intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng

Chia sẻ: Phan Minh Điền Điền | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:100

Thêm vào BST
Báo xấu
213
lượt xem 69
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài: Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng

  1. 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 Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh Lớp: D2001VT Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng Hà Nội 2005
  2. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VIỄN THÔNG I Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------o0o---------- ----------o0o---------- 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 Ngày tháng năm 2005 Giáo viên hướng dẫn TS. ĐINH VĂN DŨNG
  3. NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005
  4. NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN: Điểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2005
  5. 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 I
  6. 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 II
  7. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ad hoc On - Demand AODV Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc Distance - Vector Routing Carrier Sense Multiple CSMA Đa truy nhập cảm biến sóng mang Access Distributed Aggregate DAM Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán Management Destination-Sequenced DSDV Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự Distance-Vector DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động Global Navigation Satellite GLONASS Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu System GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Heating, Ventilation, and Air Hơi ấm, thông gió và các điều kiện HVAC Conditioning 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 Sensor Management SMP Giao thức quản lý cảm biến Protocol Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến SQDDP Dissemination Protocol số liệu Simulator for Wireless Ad- Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc SWAN hoc Networks không dây Task Assignment and Data Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo TADAP Advertisement Protocol số liệu Time Division Multiple TDMA Đa truy nhập phân chia theo thời gian Access Temporally Ordered Routing Thuật toán tìm đường tuần tự theo thời TORA Algorithm gian Universal Asynchronous UART Bộ thu phát không đồng bộ chung Receiver Transmitter VHSIC Hardware Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích VHDL Description Language hợp mật độ cao Wireless Integrated Network WINS Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến Sensors Wireless Local Area WLAN Mạng nội hạt vô tuyến Network Wireless Personal Area WPAN Mạng vùng cá nhân vô tuyến Network III
  8. 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.
  9. 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
  10. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 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 Đỗ ngọc Anh - D2001VT -3-
  11. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 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 Đỗ ngọc Anh - D2001VT -4-
