Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến dymo trong mạng cảm bi...

Tài liệu Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến dymo trong mạng cảm biến không dây wsn

.PDF
78
295
107

Mô tả:

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………………………………………..i MỤC LỤC………………………………………………………………………….……..ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT……………………………………………………………….iv DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU………….………………………………….vii LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………………...…..1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN ................ 2 1.1. Giới thiệu chung ...................................................................................................... 2 1.2. Phân loại mạng cảm biến không dây. ..................................................................... 3 1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. ....................................................................... 5 1.3.1. Cấu trúc mạng .................................................................................................. 5 1.3.2. Cấu trúc và nhiệm vụ của một node mạng ....................................................... 6 1.4. Kiến trúc giao thức WSN ........................................................................................ 9 1.5. Chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 ............................................................................... 12 1.6. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây............................................................. 13 1.6.1. Các ứng dụng cụ thể trong mạng WSN loại 1(C1WSN) ............................... 14 1.6.2. Các ứng dụng cụ thể mạng WSN loại 2 (C2WSNs) ...................................... 15 1.7. Kết luận chương .................................................................................................... 17 CHƯƠNG II: ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ VẤN ĐỀ QOS ............................................................................................................................. 23 2.1. Những thách thức trong kỹ thuật định tuyến WSN .............................................. 23 2.1.1. Kích thước mạng và đặc tính thay đổi theo thời gian .................................... 24 2.1.2. Tài nguyên hạn chế ........................................................................................ 24 2.1.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến ........................................................... 24 2.1.4. Cách thức liên lạc giữa các node .................................................................... 24 2.2. Các loại giao thức định tuyến trong WSN ............................................................ 25 2.2.1. 2.3. Giao thức định tuyến cổ điển ......................................................................... 27 Giao thức định tuyến trong mạng WSN ............................................................... 28 Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.3.1. Giao thức định tuyến AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing) ………………………………………………………………………………28 2.3.2. Giao thức định tuyến DYMO (Dynamic MANET On-Demand) .................. 33 2.4. Vấn đề của Qos trong mạng cảm biến không dây. ............................................... 34 2.5. Kết luận chương .................................................................................................... 36 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA GIAO THỨC DYMO................................................................................................................................ 42 3.1. Giao thức định tuyến DYMO trong mạng cảm biến không dây WSN ................. 42 3.1.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 42 3.1.2. Cấu trúc dữ liệu .............................................................................................. 43 3.1.3. Hoạt động của DYMO ................................................................................... 45 3.2. Qos trong giao thức định tuyến DYMO, giao thức DYMO_MQ. ........................... 48 3.2.1. Giao thức định tuyến DYMO_MQ(DYMO Multipath with Qos) .................... 48 3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của giao thức DYMO ...................................... 53 3.3.1. Các tham số hiệu năng của giao thức định tuyến. .......................................... 53 3.3.2. NS-2 ............................................................................................................... 55 3.3.3. Mô phỏng giao thức DYMO_MQ sử dụng chương trình DYMOUM (NS2)…………………………………………………………………………………......55 3.3.4. 3.4. Xây dựng hệ thống mô phỏng và kết quả mô phỏng ..................................... 58 Kết luận chương .................................................................................................... 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………...………………………………………….67 PHỤ LỤC………..………………………………………………………………………69 Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT WSN Wireless sensor network Mạng cảm biến không dây IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineer Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử FTP File Tranfer Protocol Giao thức truyền tải tệp WLAN Wireless Local Area Network Mạng LAN không dây WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây WMAN Wireless Metropolitan Area Network Mạng đô thị không dây GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống định vị toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Nâng cao tốc độ dữ liệu cho sự tiến hóa của GSM UTMS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu HSDPA High-Speed Downlink Packet Access hay truy nhập gói đường xuống tốc độ cao C1WSNs Category 1 WSNs Mạng cảm biến không dây loại 1 C2WSNs Category 2 WSNs Mạng cảm biến không dây loại 1 RFID Radio Frequency Identification công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến ADC Analog to Digital Convert Chuyển đổi tương tự sang số OS Operation system Hệ điều hành Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt OSI Open Systems Interconnection Reference Model Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường ID identify Định danh TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận MANET mobile ad hoc network Mạng tùy biến di động IP Internet Protocol Giao thức Internet OLSR Optimized Link State Routing Protocol Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu DSDV Destination Sequence Distance Vecto giao thức định tuyến theo bảng, dựa trên vector khoảng cách ZRP Zone Routing Protocol giao thức định tuyến theo vùng RREQ Route request Bản tin yêu cầu tuyến đường RREP Routing Reply Bản tin phản hồi tuyến đường RERR Route error Bản tin lỗi tuyến đường IETF Internet Engineering Task Force Lực lượng Chuyên trách về Kỹ thuật Liên mạng IPv4 Internet Protocol version 4 Gói tin IPv4 IPv6 Internet Protocol version 6 Gói tin IPv6 RM Routing request Bản tin định tuyến DYMO_MQ Dynamic MANET Ondemand multipath with qos Giao thức định tuyến động theo yêu cầu cho mạng Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 v Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt MANET kết hợp kỹ thuật đa đường và qos Qos Quality of service Chất lượng dịch vụ AODV_MQ Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing multipath with qos Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu kết hợp kỹ thuật đa đường và qos NS-2 Network Simulation Phần mềm mô phỏng mạng TTL Time to live Thời gian sống TLV Type length value Loại giá trị chiều dài UDP User Datagram Protocol Giao thức dữ liệu người dùng DYMO_M Dynamic MANET Ondemand multipath Giao thức định tuyến động theo yêu cầu cho mạng MANET hỗ trợ kỹ thuật định tuyến đa đường DYMO Dynamic MANET Ondemand Giao thức định tuyến động theo yêu cầu cho mạng MANET AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing Giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 vi Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ và bảng biểu DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Các chuẩn không dây và một số đặc tính .............................................................. 3 Hình 1.2: Mô hình mạng WSN loại 1 (C1WSNs) ................................................................ 4 Hình 1.3: Mô hình mạng WSN loại 2 (C2WSNs) ................................................................ 4 Hình 1.4: Mô hình mạng WSN chia theo kiểu hợp tác và bất hợp tác ................................. 5 Hình 1.5 : Cấu trúc của mạng cảm biến không dây ............................................................. 5 Hình 1.6: Sự phát triển về phần cứng của các node cảm biến.............................................. 7 Hình 1.7: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến ........................................................ 7 Hình 1.8: Cấu trúc phần mềm của một node cảm biến ........................................................ 9 Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến WSN theo mô hình OSI và mặt phẳng quản lý ................................................................................................................................ 10 Hình 1.10: Kiến trúc theo lớp của công nghệ Zigbee......................................................... 13 Hình 1.11: Các ứng dụng của WSN vào quân sự ............................................................... 14 Hình 1.12: Ứng dụng của WSN vào giao thông................................................................. 15 Hình 1.13: Ứng dụng của WSN vào các thiết bị trong nhà ................................................ 16 Hình 1.14: Ứng dụng của WSN vào công nghiệp .............................................................. 16 Hình 1.15: Ứng dụng của WSN vào y tế ............................................................................ 17 Hình 2.1: Mô hình chung của mạng cảm biến không dây .................................................. 24 Hình 2.2: Phân loại các giao thức định tuyến trong WSN ................................................. 26 Hình 2.3: Các giao thức định tuyến phân loại theo tiến trình xử lý thông tin định tuyến .. 26 Hình 2.4: Thiết lập tuyến đường thuận............................................................................... 31 Hình 2.5: Quản lý và cập nhật bảng định tuyến ................................................................. 32 Hình 2.6: Sự khác nhau giữa quá trình khám phá tuyến của AODV và DYMO ............... 34 Hình 3.1: Cấu trúc bản tin RM ........................................................................................... 44 Hình 3.2: Cấu trúc bản tin RERR ....................................................................................... 45 Hình 3.3: Quá trình khám phá tuyến của giao thức DYMO .............................................. 47 Bảng 3.1: Các thông số mặc định của giao thức DYMO ................................................... 48 Hình 3.4: Định dạng cấu trúc bản tin định tuyến DYMO .................................................. 49 Bảng 3.2: Mô tả module của DYMOUM ........................................................................... 56 Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 vii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ và bảng biểu Bảng 3.3: Các tham số mô phỏng đánh giá hiệu năng của giao thức DYMO trong mạng cảm biến không dây WSN .................................................................................................. 59 Hình 3.5: Sự phụ thuộc của độ trễ tổng vào số node.......................................................... 60 Hình 3.6: Sự phụ thuộc của năng lượng tiêu thụ vào số node trong mạng ........................ 60 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của độ trễ vào số node trong mạng với giao thức AODV_MQ và DYMO_MQ........................................................................................................................ 61 Hình 3.8: Sự phụ thuộc của năng lượng tiêu thụ vào số node trong mạng với giao thức AODV_MQ và DYMO_MQ .............................................................................................. 62 Hình 3.9: Sự phụ thuộc của độ trễ trung bình đầu cuối vào tốc độ di chuyển của node .... 63 Hình 3.10: Sự phụ thuộc của năng lượng tiêu thụ trên mỗi node vào tốc độ di chuyển của node. ................................................................................................................................... 64 Hình 3.11: Ảnh hưởng của độ trễ trung bình đầu cuối vào tốc độ di chuyển của node. .... 65 Hình 3.12: Ảnh hưởng của mức tiêu thụ năng lượng của node vào tốc độ di chuyển của node. ................................................................................................................................... 