Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính​

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN & TRUYỀN THÔNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN THỊ HIẾU MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG NHÀ KÍNH Chun ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60480101 Luận văn Thạc sỹ khoa học máy tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Việt Bình THÁI NGUYÊN - 2016 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan tất kết trình bày luận văn: “Một số kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây ứng dụng điều khiển giám sát mơi trường nhà kính” cơng trình nghiên cứu riêng em, khơng chép từ cơng trình khác Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn sử dụng trung thực, kiểm chứng chưa cơng bố cơng trình tác giả khác Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2016 HỌC VIÊN Nguyễn Thị Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phạm Việt Bình - trường Đại học Cơng nghệ thơng tin truyền thơng Thái Ngun tận tình hướng dẫn, bảo định hướng cho em suốt trình thực luận văn Xin trân trọng cảm ơn tới Ban lãnh đạo, thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông Thái Nguyên chia sẻ động viên, tạo điều kiện giúp em vượt qua khó khăn để hồn thành tốt cơng việc nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè người ủng hộ, quan tâm, giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt chỗ dựa vững giúp em hồn thành luận văn Thái Ngun, ngày 20 tháng năm 2016 HỌC VIÊN Nguyễn Thị Hiếu Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu .3 1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây .5 1.3.1 Lớp vật lý 1.3.2 Lớp liên kết liệu 1.3.3 Lớp mạng 1.3.4 Lớp truyền tải 1.3.5 Lớp ứng dụng 1.4 Phân loại giao thức định tuyến WSN 1.5 Cấu trúc mạng cảm biến không dây .10 1.6 Các tham số đánh giá hiệu giao thức định tuyến 12 1.7 Một số thách thức định tuyến mạng cảm biến không dây13 1.8 Vấn đề tối ưu lượng mạng cảm biến không dây 16 1.9 Các ứng dụng hệ thống mạng cảm biến không dây [1][4][5] .17 1.9.1 Ứng dụng nông nghiệp, lâm nghiệp 17 1.9.2 Ứng dụng y tế 18 1.9.3 Ứng dụng giám sát môi trường 18 1.9.4 Ứng dụng WSNs giao thông 18 1.9.5 Ứng dụng gia đình 19 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 21 2.1 Giới thiệu 21 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.2 Thuật toán định tuyến SPIN-EC [4][5] 22 2.3 Thuật toán định tuyến LEACH [4][5] 24 2.4 Thuật toán định tuyến CTP [6] .32 2.5 Thuật toán định tuyến AODV 37 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN AODV TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MƠI TRƯỜNG NHÀ KÍNH 47 3.1 Đặt vấn đề 47 3.2 Mơ hình nhà kính thử nghiệm 47 3.3.Thiết lập hệ thống 48 3.3.1 Phần cứng 48 3.3.2 Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát mơi trường nhà kính 50 3.3.3 Thuật toán cài đặt nút 55 3.4 Kết thử nghiệm 59 3.4.1 Giao diện phần mềm 59 3.4.2 Phần cứng hệ thống giám sát mơi trường nhà kính 61 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt AODV ACK ADV API CDMA CSMA CTP ETX IEEE LEACH MAC RREQ REQ QoS SPIN-EC TDMA WSN Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 mơ hình mạng cảm biến khơng dây Hình Kiến trúc giao thức mạng cảm biến [4][5] .6 Hình 1.3 Phân chia kênh vơ tuyến dải 24Ghz Hình 1.4: Phân loại giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 15 Hình 1.5: Ứng dụng hệ thống cảm biến khơng dây nơng nghiệp 17 Hình 1.6 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến giao thơng 19 Hình 1.7 Minh họa ứng dụng hệ thống cảm biến dân dụng .20 Hình 2.1 Các bước bắt tay thuật tốn SPIN-EC [5] 22 Hình 2.2 Các bước thuật toán SPIN-EC [4][5] 23 Hình 2.3 Các bước thuật tốn LEACH [5] 25 Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán pha thiết lập LEACH 27 Hình 2.5: Sơ đồ thuật tốn pha ổn định LEACH 29 Hình 2.6: Minh họa hoạt động pha ổn định LEACH .30 Hình 2.7: Minh họa ETXlink liên kết .33 Hình 2.8: Minh họa ETXlink liên kết [6] 34 Hình 2.9: Minh họa thành phần kỹ thuật CTP 34 Hình 2.10: Mơ tả q trình tìm đường AODV 38 Hình 3.1 Mơ hình thử nghiệm 47 Hình 3.2 Sơ đồ khối nút cảm biến 49 Hình 3.3 Thiết lập chức nút chủ 51 Hình 3.4 Thiết lập tham số cho nút chủ 52 Hình 3.5 Thiết lập chức nút định tuyến .52 Hình 3.6 Thiết lập tham số cho nút định tuyến 53 Hình 3.7 Thiết lập nút thu thập 53 Hình 3.8 Thiết lập tham số cho nút thu thập 54 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii Hình 3.9 Thuật tốn cho nút thu thập 55 Hình 3.10 Thuật toán cho nút định tuyến .56 Hình 3.13 Giao diện giám sát mơi trường khơng khí 59 Hình 3.14 Giao diện giám sát môi trường giá thể 60 Hình 3.15 Giao diện cài đặt truyền thơng 60 Hình 3.16 Nút thu thập số liệu mơi trường khơng khí 61 Hình 3.17 Nút thu thập số liệu mơi trường giá thể 61 Hình 3.18 Mơ hình hệ thống giám sát mơi trường nhà kính 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Những năm gần đây, nhờ có phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật với tiến vượt bậc công nghệ chế tạo tạo điều kiện cho hệ mạng đời - mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network-WSN) Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng đa chức năng, mạng cảm biến không dây nghiên cứu, phát triển ứng dụng sâu rộng đời sống hàng ngày khắp lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông Tuy nhiên mạng cảm biến không dây sử dùng truyền dẫn thông tin môi trường vô tuyến, nên với cách thức truyền thông xảy mất liệu môi trường vô tuyến không ổn định Đây thách thức lớn q trình truyền thơng WSN, cần phải thiết kế mạng cảm biến truyền thông đa chặng giảm thiểu tối đa mát liệu q trình truyền thơng Trong đó, nghiên cứu WSN có tới 70% lượng hệ thống mạng bị tiêu hao q trình truyền thơng Bởi vậy, việc tiết kiệm lượng trình định tuyến cho giao thức định tuyến toán nhiều nhà ngiên cứu quan tâm tính khoa học khả ứng dụng thực tiễn Nhận thấy tầm quan trọng này, em lựa chọn nghiên cứu đề tài “Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến không dây ứng dụng điều khiển giám sát môi trường kính” Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu số kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng từ lựa chọn xây dựng mơ hình hệ thống để làm sở đánh giá số thuật toán định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến khơng dây Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 50 3.3.2 Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV cho hệ thống giám sát môi trường nhà kính Thuật tốn định tuyến AODV nhúng sẵn module Xbee, để sử dụng thuật toán định tuyến này, thực cấu hình cho module Xbee theo dạng lưới thông qua phần mềm X-CTU X-CTU bao gồm tính sau đây: - Có thể quản lý cấu hình nhiều thiết bị RF, chí thiết bị kết nối từ xa (over-the-air) - Q trình cập nhập firmware liên tục khơi phục thiết lập module, tự động xử lý chế độ thay đổi tốc độ truyền - X-CTU bao gồm cơng cụ nhúng mà thực mà khơng có module RF kết nối - Frames generator: Dễ dàng tạo loại khung API để lưu giá trị - Frames interpreter: Giải mã khung API xem giá trị khung cụ thể - Recovery: Khôi phục module radio mà bị hư hỏng firmware chế độ lập trình - Load console session: Tải phiên giao diện điều khiển lưu PC chạy X- CTU - Range test: Thực thử nghiệm khoảng cách mô-đun radio mạng - Firmware explorer: Điều hành thông qua thư viện firmware X- CTU Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 51 Để thực mạng dang lưới phải xác định chức nút, thực việc phân cấp Từ thực cấu hình module Xbee tương ứng: Cấu hình Xbee thành nút chủ Thiết lập chức ZigBee Coordinator API lựa chọn phiên firmware 21A7 để nạp cho module XBee cấu hình thành coordinator sau: Hình 3.3 Thiết lập chức nút chủ Sau nạp xong firmware lựa chọn PAN ID nằm khoảng từ -0xFFFFFFFFFFFFFFFF cho việc nhận dạng mạng Các thông số khác ta để mặc định Hình 3.3 minh họa kết thiết lập tham số cho nút chủ mạng cảm biến khơng dây Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 52 Hình 3.4 Thiết lập tham số cho nút chủ Cấu hình Xbee thành nút