TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Hiện nay người ta đang tập trung triển khai mạng cảm biến để ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau. Giao thức này cải thiện đáng kể thời gian tồn tại của mạng cảm biến, và tôi quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp của mình.

Sự phát triển của mạng cảm biến bắt đầu với các ứng dụng quân sự như giám sát chiến trường.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

Khái niệm
Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây

Ngôi nhà thông minh
Giám sát các hoạt động công nghiệp
Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Giám sát an ninh trong quân đội và an toàn công nghiệp
Ứng dụng trong môi trường

Các chỉ tiêu của nút mạng cảm nhận không dây

Năng lượng
Kích thước và chi phí
Tính mềm dẻo
Sức mạnh
Bảo mật
Truyền thông
Tính toán
Đồng bộ thời gian

Kiến trúc của mạng WSN

Kiến trúc nút mạng
Kiến trúc mạng

Home là một môi trường ứng dụng rất lớn cho mạng cảm biến không dây. Có thể có nhiều tiện nghi gia đình khác như điều khiển từ xa, trợ lý kỹ thuật số cá nhân (PDA) có thể điều khiển tivi, đầu đĩa DVD, hệ thống âm thanh và các thiết bị điện tử gia dụng khác. (đèn, rèm và khóa) cũng có thể được điều khiển bằng mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng trong các mỏ nguy hiểm thay vì sử dụng con người trong các công việc khai thác nguy hiểm.

Ngoài ra, các ứng dụng bảo vệ mạng cảm biến không dây có thể được sử dụng để định vị và xác định các mục tiêu tấn công tiềm năng và hỗ trợ các cuộc tấn công. Mạng cảm biến không dây có thể rất nhỏ, đơn giản và được ngụy trang dưới dạng đá, cây cối hoặc mảnh vụn trên đường. Hàng triệu nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng tần số không dây hoặc quang học.

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

Giới thiệu
Thách thức trong vấn đề định tuyến
Các vấn đề về thiết kế giao thức định tuyến

Đặc tính thayđổi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng
Ràng buộc về tài nguyên
Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến
Cách truyền dữ liệu

Phân loại và so sánh các giao thức định tuyến
Giao thức trung tâm dữ liệu

Flooding và Gossiping
SPIN
Directed Diffusion

Giao thức phân cấp

LEACH
PEGASIS

Giao thức dựa trên vị trí

GAF
GEAR

Kết luận

Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các nút cảm biến và giếng. Loại thứ ba là mô hình dữ liệu tương tác hai chiều giữa các nút cảm biến và nút chìm. Dữ liệu được truyền giữa các nút cảm biến và bồn chứa được minh họa trong Hình (3.1).

Trong định tuyến mutil-hop của mạng cảm biến không dây, các nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp dữ liệu giữa nguồn và đích. Loại giao thức thứ tư là dựa trên vị trí để đánh địa chỉ các nút cảm biến. SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) là một giao thức định tuyến thông tin dựa trên đàm phán dữ liệu.

Để thực hiện truyền và sắp xếp dữ liệu, các nút sử dụng giao thức này sử dụng ba loại thông báo (Hình 3.3). Sau khi nhận được ADV, các nút quan tâm đến dữ liệu này sẽ gửi REQ để yêu cầu dữ liệu. Thông báo này đi qua tất cả các nút trong mạng dưới dạng quan tâm đến một số dữ liệu.

Các phần chìm này có thể sử dụng hỗ trợ từ một số nút lân cận. Và việc tiết kiệm này chủ yếu phụ thuộc vào hệ số tập trung dữ liệu của các cụm trưởng. Trách nhiệm của các nút này là thu thập và truyền dữ liệu đến các phần chìm, thường là các trạm cơ sở.

Đối với mỗi vùng lưới được xác định, mỗi nút đại diện cho một nút chính để gửi dữ liệu đến các nút khác.

MÔ PHỎNG PEGASIS BẰNG MOBILITY FRAMEWORK

Giới thiệu về OMNeT++ và Mobility Framework

Giới thiệu về OMNeT++
Giới thiệu về Mobility

Cấu trúc của mô hình có thể được mô tả bằng ngôn ngữ NED của OMNeT++. Các mô-đun có thể chứa một số mô-đun con và được gọi là các mô-đun kết hợp. Người dùng triển khai các mô-đun đơn giản trong C++ bằng thư viện mô phỏng của OMNeT++.

Các mô-đun đơn giản có thể gửi thông báo đầu ra trực tiếp đến đích hoặc gửi chúng dọc theo tuyến đường được xác định trước thông qua các cổng và kết nối. Thông báo có thể đến từ một mô-đun khác hoặc từ cùng một mô-đun (thông báo riêng của mô-đun - thông báo riêng của mô-đun được sử dụng để triển khai bộ đếm thời gian). Các tệp .ned có thể được ghi trong bất kỳ trình soạn thảo nào hoặc sử dụng chương trình GNED có trong OMNeT++.

Xác định cấu trúc của tin nhắn (tệp có phần mở rộng .msg): Người dùng có thể xác định các loại tin nhắn khác nhau và thêm các trường cho chúng. Ngoài ra, lõi này cũng cung cấp các mô-đun cơ bản để chúng ta có thể xây dựng các mô-đun của mình. Tại thời điểm này, bạn có thể sử dụng Tính di động và bạn đã sẵn sàng xây dựng chương trình của riêng mình.