  12. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây cần thiết để di chuyển các node cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo các nhiệm vụ được phân công. Hệ thống tìm vị trí Thiết bị di động Bộ cảm biến Bộ xử lý Thiết bị xử lý Bộ thu Sensor ADC phát Thiết bị nhớ Bộ nguồn Bộ sinh năng lượng 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 rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không thể thay đổi nguồn thường xuyên. Hơn nữa, các ứng dụng nào đó không thể tận dụng một nguồn cho tất cả; các node mạng trong các ứng dụng này phải nhận nguồn năng lượng nhờ quá trình khai thác và lọc năng lượng từ môi trường. Một ví dụ của kiểu này là cảm biến áp suất lốp xe, mong muốn nhận được năng lượng từ các nguồn năng lượng cơ hoặc nhiệt hiện diện trong các lốp ô tô thay vì một nguồn có thể yêu cầu được thay thế trước khi lốp chạy. Để bổ xung cho mức tiêu thụ nguồn trung bình, các nguồn năng lượng chính với khả năng nguồn năng lượng trung bình thường có các khả năng nguồn năng lượng đỉnh giới hạn; thực tế này được quan tâm trong thiết kế hệ thống. Đỗ ngọc Anh - D2001VT -5-
  13. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.3.2 Chi phí thấp Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến nên chi phí sản xuất một node rất quan trọng ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng. Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được. Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở mức thấp. Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được. Các node cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống thu phát vô tuyến, bộ xử lý, nguồn nuôi, còn phải trang bị thêm các thiết bị khác để có khả năng tìm vị trí, di động, tạo năng lượng, v.v... tuỳ theo ứng dụng cụ thể. Do đó, chi phí sản xuất trở thành một thách thức khi một khối lượng các chức năng được giới hạn trong giá thành thấp hơn 1 Dollar. 1.3.3 Mức độ khả dụng Nhiều ứng dụng được đề xuất của mạng cảm biến không dây, giống như các thẻ hành lý không dây và các hệ thống định vị container tàu hàng, yêu cầu mạng có mức độ khả dụng cao. Hơn nữa, để tăng sản lượng, mức tiếp thị, mua bán, và hiệu quả phân tán của sản phẩm mà có thể có các thiết bị mạng cảm biến không dây được nhúng trong chúng, và để tránh quá trình hình thành những thay đổi trong vùng khác nhau phải được giám sát riêng lẻ thông qua (có thể là riêng rẽ) dây truyền phân tán, do đó mong muốn cung cấp các thiết bị mà có khả năng vận hành trên khắp thế giới. Dù vậy, theo lý thuyết, khả năng này có thể được sử dụng bởi việc tận dụng các bộ thu nhận GPS (Global Positioning System) hoặc GLONASS (Global Navigation Satellite System) trong mỗi node mạng và điều chỉnh node cách thức hoạt động theo vị trí của nó, chi phí để thêm một bộ thu nhận thứ hai, cộng thêm tính mềm dẻo để thực thi bổ xung được yêu cầu để nhận các yêu cầu khắp thế giới khác nhau, về phương diện kinh tế phương pháp này là không tồn tại. Bởi vậy, mong muốn tận dụng một băng thông đơn - có ít trong các yêu cầu điều luật cảu chính phủ từ quốc gia đến quốc gia - để tăng cực đại toàn bộ thị trường tiêu thụ cho các mạng cảm biến không dây. 1.3.4 Kiểu mạng Một mạng star thông thường tận dụng một thiết bị master đơn và một hoặc nhiều hơn thiết bị slave có thể thoả mãn nhiều ứng dụng. Bởi vì công suất truyền dẫn của các thiết bị mạng bị giới hạn bởi các điều luật chính phủ và các công ty cung cấp nguồn nuôi battery-life, tuy nhiên, thiết kết mạng này sẽ hạn chế phạm Đỗ ngọc Anh - D2001VT -6-
  14. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây vi vật lý một mạng có thể phục vụ đến phạm vi của một thiết bị đơn (master). Khi phạm vi bổ xung được yêu cầu, các kiểu mạng hỗ trợ định tuyến multi-hop (ví dụ các kiểu mesh hoặc cluster) phải được tận dụng; bộ nhớ bổ xung và chi phí tính toán cho các bảng hoặc thuật toán định tuyến, trong quá trình bổ xung overhead bảo trì mạng, phải được hỗ trợ không cần chi phí thừa hoặc mức tiêu thụ nguồn. Để được xác nhận cho nhiều ứng dụng, các mạng cảm biến có bậc tương đối lớn (>256 node); mật độ thiết bị cũng có thể cao (ví dụ trong các ứng dụng thẻ báo giá trong siêu thị). 1.3.5 Bảo mật Bảo mật trong mạng cảm biến không dây có hai vấn đề có giá trị quan trọng - bảo mật thực tế mạng như thế nào và bảo mật mạng như thế nào được nhận biết do người sử dụng và (đặc biệt) là người sử dụng tiềm năng. Việc nhận biết bảo mật là vấn đề quan trọng bởi vì người sử dụng có một mối lo tự nhiên là khi dữ liệu của họ (hoặc bất cứ thứ gì có thể) được truyền dẫn qua không khí cho bất cứ ai để nhận. Thường, một ứng dụng tận dụng mạng cảm biến không dây thay thế một phiên bản có dây mà người sử dụng có thể nhìn thấy tự nhiên các dây dẫn hoặc các cấp tải thông tin, và biết, chắc chắn hợp lý, rằng không có ai cũng có thể nhận được thông tin hoặc xen thông tin sai lệch vào chúng đến nơi nhận. Ứng dụng không dây phải làm việc để chiếm lại độ tin cậy đã đảm bảo với thị trường rộng lớn được yêu cầu với chi phí thấp hơn. Tuy nhiên, bảo mật hơn nữa là quá trình mã hoá đúng bản tin. Thực tế, trong nhiều ứng dụng, quá trình mã hoá (quá trình giữ một bí mật hoặc một riêng tư bản tin) không phải là một mục đích bảo mật quan trọng của các mạng cảm biến không dây. Thường, các mục đích bảo mật quan trọng là đảm bảo rằng nhiều bản tin được nhận không bị sửa đổi theo nhiều con con đường từ người gửi nó với nội dung đó. Tuy nhiên, điều gì quan trọng hơn, máy nghe trộm cố ý trên đường không thể xen các bản tin lỗi hoặc đã sửa đổi vào mạng cảm biến không dây, ví dụ có thể nguyên nhân do đèn bật và tắt một cách ngẫu nhiên. Các yêu cầu này là một kiểu bảo mật thứ hai, quá trình xác nhận đúng bản tin hoặc kiểm tra tính nguyên vẹn của bản tin, mà nó được thực hiện bởi việc gắn một MIC (Message Integrity Code) phụ thuộc bản tin và người gửi vào bản tin được truyền phát. (Trong các trường bảo mật, MIC thường được giới hạn MAC (Message Authentication Code) nhưng MIC được sử dụng trong văn bản này để tránh được sự xáo trộn có Đỗ ngọc Anh - D2001VT -7-
  15. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây thể với lớp MAC của ngăn xếp giao thức OSI). Người thu mong muốn và người gửi chia sẻ một khoá, nó được sử dụng bởi người gửi tạo ra MIC phù hợp với người nhận để phê chuẩn tính nguyên vẹn của bản tin và định dạng người gửi. Để tránh “replay attacks”, trong một máy nghe trộm ghi nhận một bản tin và truyền phát lại nó sau đó, một bộ đếm hoặc bộ định thời bản tin được gộp lại trong trường tính toán MIC. Trong cách này, không có hai bản tin xác thực - thậm chí chứa cùng dữ liệu - được nhận dạng. Về bảo mật, người thiết kế mạng cảm biến không dây gặp phải ba vấn đề khó khăn: - Chiều dài MIC, để phù hợp với kế hoạch bảo mật tại mọi nơi, phải được cân bằng với chiều dài điển hình của dữ liệu được truyền phát, và mong muốn cho các bản tin được truyền phát ngắn. Dù vậy, một MIC 16-byte (128 bit) thường được đưa ra như một thiết yếu cho hầu hết các hệ thống bảo mật, nó trở nên cồng kênh khi dữ liệu bit đơn được truyền đi (ví dụ bật, tắt). Người thiết kế có thể cân bằng các yêu cầu bảo mật của nhiều người sử dụng với các yêu cầu nguồn thấp của mạng. Chú ý rằng điều này có thể bao gồm các lựa chọn chiều dài MIC, phù hợp với các quá trình kết hợp xác nhận bản tin, kiểm tra tính toàn vẹn, và mã hoá - và phải được thực hiện tự động, giống như một phần của một mạng tự tổ chức. - Để tối thiểu hoá chi phí các thiết bị mạng, các tính năng bảo mật phải có khả năng bổ xung với phần cứng rẻ, với một bổ xung tối thiểu các cổng logic, RAM, và ROM. Thêm nữa, công suất tính toán (ví dụ tốc độ đồng hồ máy vi tính, số lượng các hạt xử lý có sẵn, v.v…) có sẵn trong hầu hết các thiết bị mạng là rất giới hạn. Sự kết hợp này của số lượng cổng thấp, các yêu cầu bộ nhớ nhỏ, và số lượng lệnh thực thi thấp giới hạn các kiểu các thuật toán bảo mật mà có thể được sử dụng. - Cuối cùng, vấn đề khó khăn nhất để giải quyết phổ biến là quá trình phân tán khoá. Nhiều phương pháp có hiệu lực, bao gồm một vài kiểu của mật mã hoá khoá công cộng tận dụng khoá chuyên dụng tải trên các thiết bị và các loại khoá khác nhau của quá trình can thiệp của người sử dụng trực tiếp. Tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm khi được sử dụng trong một hệ thống nhất định; người thiết kế mạng cảm biến phải lựa chọn một mà thích hợp nhất cho ứng dụng trong tầm kiểm soát. Đỗ ngọc Anh - D2001VT -8-
