nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà bulding

123 714 10
nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà bulding

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

I BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ðỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ƯNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG CẢNH BÁO TÒA NHÀ BULDING. Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Thúy Anh Họ và tên: Nguyễn Tuấn Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử Mã số: 102 Hà Nội, năm 2011 II NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ðiểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2011 III NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN: ðiểm: (Bằng chữ: ). Ngày tháng năm 2011 4 MỤC LỤC Trang Thuật ngữ viết tắt Lời nói ñầu 9 CHƯƠNG 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 11 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11 1.2 Các thành phần của mạng cảm biến 11 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13 1.3.1 Lớp ứng dụng 15 1.3.2 Lớp giao vận 15 1.3.3 Lớp mạng 16 1.3.4 Lớp liên kết số liệu 16 1.3.5 Lớp vật lý 17 1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 18 1.4.1 Tự ñộng hóa gia ñình và ñiện dân dụng 18 1.4.2 Cảm biến trong quân sự 20 1.4.3 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe 22 1.4.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 23 1.5 Những hạn chế trong phát triển mạng cảm biến không dây 26 1.5.1 Năng lượng hạn chế 26 1.5.2 Giải thông giới hạn 26 1.5.3 Phần cứng giới hạn 26 1.5.4 Kết nối mạng không ổn ñịnh 26 1.5.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên 27 CHƯƠNG 2 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 28 2.1 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến 28 2.2 Các mô hình phân bố 31 2.3 ðiều chế tín hiệu 33 2.4 Quá trình truyền sóng 34 2.5 Các công nghệ không dây 36 CHƯƠNG 3 Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây 42 3.1 Giao thức ñiều khiển truy nhập 42 3.1.1 Mô hình giao thức WSNs 42 3.1.2 Giao thức MAC 43 3.1.2.1 Các thông số 44 3.1.2.2 Các giao thức chung 46 3.1.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 48 3.2 Giao thức ñịnh tuyến trong WSNs 48 3.2.1. Các kỹ thuật ñịnh tuyến 50 3.2.2. Flooding và các biến thể 51 3.2.3. Giao thức ñịnh tuyến thông tin qua sự thỏa thuận : 53 3.2.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng th ấ p (LEACH) 3.2.5. Truyền tin trực tiếp 57 59 3.2.6. ð ịnh tuyến theo vị trí 60 3.2.7. Kết l u ậ n: 61 5 3.3. Các giao thức ñiều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây 61 3.3.1 Các giao thức ñiều khiển giao vận truyền thống 61 3.3.2 Các giao thức ñiều khiển giao vận ñang tồn t ạ i 63 3.3.4 ðặc ñiểm của các giao thức ñiều khiển giao v ậ n 63 3.3.4.1 Sự tắc nghẽn 63 3.3.4.2 Khôi phục gói bị m ấ t 65 3.3.5 Kết l u ậ n: 65 CHƯƠNG 4 Phần mềm quản lý mạng không dây 67 4. 1 Hệ ñiều hành cho mạng cảm biến không dây 67 4.1.1 TinyOS 68 4.1.2 Mate 69 4.1.3 Magnet OS 70 4.1.4 Mantis 70 4.2. Phần mềm cho mạng cảm biến không dây 70 4.2.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN 70 4.2.2 Kiến trúc phần mềm 71 4.2.2.1 Các chức năng liên quan ñến dữ liệu 72 4.2.2.2 Kiến trúc 73 4.2.2.3 Một số phần mềm ñang sử dụng 73 4.3. Quản lý mạng cho mạng cảm biến không dây 74 4.3.1 Các kiểu quản lý mạng truyền thống 74 4.3.2 Vấn ñề thiết kế quản lý mạng 75 4.3.3 Các vấn ñề khác 76 4.4. Quản lý vận hành của mạng cảm biến 77 4.4.1 Vấn ñề thiết kế cho WSN 77 4.4.1.1 Giao thức MAC 77 4.4.1.2 Giao thức ñịnh tuyến 78 4.4.1.3 Giao thức chuyển vận 78 4.4.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN 79 4.4.2.1 Metric 79 4.4.3 Các mô hình cơ bản: 80 4.4.4 Các mô hình mạng 83 4.4.5 Tính toán thời gian sống của hệ thống 85 CHƯƠNG 5 Chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4 88 5.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 88 5.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 88 5.2.1 Mô hình ñiều chế tín hiệu của tầng vật lý. 90 6 5.2.1.1 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz 90 5.2.1.2 ðiều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz 92 5.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 93 5.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) 93 5.2.2.2 Chỉ số chất lượng ñường truyền (LQI) 93 5.2.2.3 Chỉ số ñánh giá kênh truyền (CCA) 93 5.3 Tầng ñiều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 93 5.3.1 Cấu trúc siêu khung 94 5.3.1.1 Khung CAP 95 5.3.1.2 Khung CFP 96 5.