Đồ án đa thâm nhập môi trường trong mạng WSN

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iii Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 1.2.1 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến 1.2.2 Các thành phần node cảm biến .8 1.2.3 Mơ hình mạng mạng cảm biến khơng dây .11 1.3 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây .16 1.3.1 Ứng dụng quân đội 16 1.3.2 Ứng dụng môi trường 16 1.3.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 17 1.3.4 Ứng dụng gia đình 18 1.4 Kết luận 18 Chương II: Đa thâm nhập môi trường mạng WSN 19 2.1 Giới thiệu .19 2.2 Thủ tục thâm nhập môi trường MAC WSN 19 2.2.1 Các loại MAC mạng WSN 19 2.2.2 Yêu cầu giao thức MAC mạng WSN 20 23 2.2.4 Vấn đề truy cập kênh không dây 25 2.3 Thủ tục cạnh tranh giao thức MAC WSN .28 28 2.3.2 31 2.4 Giới thiệu IEEE 802.15.4 MAC 33 Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 2.4.1 Phương thức mạng cấu trúc siêu khung 34 2.4.2 Quản lý khe thời gian đảm bảo .36 2.4.3 Chế độ truyền liệu 36 2.5 Kết luận 37 Chương III Thực nghiệm, đánh giá hiệu truyền nhận gói tin mạng cảm biến khơng dây 38 3.1 Mục đích, yêu cầu thiết bị thực nghiệm 38 3.1.1 Mục đích 38 3.1.2 Yêu cầu thực nghiệm .38 3.1.3 Các thiết bị thực nghiệm 39 3.2 Giới thiệu phần mềm nhúng 39 3.2.1 Các bước xây dựng phần mềm nhúng 41 3.2.2 Phần mềm nhúng viết cho CC1010 41 3.3 Thực nghiệm đo hiệu truyền nhận gói tin mạng WSN 47 3.3.1 Sơ đồ thực nghiệm thuật toán 48 3.3.2 Tiến hành thực nghiệm kết đo 50 3.4 Kết luận hướng nghiên cứu 53 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Vương Đạo Vy, giảng viên trường Đại học Công Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội , người trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình cho em hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn thầy giáo, cô giáo cán Khoa Công nghệ thông tin Trường Đại học Dân lập Hải Phòng cung cấp kiến thức cho em suốt học kỳ qua, để em có tảng sở thực đồ án Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình bạn bè ln tạo điều kiện thuận lợi, động viên giúp đỡ em suốt thời gian học tập, trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, 07/2019 Sinh viên Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 iii LỜI NÓI ĐẦU Ngày nhờ có tiến nhanh chóng khoa học công nghệ phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận ý đáng kể Hiện người ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong tương lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà mạng có mạng cảm biến khơng dây Tuy nhiên mạng cảm ứng phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn nạp lại Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Mạng cảm biến lĩnh vực sâu rộng, đồ án “Đa thâm nhập môi trường mạng WSN” giới thiệu cách khái quát đặc điểm mạng cảm biến khơng dây Sau tập trung tìm hiểu thủ tục đa thâm nhập môi trường cạnh tranh mạng cảm biến không dây đánh giá hiệu truyền nhận gói tin phần mềm nhúng môi trường mạng cảm biến không dây Đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây Chương 2: Đa thâm nhập môi trường mạng WSN Chương 3: Thực nghiệm đánh giá hiệu truyền nhận gói tin mạng cảm biến không dây DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledge Tin báo nhận Bộ chuyển đổi tương tự/số ADC Analog Digital Converter sang số/tương tự GPS Geopositioning System Hệ thống định vị địa lý Institute IEEE of Electrical Electronic Engineering and Tổ chức kỹ nghệ Điện Điện Tử Điều khiển truy cập môi MAC Medium Access Control trường Thời gian truy cập cạnh CAP Contention Access Period tranh PHY Physical Tầng vật lý RF Radio Frequency Sóng radio ROM Read-Only Memory Bộ nhớ đọc RAM Random-Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây Đa truy cập phân chia theo TDMA Time-division multiple access Carrier Sense Multiple Access CSMA PDA thời gian Đa truy cập cảm nhận sóng mang Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan mạng WSN Chương I: Tổng quan mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây * Định nghĩa: Một mạng cảm biến không dây mạng không dây mà node mạng vi điều khiển sau cài đặt phần mềm nhúng kết hợp với phát sóng vơ tuyến với cảm biến có khả thu nhận, xử lý liệu từ node mạng môi trường xung quanh node mạng Những node cảm biến bao gồm thành phần: vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, thu phát không dây, nguồn ni Kích thước cảm biến thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng Do số lượng node mạng lớn, triển khai nhiều nơi địa lý phức tạp, nên khả thay nguồn nuôi cho node mạng gần Do việc quản lý lượng để tăng thời gian sống cảm biến vấn đề trọng tâm mạng cảm biến không dây ( bao gồm lựa chọn phần cứng, chương trình nhúng node) Bởi mà tùy theo loại ứng dụng mà ta lựa chọn node mạng phù hợp * Đặc điểm mạng cảm biến không dây: - Khả tự cấu hình, u cầu khơng có can thiệp người - Truyền thông vô tuyến truyền đa bước - Triển khai với số lượng lớn phạm vi rộng - Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi môi trường truyền node mạng lỗi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 - Năng lượng, nhớ, khả xử lý có hạn Nhờ khả triển khai phạm vi rộng khả tự cấu hình cho mục đích giám sát, cảnh báo… Ví dụ giám sát cảnh báo cháy rừng, cảnh báo lũ, quân Thêm vào sử dụng kênh truyền vô tuyến nên đầu tư triển khai sở hạ tầng mạng, thiết bị phần cứng có khả tích hợp cao tốn lượng Bởi ứng dụng mạng cảm nhận không dây ngày phổ biến cho ứng dụng như: quân sự, ứng dụng gia đình, giám sát, cảnh báo… 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các node cảm biến phân bố trường cảm biến, chức node thu thập liệu đối tượng khu vực triển khai, truyền chuyển tiếp liệu node sở ( Base station, Sink) Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Sink thực thể, thơng tin u cầu Sink thực thể bên mạng (là node cảm biến) ngồi mạng Thực thể ngồi mạng thiết bị thực ví dụ máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, đơn gateway mà nối với mạng khác lớn Internet nơi mà yêu cầu thực thông tin lấy từ vài node cảm biến mạng 1.2.1 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến Như ta biết mạng cảm biến không dây triển khai với số lượng lớn node cảm biến phạm vi rộng, node cảm biến có giới hạn khả lưu trữ đặc biệt vấn đề lượng Dưới số đặc điểm bật cấu trúc mạng cảm biến: Khả chịu lỗi: thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số node mạng khơng hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả mở rộng: tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể mà số lượng node cảm biến triển khai Do mạng cần phải có khả mở rộng để làm việc với số lượng lớn node cảm biến triển khai Môi trường triển khai: Các node cảm biến thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tượng để quan sát Vì thế, chúng làm việc vùng xa xơi người khó kiểm sốt Chúng làm việc bên máy móc lớn, đáy biển, vùng mơi trường nhiễm, gia đình tịa nhà lớn Tùy thuộc vào mơi trường triển khai mà node cảm biến thiết kế cho phù hợp Phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến multihop, node kết nối phương tiện khơng dây Các đường kết nối tạo nên sóng vơ tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống mạng này, phương tiện truyền dẫn phải chọn phù hợp Chi phí sản xuất: Vì mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn node cảm biến phí node quan trọng việc điều chỉnh chi phí tồn mạng Do chi phí node cảm biến phải giữ mức thấp Ràng buộc phần cứng: Vì số lượng node mạng nhiều nên node cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng sau: Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ lượng thấp, có khả hoạt động nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả tự trị hoạt động khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với môi trường Topo mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node triển khai trường cảm biến Mật độ node lên tới 20node/m3 Do số lượng node cảm biến lớn nên cần phải thiết lập topo mạng ổn định Chúng ta kiểm tra vấn đề liên quan đến việc trì thay đổi cấu hình pha sau: - Pha tiền triển khai triển khai: node cảm biến đặt lộn xộn xếp theo trật tự trường cảm biến Chúng triển khai cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, đặt - Pha hậu triển khai: sau triển khai, thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí node cảm biến, khả đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển vật cản,…), lượng thích hợp, cố, nhiệm vụ cụ thể - Pha triển khai lại: Sau triển khai cấu hình, ta thêm vào node cảm biến khác để thay node gặp cố tùy thuộc vào thay đổi chức Sự tiêu thụ điện (power consumption): Các node cảm biến khơng dây coi thiết bị vi điện tử trang bị nguồn lượng giới hạn ( data) error = data -1; else error = error + (data - test -1); test =data; Trong đó: test chứa giá trị nhận trước đó, data giá trị nhận tại, error số lỗi truyền Khởi tạo Khởi tạo Data=1 Test=0, Error=0 Truyền data Nhận data Delay F Có data? T F Test> data Error= error + ( data- test – 1) Test = data T Data= Data+1 Error= data -1 F Data>10 T Hình 3.3a: Thuật tốn node truyền Hiển thị FData= 100 T Hình 3.3b: Thuật tốn node nhận Nếu gói tin gửi thành cơng, số lỗi error giữ nguyên, gói lỗi error tăng lên giá trị giá trị truyền trừ giá trị trước bắt đầu lỗi trừ 3.3.2 Tiến hành thực nghiệm kết đo Mối liên hệ khoảng cách hiệu truyền nhận gói tin: Tiến hành đo tỷ lệ nhận gói trình truyền nhận địa điểm khác nhau, cho ta đồ thị hình 3.14 Ở mơi trường khoảng khơng rộng lớn, khơng có vật chắn (thí nghiệm thực sân Mỹ Đình vào 10AM-11AM, nhiệt độ trung bình tầm 29- 36oC, người qua lại) mơi trường có vật chắn: cối, nhà… (thí nghiệm thực sân trường ĐHQG Hà Nội tầm 3PM-5PM, nhiệt độ 26-34oC, thời gian người qua lại) Hi ệu qu ả tru yề n nh ận gó i Khoảng cách (m) Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn liên hệ khoảng cách hiệu truyền nhận gói tin Nhận thấy, kết đo SVĐ Mỹ Đình cho tỷ lệ nhận gói tin cao khoảng cách khoảng cách truyền nhận xa Tuy nhiên, thực tế kết q trình nhận gói tin thực nhận vị trí khác từ bên phát khơng có quy tắc hay khơng theo hướng Tiến hành đo với trục tâm khoảng truyền nhận cho đường truyền nhận gói tin thực hình 3.5 Đường bao điểm có tỷ lệ nhận gói có hình dạng sứa khơng phải đường trịn Có điểm khoảng cách xa lại có tỷ lệ truyền nhận gói tin tốt Điều giải thích vị trí có fading tác động mạnh làm cho tín hiệu bị sai lệch tỷ lệ nhận gói tin giảm xuống Vì khoảng cách gần hiệu truyền gói lại thấp Hình 3.5: Đường biểu diễn tỷ lệ nhận gói tin thực theo khoảng cách Thực nghiệm đo hiệu nhận gói tin thay đổi khoảng cách khoảng delay: Tiến hành thí nghiệm phạm vi tòa nhà Sử dụng node mạng: node sở kết nối máy tính qua RS232 làm nhiệm vụ truyền tín hiệu node thu nhận tín hiệu tích hợp sẵn hình LCD để dễ theo dõi, thu thập xử lý thông tin nhận được, di chuyển node thu nhận tín hiệu khoảng cách khác Lần lượt thay đổi khoảng delay ta thu kết đo trục đồ thị: Hi ệu qu ả tru yề n nh ận gó i Khoảng cách (m) Hình3.6: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc hiệu truyền nhận gói tin vào khoảng delay khoảng cách Nhận xét: Khi node cảm nhận di chuyển theo khoảng cách ta thấy có thay đổi đáng kể hiệu truyền nhận gói tin thay đổi khoảng delay chúng Kết đo thực nghiệm cho thấy tỷ lệ nhận gói tin tốt Delay nằm khoảng 20000< Delay < 50000 khoảng cách 5m đến 10m Như khoảng delay có ảnh hưởng đến tỷ lệ nhận gói theo khoảng cách mạng cảm biến không dây 3.4 Kết luận hướng nghiên cứu Trường hợp thí nghiệm sử dụng thủ tục Aloha cho node mạng WSN ta thấy: Trong bên nhận có thực q trình nhận, xử lý số liệu hiển thị bên truyền phải có khoảng thời gian nghỉ lần truyền để đảm bảo lúc