Nội dung Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và ZigBee của đề tài có các chương như sau: Chương 1 - Tổng quan mạng cảm biến. Chương 2 - Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây. Chương 3 - Xây dựng mạng cảm biến dựa trên giao thức LEACH và ZigBee. Chương 4 - Xây dựng hệ thống và đánh giá giải pháp. Chương 5 - Kết luận.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã Số: … TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà nội, 05/2018 Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến Chương khái quát kiến thức chung mạng cảm biến không dây Đầu chương giới thiệu mạng cảm biến không dây gì, mạng cảm biến khơng dây áp dụng vào nhiều lĩnh vực đặc điểm, tầm quan trọng mạng cảm biến không dây nghiên cứu sống Tiếp theo viết cấu trúc bản, kiến trúc giao thức mạng mạng cảm biến không dây Cuối chương ứng dụng cụ thể nhiều lĩnh vực mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây mang lại hiệu lớn nhiều lĩnh vực sống nghiên cứu Rất nhiều ứng dụng sử dụng mạng cảm biết không dây như: Theo dõi thông số sức khỏe bệnh nhân, thăm dò địa hình phức tạp, theo dõi điều kiện sống tự nhiên,… giúp cho người sử dụng thuận lợi trình làm việc Mạng cảm biến không dây chứng tỏ thể vị lĩnh vực cơng nghệ Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu, dự án thực tiễn nhằm nâng cấp, phát triển, xây dựng mạng cảm biến không dây như: ZigBee, Leach, Leach C, Leach F, Network RC, P2P,… Tôi chọn đề tài nghiên cứu mạng cảm biến không dây với mong muốn đóng góp phần nhỏ bé vào cơng phát triển mạng cảm biến không dây giới Nội dung đề tài có chương sau: - Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến - Chương 2: Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây - Chương 3: Xây dựng mạng cảm biến dựa giao thức LEACH ZigBee - Chương 4: Xây dựng hệ thống đánh giá giải pháp Chương 5: Kết luận Chương 2: Các giao thức định tuyến mạng cảm biến 2.1 Tổng quan Phần 2.1 trình bày khái niệm giao thức định tuyến mạng cảm biến khơng dây Trong phần tơi trình bày ba loại giao thức định tuyến hay dùng mạng cảm biến, định tuyến trung tâm liệu (data-centricprotocol), định tuyến phân cấp (hierarchical-protocol) địnhtuyến dựa vào vị trí (location-based-protocol) 2.2 Giao thức LEACH Phần 2.2 trình bày giao thức LEACH Trong viết khái niệm đặc điểm giao thức LEACH 2.3 Giao thức nâng cấp LEACH-C Phần 2.3 trình bày giao thức LEACH-C, giao thức LEACH-C giao thức nâng cấp LEACH Trong trình bày đặc điểm LEACH-C cách LEACH-C giải vấn đề gặp phải LEACH 2.4 Mạng cảm biến không dây ZigBee Phần 2.4 trình bày khái niệm, cấu trúc mạng cảm biến không dây ZigBee Trong phần viết mạnh mà ZigBee đạt vướng mắc gặp phải ZigBee 4 Chương 3: Xây dựng mạng cảm biến dựa giao thức LEACH ZigBee Chương trình bày cách thức đưa giao thức LEACH vào ZigBee để giải vấn đề gặp phải ZigBee 3.1 Đặt vấn đề Mục đích nghiên cứu luận văn nghiên cứu, tìm hiểu mạng cảm biến khơng dây ZigBee giao thức truyền thơng LEACH Sau áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee nhằm giúp ZigBee mạng cảm biến không dây nói chung giải vấn đề gặp phải : Tiết kiệm lượng, kéo dài sống ổn định cho nút thành phần mạng 3.2 Giải pháp đề xuất: Với lợi mạng lại lớn nên ZigBee dường phổ cập việc xây dựng mạng cảm biến Rất nhiều nhà sản xuất sản xuất thiết bị truyền thông hướng đến áp dụng ZigBee vào sản phẩm họ Mơ hình mạng ZigBee xây dựng nhằm mục đích hướng đến ổn định tính linh hoạt mạng cảm biến không dây Nhưng qua ta thấy việc tiết kiệm lượng khơng nhắc đến ZigBee Những mơ hình mạng áp dụng ZigBee sử dụng phương pháp tiết kiệm liệu thông qua thiết bị mà họ sử dụng Cho nên đề tài muốn đưa phương thức tiết kiệm lượng vào mơ hình mạng ZigBee Nhằm tiết kiệm lượng ln mơ hình mạng khơng đơn thiết bị sử dụng Tôi chọn Xbee thiết bị truyền thơng Xbee sản xuất dường để áp dụng ZigBee vào Xbee truyền thông ổn định, mức lượng tiêu thụ khơng cao có chức tiết kiệm lượng hiệu Với Xbee định tuyến đường truyền cách dễ dàng lúc lập trình LEACH giao thức truyền thông mạng cảm biến không dây, khả đặc biệt LEACH việc tiết kiệm quản lý lượng lúc truyền thông cho thiết bị Qua tơi muốn áp dụng giao thức LEACH vào thiết bị cụ thể Xbee sử dụng mơ hình truyền thơng ZigBee Trong đề tài nghiên cứu việc xây dựng mạng cảm biến khơng dây sử dụng mơ hình ZigBee sử dụng phương thức truyền thông theo giao thức LEACH 3.3 Cách thức triển khai giai pháp Phần 3.3 trình bày phương pháp triển khai giải pháp đưa Phần chủ yếu viết cách thức giải vấn đề gặp phải Chương 4: Xây dựng hệ thống đánh giá giải pháp 4.1 Tổng quan hệ thống Phần 4.1 giới thiệu tổng quan hệ thống viết thành phần, cấu trúc hệ thống 4.2 Các thiết bị phần cứng Phần 4.2 trình bày cụ thể thiết bị phần cứng liên quan hệ thống 4.2.1 Thiết bị truyền thông Xbee Phần 4.2.1 Giới thiệu thiết bị truyền thông Xbee viết lịch sử đời, cấu tạo, phiên Xbee Phần viết thêm mạch vấn đề gặp phải thiết bị truyền thông Xbee 6 4.2.2 Bo mạch Arduino Phần 4.2.2 giới thiệu bo mạch Arduino Phần trình bày cấu trúc, cách thức hoạt động, ứng dụng Arduino thực tiễn 4.2.3 Cài đặt hệ thống Phần 4.2.3 trình bày cách thức cài đặt cho thiết bị Xbee hoạt động theo mô hình mạng ZigBee cài đặt cho bo mạch Arduino giao tiếp với Xbee 4.3 Xây dựng nút SINK Phần 4.3 trình bày cách thức xây dựng nút chủ (SINK) hệ thống 4.4 Xây dựng nút Cluster Head Phần 4.4 trình bày cách xây dựng nút Cluster Head hệ thống để vừa thu thập vừa đóng vai trog Cluster Head 4.5 Lắp đặt chạy thử hệ thống Phần 4.5 trình bày cách lặp đặt hoàn thành hệ thống Phần hệ thống hoạt động nào, vấn đề hệ thống gặp phải hoạt động thực tế 4.6 Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện Phần 4.6 trình bày cách lắp đặt thêm hệ thống đo mức tiêu thụ điện thành phần tròn hệ thống Phần viết thông số mà đo đạc thực tế để qua đánh giá mức tiêu thụ điện hệ thống cũ hệ thống Chương 5: Kết luận Khi nghiên cứu chạy thử mơ hình mạng ZigBee qua thiết bị Xbee tơi nhận thấy mạng cảm biến khơng dây ZigBee gặp phải hai vấn đề chưa tối ưu hóa sau đây: - Kéo dài sống ổn định mạng cảm biến không dây ZigBee - Đo mức lượng tiêu thụ thiết bị nhằm hỗ trợ mạng cảm biến hoạt động hiệu Sau tơi nghiên cứu giao thức LEACH suy nghĩ, định áp dụng giao thức LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee để giải hai vấn đề Để giải vấn đề áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee Trong giao thức LEACH hệ thống mạng chia làm ba thành phần : Nút chủ cụm, nút ClusterHead, nút non ClusterHead nút Khi áp dụng giao thức LEACH vào ZigBee nút chủ cụm nút Coordinator Zigbee, nút ClusterHead hoạt động giống với nút Router nút có chức tương tự với nút End Device Zigbee Có hai đặc điểm khác biệt đây: - Nút ClusterHead lựa chọn từ nút chu kỳ Sau số chu kỳ định tất nút có lần trở thành nút ClusterHead Như việc tiêu tốn lượng phải hoạt động liên tục nút Router mạng ZigBee giải Những nút xa không cố định đường truyền đến Router hay Coordinator mà truyền đến nút ClusterHead gần tốn lượng - Thiết bị Xbee cài đặt sử dụng mạng cảm biến ZigBee truyền thơng gói tin theo phương thức BroadCast Tất gói tin phát xung quanh Router Coordinator tiếp nhận gói tin tiêu tốn lượng việc xác định trước địa đến gói tin Việc định tuyến cụ thể cho gói tin giải vấn đề Để giải vấn đề hai sử dụng giao thức cải tiến LEACH-C LEACH-C sử dụng số mức lượng để lựa chọn nút ClusterHead việc đo lường lượng thiết bị tơi trình bày khó khăn, phải đầu tư thêm thiết bị ngoại vi Trong đề tài đề xuất sử dụng hiệu suất truyền nhận gói tin thay mức độ tiêu thụ lượng thiết bị Thiết bị truyền thông khơng dây có hiệu suất truyền nhận gói tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Khoảng cách, vật cản, mơi trường, chất lượng thiết bị,… Khi mạng có hai nút ClusterHead trở lên, từ nút xét lựa chọn ClusterHead để truyền liệu đến Nút xét so sách hiệu suất truyền liệu nút ClusterHead Nút có hiệu suất truyền liệu cao nhận ClusterHead thực việc truyền liệu Hiệu suất truyền liệu cao chứng tỏ điều kiện thuận lợi hai nút với Với yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất truyền liệu phân tích chứng minh việc tiêu thụ lượng thiết bị tiết kiệm hơn, hiệu Xây dựng mạng cảm biến không dây ZigBee đặt điều kiện cụ thể để phân tích lợi thế, yếu điểm ZigBee như:Theo dõi mạng hoạt động thời gian dài, tần suất hoạt động cao, lưu lượng thơng tin truyền mạng lớn, vị trí địa lý nút khơng thuận lợi,… sau rút yếu điểm nêu như: Thời gian sống không dài, cách thức truyền tin lãng phí,… Nghiên cứu giao thức LEACH rút lợi giao thức : Tiết kiệm lượng, thời gian sống mạng cảm biến khơng dây cao, định tuyến gói tin cụ thể Áp dụng giao thức LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee để giải vấn đề gặp phải Xây dựng hệ thống đo đạc, kiểm soát lượng để chứng minh lợi mang lại sử dụng phương pháp 9 Sau nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây sử dụng phương thức LEACH ZigBee rút ưu điểm vấn đề gặp phải sau: - Ưu điểm : o Thời gian hoạt động mạng kéo dài o Tiết kiệm lượng o Tiết kiệm tài nguyên mạng o Hiệu suất truyền tin tốt - Vấn đề gặp phải : o Theo dõi, đối sánh cần thực thời gian dài đảm bảo độ xác cao o Lượng công việc khối điều khiển nhiều o Số lượng chất lượng thiết bị bị hạn chế Trong thời gian nghiên cứu học tập cố gắng khắc phục vấn đề gặp phải đến mức thấp Khi hồn thành nghiên cứu tơi thu kiến thức ưu điểm mà đề tài mang lại Tôi nhận thấy ưu điểm tốt để cải thiện mạng cảm biến không dây ZigBee Tơi hi vọng nghiên cứu đóng góp phần vào cơng phát triển mạng cảm biến không dây giới 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] www.arduino.vn Website giới thiệu hướng dẫn sử dụng Arduino [2] http://automation.net.vn Tiếng Anh [3] Robert Faludi (2011), “Building Wireless Sensor Networks: with ZigBee, XBee, Arduino, and Processing”, O’Reilly Media-Inc.-1005 Gravenstein HighWay North – Sebastopol – CA 95472 [4] Vongsagon Boonsawat, Jurarat Ekchamanonta, Kulwadee Bumrungkhet, and Somsak Kittipiyakul (June 2012), “XBee Wireless Sensor Networks for Temperature Monitoring”, Thammasat University, Pathum-Thani, Thailand 12000 [5] Nejla Rouissi, Hamza Gharsellaoui (2017), “Improved Hybrid LEACH Based Approach for Preserving Secured Integrity in Wireless Sensor Networks”, Carthage University, Tunisia [6] Geetha V , Pranesh.V Kallapur , Sushma Tellajeera (2012), “Clustering in Wireless Sensor Networks: Performance Comparison of LEACH & LEACH-C Protocols Using NS2”, Department of Information Technology, NITK, Surathkal, Karnataka, India [7] I.F Akyildiz, W Su*, Y Sankarasubramaniam, E Cayirci (2011), “Wireless sensor networks: a survey”, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA 11 [8] Yawei Zhao, Guohua Zhang, Zhongwu Xia, and Xinhua Li (2011), “Improved ZigBee Network Routing Algorithm Based on LEACH”, School of Information Science & Engineering, Shenyang Ligong University, 110159 Shenyang, China ... cứu luận văn nghiên cứu, tìm hiểu mạng cảm biến khơng dây ZigBee giao thức truyền thơng LEACH Sau áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee nhằm giúp ZigBee mạng cảm. .. nghiên cứu giao thức LEACH suy nghĩ, định áp dụng giao thức LEACH vào mạng cảm biến không dây ZigBee để giải hai vấn đề Để giải vấn đề áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào mạng cảm biến không. .. mạng cảm biến không dây nghiên cứu sống Tiếp theo viết cấu trúc bản, kiến trúc giao thức mạng mạng cảm biến không dây Cuối chương ứng dụng cụ thể nhiều lĩnh vực mạng cảm biến không dây Mạng cảm