65 Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 viii Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng truyền thông không dây đã có những bước tiến rất dài, và là nền tảng tiền đề cho hàng loạt các công nghệ mới trong tương lai, đặc biệt là mạng cảm biến không dây WSN. Với cấu trúc linh động, WSN đã và đang thể hiện vai trò then chốt đại diện cho mạng không dây thế hệ mới với tính ứng dụng cao do một số đặc tính ưu việt của nó như: dễ dàng triển khai, hoạt động được trong nhiều địa hình phức tạp, các ứng dụng khám phá môi trường,.... Bên cạnh đó, những thách thức đặt ra về hiệu quả sử dụng cho WSN cũng là vấn đề được yêu cầu cấp thiết. Đồ án này nghiên cứu về đề tài: “Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến DYMO trong mạng cảm biến không dây”. Gồm các chương sau: Chương 1: “Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN” trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây, thách thức, ứng dụng trong mạng cảm biến không dây. Chương 2: “Định tuyến trong mạng cảm biến không dây và vấn đề Qos” trình bày các thách thức về định tuyến trong mạng cảm biến không dây, phân loại và trình bày về giao thức định tuyến theo yêu cầu sửa dụng phổ biến là AODV và DYMO. Nêu ra những thách thức khó khăn trong việc hỗ trợ Qos trong các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây. Chương 3: “Phân tích và đánh giá hiệu năng của giao thức DYMO” trình bày về giao thức DYMO trong mạng cảm biến không dây kết hợp với kỹ thuật đa đường và hỗ trợ Qos. Mô phỏng đánh giá hiệu năng của giao thức DYMO trong mang cảm biến không dây, chương này đưa ra các kết quả cho thấy giao thức DYMO kết hơp với Qos cho hiệu năng tốt hơn nhiều so với giao thức DYMO truyền thống và giao thức AODV. Nội dung cụ thể của đồ án được trình bày dưới đây. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN 1.1. Giới thiệu chung Một mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network – WSN) là một mạng bao gồm nhiều node cảm biến nhỏ liên kết với nhau bằng song vô tuyến. Các node là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn , có giá thành thấp và tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhàm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên. Mạng cảm biến không dây gồm các thành phần cơ bản cấu thành nên mạng: - Phân bố theo mô hình tập trung hay phân tán. Liên lạc giữa các node của mạng cảm biến. Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering). Bộ phận xử lý dữ liệu trung tâm . Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến không dây gồm thu thập dữ liệt, giám sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến không dây tùy theo yêu cầu thực tế sử dụng rất đa dạng và không bị giới hạn. Với sự tiến bộ của công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu... đã tạo ra những cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi và giải quyết bài toán về khả năng cung cấp năng lượng bị giới hạn trên các node của mạng cảm biến không dây. Hiệu quả sử dụng công suất của mạng cảm biến không dây về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí: - Chu kỳ hoạt động ngắn. Xử lý dữ liệt nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu và thời gian truyền. Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó làm giảm suy hao tổng cộng và giảm công suất cho hệ thống Các tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4. Hoạt động ở tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa hoạc và y học, cung cấp đường truyền dữ liệt với tốc độ lên đến 250kbps ở khoảng cácnh 30-200feet. Zigbee/IEEE 802.15.3, các hệ thống được thiết kế để bổ sung cho các công nghệ không dây hiện tại như Bluetooth, wifi,.. sử dụng cho các ứng dụng thương mại. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Với sự ra đời của Zigbee/IEE802.15.3, các hệ thống dần phát triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến không dây truyền thông qua các kênh truyền tiêu chuẩn dùng trong các mục đích quân sự và thương mại. Hình 1.1 Các chuẩn không dây và một số đặc tính 1.2. Phân loại mạng cảm biến không dây. Dựa theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nodes sử dụng, mạng cảm biến không dây được chia làm 2 loại: Loại 1(C1WSNs): - Sử dụng giao thức định tuyến động. Các node tìm đường đi tốt nhất đến đích.Vai trò của các node sensor với các node kế tiếp như là trạm lặp (repeater). Khoảng cách rất lớn (hàng ngàn mét) Khả năng xử lý dữ liệt ở các node chuyển tiếp. Mạng thức tạp. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Hình 1.2: Mô hình mạng WSN loại 1 (C1WSNs) Loại 2(C2WSNs): - Mô hình mạng đa điểm - điểm hoặc điểm – điểm. 1 kết nối vô tuyến đến node trung tâm. Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh. 1 node không cung cấp thông tin cho các node khác. Khoảng cách chỉ vài tram mét. Node chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các node khác. Hệ thống tương đối đơn giản. Hình 1.3: Mô hình mạng WSN loại 2 (C2WSNs) C1WSN hỗ trợ các ứng dụng có mật độ cao được phân tán cao (ví dụ: môi trường giám sát, hệ thống an ninh quốc gia); C2WSN thường hỗ trợ các không gian tầm ngắn hạn chế như nhà riêng, nhà máy, tòa nhà hoặc cơ thể người. C1WSN có phạm vi và khả năng tiếp cận khác nhau từ công nghệ không dây. C2WSN phát triển cho các ứng dụng không Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN dây tốc độ thấp như các hệ thống nhận dạng tần số vô tuyến RFID, thiết bị chuyển mạch ánh sáng, thiết bị phát hiện cháy nổ. C1WSN có khuynh hướng đối phó với các hệ thống đa điểm tới điểm lớn với luồng dữ liệu khổng lồ, trong khi đó C2WSN tập trung vào các ứng dụng điểm đến điểm đến ngắn với các luồng dữ liệu truyền thông duy nhất. Theo cách khác, có thể chia mô hình theo 2 dạng hợp tác (cooperative) và bất hợp tác (noncooperative). Trong dạng hợp tác các node chuyển tiếp thông tin cho các mode lân cận. Còn trong dạng bất hợp tác, các node truyền thông tin trực tiếp lên trung tâm mà không qua các node lân cận. Hình 1.4: Mô hình mạng WSN chia theo kiểu hợp tác và bất hợp tác 1.3. Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 1.3.1. Cấu trúc mạng Các yếu tố và nguyên tắc thiết kế trong cấu trúc mạng cảm biến không dây được đặt trong môi trường mô hình WSNs loại 1(C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần trước. Bởi vì đây là mô hình với số lượng node cảm biến lớn trong mạng, chuỗi dữ liệu nhiều, dữ liệu chưa đầy đủ và chắc chắn, khả năng hư hỏng của các node cao, cũng như khả năng bị nhiễu trên đường truyền lớn, giới hạn năng lượng, giới hạn khả năng xử lý các node, mô hình mạng nhiều node nhưng lại thiếu thông tin các node trong mạng và hạn chế khả năng tác động của con người vào mạng. Do vậy C1WSNs tổng quát hơn so với mô hình C2WSNs. Hình 1.5 : Cấu trúc của mạng cảm biến không dây Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Hình 1.5 cho thấy mô hình cấu trúc mạng cảm biến không dây thường dùng. Các cảm biến liên kết với nhau theo kiểu multihop hoặc singlehop. Các node chọn ra Clustering Node có khả năng tốt nhất làm node trung tâm, tất các các node này sẽ nhận dữ liệu từ các node còn lại và truyền về node xử lý chính. Nhờ vậy năng lượng và băng thông trên đường truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn, Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng loại này phức tạp, giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên phức tạp và khó khăn hơn. Các đặc điểm chung của cấu trúc mạng cảm biến: - Các node phân bố dày đặc - Các node dễ bị hư hỏng - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên - Các node bị giới hạn về năng lượng, khả năng xử lý và bộ nhớ Các node có thể không được đồng nhất toàn hệ thống mạng vì số lượng các node rất lớn. 1.3.2. Cấu trúc và nhiệm vụ của một node mạng Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ một vùng địa lý. Các node (sensor nodes hay còn gọi là WNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng cơ bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính: - - Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Như có thể trả về nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng,… tại nơi khảo sát. Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số của sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện đang lưu thông,.. Phân biệt các đối tượng. Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết được là gì (xe con, xe tải, xe bus,…) Theo dấu các đối tượng. Ví dụ trong mạng WSN quân sự, mạng cảm biến phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển vào vùng bao phủ của mạng. Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay không tùy theo yêu cầu và mục đích của thông tin cần thu thập. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế. Hình 1.6: Sự phát triển về phần cứng của các node cảm biến Liên quan đến thiết kế phần cứng của node trong mạng WSNs, các chức năng cơ bản cần phải có: xử lý tín hiệu số, nén, phát hiện và sửa lỗi, kiểm soát và khởi động; phân cụm và tính toán trong mạng; tự nhúng; truyền thông; định tuyến và chuyển; quản lý kết nối. Để hỗ trợ các chức năng này, một Node cảm biến trong mạng bao gồm: - Một hoặc một dãy cảm biến hoặc đơn vị thực thi. Đơn vị xử lý. Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến. Nguồn cung cấp. Các thành phần khác( hệ thống xác định vị trí, thiết bị truyền động, bộ phát điện,..) Hình 1.7: Cấu trúc phần cứng của một node cảm biến Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tựsố (ADC). Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Vi xử lý là thành phần quan trọng, thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút, sau đó xử lý trước khi gửi đi và nhận dữ liệu từ các nút khác. Bộ lưu trữ để lưu dữ liệu thu được từ các nút cảm biến hoặc gói dữ liệu từ nút khác. Phần thu phát vô tuyến kết nối vào mạng. Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink. Bộ nguồn là thành phần cốt yếu của một nút mạng cảm biến, trong đó có hai vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, và khả năng thay thế nguồn. Bộ nguồn có thể là một số loại pin, và khả năng thay thế trong nút mạng là không thể do địa hình triển khai và số nút mạng lớn, do vậy phải chọn nguồn ổn định có khả năng hoạt động phù hợp với yêu cầu của ứng dụng và môi trường hoạt động. Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời. Để một node có thể hoạt động được cần có các phần mềm hỗ trợ. Phần mềm trong một node cảm biến bao gồm: - - Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi là middleware): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs. Sensor Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử cảm biến. Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển tiếp gói tin, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi, quản lý truy cập… Bộ phân xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong mạng Communication drivers (mã hóa và lớp vật lý): Các module phần mềm này quản lý chi tiết kênh truyền dẫn vô tuyến, bao gồm xung đồng hồ, đồng bộ, mã hóa tín hiệu, khôi phục, đếm bit, các mức tín hiệu và điều chế. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Hình 1.8: Cấu trúc phần mềm của một node cảm biến Node cảm biến bị rằng buộc bởi một số yếu tố: - Nguồn năng lượng: Các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSN. - Liên lạc: Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền. Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ thống. - Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn. Điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node. - Sự không chắc chắn các thông số: dữ liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu từ môi trường, sự hư hỏng các node có thể làm sai lệch dữ liệt. Sự sắp đặt các node gây sai lệch hoạt động node. Để mạng WSN có thể được triển khai rộng rãi với quy mô lớn, kích thước, giá thành và công suất tiêu thụ của các node phải giảm đáng kể và sự thông minh của node phải tăng lên. Cần có hệ thống cảm biến kết hợp với các kỹ thuật tiên tiến như công nghệ nano, mạng phân bố, thông tin vô tuyến băng rộng. Việc tiêu chuẩn hóa cũng rất quan trọng. Tạo ra các tiêu chuẩn chung sẽ giúp mạng WSN ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tế, có khả năng giao tiếp với các mạng khác, giao diện Internet, cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn. Các nghiên cứu đang hướng đến các kỹ thuật chế tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân bố, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại. 1.4. Kiến trúc giao thức WSN Giao thức liên kết trong mạng bao gồm các lớp như mô hình OSI - Layer 1: Lớp vật lý. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN - Layer 2: Lớp liên kết dữ liệu. - Layer 3: Lớp mạng - Layer 4: Lớp giao vận - Upper Layers: Các lớp cao hơn phục vụ các ứng dụng trong mạng bao gồm xử ứng dụng, kết hợp dữ liệt, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài. lý Hình 1.9: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến WSN theo mô hình OSI và mặt phẳng quản lý Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý. Một vài đặc điểm quan trọng của lớp vật lý trong mạng cảm biến là: + Tiêu thụ năng lượng thấp + Truyền công suất thấp tương ứng với khoảng cách truyền ngắn. + Phần cứng có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng. + Cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ + Có khả năng chịu đựng sự thay đổi của môi trường cao. Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Lớp mạng: Chức năng chính của lớp này là thực hiện kết nối mạng, định tuyến và kết nối với mạng ngoài. Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau: - Hiệu quả năng lượng luôn luôn là một yếu tố quan trọng. Mạng cảm biến hầu hết là hướng dữ liệu hay dữ liệu tập trung (data-centric). Ngoài định tuyến, các nút chuyển tiếp có thể tổng hợp dữ liệu từ nhiều nút hang xóm thông qua xử lý địa phương. Do số lượng lớn các nút trong một mạng WSN, đinh danh (ID) duy nhất cho mỗi nút có thể không được cung cấp và các nút có thể cần phải được đánh địa chỉ dựa trên dữ liệu hoặc vị trí của chúng. Lớp giao vận: Chức năng của lớp này là cung cấp truyền tải dữ liệu tin cậy và tránh tắc nghẽn. Lớp này đặc biệt cần thiết khi một hệ thống được tổ chức để truy cập các mạng khác. Không