1 gồm: Bộ phận cảm biến (Sensing Unit), phận xử lý (Processing Unit), phận thu phát (Transceiver Unit) phận cung cấp lượng (Power Unit) Ngồi ra, chúng có thành phần bổ sung phụ thuộc ứng dụng như: Hệ thống định vị (Location Finding System); Bộ phận phát điện (Power Generator) phận quản lý di động (Mobilizer) Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai phận nhỏ: sensors phận chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (Analog to Digital Converter -ADCs) Tín hiệu tương tự sản sinh thành phần cảm biến dựa vào quan sát tượng chuyển đổi tới tín hiệu số ADCs, sau chuyển tới phận xử lý.Bộ phận xử lý thường liên quan đến phận lưu trữ nhỏ, quản lý thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với khác để thực nhiệm vụ cảm biến định trước Bộ phận thu phát kết nối nút với mạng Một thành phần quan trọng nút cảm biến phận cung cấp quản lý lượng Bộ phận hỗ trợ phận tiếp thu lượng pin mặt trời Nút cảm biến có phận nhỏ khác phụ thuộc ứng dụng cụ thể Hình Thành phần nút cảm biến Hầu hết kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến tác vụ cảm biến đòi hỏi kiến thức định vị vị trí với độ xác cao, nút cảm biến thường có hệ thống định vị vị trí Ngồi ra, tùy thuộc vào ứng dụng, nút cảm biến trang bị phận quản lý di động để quản lý chuyển động yêu cầu để thực nhiệm vụ định trước Tất phận cần phải tích hợp mơ đun có kích thước nhỏ Ngồi kích thước, nút cảm biến phải thỏa mãn yêu cầu: - Tiêu thụ điện cực nhỏ - Hoạt động mật độ cao - Có chi phí sản xuất thấp khơng thiết yếu - Khơng có định danh thực tự quản trị - Thích ứng với môi trường - Những nút cảm biến thường không tác động được, tuổi thọ mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ nguồn cung cấp lượng cho nút Vì kích thước giới hạn, lượng nút cảm biến trở thành tài nguyên khan 1.2.2 Mạng cảm biến Như hình 1.1, thấy, mạng cảm nhận bao gồm nhiều node cảm biến phân bố trường cảm biến Các node có khả thu thập liệu thực tế, sau chọn đường (thường theo phương pháp đa bước nhảy) để chuyển liệu thu thập node gốc Node gốc liên lạc với node quản lý nhiệm vụ thơng qua Internet vệ tinh Hình 1.1 Phân bố node cảm biến trường cảm biến Việc thiết kế mạng cảm nhận mơ hình Hình 1.1 phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: - Khả chịu lỗi: Một số node cảm biến không hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số node mạng khơng hoạt động - Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tượng, số lượng node cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vào ứng dụng mà số vượt q hàng trăm nghìn node Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để phù hợp với ứng dụng cụ thể - Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm nhận bao gồm số lượng lớn node cảm biến nên chí phí node quan trọng việc điềuchỉnh chi phí mạng Do chi phí cho node cảm biến phải giữ mức thấp - Tích hợp phần cứng: Vì số lượng node cảm biến mạng nhiều nên node cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng sau: kích thước nhỏ, tiêu thụ lượng ít, chi phí sản xuất thấp, thích ứng với môi trường, có khả tự cấu hình hoạt động không cần giám sát - Môi trường hoạt động: Các node cảm biến thường dày đặc phân bố trực tiếp môi trường (kể môi trường ô nhiễm, độc hại hay nước, ) => node cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường thay đổi môi trường - Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm nhận, node kết nối với môi trường không dây, mơi trường truyền dẫn sóng vơ tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống chung cho mạng phương tiện truyền dẫn phải chọn phù hợp toàn giới - Cấu hình mạng cảm nhận: Mạng cảm nhận bao gồm số lượng lớn node cảm biến, phải thiết lập cấu hình ổn định - Sự tiêu thụ lượng: Mỗi node cảm biến trang bị nguồn lượng giới hạn Trong số ứng dụng, việc bổ sung nguồn lượng thực Vì thời gian sống mạng phụ thuộc vào thời gian sống node cảm biến, thời gian sống node cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống pin Do vậy, nhà khoa học nỗ lực tìm giải thuật giao thức thiết kế cho node mạng nhằm tiết kiệm nguồn lượng hạn chế * Kiến trúc giao thức mạng cảm nhận Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm nhận trình bày hình 1.2 Kiến trúc bao gồm lớp mặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý làm cho node làm việc theo cách có hiệu nhất, định tuyến liệu mạng cảm nhận di động chia sẻ tài nguyên node cảm biến - Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo tần số sóng mang, phát tín hiệu, điều chế mã hóa tín hiệu - Lớp liên kết số liệu: có nhiệm vụ ghép luồng liệu, phát khung liệu, cách truy cập đường truyền điều khiển lỗi Vì mơi trường có tạp âm node cảm biến di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề cơng suất phải có khả tối thiểu hóa việc va chạm với thơng tin quảng bá node lân cận - Lớp mạng: quan tâm đến việc chọn đường số liệu cung cấp lớp truyền tải - Lớp truyền tải: giúp trì luồng số liệu ứng dụng mạng cảm nhận yêu cầu Lớp truyền tải cần thiết hệ thống có kế hoạch truy cập thơng qua mạng Internet mạng bên khác - Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, loại phần mềm ứng dụng khác xây dựng sử dụng lớp ứng dụng - Mặt phẳng quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất node cảm biến Ví dụ: - Node cảm biến tắt thu sau nhận tin để tránh tạo tin giống - Khi mức công suất node cảm biến thấp, phát quảng bá sang node cảm biến bên cạnh thông báo mức lượng thấp khơng thể tham gia vào q trình định tuyến Cơng suất lại giành cho nhiệm vụ cảm biến - Mặt phẳng quản lý di chuyển: có nhiệm vụ phát đăng ký chuyển động node Từ xác định xem node hàng xóm - Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: có nhiệm vụ cân và xếp nhiệm vụ cảm biến node vùng quan tâm Tuy nhiên khơng phải tất node vùng thực nhiệm vụ cảm biến thời điểm 1.2.3 Cấu trúc đặc trưng mạng cảm biến - Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.3), tất nút ngang hàng đồng hình dạng chức Các nút giao tiếp với gốc qua multihop sử dụng nút ngang hàng làm tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, nút gần sink đảm bảo vai trò tiếp sóng số lượng lớn nguồn Giả thiết tất nguồn dùng tần số để truyền liệu, chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách có hiệu với điều kiện có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ thời gian, tần số… Hình 1.3: Cấu trúc phẳng mạng cảm biến Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.4), cụm tạo giúp tài nguyên cụm gửi liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến nút định sẵn, thường gọi nút chủ (cluster head) Trong cấu trúc nút tạo thành hệ thống cấp bậc mà nút mức xác định thực nhiệm vụ định sẵn Hình 1.4: Cấu trúc tầng mạng cảm biến Trong cấu trúc