truyền bên nhận sẵn sàng nhận gói tin Thời gian nghỉ có ảnh hưởng đến hiệu truyền nhận gói tin mạng Khi node truyền node nhận đồng mặt khe thời gian phạm vi mặt địa lý ta xác định miền: Miền kết nối, miền chuyển tiếp miền không kết nối Hi ệu qu ả tru yề n nh ận gó i Khoảng cách (m) Hình 3.7: Các miền hiệu truyền nhận gói tin mạng WSN + Miền kết nối vùng khoảng cách mà cho tỷ lệ nhận gói cao + Xa miền tỷ lệ nhận gói tin giảm xuống có xác suất khác nhau, gọi miền chuyển tiếp Miền có độ rộng tùy thuộc môi trường truyền nhận Sự xuất miền cho phép giải thích tính khơng đối xứng khơng gian tỷ lệ nhận gói tin + Xa miền chuyển tiếp gọi miền không kết nối, tỷ lệ nhận gói tin thấp Tuy nhiên, thí nghiệm áp dụng với hay nhiều node mạng thời gian nghỉ lần truyền tăng lên nhiều Do ảnh hưởng đến hiệu truyền nhận gói tin mạng Tuy nhiên miền không bị thay đổi có giải thuật cho node tốt Sau giải thuật cho node mạng: Thuật toán node sở: Khởi tạo Gửi yêu cầu Nhận Xử lý, hiển thị Hình 3.8: Thuật tốn node sở Thuật toán node cảm nhận 2: Khởi tạo Khởi tạo Nhận Ok? Nhận F Ok? T F T Truyền Delay Delay Truyền Hình 3.9: Thuật tốn node cảm nhận Cho nên hướng nghiên cứu đồ án dựa vào giải thuật node mạng trên, viết chương trình thích hợp cho node để tăng hiệu truyền nhận gói tin mạng, khắc phục nhược điểm thủ tục cạnh tranh môi trường Aloha mạng WSN Đồ án tốt nghiệp Kết luận KẾT LUẬN Trong phạm vi đồ án này, em nghiên cứu tổng quan mạng WSN, thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường cạnh tranh mạng WSN lựa chọn thủ tục cạnh tranh mạng WSN để viết chương trình phần mềm nhúng đánh giá hiệu truyền nhận gói tin cho node mạng mạng WSN Do hạn chế mặt tài liệu phần thực tế đề tài nên khố luận khơng tránh khỏi thiếu sót Vì em mong phê bình, đóng góp thầy, bạn sinh viên quan tâm tới vấn đề để đồ án em hoàn thiện tốt Một lần em xin chân thành cám ơn PGS.TS Vương Đạo Vy giảng viên trường ĐHCN- ĐHQG Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ em thời gian vừa qua; cám ơn thầy, cô bạn trường ĐHDL Hải Phòng động viên giúp đỡ em làm tốt khoá luận! Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Vương Đạo Vy, “ Mạng truyền liệu”, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [2]- Bhaskar Krishnamachari, “Networking Wireless Sensors”, Cambridge University Press, 2005 [3]- Anna HAC, book " Wireless Sensor Network Deigns", Wiley [4]- Edgar H Callaway, book " Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols", Aurebach [5] - Holger Karl Andreas Willig, “Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks”, Wiley, 2005 [6]- " Medium Access Control in Wireless Sensor Network", Wei Ye and John Heidemann, 10/ 2003 [7]- Zhijia Chen, Chuang Lin, Hao Wen, Hao Yin, “An analytical model for evaluating IEEE 802.15.4 CSMA/CA protocol in low-rate wireless application,” in Proc Of 21st International Conference on Advanced Information Networking and Application Workshops (AINAW), 2007, pp 899-904 [8]- “ CC1010 Datasheet”, Texas instruments, 2003-2004, Chipcon AS, http://www.chipcon.com [9]- Chipcon, “ CC1010 IDE Manual”, http://www.chipcon.com [10]- Hugh O’Keeffe, R&D Director, “Embedded Debugging” , Ashling Microsystems Ltd (2006) Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 Phụ lục ... thêm nhiều ứng dụng mạng cảm biến Đồ án tốt nghiệp Chương II: Đa thâm nhập môi trường mạng WSN Chương II: Đa thâm nhập môi trường mạng WSN 2.1 Giới thiệu Một thách thức phổ biến mạng lưới không... thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Mạng cảm biến lĩnh vực sâu rộng, đồ án ? ?Đa thâm nhập môi trường mạng WSN? ?? giới thiệu cách khái quát đặc điểm mạng cảm biến khơng dây Sau... tục đa thâm nhập mơi trường cạnh tranh mạng cảm biến không dây đánh giá hiệu truyền nhận gói tin phần mềm nhúng môi trường mạng cảm biến không dây Đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan mạng