giống như các giao thức như TCP, các chương trình truyền thông end-to- end trong các mạng cảm biến không dựa trên địa chỉ toàn cầu. Các chương trình này phải giải quyết vấn đề dựa trên dữ liệu hoặc vị trí để chỉ ra những điểm đến của các gói dữ liệu. Các yếu tố như tiêu thụ năng lượng và khả năng mở rộng, và các đặc điểm như định tuyến hướng dữ liệu, đặt ra yêu cầu mạng cảm biến cần phải xử lý khác trong lớp giao vận. Vì vậy, các yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết cho các loại mới của giao thức lớp giao vận. Các lớp cao hơn: Bao gồm các ứng dụng cũng như một số chức năng quản lý mạng, tập hợp dữ liệu, xử lý truy vấn. Mặt phẳng quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ: nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến. Măt phẳng quản lý di động: phát hiện và ghi lại sự dịch chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến khác. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện. Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của nó. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Những mặt phẳng quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo một cách thức sử dụng hiệu quả công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến. 1.5. Chuẩn Zigbee/IEEE 802.15.4 Công nghệ ZIGBEE được giới thiệu lần đầu bởi liên minh Zigbee vào năm 2003. Chuẩn IEEE 802.15.4 là chuẩn cơ bản của ZIGBEE. ZIGBEE hỗ trợ các kiểu cấu hình mạng hình sao, hình lưới, hình cây và mô hình mạng Mobile adhoc Network (MANET). Chuẩn IEEE 802.15.4 quy định lớp vật lý và lớp điều khiển truy nhập. Tiêu chuẩn 802.15.4 này sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medicum Access Control). Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng. Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống. Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo trong cùng hệ thống. Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104 bytes. Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit. Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất. Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết. ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng: Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ. Dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật Và dải 2.4GHz cho các nước khác. Ở dải 2.4GHz, có đến 16 kênh tín hiệu khác nhau và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 250kbps. Trong khi đó dải 868 MHz chỉ có 1 kênh tín hiệu và tốc độ đường truyền dữ liệu có thể đạt tới 20kbps. Hệ thống ZigBee được tối ưu hóa để chắc chắn rằng sự tiêu thụ năng lượng rất thấp. Chỉ có các nút có điều khiển cảm biến trung tâm có sử dụng nguồn điện còn lại các nút khác hầu như không cần năng lương (có thể vận hành ở chế độ sleep mode). Điều này giúp cho pin dùng trong các thiết bị sử dụng công nghệ ZigBee có tuổi thọ rất cao tính đến hàng năm mà không cần thay thế. Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng cảm biến không dây WSN Mặc dù ngày càng có nhiều sự lựa chon cho mạng không dây, nhưng ZigBee vẫn là sự lựa chọn của các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu bởi tính ứng dụng trong điều khiển từ xa, cảm biến và các hệ thống thi hành (Rờ le, van đóng mở…), bởi tính ổn định cao, bảo mật, khả năng mở rộng, giá thành rẻ, tiêu thụ điện năng thấp, hệ thống mở cho nhiều nhà sản xuất, và ngày càng được cải tiến tốt hơn. Hình 1.10: Kiến trúc theo lớp của công nghệ Zigbee 1.6. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây Trong nhữnng năm gần đây, các nghiên cứu về WSN đã đạt được bước phát triển mạnh mẽ và đưa WSN ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSN: Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia: Giám sát chiến trường; bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu; thông tin, giám sát, điều khiển, theo dõi mục tiêu; phát hiện phong xạ, hạt nhân; giám sát dưới nước, trên không; hệ thống radars; hệ thống rà soát bom mìn. Ứng dụng trong bảo vệ môi trường: Phát hiện hoạt động núi lửa; giám sát cháy rừng; giám sát dịch bệnh; cảm biến dùng trong nông nghiệp; phát hiện động đất. Ứng dụng trong thương mại: Điều khiển không lưu; quản lý cầu đường; quản lý kiến trúc và xây dựng; điều khiển nhiệt độ; cảm biến trong môi trường hóa học, sinh học, nguyên tử; .. Ứng dụng trong y học: Cảm biến gắn trực tiếp trên cơ thể người; chăm sóc sức khỏe; phản ứng với dịch bệnh; phân tích sức khỏe cá nhân;… Nguyễn Quốc Hữu – B13DCVT027 13
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan