Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Điện – Điện Tử Bộ Môn Viễn Thông LOCALIZATION IN THE WIRELESS SENSOR NETWORKS GVHD : T.S VÕ QUẾ SƠN SVTH :LÊ ANH TÚ MSSV:40802504 :VŨ VĂN BIÊN MSSV:40800135 Tháng 5/2012 i MỤC LỤC Danh mục hình vẽ iv Lời nói đầu v CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY………………. LỜI NÓI ĐẦU iv 1.1.1. CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK 2 1.1.2 HẠN CHẾ 3 1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4 1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN 4 5 1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN 5 1.2.3 MÔI TRƯỜNG HOẠT ĐỘNG CỦA NODE CẢM BIẾN 8 1.2.4 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NODE CẢM BIẾN 8 CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 Ứng dụng trong y học và môi trường: 11 CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU VỀ LOCALIZATION 16 3.1 GIỚI THIỆU 16 3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ 17 3.3 CÁC KỸ THUẬT ĐO ĐỊNH VỊ TRONG LOCALIZATION 19 3.3.1 PHÉP ĐO AOA 19 3.3.2 PHÉP ĐO TOA 21 3.3.3 PHÉP ĐO TDOA (Time-Difference-of-Arrival ) 24 3.3.4 MAPPING TECHNIQUES 25 3.3.5 PHÉP ĐO RSS 26 3.3.6 SO SÁNH VÀ NHẬN XÉT 27 CHƯƠNG 4. TÌM HIỂU VỀ KỸ THUẬT ĐỊNH VỊ RSSI 28 4.1 THUẬT TOÁN MIN-MAX 28 4.2 THUẬT TOÁN TAM GIÁC 29 4.3 THUẬT TOÁN WCL 30 4.4 TRỌNG SỐ TUYẾN TÍNH ĐỊNH VỊ TRỌNG TÂM-LWCL 33 4.4.1 CHỈ SỐ CƯỜNG ĐỘ TÍNH HIỆU NHẬN 33 4.4.2 Trọng số tuyến tính định vị trọng tâm (LWCL) 35 4.4.3 LWCL trong môi trường free-space 37 4.4.4 LWCL trong môi trường log-distance 38 ii 4.4.5 Đánh giá độ chính xác 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC HÌNH VẼ iii LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của Internet, truyển thông và công nghệ thông tin kết hợp với những tiến bộ kỹ thuật gần đây đã tạo ra điều kiện cho các thể hệ cảm biến mới với giá thành thấp, khả năng triển khai qui mô lớn với độ chính xác cao. Công nghệ điều khiển và cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện và hồng ngoại, laser radar và cảm biến định vị dẫn đường. Công nghệ cảm biến điều khiển có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng, liên quan đến chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường, năng lượng, an toàn thực phẩm….Với mục tiêu tăng hiệu quả và giảm giá thành trong công nghiệp, thương mại mạng cảm biến không dây sẽ mang đến sự tiện nghi và các ứng dụng thiết thực nhằm nâng cao cuộc sống con người. Trong nội dung đồ án này, trình bày một cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, về các kỹ thuật trong mạng cảm biến không dây. Bên cạnh đó là các ứng dụng phổ biến có nhiều tiềm năng trong ứng dụng thực thế. Và tập trung trong đồ án này, sẽ trình bày về phần localization, các phương pháp tính toán trong kỹ thuật WSN định vị được sử dụng để ước tính vị trí của các cảm biến với vị trí ban đầu chưa biết trong một mạng bằng cách sử dụng có sẵn một kiến thức ưu tiên của vị trí của một bộ cảm biến cụ thể trong mạng và giữa các cảm biến đo lường như khoảng cách, thời gian khác nhau khi đến, góc đến và kết nối Do thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy em rất mong các thầy chỉ bảo và bổ sung thêm, các bạn đọc quan tâm đến vấn đề này đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn thiện hơn. iv Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn – TS. Võ Quế Sơn, người đã hết sức tận tình chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho em, giúp em hoàn thành tốt đồ án theo. TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 5 năm 2012 Sinh viên Lê Anh Tú - Vũ Văn Biên v Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến (sensor network ) là một cấu trúc, là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó. Môi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học. Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu , giám sát, theo dõi, và các ứng dụng y học. Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu càu sử dụng còn rất đa dạng và không giới hạn. Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý. Các node cảm biến có khả năng liên lạc với các node lân cận và có các chức năng cơ bản xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng, giao tiếp với các nút lận cận để truyền tới node focus. 1 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks WSNs là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến. 1.1.1. CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK Trong mạng sensor network, cảm biến được xem như là phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, radars, lasers, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, và các cảm biến phục vụ trong ứng dụng an ninh, sinh hóa… Ngày nay, cảm biến được sử dụng với số lượng lớn. Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng lượng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, số lượng các node cảm biến lớn… Cảm biến có thể chỉ gồm 1 hay dãy cảm biến. Kích thước rất đa dạng, từ nano (1-100nm), micro (10-1000um), marco(vài nm-m)… Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trước đây chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng quân sự nên đòi hỏi tính báo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng cho các ứng dụng thương mại, việc tiêu chuẩn hóa tạo sẽ tạo nên tính thương mại cao cho WSNs. Các nghiên cứu gần đầy phát triển thông tin công suất thấp với các node xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố sắp xếp, lựa chọn giao thức mạng, giải quyết bài toán quan trong nhất cảu mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho các node bị giới hạn. Các mô hình không dây. Có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí: - Chu kỳ hoạt động ngắn. - Xử lý dữ liệu nội bộ tại các node để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền - Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyển, qua đó giảm suy hao tổng cộng, giảm tổng công suất cho đường truyền. Tính năng đặc biệt của WSNs: - Đồng nhất các thiết bị. - Phân tán mạng. - Quy mô mạng lưới lớn. 2 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks - WSNs hỗ trợ kích cỡ mạng khác nhau, từ một đến vài trăm nút.Có thể trải trên một phạm vị rộng lớn. - Tiết kiệm chi phí. - Tính linh hoạt của hệ thống giám sát cảm biến không dây có thể chuyển thành tiết kiệm chi phí lớn. - Tất cả các nút hành vi như thiết bị định tuyến. - Không có cơ sở hạ tầng có dây và linh hoạt. Không có dây hoặc dây cáp để định tuyến, một hệ thống giám sát không dây vốn linh hoạt hơn hơn so với một mạng lưới truyền thống. Hệ thống không bị khóa vào một cấu trúc liên kết mạng cố định hay thiết lập hệ thống, để mở khả năng bổ sung, nâng cấp, mở rộng, và như vậy. Thuận lợi này có nghĩa là có ít chi phí liên quan đến thiết lập một đo lường, và ít tốn kém hơn có nghĩa là nhiều cơ hội hơn cho việc đo đạc bổ sung cho cái nhìn sâu sắc thêm vào hệ thống của bạn. Không dây cũng mở rộng tính di động của việc mua lại dữ liệu của bạn. Phép đo trường có thể được thời gian và tốn kém. Với cảm biến không dây, thời gian thiết lập được giảm đáng kể. - Tiềm năng đa định tuyến 1.1.2 HẠN CHẾ Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng , một số thách thức và trở ngại cần phải vượt qua: - Yếu tố môi trường Mạng lưới cảm biến có thể được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt. Trong những trường hợp này, các nút không được bảo vệ khỏi sự tấn công vật lý.Nên có thể bị sự xâm hại của môi trường gây ảnh hưởng đến các node - Yếu tố nguồn cung cấp: Hạn chế nguồn của các nút cảm biến được nâng lên do kích thước vật lý của nó nhỏ và thiếu dây. Kể từ khi sự vắng mặt của dây dẫn đến thiếu một nguồn cung cấp nguồn liên tục. Các nút cảm biến thường điều khiển bằng pin. Tuy nhiên, vì một mạng lưới cảm biến có chứa hàng trăm đến hàng ngàn các nút, và bởi vì thường WSN được triển khai trong các môi trường từ xa hoặc khắc nghiệt, đó là khó khăn để thay thế hoặc nạp lại năng lượng. Nguồn cung cấp được sử dụng cho các hoạt 3 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks động khác nhau ở mỗi nút, chẳng hạn như chạy các cảm biến, xử lý thông tin thu thập và truyền dữ liệu. Và giao tiếp giữa các nút cảm biến tiêu thụ hầu hết nguồn sẵn có, nhiều hơn so với cảm biến và tính toán. Hạn chế nguồn cung cấp ảnh hưởng lớn đến an ninh, kể từ khi các thuật toán mã hóa giới thiệu một chi phí thông tin liên lạc giữa các nút, các tin nhắn khác phải được trao đổi, tức là cho các mục đích quản lý chủ chốt, nhưng cũng có tin nhắn trở nên lớn hơn khi khởi tạo và xác thực, mã hóa dữ liệu phải được bao gồm. - Lưu trữ hạn chế của các node. Khả năng hạn chế cho việc lưu trữ ảnh hưởng đến việc lưu trữ các khóa mật mã Theo chương trình mã hóa được sử dụng, mỗi nút cảm biến có thể cần biết một số lượng các phím cho mỗi nút khác trong mạng để đảm bảo thông tin liên lạc, và do đó lưu trữ các phím trong không gian lưu trữ của các nút. Tuy nhiên, số lượng lớn các nút cảm biến đòi hỏi rất nhiều bộ nhớ, mà có thể không được cung cấp. Thách thức của việc hạn chế lưu trữ cho các nhà nghiên cứu để thiết kế các giao thức bảo mật trong một cách mà một số lượng tối thiểu của các phím mã hóa phải được sử dụng để cung cấp sự bảo vệ đầy đủ vào mạng. - Đặc tính kênh truyền. - Giao thức quản lý mạng phức tạp và sự phân bố rải rác các node. Đa số các node đều được phân bố rải rác nhiều nơi nên việc thống nhất và quản lý các node cũng gây nhiều khó khăn. - Tiêu chuẩn và quyền sở hữu. Nhiều nhà cung cấp cảm biến không dây sử dụng một mạng lưới sở hữu độc quyền bởi vì các chi tiết của nó không phải công bố công khai 1.2 KỸ THUẬT CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.2.1 KHÁI NIỆM VỀ NODE CẢM BIẾN Mạng WSNs gồm nhiểu cảm biến phân bố phân tán bao phủ môt vùng địa lý. Các node cảm biến có khả năng liên lạc vô tuyến với các node lân cận và các chức 4 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và bắt tay với các node lân cận để truyển dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng chính: - Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp. Như có thể trả về nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng…tại nơi khảo sát. - Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số của sự kiện đó. Như mạng WSN dùng trong giám sát giao thông, cảm biến phải nhận biết được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện giao thông. - Phân biệt đối tượng - Theo dấu đối tượng - Các thông số vật lý - Các thông số hóa học, sinh học Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, đo nhạy cao và đáng tin cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế. 1.2.2 CẤU TẠO CỦA NODE CẢM BIẾN Thành phần chính của nút cảm biến điển hình bao gồm một ăng-ten và một tần số thu phát vô tuyến (RF) để cho 5 [...]... thông tin địa điểm bí mật được gọi là các nút nonanchors tọa độ của họ cần phải được ước tính bằng cáchsử dụng một thuật toán nội địa hóa mạng cảm biến 3.2 CÁC LOẠI NODE CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG ĐỊNH VỊ 17 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks Hình 3.1 Định nghĩa của các loại nút và tọa độ tương đối 18 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks Để có một mô tả rõ ràng ,hình 1 minh... tạo cảm biến mới, hệ thống mạng cảm biến phân bô, tích hợp cảm biến trong các hệ thống thương mại, hỗ trỡ hiệu quả cho các quá trình ra quyết định 9 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks 10 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks CHƯƠNG II ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 PHÁT HIỆN VÀ GIÁM SÁT - Ứng dụng trong y học và môi trường: • Trong phản ứng với dịch bệnh, thảm họa... thông tin về sự di chuyển của đối phương, chất nổ và các thông tin khác - Hình 2.3 Node cảm biến ứng dụng trong quân sự Ứng dụng trong sinh hóa học: Phát hiện các chất hóa chất , sinh học , sóng vô tuyến , phóng xạ hạt nhân, chất nổ - Ứng dụng trong giao thông, đời sống: Giám sát xe cộ trên đường Hình 2.4 Các node cảm biến trên hệ thống giao thông 12 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks. ..Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks phép giao tiếp với các nút khác, một đơn vị bộ nhớ, CPU, đơn vị cảm biến và nguồn điện thường được cung cấp là pin Hệ thống điều hành chạy trên các nút cảm biến được gọi là TinyOS TinyOS được thiết kế để chạy trên các nền tảng với sức mạnh tính toán hạn chế và ngôn ngữ lập trình space Bộ nhớ của TinyOS là cách điệu C và sử dụng... tùy chỉnh được gọi là NesC Mặc dù nó có thể làm việc trên các nền tảng khác, các nền tảng hỗ trợ Linux RedHat 9.0, Windows 2000 và Windows XP Bảng sau đây liệt kê một số khả năng của các nền tảng cảm biến mạng hiện tại được tổ chức lớp thiết bị được trình 6 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks Hình 1.3 Cấu hình của 1 số loại node cảm biến Phần cấu tạo của node cảm biến thông thường... thông tin chính xác đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các hoạt động tìm kiểm Sử dụng mạng WSNs hạn chế sự có mặt trực tiếp của con người trong môi trường nguy hiểm • Giám sát sự thay đổi khí hậu , rừng ,biển… Hình 2.1 Hệ thống node cảm biến báo cháy rừng 11 Hình 2.2 Hệ thống node cảm biến theo dõi rừng nhiệt đới Đồ án 2 - Localization in the wireless sensor networks Mạng cảm biến đang được sử dụng để theo... MIN-MAX Min-Max[LR03] rất phổ biến trong thuật toán định vị vì nó thực hiện đơn giản.Ý tưởng chính trong việc xây dựng hộp giới hạn của mỗi nút neighbor dùng là khoảng cách và ước lượng của nó.Sau đó, các nút localized xác định hộp giao nhau của các hộp.Trọng tâm của các hộp giao điểm là vị trí ước tính của nút localized 28 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks Hình 4.1 Thuật toán Min-Max... điều trị tại bệnh viện WSNs còn cho phép thu thập thông tin y tế qua thời gian dài thành các cơ sở dữ liệu quan trong, các biện pháp can thiệp hiệu quả Hình 2.7 Các ứng dụng trong y khoa 2.3 ĐIỀU KHIỂN QUẢN LÝ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG - Ứng dụng trong đời sống và an ninh 14 Hình 2.8 Các ứng dụng điều khiển Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks • Các node cảm biến được lặp trên các thiết bị,... ,điều chế số , định tuyến 7 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks • Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin • Liên lạc : trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm  Phần mềm • Hệ điều hành (OS): Liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý Các nghiên cứu hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs • Sensor Drivers: đây là những module quản... gian thực Các thông tin thu được dùng để giám sát lưu lượng, điểu phối giao thông hoặc cho các mục địch khác Hình 2.5 Hệ thống cảm biến trên các đường cao tốc Hình 2.6 Các hệ thống dựa trên nền tản cảm biến đậu xe thông minh mới của Libelium cho phép các trình điều khiển để tìm chỗ đậu xe miễn phí 13 một cách nhanh chóng và hiệu quả Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks - Ứng dụng trong . hiệu quả cho các quá trình ra quyết định. 9 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks 10 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1. biến theo dõi rừng nhiệt đới Hình 2.1 Hệ thống node cảm biến báo cháy rừng Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks - Mạng cảm biến đang được sử dụng để theo dõi tỷ lệ tái sinh của. focus. 1 Đồ án 2 Localization in the wireless sensor networks WSNs là mạng cảm biến trong đó các kết nối giữa các node cảm biến bằng sóng vô tuyến. 1.1.1. CÔNG NGHỆ SENSOR NETWORK Trong mạng sensor