Nhưng nếu bạn cũng có thể tạo một module mới phù hợp với mục đích của mình. Tuy nhiên, bạn cũng có thể xác định lại hàm getMacAddr() trong lớp BasicNetwLayer để thực hiện chức năng này.

Giới thiệu về PEGASIS

PEGASIS cơ bản
PEGASIS cải tiến

Dưới đây chúng tôi trình bày một cải tiến trong quá trình chọn nút chủ để kéo dài tuổi thọ của mạng. Chúng tôi sẽ không phân bổ các nút ở xa BS và có năng lượng thấp làm nút chính. Số vòng để chọn nút chính thay đổi một cách thích ứng tùy theo mức năng lượng hiện tại của mỗi nút.

Khi mức năng lượng của các nút giảm xuống thì số vòng chọn lại nút chủ cũng giảm theo nên tránh được một nút tiêu tốn quá nhiều năng lượng như nút chủ. Khi mức năng lượng của nút xuống quá thấp, việc chọn nút chủ sẽ diễn ra thường xuyên trong mỗi vòng. Kỹ thuật này đảm bảo rằng các nút có năng lượng cao và gần BS có cơ hội trở thành nút chủ cao hơn.

Việc chọn nút gần BS làm nút chủ giúp giảm tổng chi phí truyền dẫn trong mạng. Thứ nhất, việc tổng hợp dữ liệu là cục bộ, khoảng cách mà hầu hết các nút trong mạng truyền dữ liệu nhỏ hơn nhiều so với việc truyền dữ liệu từ các nút thành viên đến nút đầu trong nhóm LEACH. Thứ hai, khối lượng dữ liệu của nút chính trong PEGASIS nhận được nhiều nhất hai tin nhắn trong khi của LEACH là 20 (nếu mạng có 100 nút), tức là nhiều hơn nữa.

Điều này có nghĩa là dữ liệu được thu thập trong master node, master node không còn đủ năng lượng để truyền đến trạm BS. Các nút chính này có thể kết nối lại để tạo thành một chuỗi cấp cao hơn và chuỗi này sẽ lại chọn nút chính để truyền đến BS.

Mô phỏng

Mô hình năng lượng
Giả thiết và thiết lập thông số ban đầu cho quá trình mô phỏng
Kết quả mô phỏng

Việc nhận tin nhắn cũng tiêu tốn rất nhiều năng lượng, vì vậy chúng ta cũng cần giảm thiểu số lần truyền và nhận trên mỗi nút. Sau đó, BS phát quảng bá bản tin BROADCAST_POSITION tới tất cả các nút trong mạng để tính toán khoảng cách của các nút đó với BS. Các nút nhận bản tin này sẽ tính toán khoảng cách đến BS bằng cách sử dụng tọa độ trong bản tin.

Sau khi tìm được nút xa nhất, BS gửi thông báo đến nút đó thông qua bản tin MAX_DISTANCE (Hình 4.10). Nút này nhận được thông báo MAX_DISTANCE sẽ bắt đầu tìm kiếm một nút khác gần nó hơn và thêm nó vào chuỗi. Các nút xung quanh nhận được thông báo này và gửi phản hồi tới REPLY_FIND_NODE_INTO_CHAIN.

Điều này sẽ rất thuận tiện và các nút khi ở trên chuỗi sẽ không tính toán khoảng cách khi chúng nhận được thông báo FIND_NODE_INTO_CHAIN. Sau khi tất cả các nút nằm trong chuỗi, nút cuối cùng trong chuỗi sẽ gửi thông báo REQUEST_CHOSING_HEADER tới BS. Trong đó curPower là năng lượng hiện tại của nút và gửi nó đến thông điệp được gửi dọc theo chuỗi, tại các nút: khi nhận được thông báo, nó cũng tính toán giá trị này và sau đó gửi so sánh giá trị tỷ lệ của nó với giá trị của thông báo nhận được.

Nút chính sau đó thu thập dữ liệu của nó và hai thông báo từ cả hai phía và gửi chúng đến nút chìm. Tại các nút, mỗi khi nhận được bản tin, năng lượng nhận và truyền đi được tính toán theo công thức nêu trong mô hình mô phỏng.

Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Các khái niệm và vấn đề liên quan đến mạng cảm biến vẫn còn tương đối mới đối với nhiều người. Trong đồ án này em đã trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây. Với những tính năng ưu việt cùng với ứng dụng đa dạng có thể hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt mà không phải nhà mạng nào cũng có được.

Do đó, mạng cảm biến không dây sẽ phát triển nhanh chóng trong tương lai không xa. Tôi hy vọng rằng dự án này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào nghiên cứu trong lĩnh vực còn khá mới mẻ này ở Việt Nam. Trong phạm vi đồ án này, em đã nghiên cứu khái niệm chung về mạng cảm biến không dây và tìm hiểu về nguyên tắc định vị, các phương pháp định vị và thuật toán định vị nút.

Và đã biết cách xác định vị trí của nút mạng và biết cách tính vị trí của nút mạng thông qua một số bài toán. Vì đây là vấn đề mới với kiến thức còn hạn chế và thời gian nghiên cứu đồ án của em còn ngắn nên chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự phê bình của thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Một lần nữa em xin cảm ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Trọng Thế khoa CNTT trường ĐHDL Hải Phòng đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua.