Đa thâm nhập môi trường trong mạng WSN

Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................ i LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................... ii 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 ..................................... 23 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 ................................................................................................ 28 2.3.2. .............................................................................................. 31 2.4. Giới thiệu về IEEE 802.15.4 MAC .............................................................. 33 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 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 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 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 3.3.1. Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán ......................................................... 48 3.3.2. Tiến hành thực nghiệm và các kết quả đo được ............................. 50 3.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................... 53 KẾT LUẬN ............................................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................... 58 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 i 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 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 ii LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công 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 Đồ án tốt nghiệp Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 iii 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 4 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 5 - 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 6 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 7 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. Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 8 - 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 Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 9 được định trước. Bộ thu phát kết nối với node mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một node cảm biến là bộ phận cung cấp quản lý năng lượng. Bộ phận này có thể được hỗ trợ bởi một bộ phận tiếp thu năng lượng như pin mặt trời. Node cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Hình1.2: Cấu tạo node cảm biến a. Cảm biến Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến tốc độ dữ liệu thấp. Với các ứng dụng bộ cảm biến đa chức năng, mỗi thiết bị có một vài loại sensor trên bo mạch. Tùy theo mỗi ứng dụng sẽ có một loại sensor riêng: sensor nhiệt độ, sensor ánh sáng, sensor độ ẩm, sensor áp suất, sensor gia tốc, sensor từ, sensor âm thanh, hay thậm chí là sensor hình ảnh có độ phân giải thấp b. Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp Vi xử lý là thiết bị quan trọng nhất trong node mạng cảm nhận không dây, thực hiện thu thập dữ liệu từ các node, sau đó xử lý trước khi gửi đi, và nhận dữ liệu từ các node khác. Nguyên nhân nó được lựa chọn trong các hệ Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 10 thống nhúng là mềm dẻo trong kết nối với các thiết bị khác như thiết bị cảm biến, tiêu thụ năng lượng thấp nhờ khả năng chuyển sang chế độ ngủ khi đó chỉ có một phần của vi điều khiển hoạt động, hơn nữa thường có bộ nhớ tích hợp ngay trên bộ vi xử lý. Một đặc điểm rất được người lập trình yêu thích là khả năng lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao (C, C++). c. Bộ nhớ/Lưu trữ (Memory/Storage) Được sử dụng để lưu trữ dữ liệu thu từ các node cảm biến, hoặc gói dữ liệu từ các node khác, có 2 loại kiến trúc bộ nhớ là: kiến trúc havard và kiến trúc von newman, điểm khác nhau của 2 kiến trúc này là trong kiến trúc havard thì bộ nhớ dữ liệu và chương trình tách biệt nhau khi đó dữ liệu thường được chứa trong RAM còn chương trình được chứa trong ROM hoặc bộ nhớ FLASH, còn trong kiến trúc von newman thì dữ liệu và chương trình được lưu cùng với nhau, thường là trên RAM, nhược điểm của nó là dữ liệu sẽ bị mất khi tắt nguồn, bởi vậy chương trình hoặc hệ điều hành thường được lưu trữ trên ROM, EEPROM, hoặc bộ nhớ flash ( gần tương tự như EEPROM). Chất lượng bộ nhớ và lưu trữ trên bo mạch của thiết bị WSN thường bị giới hạn đáng kể do giá thành thiết bị thấp. d. Bộ thu phát sóng vô tuyến Thiết bị WSN có tốc độ thấp (10100kbps) và là thiết bị vô tuyến không dây dải ngắn (nhỏ hơn 100m). Trong WSN thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng công suất mạnh nhất, do đó nó cần phải kết hợp có hiệu quả công suất giữa các chế độ ngủ (sleep) và chế độ hoạt động. e. Hệ thống định vị địa lý GPS (Geopositioning System) Trong rất nhiều ứng dụng WSN, điều cực kỳ quan trọng là nhận biết được vị trí của các số đo cảm biến. Cách đơn giản để nhận biết vị trí là cấu Đồ án tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng WSN Nguyễn Thị Khánh Chi - CT902 11 hình trước vị trí của các cảm biến khi trải ra. Nhưng cách này chỉ khả thi trong một số điều kiện triển khai nhất định. Ví dụ cụ thể đối với hệ thống bên ngoài tòa nhà: Khi một mạng được triển khai, thông tin dễ dàng thu được qua vệ tinh gốc GPS. Tuy nhiên, tại các ứng dụng, do hạn chế của môi trường và kinh phí, chỉ một phần nhỏ các node được trang bị GPS. Trong trường hợp này, các node khác nhau (nhưng vẫn trong cùng mạng) chỉ thu được vị trí của nhau một cách gián tiếp qua giao thức định vị mạng. f. Nguồn năng lượng (Power source) Là thành phần cốt yếu của mạng cảm nhận, trong đó 2 vấn đề cần quan tâm là khả năng lưu trữ và cung cấp năng lượng, và khả năng thay thế nguồn. Thường thì nguồn ở đây thường là pin, và khả năng thay thế trong node mạng là không thế do địa hình triển khai và số node 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. 1.2.3. Mô hình mạng trong mạng cảm biến không dây a. Node nguồn và node cơ sở Một vài kiểu đối tượng giám sát của mạng cảm biến theo kiểu phát hiện sự kiện, hoặc theo chu kỳ; chức năng của chún