Đa thâm nhập môi trường trong mạng cảm nhận không dây (WSN)

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU .i DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT iii Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây 4 1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây .4 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 5 1.2.1. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến 6 1.2.2. Các thành phần cơ bản của một node cảm biến .8 1.2.3. Mô hình mạng trong mạng cảm biến không dây 11 1.3. Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 16 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội .16 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường 16 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 17 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình 18 1.4. Kết luận .18 Chương II: Đa thâm nhập môi trường trong mạng WSN .19 2.1. Giới thiệu 19 2.2. Thủ tục thâm nhập môi trường MAC trong WSN .19 2.2.1. Các loại MAC trong mạng WSN .19 2.2.2. Yêu cầu của giao thức MAC trong mạng WSN .20 2.2.4. Vấn đề trong truy cập kênh không dây .25 2.3. Thủ tục cạnh tranh trong giao thức MAC của WSN 28 2.3.1. Thủ tục Aloha .28 2.3.2. Thủ tục CSMA 31 2.4. Giới thiệu về IEEE 802.15.4 MAC 33 2.4.1. Phương thức mạng và cấu trúc siêu khung .34 2.4.2. Quản lý khe thời gian đảm bảo 36 2.4.3. Chế độ truyền dữ liệu 36 2.5. Kết luận .37 Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 Đồ án tốt nghiệp Chương III. Thực nghiệm, đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây 38 3.1. Mục đích, yêu cầu và thiết bị thực nghiệm 38 3.1.1. Mục đích .38 3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm 38 3.1.3. Các thiết bị thực nghiệm .39 3.2. Giới thiệu về phần mềm nhúng 39 3.2.1. Các bước cơ bản xây dựng một phần mềm nhúng 41 Phần mềm nhúng viết cho các họ vi xử lý có thể sử dụng các ngôn ngữ khác nhau như C/C++ hoặc Assembly. Tuỳ theo tiêu chí xây dựng hệ thống mà lựa chọn ngôn ngữ thích hợp. Từ đó cũng chọn chương trình dịch thích hợp. Ngày nay, do nhu cầu phát triển hệ thống nhanh, bảo trì dễ dàng nên ngôn ngữ được lựa chọn thường là ngôn ngữ cấp cao như C/C++. .41 Quy trình xây dựng một phần mềm bất kỳ thường trải qua các bước sau: .41 - Tìm hiểu bài toán 41 - Phân tích .41 - Thiết kế .41 - Viết chương trình 41 - Kiểm thử .41 Việc xây dựng phần mềm nhúng cũng tuân theo trình tự các bước như trên. Ngoài ra, phần mềm nhúng còn có đặc trưng là làm việc trực tiếp với phần cứng. Do đó để kiểm soát quá trình làm việc với các thành phần chấp hành có đúng đắn hay không là điều đặc biệt quan trọng. 41 3.2.2 Phần mềm nhúng viết cho CC1010 .41 3.3. Thực nghiệm đo hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng WSN 47 3.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 53 KẾT LUẬN .57 TÀI LIỆU THAM KHẢO .58 Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS. Vương Đạo Vy, giảng viên trường Đại học Công Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội , người đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho em hoàn thành đồ án này. Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ trong Khoa Công nghệ thông tin Trường Đại học Dân lập Hải Phòng đã cung cấp kiến thức cho em suốt những học kỳ qua, để em có nền tảng cơ sở thực hiện đồ án này. Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn tạo điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập, cũng như quá trình nghiên cứu, hoàn thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, 07/2009 Sinh viên Nguyễn Thị Khánh Chi LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 i Đồ án tốt nghiệp nghệ sự phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến không dây. Tuy nhiên mạng cảm ứng đang phải đối mặt với rất nhiều thách thức, một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn và không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Mạng cảm biến là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án “Đa thâm nhập môi trường trong mạng WSN” sẽ giới thiệu một cách khái quát nhất về các đặc điểm của mạng cảm biến không dây. Sau đó tập trung tìm hiểu về thủ tục đa thâm nhập môi trường cạnh tranh trong mạng cảm biến không dây và đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin bằng phần mềm nhúng trong môi trường mạng cảm biến không dây. Đồ án này gồm có 3 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây Chương 2: Đa thâm nhập môi trường trong mạng WSN Chương 3: Thực nghiệm và đánh giá hiệu quả truyền nhận gói tin trong mạng cảm biến không dây Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 ii Đồ án tốt nghiệp DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledge Tin báo nhận ADC Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số sang số/tương tự GPS Geopositioning System Hệ thống định vị địa lý IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineering Tổ chức kỹ nghệ Điện và Điện Tử MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường CAP Contention Access Period Thời gian truy cập cạnh tranh PHY Physical Tầng vật lý RF Radio Frequency Sóng radio ROM Read-Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc RAM Random-Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây TDMA Time-division multiple access Đa truy cập phân chia theo thời gian CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang PDA Personal Digital Assistant Thiết bị số hỗ trợ cá nhân Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 iii Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.1. Giới thiệu mạng cảm biến không dây. * Định nghĩa: Một mạng cảm biến không dây là một mạng không dây mà các node mạng là các vi điều khiển sau khi đã được cài đặt