Đồ án Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng

Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh Lớp: D2001VT Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ----------------*
*---------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNG Hà Nội 2005 ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên: Đỗ ngọc Anh Lớp: D2001VT Khoá học: 2001 - 2006 Nghành: Điện tử - Viễn thông Tên đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng. Nội dung đồ án: - Giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến không dây. - Các ứng dụng của Công nghệ mạng cảm biến không dây. - Mô hình và phần mềm mô phỏng ứng dụng mạng cảm biến không dây. - Đánh giá một số tham số Chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây. Ngày giao đề tài: 25/07/2005. Ngày nộp đồ án: 25/10/2005 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT KHOA VIỄN THÔNG I ----------o0o---------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------o0o---------- Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn TS. ĐINH VĂN DŨNG NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005 NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN: Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005 I MỤC LỤC MỤC LỤC .............................................................................................................................. I THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .................................................................................................... III LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ......................................................... 3 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây ....................................................................... 3 1.2 Mô tả hệ thống quát ...................................................................................................... 3 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây ................................................. 5 1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp ....................................................................................... 5 1.3.2 Chi phí thấp ........................................................................................................... 6 1.3.3 Mức độ khả dụng ................................................................................................... 6 1.3.4 Kiểu mạng ............................................................................................................. 6 1.3.5 Bảo mật ................................................................................................................. 7 1.3.6 Thông lượng dữ liệu .............................................................................................. 9 1.3.7 Trễ bản tin ............................................................................................................. 9 1.3.8 Tính di động ........................................................................................................ 10 1.4 Đặc điểm của mạng cẩm biến không dây .................................................................... 10 1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ .......................................................................................... 10 1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao ............................................................ 10 1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế ...................................... 10 1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng ................................................................ 11 1.4.5 Hoạt động tin cậy ................................................................................................ 11 1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây ....................................................... 11 1.5.1 Lớp ứng dụng ...................................................................................................... 13 1.5.2 Lớp giao vận ....................................................................................................... 13 1.5.3 Lớp mạng ............................................................................................................ 14 1.5.4 Lớp liên kết số liệu .............................................................................................. 14 1.5.5 Lớp vật lý ............................................................................................................ 15 1.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây .............................................. 16 1.6.1 Hệ điều hành TinyOS .......................................................................................... 16 1.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS ........................................... 26 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 37 CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............................................. 37 2.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây ............................................ 37 2.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp ..................................................................... 37 2.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng ............................................................... 40 2.1.3 Cảm biến trong quân sự ....................................................................................... 42 2.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ ............................................................ 43 2.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh ................................................ 44 2.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island .............................. 46 2.4 Kế hoạch thi hành ....................................................................................................... 51 CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 57 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........ 57 3.1 Mô hình hoá mô phỏng............................................................................................... 57 3.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường ......................................... 57 3.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California ........................................... 64 3.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây ........................................... 70 3.2.1 Phần mềm NS-2 .................................................................................................. 70 II 3.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 .................................... 73 3.2.3 Các bổ sung vào NS-2 ......................................................................................... 74 3.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 .................................................................................... 76 3.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng ...................................................................................... 78 3.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu ........................................................... 78 3.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon .......................................... 79 3.3.3 Thiết lập các node Phenomenon ........................................................................... 79 3.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon ................................................... 79 3.3.5 Định hình node cảm biến ..................................................................................... 80 3.3.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) .......................... 80 3.3.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến ............................................................................. 81 3.3.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node ......................... 81 3.3.9 Khởi động ứng dụng cảm biến ............................................................................. 81 CHƯƠNG 4 ......................................................................................................................... 82 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ QoS CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ..... 82 4.1 Mô tả kịch bản mô phỏng ........................................................................................... 82 4.2 Thực hiện mô phỏng................................................................................................... 82 4.2.1 Viết mã và chạy mô phỏng .................................................................................. 82 4.2.2 Tính toán kết quả ................................................................................................. 84 4.2.3 Tính tỷ lệ mất gói udp tại lớp giao ....................................................................... 85 4.2.4 Tính độ trễ gói (s) ................................................................................................ 87 4.2.5 Tính tốc độ gói udp trung bình (kbps) .................................................................. 88 4.3 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng.................................................................... 90 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 93 III THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AODV Ad hoc On - Demand Distance - Vector Routing Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang DAM Distributed Aggregate Management Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán DSDV Destination-Sequenced Distance-Vector Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động GLONASS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HVAC Heating, Ventilation, and Air Conditioning Hơi ấm, thông gió và các điều kiện không khí MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2 PDA Personal Digital Assistant Trợ tá số cá nhân RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFM RF Monolithic Thành phần nguyên khối tần số vô tuyến RKE Remote Keyless Entry Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xa SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến SQDDP Sensor Query and Data Dissemination Protocol Giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SWAN Simulator for Wireless Ad-hoc Networks Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc không dây TADAP Task Assignment and Data Advertisement Protocol Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TORA Temporally Ordered Routing Algorithm Thuật toán tìm đường tuần tự theo thời gian UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Bộ thu phát không đồng bộ chung VHDL VHSIC Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ cao WINS Wireless Integrated Network Sensors Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến WPAN Wireless Personal Area Network Mạng vùng cá nhân vô tuyến Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v... Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v..., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này. Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, em đã chọn đề tài đồ án: “Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây, dựa trên công nghệ mạng di động tạm thời, triển khai nhanh không cần một cơ sở hạ tầng trong lĩnh vực cảm biến thu nhận dữ liệu. Trong đồ án còn thực hiện một mô phỏng cho mạng cảm biến không dây với mục đích tìm hiểu phương pháp mô hình hoá, mô phỏng mạng và phân tích đánh giá kết quả từ một chương trình mô phỏng. Nội dung của đồ án được thể hiện qua 4 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây. Chương 3: Mô hình hoá và phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây. Chương 4: Đánh giá chất lượng dịch vụ QoS của mạng cảm biến không dây. Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đinh Văn Dũng, phòng Nghiên cứu Phát triển Dịch vụ mới và Tự động hóa, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu Điện, đã hướng dẫn em về chuyên môn, phương pháp làm việc để em có thể xây dựng và hoàn thành nội dung đồ án theo đúng kế hoạch. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy, các cô, các bạn trong Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này. Ngày 25 tháng 10 năm 2005 Sinh viên thực hiện Đỗ ngọc Anh Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 3 - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện các nhiệm vụ cảm biến phân tán về đối tượng mục tiêu. Mạng này có thể liên kết trực tiếp với node quản lý của giám sát viên hay gián tiếp thông qua một điểm thu (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các node cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian thông minh; khảo sát, chính xác hóa trong nông nghiệp; y tế;... Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kì loại hình địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống được. Việc kết hợp các bộ cảm biến thành mạng lưới ngày nay đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các bộ vi cảm biến với bộ xử lý gắn trong và các thiết bị vô tuyến hoàn toàn có thể gắn trong một kích thước rất nhỏ. Chúng có thể hoạt động trong một môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Do đó, với mạng cảm biến không dây ngày nay, người ta đã có thể khám phá nhiều hiện tượng rất khó thấy trước đây. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như các cấu trúc chống lại địa chấn, nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, v.v... 1.2 Mô tả hệ thống tổng quát Các node cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field) được minh họa trên hình 1.1. Mỗi node cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo lệnh hay yêu cầu từ node Sink đến các node cảm biến. Số liệu được định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 4 - trung tâm điều khiển, như trong hình 1.1. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). Hình 1.1: Mô hình triển khai các node cảm biến không dây Một node cảm biến được tạo lên từ bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ thu phát không dây và nguồn. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, node cảm biến còn có thể có các thành phần bổ xung như hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lượng và thiết bị di động. Các thành phần trong một node cảm biến được minh họa trên hình 1.2. Bộ cảm biến thường thường gồm hai đơn vị thành phần là thiết bị cảm biến (Sensor) và bộ chuyển đổi tương tự/số (ADC). Các tín hiệu tương tự có được từ các cảm biến trên cơ sở cảm biến các hiện tượng được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi ADC, rồi mới được đưa tới bộ xử lý. Bộ xử lý, thường kết hợp với một bộ nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến và quản lý các thủ tục cộng tác với các node khác để phối hợp thực hiện nhiệm vụ. Bộ thu phát đảm bảo thông tin giữa node cảm biến và mạng bằng kết nối không dây, có thể là vô tuyến, hồng ngoại hoặc bằng tín hiệu quang. Một thành phần quan trọng của node cảm biến là bộ nguồn. Bộ nguồn, có thể là pin hoặc acquy, cung cấp năng lượng cho node cảm biến và không thay thế được nên nguồn năng lượng của node thường là giới hạn. Bộ nguồn có thể được hỗ trợ bởi các thiết bị sinh năng lượng, ví dụ như các tấm pin mặt trời nhỏ. Hầu hết các công nghệ định tuyến trong mạng cảm biến và các nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có sự nhận biết về vị trí với độ chính xác cao. Do đó, các node cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí. Các thiết bị di động đôi khi cũng Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 5 - cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Hình 1.2: Các thành phần của node cảm biến 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth. Ví dụ các thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn thông minh, các huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm. Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát không được thỏa thuận. Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các vùng rộn