Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong WSNs luận văn tốt nghiệp đại học

Trờng đại học vinh Khoa điện tử viễn thông -------------- đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lợng trong wsns Giáo viên hớng dẫn : ThS. Nguyễn Thị Kim Thu Sinh viên thực hiện : Phan Văn Hợp Lớp : 47K - ĐTVT vinh - 05/ 2011 1 2 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, mạng cảm biến không dây đã ra đời và phát triển với hàng loạt các ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp, quân sự, y tế … Bên cạnh đó, những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực thông tin vô tuyến và điện tử đã giúp tạo ra các node cảm biến với kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp với công suất tiêu thụ thấp, đáp ứng được các nhu cầu khác nhau của các ứng dụng. Nhưng mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với các thách thức trong thiết kế, đặc biệt là hạn chế về mặt năng lượng của các node cảm biến do chúng thường chạy bằng pin. Chính vì có các đặc điểm riêng khác biệt so với các mạng vô tuyến truyền thống mà mạng cảm biến không dây đòi hỏi phải có các thiết kế phần cứng và phần mềm riêng phù hợp. Tuy nhiên, nhờ những tính năng và ưu điểm nổi bật mà mạng cảm biến không dây đã, đang và sẽ được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Đồ án “Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong WSNs” sẽ giới thiệu tổng quan về cấu trúc và ứng dụng của mạng cảm biến không dây, cùng với đó là thiết kế các giao thức truy nhập, định tuyến riêng phù hợp với mạng. Cấu trúc đồ án gồm ba chương. Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về khái niệm, cấu trúc, đặc điểm, phân loại và các ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Chương 2 sẽ phân tích các đặc điểm riêng biệt của mạng cảm biến không dây để từ đó đặt ra mục tiêu thiết kế các giao thức điều khiển truy nhập môi trường phù hợp, cụ thể là hai giao thức S-MAC và T-MAC với kahả năng tiết kiệm năng lượng cao cho mạng cảm biến không dây. Chương 3 giới thiệu vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Trong đó đưa ra lý do mà mạng cần phải định tuyến, phân loại và từ đó tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số giao thức định tuyến như Flooding và Spin. Mặc dù đã cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên chắc chắn đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đánh giá và góp ý của thầy cô. Em cũng xin chân thành cảm ơn Ths Nguyễn Thị Kim Thu cùng các thầy cô giáo khoa Điện tử viễn thông, Trường đại học Vinh đã tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. 3 TÓM TẮT Mạng cảm biến không dây là mạng tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết vô tuyến để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tích và phản ứng lại đối tượng mục tiêu. Đây là một công nghệ mới với nhiều ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên do các node cảm biến thường chạy bằng pin và khó có thể thay thế nên mạng bị giới hạn lớn về mặt năng lượng, do đó kéo dài tuổi thọ cho mạng trở thành mục tiêu chính trong các thiết kế phần cứng và phần mềm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tắt bộ thu phát vô tuyến của node khi không dùng đến là cách nhanh nhất để tiết kiệm năng lượng. Chính vì vậy mà các giao thức điều khiển truy nhập môi trường MAC hầu hết được thiết kế dựa trên đặc điểm này. Trong số các giao thức MAC thì S-MAC và T-MAC là hai giao thức tối ưu và phù hợp nhất cho mạng cảm biến không dây, với nhiều ưu điểm và khả năng tiết kiệm năng lượng cao. Việc định tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng giúp tiết kiệm năng lượng và đồ án này sẽ giới thiệu một số giao thức định tuyến đơn giản nhưng vẫn đạt được mục tiêu thiết kế. ABSTRACT Wireless sensor networks are collections of sensors that use wireless links to collaborate for a common task such as sensing, analyzing and respon to object. This is new technology which contains variety of application in many field. However sensor nodes are usually operated by battery so wireless sensor networks are limitted in expectation of life. Therefore extending life time of wireless sensor network becomes an improtant target in designing hardware and sofware for WSNs. Many experiments have shown that turing off the radio is best way to reduce energy consumption. Among MAC protocol S-MAC and T-MAC have been reckoned to be the most optimal and suitable protocols for WSNs because of their advantages and great saving energy ability. Routing also helps WSNs save energy and this project will introduce some routing protocols which have not only a stable routing ability but also a great help in reducing energy consumption. 4 MỤC LỤC Trêng ®¹i häc vinh . 1 Khoa ®iÖn tö – viÔn th«ng 1 DANH MỤC ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ ANH-VIỆT .69 Backoff Delay Trễ lùi . 69 Clustering Phân cụm 69 Clustering Node Node trung tâm 69 Message Passing Xử lý thông điệp 69 Overhearing Nghe thừa 69 Sensor node Node cảm biến . 69 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình mạng cảm biến thông thường Hình 1.2. Cấu trúc mạng WSN loại 1 C1WSNs Hình 1.3. Cấu trúc mạng WSN loại 2 C2WSNs Hình 1.4. Các thành phần của node cảm biến Hình 1.5. Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến 5 Hình 2.1. Thực hiện chu kỳ thức/ ngủ Hình 2.2. Node A và B có lịch khác nhau vì đồng bộ với node C, D khác nhau Hình 2.3. Mối quan hệ thời gian giữa một node thu và nhiều node phát. Hình 2.4. Node nào nên đi ngủ khi A truyền dữ liệu cho B ? Hình 2.5. Tiết kiệm năng lượng và thời gian ngủ trong thời gian 30ms Hình 2.6. Lược đồ cơ bản trong T-MAC Hình 2.7. Node B và C nằm ở biên giới 2 cụm ảo nên sử dụng nhiều lịch Hình 2.8. Trao đổi dữ liệu căn bản Hình 2.9. Hiện tượng đi ngủ sớm Hình 2.11. Gửi sớm RTS Hình 2.12. Thực hiện ưu tiên gửi khi bộ đệm đấy Hình 2.13. So sánh mức tiêu thụ năng lượng giữa CDMA, S-MAC và T-MAC Hình 3.1. Phân loại các giao thức định tuyến Hình 3.2. Flooding các gói dữ liệu trong mạng thông tin Hình 3.3. Bùng nổ lưu lượng trong Flooding Hình 3.4. Vấn đề chồng lấn trong Flooding Hình 3.5. Hoạt động cơ bản của giao thức SPIN Hình 3.6. Thủ tục bắt tay trong giao thức SPIN-PP Hình 3.7. Giao thức SPIN-BC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ACK Acknowledge Gói xác nhận đúng CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CTS Clear to send Sẵn sàng nhận CS Carrier Sense Cảm biến sóng mang 6 ES Energy Saving Tiết kiệm năng lượng DS Delay Sleep Trễ ngủ DS Data Send Gói dữ liệu đã gửi FRTS Future Request To Send Gửi sớm RTS FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access IEEE Institute of Electrical and Electronic Học viện kỹ sư điện và điện tử Engineers MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng Ad-hoc di động NAV Network Allocation Vector Vecto phân phối mạng QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RTS Ready to send Sẵn sàng gửi S-MAC Sensor Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường cho mạng cảm biến SPIN Sensor Protocols for Information Định tuyến thông tin dựa trên dàn via Negotiation xếp dữ liệu SYNC Synchronisation Đồng bộ TIM Traffic Indication Maps Bản đồ chỉ dẫn luồng TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian WSNs Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây. Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là mạng bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tích và phản ứng lại đối tượng mục tiêu. 7 Các node cảm biến trong mạng có chức năng cảm biến: cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng . theo dõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động . Các node giao tiếp được với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng. Các node cảm biến thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống trên một phạm vi hoạt động rộng, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài từ vài tháng đến vài năm và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt như chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ cao . Lưu lượng dữ liệu lưu thông trong WSN là thấp và không liên tục. Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các node cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động và trạng thái nghỉ khác nhau. Thông thường thời gian một node ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều. Mạng cảm biến có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một node chủ (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh, kiểm tra môi trường, tạo ra không gian thông minh, khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp, y tế . Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được. Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý bên trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát 8 việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, v.v . 1.2 Cấu trúc mạng Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến thông thường. Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến thông thường Có bốn thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến: - Node cảm biến - Kết nối giữa các node cảm biến - Node trung tâm tập hợp dữ liệu - Node xử lý dữ liệu chính Các node cảm biến liên kết theo giao thức đa chặng, phân chia cụm chọn ra node có khả năng tốt nhất làm node trung tâm, tất cả các node loại này sẽ truyền về node xử lý chính. Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn. Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn. Mạng cảm biến không dây được phân thành hai loại như sau :  Loại 1(C1 WSNs): - Sử dụng giao thức định tuyến động 9 Đơn chặng Đa chặng Node trung tâm Node xử lý chính Node cảm biến Node cảm biến Kết nối vô tuyến Node trung tâm - Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích - Vai trò của các node cảm biến này với node kế tiếp như là các trạm lặp - Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét) - Khả năng xử lý dữ liệu ở các node chuyển tiếp - Mạng phức tạp Hình 1.2 Cấu trúc mạng WSN loại 1 C1WSNs  Loại 2 ( C2 WSNs): - Mô hình đa điểm - điểm hay điểm - điểm, sử dụng kết nối vô tuyến đến node trung tâm - Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh - Một node không cung cấp thông tin cho các node khác - Khoảng cách vài trăm mét - Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác - Hệ thống tương đối đơn giản 10 Node định tuyến động Node trung tâm Node đầu cuối Node định tuyến động Node định tuyến tĩnh Node trung tâm Node đầu cuối Node định tuyến tĩnh Cấu trúc điểm-điểm Cấu trúc điểm-đa điểm . Trờng đại học vinh Khoa điện tử viễn thông -------------- đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lợng trong wsns. ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Đồ án Các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong WSNs sẽ giới thiệu tổng quan về cấu trúc và ứng dụng