http://www.ebook.edu.vn
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.
Hà nội, tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Đỗ Thị Tuyết
http://www.ebook.edu.vn
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Ngày nay nhờ tiến bộ vượt bậc trong khoa học và công nghệ, mạng cảm biến đã
trở thành đề tài nghiên cứu nóng bỏng và nhận được sự tiến bộ đáng kể trong vài năm
qua. Mạng cảm biến là mạng vô tuyến bao gồm các thiết bị cảm biến được phân bố
một cách ngẫu nhiên trong không gian, nhằm quan sát các hiện tượng vật lý , hay điều
kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, s
ự chấn động, áp suất, sự chuyển động, ô
nhiễm ở các vị trí khác nhau.
Sự phát triển của mạng cảm biến mở đầu là các ứng dụng trong quân đội ví dụ
như giám sát chiến trường. Tuy nhiên bây giờ mạng cảm biến còn được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm: quan sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà
tự động hay điều khiển giao thông.
Các con cả
m biến là các thiết bị điện tử nhỏ, thông thường được trang bị bộ thu
phát vô tuyến hoặc các thiết bị không dây khác, một bộ vi xử lý nhỏ và một nguồn
năng lượng. Các con cảm biến này có khả năng thu thập, xử lý và truyền thông thông
tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài.
Mạng cảm biến là một lĩnh vực rất sâu rộng, đồ án này sẽ giới thiệu một cách
khái quát nhất về
các đặc điểm của mạng cảm biến. Sau đó phần cuối sẽ nghiên cứu và
đưa ra giải thuật định tuyến PEGASIS nhằm cải thiện đáng kể thời gian sống của
mạng.
Đồ án này gồm có 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến. Chương này trình bày những khái
niệm chung nhất về WSNs và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến. Đồng thời cũ
ng nêu
ra các ứng dụng cụ thể trong nhiều lĩnh vực cuộc sống.
Chương 2: Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến. Chương này đưa ra hai
giao thức đặc trưng đó là : đồng bộ thời gian và giao thức vị trí. Hai giao thức này rất
quan trọng và có ý nghĩa đối với mạng cảm biến.
http://www.ebook.edu.vn
Chương 3: Định tuyến trong mạng cảm biến. Chương này phân loại các giao
thức định tuyến ra làm ba loại : trung tâm dữ liệu, phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí
địa lý.
Chương 4: Giới thiệu về Mobility framework của OMNeT++ và mô phỏng giao
thức định tuyến PEGASIS. Chương này nêu ra những ưu điểm của PEGASIS so với
giải thuật LEACH và đưa ra kết quả mô phỏng .
http://www.ebook.edu.vn
Abstract
Nowadays thanks to rapid advances in science and technology, Wireless Sensor
Networks have become a hot issue in research, and significant progress has been
achieved in the past few years.
Wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially
distributed autonomous devices using sensors to cooperatively monitor physical or
environmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or
pollutants, at different locations. The development of wireless sensor networks was
originally motivated by military applications such as battlefield surveillance. However,
wireless sensor networks are now used in many civilian application areas, including
environment and habitat monitoring, healthcare applications, home automation, and
traffic control.
Sensor nodes are small electronic components, typically equipped with a radio
transceiver or other wireless communications device, a small microcontroller, and an
energy source, usually a battery. It’s capable of gathering, processing, and
communicating information to other nodes and to the outside world.
The field of WSN is wide and deep. This thesis will introduce overview about
WSN and give out a protocol which extends lifetime of WSN.
This thesis has a total of 4 chapters:
Chapter 1: Overview of wireless sensor networks: giving out the definition, the
architecture (includes factors that influence the architecture of the networks and the
two typical architectures of sensor networks), the applications and also pointing out
many challenges that WSN are facing.
Chapter 2: Protocols in WSN: giving out an overview of protocols used in WSN
and the most two important ones, those are localization and time synchronization
protocols.
http://www.ebook.edu.vn
Chapter 3: Routing in WSN: summarizing recent routing protocols for sensor
networks and presenting a classification for the various approaches pursued. The three
main categories explored in this chapter are data – centric, hierarchical and location –
based. Each routing protocol is described and discussed under the appropriate category.
Chapter 4: Simulating PEGASIS using Mobility framework of OMNeT++:
giving out an overview of OMNeT++ and Mobility framework, a basic algorithm of
PEGASIS. After that, the presented simulation results show that PEGASIS extends
significantly the life time of sensor networks.
