BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
======
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng
cảm nhận không dây
Giáo viên hướng dẫn: Th.s Hòa Quang Dự
Sinh viên thực hiện: Hà Minh Phương
Lớp:CT701 Mã SV: 10295
NỘI DUNG BÁO CÁO
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
THỰC NGHIỆM
TỔNG KẾT
I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về mạng WSN
Nghiên cứu vấn đề năng lượng trong WSN, những
phương pháp và thuật toán để duy trì thời gian
sống của nút mạng dài
Xây dựng chương trình mô phỏng việc quản lý
năng lượng của WSN
II. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
1.Khái niệm:
Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhận
bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ
cảm biến.
2.Cảm biến:
Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu
hay kích thích. Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đo
đạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốc
độ, áp suất, momen...
III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG
A.Vấn đề quản lý năng lượng
Nguyên nhân quản lý năng lượng
Hao phí năng lượng
Phân bố năng lượng
B.Các nguồn năng lượng
Pin
Nguồn năng lượng khác
A. Vấn đề quản lý năng lượng
Nguyên nhân quản lý năng lượng
—
—
Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượng
Nút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trị
Nguyên nhân hao phí năng lượng
—
—
—
—
Hao phí điện năng trong quá trình xung đột.
Phí tổn điều khiển gói tin.
Nghe lỏm truyền thông không cần thiết.
Thời gian nghỉ kéo dài
Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động:
Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mW
Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW
Đánh giá :
Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhất
Radio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm
biến.
A. Vấn đề quản lý năng lượng
Phân bố năng lượng
Bộ xử lý
Radio
Sensors và ADC
B.Các nguồn năng lượng
•
Nguồn năng lượng mặt trời
Nguồn năng lượng rung động cơ học
Nguồn năng lượng từ pin…
Chọn nguồn năng:
•
•
—
—
—
—
Thời gian sản xuất
Khả năng thay thế
Giá cả ban đầu và giá cả phát sinh
Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước,
ảnh hưởng sinh học.
B.Các nguồn năng lượng
Pin
—
—
Thời gian sống
Quá trình phát hiện pin yếu
Cảnh báo “pin yếu”
Hấp thụ năng lượng
—
— Pin quang điện
—
Rung động cơ học
—
Nguồn hấp thụ năng lượng khác
IV. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG
1. Giao thức điều đình (Mediation Device- MD)
2. Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút
mạng (Sleep- Listen)
3. Giải thuật LEACH
4. Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum
Power Configuration)
Giao thức điều đình
Nút mạng tiêu thụ điện năng
trung bình theo thời gian
P= α . P0 + (1- α) . Ps
P = năng lượng tiêu thụ trung bình theo thời
gian (đơn vị W)
α = Chu trình tác vụ
P0 = Năng lượng tiêu thụ khi hoạt động tích
cực (Đơn vị W)
Ps = Năng lượng tiêu thụ trong chế độ chờ
standby (Đơn vị W)
Giảm P thì giảm P0 và Ps
Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng
(Sleep- Listen)
Lược đồ cơ bản
Lựa chọn và duy trì lịch trình
—
Tự đưa ra lịch trình
Theo lịch trình nút lân cận
Nhận lịch trình của nút khác khi đã có lịch trình
Duy trì sự đồng bộ hóa
—
—
Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút
mạng (Sleep- Listen)
Cơ chế tránh xung đột và nghe lỏm
1. Cơ chế tránh xung đột.
2. Cơ chế tránh nghe lỏm
Nút nào phải ngủ khi A đang truyền thông với B ?
Giải thuật LEACH
Kiến trúc mạng liên kết bó:
Nút đầu bó tiêu thụ điện năng lớn hơn những nút trong bó.
Quay vòng đầu bó.
Thao tác LEACH chia làm nhiều vòng và mỗi vòng có 4 giai
đoạn:
1.Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase)
2.Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase )
3. Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation)
4. Truyền dữ liệu (Data Transmission)
Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum
Power Configuration)
Mạng WSN cần phải giảm năng lượng tiêu thụ trong mỗi
trạng thái năng lượng của radio (trạng thái truyền, nhận, và
nghỉ).
MPC giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong tất
cả trạng thái năng lượng.
Ví dụ minh họa
truyền thông từ a tới c: a → c hoặc a → b → c.
-Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền
|ac| khi b đang ngủ.
-Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| và b
chuyển tiếp dữ liệu từ a tới c
Định nghĩa bài toán
1. Pmintx ≤ Ptx(u,v) ≤ Pmaxtx
2. G(V,E) mạng không dây.
V tập các nút
E định nghĩa là E = {(u,v)|(u,v є V ^(Ptx (u,v)≤ Pmaxtx )}.
3. Prx tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ thu
Pid tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ nghỉ.
4. S= {si } và T = {tj } là nút nguồn và nút đích tương ứng
I = {(si, tj,ri,j)|si є S, tj є T } là bộ yêu cầu lộ trình nơi nguồn si gửi dữ liệu tới đích
tj ở tốc độ ri,j.
5. Cu,v = Ptx(u,v) + Prx – 2Pid
z = Pid
Bài toán MPC: Đưa ra mạng G(V,E) và bộ yêu cầu truyền thông I,
tìm một đồ thị G’(V’,E’), và lộ trình f(si,tj) bên trong G’ cho mỗi yêu
cầu truyền thông (si,tj,ri,j) є I sao cho tổng giá trị năng lượng P(G’) là
rất nhỏ
Thuật toán MBA
Input:G(V,E),bộ W = S U {t} và yêu cầu truyền
thông I
Output: G’(V’,E’)
1. Tạo ra đồ thị đầy đủ M bao gồm tất cả
các nút trong W. Mỗi cạnh giữa 2 nút
trong M là đường đi ngắn nhất giữa 2
nút trong G theo giá trị cạnh D. Cho 2
nguồn si và sj, Du,v =z +
(2rirj/(ri+rj))Cu,v, (u,v) є E. Cho nguồn
si và đích t, Du,v = z + riCu,v ,(u,v) єE.
Tìm đồ thị phù hợp với đồ thị M mà có
nửa giá trị của đồ thị đầy đủ tối thiểu
tương ứng, và có nửa trong tổng số
nút
2. Các nút và cạnh của G tương ứng với
mỗi cạnh của M được thêm vào G’.
Cho mỗi đỉnh tương ứng (si, sj) trong
M, chọn si làm tâm với xác suất
ri/(ri+rj), ngược lại chọn sj sẽ là tâm.
Thay đổi tốc độ dữ liệu của tâm khi ri
+ rj .
3. Mỗi nút không phải là tâm trong đỉnh tương
ứng của M được đưa tới W.Dừng lại nếu S
chỉ chứa đích, nếu không chuyển về bước
1
Sự phức tạp O(k2(m + nlgn)) (với k,
m, n tương ứng là số lượng nguồn,
tổng số cạnh và nút trong G).
Bài toán kết thúc sau O(lg k) lần lặp
Giá trị cạnh
Cây tìm đường đi ngắn nhất (Shortestpath Tree Heuristic -STH)
Ý tưởng: cân bằng theo giá trị
liên quan (ri,j . Cu,v) và giá trị
nút cố định (z) của đồ thị .
Input: G(V,E),bộ nguồn S, và yêu cầu
truyền thông I
Output: G’(V’,E’)
1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng
2.Với nút nguồn si
a)Đặt trọng số cạnh của G(V,E)
theo gi
b)Tìm đường đi ngắn nhất nối si
với t
c)Thêm đường đi ngắn nhất tìm
thấy tới G’
3.Kết thúc
- Xem thêm -