NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

-1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG -o0o - NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY – WSN VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM LỚP LIÊN KẾT DỮ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Sinh viên thực hiên: Giáo viên hƣớng dẫn: Mã số sinh viên: SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 Nguyễn Đình Lâm PGS.TS.Vƣơng Đạo Vy 110921 -2- LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin cảm ơn GS-NGƯT Trần Hữu Nghị cho chúng em mái trường để chúng em có hội học kiến thức bổ ích Cảm ơn thầy cô trường dạy dỗ chúng em suốt nhiều năm qua.Xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Tin Học đạ truyền đạt kiến thức quý giá làm hành trang cho chúng em bước đường nghiệp Em xin cảm ơn GS.TS Vương ĐạoVy Trường ĐH Công Nghệ -ĐHQGHN giúp đỡ em trình làm đồ án Xin cảm ơn bạn lớp trường tồn thể người giúp tơi thời gian học tập thời gian làm tốt nghiệp Hải phịng Ngày…… Tháng…….Năm Sinh viên Nguyễn Đình Lâm SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -3- MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .6 1.1 Giới thiệu: 1.1.1 Nền tảng vi cảm ứng: 1.1.2 Phần mềm 10 1.1.3 Kiến trúc WSN giao thức stack 10 1.2 Các ứng dụng WSNs: 12 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế WSNs .14 1.3.1 Hạn chế phần cứng 14 1.3.2 Khả chịu lỗi: 15 1.3.3 Khả mở rộng 15 1.3.4 Chi phí sản xuất 15 1.3.5 Năng lượng tiêu thụ 16 1.3.6 Truyền thông 16 1.3.7 Cấu trúc mạng WNS (WSN Topology): 16 CHƢƠNG CÁC KIỂU THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG 17 2.1 Thách thức MAC: 17 2.2 Cơ chế CSMA 18 2.3 Thâm nhập môi tường dựa tranh chấp .21 2.3.1 S-MAC: 21 2.3.2 Một số Giao thức MAC dựa tranh chấp khác: 29 2.4 Thâm nhập môi trường dựa đặt chỗ 32 2.5 Thâm nhập môi trƣờng dựa kết hợp 35 CHƢƠNG 3: GIẢI BÀI TOÁN ỨNG DỤNG S-MAC .38 3.1 Đặt vấn đề: .38 3.2 Giới thiệu giao thức S-MAC: 38 3.3 Các đề xuất: .39 3.4 Vấn đề với nhiều lịch trình 41 3.5 Mô Monte Carlo xuất nhiều lịch trình 41 3.6 Đề xuất sửa đổi: .43 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO: 46 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -4- DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Lịch sử phát triển tảng vi cảm biến: Hình 1.2 nút cảm biến phân tán vùng cảm biến 11 Hình 1.3 giao thức ngăn xếp mạng cảm biến 12 Hình 1.4 Các phạm trù ứng dụng mạng cảm biến không dây 14 Hình 2.1 Giao thức CSMA .18 Hình 2.2 Xung đột CSMA 19 Hình 2.3(a) Thời gian nghe ngủ S-MAC (b) Chu kì lắng nghe ngủ giao thức S-MAC 22 Hình 2.4 cấu trúc khung SYNC S-MAC .22 Hình 2.5 Cụm ảo giao thức S-MAC 23 Hình 2.6 Vấn đề nhận thức đa bước nhảy 25 Hình 2.7 Cơ chế nghe thích ứng S-MAC 27 Hình 2.8 chế truyền thông điệp S-MAC 28 Hình 2.9 Khoảng thời gian lắng nghe ngủ DSMAC .29 Hình 2.10 Cơ chế đánh thức STEM 30 Hình 2.11 Cơ chế đánh thức WiseMAC .31 Hình 2.12 Tổng quan cấu trúc siêu khung giao thức MAC dựa TDMA 32 Hình 2.13 Cấu trúc khung TRAMA 33 Hình 2.14 Hoạt động giao thức DRAND 37 Hinh 3.1 Khung S-MAC 39 Hình 3.2 Cơ chế ngủ trước sau nút M tham gia vào mạng 41 Hình 3.3 Mơ Monte Carlo .42 SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -5- MỞ ĐẦU Với phát triển internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến khoa học gần đây.Việt Nam nước Châu Á có số người sử dụng internet 33.4% theo thống kê Bộ thông tin truyền thông Bên cạnh việc phát triển internet, truyền thơng việc ứng dựng CNTT khoa học,kỹ thuật, y tế , giáo dục …v.v bước phát triển trước tình hình đó, có nhiều đề tài nghiên cứu thành cơng triển khai nói nên việc ứng dụng CNTT, mảng nghiên cứu ,ứng dụng thành công nước giới Việt Nam cơng nghệ “ WSNs Mạng cảm biến không dây” Với hàng loạt ứng dung cô hưu ích xu phát triển Tính ứng dụng cao ,giá thành thấp, khả hoạt động tính xác cao, ứng dụng qn nói lĩnh vực, Với ưu điểm khả ứng dụng ,mạng cảm biến phát triển rộng rãi Việt Nam Tuy nhiên để ứng dựng triển khai cơng nghệ kiên thức WSN vô phong phú đề tài cung cấp cho bạn mảng kiến thức nhỏ công nghệ “ Mạng cảm biến không dây –WSNs-Đặc điểm lớp liên kết liệu” Nội dung đề tài bao gồm: Chương giới thiệu tổng quan mạng cảm biến không dây-WSns, bao gồm khái niệm, ứng dụng nhân tố ảnh hưởng Chương Đặc điểm lớp liên kếp liệu bao gồm điều khiển thâm nhập môi trường, thách thức, chế CSMA, thâm nhập cạnh tranh, thâm nhập đặt chỗ trước, thâm nhập kết hợp,trọng tâm chương sâu nghiên cứu cụ thể giao thức thuộc chế CSMA S-MAC, Chương nội dung đề tài Chương Giải tập ứng dụng S-MAC Để hoàn thành đề tài này: Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Vương Đạo Vy giảng viên trường ĐH Công Nghệ -ĐH Quốc Gia HN dành chút thời gian để hướng dấn giúp đỡ em suốt thời gian qua để hồn thành đề tài SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -6- CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu: WSNs bao gồm nút cảm biến nhỏ triển khai với mật độ lớn, hoạt động mát phát điện chuyển tiếp liệu hai mạng Mỗi nút bao gồm:  Các cảm biến  Một vi xử lý  Bộ thu phát  Nguồn cung cấp Đặc điểm:  Vị trí nút cảm biến không cần phải chế tạo xác định trước  Cố định phẩm trang bị pin dung lượng hạn chế  Bộ thu phát cung cấp kết nối không dây để giao tiếp,quan sát tượng  Thực tính tốn đơn giản truyền tải liệu cần thiết phần xử lý 1.1.1 Nền tảng vi cảm ứng:  Có khả xử lý thơng tin chỗ  Có chứa hệ thống nhúng có khả tương tác với môi trường Module mạng không dây:  Là thành phần mạng cảm biến  Có khả giao tiếp nhớ lập trình nơi mà mã ứng dụng cư trú Một motes (vi cảm biến) thƣờng bao gồm:  Một vi điều khiển  Bộ thu phát  Nguồn điện SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -7 Đơn vị nhớ vài cảm biến A sensor board (bảng mạch cảm biến):  Đ t râ  Bảng cảm biến bao gồm khu vực tạo mẫu  Được sử dụng để kết nối cảm biến bổ sung tuỳ chỉnh A programming board (bảng lập trình): cịn gọi bảng cổng  Cấp nhiều giao diện bao gồm Ethernet, Wi-Fi, USB, cổng nối tiếp  Dùng để thu thập liệu từ  Được kết nối với bảng lập trình để tải ứng dụng vào nhớ lập trình Mỗi loại cảm biến khác tùy thuộc vào chức ứng dụng chúng.Có thể chia thành tảng sau: Nền tảng cấp thấp  Hạn chế khả xử lý, nhớ,truyền thông thu phát để giảm chi phí tiêu hao lượng  Cung cấp sở hạ tầng kết nối thông qua mạng đa bước nhảy  Thường dùng công nghiệp, y tế, khoa học, (ISM) băng tần cấp phát hồn tồn miễn phí hầu Một số tảng phát triển năm qua như: Mica, Mica2, MicaZ, nút IRIS Nền tảng cấp cao: Hạn chế hoàn toàn nhược điểm tảng cấp thấp  Khả xử lý cao  Dung lượng bố nhớ lớn  Tốc độ xử lý nhanh Một số tảng cấp cao phát triển như: Stargate, Stargate NetBridge, Imote Imote2… Bảng1.1 Phần cứng vi cảm biến SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -8- a trang bị hai thu phát: Bluetooth radio lượng thấp b phụ thuộc vào thiết bị truyền thơng kết Ngồi cịn số tảng phát triển thể Hình 1.1 Hình 1.1 Lịch sử phát triển tảng vi cảm biến: Chuẩn hóa tảng: Do tính khơng đồng nút cảm biến vấn đề tương thích để thực úng dụng SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 -9IEEE 802.15.4 chuẩn đời để đắp ứng đặc điểm kỹ thuật công nghệ liệu tốc độ thấp thu phát không dây với tuổi thọ Pin cao dài độ phức tạp  IEEE 802.15.4 trở thành chuẩn phổ biến cho lớp PHY MAC truyền thơng lượng  IEEE 802.15.4 thành lập để phát triển mạng lưới lượng thấp ác khu vực khác ZigBee Các chuẩn ZigBee phát triển liên minh ZigBee tập đồn cơng nghiệp bán dẫn quốc tế phi lợi nhuận hang đầu nhà sản xuất cung cấp công nghệ cao Đặc điểm:  Được thiết kế dựa theo giải pháp chuẩn mạng không dây  Hỗ trợ liệu tốc độ thấp  Tiêu thụ điện  Bảo mật độ tin cậy cao  Được sử dụng cho mục đích định tuyến WirelessHART  WirelessHART dựa chuẩn IEEE 802.15.4 lớp PHY cho băng thông 2.4GHz Hơn nữa, giao thức MAC dựa TDMA xác định để cung cấp nhiều chế độ thông điệp  Tự phát thông báo ngoại lệ, Ad Hoc yêu cầu đáp lại, chuyển khối tự động phân đoạn liệu lớn 6LoWPAN Tích hợp IPv6 để truyền thơng với internet, thay có tiêu đề đơn khối , bốn loại tiêu đề sử dụng theo kiểu gói tin gửi Ngồi ra, kỹ thuật nén không trạng thái sử dụng để giảm kích thước tiêu đề từ 40 byte đến khoảng byte, mà thích hợp cho WSNs SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101 - 10 - 1.1.2 Phần mềm Ngoài tảng phần cứng tiêu chuẩn, số tảng phần mềm phát triển đặc biệt cho WSNs Nền tảng sử dụng nhiều là: TinyOSI :là điều hành mã nguồn mở hệ thống thiết kế cho mạng cảm biến không dây nhúng: Đặc điểm:  Giảm thiểu kích thước mã cung cấp tảng linh hoạt để thực giao thức giao tiếp  Có thể tiếp tục sửa đổi hay cải tiến  TinyOS dựa mơ hình xử lý hướng kiện  Cung cấp công cụ giao diện đồ họa người Ngoài TinyOS, nhiều tảng phần mềm hệ điều hành giới thiệu gần như: liteOS, Contiki LiteOS: hệ điều hành đa luồng cung cấp trừu tượng giống Unix: Contiki: hệ điều hành mã nguồn mở đa nhiệm phát triển để sử dụng nhiều tảng bao gồm vi điều khiển MSP430 TI Atmel AVR 1.1.3 Kiến trúc WSN giao thức stack Các nút cảm biến thường phân tán khu vực cảm biến Hình1.2.Mỗi nút cảm biến phân tán có khả thu thập truyền liệu góp (sink) đến người dùng cuối thông qua truyền thông multi-hop.Sink giao tiếp với người dùng cuối thông qua internet vệ tinh loại mạng không dây (như WiFi, mạng lưới, hệ thống di động, WiMAX, vv), kết nối trực tiếp đến người dùng Trong WSNs nút cảm biến có chức kép khởi tạo liệu liệu định tuyến.Do đó, truyền thơng thực hai lý do: Chức nguồn: Các nút nguồn có chức truyền thơng để truyền tải gói liệu chúng đến Sink Chức định tuyến: Bộ cảm biến tham gia vào nút chuyển tiếp gói tin nhận từ nút khác đến địa điểm đường dẫn đa bước nhảy đến Sink SV- Nguyễn Đình Lâm- CT1101