http://www.ebook.edu.vn
i
Mục lục
DANH SÁCH HÌNH VẼ iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU v
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến 1
1.1. Giới thiệu 1
1.2. Cấu trúc mạng cảm biến 2
1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến 2
1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng 8
1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 10
1.2.3.1. Cấu trúc phẳng 10
1.2.3.2. Cấu trúc tầng 10
1.3. Ứng dụng 13
1.3.1. Ứng dụng trong quân đội 14
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 2. Các giao thức đặc trưng của mạng cảm biến 19
2.1. Giới thiệu về giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến 19
2.2. Giao thức đồng bộ thời gian 19
2.2.1. Đồng hồ các nút cảm biến và sự chính xác 21
2.2.2. Đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến 22
2.2.2.1. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên phát 24
2.2.2.2. Giao thức đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận 30
2.3. Giao thức vị trí 34
2.3.1. Định vị dựa vào mốc có sẵn 35
2.3.2. Định vị dựa vào vị trí tương đối 36
2.4 Kết luận 37
Chương 3. Định tuyến trong mạng cảm biến 38
3.1. Giới thiệu 38
3.2. Thách thức trong vấn đề định tuyến 38
3.3. Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến 39
http://www.ebook.edu.vn
ii
3.3.1. Đặc tính thay đổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng 39
3.3.2. Ràng buộc về tài nguyên 39
3.3.3. Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến 40
3.3.4. Cách truyền dữ liệu 40
3.4. Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến 42
3.5. Giao thức trung tâm dữ liệu 44
3.5.1. Flooding và Gossiping 44
3.5.2. SPIN 45
3.5.3. Directed Diffusion 47
3.6. Giao thức phân cấp 50
3.6.1. LEACH 50
3.6.2. PEGASIS 53
3.7. Giao thức dựa trên vị trí 54
3.7.1. GAF 55
3.7.2. GEAR 57
3.8. Kết luận 59
Chương 4. Mô phỏng PEGASIS bằng Mobility Framework của OMNeT++ 60
4.1. Giới thiệu về OMNeT++ và Mobility Framework 60
4.1.1. Giới thiệu về OMNeT++ 60
4.1.2. Giới thiệu về Mobility 64
4.2. Giới thiệu về PEGASIS 71
4.2.1. PEGASIS cơ bản 72
4.2.2. PEGASIS cải tiến 73
4.3. Mô phỏng 76
4.3.1. Mô hình năng lượng 76
4.3.2. Giả thiết và thiết lập thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng 82
4.3.3. Kết quả mô phỏng 89
4.4. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo 91
KẾT LUẬN 92
Tài liệu tham khảo 93
http://www.ebook.edu.vn
iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến 3
Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến 4
Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 8
Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến 10
Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 11
Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp 11
Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội 15
Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường 17
Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 18
Hình 2.1 Xác định góc đến của âm thanh ở xa bởi một dãy sensor 20
Hình 2.2 Đồng bộ bên phát/bên nhận và bên nhận/bên nhận. 23
Hình 2.3 Hoạt động của việc đồng bộ bên phát/bên nhận 25
Hình 2.4 LTS multihop phân bố 29
Hình 2.5 Ví dụ về RBS 31
Hình 2.6 Chuyển tiếp gói dữ liệu và chuyển đổi nhãn thời gian 33
Hình 3.1 Mô hình truyền dữ liệu giữa sink và các nút 41
Hình 3.2 Truyền gói trong Flooding 44
Hình 3.3 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN 46
Hình 3.4 Hoạt động của SPIN 46
Hình 3.5 Hoạt động cơ bản của Directed Diffusion 49
Hình 3.6 Mô hình mạng LEACH 51
Hình 3.7 Ví dụ về lưới ảo trong GAF 56
Hình 3.8 Sự chuyển trạng thái trong GAF 56
Hình 3.9 Chuyển tiếp địa lý đệ quy trong GEAR 59
Hình 4.1 Cấu trúc phân cấp module trong OMNeT++ 61
Hình 4.2 Các kết nối trong OMNeT++ 62
http://www.ebook.edu.vn
iv
Hình 4.3 Cấu trúc của host di động 65
Hình 4.4 Cấu trúc kế thừa module trong MF 67
Hình 4.5 Xây dựng chuỗi sử dụng thuật toán Greedy 72
Hình 4.6 Xử lý lỗi khi một nút trong chuỗi chết 73
Hình 4.7 Khắc phục của PEGASIS 76
Hình 4.8 Mô hình năng lượng đơn giản 79
Hình 4.9 Trạm BS gửi broadcast đến cho các nút trong mạng 84
Hình 4.10 Trạm BS gửi bản tin Max Distance đến nút xa nhất 85
Hình 4.11 Nút xa nhất chuỗi gửi bản tin Invite mời nút gần nhất vào chuỗi 86
Hình 4.12 Các nút kết nối vào nhau tạo thành chuỗi 86
Hình 4.13 Chuỗi sau khi thiết lập xong. 87
Hình 4.14 Kết quả khi mô phỏng mạng có kích thước 90
(50m,50m) với năng lượng ban đầu của nút là 0.25 J 90
Hình 4.15 Kết quả mô phỏng khi kích thước mạng 90
là (100m.100m) với năng lượng của nút ban đầu là 0.5J 90
http://www.ebook.edu.vn
v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN 43
Bảng 3.2 Miêu tả interert sử dụng cặp giá trị thuộc tính 48
Bảng 4.1 Các loại bản tin tương ứng của các lớp 68
Bảng 4.2 Số vòng khi 1%, 20%, 50%, và 100% nút chết 89
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét