Hỡnh 22: Quỏ trỡnh lấy thụng tin từ 1 node
Theo định kỳ thời gian đó được thiết kế, node mạng sẽ gửi thụng tin về server. Nhưng, khi người giỏm sỏt quản lý hệ thống (gọi tắt là user) muốn lấy thụng tin của một node nào đú tại một thời điểm bất kỳ, user sẽ gửi thụng tin lờn server và yờu cầu node gửi ngay thụng tin tại thời điểm hiện tại về trung tõm. Quỏ trỡnh đú được thực hiện ở biểu đồ sau và cú thểđược mụ tả qua cỏc bước sau đõy:
- User gửi thụng tin yờu cầu một node mạng bất kỳ gửi dữ liệu về server. - Server gửi thụng tin đú đến bộđiều phối bộđiều phối
- Bộ điều phối xỏc định node được yờu cầu và gửi đến node yờu cầu một bản tin
4.3.2.4. Thay đổi cầu hỡnh cài đặt của một node mạng Node Bộđiều phối Server Gửi lệnh cài đặt cấu hỡnh Gửi xỏc nhận Gửi lệnh cài đặt cấu hỡnh Gửi xỏc nhận Thực hiện cấu hỡnh Xỏc nhận node mạng cần cài đặt cấu hỡnh User Gửi lệnh cài đặt cấu hỡnh Gửi xỏc nhận
Hỡnh 23: Quỏ trỡnh thay đổi cấu hỡnh cài đặt của 1 Node
Khi người giỏm sỏt quản lý hệ thống (gọi tắt là user) muốn thay đổi cấu hỡnh đó cài đặt cho một node mạng, quỏ trỡnh đú được thực hiện qua biểu đồ sau và cú thể được mụ tả qua cỏc bước sau đõy:
- User gửi thụng tin yờu cầu một node mạng bất kỳ để cài đặt lại thụng số về
server. Cú thể cài đặt lại thời gian gửi và nhận thụng tin, cài đặt lại thụng số về
nhiệt độ, độẩm đểđiều khiểu một cơ cấu chấp hành…) - Server gửi lệnh cấu hỡnh đú đến bộđiều phối
- Bộđiều phối xỏc định node được yờu cầu cấu hỡnh
- Node nhận thụng tin, tự cấu hỡnh lại theo cỏc thụng số đó yờu cầu và gửi xỏc nhận về bộđiều phối
- Bộđiều phối gửi xỏc nhận cấu hỡnh đến server và server gửi xỏc nhận đến user.
4.3.2.5. Điều khiển hệ thống
Khi một tỏc nhõn nào đú vượt mức ngưỡng đó được cấu hỡnh, node mạng sẽ
õm thanh, cũi hỳ, hay điều khiển tắt bật một thiết bị nào đú). Quỏ trỡnh đú được thực hiện qua biểu đồ trờn và cú thểđược mụ tả qua cỏc bước sau đõy:
- User gửi lện điều khiển lờn server.
- Server gửi lệnh điều khiển đến bộđiều phối.
- Bộđiều phối xỏc định node cần điều khiển và gửi lệnh điều khiển đến node. - Node thực hiện điều khiển và gửi xỏc nhận trạng thỏi mới của thiết bị. - Bộđiều phối gửi xỏc nhận trạng thỏi mới của thiết bịđến server. - Server gửi xỏc nhận tới người sử dụng
Hỡnh 24: Quỏ trỡnh điều khiển cơ cấu chấp hành của 1 node
4.3.2.6. Hiển thị thụng tin
Quỏ trỡnh hiển thị thụng tin được thể hiện ở sơ đồ trờn. Khi người sử dụng muốn hiển thị thụng tin trạng thỏi của một node nào đú, user sẽ gửi 1 lệnh yờu cầu thụng tin lờn server. Server sẽ lấy thụng tin và gửi trả về cho user.
