Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường

đại học quốc gia hà nội tr-ờng đại học công nghệ *** NGÔ đức nghị mạng cảm nhận không dây đánh giá thực nghiệm số thông số qua điều khiển thâm nhập môi tr-ờng luận văn thạc sü Hµ néi – 2009 -1- LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan luận văn nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố Luận văn khoa học khác Các số liệu trích dẫn tha khảo từ báo, tài liệu gốc cụ thể Ngƣời viết cam đoan Ngô Đức Nghị -2- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .4 MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 10 1.1 Giới thiệu 10 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 11 1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến .11 1.2.2 Kiến trúc giao thức mạng 15 1.2.3 Hai cấu trúc đặc trưng mạng cảm biến 16 1.2.3.1 Cấu trúc phẳng 16 1.2.3.2 Cấu trúc tầng 17 1.3 Ứng dụng 19 1.3.1 Ứng dụng quân đội 19 1.3.2 Ứng dụng môi trường 21 1.3.3 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 22 1.3.4 Ứng dụng gia đình 22 1.4 Kết luận 22 CHƢƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG 23 2.1 Tổng Quan 23 2.2 Các giao thức MAC truyền thống .23 2.2.1 Aloha CSMA 23 2.2.2 Các vấn đề nút ẩn nút .23 2.2.3 Thâm nhập môi trường cảnh báo đụng độ (MACA) 24 2.2.4 IEEE 802.11 MAC 25 2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC 25 2.3 Hiệu lƣợng giao thức MAC 26 2.3.1 Quản lý lượng IEEE 802.11 26 2.3.2 Thâm nhập mơi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) 26 2.3.3 Mức tối thiểu hố chi phí lượng thu nhàn rỗi 27 2.4.1 Đánh thức máy thu thứ cấp 27 2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp 27 2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER) 28 2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình 30 2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ 31 2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) 31 -3- 2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) 32 2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) 32 2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) 33 2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng 34 2.6 Các giao thức tự tranh chấp .36 2.6.1 MAC tình khởi động (SMACS) 37 2.6.2 Lập lịch BFS/DFS 37 2.6.3 MAC đồng dành riêng 38 2.6.4 Thâm nhập mơi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA) 38 2.7 Lập lịch không tập trung 40 CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG 42 3.1 Mục đích yêu cầu thực nghiệm: 42 3.1.1 Mục đích: 42 3.1.2 Yêu cầu thực nghiệm: 42 3.2 Các thiết bị thực nghiệm: 42 3.3 Giới thiệu VDK CC1010: 43 3.4 Tiến hành thực nghiệm 46 3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm thuật toán: 46 3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nút mạng để chúng liên lạc với : 46 3.4.1.2 Thời gian truyền nhận liệu nút cảm nhận nút sở 49 3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện nút mạng trạng thái : ngủ, truyền, nhận liệu chế độ lập lịch tập trung 53 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 80 -4- DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh ACKs Acknowledgement ADC Analog To Digital Converter AEA Adaptive Election Algorithm BFS Breadth-First CAP Contention Access Period CCA Clear Channel Assessment CDMA Code Division Multiple Access CFP Collision-Free Period CRC Cyclical Redundancy Check 10 CSMA Carrier Sense Medium Access 11 CTS Clear To Send 12 DCF Distributed Coordination Function 13 DESS Delay-Efficient Sleep Scheduling 14 DFS Depth-First 15 DIFS Distributed Inter-Frame Spacing 16 D-MAC Data-Gathering Media Access Control 17 FDMA Frequency Division Multiple Access 18 GTS Guaranteed Time Slots 19 ID Identification 20 IEEE Institute Of Electrical And Electronics Engineers 21 LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks 22 MAC Media Access Control STT -5- 23 MACA Medium Access With Collision Avoidance 24 NAV Network Allocation Vector 25 NP Neighbor Protocol 26 PAMAS Power Aware Medium-Access With Signalling 27 PAN Personal Area Network 28 PCF Point Coordination Function 29 RF Radio Frequency 30 RICER Receiver-Initiated Cycle Receiver 31 RTS Request To Send 32 SEP Schedule Exchange Protocol 33 S-MAC Sensor Media Access Control 34 SMACS Stationary Mac And Startup 35 TDMA Time Division Multiple-Access 36 TICER Transmitter -Initiated Cycle Receptions 37 T-MAC Timeout Media Access Control 38 TRAMA Traffic-Adaptive Medium Access 39 WSF Wake-Up Schedule Function 40 WSN Wireless Sensor Network -6- DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến 11 Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến 12 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 15 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng mạng cảm biến 16 Hình 1.5 Cấu trúc tầng mạng cảm biến 17 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức theo lớp 17 Hình 1.7 Ứng dụng quân đội 20 Hình 1.8 Ứng dụng môi trường 21 Hình 1.9 Ứng dụng chăm sóc sức khỏe 22 Hình 2.1 Các vấn đề với CSMA môi trường không dây : 24 Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC 26 Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe cơng suất thấp mẫu mào đầu 28 Hình 2.4(a) Ngủ khơng đồng sử dụng TICER 29 Hình 2.4(b) Ngủ khơng đồng sử dụng RICER 29 Hình 2.5 Các thành phần B-MAC thiết bị nhớ chúng 30 Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức S-MAC 31 Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole D-MAC 33 Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho khe đánh thức không đồng 36 Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho cấy thu thập liệu 37 Hình 2.10: Thủ tục TRAMA 40 Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung 41 Hình 3.1: Sơ đồ khối CC1010 44 Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận 45 Hình 3.3 Màn hình hiển thị kết đo 45 Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN 46 Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN 47 Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN trời 47 Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu nút mạng 48 Hình 3.9 Giải thuật nút sở 55 Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận 56 Hình 3.11 Thời gian hoạt động ngủ nút mạng Master Slaver 58 -7Hình 3.12 Giải thuật nút sở lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ 59 Hình 3.15 Giải thuật nút cảm nhận lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ 63 Hình 3.16 Sơ đồ chip CC1010, vị trí đánh dấu màu đỏ đo dịng điện tiêu thụ 66 Hình 3.17 Thực đo dòng điện chip CC1010 67 Bảng 3.2 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng ngủ 70 Bảng 3.3 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng truyền liệu 70 Bảng 3.4 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng nhận liệu 71 Bảng 3.5 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng không truyền/nhận liệu 71 Hình 3.18 Phần mềm viết mơi trường Visual C++ 72 Bảng 3.6 Bảng thống kê tổng hợp chế độ hoạt động nút mạng tham gia vào phiên gửi liệu từ nút sở tới nút cảm nhận 73 Hình 3.19 Đồ thị tuổi thọ nút mạng tỉ lệ nghịch với số nút mạng 75 theo hàm T  75 0.62 N  0.38 Hình 3.20 Sơ đồ lập lịch cải tiến 76 -8- MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng thơng tin máy tính di động phát triển mạnh mẽ Đặc biệt hệ thống mạng cảm biến di động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad-hoc mobile network) xuất hiện, nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế… quan tâm Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor NetworkWSN) kết hợp việc cảm nhận, tính tốn truyền thơng vào thiết bị nhỏ Thơng qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Trong khả thiết bị nhỏ, kết hợp hàng trăm thiết bị yêu cầu phải có cơng nghệ Nhờ có tiến nhanh chóng khoa học cơng 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 Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lượng lớn thiết bị nhỏ tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Tính chất khơng dây WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ có nhiều thách thức cần giải thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn, nút mạng cảm biến lại hoạt động mơi trường khó nạp lại lượng Trong đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống mạng cảm nhận lượng cung cấp Mỗi nút cần thiết kế quản lý lượng cung cấp nội để tối đa thời gian sống mạng Trong trường hợp mạng an ninh, nút phải sống nhiều năm Một nút bị lỗi làm tổn thương hệ thống an ninh.Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Nhận thấy tầm quan trọng việc hạn chế tiêu thụ lượng tối đa mạng cảm biến, tác giả vào nghiên cứu vấn đề “Mạng cảm nhận không dây đánh giá thực nghiệm số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường.” -9- Luận văn gồm chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục tài liệu tham khảo Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây giới thiệu cách tổng quan WSN, dạng ứng dụng WSN đưa tiêu chí đánh giá cho WSN tiêu chí đánh giá nút mạng cảm nhận Chương 2: Giới thiệu thủ tục thâm nhập môi trường, chọn thủ tục lập lịch tập trung sâu nghiên cứu Chương 3: Thực nghiệm đo kiểm mạng WSN sử dụng phương pháp lập lịch tập trung Phần kết luận tổng kết công việc thực kết đạt đồng thời đề cập đến công việc hướng nghiên cứu tương lai Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vương Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ tác giả nhiều trình thực luận văn Tác giả Ngô Đức Nghị -86- byte halRFReceivePacket2(byte timeOut, byte* packetData, byte maxLength) { byte receivedBytes, pkgLen, crcData, i; word crcReg; halConfigTimer23(TIMER3|TIMER23_NO_INT_TIMER, CC1010EB_CLKFREQ); 10000, INT_SETFLAG(INUM_TIMER3, INT_CLR); TIMER3_RUN(TRUE); RF_SET_PREAMBLE_COUNT(16); RF_SET_SYNC_BYTE(RF_SUITABLE_SYNC_BYTE); MODEM1=(MODEM1&0x03)|0x24; // Make sure avg filter is free-running + 22 baud settling time INT_ENABLE(INUM_RF, INT_OFF); INT_SETFLAG(INUM_RF, INT_CLR); RF_START_RX(); while (1) { // Check if 10 ms have passed if (INT_GETFLAG(INUM_TIMER3)) { // Clear interrupt flag and decrement timeout value INT_SETFLAG(INUM_TIMER3, INT_CLR); if (timeOut && ! timeOut) { timeOut=255; break; // Timeout } } // Check if sync byte received if (INT_GETFLAG(INUM_RF)) { EXIF &= ~0x10; // Clear the flag break; } } -87- receivedBytes=0; // Timeout or sync byte received? if (timeOut!=255) { // Lock average filter and perform RSSI reading if desired RF_LOCK_AVERAGE_FILTER(TRUE); // Get length of package RF_WAIT_AND_RECEIVE_BYTE( pkgLen ); pkgLen+=2; // Add the two CRC bytes // Initialize CRC-16 crcReg=CRC16_INIT; // Receive as many bytes as packet specifies + crc bytes while (pkgLen ) { RF_WAIT_AND_RECEIVE_BYTE( crcData ); // If there is space in the buffer at _packetData_ and we're not // currently receiving CRC, store the byte if ( pkgLen>=2 && maxLength ) { *packetData++=crcData; receivedBytes++; maxLength ; } // Calculate CRC-16 (CCITT) for (i=0; i>8) ^ (crcData&0x80) ) crcReg=(crcReg