tầng chức cảm nhận, tính tốn phân phối liệu khơng đồng nút Những chức phân theo cấp, cấp thấp thực tất nhiệm vụ cảm nhận, cấp thực tính tốn, cấp thực phân phối liệu (hình 1.4) 10 ĐỊNH VỊ NÚT MẠNG TRONG WSN 3.1 Tìm kiếm đối tượng đơn Trong chương chúng em trình bày cách xác định vị trí đối tượng đơn, ví dụ máy laptop, máy video Ferret phát triển hệ thống định vị nút mạng wireless networked sensors (WSN) Hệ thống gồm sở hạ tầng nút biết đáp ứng đèn hiệu cần tìm Các nút sử dụng Ferret làm Mica, hệ thứ hai cảm biến không dây thông minh phát triển Đại học Berkeley California Hình 3.1 Nút mạng làm Mica Mica thương mại hóa bơi Crossbow Nó chưa xử lý ATMEL MHz với tầng số 916MHz Với vấn đề hạn chế không gian lưu trữ lương tiêu thụ pin AA, điều làm cho lập trình viên phải nghiên cứu sâu sắc vấn đề Các nút có 51 chân cho phép kết nối với nhiều mạng cảm biến khác Nó hỗ trợ hệ điều hành TinyOS hệ điều hành nhỏ, mã nguồn mở, tiêu thụ lương nghiên cứu phát triển UC Berkeley Một số khía cạnh phần mềm hệ thống Ferret gồm: - Hệ thống điện kế - Hệ thống cảm nhận cường độ tín hiệu nhận RSSI - Hiệu chỉnh mơi trường 24 Hình 3.2 minh họa giao diện người dùng hệ thống Các đầu vào sử dụng ID nút ( số hiệu điện kế cường độ tín hiệu nhận ) Trong biểu đồ nút ID nút hạ tầng nút hiểu rõ ID hiểu vị trí chúng Tọa độ nút cần tìm đưa vào lỗi định vị xẩy q trình tính tốn kiểm thử Hình 3.2: Giao diện hệ thống Ferret Hệ thống phải thiết lập quan hệ nút khoảng cách nút tín hiệu mà nhận Mối quan hệ khác môi trường khác Ví dụ nhà máy hay ngồi trời Khi hệ thống Ferret di chuyển từ môi trường sang môi trường khác cơng cụ hỗ trợ mơi trường thiết lập mối quan hệ khoảng cách cho môi trường cụ thể Đối với hệ đo điện kế công cụ môi trường đáp ứng khoảng giao tiếp mức công suất truyền cho trước đầu từ môi trường Mối quan hệ khoảng cách lượng 25 Bảng tao cách linh động nhờ chạy công cụ môi trường mơi trương khác Thuật tốn sử dụng hệ hiệu chỉnh hình 3.3 Hình 3.3: Thuật tốn cơng cụ hiệu chỉnh 3.1.1 Kỹ thuật điện kế Trong phần thứ hai ta mô tả chi tiết hệ điện kế hệ cường độ cho Cả hai kỹ thuật truy vấn từ trạm gốc đến đối tượng thông qua nút hạ tầng Trong kỹ thuật đo điện kế đối tượng(nút di dộng ) truyền đèn hiệu nút công suất thấp lắng nghe đáp lại từ nút hạ tầng Tăng công suất nút lên lần truyền Cứ đối tượng nhận ba đáp ứng chuyển tiếp liệu vào nút sở để tính tốn vị trí dựa vào phép đo đạc tam giác Kỹ thuật minh họa hệ thống Ferret hình 3.4 Các đường tròn biểu thị nút hạ tầng thơng qua ID Vòng quay vòng tròn từ bảng đáp ứng cơng suất gửi ví dụ nút nhận giá trị điện kế đo 95 nút dò khoảng 1.5m Hệ thống Ferret tập trung vào giao đường đáp ứng ba nút trả lời Nó tìm kiếm miền giao sử dụng định vị nhờ tiên đốn vị trí (điểm x) 26 Hình 3.4: Kết hệ thống Ferret 3.1.2 Kỹ thuật RSSI Khoảng cách biết trước cường độ tín hiệu có quan hệ với nhau, bước kỹ thuật tiến hành số thực nghiệm Mối quan hệ cần thiết lập hàm tính tốn dựa cường độ tín hiệu nhận RSSI Hinh 3.5 kết thí nghiệm có mẫu giá trị cường độ tín hiệu nhận RSSI tương ứng với khoảng cách khác Trong miền nhỏ khoảng cách mà quan tâm mối quan hệ tuyến tính thiết lập với tỷ lệ 0.796 Hình 3.5: Đo khoảng cách RSSI Phương pháp sử dụng cường độ tín hiệu nhận gửi chuỗi tín hiệu cơng suất truyền đầy đủ Các nút hạ tầng đáp ứng lại đầy đủ tín hiệu mà chúng 27 nghe thấy Nút di động ghi lại số hiệu ID giá trị cường độ tín hiệu cho tất gói tin nhận Nó tính tốn cường độ tín hiệu cho láng giềng nghe xác định ba láng giềng gần cách tìm kiếm giá trị trung bình lớn với kỹ thuật đo điện kế chuyển tiếp liệu trạm sở để tính tốn vị trí Để tính tốn vị trí tiên đốn quan tâm tới điểm (xa,ya) Điểm láng giềng (xi,yi) lỗi Ei ( Ai khoảng cách xác, Di khoảng cách ước tính từ cường độ tín hiệu RSSIi) Kỹ thuật RSSI ươc lượng vị trí khơng gian trạng thái kiểm tra định điểm mà có lỗi Tổng lỗi tính tốn cách kết hợp lỗi từ ba lỗi láng giềng 3.1.3 Hệ thống Ferret Sau là tóm tắt mơ tả từ chương trình vai trò hệ thống theo dõi giải thích đây: Các nút định tuyến cố định: Việc định tuyến lắng nghe thơng điệp gửi đến chúng thực hai tác vụ phụ thuộc vào gói tín hiệu thơng điệp a Nếu thông điệp phép kiểm tra điện kế nút gửi nút di động thực kiểm tra b Tất trường hợp khác đơn giản phát quảng bá thông điệp để quảng bá đến nút khác Tuy nhiên trước phát quang bá xem nhớ cache xem có chắn chưa gửi chưa Trạm sở: Trạm sở đợi thông điệp gửi từ người dùng nút định tuyến Chương trình thực nhiệm vụ từ thơng điệp gửi đến 28 a Nếu thông điệp cổng nối tiếp ứng dụng cố gắng tìm vị trí nút Khi trạm sở gửi tín hiệu quảng bá để nêu yêu cầu tìm ID nút mà gửi từ ứng dụng b Nếu thơng điệp gửi đến radio thị đáp ứng từ mạng mà u cầu Thơng điệp chứa thơng tin vị trí nút động Thơng điệp chuyển đến người dùng thông qua cổng nối tiếp để xử lý hiển thị Nút di động: Nút di động nút mà tìm hệ thống Chương trình lắng nghe thơng điệp gửi đến Khi thơng điệp vị trí đến với ID đích với địa chúng bắt đầu kiểm thử điện kế Nó gửi thơng điệp quảng bá với giá trị cao điện kế Đợi giây đáp ứng từ nút định tuyến Bất nhận nút định tuyến Bất nhận nút định tuyến lưu ID nút định tuyến khoảng cách vào bảng Tiếp tục kiểm tra chừng gặp điều kiện sau a Nút di động nhận đáp ứng từ nút định tuyến láng giềng b Nút di động hoàn thành kiểm thử điện kế mà không cần nghe từ nút Trường hợp thứ hai nút di động khoảng nút di động đặt gói tin gửi trở lại nút sở thông qua nút định tuyến Bộ chuyển tiếp nối tiếp: Ứng dụng cơng cụ Java đính kèm hệ điều hành TinyOS Nhiệm vụ cung cấp đường liên kết vị trí nút với cổng nối tiếp máy tính Cơng việc kèm với việc sử dụng soket TCP/IP với cổng 9000 Bất chương trình muốn giao tiếp với mote đơn giản đọc viết thông điệp lên soket Yêu cầu quảng bá: chương trình liên kết người dùng với chương trình chuyển tiếp serial forwarder Chương trình hiển thị đồ nhà nút định tuyến Giao điểm cho phép người dùng nhập ID nút tìm kiếm Chương trình lấy giá trị lắp ráp thành thông điệp chuyển tiếp lại trạm sở thơng qua trình serial forwarder Khi mạng sensor tìm nút di động trạm sở qua thơng tin vị trí trở lại thơng tin quảng bá chương trình yêu cầu Chương trình hiển thị đồ thị nút đáp ứng tới nút di động khoảng cách nút di động với ba láng giềng gần 3.1.4 Kết đạt Một thử nghiệm thiết lập mạng cảm biến không dây trường Đại học Western Michigan[1] Các chiều phòng 7m 3m với diện tích 21m2 Các thử nghiệm ban đầu sử dụng nút h tầng minh họa hình 3.2 với 3*5 điểm sử dụng cho đối tượng đặt.Các kết 29 hiển thị hình 3.6-3.9 Trong hình 3.6, tối thiểu, tối đa lỗi kỹ thuật điện kế Một đồ thị so sánh thể hình 3.7 cho kỹ thuật RSSI Hình 3.8 thể biến thiên hai kỹ thuật cách vẽ độ lệch chuẩn lỗi Thời gian trung bình để xác định vị trí cho kỹ thuật thể hình 3.9.; Hình 3.7: Kỹ thuật RSSI Một cách để cải thiện tính xác hệ thống, thời gian để xác định vị trí, tăng mật độ nút cố định Thử nghiệm kỹ thuật điện kế kỹ thuật RSSI chạy thử nghiệm hệ thống so sánh cách sử dụng nút cố định 5,7,9,11.Tăng mật độ nút cố định cải thiện tính xác hệ thống, minh họa hai hình 3.6 hình 3.7 Tính xác hệ thống RSSI tiếp tục cải tiến mật độ tăng, tính xác kỹ thuật điện kế phụ thuộc số nút cố định Bởi tăng số lượng nút cố định chi phí tổng thể hệ thống tăng lên Người sử dụng phải định mức độ xác để xác định mật độ nút cố định cho thích hợp 30 Hình 3.9 kỹ thuật điện kế giảm thời gian để định vị mật độ nút cố định tăng Kể từ kỹ thuật RSSI năm mẫu, thời gian để xác định vị trí cách sử dụng hệ thống phụ liên tục khoảng chín giây Số lượng nút định vị biến thiên hai kỹ thuật đòi hỏi mật độ cao Hình 3.8 cho thấy độ lệch tiêu chuẩn hệ thống giảm từ khoảng 20 inch với nút đến khoảng 10 inch với nút 11 Hinh 3.8 Tính biến thiên hai kỹ thuật Hinh 3.9: thời gian định vị hai kỹ thuật Hệ thống Ferret hệ thống định vi mạng khơng dây với chi phí thấp Hệ thống cho kết xác phạm vi 0.6 – 0.9m Bảng cho kết số hệ thống định vị 31 Bảng 3: Một số hệ thống định vị mạng sensor Hệ thống Ferret định vị đối tượng phạm vi 1m mà cần nhiều cải tiến để định vị xa Thứ cảm biến Mica2 có chất lượng cao so với radio.Thứ hai việc hiệu chuẩn hệ thống quan trọng Trong môi trường dầy đặc việc kiểm sốt mơi trường, hiệu chuẩn cách tự động.Một chiến lược hiệu chuẩn mà sử dụng thực tế sử dụng nút biết đến Khi hiệu chuẩn cần thiết, các nút láng giềng trao đổi thông điệp kiểm tra giá trị RSSI Giá trị cho thấy mức độ ổn định môi trường 3.2 Định vị toàn mạng Trong phần trình bày phương pháp xác đ ịnh vị trí đối tương Bây trình bày phương pháp xác định vị trí tất nút mạng cảm biến không dây Trong chương I thảo luận tầm quan trọng vấn đề Trong thực tế khơng thể trang bị cho tất nút cảm biến hệ thống GPS Một số phương pháp tiếp cận sử dụng tính tốn lặp lặp lại đểcho vị trí nút mạng cảm biến Việc tính tốn lặp lặp lại gây lãng phí lượng mà vấn đề lượng vấn đề cốt lõi 32 hệ thống mạng sensor Vì mà chúng tơi trình bày cách xác định vị trí nút mạng cảm biến mà sử dụng lượng cách hiệu Mục đích tìm vị trí nút mạng mà cho trước tập nút Đôi ứng dụng thường phù hợp cho liệu đẩy nút sở Điều cho kết lượng cải thiện tăng độ xác Kỹ thuật phần trình bày chiến lược tiến hóa Nó độc lập với phương pháp phân khoảng Thường sử dụng ước lượng đểtính khoảng cách nút nút sở Liên quan đến việc tính tốn phương pháp đề xt cung cấp việc tiết kiệm lượng đáng kể so với phương pháp khác việc so sánh yêu cầu láng giềng cho nút cảm nhận thay ba nút giềng kỹ thuật khác.Bởi việc tiêu thụ lượng lớn lên đưa phương pháp tối ưu lặp Nó khơng phải luôn phù hợp với mạng phân tán thực tế Những kỹ thuật phù hợp với việc thực kiểu chủ tớ (nút sink làm chủ) thực lượng lớn tính tốn Phần chúng tơi sẽtrình bày phương pháp sử dụng lượng cách hiệu để xác định vị trí nút mạng có biết trươc số nút Việc sử dụng chiến lược tiến hóa độc lập với phương pháp ước lượng khoảng cách nút với nút sở Trong chương trình trước chúng tơi phát triển hệ thống Ferret sửdụng sóng radio để xác định vị trí đối tượng vòng 1m Hệ thống sử dụng nút cố định để xác định vị trí Những đặc tính tương tự đề xuất hệ LESS so sánh bao gồm: - Chỉ cần nút láng giềng cho nút mạng cảm biến thay ba nút láng giềng kỹ thuật khác - Tiêu thụ lượng - Kỹ thuật tối ưu hóa lượng dựa vào chiến lược tiến hóa - Các nút sở tham gia vào việc tính tốn Vì tốn xác định vị tri tốn NP-khó Kỹ thuật heuricstic phải sử dụng để giải tốn thời gian đa thức Đó thách thức cần phải giải thực tế khoảng cách khơng xác cặp nút Thay vào việc ước tính ta sử dụng xấp xỉ để tính khoảng cách Chiến lược tiến hóa kỹ thuật sử dụng thành công số tốn khó phương pháp sử dụng hệ LESS Hệ thống LESS: Chiến lược tiến hóa dựa nguyên tắc lựa chọn hiệu chỉnh thời gian tự nhiên Mỗi hệ (sự lặp lại thuật toán) phải tiềm phát tán thực biến đổi di truyền để biến đổi vật liệu di truyền(các tham số di truyền) để tạo hệ mới, cha ước tính 33 cá thể có phù hợp tồn phát triển Cho (µ + ) (µ, ) phiên chiến lược tiến hóa µ cha tạo ra, Sử dụng chế kết hợp and/or Mặc dù (µ, ) phiên tốt phiên µ Đó khác biệt phương pháp lựa chọn Sự khác phương pháp lựa chọn (µ + ) phiên bản, µ cá nhân tạo từ cha mẹ mồ côi tạo thàh cộng đồng hệ Mặt khác phiên (µ, ) µ cá thể tốt lựa chọn ( > µ) hệ Phát triển hệ thống LESS dựa chiến lược tiến hóa Dựa vào kết thực định phát triển hệ thống LESS dựa vào sử dụng (µ +) chiến lược tiến hóa LESS ước lượng tất nút mạng cho vị trí nhóm nhỏ nút Nó ước lượng việc sử dụng vịtrí số nút biết Mặc dù kỹ thuật phân khoảng tạo số lỗi định vị nhỏ LESS không phát triển kỹ thuật phân khoảng Hệthống giả định tập nút neo nhận thức vị trí chúng Nút neo đặt vào vị trí biết trang bị GPS Đơn giản hệ thống giảđịnh tín hiệu thẳng hướng từ hệ thống Tất nút có phạm vi truyền Mỗi nút có láng giềng Một số kỹ thuật định vị trước gặp thất bại mà nút khơng có ba láng giềng trở lên.Từng cá thể hệ chiến lược tiến hóa giải tính phù hợp cá thể Các cá thể phù hợp trình bày lại việc gắn định vị cặp đặt mà khoảng cách đặt gần với phương pháp ước tính khoanh vùng chúng Các cá thể phù hợp tính tốn việc tìm khác cặp vị trí, nút ước lượng vùng Sau tính tổng hình vng khác biệt này(Hình 3.10 phương trình 1) Đặc biệt với giải thuật tiến hóa kết thúc khi: - Các hệ cố định - Mức cá thể phù hợp - Chiến lược tiến hóa khơng có cải thiện LESS thực sau: Mỗi nút sử dụng kỹ thuật phân khoảng (ranging ) để ước lượng khoảng cách nút tới láng giềng Các cặp khoảng cách láng giềng chuyển tiếp đến nút sở Giả sử nút có sở nút cảm nhận mà thiết bị có lực tính tốn mạnh ví dụ máy tính Thiết bị khác nút cảm nhận Khởi tạo quần thể gồm µ cá thể việc lựa chọn cho N nút mạng lựa chon Các nút neo đặt vị trí 34 xác Các nút láng giềng nút neo đặt kế bên Các nút khác khơng phải láng giềng nút neo đặt ngẫu nhiên Mỗi cá thể, hệ áp dụng thuật toán trộn (đột biến) Việc lượng hóa tất cá thể tính lượng phù hợp chúng Hàm phù hợp giả sử hình vng vị trí nút ước lượng khoảng( công thức 1) Chọn cá thể phù hợp sống sót cá thể lại loại bỏ Lặp lại bước ba điều kiện không phù hợp(ba điều kiện không thỏa mãn dừng) Phép đột biến thực ứng dụng ngẫu nhiên với bốn toán tử sau a Chọn ngẫu nhiên nút mà nút neo di chuyển chúng theo hướng trục X khoảng Δx b Chọn ngẫu nhiên nút mà nút neo di chuyển chúng theo hướng trục Y khoảng Δy c Chọn ngẫu nhiên hai nút nút neo trao đổi tọa độ x d Chọn ngẫu nhiên hai nút nút neo trao đổi tọa độ y Hình 3.10: Lỗi định vị phép đột biến 35 Hình 3.10 minh họa hoạt động đột biến cải thiện tính phù hợp để cải thiện hệ thống LESS Hình 3.10a, Xa vị trí xác nút láng giềng N1, N2, N3 với khoảng cách xác X láng giềng liệt kê a1, a2, a3 Hình 3.10a, Xe vị trí ước lượng cá thể giải thuật cá thể giải thuật tiến hóa Ước lượng dẫn tới khoảng cách láng giềng d1, d2, d3 Có thể tính tốn việc tính tổng n nút mạng cảm nhận bốn toán tử giao hợp nêu Giả sử thứ lựa chọn điều di chuyển đến vị trí ước lượng Δx theo trục x (hinh 3.10b) Toán tử đột biến di chuyển vị trí ước tính Xe gần vị trí xác việc thay tọa độ x chúng với khoảng cách ước lượng gần khoảng cách xác lỗi theo cơng thức nhỏ Điều làm tăng khả phù hợp tiềm phép giải mã cải thiện hội sống sót hệ 3.3 Thuật tốn xác định vị trí Một số thực nghiệm lược đồ trọng số không cân bằng.Trong mô cụm láng giềng xây dựng nút hình Sau phần mền thực vị trí P lưới Đối với vị trí P giả lệnh tính tốn lược đồ trọng số không cân lược đồ trọng số cân Trong trường hợp đặc biệt ước lượng trọng số chứa lỗi gây lược đồ trọng số không cân biến ước lượng khơng xác chứa lỗi biến trung bình trọng số cân Các giá trị lỗi có trạng thái khoảng cách trung gian vị trí xác P vị trí tính tốn Sự khác biệt khoảng cách không gian vị trí thực vị trí tính tốn Bất giá trị vị trí phản ánh vector khoảng cách P vector vị trí giả định.Phương pháp đề xuất vị trí tính tốn gắn với vị trí thực P so với đề án trọng số 3.4 Kết luận Trong mạng WSN việc xác định vị trí nút mạng cần thiết Trong chương tìm hiểu số kỹ thuật định vị điện kế, kĩ thuật RSSI sử dụng chiến lược tiến hóa để xác định vị trí nút mạng thơng qua tìm hiểu hai hai hệ thống Ferret hệ thống LESS 36 KẾT LUẬN Các khái niệm vấn đền liên quan đến mạng cảm biến vấn vấn đề mẻ với nhiều người Trong đồ án em trình bày tổng quan mạng cảm biến Với tính ưu việt với ứng dụng đa dạng làm việc điều kiện khắc nhiệt mà khơng phải mạng có Vì mà tương lai khơng xa mạng cảm biến phát triển nhanh chóng Em hy vọng đồ án đóng góp phần nhỏ vào việc nghiên cứu lĩnh vục tương đối mẻ Việt Nam.Trong phạm vi đồ án em nghiên cứu khái quát mạng cảm biến tìm hiểu nguyên lý định vị phương pháp định vị giải thuật định vị nút mạng Và biết cách xác định vị trí nút mạng biết cách tính tốn xác định vị trí nút mạng thơng qua số toán Do vấn đề mẻ với kiến thức hạn chế thời gian nghiên ngắn lên đồ án em không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận phê bình, thầy để đồ án em hoàn thiện Một lần em xin cám ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Mark Terwilliger, Ajay Gupta, Vijay Bhuse, Zille Huma Kamal, and Mohammad Ali Salahuddin, "A Localization System using Wireless Network Sensors: A Comparison of Two Techniques", The Proceedings of the First Workshop on Positioning, Navigation and Communication, Hannover, Germany, March 2004 J Hill, R.Szewczyk, A.Woo, S Hollar, D Culler, and K Pister, “System Architecture Directions for Networked Sensors,” Proceedings of the 9th International Conference on Architectural Support for rogramming Languages and Operating Systems, November 2000 Mark Terwilliger, Ph.D Western Michigan University, 2006 D Fogel, Evolution Computation, IEEE Press, 1995 Sensor Networks Thomas Haenselmann September 29, 2008 Networking Wireless Sensor, Bhaskar Krishnamachari, Cambridge University Press 2005 Jeffrey Hightower, Gaetano Borriello, Location Systems for Ubiquitous omputing, IEEE Computer, August 2001 37 38