  16. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến có các yêu cầu bổ xung, bao gồm yêu cầu cho tỷ lệ phân chia đến các mạng rộng lớn, dung sai lỗi, và yêu cầu để vận hành trong sự đa dạng rộng lớn trong các môi trường đối nghịch một cách hợp lý. Mặc dù việc thiết kế một mạng như vậy để nhận được các yêu cầu có thể coi như là đã nản chí, người thiết kế của một mạng cảm biến không dây không cần các công cụ. Các yêu cầu về nguồn và chi phí chặt chẽ hình thành các yêu cầu khôn bắt buộc trong các phạm vi khác. 1.3.6 Thông lượng dữ liệu Khi đề cập ngay đầu tiên, các mạng cảm biến không dây có giới hạn về các yêu cầu thông lượng dữ liệu khi so sánh với Bluetooth (IEEE 802.15.1) và với các mạng WPAN và WLAN khác.Với các mục đích thiết kế, tốc độ dữ liệu mong muốn cực đại, khi tính toán trung bình qua mộ chu kỳ một giờ, có thể thiết lập là 512b/s (64 byte/s), dù vậy phác họa này có phần tuỳ tiện. Tốc độ dữ liệu điển hình được mong đợi có ý nghĩa đáng kể dưới điều này; có thể 1 b/s hoặc thấp hơn trong một vài ứng dụng. Chú ý rằng đây là thông lượng dữ liệu, không phải là tốc độ dữ liệu ban đầu khi truyền phát qua kênh, có thể cao hơn đáng kể. Lượng thông lượng dữ liệu được yêu cầu thấp này gợi ý rằng với nhiều số lượng overhead giao thức có ích (ví dụ các header, trường địa chỉ,v.v…), hiệu quả truyền thông của mạng sẽ rất thấp đặc biệt khi so sánh ngược lại với mạng gửi các gói TCP/IP có thể dài 1500 byte. Không có vấn đề gì khi thiết kế được lựa chọn, hiệu quả sẽ rất thấp, và trong tình thế đó, có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng: người thiết kế giao thức có khả năng phác hoạ tự ý mối quan tâm hiệu quả truyền thông, thường là một tham số quyết định trong thiết kế giao thức. 1.3.7 Trễ bản tin Các mạng cảm biến có các yêu cầu QoS rất rộng, bởi vì, phổ biến, chúng không hỗ trợ truyền thông đẳng thời hoặc đồng bộ, và có các giới hạn thông lượng dữ liệu ngăn cản quá trình truyền phát video và voice thời gian thực, trong nhiều ứng dụng. Yêu cầu trễ bản tin cho các mạng cảm biến không dây vì vậy rất thoải mái trong sự so sánh nó với các mạng WPAN khác; trong nhiều ứng dụng, một độ trễ và giây hoặc vài phút có thể chấp nhận tương đối. Đỗ ngọc Anh - D2001VT -9-
  17. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 1.3.8 Tính di động Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động. Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn so với mạng di động Ad hoc. 1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 1.4.1 Kích thước vật lý nhỏ Trong bất kỳ hướng phát triển công nghệ nào, kích thước và công suất tiêu thụ luôn chi phối khả năng xử lý, lưu trữ và tương tác của các thiết bị cơ sở. Việc thiết kế các phần cứng cho mạng cảm biến phải chú trọng đến giảm kích cỡ và công suất tiêu thụ với yêu cầu nhất định về khả năng hoạt động. Việc sử dụng phần mềm phải tạo ra các hiệu quả để bù lại các hạn chế của phần cứng. 1.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao Phương thức hoạt động chính của các thiết bị trong mạng cảm biến là cảm biến và vận chuyển các dòng thông tin với khối lượng xử lý thấp, gồm các hoạt động nhận một lệnh, dừng, phân tích và đáp ứng lại. Ví dụ, thông tin cảm biến có thể được thu nhận đồng thời bởi các cảm biến, được thao tác và truyền lên mạng. Hoặc dữ liệu có thể được node cảm biến nhận từ các node cảm biến khác và được hướng tới định tuyến đa liên kết hay liên kết cầu. Vì dung lượng bộ nhớ trong nhỏ nên việc đệm một khối lượng lớn dữ liệu giữa dòng vào và dòng ra là không khả thi. Hơn nữa, mỗi dòng lại tạo ra một số lượng lớn các sự kiện mức thấp xen vào hoạt động xử lý mức cao. Một số hoạt động xử lý mức cao sẽ kéo dài trên nhiều sự kiện thời gian thực. Do đó, các node mạng phải thực hiện nhiều công việc đồng thời và cần phải có sự tập trung xử lý cao độ. 1.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế Số lượng các bộ điều khiển độc lập, các khả năng của bộ điều khiển, sự tinh vi của liên kết xử lý - lưu trữ - chuyển mạch trong mạng cảm biến thấp hơn nhiều trong các hệ thống thông thường. Điển hình, bộ cảm hay bộ truyền động (actuator) cung cấp một giao diện đơn giản trực tiếp tới một bộ vi điều khiển chip đơn. Ngược lại, các hệ thống thông thường, với các hoạt động xử lý phân tán, đồng thời kết hợp với một loạt các thiết bị trên nhiều mức điều khiển được Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 10 -
  18. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây liên hệ bởi một cấu trúc bus phức tạp. Các hạn chế về kích thước và công suất, khả năng định hình vật lý trên vi mạch bị giới hạn có chiều hướng cần hỗ trợ quản lý dòng đồng thời, tập trung nhờ bộ xử lý kết hợp. 1.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng Các thiết bị cảm biến được nối mạng có khuynh hướng dành riêng cho ứng dụng cụ thể, tức là mỗi loại phần cứng chỉ hỗ trợ riêng cho ứng dụng của nó. Vì có một phạm vi ứng dụng cảm biến rất rộng nên cũng có thể có rất nhiều kiểu thiết bị vật lý khác nhau. Với mỗi thiết bị riêng, điều quan trọng là phải dễ dàng tập hợp các thành phần phần mềm để có được ứng dụng từ các thành phần phần cứng. Như vậy, các loại thiết bị này cần một sự điều chỉnh phần mềm ở một mức độ nào đó để có được hiệu quả sử dụng phần cứng cao. Môi trường phát triển chung là cần thiết để cho phép các ứng dụng riêng có thể xây dựng trên một tập các thiết bị mà không cần giao diện phức tạp. Ngoài ra, cũng có thể chuyển đổi giữa phạm vi phần cứng với phần mềm trong khả năng công nghệ. 1.4.5 Hoạt động tin cậy Các thiết bị có số lượng lớn, được triển khai trong phạm vi rộng với một ứng dụng cụ thể. Việc áp dụng các kỹ thuật mã hóa sửa lỗi truyền thống nhằm tăng độ tin cậy của các đơn vị riêng lẻ bị giới hạn bởi kích thước và công suất. Việc tăng độ tin cậy của các thiết bị lẻ là điều cốt yếu. Thêm vào đó, chúng ta có thể tăng độ tin cậy của ứng dụng bằng khả năng chấp nhận và khắc phục được sự hỏng hóc của thiết bị đơn lẻ. Như vậy, hệ thống hoạt động trên từng node đơn không những mạnh mẽ mà còn dễ dàng phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy. 1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các node cảm biến được minh họa trong hình 1.3. Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường sự hợp tác giữa các node cảm biến. Ngăn xếp giao thức bao gồm lớp ứng dụng (Application Layer), lớp giao vận (Transport Layer), lớp mạng (Network Layer), lớp liên kết số liệu (Datalink Layer), lớp vật lý (Physical Layer), mặt bằng quản lý năng lượng (Power Management Plane), mặt bằng quản lý di động (Mobility Management Plane) và mặt bằng quản lý nhiệm vụ (Task Management Plane). Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 11 -
