Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông Các ứng dụng của công nghệ cảm biến không dây và đánh giá bằng mô phỏng
Người thực hiện: Đỗ ngọc AnhLớp: D2001VTNgười hướng dẫn: TS. Đinh Văn DũngHỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG----------------**----------------ĐỒ ÁNTỐT NGHIỆP ĐẠI HỌCĐề tàiCÁC ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG MÔ PHỎNGHà Nội 2005 ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌCHọ và tên: Đỗ ngọc AnhLớp: D2001VTKhoá học: 2001 - 2006Nghành: Điện tử - Viễn thôngTên 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: 25/10/2005HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BCVTKHOA VIỄN THÔNG I----------o0o----------CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc----------o0o----------Ngày tháng năm 2005Giáo viên hướng dẫnTS. 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 LỤCMỤC LỤC ITHUẬT NGỮ VIẾT TẮT .IIILỜI NÓI ĐẦU .1CHƯƠNG 1 .3TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .31.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 31.2 Mô tả hệ thống tổng quát .31.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây .51.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp .51.3.2 Chi phí thấp 61.3.3 Mức độ khả dụng 61.3.4 Kiểu mạng 61.3.5 Bảo mật .71.3.6 Thông lượng dữ liệu .91.3.7 Trễ bản tin .91.3.8 Tính di động .101.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây .101.4.1 Kích thước vật lý nhỏ .101.4.2 Hoạt động đồng thời với độ tập trung cao .101.4.3 Khả năng liên kết vật lý và phân cấp điều khiển hạn chế .101.4.4 Tính đa dạng trong thiết kế và sử dụng .111.4.5 Hoạt động tin cậy .111.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây .111.5.1 Lớp ứng dụng .131.5.2 Lớp giao vận .131.5.3 Lớp mạng 141.5.4 Lớp liên kết số liệu .141.5.5 Lớp vật lý 151.6 Các hỗ trợ truyền thông cho mạng cảm biến không dây 161.6.1 Hệ điều hành TinyOS .161.6.2 Hệ thống Cảm biến mạng tích hợp không dây WINS 26CHƯƠNG 2 37CÁC ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .372.1 Các ứng dụng của công nghệ mạng cảm biến không dây 372.1.1 Giám sát và điều khiển công nghiệp 372.1.2 Tự động hoá gia đình và điện dân dụng 402.1.3 Cảm biến trong quân sự .422.1.4 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khoẻ .432.1.5 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 442.2 Một ứng dụng giám sát môi trường sống - đảo Great Duck Island 462.2.1 Các yêu cầu cho giám sát môi trường sống trên đảo GDI .472.2.2 Các kế hoạch thi hành 51CHƯƠNG 3 57MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 573.1 Mô hình hoá mô phỏng .573.1.1 Mô hình SWAN theo dõi mức độ ô nhiễm môi trường .573.1.2 Mô hình của trường Đại học Los Angeles California 643.2 Thiết kế phần mềm mô phỏng mạng cảm biến không dây .70I 3.2.1 Phần mềm NS-2 703.2.2 Cơ sở phát triển mô phỏng mạng cảm biến trên nền NS-2 .733.2.3 Các bổ sung vào NS-2 743.2.4 Các chỉnh sửa trong NS-2 763.3 Mô tả mã lập trình mô phỏng 783.3.1 Thiết lập kênh hiện tượng và kênh dữ liệu .783.3.2 Thiết lập một giao thức MAC cho kênh Phenomenon 793.3.3 Thiết lập các node Phenomenon 793.3.4 Thiết lập tốc độ và kiểu xung của Phenomenon 793.3.5 Định hình node cảm biến .803.3.6 Thiết lập các node non-sensor (điểm thu thập dữ liệu, Gateway) .813.3.7 Gắn kết các tác nhân cảm biến .813.3.8 Gắn kết một tác nhân UDP và ứng dụng cảm biến cho mỗi node .813.3.9 Khởi động ứng dụng cảm biến .814.1 Mô tả kịch bản mô phỏng 824.2 Thực hiện mô phỏng .824.2.1 Viết mã và chạy mô phỏng 824.2.2 Tính toán kết quả 844.2.3 Tính tỷ lệ mất gói udp tại lớp giao 854.2.4 Tính độ trễ gói (s) .874.2.5 Tính tốc độ gói udp trung bình (kbps) .884.3 Đánh giá kết quả đạt được sau mô phỏng .90KẾT LUẬN .92II THUẬT NGỮ VIẾT TẮTAODVAd hoc On - Demand Distance - Vector RoutingChuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad hocCSMACarrier Sense Multiple AccessĐa truy nhập cảm biến sóng mangDAMDistributed Aggregate ManagementGiao thức quản lý khối kết hợp phân tánDSDVDestination-Sequenced Distance-VectorChuỗi chỉ hướng với đích tuần tự DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn độngGLONASSGlobal Navigation Satellite SystemHệ thống vệ tinh điều hướng toàn cầuGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầuHVACHeating, Ventilation, and Air ConditioningHơi ấm, thông gió và các điều kiện không khíMAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trườngNS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2PDA Personal Digital Assistant Trợ tá số cá nhân RF Radio Frequency Tần số vô tuyếnRFM RF Monolithic Thành phần nguyên khối tần số vô tuyếnRKE Remote Keyless Entry Đăng nhập chỉ mục không khoá từ xaSMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lý cảm biếnSQDDPSensor Query and Data Dissemination ProtocolGiao thức truy vấn cảm biến và phổ biến số liệuSWANSimulator for Wireless Ad-hoc NetworksMô hình mô phỏng các mạng Ad hoc không dâyTADAPTask Assignment and Data Advertisement ProtocolGiao thức phân nhiệm vụ và quảng cáo số liệuTDMATime Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gianTORATemporally Ordered Routing AlgorithmThuật toán tìm đường tuần tự theo thời gianUART Universal Asynchronous Receiver TransmitterBộ thu phát không đồng bộ chungVHDLVHSIC Hardware Description LanguageNgôn ngữ mô tả phần cứng Mạch tích hợp mật độ caoWINSWireless Integrated Network SensorsCảm biến mạng tích hợp vô tuyếnWLAN Wireless Local Area Network Mạng nội hạt vô tuyến WPANWireless Personal Area NetworkMạng vùng cá nhân vô tuyếnIII Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầuLỜI NÓI ĐẦUTrong 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 đầuDo 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 2005Sinh viên thực hiệnĐỗ ngọc Anh [...]... 1.2: Các thành phần của node cảm biến 1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây 1.3.1 Tiêu thụ nguồn mức thấp Các ứng dụng mạng cảm biến không dây điển hình yêu cầu các thành phần với nguồn tiêu thụ trung bình, thực chất thấp hơn hiện tại được cung cấp trong các bổ xung của các mạng không dây hiện tại giống như Bluetooth Ví dụ các thiết bị cho các kiểu cảm biến công nghiệp và y tế, các nhãn... quan về mạng cảm biến không dây Hình 1.3: Ngăn xếp giao thức mạng cảm biến không dây Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các kiểu phần mềm ứng dụng có thể được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng Lớp giao vận giúp duy trì dòng số liệu khi các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu Lớp mạng tập trung vào việc định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp giao vận Do môi trường có nhiễu và các node cảm biến có thể di... 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... cảm biến không dây 1.3.8 Tính di động Các ứng dụng mạng cảm biến không dây, phổ biến, không yêu cầu tính động Bởi vì mạng được giải phóng từ gánh nặng của quá trình nhận dạng các đường định tuyến truyền thông mở, các mạng cảm biến không dây mang overhead lưu lượng điều khiển ít hơn và có thể tận dụng các phương pháp định tuyến đơn giản hơn so với mạng di động Ad hoc 1.4 Đặc điểm của mạng cảm biến không. .. minh, các huy hiệu, được cấp nguồn từ các nguồn pin nhỏ, thời gian tiêu thụ một vài tháng đến một vài năm Các ứng dụng bao gồm giám sát và điều khiển thiết bị công nghiệp yêu cầu thời gian sống của nguồn pin dài để duy trì sự tồn tại đưa và vào thiết bị được giám sát không được thỏa thuận Các ứng dụng khác, giống như giám sát môi trường các vùng rộng, có thể yêu cầu một số lượng lớn các thiết bị nên không. .. lượng thấp của nó đã thấp nên nó không thể tham gia vào việc định tuyến cho các bản tin Năng lượng còn lại được dự trữ cho việc cảm biến Mặt bằng quản lý di động dò tìm và ghi lại chuyển động của node cảm biến, vì thế một tuyến đường hướng tới node user luôn được duy trì và các node cảm biến có thể theo dõi được các node cảm biến lân cận Với việc nhận biết được các node cảm biến lân cận, node cảm biến có... ảnh hưởng đến giá thành toàn mạng Nếu chi phí của mạng cao hơn so với việc phát triển các cảm biến truyền thống thì mạng cảm biến là không chấp nhận được Như vậy, giá thành một node cảm biến cần phải giữ ở mức thấp Hiện nay, chi phí sản xuất của một node cảm biến phải thấp hơn 1Dollar thì mạng mới có thể thực hiện được Các node cảm biến ngoài các thành phần chính là bộ cảm biến chuyên dụng, hệ thống... thể cân bằng giữa nhiệm vụ và năng lượng sử dụng Mặt Đỗ ngọc Anh - D2001VT - 12 - Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây bằng quản lý nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến cho một vùng cụ thể Không phải tất cả các cảm biến trong vùng đó được yêu cầu thực nhiệm vụ cảm nhận tại cùng một thời điểm Kết quả là một vài node cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các node... lượng lớn các cảm biến mạng tích hợp vô tuyến được triển khai thật dễ dàng và nhanh chóng (ví dụ, không khí được tách ra từ các trường battle hoặc triển khai trên một khí cầu hoặc tàu không gian) hoặc hình thành cao các mạng cảm biến thừa, tự định cấu hình, chuyên dụng Để không ràng buộc với các nhà phát triển, các node sử dụng các truyền thông không dây, và là năng lực thiết lập và vận hành mạng của riêng... phát triển các ứng dụng phân tán tin cậy 1.5 Kiến trúc và giao thức mạng cảm biến không dây Ngăn xếp giao thức được sử dụng trong bộ thu nhận (node Sink) và tất cả các node cảm biến được minh họa trong hình 1.3 Ngăn xếp giao thức này phối hợp các tính toán về định tuyến và năng lượng, kết hợp số liệu với các giao thức mạng, truyền tin với hiệu quả về năng lượng thông qua môi trường không dây và tăng cường . 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. 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