Hỡnh 25: Quỏ trỡnh hiển thị thụng tin
4.3.3. Kết luận
Với mụ hỡnh giỏm sỏt và cảnh bỏo đó đưa ra ở trờn, tụi đó xõy dựng quỏ trỡnh thu thập và xử lý thụng tin tại mỗi một node mạng. Việc thu thập và xử lý thụng tin của từng node mạng sẽ được mụ phỏng tại chương 5 của luận văn này. Trờn cơ sở
cỏc thụng số thu được ở phần mềm mụ phỏng, sẽ giỳp ớch nhiều trong quỏ trỡnh triển khai thực tế.
CHƯƠNG 5
PHẦN MỀM VÀ KỊCH BẢN Mễ PHỎNG
5.1. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM Mễ PHỎNG
Cỏc cụng cụ mụ phỏng rất cần thiết khi thiết kế một mạng núi chung và mạng cảm biến núi riờng. Dựng cụng cụ mụ phỏng, ta cú thể mụ phỏng được cỏc thuật toỏn, cỏc kịch bản cú thể xảy ra trong thực tế, để từ đú cú thể thiết kế chuẩn hơn. Nhằm tạo điều kiện tốt hơn để nghiờn cứu, nhiều nhúm nghiờn cứu trờn thế
giới đó tạo ra những chương trỡnh mụ phỏng. Ưu điểm khi sử dụng cỏc chương trỡnh mụ phỏng là: nhanh chúng, ớt tốn kộm, uyển chuyển trong thiết kế, giảm thiểu khối lượng cụng việc lập trỡnh, phõn tớch kết quả dễ dàng hơn.
Hiện tại, trờn thế giới đang sử dựng một số phần mềm mụ phỏng mạng cảm biến khụng dõy như sau: NS-2, OMNet++, OPNET, Wsnet, … Sau đõy ta sẽ xem xột một số phần mềm mụ phỏng, đỏnh giỏ và lựa chọn phần mềm phự hợp để mụ phỏng mụ hỡnh cảnh bỏo và giỏm sỏt một trạm viễn thụng trong thực tế dựng chuẩn giao tiếp ZigBee.
* NS-2
NS-2 (Network Simulator phiờn bản 2) là chương trỡnh mụ phỏng mạng theo phương phỏp mụ phỏng cỏc sự kiện rời rạc, được ra đời từ năm 1989. NS-2 hỗ trợ
mụ phỏng mạng cú dõy và khụng dõy, TCP, UDP, cỏc giao thức truyền thụng đa
điển, định tuyến… NS-2 viết bằng ngụn ngữ C++.
NS-2 là chương trỡnh nguồn mở, được phỏt triển bởi cộng đồng. Với ưu điểm miễn phớ, đặc biệt là cú nhiều nhúm đó viết cỏc chương trỡnh, thư viện cho 802.15.4/Zigbee; tuy nhiờn nhiều kết quả cho thấy dữ liệu thu được từ mụ phỏng và thực nghiệm khỏ khỏc nhau. Điều này khụng phải là quỏ khú hiểu vỡ NS-2 được
phỏt triển trước tiờn cho mạng cú nền tảng IP, và sau đú được mở rộng thờm cho mạng khụng dõy.
Ưu điểm của NS-2: Là chương trỡnh mó nguồn mở miễn phớ. Cú kiến trỳc mở, tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở rộng.
Nhược điểm: NS2 được xõy dựng chủ yếu cho mạng cú dõy, đặc biệt là mạng IP nờn cú một số hạn chế trong việc mụ phỏng node mạng khụng dõy. Đặc biệt là NS2 khụng mụ phỏng được cỏc hiện tượng (phenomenon).
* OPNET
Phần mềm Opnet được phỏt triển bởi cụng ty OPNET Technologies Inc, là một phần mềm cung cấp khả năng quản lý mạng và cỏc ứng dụng. Bờn cạnh đú nú cũn là một phần mềm rất hay cho việc học tập về mạng bởi khả năng phõn tớch, lờn kế hoạch và giả lập mụi trường mạng. Nú cũng là một cụng cụ tốt cho cỏc nhà thiết kế mạng kiểm tra sự thực thi và ổn định của bản thiết kế trước khi đi vào triển khai thực tế
Khụng phải là phần mềm nguồn mở nhưng miễn phớ cho cỏc trường đại học hay viện nghiờn cứu (riờng với cụng ty muốn sử dụng phải trả tiền). OPNET là chương trỡnh mụ phỏng theo định hướng sự kiện – event orientation, và hỗ trợ rất tốt cỏc mạng khụng dõy, trong đú cú cả mạng khụng dõy ad – hoc..
Ưu điểm của OPNET: Thế mạnh của OPNET là mụ phỏng chớnh xỏc mụi trường truyền súng RF.
Nhược điểm: Đầu tiờn OPNET xõy dựng để mụ phỏng cho mạng cố định, do
đú chỉ cú những phiờn bản sau (14.5) mới cú cỏc chức năng mụ phỏng cho mạng khụng dõy hỗ trợ chuẩn ZIGBEE, tương thớch với 802.15.4 MAC.
* WSNET
Phần mềm WSNET được phỏt triển bởi cỏc kỹ sư của viện nghiờn cứu INRIA- Phỏp. Wsnet là một phần mềm mụ phỏng hướng sự kiện cho mạng cảm biến khụng
dõy. Mục tiờu chớnh của nú là cung cấp khả năng mở rộng module, thử nghiệm giao thức mới, thử nghiệm mụ hỡnh phần cứng với khả năng mụ phỏng truyền súng RF chớnh xỏc. Wsnet cung cấp cỏc khả năng mụ phỏng sau:
- Mụ phỏng cỏc nỳt mạng.
- Mụ phỏng mụi trường xung quanh nỳt mạng. - Mụ phỏng mụi trường truyền.
Ưu điểm: Đõy là phần mềm mó nguồn mở được viết riờng để mụ phỏng mạng khụng dõy. Dựng phần mềm này, người sử dụng sẽ chủ động hơn trong việc phỏt triển cỏc ứng dụng theo ý muốn của mỡnh. Cỏc module phỏt triển nhỏ
gọn, dễ dàng tớch hợp được với cỏc module sẵn cú của WSNET, để tạo nờn được phần mềm mụ phỏng cú khả năng ứng dụng lớn, và thực hiện được cỏc kịch bản mà người sử dụng đặt ra.
Nhược điểm: Đang trong quỏ trỡnh phỏt triển sản phẩm, chưa hỗ trợ nhiều module.
* ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHẦN MỀM
Trong cỏc chương trỡnh ở trờn thỡ WSNET cú ưu điểm:
- Phỏt triển được cỏc module theo yờu cầu riờng biệt của người sử dụng. Cỏc module phỏt triển thờm cú thể tớch hợp dễ dàng với cỏc module sẵn cú, tạo được khả
năng mụ phỏng được cỏc kịch bản theo yờu cầu người sử dụng
- Mặc dự ra đời sau muộn hơn cỏc phần mềm mụ phỏng đó giới thiệu trước
đõy, nhưng nú là phần mềm mụ phỏng được thiết kế trực tiếp để mụ phỏng mạng cảm biến khụng dõy.
Với mục đớch mụ phỏng việc truyền, nhận dữ liệu để mụ phỏng mạng giỏm sỏt và cảnh bỏo, tụi nhận thấy, phần mềm WSNET phự hợp với mục đớch của mỡnh. Chớnh vỡ vậy, tụi chọn phần mềm này để mụ phỏng bài toỏn đặt ra.
5.2. PHẦN MỀM WSNET
* Cỏc đặc tớnh cơ bản của phần mềm mụ phỏng WSNET:
- Mụ phỏng hoàn chỉnh một node mạng: Mỗi node mạng cú cỏc khối chức năng tham chiếu theo mụ hỡnh 7 lớp OSI. WSNET cú thể linh hoạt, cho phộp mỗi một node mạng cú nhiều khối chức năng khỏc nhau. Cho phộp người sử dụng cú thể
tạo ra nhiều giao thức trong một tầng. Cỏc khối chức năng của một node mạng gồm: Antenna, Radio Transmission, MAC, Routing, Application, energy và mobility. Dưới đõy là vớ dụ về cỏc khối chức năng được lắp ghộp để tạo thành một node mạng hoàn chỉnh. Người sử dụng cú thể thiết lập bằng cỏch thay đổi file cấu hỡnh trong chương trỡnh mụ phỏng.
Hỡnh 26: Cấu trỳc Node cảm biến trong mụ phỏng WSNET
- Mụ phỏng mụi trường xung quanh nỳt mạng. WSNET cho phộp người sử
dụng mụ phỏng cỏc hiện tượng vật lý liờn quan đến node mạng như: nhiệt độ, độ ẩm, hiện tượng chỏy…
- Mụ phỏng mụi trường truyền. WSNET cho phộp người sử dụng mụ phỏng cỏc mụi trường truyền khỏc nhau, cỏc kiểu điều chế và cỏc kiểu truyền súng khỏc nhau.
- Trong quỏ trỡnh mụ phỏng, thời gian cỏc nỳt bắt đầu hoạt động cú thể cấu hỡnh được, khụng nhất thiết phải trựng với thời gian bắt đầu mụ phỏng. Tương tự
như vậy, thời điểm nỳt ngừng hoạt động cũng khụng cốđịnh, nú phụ thuộc vào cỏc thụng tin như năng lượng cũn lại của nỳt, tỏc động của cỏc yếu tố ở mụi trường xung quanh, vớ dụ như nhiệt độ.
* Cỏc khối chức năng được hỗ trợ bởi WSNET dưới dạng cỏc thư viện: Model Cỏc thư viện được hỗ trợ bởi WSNET
Radio propagation file static, disk model(range),free space, tworay ground,
lognormal shadowing, rayleigh fading, ITU indoor model,
nakagami fading
Interferences none, orthogonal, factor Modulation none, step, bpsk, oqpsk, mqam Antenna omnidirectional
Mobility static, file static, billiard, torus central, torus plane, teleport Battery/energy linear Environment fire Monitor nodes, nrj Radio half1d, 802.15.4 868MHz bpsk, 802.15.4 902MHz bpsk,802.15.4 2400MHz oqpsk MAC 802.11 DCF, 802.15.4 868MHz bpsk, 802.15.4 902MHz
bpsk,802.15.4 2400MHz oqpsk, B-MAC, Ideal MAC
Routing greedy geographic, file static Application CBR, CBR_v2, Hello
protocol, GHT, LBDD, XY, Data_Sink,Data_Source, GOSSIP, B- MAC application sample
* Cải tiến và mở rộng phần mềm: Phần mềm Wsnetstudio
Phần mềm WsnetStudio được phỏt triển nhằm hỗ trợ giao diện đồ họa cho phần mềm Wsnet, phần mềm này cho phộp tạo ra và chỉnh sửa cỏc đồ hỡnh mạng sử
dụng giao diện đồ họa. Sau đú sẽ sử dụng cỏc file log sinh ra từ phần mềm Wsnet để
mụ tả lại quỏ trỡnh mụ phỏng. vỡ vậy người dựng dễ dàng hơn trong việc quan sỏt
đường đi của cỏc gúi tin và phõn tớch cỏc gúi tin với giao diện trực quan. Người dựng cú thể quan sỏt cỏc gúi tin ở cỏc chếđộ chạy đầy đủ và chạy từng gúi tin.
Trong quỏ trỡnh chạy lại, người dựng cú thể dễ dàng click lờn cỏc gúi tin để
xem chi tiết thụng tin cỏc trường trong gúi tin, thay đổi tốc độ mụ phỏng cỏc gúi tin bằng cỏch di chuyển slide bar, xem mụ tả trực tiếp cỏc gúi tin trong cửa sổ textbox ở
gúc dưới bờn phải màn hỡnh, điều khiển tạm dừng, tiếp tục chạy mụ phỏng
Hỡnh 27: Giao diện phần mềm WsnetStudio
Lập file cấu hỡnh và phỏt triển thờm cỏc module
- Lập file cấu hỡnh.
- Cỏc module mụ phỏng cỏc thụng tin về mụi trường và module giỏm sỏt chuyển
động.
- Module về giao thức định tuyến ZigBee - Module ghi lại nhật ký hoạt động
- Module phõn tớch gúi tin và phõn tớch thụng tin năng lượng. - Đọc kết quả
5.3. LẬP TRèNH Mễ PHỎNG BÀI TOÁN
Phạm vi mụ phỏng:
Để thực hiện việc mụ phỏng quỏ trỡnh giỏm sỏt và cảnh bỏo hoạt động của trạm viễn thụng, chỳng ta cần giỏm sỏt rất nhiều cỏc thụng số: bỏo nhiệt độ, cảnh bỏo độ ẩm, cảnh bỏo đột nhập, cảnh bỏo và giỏm sỏt trạng thỏi vật lý của đường truyền, giỏm sỏt lưu lượng và tải của đường truyền…. Nhưng trong luận văn này, tỏc giả chỉ đưa và một số thụng số cơ bản để giỏm sỏt và cảnh bỏo (bao gồm cỏc thụng số: giỏm sỏt nhiệt độ, độ ẩm, đột nhập….) để đỏnh giỏ hoạt động của cụng nghệ ZigBee. Qua đú, cũng đỏnh giỏ phần định tuyến và phần tiờu hao năng lượng của chuẩn giao tiếp ZigBee đó lựa chọn so với cỏc chuẩn khỏc.
5.3.1. Lập file cấu hỡnh:
Sử dụng cỏc LIB được hỗ trợ bởi WSNET và cỏc module phỏt triển thờm. Cỏc thụng sốđặt như sau:
- Interferences: None - Điều chế: OQPSK - Anten: Omnidirectional
- Kiểu di chuyển của node: static
- Năng lượng pin: energy_linear. Lấy năng lượng ban đầu là 400.000.000 đơn vị. Khi truyền gúi tin thỡ node tiờu tốn 0,02 đơn vị năng lượng. Khi nhận gúi tin, node tiờu tốn 0,01 đơn vị năng lượng
- Mụi trường truyền súng: 802.15.4 2400MHz - Tầng Mac: 802.15.4 2400MHz
- Mụ phỏng với số lượng node là 25 và 50 node - Kớch thước nhà trạm được mụ phỏng là 50m2 - Nhiệt độ lấy ngẫu nhiờn trong dải 150C đến 500C. - Sự kiện chuyển động lấy ngẫu nhiờn.
5.3.2. Cỏc module phỏt triển thờm:
* Mụi trường: Module này mụ phỏng cỏc thụng tin về mụi trường. Cỏc cảm biến này sinh ra cỏc sự kiện ngẫu nhiờn mụ phỏng sự thay đổi của nhiệt độ và độẩm - Thụng số về nhiệt độ: Thụng số được tuỳ chỉnh ngẫu nhiờn trong dải từ 150C đến 500C. Khi nhiệt độ lớn hơn 250C, module sẽ phỏt cảnh bỏo đưa về trung tõm
- Thụng số vềđộ ẩm: Thụng số được tuỳ chỉnh ngẫu nhiờn trong dải từ < 95%. Khi
độẩm lớn hơn dải này, module sẽ phỏt cảnh bỏo đưa về trung tõm.
* Module giỏm sỏt chuyển động: Module này sinh ra cỏc sự kiện ngẫu nhiờn, mụ phỏng quỏ trỡnh phỏt sinh một chuyển động trong khu vực giỏm sỏt. Khi phỏt sinh 1 chuyển động, module này sẽ phỏt cảnh bỏo đưa về trung tõm.
* Module định tuyến ZigBee
- Định dạng bảng tin dũ đường trong ZigBee
Src Add Broadcast ID Src seq num Dest Add Dest seq num Hop cnt
- Src Add: Địa chỉ node nguồn
- Broadcast ID: Số ID quảng bỏ tỡm đường - Src seq num: Số chuỗi nguồn
- Dest Add: Địa chỉ node đớch - Dest seq num: Số chuỗi đớch - Hop cnt: Số bước nhảy * Định dạng Bảng định tuyến
- Dest Add: địa chỉ node đớch (hoặc node cha của nú)
- Next hop Add: địa chỉ node tiếp theo để cú thểđi đến node đớch
- Trạng thỏi: Một trong 3 giỏ trị: Hoạt động, dũ đường, khụng hoạt động
* Module ghi lại hoạt động của cỏc thành phần: Phỏt triển cỏc hàm log để ghi lại