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) 96 5.3.2 Thuật toán tránh xung ñột ña truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA. 96 5.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu 99 5.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 101 5.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian ñảm bảo GTS 102 5.3.6 ðịnh dạng khung tin MAC 102 5.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 103 5.4.1 Dịch vụ mạng 103 5.4.2 Dịch vụ bảo mật 103 5.5 Các thuật toán ñịnh tuyến của ZigBee/IEEE 802.15.4 105 5.5.1 Thuật toán ñịnh tuyến theo yêu cầu AODV 105 5.5.2 Thuật toán hình cây 107 5.5.2.1 Thuật toán hình cây ñơn nhánh 107 5.5.2.2 Thuật toán hình cây ña nhánh. 110 CHƯƠNG 6: Ưngs dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 114 6.1. Kiến trúc của hệ cảm biến 114 6.2 Các ứng dụng mạng cảm biến trong gia ñình 114 6.3 Một số loại cảm biến ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 118 6.4 Ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 122 7 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 ða 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 ñích tuần tự DSR Dynamic Source Routing Giao thức ñịnh tuyến nguồn ñộng GLONASS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh ñiều hướng toàn cầu GPS Global Positioning System Hệ thống ñịnh vị toàn cầu HVAC Heating, Ventilation, and Air Conditioning Hơi ấm, thông gió và các ñiều kiện không khí MAC Medium Access Control ðiều khiển truy nhập môi trường NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2 PDA Personal Digital Assistan 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 ðăng 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 ða truy nhập phân chia theo thời gian TORA Temporally Ordered Thuật toán tìm ñường tuần tự 8 Routing Algorithm theo thời gian UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Bộ thu phát không ñồng bộ chung VHDL VHSIC Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật ñộ 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 9 LỜI NÓI ðẦU Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về công nghệ ñóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay ñổi từng ngày từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện ñại hơn. ði ñôi với quá trình phát triển của con người, những thay ñổi do chính tác ñộng của con người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng ñang diễn ra, tác ñộng trở lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay ñổi, v.v Dân số càng tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ ñó cũng ñược hình thành và phát triển theo. ðặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành ñiện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con người. Công nghệ cảm biến không dây ñược tích hợp từ các kỹ thuật ñiện tử, tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục ñích nghiên cứu, giải trí, sản xuất, kinh doanh, v.v , phạm vi này ngày càng ñược mở rộng, ñể tạo ra các ứng dụng ñáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau. Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa ñược áp dụng một các rộng rãi ở nước ta, do những ñiều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng. Song nó vẫn hứa hẹn là một ñích ñến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho những mục ñích phát triển ñầy tiềm năng. ðể áp dụng công nghệ này vào thực tế trong tương lai, ñã có không ít các nhà khoa học ñã tập trung nghiên cứu, nắm bắt những thay ñổi trong công nghệ này. ðược sự ñịnh hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thuý Anh, em ñã chọn ñề tài ñồ án: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo toà nhà bulding”. Với mục ñích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây. Nội dung của ñồ án ñược thể hiện qua 6 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn không dây. Chương 3: Các giao thức ñiều khiển mạng cảm biến không dây. Chương 4: Phần mềm quản lý mạng cảm biến không dây. Chương 5: Chuẩn truyền dẫn không dây Zigbee Chương 6: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 10 Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên ñồ án tốt nghiệp này không tránh khỏi các sai sót. Mong ñược sự góp ý của các thầy, các cô và các bạn ñể nội dung ñồ án ñược hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên thực hiện Nguyễn Tuấn Trung [...]