CÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY.doc

Người thực hiện: Đỗ ngọc Anh

Lớp: D2001VT

Người hướng dẫn: TS. Đinh Văn Dũng

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

Hà Nội 2005

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

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVT

KHOA VIỄN THÔNG I

----------o0o----------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

----------o0o----------

Ngày tháng năm 2005

Giáo viên hướng dẫn

TS. ĐINH VĂN DŨNG

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

Điểm: (Bằng chữ: ).

Ngày tháng năm 2005

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN:

Điểm: (Bằng chữ: ).

Ngày tháng năm 2005

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 tổng 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 cảm 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

2.2.1 Các yêu cầu cho giám sát môi trường sống trên đảo GDI...........................................47

2.2.2 Các 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

I

3.2.1 Phần mềm NS-2............................................................................................................70

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)...............................81

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

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

II

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AODV Ad hoc On - Demand

Distance - Vector Routing Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hoc

CSMA Carrier Sense Multiple

Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang

DAM Distributed Aggregate

Management Giao thức quản lý khối kết hợp phân tán

DSDV Destination-Sequenced

Distance-Vector Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự

DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động

GLONASS Global Navigation Satellite

System Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầu

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HVAC Heating, Ventilation, and Air

Conditioning

Hơi ấm, thông gió và các điều kiện 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

SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biến

SQDDP Sensor Query and Data

Dissemination Protocol

Giao thức truy vấn cảm biến và phổ biến

số liệu

SWAN Simulator for Wireless Ad￾hoc Networks

Mô hình mô phỏng các mạng Ad hoc

không dây

TADAP Task Assignment and Data

Advertisement Protocol

Giao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo

số liệu

TDMA Time Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TORA Temporally Ordered Routing

Algorithm

Thuật toán tìm đường tuần tự theo thời

gian

UART Universal Asynchronous

Receiver Transmitter Bộ thu phát không đồng bộ chung

VHDL VHSIC Hardware

Description Language

Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích

hợp mật độ cao

WINS Wireless Integrated Network

Sensors Cảm biến mạng tích hợp vô tuyến

WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến

WPAN Wireless Personal Area

Network Mạng vùng cá nhân vô tuyến

III

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.

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

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 -