i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THƠNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG Phạm Văn Tốn ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG CẢNH BÁO CHÁY CHO NHÀ CAO TẦNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, tháng 06 năm 2015 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung luận văn tự nghiên cứu, đọc, dịch tài liệu, tổng hợp thực Trong luận văn tơi có sử dụng số tài liệu tham khảo trình bày phần tài liệu tham khảo Người viết luận văn Phạm Văn Toán LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em trân thành xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, Viện Công nghệ thông tin Việt Nam khắc phục khó khăn giảng dạy để bảo, giúp đỡ truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu suốt trình học Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn PGS TS Lê Bá Dũng – Viện Công nghệ thông tin Việt Nam định hướng, tận tnh hướng dẫn, cung cấp tài liệu, bảo cho em thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới đồng nghiệp đơn vị công tác, gia đình bạn bè người động viên tạo điều kiện giúp đỡ suốt hai năm học MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu chung mạng không dây 1.1.1 Mạng không dây ? 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Các mơ hình mạng khơng dây 1.1.4 Các thiết bị mạng không dây: 1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây 10 1.2.1 Khái quát NODE cảm biến 10 1.2.2 Phần cứng phần mềm 11 1.2.3 Phân loại cảm biến 13 1.2.4 Môi trường hoạt động sensor node (WNs) 15 1.2.5 Xu hướng phát triển Node cảm biến 15 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 16 1.3.1 Các ví dụ ứng dụng dạng WSN (C1WSN) : 16 1.3.2 Các ví dụ ứng dụng dạng WSN (C2WSN) : 18 CHƯƠNG 2: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 22 2.1 Sự phân phối tập hợp liệu 22 2.2 Thiết kế kỹ thuật định tuyến không dây 23 2.2.1 Kích thước mạng đặc tnh thay đổi theo thời gian: 23 2.2.2 Tài nguyên hạn chế: 24 2.3 Giao thức điều khiển truy nhập mạng cảm biến không dây 24 2.3.1 Mơ hình giao thức cho WSNs 25 2.3.2 Giao thức MAC 26 2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs: 28 2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC: 29 2.4 Giao thức, giao vận mạng cảm biến không dây 36 2.4.1 Giao thức định tuyến WSNs: 36 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ GIAO THỨC ĐƯỜNG ĐỊNH TUYẾN ĐÚNG DẦN NGẮN NHẤT 47 3.1 Xây dựng hài toán 47 3.2 Lý thuyết đồ thị 49 3.2.1 Đồ thị 49 3.2.2 Thuật toán Dijkstra 51 3.3 Đề xuất cho thuật toán định tuyến 54 3.3.1 Cluster formehzatin (Định dạng cụm, nút) 55 3.3.2 Nút cụm chủ 58 3.3.3 Truyền liệu sử dụng đường dẫn ngắn 59 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hình ảnh số vụ cháy lớn Hình 1.2 Phân loại mạng vơ tuyến Hình 1.3 Mơ hình mạng AD-HOC Hình 1.4 Mơ hình mạng INFRASTRUCTURE Hình 1.5 Sự phát triển cơng nghệ chế tạo cảm biến 11 Hình 1.6 Các thành phần cứng mềm node (WNs) 13 Hình 1.7 Ứng dụng WSNs an ninh quốc gia luật pháp 17 Hình 1.8 Ứng dụng cảm biến quân 17 Hình 1.9 Hệ thống cảm biến đường cao tốc 18 Hình 1.10 Thời gian hoạt động pin Bluetooth(BT) ZigBee 19 Hình 1.11 Các ứng dụng điều khiển 20 Hình 1.12 Điều khiển ánh sáng phòng 20 Hình 1.13 Các ứng dụng cơng nghiệp 21 Hình 1.14 Các ứng dụng y khoa 21 Hình 2.1 Các ứng dụng mạng WSN 22 Hình 2.2 Truyền liệu đa chặng 23 Hình 2.3 Mơ hình tham khảo OSI cấu trúc lớp liên kết liệu 26 Hình 2.4 Khung thời gian hoạt động node 31 Hình 2.5 Sự đồng lựa chọn lịch trình node biên 32 Hình 2.6 Đồng máy thu máy phát 33 Hình 2.7 Q trình truyền thơng điệp S-MAC 35 Hình 2.8 Q trình trun thơng Điệp S-MAC 36 Hình 2.9 Flooding gói liệu mạng thơng tin 39 Hình 2.10 Bùng nổ lưu lượng flooding 40 Hình 2.11 Vấn đề chồng lấn flooding 40 Hình 2.12 Hoạt động giao thức SPIN 43 vii Hình 2.13 Thủ tục bắt tay giao thức SPIN-PP 43 Hình 2.14 Giao thức SPIN-BC 45 Hình 3.1 Mơ hình mạng cảm biến cho nhà cao tâng 47 Hình 3.2 Cây đường ngắn - SPT 48 Hình 3.3 Sơ đồ nút mạng 48 Hình 3.4 Đồ thị 49 Hình 3.5 Đồ thị 50 Hình 3.6 51 Hình 3.7 Sơ đồ SPT u 53 Hình 3.8 Ví dụ giải thuật Dijkstra (1959) 54 Hình 3.9 Ví dụ giải thuật Dijkstra (1959) [4] 54 Hình 3.10 Cụm nút hình thành cụm chủ lựa chọn 58 Hình 3.11 So sánh Leach Quá trình định tuyến theo đường dẫn ngắn 59 Hình 3.12 Sơ đồ thuật toán xây dựng đường định tuyến ngắn 60 Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn trình truyên liệu 61 Hình 3.14 Các nút chết 62 Hình 3.15 Gói tin đến BS 63 Hình 3.16 Các cụm chủ hình thành 64 Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ 65 Hình 3.18 Số nút cịn sống 66 viii DANH MỤC CÁC KÍ HIÊU, CHỮ CÁI VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tếng Anh Nghĩa tếng Việt LAN Locanl Area Network Mạng nội WAN Wide Ara Networks Mạng diện rộng WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WSNs Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây OS Operating System Hệ điều hành LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Cấu trúc phân bậc tương thích, lượng thấp MAC Medium access control Điều khiển truy cập mơi trường PHY Physic Layer Lớp vật lí SPIN Sensor Protocols for Information via Negotiation Giao thức thông tin cảm biến thông qua thỏa thuận S-MAC Sensor MAC Giao thức MAC cho cảm biến MỞ ĐẦU MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ CHÁY NỔ TTTM thành phố Hồ Chí Minh Nhà máy Diana Bắc Ninh (2 triệu USD) TTTM thành phố Hải Dương (500 tỷ) Tiệm bọc yên xe (2 người chết) Hình 1.1 Hình ảnh số vụ cháy lớn Cháy nổ nguy tiềm ẩn nhiều rủi ro sản xuất sinh hoạt hàng ngày Mặc dù có biện pháp, hệ thống xây dựng để phát cảnh báo cháy nổ nhiều thảm họa cháy nổ gây hoành hành gây thiệt hại nhiều người Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ công nghệ linh kiện điện tử công nghệ thông tin tạo thay đổi to lớn sống Mơ hình mạng cảm biến khơng dây (WSNs – Wirless Sensor Networks) 56 Trong đó: ETX lượng cần truyền/thu k bít k _ số bít liệu d _ Khoảng cách nút cảm biến Eamp_ số Eelec _ chi phí mạch Ví dụ với thông số sau Eelec = 30 ns/bit Eamp = 100ps/bit/m khoảng cách hai nút tnh toàn theo độ đo metric d = (x1  x2 )  ( y1  y2 )2 x , tọa độ điểm nút Từ trạm gốc kết nối tất nút theo đường dẫn có chi phí nhỏ để truyền liệu Các bước thuật toán MST (Mininn spanning tree) Bước 1: Chọn đỉnh ban đầu S  (r) A = Bước 2: Tìm cạnh xem cạnh ngắn từ đỉnh S đến đỉnh khác V\S cộng khoảng cách ngắn đến A đường nhỏ Bước 3: Nếu V\S = khơng cịn đỉnh tht tốn MST hồn thành khơng nhảy Ví dụ: Cho đồ thị 10 b a Bước 1.1 c S = {a} Trước V\S = {v, c, d, e, f, g} A={} đoạn ngắn {a, b} d 57 Sau bước 1.1 có: S = {a, b} V\S = {c, d, e, b, g} A = {A, b} đoạn ngắn {b, d}; {a, c} b e a d g c f Trước thực 1.2 S = {a, b} V\S = {c, d, e, f, g} A = {a, b} đoạn ngắn A = {b, d}; {a, c} Sau thực 1.2 S = {a, b, d} V\S = {c, e, f, g} đoạn ngắn A = {d, e} 10 b a c d 58 ta có MST b a c d Một cụm hình thành theo MST 3.3.2 Nút cụm chủ Khi cụm hình thành nút có lượng cao họn làm nút chủ (cluster header) trình chọn thực cho cụm hình thành Để xác lập tnh ổn định cụm nút mạng đánh giá.[6] CH CH a) Cụm hình thành theo lượng cịn lại thuật tốn LEACH b) Cụm hình thành theo MST Hình 3.10 Cụm nút hình thành cụm chủ lựa chọn 59 Vịng Vịng Tìm Định Quá Hình trình thành cụm cụm chủ LEACH Chọn dạng kênh truyền Định Tìm đường tối ưu đến Sink Chu kỳ Hình Chọn thành cụm cụm chủ dạng kênh truyền đường tối ưu đến Cảm Sink Chu kỳ biến gửi gửi nhận nhận liệu Vòng liệu Vịng Tìm Tìm Q trình định tuyến theo Hình đườn thành g dẫn cụm ngắn đường đường Định Định tối ưu Chọn dạng đến Sink Hình chủ cụm kênh theo thành cụm MST chủ truyền cụm chủ Dijkstra Chu kỳ Chọn dạng kênh truyền đến Sink theo Cảm Dijkstra Chu kỳ biến gửi gửi nhận nhận liệu liệu Hình 3.11 So sánh Leach Quá trình định tuyến theo đường dẫn ngắn 3.3.3 Truyền liệu sử dụng đường dẫn ngắn Để tiết kiệm lượng sử dụng truyền liệu cụm chủ nút Sink trình truyền đa chặng thực Dữ liệu từ cụm chủ gần truyền trực tiếp đến Sink cụm chủ xa truyền đến cụm chủ gần qua chặng, trình thực theo thuật toán sau: 60 Bắt đầu Chuẩn bị giá trị đo khoảng cách cụm chủ nối Sink nút chủ cụm với Xác định MST để tạo cụm chủ Tìm đường dẫn ngắn nút chủ đến Sink Chọn nút bật nút đến dẫn Chọn nút nút cụm chủ tnh lượng liệu Truyền liệu đến nút Sink Còn nút sống Đ S Kết thúc Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn xây dựng đường định tuyến ngắn 61 Cụm chủ cao Nút chủ Cụm chủ Hình 3.13 Sơ đồ biểu diễn q trình trun liệu Thuật tốn có lợi ích sau: - Khả mở rộng tốt so với giao thức trước - Loại bỏ lỗi qua cụm bút chủ - Sử dụng thuật tốn MST - Tích hợp liệu giảm dư thừa liệu bất lợi - Cụm hình thành từ số số giá thành độ dài Nên sử dụng số thơng số khác hình thành cụm tốt - Hiệu mạng thay đổi - Thuật toán dựa mạng tĩnh 62 SO LUONG CAC NUT CHET QUA CAC BUOC 100 90 80 CAC NUT CHET 70 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 SO BUOC 2000 2500 Hình 3.14 Các nút chết Thời gian sống nút mạng: thời gian mà nút cịn hoạt động thực thao tác mạng việc truyền liệu Trên hình (các nút chết) thơng đến mạng hoạt động đến vòng Cụ thể hình 3.14, vịng thứ 1500 63 SO GOI TIN DEN TRAM GOC QUA CAC BUOC 7000 6000 GOI TIN DEN BS 5000 4000 3000 2000 1000 0 500 1000 1500 SO BUOC 2000 2500 Hình 3.15 Gói tin đến BS Thông lượng: Một đại lượng quan trọng khác cẩn phải tnh đến trạng thái nút mạng cịn sống thơng lượng mạng đưa đến trạm gốc Trạm gốc nhận nhiều gói tin đưa đến Thông lượng lượng đại lượng đo lường mạng phụ thuộc vào thời gian sống mạng hình 3.15, thơng lượng mơ qua gói tin truyền đến mạng 64 CAC NUT CHU DUOC HINH THANH QUA CAC BUOC 18 16 SO CAC CUM CHU 14 12 10 0 500 1000 1500 SO BUOC 2000 2500 Hình 3.16 Các cụm chủ hình thành Cụm chủ lựa chọn: Cho thơng số cụm chủ hình thành qua mơ Nói chung số cụm chủ hình thành phụ thuộc vào số nút mạng sống nhiều thay đổi có phần hình 3.16 cho thấy số cụm chủ hình thành 500 vịng chủ yếu từ – 12 500 vòng từ – 65 x 10 SO GOI TIN DEN CUM SUPPER GOI TIN DEN CUM CHU 0 500 1000 1500 SO BUOC 2000 2500 Hình 3.17 Các gói tin đến cụm chủ Trên hình 3.17 biểu diễn gói tin đến cụm chủ theo số bước, gói tin tăng 1000 bước đầ sau ổn định 66 SO NUT MANG CON SONG 100 90 SO NUT CON SONG 80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 SO BUOC 2000 2500 Hình 3.18 Số nút cịn sống Trên hình 3.18 biểu diễn số nút mạng sống, lượng nút giảm dần bước 1000 (số nút sống hoat động đến bước 1000) 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mạng cảm biến không dây nghiên cứu ứng dụng vào nhiều lĩnh vực thời gian gần như: quân sự, an ninh, thiên nhiên, giám sát xe cộ đặc biệt gần gũi điều khiển thiết bị nhà, công nghiệp, y học … Trong luận văn này, mạng cảm biến không dây ứng dụng lĩnh vực nhỏ cảnh báo cháy cho nhà cao tầng Luận văn thực số kết sau: - Luận văn nghiên cứu mạng cảm biến không dây - Nghiên cứu giao thức hoạt động mang cảm biến không dây - Đặc biệt nghiên cứu đường ngắn gói tin mạng theo lý thuyết đồ thị sử dụng thuât toán bắc cầu tối thiểu thuật tốn tìm đường ngắn dijkstra - Hoạt động mạng mô matlab, kết mô đánh giá số nút mạng chết, số nút mạng cịn sống, q trình hình thành cụm chủ số gói tin đến trạm gốc Những hạn chế luận văn: Do thời gian có hạn việc thử nghiệm thực tế chưa tiến hành được, luận văn cần phải phát triển theo hướng ứng dụng thử nghiệm với nút mạng cụ thể 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Duy Tân, Wireless Sensor Networks, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bác Khoa thành phố Hồ Chí Minh, đề tài, 2011 [2] Nguyễn Tấn Sĩ, Kỹ thuật mạng không dây ứng dụng, Đại học Đà Nẵng, luận văn thạc sĩ, 2011 [3] Vương Đạo Vy, Trần Thanh Hải, Phạm Đình Tuấn, Trần Anh Tuấn, Hịa Quang Dự, Phùng Công Phi Khanh, Mạng cảm nhận không dây thu thập liệu môi trường sử dụng vi điều khiển chipcon CC1010, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Cơng nghệ, ĐHQGHN, Tạp chí khoa học ĐHQGHN, 2005 [4] Trương Diệu Linh, Các giao thức định tuyến – Bài giảng,Viện công nghệ thông tin, 2014 Tiếng Anh [5] I.F.Akyildiz, W.Su*, Y.Sankarasubramaniam, E.Cayirci, Wireless Sensor Networks: a survey, 2002 [6] Ir.Rom Langerak, Marialle Stoelinga, Leon Evers, Modelling and Verification ò a Shortest Path Tree Protocol for Wireless Sensor Network, 2009 ... Tổng quan mạng không dây 1.1 Giới thiệu chung mạng không dây 1.2 Kỹ thuật cảm biến không dây 1.3 Ứng dụng mạng cảm biến không dây Chương Các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến không dây 2.1... dựng ứng dụng mạng cảm biến không dây - Xây dựng hệ thống mô để phân tch tn hiệu mạng cảm biến không dây CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu chung mạng khơng dây 1.1.1 Mạng. .. xảy cháy phá hủy Note khác không ảnh hưởng đến trình truyền liệu mạng Xuất phát từ xu hướng trên, với gợi ý PGS TS Lê Bá Dũng chọn đề tài: ? ?Ứng dụng mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy cho nhà