định tuyến Cũng việc cấu hình nút chủ, ta thiết lập chức nút định tuyến lựa chọn phiên firmware 22A7 để cấu hình nút định tuyến Hình 3.5 Thiết lập chức nút định tuyến Sau cấu hình xong module XBee thành router ta thiết lập thông số sau: PAN ID trùng với PAN ID nút gốc (coordinator), để router truyền coordinator thiết lập địa đích DH = 0, DL = Ngồi Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 53 router có gắn cảm biến nhiệt độ nên thiết lập I/O AD3 = (ADC), tốc độ truyền 115200 bps Hình 3.6 Thiết lập tham số cho nút định tuyến Cấu hình Xbee thành nút thu thập số liệu Chúng ta thiết lập chức nút thu thập số liệu dựa vào phiên firmware 22A7 để cấu hình module XBee thành nút thu thập Hình 3.7 Thiết lập nút thu thập Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 54 Sau cấu hình xong, ta thiết lập các thông số sau: PAN ID trùng với PAN ID coordinator router, để nút thu thập truyền gốc thiết lập địa đích DH = 0, DL = Ngoài end device có gắn cảm biến nhiệt độ nên thiết lập I/O AD3 = (ADC), tốc độ truy ền 115200 bps Ngoài cài đặt chế độ thời gian ngủ cho nút thu thập SM = Hình 3.8 Thiết lập tham số cho nút thu thập Như vậy, với việc cấu trên, thiết lập xong thành phần mạng cảm biến khơng dây sử dụng thuật tốn AODV với topology dạng lưới Mạng giám sát mơi trường nhà kính gồm 03 nút cảm biến, 01 nút định tuyến 01 nút chủ Tuy nhiên, giao thức định tuyến AODV thực việc định tuyến gói tin Việc truyền nhận cần thực cài đặt thuật tốn thu thập nút Do đó, cần phải thiết kế thuật toán cho nút cảm biến Những thuật toán cài đặt nhúng vào tảng Arduino nút trình bày Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 55 3.3.3 Thuật toán cài đặt nút a) Thuật toán nút thu thập Hình 3.9 Thuật tốn cho nút thu thập Mơ tả thuật tốn: Bước 1: Khởi tạo tham số Pan ID, địa nút định tuyến Bước Dữ liệu ADC từ thiết bị cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm,…) đọc lưu trữ nút cảm biến Bước Tiếp theo, kiểm tra nút có tham gia mạng hay khơng, tức kiểm tra liên kết truyền thông không dây Nếu không liệu ADC khơng truyền Ngược lại, chuyển sang bước Bước Dữ liệu ADC truyền tới nút định tuyến xác định trước thông qua việc sử dụng module Xbee Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 56 Bước Tiếp theo, thuật toán thu thập chuyển sang trạng thái sleep Nếu Timer ≤ (s) nút cảm biến tiếp tục trạng thái sleep (Quay bước 5) Ngược lại, nút chuyển sang trạng thái đọc giá trị ADC để tiếp tục thực việc thu thập số liệu (Quay bước 2) Quá trình lặp lặp lại người dùng tắt nút cảm biến nút hết pin, xảy lỗi truyền thơng b) Thuật tốn nút định tuyến Hình 3.10 Thuật tốn cho nút định tuyến Mơ tả thuật tốn: Bước 1: Thiết lập tham số ban đầu, giá trị phần cứng quy định nhận liệu,… Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 57 Bước Thực việc đóng gói liệu ADC theo quy định thuật toán định tuyến AODV Đến lúc này, thuật toán định tuyến AODV xác định lựa chọn tuyến cho gói tin mà cần truyền tới nút sink Bước Sau hồn tất q trình định tuyến này, nút định tuyến vào trạng thái sleep để tiếp kiệm lượng cho nguồn pin Bước Nút định tuyến kiểm tra giá trị infor có hay khơng Nếu infor =1 nút định tuyến hiểu cần tiếp tục thực trình định tuyến (Chuyển bước 2) Ngược lại quay trạng thái sleep để tiết kiệm lượng (Chuyển bước 3) c) Thuật tốn nút sink (Nút gốc) Hình 3.11 Thuật tốn cho nút gốc Mơ tả thuật tốn: Nút sink thực việc tiếp nhận liệu từ nút định tuyến mạng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 58 Bước Để làm điều này, ban đầu nút sink thiết lập tham số ban đầu Pan ID, DL, DH,… chế độ truyền liệu tới máy tính Bước Tiếp theo, kiểm nút sink kiểm tra kết nối truyền thông không dây Nếu kết nối thành công, chuyển đến bước 3, ngược lại chuyển bước Bước Dữ liệu từ nút định tuyến cảm biến gửi đến vi điều khiển nút sink để chuẩn bị cho trình truyền liệu vào máy tính d) Thuật tốn nhận liệu nút sink máy tính Hình 3.12 Thuật tốn máy tính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 59 3.4 Kết thử nghiệm 3.4.1 Giao diện phần mềm Phần mềm giám sát môi trường nhà kính được xây dựng tảng Visual studio, sử dụng C# phát triển theo dạng Windows Form Giao diện gồm việc thiết lập tham số truyền thông giám sát môi trường thông số môi trường nhà kính Hình 3.13 Giao diện giám sát mơi trường khơng khí Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 60 Hình 3.14 Giao diện giám sát mơi trường giá thể Hình 3.15 Giao diện cài đặt truyền thơng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 61 3.4.2 Phần cứng hệ thống giám sát môi trường nhà kính Hình 3.16 Nút thu thập số liệu mơi trường khơng khí Hình 3.17 Nút thu thập số liệu mơi trường giá thể Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 62 Hình 3.18 Mơ hình hệ thống giám sát mơi trường nhà kính Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 63 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Lĩnh vực mạng cảm biến không dây ứng dụng rộng rãi xã hội công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, y tế, quốc phòng,… Tuy nhiên, với đặc điểm tài nguyên hạn chế, nên việc thiết kế xây dựng mạng cảm biến không dây cần phải tối ưu giải vấn đề, việc tối ưu lượng việc định tuyến cần thiết lượng tiêu thụ mạng cảm biến khơng dây chiếm tới 70% lượng tiêu thụ toàn mạng Luận văn “Nghiên cứu số kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến không dây ứng dụng điều khiển giám sát môi trường kính” thực nội dung cơng việc sau: - Nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến không dây, vấn đề tiết kiệm lượng, thách thức việc định tuyến, vấn đề tối ưu lượng mạng cảm biến khơng dây Qua thấy rằng, việc phát triển thuật toán định tuyến tối ưu lượng quan trọng hướng nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan số thuật toán định tuyến tối ưu lượng Từ nhận xét ưu nhược điểm chúng, thuận lợi cho việc phát triển, cài đặt ứng dụng thuật toán - Ứng dụng thuật toán AODV để triển khai cho cho hệ thống thống giám sát mơi trường nhà kính Trong thời gian tiếp theo, luận văn tiếp tục tập trung vào hướng nghiên cứu định tuyến tối ưu lượng làm tảng sở cho đề xuất cài đặt tối ưu cho thuật tốn nghiên cứu Từ thuận lợi cho việc triển khai thực tế cho hệ thống mạng cảm biến khơng dây nhà kính với điều kiện khắc nghiệt nhiễu, mơi trường, có thay đổi hình trạng mạng,… Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ, Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến, Tạp chí Bưu viễn thơng, số 301, năm 2007 [2] Nguyễn Thúc Hải, Cung Trọng Cường, Võ Thanh Tú, “Một giải pháp nâng cao hiệu giao thức định tuyến AODV sử dụng tác tử di động”, Kỷ yếu hội thảo quốc gia lần thứ XV: Một số vấn đề chọn lọc Công nghệ thông tin Truyền thông, Hà Nội, 2012 Tiếng Anh [3] Vu Thanh Vinh, Pham Viet Binh, “A survey of routing using DHTs over wireless sensor networks”, Journal of Computer and Communication, USA, 2011 [4] Ian F Akyildiz, Mehmet Can Vuran, “Wireless Sensor Networks”, Wiley, 2010 [5] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, taieb znati, “Wireless Sensor Networks”, Wiley, 2007 [6] Ugo Colesanti, Silvia Santini, “The Collection Tree Protocol for the Castalia Wireless Sensor Networks Simulator,” Technical Report Nr 729, Department of Computer Science, ETH Zurich, June, 2011 [7] Drew Gislason (2008), ZigBee Wireless Networking Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... nghiên cứu đề tài ? ?Một số kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng mạng cảm biến không dây ứng dụng điều khiển giám sát mơi trường kính” Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu số kỹ thuật định tuyến tối ưu lượng... bày luận văn: ? ?Một số kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây ứng dụng điều khiển giám sát mơi trường nhà kính” cơng trình nghiên cứu riêng em, không chép từ cơng trình khác Các số liệu, kết... trúc, đặc điểm ứng dụng mạng cảm biến không dây Chương Một số thuật toán tối ưu lượng mạng cảm biến khơng dây Chương tìm hiểu số thuật tốn định tuyến vấn đề tối ưu lượng mạng cảm biến, làm sở khoa