Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển thâm nhập môi trường và hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến không dây

DẠI HỌC ỌU ÒC GIA HÀ NỌI ĐẠI HỌC C Ơ N G NG H Ẹ• • • ĐỊ VẢN Q U Y È N NGHIÊN c ủ u KỸ T H UẬT ĐIÈU • KHIÉN TH ÂM NHẬP MƠI TRƯỜNG VÀ HIỆU QUẢ NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIÉN KHƠNG DÂY Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Má số: 60 52 70 LUẬN VĂN TH Ạ C s ĩ NGUÒl HƯỞNG DÃN KHOA HỌC: PGS TS Vuoìig Đạo Vy V- l o / 002695 Hà N ộ i - Lòi Cam Đoan K inh izưi: Hội đồng bảo vệ, Khoa Điện Tứ -V iền Thông, Trường Đại Học C ông Nghệ - Đ H Q G H N T ô i tên là: Dồ Văn Quyền Sinh ngày: 01/01/1980 Tên đề luận văn: “ Nghiên cứu kỹ thuật điều khiến thâm nhập m ôi trường hiệu qua lượng mạng cảm biến không dây" T ô i xin cam đoan luận văn khône; giổng hồn tồn với luận văn cơng trinh có trước Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Học V iên Thực Hiện Đồ Văn Quyền MỤC LỤ C Chương I Tông quan mạng cam biên W S N Ị I M đ â u 1.2 Cấu trúc mạng W S N 10 i Cấu trúc cua nút mạng W S N 10 1.2.2 Cấu trúc cua toàn mạn» W SN 11 1.3 Kiến trúc ui ao thức mạnụ 19 1.4 Ún dụng cua mane cam biến không d â y 21 1.4.1 Các ứng dụng môi trường ỉ 1.4.2 C ác ừng dụng V h ọ c 22 ! 4.3 ủ ng dụng tronii gia đ in h 23 1.4.4 Trong công nghiệp 23 1.4.5 Trong nông nghiệp 25 1.4.6 Trong quân .25 1.4.7 TronR giao th ô n g 26 1.5 Thành phần mạng cảm biến khônẹ dây 27 1.5.1 N ú t cảm b iế n 27 1.5.3 Phần mềm Software 30 1.6 Kết l u ậ n .31 C hương Các kỹ thuật diều khiển thâm nhập m ôi Irirờ n g mạng cám biển không d â y 32 2.1 Mở đ ầ u 32 2.2 Mô hình giao thức cho W SN 32 2.3 Các giao thức truy nhập môi trường (MAC) chung 33 2.3.1 Giao thức ALOHA 34 2.3.2 Giao thức CSMA/CA .34 2.4 Các vấn đề cần quan tâm thiết kế eiao thức M A C .36 2.4.1 Độ trễ (Delay) 36 2.4.2 Lưu lượng (Throughput) 37 2.4.3 Độ chẳc chẩn (Robustness) .37 2.4.4 Khá mơ rộn ụ (Scalabilitv) 37 2.4.5 Tính ơn định (Stability) 37 2.4.6 Sự công bàng (Fairness) 38 H i ệ u s u ấ t s ứ d ụ n g n ă n g l ợ n g 2.5 Các úiao thức MAC cho mạng W S N 39 2.5.1 WiseMAC 40 ") 2.5.2 S -M A C 42 2.5.3 1-MAC .43 2.5.4 B-MAC .44 2.5.5 G-MAC 44 2.6 Kct luận 58 Chương Thực nghiệm đánh ẹiá hiệu qua lượng mạng cam biến không d â y 59 3.1 Mớ đ ầ u 59 3.2 Bố trí thực nghiệm 59 3.2.1 Mơ hình thực nshiêm .59 ■ o • 3.2.2 Giới thiệu thiết bị thựcnghiệm 60 3.3 Một số thực nghiệm kết qua đạtđược 65 3.3.1 Yêu cầu thực nghiệm: 65 3.3.2 Các bước chuẩn bị: 65 3.3.3 Đo khống thời gian q trinh truyền thơng nút m ạng: 66 3.3.4 Đo cường độ dònũ điện nút mạng trạng thái: ngủ, truy ền, nhận d ữ liệu .68 3.4 Nhận xét đánh giá hiệu năne lượng mạng W SN ỉ 3.5 Két luận 75 KẾT L U Ậ N 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC: MỘT SỐ ĐOẠN CHƯƠNG TRÌNH TRONG PHẢN THỤC N G H I Ệ M 79 Bảng Ký Hiệu Các Chữ Viết Tắt Từ viêt tăt Ten tiêng atih ACK Ackn w 1edgement Message A DC Anaiogue-to-Digital Converter Ỏ AES Advanced Encryption Svstem A PL Application Layer CFP Contention-Free Period CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CPU Central Processing Unit CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier STT Multiple Access with Collision Avoidance 10 CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ỉ1 C IS Clear To Send 12 DCF Distributed Coordination Function 13 DIFS DCF Interframe Spacing 14 D-MAC Data-Gathering Media Access Control 15 DTIM Delivery Traffic Indication Message 16 E\ FS Extended Interframe spacing 17 FEC Forward Error Correction 18 FIFO First-In, First-Out 19 F RTS Future Request To Send 20 G-MAC Gateway Medium Access Control 21 G TIM Gateway Traffic Indication Message 2.2 IEEE Institute o f Electrical and Electronics Engineers 23 IPS Interframe Spacing 24 LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy 25 LED Light-Emitting Diode 26 MAC Medium Access Control 27 NAV Network Allocation Vector 28 SMAC Cảm biên Medium Access Control 29 OSI Open Svstems Interconnection 30 31 PCF Point Coordination Function , L Sense i l RF j ROM Radio Frequency Read Only Memory RSSI Kcccived Signal Strength Indicator RTS Request To Send 35 SI I S Short Interframe Spacing 36 TA 1MAC Adaptive Timeout Period 37 TCP I'ransinission Control Protocol 38 TIM Traffic Indication Map 39 TMAC Time Medium Access Control 40 WDS Wireless Distribution System LO S 33 41 WSN t Wireless Sensor Network Danh Mue Hình Vẽ ỉ lình 1.1 Mơ hình mạng cam hiến khơng dây I lình 1.2 Các thành phần cua nút cam ứníi 10 ! lình 1.3 Cấu trúc mạng cám biến không dây 12 Mình 1.4 Cấu trúc phăn e 12 ỉ lìn h 1.5 Cấu trúc tẩ n g 13 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớ p 13 Mình 1.7 Cẩu trúc mạng phân lớp xếp chons vật lý 14 I lình 1.8 Cấu trúc mạng phân cấp logic 15 Hình 1.9 Kiến trúc giao thức cúa mạng cảm biển 19 I lình 1.10 Mạng WSN canh báo cháy rừ ng 22 Hình 1.11 Cảnh báo đo thông số độnẹ đ ấ t 22 Hình 1.12 Ung dụng y t ế 23 Hình 1.13 ủ n g dụng nhà thông minh 23 Hình 1.14 Úng dụng quản lý hàng hóa 24 Hình 1.15 ủ ne dụng bến can g 24 Hình 1.16 ủ n g dụng trồng trọ t 25 Hình 1.17 n g dụng chăn nuôi .25 I lỉnh 1.18 n g dụniĩ quân đ ộ i 26 I lình 1.19 ủ n g dụng giao thơng 26 1lình 1.21 Mote cảm biến Mica Berkeley 29 cc I lình 1.22 Kiến trúc TinyOS chipcon 1010 30 Hình 2.1 Mơ hình OSI cho mạng câm b iế n 32 Hình 2.2 Hiện tượng hidden-nút mạng W SN 35 Hình 2.3 Hiện tượng exposed-nút mạrìRWSN 35 Hình 2.4 Lấy mẫu đầu khung truvển .40 Hỉnh 2.5 Hoại động cùa WiseMAC 41 Hình 2.6 Giao thức S-M A C 43 Hình 2.7 Cấu trúc khung G M A C 45 Hình 2.8 Phân bố thu thập GM AC .47 Hình 2.9 Sự trao đối ban tin GM A C 51 Mình 2.10 Hệ thống chọn ngược thụ độn£ GTIM 51 Hìĩứ 2.11 Tiêu đề khung G TỈM PHY/MAC (WPAN03) 54 Hìml 2.12 So sánh giao thức trường hợp khơns có lưu lượng cua WSN ~ .56 Hìnl 2.13 Giao dịch mạng đơn hướng với S M A C 56 I lình 2.14 Giao dịch mạng truyền thônii đơn hướng cua T M A C 57 Hình 2.15 G iao d ị• c h m ạnịi ~ đơn li ướng C-1 Với B M Ac 57 Hình 16 Giao dịch mạng đơn hướng vớiG M A C 58 Hình Mơ hình bố trí thí n i ĩh iệ m 59 Hình 3.2 Các nút mạna tron» thí nghiệm 60 Hình 3.3 Module C C I01 OEM 61 Minh 3.4 Nút mạrm cam nhận SU' dune khối EM-CC1010 61 Mình 3.5 Nút mạnạ sở có găn hình hiên thị kết đ o 61 Hình 3.6 Sơ đồ chân tin hiệu C C 1010 62 Hình 3.7 Nạp phần mềm cho nút mạng cam biến không d ây 66 Hình 3.8 Thời gian truyền dừ liệu 24 byte bao gồm tính tốn chèn mã sửa lồi dư thừa CRC 67 Hình 3.9 Thời gian nút nhận bvte đến kiếm tra CRC xong cho 24 b y te 67 Hình 3.10 Vị trí đo dịng điện tiêu thụ sơ đồ chip CC1010 69 Hình 3.11 So sánh giao thức điều khiển thâm nhập môi trường thông thường uiao thức G M A C 74 M Ở ĐÀU Trong năm uần phát triến mạnh mẽ cua công nghệ thông tin, công nghệ vi mạch diện tư viền thông đạc biệt lĩnh vực vô tuyến d e m lại n h i ê u ứ n u đ ụ n ụ m i c h o p h é p c h ú n g ta c ó th ể d ề d n g t h u t h ậ p t h ô n g tin điều kiện vùng địa lý Có nhiều phương pháp khác cho phép thu thập thơng tin tron» mạn í! cám biến không dâv đane dùng phô biến thê íỉiới dã đưa vào ímii dụng nước ta Có nhiều vấn dề dặt cho mạng cám biến không dây vấn đề lượng, vấn đề đồng cám hiến, vấn đề mờ rộng mạng Năng lượng yếu lố quan trọng cua tất loại mạr>2 Với mạng cám biến không dây tính đặc thù cua mạng hạn chế phần cứng ứng dụnũ nhiều vùng địa lí phức tạp nên vấn đề nãniỉ lượng trờ nên quan trọng Nút cảm biến khơníí dây thit b in rt nho nờn chi c tranỗ b nguồn lượng hạn chế (-2 && maxLength ) { *packetData++r=crcData; receivedBytes++; maxLength-; } // Calculate CRC-16 (CCITT) 94 for (i 0; i >8) (crcData&0\80) ) crcReg (crcR eg «I )ACRC 16 POLY; else crcReu (crcR e g «l); crcD ata«=l ; I Ỉ\ //Check ifC R C is OK if (crcReg != CRC OK) receivedBytes=0; } TIMER3 RUN(FALSE); RF SET PREAMBLE COUNT(RF PREDET OFF); return received Bytes; jj* ******** * FN D *********** Slave.c //include //include "CClOlOMB.h" //include ^include / Protocol constants #define Node ID 0x01 //define PREAMBLE BYTE COUNT //define PREAMBLE BITS SENSE 16 // Test packet #define PACKET LENGTH 24 byte packet [PAc KET LEMGTII ]; byte receivedPacketị PACKET LENGTH]; extern byte halRFReceivePacket2(byte timeOut, byte* packetData, byte maxLength); ************ MAIN PROGRAM vo id main(void) { byte result; // X-tal frequency: 14.745600 Ml lz // RF frequency A: 868.277200 MHz Rx // RF frequency B: 868.277200 MHz Tx /V RX Mode: Low side LO // Frequency separation: 64 kHz // Data rate: 2.4 kBaud // Data Format: (Manchester // RF output power: dBm // IF/RSSI: RSSI Enabled RF RXTXPAỈR SETTINGS code RF SETTINGS - { 0x4B 0x2F, 0x15, // Modem and 2: Manchester, 2.4 kBaud 0x75 0xA0, 0x00, // Freq A 0x58, 0x32, 0x8D, // Freq B 0x01, OxAB, //F S E P la n d O 0x40, // PLL RX 0x30, // PLL TX 0x6C, // CURRENT RX 0xF3 //C U R REN T TX 0x32, // F REND Ox FF, //PA POW 0x00, //M A TCH 0x00 // PRESCALER }; // Calibration data RF RXTXPAIR CALDATA xdata RF CALDATA; WDT ENABLE(FALSE); // Setup UART0 with polled I/o UART0 SETUP(57600, CC10I0EB_CLKFREQ, UART NO PARITY I IJA RT RX TX I UART POLLED); // ADC setup halConfig A DC ( A DC MODE SINGLE I AD C REFERENCE INTERNAL 25, CC10I0EB CLKFREQ 0); ADC SELECT INPUT(ADC INPUT A D I); 96 ADC POWER(TRUH); // Initialize peripherals RLED OE(TRUE); Y LED OE(TRUE); GLED OE(TRUR); BLED OE(TRUE); BLED = LED OFF: RLED - LED OFF; GLED - LED OFF; Y LED = LED OFF; // Set optimum settings for speed and low power consumption MEM NO WAIT STATESO; FLASH SET POWER MODE(FLASH STANDBY BETWEEN REA DS); // Ready for acknowledge packet[0] - Node ID; // Calibration halRFCalib(&RF SETTINGS, &RF CALDATA); // Turn on RF for RX ha]KFSetRxTxOff(RF RX, &RF SETTINGS, &RF CALDATA); while (TRUE) { // RX Y I,ED = LED ON; // Send acknowledge if radio carrier (RSSI) detected: // if((rssi val = halRFReadRSSIIevel(RSSI MODE RUN)) > RS.SI LIM ){ // Turn on RF, receive test string packet, turn off RF result = halRFReceivePacket2(0, &receivedPacket[0], PAvCKET LENGTH); Y LED = LED OFF; RLED = LED OFF; GLED - LED OFF'; // Success/failure indicators if (result == PACKET LENGTH) { G LED = LED ON; if(receivedPacket[0| Node ID) Ị \ c>7 B L E D - LE-:!) O N ; // Power up the ADC and sample the temperature A D C S A M P L E SINCiLEO; packet[ I ] = ADC GET SAMPLE 8BIT(); halRFSetRxTx()ff(RF TX, &RJ &RF SETTINGS, c A L D A TA); ha1R FSen dPack et( p R EA M B LI: BYTE COUNT & p;acket[0], PACKET LENGTH); halRFSetR.\TxOff(RF RX &RF SETTINGS, & m CALDATA); // Back to RX BLED - LED OFF; } \i else RLED = LED ON; } } // end ofmain() Ch ương trình sừ dụng timer đồng hồ bấm giây đế đo khoảng thời giam: // Khởi tạo timerO mode I TMOD = (TMOD&OxFO)|OxO 1; INT_E1MABLE(1NUM T1MER0, INT ON); ỈNT GLOBAL ENABLE(TRUE); // Các biến đếm byte xdata counter - 0; ulotng xdata timeout; W0'rd xdata tCounter; unsigned int xdata value = 0; //R eset biến đếm cho timer chạy thời điêm bắt đẩu đo counter = 0; THIO = 0x00; TL0 = 0x00; TF0 - 0; TIIMERO RUN(TRUE); // Dừng timer kết thúc đo in thông báo thời gian đếm Tỉ ME: R0 RIJN(FALSE); value = THO: 98 vpalue « - 8; vvalue I - TLO; fl lemp ~ (value*0.2713 + 65535*counier): prrintfi "\n\nThoi gian đếm là: %4.1 fus", ÍTemp); // Hàm ngắt timerO đế tănụ biến đếm mồi tmerO tràn /7 TimerO đếm từ 0, giá trị đếm tăng lên 0.2713us giá trị đếm đạt 65535 thhi timerO tràn, báo ngát //_ —— - _ _ - - - - - - - - _ - - ỊỊ vooid TI ME RO ỈSR() interrupt INIJM TIMERO { // Reset the timer to generate another interrupt INT SETFLAG (INUM TIMBRO 1NT CLR); TỈMER0 RUN(FALSE); THO = 0x00; TLO = 0x00; TIMERO RUN(TRUE); counter++; } / // TIMERO ỈSR