Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

TRẦN DOÃN TUẤN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Trần Doãn Tuấn KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THƠNG MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ MƠ HÌNH KHƠNG GIAN THƠNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG 2009 HÀ NỘI – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Doãn Tuấn MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY VÀ MƠ HÌNH KHƠNG GIAN THƠNG MINH Chun ngành: Kỹ thuật máy tính truyền thơng LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Kim Khỏnh H NI 2011 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thày cô giáo Viện Công nghệ thông tin truyền thông Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội đà truyền thụ kiến thức giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu trờng Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Nguyễn Kim Khánh đà định hớng tận tâm hớng dẫn em trình thực luận văn cao học Hà Nội tháng -2011 Học viên: Trần DoÃn Tuấn Lun thc s khoa học LỜI CAM ĐOAN Tơi – Trần Dỗn Tuấn – cam kết luận văn thạc sĩ khoa học cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Nguyễn Kim Khánh Những điều trình bày luận văn hồn tồn trung thực khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 26 tháng năm 2011 Trần Doãn Tuấn Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa .1 Lời cam đoan Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 12 1.1 Giới thiệu 12 1.2 Đặc trưng cấu hình mạng cảm biến .13 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 17 1.2.2 Cấu trúc mạng cảm biến 21 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 22 1.3.1 Ứng dụng quân an ninh quốc gia 25 1.3.2 Ứng dụng môi trường 27 1.3.3 Ứng dụng thương mại 29 1.3.4 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe .30 1.3.5 Ứng dụng gia đình 30 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CƠ BẢN MẠNG CẢM BIẾN .32 2.1 Node 32 2.2 Các kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến tiêu chuẩn áp dụng 34 2.2.1 Chuẩn Bluetooth 36 2.2.2 Chuẩn WLAN 37 2.2.3 Chuẩn Zigbee 39 2.2.3.1 Topology 40 2.2.3.2 Tầng vật lý 41 2.2.3.2 Tầng MAC 44 2.2.3.3 Tầng mạng 46 2.2.3.4 Tầng ứng dụng 49 Luận văn thạc sĩ khoa học 2.3 Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 50 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH KHƠNG GIAN THƠNG MINH: PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG TRONG CÁC NGÂN HÀNG DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 54 3.1 Giới thiệu hệ thống xếp hàng tự động 54 3.2 Hoạt động hệ thống xếp hàng tự động 57 3.2.1 Quy trình khách hàng 57 3.2.2 Chức hệ thống xếp hàng tự động 57 3.3 Phân tích, thiết kế hệ thống 59 3.3.1 Mơ hình tổng quan hệ thống 59 3.3.2 Thiết kế sở liệu 60 3.4 Thử nghiệm 62 3.4.1 Cài đặt phần mềm, môi trường phát triển 62 3.4.2 Kết thử nghiệm 63 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU .69 4.1 Kết đạt .69 4.2 Khó khăn hạn chế 69 4.3 Hướng phát triển .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter AODV Ad hoc On Demand Distance Vector AP Access Point CCA Clear Channel Assessment CSDL Cơ sở liệu CSMA-CA Carrier Sence Multiple Access – Collision Avoidance ED Energy Detection FFD Full-Function Device FIFO First In First Out ID Identification ISM Industrial, Scientific and Medical LQI Link Quanlity Indication LW-WPAN Low-rate Wireless Personal Area Network MAC Media Access Control OS Operating System PAN Personal Area Network PPDU Physical Protocol Data Unit QMS Queue Managerment System RF