Mạng cảm biến không dây – WSNs đặc điểm lớp vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM LỚP VẬT LÝ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH CƠNG NGHỆ THÔNG TIN Sinh viên thực hiên: Đinh Tuấn Hưng Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS.Vương Đạo Vy Mã số sinh viên: 111365 LỜI CẢM ƠN Cám ơn thầy cô giáo trường Đại học Dân lập Hải Phòng, dạy dỗ chúng em nhiều năm qua Cám ơn thầy Trần Hữu Nghị cho em mái trường chúng em có hội học kiến thức bổ ích để trở thành cơng dân có ích cho xã hội Xin chân thành cám ơn thày cô môn Tin học truyền đạt kiến thức công nghệ thông tin, môn học bổ ích, hành trang vững để em tự tin công việc sau Cám ơn thầy PGS.TS.Vương Đọa Vy, trường đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà Nội giúp đỡ em trình viết đồ án trình học tập ghế nhà trường Để em đem kiến thức học ghế nhà trường áp dung vào thực tiễn để em nhận thấy trang bị cịn thiếu hành trang Cám ơn gia đình người thân, tận tình giúp đỡ, chu cấp tài chính, động viên em suốt thời gian học tập trường Xin cám ơn bạn bè lớp bạn khoa sinh viên trường giúp đỡ thời gian học tập thời gian làm thực tập tốt nghiệp Hải Phòng, tháng năm 2019 Sinh viên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1 Giới thiệu mạng cảm không dây 1.1.1 Các tiêu mạng không dây 1.1.2 Các yêu cầu nút mạng: 1.1.3 Nền tảng vi cảm ứng 11 1.1.4 Kiến trúc WSN giao thức Stack 14 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến WSN 17 1.2.1 Hạn chế phần cứng 17 1.2.2 Khả chịu lỗi 19 1.2.3 Khả mở rộng 20 1.2.4 Chi phí sản xuất 20 1.2.5 Cấu trúc mạng WSN 20 1.2.6 Phương tiện truyền 21 1.2.7 Năng lượng tiêu thụ 22 1.3 Ứng dụng WSN 28 1.3.1 Ứng dụng quân đội 29 1.3.2 Ứng dụng môi trường 29 1.3.3 Ứng dụng y tế 29 1.3.4 Ứng dụng nhà 30 1.3.5 Ứng dụng công nghiệp 30 CHƯƠNG 2: LỚP VẬT LÝ 31 2.1 Công nghệ tần vật lý 31 2.1.1 RF 31 2.1.2 Kỹ thuật khác 32 2.2 Tổng quan truyền thông không dây RF 34 2.3 Mã kênh 36 2.4 Cách điều chế 39 2.4.1 FSK 40 2.4.2 QPSK 41 2.4.3 Nhị phân điều chế M-ary 41 2.5 Hiệu ứng kênh Wireless 43 2.6 Các tiêu chuẩn lớp vật lý 43 2.6.1 IEEE 802.15.4 43 2.6.2 Existing Transceivers 45 CHƯƠNG 3: BÀI TẬP ỨNG DỤNG 46 3.1 Tổng quan lượng 46 3.2 Những nguyên nhân gây lãng phí lượng 46 3.3 Các phương pháp tiết kiệm điện 46 3.4 Ví dụ minh họa 47 3.5 Kết luận 49 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nút cảm biến phân bố vùng cảm biến 14 Hình 1.2 Giao thức stack mạng cảm biến 15 Hình 1.3 Sơ đồ thiết kế nút cảm biến 18 Hình 1.4 Biểu đồ lượng tiêu thụ nút MicaZ 22 Hình 1.5 Mơ hình lượng 27 Hình 1.6 Ứng dụng WSN 29 Hình 1.7 Ứng dụng đo lưu lượng nước 30 Hình 2.1 Kỹ thuật giao tiếp hồng ngoại 33 Hình 2.2 Tổng quan khối truyền thơng RF 35 Hình 2.3 Nguồn mã kênh 35 Hình 2.2 Tương quan mơ hình kiến trúc 38 Hình 2.3 Ba đề án điều chế 39 Hình 2.4 Cơ cấu điều chế IEEE 802.15.4 40 Hình 2.5 Nguồn biến dạng truyền thông không dây 42 MỞ ĐẦU Ngày phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung cơng nghệ thơng tin nói riêng mạng cảm biến không dây (WSN) đời tất yếu Hiện nay, WSN ứng dụng nhiều đời sống hàng ngày, y tế, kinh doanh, quân đội Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây phải đối mặt với nhiều thách thức, thách thức lớn mạng cảm biến không dây nguồn lượng bị giới hạn Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lượng lớn thiết bị nhỏ có khả tự thiết lập cấu hình hệ thống Một ưu điểm lớn mạng không dây WSN chi phí triển khai lắp đặt giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng, khả hoạt động xác tương đối tốt giá thành rẻ đa chức Mạng mở rộng theo ý muốn mục đích sử dụng WSN hồn cảnh cụ thể mà người muốn Để hiểu WSN cấu trúc cách hoạt động cách đầy đủ trọn vẹn nhiều thời gian Trong đề tài này, em xin trình bày phần nhỏ WSN, “Mạng cảm biến không dây –WSNs, đặc điểm lớp vật lý” Nội dung đề tài gồm có: Chương giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây(WSN), bao gồm giới thiệu toàn diện WSN( tảng cảm biến kiến trúc mạng), ứng dụng có, thiết kế quan trọng khó khăn WSN Chương sâu vào nghiên cứu lớp vật lý WSNs, bao gồm công nghệ lớp vật lý, đặc điểm truyền thông không dây tiêu chuẩn có lớp vật lý WSN Chương làm tập nhỏ để khảo sát lượng nút mạng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1 Giới thiệu mạng cảm không dây Với phát triển công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, đặc biệt công nghệ bán dẫn, vi điện tử ngày có mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, kích thước nhỏ, tiêu hao lượng, giá thành ngày hạ Khi cài đặt phần mềm nhúng, vi điều khiển có khả hoạt động độc lập mơi trường có vị trí địa lý khác Nếu kết hợp vi điều khiển với phát sóng vơ tuyến cảm biến chúng trở thành nút mạng mạng cảm nhận khơng dây (Wireless Sensor Network - WSN) WSN tạo cách tập hợp nhiều nút WSNs bao gồm nút cảm biến nhỏ, hoạt động mát phát điện chuyển tiếp liệu hai mạng Mỗi nút bao gồm cảm biến, xử lý ,bộ thu phát Thơng qua hàng loạt cảm biến có sẵn để tích hợp chặt chẽ, nắm bắt liệu từ tượng vật lý Thông qua vi xử lý bảng, nút cảm biến lập trình để hoàn thành nhiệm vụ phức tạp truyền tải chúng quan sát Thu phát cung cấp kết nối không dây để giao tiếp quan sát tượng quan tâm Các nút cảm biến thường cố định trang bị pin có dung lượng hạn chế Tại nút mạng chúng hoạt động độc lập để tiến hành đo thông số khác môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng đặc biệt nhiều trường hợp chí cịn hạn chế nguy hiểm cho người môi trường làm việc khắc nghiệt (nút mạng thay cho làm việc trực tiếp người môi trương có độc tính hay nhiệt độ cao, áp suất cao ) Mạng cảm nhận không dây đời nhằm đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin môi trường tập hợp điểm xác định khoảng thời gian định nhằm phát xu hướng quy luật vận động môi trường Bài toán đặc trưng số lớn nút mạng, thường cung cấp thông tin môi trường gửi tập trạm gốc có kết nối trung tâm xử lý (thường hệ thống máy tính) để phân tích, xử lý đưa phương án phú hợp cảnh báo đơn giản lưu số liệu 1.1.1 Các tiêu mạng không dây Các tiêu chủ yếu mạng không dây là: thời gian sống, độ bao phủ, chi phí dễ triển khai, thời gian đáp ứng, độ xác thời gian, bảo mật, tốc độ lấy mẫu hiệu 1.1.1.1 Thời gian sống Trong ứng dụng, nút mạng đặt bên ngồi mơi trường khơng có người giám sát Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống nút mạng cảm nhận lượng cung cấp Mỗi nút cần thiết kế chế quản lí lượng nội để tối đa thời gian sống mạng Đặc biệt mạng an ninh thời gian sống nút mạng phải dài, nút bị lỗi làm ảnh hưởng đến hệ thống an ninh Yếu tố định thời gian sống lượng tiêu thụ Một nút cảm nhận khơng dây phát hay nhận tín hiệu tiêu thụ lượng lớn 1.1.1.2 Độ bao phủ Độ bao phủ có thuận lợi khả triển khai mạng vùng rộng lớn Điều làm tăng giá trị cho người dùng cuối Điều quan trọng độ bao phủ mạng không tương đương với khoảng cách kết nối không dây sử dụng Kỹ thuật truyền multi-hop mở rộng độ bao phủ mạng Tuy nhiên, khoảng truyền xác định giao thức mạng multi-hop làm tăng lượng tiêu thụ cảu nút làm giảm thời gian sống mạng, làm tăng chi phí triển khai 1.1.1.3 Chi phí dễ triển khai Ưu điểm lớn mạng không dây dễ triển khai Người dùng không cần hiểu mạng chế truyền thông làm việc với WSN Để triển khai thành cơng WSN cần tự cấu hình, nút đặt vào mơi trường hoạt động Trong suốt thời gian sống, có thay đổi vị trí gây nhiễu tới truyền thơng hai nút Mạng cần có khả tự cấu hình để khắc phục 1.1.1.4 Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng yếu tố để đánh giá hệ thống Một cảnh báo tao có sai phạm Dù hoạt động lượng thấp, nút cần có khả truyền tức thời thông điệp nhanh tốt Thời gian đáp ứng có thể cải thiện cách cấp nguồn cho số nút toàn thời gian Những nút nghe thơng điệp cảnh báo chuyển tiếp chúng theo đường cần 1.1.1.5 Độ xác thời gian Tính xác chế tương quan phụ thuộc vào tốc độ lan truyền tượng đo Để đạt độ xác theo thời gian mạng cần xây dựng trì thời gian sở tồn cục sử dụng để xếp mẫu kiện theo thời gian 1.1.1.6 Bảo mật Các thông tin nhiệt độ ứng dụng giám sát môi trường dường vô hại việc giữ bí mật thơng tin quan trọng Trong ứng dụng an ninh bảo mật dự liệu trở nên quan trọng Khơng trì tính bảo mật, cịn phải có khả xác thực dự liệu truyền Sụ kết hợp tính bảo mật tính xác thục cần thiết Cùng với việc mã hóa giải mã làm tăng chi phí lượng băng thơng Dữ liệu mã hóa giải mã cần truyền gói tin Điều ảnh hưởng đến hiệu suất ứng dụng giảm số lượng liệu lấy từ mạng thời gian sống mong đợi 1.1.1.7 Tốc độ lấy mẫu hiệu Trong mạng thu thập liệu, tốc độ thu thập liệu hiệu tham số đánh giá hiệu suất hệ thống Thơng thường thu thập liệu có tốc độ lấy mẫu 1-2 mẫu phút Trong thu thập liệu, nút cần điều khiển liệu tất cháu Tốc độ kích thước mạng ảnh hưởng đến tốc độ lấy mẫu hiệu 1.1.2 Các yêu cầu nút mạng: Các yêu cầu chủ yếu nút mạng là: Năng lượng, tính mềm dẻo, sức mạnh, bảo mật, truyền thơng, tính tốn, đồng thời gian, kích thước chi phí 1.1.2.1 Năng lượng Để đạt yêu cầu trì lượng hoạt động thời gian dài nút mạng phải tiêu thụ lượng thấp Việc tiêu thụ lượng thấp đạt cách kết hợp thành phần phần cứng lượng thấp chu trình hoạt động ngắn Trong thời gian hoạt động truyền thông radio tiêu thụ lượng đáng kể tổng mức lượng tiêu thụ cảu nút mạng Các thuật toán giao thức phải phát triển để giảm hoạt động truyền radio cách sử dụng tính tốn cục để giảm luồng liệu nhậ từ cảm biến 1.1.2.2 Tính mềm dẻo Các nút mạng phải có khả thích nghi cao để thích hợp với ngữ cảnh khác Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng, xử lý nội mạng khác Một kiến trúc WSN cần phải mềm dẻo để cung cấp dải rộng ứng dụng Kiến trúc cần đơn giản để kết hộp phần cứng phần mềm Vì vậy, thiết bị địi hỏi mức độ cao tính modul phần cứng phần mềm giữ tính hiệu 1.1.2.3 Sức mạnh Để hỗ trợ cho yêu cầu thời gian sống, nút mạnh tốt Để đạt điều hệ thống cần phải xây dựng để hoạt động nút bị lỗi (modul hóa hệ thống) Để tăng sức mạnh hệ thống nút bị lỗi, WSN cần phải có khả đối phó với nhiễu Các mạng thường tồn với hệ thống khơng dây khác, chúng cần có khả để thích nghi với hoạt động khác Nó phải có khả hoạt động mơi trường có thiết bị khơng dây khác hoạt động hay với nhiều tần số Khả tránh tắc nghẽn tần số điều cốt yếu để đảm bảo triển khai thành công 1.1.2.4 Bảo mật Các nút riêng lẻ cần có khả thực mã hóa phức tạp thuật toán xác thực Truyền sữ liệu khơng dây dễ bị chặn Chỉ có cách bảo mật liệu mã hóa tồn liệu truyền qua mà nút phải tự bảo mật liệu chúng Nếu khóa bị lộ tính bảo mật mạng Để có tính bảo mật tốt, cần phải khó để lấy khóa mã từ nút 1.1.2.5 Truyền thông Một tiêu để đánh giá cho WSN tốc độ truyền, lượng tiêu thụ khoảng cách Trong khoảng cách truyền có ảnh hưởng quan trọng tới mật độ tối thiểu cần đạt Nếu khoảng cách nút xa khơng thể tạo kết nối mạng liên kết Nếu khoảng cách truyền radio thỏa mãn mật độ nút cao, nút thêm vào làm tăng mật độ hệ thống tới mức độ cho phép Tốc độ truyền ảnh hưởng đến hiệu suất nút mạng Tốc độ truyền cao làm cho khả lấy mẫu hiệu lượng tiêu thụ mạng Khi tốc độ tăng việc truyền thịi gian địi hỏi lượng 1.1.2.6 Tính tốn Việc tính tốn chủ yếu tập trung vào việc xử lý liệu nội mạng quản lý giao thức truyền thông không dây mức thấp Khi liệu tới mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio ghi lại/giải mã liệu tới Tốc độ truyền địi hỏi tính tốn nhanh Để tăng khả xử lý cục bộ, nút liền kề kết hợp liệu với trước truyền mạng Các kết từ nhiều nút mạng tổng hợp lại với Ngoài ra, ứng dụng xử lý liệu tiêu thụ lượng tính tốn phụ thuộc vào phép tốn thực Việc mã hoá giải mã mã BCH thực trường hữu hạn GF Mã RS Mã RS (Reed-Solomon) tập hợp mã BCH không nhị phân, nghĩa là, hoạt động thực GF (q), q số nguyên tố (2.2) Mã CRC Mã CRC (Cyclic Redundancy Check) tập hợp đặc biệt mã BCH sử dụng để phát lỗi gói Mã CRC sử dụng hầu hết hệ thống truyền thông Mã CRC BCH mã với DMIN = Sau giải mã, mã CRC phát xem gói tin nhận lỗi hay không Tuy nhiên, sửa chữa lỗi Khối mã dễ thực mã hóa cấu trúc giải mã tương đối đơn giản Do đó, phức tạp mã số mã hóa khối khơng đáng kể Do đó, có giải mã xem phức tạp Theo đó, mã khối 2 giải mã với (2nt + 2t ) bổ sung (2nt + 2t ) phép nhân Liên nguồn- mã kênh Lý thuyết tách nguồn kênh mã hóa dựa thực tế thông tin đặc điểm kênh độc lập Do đó, tách nguồn kênh mã hóa tối ưu cho hệ thống Trong WSNs, ứng dụng thường tượng vật lý Kể từ thông tin thu thập nút cảm biến sau tính chất vật lý cảm nhận tượng, đặc điểm nguồn phù hợp với đặc tính kênh Trong lĩnh vực cảm biến, cảm biến quan sát kiện tượng vật lý Sink quan tâm đến việc quan sát tượng vật lý cách sử dụng quan sát từ nút cảm biến với độ xác cao Các tượng vật lý mơ hình hóa q trình khơng thơi gian s (t, x, y) hàm thời gian t với vị trí (x, y) Hình 2.2 Tương quan mơ hình kiến trúc Các mơ hình cho thơng tin thu thập cảm biến N Các sink quan tâm đến việc lập dự toán nguồn kiện S, theo quan sát nút cảm biến ni khu vực kiện Mỗi nút cảm biến quan sát Xi [n] sựu kiện thông tin kiện Si [n] Các kiện thông tin Si [n] tương quan với nguồn kiện S Các thông tin mã hóa Yi [n] sau gửi đến sink qua WSN Các mã hóa giải mã dán nhãn E D Mỗi quan sát Xi [n] mã hóa thành Yi [n] nguồn mã hóa nút cảm biến là: Yi [n]= fi (Xi [n]) (2.3) Các Yi [n] sau gửi qua mạng đến sinks Các sink giải mã liệu nhận để tái tạo lại ước tính S nguồn S: S = g(Y1[n1], ,Y1[nτ ]; ; YN[n1], ,YN[nτ ]) (2.4) Sink quan tâm xây dựng lại nguồn S theo hạn chế biến dạng: D = E[d(S, S )] (2.5) Khi nguồn kênh mã hóa thực riêng rẽ, biến dạng giảm / log N, N số lượng cảm biến Liên kênh mã hóa nguồn cung cấp hiệu suất tốt so với tách truyền thống kỹ thuật Tuy nhiên, truyền thông thực theo nguyên tắc tách nguồn kênh Mặt khác, kênh mã hóa kỹ thuật cần truyền thơng thường khó khăn để thực Các kỹ thuật số nguồn kênh mã hóa kỹ thuật thực tốt cho truyền thông điểm-điểm Tuy nhiên, tối ưu kỹ thuật tốt cho mạng cảm biến 2.4 Cách điều chế Nguồn kênh chương trình mã hóa thường hoạt động lĩnh vực kỹ thuật số, nơi mà thông tin bit thông qua kênh không dây xác định Việc chuyển đổi từ bit thực cách điều chế kỹ thuật Trong điều chế, dạng sóng dạng hình sin với cơng thức: s(t) = r(t) cos[2πfct + ψ(t)] bao gồm có dạng sau: Biên độ r (t): Các biên độ dạng sóng Giai đoạn ψ (t): Các giai đoạn dạng sóng Tần số fc: Các tần số trung tâm dạng sóng Hình 2.3 Ba đề án điều chế (2.6) Thông tin kỹ thuật số truyền cách thay đổi thành phần theo bit truyền Điều dẫn đến ba chương trình điều chế tạo thành số dùng cho truyền thông không dây: - Biên độ chuyển dịch key (ASK): Các chương trình điều chế điều chỉnh biên độ sóng âm theo bit gửi Các hình thức đơn giản ASK ONOFF keying (OOK) Một tín hiệu đơn giản so biên độ thực người nhận để phát bit truyền - Tần số thay đổi key (FSK): FSK chương trình điều chế thường xuyên sử dụng cho không dây truyền thông Tần số fc dạng sóng thay đổi dựa bit thơng tin truyền Bằng cách lựa chọn giá trị tần số từ xa khác tín hiệu bit phát người nhận - Giai đoạn chuyển key (PSK): PSK dựa việc sửa đổi pha sóng, ψ (t) theo bit truyền Theo đó, thay đổi giai đoạn tín hiệu nhận được ánh xạ tới bit truyền người nhận Các chương trình điều chế sử dụng cho truyền thơng khơng dây nói chung xuất phát từ ba chương trình Có hai phương án điều chế sử dụng cho WSN tần số chuyển key (FSK) giai đoạn chuyển khóa lệch pha vng góc (OQPSK) Hình 2.4 Cơ cấu điều chế IEEE 802.15.4 2.4.1 FSK Nhị phân FSK sử dụng tảng đầu WSN Mica2 Các điều chế dựa hai giá trị sử dụng tần số khác Tại bên phát, dạng sóng thích hợp chọn để truyền tải bit Ở phía thu, dạng sóng truyền qua hai lọc xuất hoạt động tần số f1 f2 Đại diện cho lọc đầu vào cho vỏ phát Các lỗi bit, tỷ lệ chương trình điều chế FSK nhị phân cho bởi: (2.7) Eb/N0 tỷ lệ lượng bit với mật độ tiếng ồn quang phổ, đại diện cho chất lượng nhận tín hiệu nhận 2.4.2 QPSK Chương trình điều chế QPSK áp dụng tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 để điều chỉnh chip gửi cho bit phần chương trình DSSS Chương trình điều chế sử dụng nút MicaZ O-QPSK với DSSS Các lỗi bit, tỷ lệ chương trình cho bởi: (2.8) Trong N số lượng chip / bit, K số người sử dụng đồng thời truyền tải 2.4.3 Nhị phân điều chế M-ary Chương trình điều chế nhị phân dùng để biểu diễn kỹ thuật số Ngồi chương trình nhị phân, số dạng sóng sử dụng để nâng cao hiệu chương trình điều chế Những chương trình gọi chương trình điều chế M-phân, M = 2n số dạng sóng sử dụng điều chế chương trình n số bit đại diện dạng sóng Nhị phân chương trình điều chế M-phân có lợi khác cho WSNs M-phân gửi nhiều bit, làm giảm thời gian cần để truyền tải tập hợp bit Theo đó, máy phát lưu giữ thời gian ngắn hơn, làm giảm lượng Mặt khác, chương trình điều chế M-phân yêu cầu phức tạp cao cho mạch thu phát để xử lý dạng sóng truyền nhận Hơn nữa, so với nhị phân, có hai dạng sóng khác sử dụng để đại diện cho Vì số lượng tăng lên dạng sóng, trở nên khó khăn để phân biệt với dạng sóng nhận từ dạng sóng khác, làm tăng giải mã lỗi Để chống lại lỗi giải mã tăng, Mphân chương trình điều chế yêu cầu truyền tải điện cao so với chương trình nhị phân Một chương trình điều chế nhị phân, tiêu thụ lượng mơ sau: (2.9) Pmod-B tiêu thụ điện cho mạch điều chế nhị phân, P FS-B điện tiêu thụ tổng hợp tần số Các T on Tst truyền thời gian mạch thu phát độ trễ khởi động Trong truyền tải thời gian, T on phụ thuộc vào số bit gửi đi, Tst cố định Đối với chương trình điều chế M-phân, thời gian ngắn so với điều chế nhị phân truyền tải điện lại mức cao Theo đó, mức tiêu thụ lượng cho đề án điều chế M-phân là: (2.10) Các tỷ lệ tiêu thụ mạch điều chế tổng hợp tần số biểu diễn sau: (2.11) Sau đó, M-phân điều chế lượng nhiều có nghĩa là, hiệu EM