Đồ án tốt nghiệp MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, việc nghiên cứu hệ thống mạng thông tin phát triển mạnh mẽ Ngày phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật nói chung cơng nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm nhận không dây đời thành tựu cao công nghệ chế tạo công nghệ thông tin Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) kết hợp việc cảm nhận, tính tốn truyền thơng vào thiết bị nhỏ Thơng qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Trong khả thiết bị nhỏ, kết hợp hàng trăm thiết bị yêu cầu phải có cơng nghệ Nhờ có tiến nhanh chóng khoa học cơng nghệ phát triển mạng bao gồm cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ lượng đa chức nhận ý đáng kể Hiện người ta tập trung triển khai mạng cảm biến để áp dụng vào sống hàng ngày Đó lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong tương lai không xa, ứng dụng mạng cảm biến trở thành phần thiếu sống người phát huy hết điểm mạnh mà mạng có mạng cảm biến Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lượng lớn thiết bị nhỏ tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Tính chất khơng dây WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ có nhiều thách thức cần giải Một thách thức lớn nguồn lượng bị giới hạn, nút mạng cảm biến lại hoạt động mơi trường khó nạp lại lượng Trong đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống mạng cảm nhận lượng cung cấp Mỗi nút cần thiết kế quản lý lượng cung cấp nội để tối đa thời gian sống mạng Trong trường hợp mạng an ninh, nút phải sống nhiều năm Một nút bị lỗi làm tổn thương hệ thống an ninh.Hiện nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả sử dụng hiệu lượng mạng cảm biến lĩnh vực khác Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp Khóa luận gồm chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần mục lục tài liệu tham khảo Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây giới thiệu cách tổng quan WSN, dạng ứng dụng WSN đưa tiêu chí đánh giá cho WSN tiêu chí đánh giá nút mạng cảm nhận Chương 2:Đặc điểm vô tuyến mạng WSN nêu lên cấu tạo tầng vật lý WSN, biểu diễn bít cách mã hóa, mơ tả mơ hình đặc tính vơ tuyến truyền nhận Chương 3: Điều khiển công suất truyền tương thích đặt vấn đề tìm hiểu giải pháp tiết kiệm lượng sở điều khiển công suất phát cho nút mạng, gọi điều khiển cơng suất truyền tương thích – ATPC Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vương Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ em nhiều q trình thực khóa luận Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây Trong năm gần đây, nhiều mạng cảm biến không dây phát triển triển khai cho nhiều ứng dụng khác như: theo dõi thay đổi mơi trường, khí hậu, giám sát mặt trận quân sự, phát thám việc cơng hạt nhân, sinh học hố học, chuẩn đốn hỏng hóc máy móc, thiết bị, theo dấu giám sát bác sỹ, bệnh nhân quản lý thuốc bệnh viên, theo dõi điều khiển giao thông, phương tiện xe cộ… Hơn với tiến công nghệ gần hội tụ hệ thống công nghệ kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp khơng dây, cơng nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý tính tốn tín hiệu…đã tạo cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả ứng dụng rộng rãi mạng cảm biến không dây Một mạng cảm biến không dây mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, tiêu thụ lượng ít, giao tiếp thơng qua kết nối khơng dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính tốn nhằm mục đích thu thập, tập trung liệu để đưa định tồn cục mơi trường tự nhiên Những nút cảm biến bao gồm thành phần: Các vi xử lý nhỏ, nhớ giới hạn, phận cảm biến, thu phát khơng dây, nguồn ni Kích thước cảm biến thay đổi từ to hộp giấy nhỏ hạt bụi, tùy thuộc vào ứng dụng * Mạng cảm biến có số đặc điểm sau: + Có khả tự tổ chức, yêu cầu khơng có can thiệp người + Truyền thông không tin cậy, quảng bá phạm vi hẹp định tuyến multihop + Triển khai dày đặc khả kết hợp nút cảm biến + Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading hư hỏng nút + Các giới hạn mặt lượng, công suất phát, nhớ cơng suất tính tốn Chính đặc tính đưa chiến lược yêu cầu thay đổi thiết kế mạng cảm biến Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc cho mạng Internet mạng ad hoc không dây không dùng cho mạng cảm biến không dây, số lý sau: - Số lượng nút cảm biến mạng cảm biến lớn gấp nhiều lần số lượng nút mạng ad hoc - Các nút cảm biến dễ bị lỗi - Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi thường xuyên - Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, hầu hết mạng ad hoc dựa việc truyền điểm-điểm - Các nút cảm biến bị giới hạn lượng, khả tính tốn nhớ - Các nút cảm biến khơng có số nhận dạng tồn cầu (global identification) (ID) chúng có số lượng lớn mào đầu số lượng lớn nút cảm biến Do vậy, cấu trúc mạng sẽ: + Kết hợp vấn đề lượng khả định tuyến + Tích hợp liệu giao thức mạng + Truyền lượng hiệu qua phương tiện không dây + Chia sẻ nhiệm vụ nút lân cận Các nút cảm biến phân bố sensor field hình (1.1) Mỗi nút cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm hình vẽ Các sink giao tiếp với nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua mạng Internet vệ tinh Sink thực thể, thơng tin u cầu Sink thực thể bên mạng (là nút cảm biến ) ngồi mạng Thực thể ngồi mạng thiết bị thực ví dụ máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, đơn gateway mà nối với mạng khác lớn Internet nơi mà yêu cầu thực thông tin lấy từ vài nút cảm biến mạng * Giới thiệu nút cảm biến: Cấu tạo nút cảm biến sau: Mỗi nút cảm biến cấu thành thành phần hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) nguồn (a power unit) Ngoài có thêm thành phần khác tùy thuộc vào ứng dụng hệ thống định vị (location finding system), phát nguồn (power generator) phận di động (mobilizer) Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến chuyển đổi tương tự-số Dựa tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo sensor chuyển sang tín hiệu số ADC, sau đưa vào xử lý Đơn vị xử lý thường kết hợp với lưu trữ nhỏ (storage unit), định thủ tục làm cho nút kết hợp với để thực nhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối nút vào mạng Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp Một số phần quan trọng nút mạng cảm biến nguồn Các nguồn thường hỗ trợ phận lọc tế bào lượng mặt trời Ngồi có thành phần phụ khác phụ thuộc vào ứng dụng Hầu hết kĩ thuật định tuyến nhiệm vụ cảm biến mạng yêu cầu có độ xác cao vị trí Các phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển nút cảm biến cần thiết để thực nhiệm vụ ấn định Tất thành phần cần phải phù hợp với kích cỡ module Ngồi kích cỡ nút cảm biến số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ lượng, hoạt động mật độ cao, có giá thành thấp, tự hoạt động, thích biến với biến đổi môi trường * Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến: Như ta biết đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến, nút cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắt khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến sau: - Khả chịu lỗi (fault tolerance): Một số nút cảm biến khơng hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số nút mạng khơng hoạt động - Khả mở rộng: Khi nghiên cứu tượng, số lượng nút cảm biến triển khai đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào ứng dụng số vượt hàng triệu Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lượng lớn nút - Giá thành sản xuất : Vì mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn nút cảm biến phí nút quan trọng việc điều chỉnh chi phí tồn mạng Nếu chi phí toàn mạng đắt việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, mạng khơng có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí nút cảm biến phải giữ mức thấp - Ràng buộc phần cứng : Ví số lượng nút mạng nhiều nên nút cảm biến cần phải có ràng buộc phần cứng sau : Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ lượng thấp, có khả nằng hoạt động nơi có mật độ cao, chi phí Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp sản xuất thấp, có khả tự trị hoạt động khơng cần có người kiểm sốt, thích nghi với môi trường - Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà khơng cần giám sát vùng xa xơi Chúng làm việc bên máy móc lớn, đáy biển, vùng nhiễm hóa học sinh học, gia đình tịa nhà lớn - Phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến multihop, nút kết nối phương tiện khơng dây Các đường kết nối tạo nên sóng vơ tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học Để thiết lập hoạt động thống mạng này, phương tiện truyền dẫn phải chọn phải phù hợp toàn giới Hiện nhiều phần cứng nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến lượng thấp dùng thu phát vô tuyến kênh RF hoạt động tần số 916MHz Một cách khác mà nút mạng giao tiếp với hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vơ tuyến dùng hồng ngoại giá thành rẻ dễ dàng Cả hai loại hồng ngoại quang yêu cầu phát thu nằm phạm vi nhìn thấy, tức truyền ánh sáng cho - Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút triển khai trường cảm biến Chúng triển khai vòng hàng chục feet nút Mật độ nút lên tới 20 nút/m3 Do số lượng nút cảm biến lớn nên cần phải thiết lâp cấu hình ổn định Chúng ta kiểm tra vấn đề liên quan đến việc trì thay đổi cấu hình pha sau: + Pha tiền triển khai triển khai: nút cảm biến đặt lộn xộn xếp theo trật tự trường cảm biến Chúng triển khai cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, người robot đặt + Pha hậu triển khai: sau triển khai, thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí nút cảm biến, khả đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển vật cản…), lượng thích hợp, cố, nhiệm vụ cụ thể + Pha triển khai lại: Sau triển khai cấu hình, ta thêm vào nút cảm Nguyễn Thị Thu Thủy_ CT1001_ĐHDLHP Đồ án tốt nghiệp biến khác để thay nút gặp cố tùy thuộc vào thay đổi chức - Sự tiêu thụ lượng (power consumption) : Các nút cảm biến khơng dây, coi thiết bị vi điện tử trang bị nguồn lượng giới hạn (