  19. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng. Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu. Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận. Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến có thể di động được, giao thức MAC phải được tính toán về năng lượng và tối thiểu hóa va chạm trong việc phát quảng bá với các node lân cận. Lớp vật lý sử dụng các kỹ thuật điều chế, truyền và nhận cần thiết đơn giản nhưng mạnh mẽ. Thêm vào đó, các mặt bằng quản lý năng lượng, di động và nhiệm vụ điều khiển sự phân phối năng lượng, phối hợp di chuyển và nhiệm vụ giữa các node cảm biến. Các mặt bằng này giúp cho các node cảm biến có thể phối hợp trong nhiệm vụ cảm biến và giảm được tổng năng lượng tiêu thụ. Mặt bằng quản lý năng lượng quản lý việc một node cảm biến sử dụng năng lượng của nó như thế nào. Ví dụ, node cảm biến có thể tắt bộ phận nhận sau khi nhận một bản tin từ một trong các node lân cận. Điều này có thể tránh được việc nhận bản tin tới hai lần. Ngoài ra, khi mức năng lượng của node cảm biến thấp, node cảm biến sẽ thông báo tới tất cả các node lân cận rằng mức năng lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin. Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến. Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các node cảm biến lân cận. Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảm biến có thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng. Mặt Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 12 -
  20. Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể. Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm. Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node khác tuỳ theo mức năng lượng của chúng. Những mặt quản lý này rất cần thiết, như vậy, các node cảm biến có thể làm việc cùng với nhau để có hiệu quả về mặt năng lượng, có thể định tuyến số liệu trong một mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các node cảm biến. Nếu không, mỗi node cảm biến sẽ chỉ làm việc một cách đơn lẻ. Xuất phát quan điểm xem xét trong toàn mạng cảm biến, sẽ hiệu quả hơn nếu các node cảm biến có thể hoạt động hợp tác với nhau, như thế cũng có thể kéo dài tuổi thọ của mạng. 1.5.1 Lớp ứng dụng Mặc dù nhiều lĩnh vực ứng dụng cho mạng cảm biến được vạch rõ và được đề xuất, các giao thức lớp ứng dụng còn tiềm tàng cho mạng cảm biến vẫn còn là một vùng rộng lớn chưa được khám phá. Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát ba giao thức lớp ứng dụng quan trọng là giao thức quản lý cảm biến SMP (Sensor Management Protocol), giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệu TADAP (Task Assignment and Data Advertisement Protocol), giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệu SQDDP (Sensor Query and Data Dissemination Protocol), rất cần thiết cho mạng cảm biến trên cơ sở những sơ đồ được đề xuất có liên quan tới những lớp khác và các lĩnh vực ứng dụng mạng cảm biến. Tất cả các giao thức lớp ứng dụng này đều là những vấn đề nghiên cứu có tính mở. 1.5.2 Lớp giao vận Lớp giao vận cung cấp các dịch vụ tổ chức liên lạc đầu cuối từ các node cảm biến có báo cáo cần chuyển tới node thu nhận (Sink) và node người sử dụng. Lớp giao vận đặc biệt cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy nhập thông qua Internet hoặc những mạng bên ngoài khác. Giao thức TCP với cơ chế cửa sổ truyền dẫn chưa phù hợp với đặc trưng của môi trường mạng cảm biến hiện nay. Do đó, việc thiết lập một liên kết đầu cuối từ các node cảm biến trực tiếp đến node quản lý của người sử dụng là không hiệu quả. Phương pháp phân tách TCP là cần thiết để mạng cảm biến tương tác với các mạng khác ví dụ như Internet. Trong phương pháp này, kết nối TCP được sử dụng để liên lạc giữa node quản lý của người sử dụng và node thu nhận (Sink) và một giao thức lớp giao vận phù hợp với môi trường mạng cảm biến được sử dụng cho truyền thông giữa node Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 13 -
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1248 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
4=>1