... c n ng c a m t v t có th ñư c t ñ ng ghi l i không c n yêu c u s can thi p b ng tay ng d ng gia ñình l n khác là m t m r ng c a ñ c ñi m nh t ký ñi u khi n không dây t xa (RKE - Remote Keyless Entry) ñư c tìm th y trên nhi u ô tô V i các m ng c m bi n không dây, khóa không dây, các c m bi n c a ra vào và c a s , và các b ñi u khi n bóng ñèn không dây, ch nhà có m t thi t b tương t như m t key – job... ng d ng c a m ng c m bi n không dây 1.4.1 T ñ ng hoá gia ñình và ñi n dân d ng Gia ñình là không gian ng d ng r t l n cho các m ng c m bi n không dây Nhi u ng d ng công nghi p v a ñư c mô t có m i liên h tương t trong gia ñình.Ví d m t h th ng thông gió và ñi u hòa không khí HVAC (Heating Ventilation and Air Conditioning) ñư c trang b v i các b n nhi t và ch ng rung không dây có th b o v các phòng... b x lý g n trong và các thi t b vô tuy n hoàn toàn có th g n trong m t kích thư c r t nh Chúng có th ho t ñ ng trong m t môi trư ng dày ñ c v i kh năng x lý t c ñ cao Do ñó, v i m ng c m bi n không dây ngày nay, ngư i ta ñã có th khám phá nhi u hi n tư ng r t khó th y trư c ñây Ngày nay, các m ng c m bi n không dây ñư c ng d ng trong nhi u lĩnh v c như các c u trúc ch ng l i ñ a ch n, nghiên c u vi...CHƯƠNG 1 T NG QUAN V M NG C M BI N KHÔNG DÂY 1.1 Gi i thi u v m ng c m bi n không dây M ng c m bi n không dây (Wireless Sensor Network) bao g m m t t p h p các thi t b c m bi n s d ng các liên k t không dây (vô tuy n, h ng ngo i ho c quang h c) ñ ph i h p th c hi n các nhi m v c m bi n phân tán v ñ i tư ng m c tiêu M ng... t trong vư n 25 nho, nơi mà nh ng thay ñ i môi trư ng nh y c m có th giá tr v mùa và làm th nào ñư c x lý nh hư ng l n ñ n 1.5 Nh ng h n ch trong vi c phát tri n m ng c m bi n không dây Xác ñ nh rõ nh ng h n ch c a m ng c m bi n không dây và các v n ñ k thu t s g p ph i khi tri n khai giúp ta t n d ng tri t ñ nh ng thu n l i cũng như ti n ích t nh ng ng d ng vô cùng to l n c a m ng c m bi n không dây. .. ng lo i giao th c m i l p giao v n 1.3.3 L p m ng Các node c m bi n ñư c phân b dày ñ c trong m t trư ng g n ho c ngay bên trong các hi n tư ng m c tiêu như trong hình 1.1 Giao th c ñ nh tuy n không dây ña bư c phù h p gi a node c m bi n và node Sink là c n thi t K thu t ñ nh tuy n trong m ng Ad hoc thông thư ng không phù h p nh ng yêu c u c a m ng c m bi n L p m ng c a m ng c m bi n ñư c thi t k theo... nút, thi t b khóa t t c các c a ra vào và c a s trong nhà, t t h u h t các bóng ñèn trong nhà (tr m t vài bóng ñèn ng ), b t các bóng ñèn an toàn ngoài nhà, và thi t l p h th ng HVAC ñ n ch ñ ng Ngư i s d ng nh n m t ti ng beep m t l n h i ñáp th hi n t t c ñã th c hi n thành công, và ngh ngơi hoàn toàn, như v y ngôi nhà an toàn Khi m t cánh c a h ng không th m , ho c có v n ñ , m t màn hình hi u th... 1.4.2 C m bi n trong quân s Các m ng c m bi n không dây là m t ph n không th thi u trong các ng d ng quân s ngày nay v i các h th ng m nh l nh, ñi u khi n, thu th p tin t c tình báo truy n thông, tính toán, theo dõi k tình ngh , trinh sát và tìm m c tiêu Các ñ c tính tri n khai nhanh chóng, t t ch c và kh năng ch u ñ ng l i c a các m ng c m bi n cho th y ñây là m t công ngh ñ y tri n v ng trong lĩnh v... Internet hay v tinh Các node c m bi n không dây có th ñư c tri n khai cho các m c ñích chuyên d ng như giám sát và an ninh; ki m tra môi trư ng; t o ra không gian thông minh; kh o sát, chính xác hóa trong nông nghi p; y t ; L i th ch y u c a chúng là kh năng tri n khai h u như trong b t kì lo i hình ñ a lý nào k c các môi trư ng nguy hi m không th s d ng m ng c m bi n có dây truy n th ng ñư c Vi c k t h... các hi n tư ng trong th gi i th c nên vi c thi t k m ng ph i thích h p v i các ñ c trưng c a môi trư ng mà có c m nh n M ng c m bi n không dây ph i ñư c thi t k phù h p v i t ng ng d ng như ki m tra trong quân ñ i, c nh báo cháy r ng; dùng lo i c m bi n nào ñ ño nhi t ñ , ánh sáng, âm thanh hay ñ m t ng lo i ng d ng Thách th c l n nh t trong m ng c m bi n là ngu n năng lư ng b gi i h n và không th n p . Ưngs dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 114 6.1. Kiến trúc của hệ cảm biến 114 6.2 Các ứng dụng mạng cảm biến trong gia ñình 114 6.3 Một số loại cảm biến ứng dụng trong cảnh báo. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 11 1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11 1.2 Các thành phần của mạng cảm biến 11 1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13 1.3.1 Lớp ứng dụng 15 1.3.2. 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

Ngày đăng: 02/07/2014, 16:07

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan