Đang tải... (xem toàn văn)
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TÌM ĐƯỜNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện: TRẦN TUẤN VIỆT Lớp ĐT3- K50 Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN NAM QUÂN Hà nội, 6 -2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ……………………………… Số hiệu sinh viên: …………… Khoá: ………. Khoa: …………………………… Ngành: ……………………… . 1. Đầu đề đồ án: …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu: …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Ứng dụng mạng cảm biến không dây. Các giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây. Các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến. 4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 2 …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… 5. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………… 7. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………. Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện 3 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .Số hiệu sinh viên: . Ngành: .Khoá: Giảng viên hướng dẫn: . Cán bộ phản biện: 1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp: . 2. Nhận xét của cán bộ phản biện: 4 Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) 5 Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây LỜI NÓI ĐẦU Trước sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin và truyền thông. Nhu cầu trao đổi thông tin, dữ liệu của con người ngày càng cao và đa dạng. Chính vì những nhu cầu và sự phát triển đó mà những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa dạng các chức năng đã nhận được sự chú ý đáng kể. Khi mạng cảm biến không dây xuất hiện trên thị trường và trở thành một lựa chọn khả thi, thì mạng cảm biến không dây bắt đầu mang một diện mạo mới. Sự phát triển của công nghệ là nhân tố thúc đẩy thế giới cảm biến tìm đến các giải pháp thay thế để giảm chi phí, độ phức tạp và tăng mức độ tin cậy. Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, em đã lựa chọn và đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Vì việc đưa ra giao thức định tuyến như thế nào là một bài toán rất khó để giải quyết được vấn đề năng lượng cũng như trễ truyền dẫn. Do đó mà em đã quyết định chọn đề tài này làm đồ án tốt nghiệp. Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em đã được học hỏi những kiến thức quý báu từ các thầy, cô giáo của Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội trong suốt năm năm qua. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong suốt thời gian đó. Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Nam Quân đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ chỉ dẫn giúp em hoàn thành đề tài này,và em cũng chân thành cảm ơn TS .Hoàng Mạnh Thắng và Kỹ Sư Nguyễn Huy Hoàng thuộc bộ môn Điện Tử Tin Học – Khoa Điện Tử - Viễn Thông – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội,đã có những lời khuyên quý báu trong quá trình làm đồ án . Các thầy đã giúp đỡ em về mọi mặt trong suốt quá trình thực hiện đề tài này . Hà Nội, tháng 5 năm 2010 SV Trần Tuấn Việt ĐT3 – K50 6 Trần Tuấn Việt Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây TÓM TẮT ĐỒ ÁN Sự phát triển của mạng cảm biến không dây mở đầu là các ứng dụng trong quân đội. Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học và công nghệ, ngày nay mạng cảm biến không dây còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân dụng bao gồm : giám sát môi trường sống, chăm sóc sức khỏe, nhà thông minh và điều khiển giao thông. Mạng cảm biến không dây 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 không dây. Sau đó phần cuối cùng sẽ là các kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây, sử dụng phần mềm OMNet++ Đồ án này gồm 5 chương : Chương 1 : Tổng quan về mạng cảm biến không dây. Chương này trình bày những khái niệm chung nhất về mạng cảm biến không dây và đưa ra cấu trúc của mạng cảm biến không dây. Chương 2 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây. Chương này trình bày những ứng dụng cụ thể của mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Chương 3 : Giao thức điều khiển truy cập trong mạng cảm biến không dây. Chương này đưa ra các giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến không dây. Chương 4 : Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Chương này đưa ra các thuật toán định tuyến chủ yếu dùng trong mạng cảm biến không dây, ví dụ : LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion… Chương 5 : Kết quả mô phỏng các giao thức định tuyến LEACH sử dụng OMNet++ Chương này sẽ đưa ra các hình ảnh minh họa về nguyên lý hoạt động của các giao thức định tuyến. ĐT3 – K50 7 Trần Tuấn Việt Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây Abstract The development of Wireless Sensor Network is begun by application for army. However, The development of Science and technology, Nowadays, Wireless Sensor Networks are also applied in many fields of application include : invironmental monitoring, health care, smart home and control traffic. Wireless Sensor Networks are a very broad field. This thesis will present the best overview about the features of wireless sensor networks. Then the last part will be the simulation results of routing protocols in wireless sensor networks, using software OMNet++ This thesis include 5 chapters : Chapter 1 : Overview of Wireless Sensor Networks. This chapter presents the best general concept of wireless sensor networks and give the structure of wireless sensor networks. Chapter 2 : Applications of Wireless Sensor Networks. This chapter presents the specific applications of wireless sensor networks in many fields of life. Chapter 3 : Medium Access Control Protocols for Wireless Sensor Network. This chapter offers specific protocols in wireless sensor networks. Chapter 4 : Routing protocols for Wireless Sensor Networks. This chapter offers the routing algorithm is mainly used in wireless sensor networks, for example : LEACH, PEGASIS, Directed Disffusion… Chapter 5 : The simulation results of routing protocols used OMNet++ This chapter shows the illustration of the principles of operation of the routing protocols. ĐT3 – K50 8 Trần Tuấn Việt Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 6 TÓM TẮT ĐỒ ÁN .7 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN .11 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU .12 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG ĐỒ ÁN 13 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .14 1.1 Giới thiệu 14 1.2. Tổng quan về kĩ thuật WSN .18 1.2.1 Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến .19 1.2.2 Các thách thức và trở ngại: 26 CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .29 2.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây .29 2.2 Các ví dụ của mạng theo từng mô hình 35 CHƯƠNG 3 : GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY CẬP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .38 3.1 Giới thiệu .38 3.2 Mô hình giao thức cho WSNs 38 3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs .39 3.3.1 Giao thức MAC dựa trên cơ sở kế hoạch (Schedule-Based Protocols) .40 3.3.2 Giao thức MAC truy cập ngẫu nhiên (Random Access-Based Protocols) 41 3.4 Giao thức SENSOR MAC .42 3.4.1 Lắng nghe và nghỉ theo chu kỳ (Listen and Sleep) 42 3.4.2 Sự phối hợp và lựa chọn lịch làm việc. 43 3.4.3 Đồng bộ khung thời gian 44 3.4.4 Lắng nghe thích ứng 45 3.4.5 Điều khiển truy cập và trao đổi dữ liệu 45 3.4.6 Chuyển thông điệp 47 3.5 Chuẩn IEEE 802.15.4 LR-WPANs 48 CHƯƠNG 4 : GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 56 4.1 Giới Thiệu . 56 4.2 Giao thức định tuyến trong WSNs .58 4.2.1 Flooding và Gossiping .58 4.2.2 Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN – Sensor Protocols for Information via Negotiation) 61 4.2.3 Phân nhóm phân cấp thích ứng năng lượng thấp (LEACH - Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) .66 4.2.4 PEGASIS (Power – Efficient gathering in Sensor Information System) 70 4.2.5 Directed Disffusion 73 CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN LEACH DÙNG OMNeT++ .77 5.1. Giới thiệu chung về OMNeT++ 78 5.1.1. Tổng quan về OMNeT++ .78 ĐT3 – K50 9 Trần Tuấn Việt Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây 5.1.2. Sử dụng OMNeT++ 81 5.2 mô hình mô phỏng 85 5.2.1 xây dựng các module 85 5.2.2 Mô phỏng đối tượng kẻ đột nhập (object module ) .88 5.2.3 Mô phỏng một mạng cảm biến với các đối tượng kẻ đột nhập 89 5.3 lý thuyết nền tảng .92 5.3.1 cở sở lý thuyết thu phát không dây .92 5.4 Kết quả mô phỏng 98 5.4.1 Tóm lược các bước mô phỏng 98 5.5 Xây dựng kịch bản .99 5.4.2 Kết quả mô phỏng 101 b. Pha ổn định trạng thái .106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .111 ĐT3 – K50 10 Trần Tuấn Việt [...]... mạng cảm biến Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểm quan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các con cảm biến hay chính là sự giới ĐT3 – K50 Việt 14 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây hạn về năng lượng của chúng Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suất thấp Các node cảm biến. .. tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng ĐT3 – K50 Việt 28 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây Chia ra làm 2 loại ứng dựng theo mô hình: hệ thống điểm - điểm dùng định tuyến tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến... node trong mạng Do vậy, C1WSNs tổng quát hơn so với mô hình C2WSNs Sự phát triển mạng cảm biến, thông tin, và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm) ĐT3 – K50 Việt 19 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường Hình 1.1 cho thấy mô hình cấu trúc của mạng cảm biến. .. cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng Giới thiệu về node cảm biến : ĐT3 – K50 Việt 20 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến Các thành phần cấu tạo nên một node trong mạng cảm biến như trên hình 1.2: đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing...Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TRONG ĐỒ ÁN 20 Hình 1.1 : Mô hình mạng cảm biến thông thường 20 Hình 1.2 : Cấu tạo nút cảm biến 21 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến 23 Hình 1.4 : Các giao thức có thể dùng cho Lower-layer WSN ... truyền và băng thông tối đa ĐT3 – K50 Việt 24 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vẫn còn thiếu các tiêu chuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảm biến cho mục đích thương mại Năm chức năng của mạng cảm biến không dây : Định tuyến và. .. Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây Hình 2.8 : Ứng dụng trong trồng trọt • Ứng dụng trong chăn nuôi: Trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát Hình 2.9 : Ứng dụng trong chăn nuôi Trong quân sự Các mạng cảm biến có vai trò quan trọng trong hệ thống C4ISRT (military command,... Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây được xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băng thông kênh truyền Một vài kĩ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến như sau: • Kỹ thuật truyền vô tuyến Dãy truyền sóng Sự hư hại đường truyền Kĩ thuật điều chế Giao thức mạng • Tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g... rải rác • Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến ( có dây hoặc vô tuyến ) • Điểm trung tâm tập hợp dữ liệu (Clustering) • Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm Một node cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay còn gọi là các mote Mạng cảm biến không dây ( WSN ) là mạng cảm biến trong đó liên kết các node cảm biến bằng sóng vô tuyến.(RF connection) trong đó các node mạng thường... một cách tự phát, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc ĐT3 – K50 Việt 29 Trần Tuấn Đồ án tốt nghiệp Đề tài : Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến LEACH trong mạng cảm biến không dây quang học Cũng vậy, chúng . cập trong mạng cảm biến không dây. Chương này đưa ra các giao thức đặc trưng trong mạng cảm biến không dây. Chương 4 : Giao thức định tuyến trong mạng cảm. biến không dây, em đã lựa chọn và đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng các giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Vì việc đưa ra giao thức định
