Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa theo giao thức LEACH và ZIGBEE luận văn ths máy tính 604801

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 DL & MMT Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Hoài Sơn Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Nếu khơng nhƣ nêu trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm đề tài Học viên Trần Hồng Hải LỜI CẢM ƠN Đƣợc trƣờng Đại học Quốc Gia Hà Nội Khoa Công Nghệ Thông Tin cho phép nghiên cứu, viết luận văn đề tài : “Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa giao thức LEACH Zigbee” Đầu tiên xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giảng dạy, dẫn thời gian học tập trƣờng Những kiến thức quý báu thầy cô giúp nhiều học tập nhƣ sống Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hoài Sơn Cảm ơn thầy gắn bó, dạy tận tình tơi q trình tơi nghiên cứu viết luận văn Một lần xin cảm ơn quý thầy quý cô khoa nhà trƣờng Luận văn thạc s đƣợc thực dƣ i tài trợ t đề tài NC H cấp ĐHQ HN, mã số đề tài: Q Học viên Trần Hồng Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƢƠN I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1 Gi i thiệu mạng cảm biến: 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến: 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến: CHƢƠN II: CÁC IAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN 12 2.1 Tổng quan: 12 2.2 Giao thức LEACH: 12 2.3 Giao thức cải tiến LEACH-C: 16 2.4 ZigBee: 17 Chƣơng III XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN LEACH VÀ ZIGBEE 21 Đặt vấn đề: 21 3.2 Giải pháp đề xuất: 22 3.3 Cách thức triển khai giai pháp: 23 Chƣơng IV XÂY DỰNG HỆ THỐN VÀ ĐÁNH IÁ IẢI PHÁP 30 4.1 Tổng quan hệ thống: .30 4.2 Các thiết bị phần cứng: 30 4.2.1 Thiết bị truyền thông Xbee: 30 4.2.2 Bo mạch Arduino Nano: 32 4.2 Cài đặt hệ thống 33 4.3 Xây dựng nút SINK: 39 4.4 Xây dựng nút Cluster Head: 41 4.5 Lắp đặt chạy thử hệ thống: .41 4.6 Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện: 41 Chƣơng V ẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 : Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây (https://www.researchgate.net) Hình 1.2 Sensor node Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .7 Hình 1.4 SmartHouse(www.vietnamnet.vn) .9 Hình 2.1 Phân loại so sánh giao thức chọn đƣờng WSN [6] 12 Hình 2.2 : Mơ hình giao thức LEACH (http://www.spiroprojects.com) 13 Hình : Ngƣỡng thiết lập Cluster Head 15 Hình 2.4 : Lƣu đồ thuật toán cài đặt LEACH(www.slideshare.net) 15 Hình 2.5 : Lƣu đồ thuật tốn giai đoạn ổn định LEACH(www.slideshare.net) 16 Hình 2.6 : iai đoạn cài đặt LEACH-C (www.slideshare.net) 17 Hình 2.7 : Cấu trúc mạng ZigBee(adlt.com.au) 18 Hình 2.8 : Mơ hình mạng ZigBee (http://arduino.vn/) 19 Hình Sơ đồ chức nút chủ SINK 25 Hình 3.2 Khung liệu nút SINK nhận đƣợc 25 Hình 3.3 Khung liệu nút SINK gửi 26 Hình Sơ đồ chức nút thành phần 27 Hình 3.5 Khung liệu Broad Cast Cluster Head 28 Hình 3.6 Khung liệu đƣợc gửi t nút thành phần đến Cluster Head 28 Hình Sơ đồ hệ thống 30 Hình 4.2 : Thiết bị Xbee (http://arduino.vn/) 31 Hình 4.3 : Bộ kết hợp Xbee Arduino (http://arduino.vn/) 31 Hình 4.4 : Cấu trúc Xbee (http://arduino.vn/) 32 Hình 4.5 : Arduino Nano (http://arduino.vn/) 32 Hình 4.6: Sơ đồ cấu trúc Arduino Nano (http://arduino.vn/) 33 Hình 4.7 : Đế chuyển đổi t 2.0 sang 2.5 (http://arduino.vn/) 33 Hình 4.8 : Xbee Arduino Nano Bread Board 34 Hình 4.9 : Bộ cấu hình cho Xbee 34 Hình 4.10 : Nhận diện Xbee 35 Hình 4.11 : Cấu hình Xbee 36 Hình : Sơ đồ mạch kết nối Xbee Arduino Nano (http://arduino.vn/) 37 Hình 4.13 : Code cho nút SIN Hình 4.15 : Giao diện Arduino Hình 4.19: Pin sạc dự phịng Hình 4.19 Gói tin ZigBee Hình 4.2 ói tin p Hình 4.21 Mơ hình no Hình 4.22 Mơ hình mạn CƠNG THỨC TRONG LUẬN VĂN Cơng thức ( ) : Xác định Cluster Head giao thức LEACH Trang 15 Cơng thức (2) : Tính hiệu suất truyền liệu thành công …… Trang 29 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Hiện khoa học k thuật đƣợc đƣa vào áp dụng cho công nông nghiệp nhiều V i nhu cầu tiêu thụ thực phẩm an toàn ngày cao vƣờn trồng hay trang trại có quy mơ đƣợc mở Nhằm giúp cho ngƣời trồng quản lý đƣợc môi trƣờng vƣờn trồng nhanh xác thiết bị cảm biến đƣợc sử dụng Tính cấp thiết đối v i thực tế, tơi tìm hiểu nghiên cứu đề tài xây dựng mạng cảm biến v i mong muốn mang lại hiệu cho ngƣời sử dụng Mạng cảm biến không dây hệ thống tập hợp, liên kết nhiều cảm biến v i sử dụng liên kết không dây để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu v i quy mô l n điều kiện vùng địa lý Mạng cảm biến khơng dây liên kết trực tiếp v i nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua điểm thu phát môi trƣờng mạng công cộng nhƣ Internet hay vệ tinh Mỗi cảm biến chịu nhiều nhiệm vụ khác tùy thuộc vào ứng dụng Hiện mạng cảm biến không dây đƣợc áp dụng nhiều lĩnh vực ví dụ nhƣ: y tế, cơng nghiệp, nơng nghiệp, nghiên cứu,… Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành mạng tạo nhiều khả m i cho ngƣời Các đầu đo v i vi xử lý nhỏ gọn tạo nên thiết bị cảm biến khơng dây có kích thƣ c nhỏ, tiết kiệm khơng gian Chúng hoạt động môi trƣờng dày đặc v i khả xử lý tốc độ cao Ngày nay, mạng cảm biến không dây đƣợc ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái môi trƣờng sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát công nghiệp lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay ứng dụng đời sống hàng ngày Công nghệ k thuật phát triển mạnh nhƣ mạng cảm biến không dây đƣợc cải tiến liên tục mang lại hiểu to l n cho nhiều ngành nghề nhiều lĩnh vực Đi kèm v i công nghệ 4.0 công nghệ IOT phát triển vƣợt bậc cho ta thấy tƣơng lai tƣơi sáng mạng cảm biến không dây Xbee thiết bị truyền thông không dây đƣợc sử dụng rộng rãi mạng cảm biến khơng dây Xbee có mạnh cần thiết nhƣ: tin cậy, tính mở rộng, dễ sử dụng, tiết kiệm lƣợng,… Xbee sử dụng giao thức Zigbee để hình thành mạng cảm biến khơng dây V i mạnh Xbee nêu đề tài lựa chọn Xbee thiết bị để xây dựng mạng cảm biến không dây ZigBee Đề tài giúp tơi tìm hiểu vận dụng kiến thức vào thực tế, v i tích lũy thêm kinh nghiệm chun mơn [2] Mục tiêu nghiên cứu: Hiện nhiều thiết bị cảm biến nhiều mạng cảm biến đƣợc thiết kế Mỗi mạng cảm biến lại mạnh riêng, cách thức sử dụng riêng Vì đề tài chọn hai giao thức mạng cảm biến dùng nhiều phù hợn v i điều kiện Việt Nam LEACH Zigbee Mục tiêu đƣa phƣơng pháp để kết hợp mạnh hai giao thức mạng cảm biến lại v i nhằm xây dựng mạng cảm biến hoạt động hiệu Đề tài tập trung nghiên cứu thay đổi phƣơng thức định tuyến mơ hình mạng cảm biến ZigBee theo phƣơng thức định tuyến giao thức LEACH Hệ thống đƣợc áp dụng thiết bị truyền phát liệu Xbee, sử dụng Arduino để định tuyến đƣờng truyền gói tin Phân tích hiệu mơ hình mang lại ba mặt : hiệu truyền tin, kéo dài sống mạng, hiệu suất tiêu thụ lƣợng Kiến thức mạng cảm biến khơng dây tơi có đƣợc học chƣơng trình đào tạo cao học nhà trƣờng Tài liệu nghiên cứu chủ yếu đƣợc lấy t báo nƣ c kiến thức thu nhặt đƣợc t trang chia thông tin mạng Internet Đi sâu tìm hiểu cách thức đóng gói, định tuyền gói tin mạng cảm biến khơng dây nhằm thay đổi theo cách thức mong muốn  Thời gian hệ thống hoạt động tiếng: V i hệ thống ZigBee bản: Thiết bị sử dụng Pin Nút Router Nút ZED Hệ thống bao gồm nút Coordinator, nút router nút ZED tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút Coordinator : 24 + 5*5 = 49 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((15640/5)*100)/3600 = 86.8% V i giao thức LEACH: Thiết bị sử dụng Pin Nút SINK Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : 8*6 = 48 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((18760/6)*100)/3600 = 86.8% 46 V i hệ thống ZigBee áp dụng phƣơng pháp m i: Thiết bị sử dụng Pin Nút thành phần Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : (9*6 + 8*6)/2 = 51 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : 3199*100/3600 = 88.8%  Thời gian hệ thống hoạt động tiếng: V i hệ thống ZigBee bản: Thiết bị sử dụng Pin Nút Router Nút ZED Hệ thống bao gồm nút Coordinator, nút router nút ZED tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút Coordinator : 47 + 11*5 = 102 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((30931/5)*100)/7200 = 85.9% 47 V i giao thức LEACH: Thiết bị sử dụng Pin Nút SINK Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : 17*6 = 102 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((37149/6)*100)/7200 = 86% V i hệ thống ZigBee áp dụng phƣơng pháp m i: Thiết bị sử dụng Pin Nút thành phần Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : (18*6 + 17*6)/2 = 105 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : 6502*100/7200 = 90.3% 48  Thời gian hệ thống hoạt động tiếng: V i hệ thống ZigBee bản: Thiết bị sử dụng Pin Nút Router Nút ZED Hệ thống bao gồm nút Coordinator, nút router nút ZED tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút Codinator : 72 + 21*5 = 177 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((52359/5)*100)/12600 = 83.1% V i giao thức LEACH: Thiết bị sử dụng Pin Nút SINK Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : 29*6 = 174 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : ((62975/6)*100)/12600 = 83.3% 49 V i hệ thống ZigBee áp dụng phƣơng pháp m i: Thiết bị sử dụng Pin Nút thành phần Nút thành phần Hệ thống bao gồm nút SINK nút thành phần tính số sau: Tổng điện tiêu thụ hệ thống khơng tính nút SINK : (30*6 + 28*6)/2 = 174 % (Pin sạc) Tỷ lệ gói tin nhận : 11621*100/12600= 92.2% V i dung lƣợng pin 10000 mhA cho nút thành phần ta ƣ c tính thời gian sống mạng nhƣ biểu đồ sau: 30 25 20 Xbee Thuần 15 LEACH 24 Giờ Giờ Dung lượng pin 10000 mhA Hình 4.23 Biểu đồ so sánh thời gian sống mạng Nhƣ thực nghiệm nút Router mạng ZigBee hoạt động tiêu tốn hết 72% pin sạc ƣ c tính nút Router ng ng hoạt 50 động Tƣơng tự v i nút thành phần LEACH ZigBee áp dụng phƣơng pháp m i thời gian sống nút thành phần 23 24 Tổng hợp kết ta có biểu đồ so sánh tổng mức tiêu thụ điện năng: Hình 4.24 Biểu đồ so sánh mức tiêu thụ điện Giá trị tổng mức tiêu thụ điện đƣợc tổng hợp t thực nghiệm cụ thể thực Tổng mức tiêu thụ điện phƣơng pháp m i đƣợc tối ƣu dần theo thời gian Phƣơng pháp m i cần thời gian cài đặt thu thập liệu hiệu suất truyền liệu nên khoảng thời gian đầu tiêu thụ nhiều điên Nhƣng bƣ c vào giai đoạn ổn định phƣơng pháp m i tiêu thụ lƣợng Nếu hệ thống hoạt động thời gian dài phƣơng pháp m i chứng minh đƣợc hiệu 51 Biểu đồ dƣ i thể việc mát gói tin ba hệ thống: Hình 4.25 Biểu đồ so sánh tỷ lệ mát gói tin hệ thống Biểu đồ thể độ mát gói tin ba hệ thống hoạt động V i điều kiện địa lý giống thực nghiệm ba hệ thống phƣơng pháp m i có tỷ lệ mát gói tin thấp hẳn 52 Chƣơng V KẾT LUẬN Khoa học công nghệ mang lại cho nhân loại bƣ c tiến vƣợt bậc công nghệ Mỗi công nghệ đời đƣợc ngƣời dùng cảm nhận kiểm chứng khắt khe Công nghệ tiếp cận đƣợc v i ngƣời dùng nhiều chứng tỏ ƣu điểm cơng nghệ v i cơng nghệ khác lĩnh vực Mạng cảm biến không dây đời kết hợp thành công loạt thành tựu khoa học công nghệ mạng máy tính Hiện mạng cảm biến khơng dây vào nhiều lĩnh vực sống nghiên cứu nhằm phục vụ ngƣời V i nhiều ƣu điểm mang lại nên mạng cảm biến không dây khẳng định vị cơng nghệ mạng truyền thơng Để mang lại lợi ích tối ƣu cho ngƣời sử dụng tốt tận dụng điểm mạnh riêng biệt mạng cảm ứng, sensor giá thành thấp, tiêu thụ lƣợng thực đa chức Tuy nhiên, WSN cịn nhiều vấn đề cần hồn thiện đặc biệt vấn đề lƣợng trì nguồn lƣợng cho nút cảm biến Đã nhiều nhà nghiên cứu đem nhiều giải pháp hệ thống v i mong muốn khắc phục dần điểm yếu mạng cảm biến không dây Sau nghiên cứu xây dựng đƣợc mạng cảm biến không dây sử dụng phƣơng thức LEACH ZigBee rút đƣợc ƣu điểm vấn đề gặp phải nhƣ sau: - - Ƣu điểm : o Thời gian hoạt động mạng đƣợc kéo dài o Tiết kiệm lƣợng 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 m i đảm bảo độ xác cao o Lƣợng cơng việc khối điều khiển nhiều 53 o Số lƣợng chất lƣợng 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 đƣợc kiến thức kinh nghiệm mà đề tài mang lại Tôi nhận thấy ƣu điểm tốt để cải thiện mạng cảm biến không dây ZigBee Tôi hi vọng nghiên cứu đóng góp phần vào cơng phát triển mạng cảm biến không dây gi i 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] [2] www.arduino.vn Website gi i thiệu hƣ ng dẫn sử dụng Arduino 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 (2 2), “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 [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 55 ... nhiều giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây Để thiết kế đƣợc giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây cần phải nắm rõ vấn đề liên quan đến mạng cảm biến Trong mạng cảm biến. .. nghiên cứu Hiện có nhiều chuyên gia nghiên cứu đƣa nhiều giao thức mạng cảm biến khơng dây ZigBee mơ hình mạng cảm biến có nhiều ƣu điểm ZigBee đƣợc ngƣời dùng lựa chọn để xây dựng mạng cảm biến. .. n mạng cảm biến không dây gia đình đƣợc mong chờ mức tiêu thụ điện thấp tính ổn định cao điều kiện thiết yếu mạng cảm biến không dây  Triển vọng mạng cảm biến không dây quân Các mạng cảm biến