phần mềm nhúng kết hợp với các bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến và nó có khả năng thu nhận, xử lý dữ liệu từ các node mạng và môi trường xung quanh node mạng. Những node cảm biến này bao gồm các thành phần: bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Do số lượng các node mạng lớn, có thể được triển khai ở nhiều ở những nơi địa lý phức tạp, nên khả năng thay thế nguồn nuôi cho từng node mạng là gần như không thể. Do vậy việc quản lý năng lượng để tăng thời gian sống của các con cảm biến là một vấn đề trọng tâm trong mạng cảm biến không dây ( bao gồm lựa chọn phần cứng, chương trình nhúng tại các node). Bởi vậy mà tùy theo các loại ứng dụng mà ta có thể lựa chọn các node mạng phù hợp. * Đặc điểm của mạng cảm biến không dây: - Khả năng tự cấu hình, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người - Truyền thông vô tuyến và truyền đa bước - Triển khai với số lượng lớn trên phạm vi rộng - Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi do môi trường truyền hoặc node mạng lỗi Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 4 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN - Năng lượng, bộ nhớ, khả năng xử lý có hạn Nhờ khả năng triển khai trên một phạm vi rộng và khả năng tự cấu hình cho mục đích giám sát, cảnh báo…. Ví dụ như giám sát cảnh báo cháy rừng, cảnh báo lũ, và trong quân sự. Thêm vào đó sử dụng kênh truyền vô tuyến nên không phải đầu tư triển khai cơ sở hạ tầng mạng, các thiết bị phần cứng có khả năng tích hợp cao và tốn ít năng lượng. Bởi vậy các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây ngày càng phổ biến cho các ứng dụng như: quân sự, các ứng dụng gia đình, giám sát, cảnh báo… 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các node cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến, chức năng của các node là thu thập dữ liệu của đối tượng tại khu vực nó được triển khai, truyền và chuyển tiếp dữ liệu về node cơ sở ( Base station, Sink). Hình 1.1. Cấu trúc mạng cảm biến Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 5 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng. 1.2.1. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến Như trên ta đã biết mạng cảm biến không dây được triển khai với số lượng lớn các node cảm biến trên một phạm vi rộng, các node cảm biến có các giới hạn về khả năng lưu trữ đặc biệt là vấn đề về năng lượng. Dưới đây là một số đặc điểm nổi bật trong cấu trúc mạng cảm biến: • Khả năng chịu lỗi: thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. • Khả năng mở rộng: tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể mà số lượng các node cảm biến được triển khai. Do đó mạng mới cần phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node cảm biến được triển khai. • Môi trường triển khai: Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng làm việc ở những vùng xa xôi con người khó có thể kiểm soát được. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng môi trường ô nhiễm, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn . Tùy thuộc vào môi trường được triển khai mà các node cảm biến được thiết kế cho phù hợp. • Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các node được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 6 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp. • Chi phí sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Do vậy chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. • Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các node trong mạng rất nhiều nên các node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau: Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường. • Topo mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node được triển khai trên trường cảm biến. Mật độ các node có thể lên tới 20node/m3. Do số lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một topo mạng ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau: - Pha tiền triển khai và triển khai: các node cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể đặt từng cái một. - Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các node cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản,…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể. Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 7 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN - Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các node cảm biến khác để thay thế các node gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng. • Sự tiêu thụ điện năng (power consumption): Các node cảm biến không dây có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn ( <0.5Ah, 1.2V ). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Cho nên khoảng thời gian sống của các code cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Nhiệm vụ chính của các node cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing). Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. 1.2.2. Các thành phần cơ bản của một node cảm biến Một node cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản: đơn vị cảm biến ( a sensing unit), đơn vị xử lý ( a processing unit), đơn vị truyền dẫn ( a transceiver unit) và bộ nguồn ( a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị ( location finding system), bộ phát nguồn ( power generator) và bộ phận di động ( mobilizer). Các đơn vị cảm biến ( sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số ( Analog to Digital Converter- ADCs). Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Bộ xử lý thường liên quan đến một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho node cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 8