Radio Frequency RFD Reduced-Function Device SHR Synchronization Header WSN Wireless Sensor Network Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: So sánh số chuẩn truyền dẫn vô tuyến .36 Bảng 2.2: Dải tần số vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 42 Bảng 2.3: Các kênh truyền dẫn vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 .43 Bảng 3.1: Bàn phục vụ .61 Bảng 3.2: Khách hàng 62 Bảng 3.3: Các dịch vụ 62 Bảng 3.4: Quan hệ dịch vụ - bàn 62 Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc chung mạng cảm biến 13 Hình 1.2: Ví dụ nút cảm biến 15 Hình 1.3: Cấu tạo nút cảm biến 15 Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 16 Hình 1.5: Cấu trúc mạng cảm biến 18 Hình 1.6: Cấu trúc mạng cảm biến loại 21 Hình 1.7 : Cấu trúc mạng cảm biến loại .22 Hình 1.8: Phát theo dõi mục tiêu 26 Hình 1.9: Theo dõi điều kiện môi trường 28 Hình 1.10: Theo dõi cảnh báo cháy rừng 29 Hình 1.11: Ứng dụng mạng cảm biến y tế .30 Hình 1.12: Ứng dụng mạng cảm biến - nhà thông minh 31 Hình 2.1: Cấu tạo nút cảm biến - phần cứng 33 Hình 2.2: Cấu tạo nút cảm biến – phần mềm 34 Hình 2.3: Một số chuẩn truyền dẫn vô tuyến 35 Hình 2.4: Cấu trúc phân lớp giao thức IEEE 802.15.4/Zigbee 40 Hình 2.5: Topology mạng Zigbee 41 Hình 2.6: Dải tần số theo IEEE 802.15.4 42 Hình 2.7: Khung tin PPDU .44 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống xếp hàng tự động .56 Hình 3.2: Luồng xử lý hệ thống: khách hàng lấy số 58 Hình 3.3: Luồng xử lý hệ thống: nhân viên gọi số phục vụ .58 Hình 3.4: Chức xử lý trung tâm 59 Hình 3.5: Kiến trúc hệ thống 59 Hình 3.6: Mơ hình thực thể/liên kết 61 Hình 3.7: Màn hình hiển thị trung tâm 63 Hình 3.8: Màn hình lấy số phục vụ 64 Hình 3.9: Chức lấy số 65 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.10: Màn hình bàn phục vụ 65 Hình 3.11: Chức gọi số phục vụ 66 Hình 3.12: Màn hình quản trị bàn 67 Hình 3.13: Màn hình quản trị dịch vụ 67 Hình 3.14: Màn hình chức báo cáo 68 Luận văn thạc sĩ khoa học nguyên tương đối lớn Để khắc phục nhược điểm đó, mạng cảm biến khơng dây xem xét lựa chọn tốt với ưu điểm: - Tiêu tốn lượng hơn, dùng nguồn pin hay ắc-quy - Dễ dàng triển khai tịa nhà xây dựng từ trước Chính tác giả tin việc sử dụng mạng cảm biến không dây giải pháp có tính khả thi cao với ứng dụng quản lý hệ thống xếp hàng tự động ngân hàng Trong phạm vi luận văn tác giả xây dựng hệ thống quản lý việc xếp hàng ngân hàng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây 3.2 Hoạt động hệ thống xếp hàng tự động 3.2.1 Quy trình khách hàng Bước 1: Lấy số Khách hàng tới bàn lấy số lựa chọn dịch vụ thông qua nút bấm Máy in tự động in giấy mã số khách hàng, ngày giờ, loại dịch vụ Mỗi khách hàng có mã số theo thứ tự bấm nút Bước 2: Ngồi chờ Sau nhận mã số, khách hàng ngồi vào vị trí chờ hệ thống thông báo đến lượt phục vụ Hệ thống thông báo qua loa: phát âm gọi, ví dụ: mời quý khách hàng số 123 đến quầy số để phục vụ Hệ thống thông báo trạng thái hàng đợi bảng thị: trạng thái khách hàng phục vụ, khách hàng phục vụ khách hàng chờ phục vụ theo số hiệu quầy giao dịch Bước 3: Giao dịch Khách hàng vào quầy để phục vụ theo thông báo hệ thống Đối với khách hàng thực giao dịch nhiều quầy, nhiều dịch vụ sau hoàn thành việc giao dịch quầy khách hàng thực lặp lại bước 3.2.2 Chức hệ thống xếp hàng tự động Các luồng xử lý hệ thống: 57 Luận văn thạc sĩ khoa học Khách hàng lấy số: Khách hàng chọn dịch vụ Phiếu lấy số Hệ thống Phiếu dịch vụ Khách hàng Chọn đăng ký dịch vụ Ghi vào CSDL In phiếu CSDL Hình 3.2: Luồng xử lý hệ thống: khách hàng lấy số Nhân viên gọi số phục vụ: Nhân viên gọi số Hệ thống Thơng báo hình loa Bảng hiển thị, loa đài Nhân viên Gọi số Trích rút CSDL Thơng báo CSDL Hình 3.3: Luồng xử lý hệ thống: nhân viên gọi số phục vụ 58 Luận văn thạc sĩ khoa học Các chức xử lý trung tâm Thêm dịch vụ Thêm bàn Trung tâm Xóa bàn Xóa dịch vụ Báo cáo Hình 3.4: Chức xử lý trung tâm 3.3 Phân tích, thiết kế hệ thống 3.3.1 Mơ hình tổng quan hệ thống Server Remote Display Zigbee Base Remote Zigbee Remote Hình 3.5: Kiến trúc hệ thống Yêu cầu chung hệ thống phải xử lý thông tin mà node gửi lên xử lý thông tin trung tâm Server dựa hạ tầng mạng cảm biến khơng dây, đồng thời phải có đặc điểm sau: - Khả mở rộng, kết nối linh hoạt - Có node điều khiển trung tâm 59 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình minh họa biểu diễn kiến trúc hệ thống xếp hàng tự động, theo hệ thống bao gồm: Server: Chứa phần nhân điều khiển xử lý hệ thống, có chức sau: Thêm xóa dịch vụ mà ngân hàng cung cấp Thêm xóa bàn phục vụ Báo cáo theo ngày, theo tháng, theo dịch vụ lượng khách hàng mà ngân hàng phục vụ Đăng kí cấp số cho khách hàng Đọc liệu từ Base gửi lên trả mã số khách hàng chuẩn bị phục vụ Base: Một vi điều khiển thực truyền thông giữ Server Remote Do hạn chế nhớ nguồn lượng, Base truyền thông không lưu trữ liệu Remote: Các thiết bị bàn phục vụ để gọi khách hàng Display: Hệ thống loa để gọi khách hàng hệ thống hiển thị thông tin khách hàng chờ, phục vụ bàn 3.3.4 Thiết kế sở liệu Luận văn xây dựng mơ hình thực thể/liên kết sau: 60 Luận văn thạc sĩ khoa học IDService IDTable m n Service Table IDTable Name Address Table IDService Name Register Customer Index IDService Status Time Hình 3.6: Mơ hình thực thể/liên kết Xây dựng thực thể thuộc tính Hệ thống mà tác giả xây dựng gồm có thực thể sau: - Bàn phục vụ - Dịch vụ mà ngân hàng cung cấp - Khách hàng đăng kí dịch vụ Như bảng sở liệu là: Bàn phục vụ: nhân viên phục vụ gọi số phục vụ khách hàng Tên trường Kiểu liệu NULL IDTable nvarchar(10) Not NULL Name nvarchar(100) Not NULL Address nvarchar(200) Not NULL Status Tinyint Not NULL Bảng 3.1: Bàn phục vụ Khách hàng đăng kí vào sở liệu hệ thống cấp cho họ số thứ tự: 61 Luận văn thạc sĩ khoa học Tên trường Kiểu liệu NULL IDCustomer nvarchar(10) Not NULL IDService nvarchar(10) Not NULL Status Tinyint Not NULL Time Datetime Not NULL Bảng 3.2: Khách hàng Các dịch vụ mà ngân hàng phục vụ: Tên trường Kiểu liệu NULL IDService nvarchar(10) Not NULL Name nvarchar(50) Not NULL Bảng 3.3: Các dịch vụ Một bàn phục vụ phục vụ nhiều dịch vụ, dịch vụ phục vụ nhiều bàn Tên trường Kiểu liệu NULL IDService nvarchar(10) Not NULL IDTable nvarchar(10) Not NULL Bảng 3.4: Quan hệ dịch vụ - bàn 3.4 Thử nghiệm 3.4.1 Cài đặt phần mềm, môi trường phát triển - Môi trường cài đặt ứng dụng: Microsoft Windows - Ngôn ngữ cho hệ thống: Microsoft Visual Basic 2010 - IDE hỗ trợ xây dựng: Microsoft Visual Studio 2010 Ultimate Microsoft SQL Server Compact 3.5 62 Luận văn thạc sĩ khoa học 3.4.2 Kết thử nghiệm 3.4.2.1 Modul hiển thị trung tâm: Hình 3.7: Màn hình hiển thị trung tâm Màn hình hiển thị thơng tin bàn phục vụ, danh sách khách hàng đợi phục vụ, thông tin ngân hàng thông báo cần thiết để mời khách hàng 3.4.2.2 Modul dịch vụ để khách hàng vào lấy số: 63 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.8: Màn hình lấy số phục vụ Tại đây, khách hàng vào lựa chọn dịch vụ, sau nhấn nút đồng ý, modul liên lạc với trung tâm trả số phục vụ khách hàng, máy in in phiếu có chứa số phục vụ để khách hàng cầm bàn ngồi đợi 64 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.9: Chức lấy số 3.4.2.3 Modul bàn phục vụ: Hình 3.10: Màn hình bàn phục vụ 65 Luận văn thạc sĩ khoa học Ở bàn phục vụ có modul hiển thị khách hàng phục vụ bàn, nhân viên bàn phục vụ xong khách hàng nhấn nút Tiếp để gọi khách hàng Khi nhân viên nhấn nút hệ thống vào khách hàng đợi phục vụ để chuyển số phục vụ cho bàn này, đồng thời có thơng báo bảng hiển thị trung tâm mời khách hàng đến bàn để giao dịch Hoặc số trường hợp, nhân viên bàn gõ số nhấn nút gọi số để mời khách đến bàn Hình 3.11: Chức gọi số phục vụ 3.4.2.4 Modul quản trị trung tâm: quản trị bàn, quản trị dịch vụ báo cáo thống kê cần thiết Khi vào chức Quản trị - Bàn, ta thêm, sửa(tên, địa chỉ) xóa bàn 66 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.12: Màn hình quản trị bàn Tương tự chức Quản trị - Dịch vụ Hình 3.13: Màn hình quản trị dịch vụ Đối với chức báo cáo ta chọn khoảng thời gian để báo cáo đồng thời chọn loại báo cáo theo Dịch vụ - Khách hàng, Bàn phục vụ - Khách hàng 67 Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.14: Màn hình chức báo cáo 68 Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết đạt Luận văn hoàn thành nhiệm vụ đề ra: Về mặt lý thuyết là: - Nghiên cứu mạng cảm biến khơng dây kiến trúc, thành phần, kỹ thuật vận dụng hệ thống - Nghiên cứu hệ thống xếp hàng tự động Từ xây dựng hệ thống xếp hàng tự động ngân hàng dựa công nghệ mạng cảm biến không dây Đồng thời, mặt thực nghiệm: Luận văn xây dựng thành công ứng dụng quản lý hệ thống xếp hàng tự động ngân hàng ứng dụng chạy thành cơng mơi trường PC 4.2 Khó khăn hạn chế Mơ hình khơng gian thơng minh việc quản lý hệ thống xếp hàng tự động ngân hàng dựa mạng cảm biến không dây xây dựng hệ thống đáp ứng yêu cầu ý tưởng đề Nhưng đề tài lớn, đòi hỏi tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn khác phối hợp làm việc nhiều nhóm nên cịn có hạn chế định: - Một dịch vụ phục vụ nhiều bàn - Chưa thực thi nút mạng thật 4.3 Hướng phát triển Tuy số hạn chế bản, hệ thống hoàn thành nhiệm vụ đặt ra, thực ý tưởng: quản lý hệ thống xếp hàng tự động cách khoa học, hợp lý, cung cấp báo cáo phục vụ yêu cầu quản lý điều hành Trong thời gian tới, tác giả hy vọng tiếp tục phát triển đề tài: - Thực thi thành công nút mạng thực - Tự cảm biến khách hàng vào ngân hàng, thông báo hướng dẫn cho 69 Luận văn thạc sĩ khoa học khách vào khu vực chọn dịch vụ - Tại bàn phục vụ, kết thúc phục vụ cho người hệ thống cảm biến tự động gọi người mà nhân viên không cần phải nhấn nút gọi Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp để hoàn thiện, phát triển hệ thống 70 Luận văn thạc sĩ khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati, Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols and Applications, 2007 [2] Anna HAC, Wireless Sensor Network Designs, 2003 [3] IEEE, IEEE Std 802.15.4a, 2007 [4] ZigBee Alliance: http://www.zigbee.org [5] Thư viện MSDN, http://msdn.microsoft.com/en-us/library, Truy cập lần cuối tháng 9/2011 [6] Diễn đàn VNTELECOM, http://vntelecom.org/diendan/forum.php, Truy cập lần cuối tháng 9/2011 71 ... Chương 2: Kỹ thuật mạng cảm biến không dây: Chương trình bày vấn đề kỹ thuật mạng cảm biến không dây: nút mạng cảm biến, chuẩn truyền dẫn không dây hệ điều hành cho mạng cảm biến Ở tập trung trình... trúc cho mạng Internet mạng ad-hoc không dây không dùng mạng cảm biến không dây, số lý sau: Số lượng nút cảm biến mạng cảm biến lớn gấp nhiều lần số lượng nút mạng ad-hoc Các nút cảm biến dễ bị... tạo cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây mạng bao gồm nhiều nút cảm biến