Báo cáo tốt nghiệp: Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây potx

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG



iso 9001 : 2000


BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN


Đề tài :Nghiên cứu kiến trúc cluster của mạng cảm nhận không dây


Giáo viên hƣớng dẫn :Th.s Hoà Quang Dự
Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Hạnh
Lớp CT701 Khoá 7

Hải phòng tháng 7 năm 2007

2
MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

1, Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm nhận không dây,Khái
niệm,Yêu cầu của WSN, Ưu nhược điểm của WSN,Kiến
trúc,Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế
giới và Việt Nam hiện nay.

2, Nghiên cứu, xây dựng một mạng cảm nhận không dây

kiến trúc CLUSTER với cách thức chon nút gốc, cách thức
quản lý các nút mạng trong một CLUSTER,cách thức giao
tiếp giữa các nút mạng, cách thức xử lý sự cố khi một nút
trong CLUSTER bi hỏng, hoặc thêm bớt một nút mạng
trong một CLUSTER

3, Viết chương trình truyền dữ liệu giữa các nút mạng
làm cơ sở để xây dựng các ứng dụng thực tế của mạng
cảm nhận không dây, ví dụ: xây dựng hệ thống đo khí
tượng dự báo thời tiết, cảnh báo thảm họa môi trường…


3
Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.1Khái niệm mạng cảm nhận không dây:
WSN là một mạng không dây, mà các nút mạng là các vi điều
khiển sau khi đã được cài đặt các phần mềm nhúng, kết
hợp với các bộ phát sóng vô tuyến cùng với các cảm biến
và nó có khả năng thu nhận ,xử lý dữ liệu từ môi trường
xung quanh nút mạng và từ các nút mạng khác truyền tới
1.2. Yêu cầu của mạng cảm nhận không dây:
+ Các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít
+ Các nút mạng có thời gian sống dài
+ Độ bao phủ rộng
+ Mạng phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát
hiện ra các nút bị hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu
hình lại mạng.
+ Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự
+ kích thước vật lý nhỏ
+ Bảo mật và tốc độ thu thập thông tin hiệu quả giá thành rẻ

và tính dễ triển khai
4
Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.3.Ƣu nhƣợc điểm của WSN:
1.3.1 Ƣu điểm của WSN:
+ Tính linh hoạt
+ Tiết kiệm được chi phi xây lắp
+ Dễ dàng sử dụng và cài đặt
+ Dễ dàng mở rộng hệ thống mạng
1.3.2 Nhƣợc điểm của WSN:
+ Mạng cảm nhận không dây có thể cho mọi người truy
cập ở bất kỳ đâu nhưng do thiết bị di động có màn
hình hiển thị nhỏ nên khi hiển thi thông tin gặp khó
khăn
+ Tốc độ truyền dữ liệu của mạng không dây chậm
+ An toàn bảo mật thông tin trên mạng phức tạp
5
Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.4. Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây:
1.4.1 Mạng đơn : Tất cả các nút liên lạc trực tiếp tới trạm gốc





Base Station
1.4.2 Mạng liên kết bước :
Các nút ở xa truyền dữ liệu tới trạm gốc thông qua các nút
trung gian,

Nút trung gian tiêu hao năng lượng nhiều

6
Chƣơng 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây
1.4. Các Kiến trúc của mạng cảm nhận không dây:
1.4.3 Mạng liên kết bó :
Nhóm các nút gần nhau tập hợp dữ liệu và đánh dấu một nút
giữ việc truyền thông với trạm gốc.





Base Station
1.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng WSN ở Trên thế
giới và Việt Nam hiện nay.
1.5.1 Ứng dụng WSN ở Trên thế giới
1.5.2 Ứng dụng WSN ở Việt Nam
7
CHƢƠNG II : Kiến trúc nút WSN
II.1 Bộ vi xử lý: Xử lý dữ liệu thu thập từ môi trường và tín
hiệu truyền nhận giữa các nút
II.2 Bo mạnh: Bao gồm nguồn nuôi, ăng ten ,các cổng giao
tiếp và là nơi để tích hợp các thiết bị như : bộ cảm biến ,
bộ lưu trữ dữ liệu,bộ truyền thông…
II.3 Bộ lƣu trữ: Kiến trúc bộ lưu trữ phải nhỏ: sử dụng bộ
nhớ DRAM và Flash.

II.4 Bộ truyền thông: Mô hình truyền thông thường được đề
cập trong WSN hiện thời là việc truyền thông đa bước theo
kiến trúc bó. các kết quả hiện thời chỉ ra rằng việc truyền
thông đa bước theo kiến trúc bó sẽ tiết kiệm được năng lượng
II.5 Bộ cảm biến, bộ khởi động: Có rất nhiều loại cảm biến
(quang, cơ, nhiệt ) bộ cảm biến như là đôi mắt của mạng
cảm nhận không dây còn bộ khởi động như là cơ bắp của nó
8
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
III.1 Giới thiệu chung về kiến trúc CLUSTER
Trong mạng tổ chức thành một tập hợp của những bó các nút,
mỗi nút thuộc về một bó,mỗi bó có NID và CID.Các nút trong
bó thực hiện một giải thuật để chọn nút đầu bó và các thành
viên khác. Tất cả các nút thành viên trong bó truyền dữ liệu
của chúng tới nút đầu bó, nút đầu bó nhận dữ liệu từ các thành
viên trong bó, thực hiện xử lý và truyền dữ tới trạm gốc.





9
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
Ƣu điểm:Tiết kiệm năng lượng truyền từ các nút tới trạm
gốc,nhanh chóng, tiện dụng tránh xung đột,dễ dàng mở rộng
kích thước mạng
Nhƣợc điểm: Năng lượng tại các nút đầu bó tiêu hao nhanh,
phải có giả thuật chon nút đầu bó,phải quản lý được kích

thước bó,giao thức truyền thông giữa các nút tránh xung đột.
Chu kỳ thiết lập bó:Các nút đầu bó được chọn sẽ quảng bá
thông điệp thông báo đến các nút lân cận. Các nút lân cận sẽ
tiếp nhận các thông điệp của các nút đầu bó và lựa chọn để trở
thành nút thành viên của bó, bằng cách gửi lại một thông điệp
tới nút đầu bó mà nó tham gia. Nút đầu bó tiếp nhận các thông
điệp, rồi tạo ra lịch trình gửi tới các nút thành viên để thông
báo khung thời gian làm việc
10
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp 1
Mỗi nút tự bầu chọn chính mình thành nút đầu bó với xác suất
Pi(t) trong tổng số N nút mạng


Với k: số lƣợng nút đầu bó

Để đảm bảo mỗi nút trở thành nút đầu bó duy nhất một lần
trong mỗi N/k vòng, đánh dấu Ci(t) = 0 nếu nút đã là nút đầu
bó trong vòng hiện tại và Ci(t) = 1 nếu ngược lại.Mỗi cá nhân
nút chọn làm nút đầu bó trong vòng r với xác suất Pi(t)
Giá trị: N - k*(r mod N/k) đại diện cho số lượng các nút chưa
được chọn
Sử dụng r mod N/k bảo đảm bắt đầu lại sau khi tất cả các nút
đã được chọn lọc


11
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER
Giải thuật chọn nút đầu bó – Trƣờng hợp 2
Các nút có mức năng lượng cao hơn sẽ có xác suất trở thành
nút đầu bó cao hơn các nút khác
Như vậy, xác suất mỗi nút được chọn dựa trên mức năng
lượng của mỗi nút và mức năng lượng tổng thể của các nút
trong bó




Với Ei(t) là mức năng lượng của nút i



Chú ý rằng giải thuật này yêu cầu mỗi nút cần phải biết giá trị
Etotal(t), để xác định chính xác giá trị thời gian hoạt động và
năng lượng tiêu thụ

12
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
Sơ đồ thiết lập bó

Hình 3.4: sơ đồ thiết lập bó
Nút i là
đầu bó
Thông báo trạng thái
nút đầu bó
Đợi thông báo của
các nút đầu bó
Đợi các thông báo
join-REQ của các nút
Gửi các thông báo join-
REQ tới nút đầu bó đã

chọn
Tạo lịch trình TDMA
và gửi các thành viên
của bó
t=0

Đợi lịch trình làm việc
từ nút đầu bó
t=0
Thực hiện giai đoạn trạng
thái ổn định trong
t=T
round
giây
Đúng
Sai
13
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
Truyền dữ liệu
trong chế độ bytemode: các bit trong thanh ghi dịch 8 bit
được chuyển tới bộ điều chế.Nó sẽ nạp dữ liệu mới từ thanh
ghi RFBUF, sẽ có 1 yêu cầu ngắt được sinh ra để RFBUF có
thể nạp dữ liệu
Trong chế độ bitmode: tại mỗi thời điểm chỉ có 1 bit được
đưa vào bộ đệm. Vì vậy thanh ghi dịch sẽ nạp 1 bit mới từ
RFBUF sau mỗi bit được truyền đi. Để có thể ghi 1 bit mới
vào RFBUF, Để có thể bắt đầu truyền dữ liệu 1 cách nhanh
chóng thì byte hoặc bit đầu tiên phải được nạp vào thanh ghi
RFBUF. Sau đó nó sẽ được nạp vào thanh ghi dịch và 1 yêu

cầu ngắt sẽ được sinh ra cho byte/bit thứ 2.
14
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
Nhận dữ liệu
Khi nhận dữ liệu bộ đệm sẽ làm các công việc ngược lại so
với quá trình truyền dữ liệu.
Từng bit 1 trong bộ giải mã được chuyển vào thanh ghi dịch
dữ liệu được đưa sang RFBUF và yêu cầu ngắt được sinh ra.
trong chế độ bytemode Các byte phải được đọc trong 1 chu
kỳ byte (chu kỳ 8 Baud đối với mã NRZ và chu kì 16 Baud
đối với mã Manchester). Nếu không thì dữ liệu cũ sẽ bị ghi đè.
Trong chế độ bitmode việc nạp đệm dữ liệu diễn ra tương tự
nhưng tại một thời điểm chỉ có một bit được nạp vào. Vì vậy
khi bit dữ liệu mới đến từ bộ giải mã thì thanh ghi dịch sẽ lưu
trữ nó và lưu bit cuối cùng vào RFBUF.0. Nó sẽ sinh ra một
yêu cầu ngắt để có thể nhận được bit dữ liệu.
15
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó)
Giao thức truyền thông tránh xung đột
Lộ trình trong mạng:giao thức DSR (Dynamic Source
Routing) là giao thức định tuyến phản ứng sử dụng định tuyến
nguồn (source routing) đặc trưng cho giao thức theo yêu cầu
(on-demand protocol). Tiêu đề của các gói tin dữ liệu chứa thứ
tự các nút mà gói tin cần phải đi qua để tới đích. Do vậy, các
nút trung gian chỉ cần giữ liên lạc với các nút hàng xóm ngay
sát cạnh mình để chuyển tiếp các gói tin. Ngược lại, nút nguồn
cần phải biết thứ tự của toàn bộ các chặng để đạt tới đích.
III.5.2Các giao thức bao gồm .

DSR (Dynamic Source Routing) bao gồm 2 giai đoạn:
Route Discovery (Phát hiện đường)
Route Maintenance (Duy trì đường)

16
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó)
Giao thức MAC (giao thức điều khiển truy cập)
nhiệm vụ cơ bản của giao thức MAC là tránh xung đột để hai
nút bất kì không truyền thông tại cùng 1 thời điểm. Có rất
nhiều giao thức MAC được phát triển
TDMA (Time division multiple access).
CDMA (Code division multiple access).
S-MAC (Sensor MAC), một giao thức MAC mới được
thiết kế dành riêng cho mạng cảm nhận không dây Trong
đó việc giảm bớt tiêu thụ năng lượng là mục đích chính


17
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER
giới hạn nút trong bó(quản lý kích thƣớc bó)
Tránh việc có quá nhiều hay quá ít các nút trong một bó, đảm
bảo kết nối tốt và tránh xung đột.Gọi A là nút đầu bó ,n(A) là
số các nút nhỏ nhất và N(A) là số các nút lớn nhất trong một
bó , khi đó số khả thi được đưa ra là N(A) = 8 với 3bit địa chỉ
được gán cho một bó.
Nếu không đủ số nút cho một bó thì nút đầu bó giữ tín hiệu
join và tăng bán kính(r) truyền lên : r = k.r (là giới hạn số
lượng các nút mới) với k>1. Do đó xuất hiện giá trị Rmax ,

Nếu r>Rmax thì thuật toán sẽ kết thúc


18
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER (Kiến trúc bó)
khả năng tự cấu hình:
khả năng tự động tổ chức và duy trì mạng mà không cần sự
can thiệp của người quản trị mạng là một yêu cầu đối với
mạng cảm nhận không dây kiến trúc bó. Bao gồm 4 giai đoạn :
Giai đoạn cấu hình : các nút mạng bắt đầu tập hợp lại thành
bó.
Giai đoạn duy trì :Mỗi nút mạng phát ra đều đặn một tín hiệu “
I`m alive”, nó thông báo cho các nút lân cận của nó bảng định
tuyến và nó vẫn còn trong mức độ năng lượng hoạt động. Tiến
trình này được gọi là sự kiểm tra hoạt động, một nút mạng sẽ
hỏi các nút khác để biết nếu nó còn đang hoạt động.
Giai đoạn cấu hình lại : Một nút khi phát hiện ra nút lân cận bị
lỗi hoặc một bó bị phân chia, và nó cập nhật bảng định tuyến
của nó. Nếu một bó bị chia cắt, bó đó sẽ cố gắng kết nối vào
một bó hiện tại khác trong khi vẫn giữ nguyên sự cân bằng
của về cấp độ trong mạng.






19
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -

KIẾN TRÚC CLUSTER
khả năng cấu hình lại khi thêm nút hoặc nút bị hỏng:
Quá trình khám phá:Mỗi nút tạo cho mình một bán kính
truyền r để phát tín hiệu “Hello”Nếu nhận được tín hiệu “I
am here” còn khả năng kết nạp vào bó thì nó ghi nhận bán
kính truyền r

Quá trình cấu hình mạng: lắng nghe lời mời kết nối của nút
đầu bó. Nếu có, nó sẽ phát tín hiệu “join-repuest”. Nếu nhận
được tín hiệu chấp nhận “join-confim” nó sẽ trả lời bằng tín
hiệu ACK và kết nối với bó đó. Ngược lại, nó sẽ quay trở lại
giai đoạn nghe. Nếu không có lời mời nào thì nó sẽ trở thành
nút đầu bó với địa chỉ ban đầu là 000. Sau đó nó phát tín hiệu
mời kết nối “join .







20
CHƢƠNG III : MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY -
KIẾN TRÚC CLUSTER

Quá trình duy trì cấu hình mạng: Cứ sau 30giây các nút phát
một tín hiêu kiểm tra “I am alive”và nghe xem có tín hiệu trả
lời ACK từ các nút trong bó không .khi nhận được tín hiệu
kiểm tra thì các nút gửi lại ACK để báo cho nút đó biết rằng
nó vẫn đang hoạt động. Nếu trong khoảng thời gian là 6 lần

mà không nhận được một ACK từ nút đó trong bó thì nó sẽ
coi như nút bị lỗi

Quá trình tự cấu hình lại mạng:Nếu phát hiện ra một nút hay
một đường liên kết bị lỗi, nút đó sẽ quay trở lại quá trình
khám phá từ đầu








21
CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM
NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER
Khái quát về chƣơng trình
Chương trình sử dụng các chuyển mạch CC1010EB (1-4) để
truyền gói dữ liệu và đo cường độ của tín hiệu. Sử dụng các
đèn để thông báo truyền/nhận thành công hay thất bại:
Blue: Truyền - Yellow: Nhận- Red: Truyền/nhận bị lỗi -
Green: Truyền/nhận thành công
Hàm halRFSetRxTxOff(…) được dùng để thiết lập cặp kênh
truyền/nhận, tín hiệu sóng mang được truyền đi bằng hàm
halRFSendPacket(…) và nhận bằng hàm
halRFReceivePacket2(…). Sau đó tín hiệu được bộ xử lý xử
lý và điều khiển các đèn thông báo quá trình truyền nhận
thành công hay thất bại.

22
CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM
NHẬN KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER
Các bƣớc thực hiện chƣơng trình
Bƣớc1: bật các chuyển mạch được gắn các cảm biến CC1010
,nếu đèn Blue không sang quay lại kiểm tra nguồn và thực
hiện bật lại, nếu đèn Blue bật sang chuyến sang bước 2
Bƣớc 2: khi đèn Blue được bật sáng, nghĩa là các nút sẵn sàng
truyền tín hiệu thực hiện tạo gói tin kiểm thử .
Bƣớc 3: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX gửi gói tin
Bƣớc 4: thiết lập cặp kênh truyền RX/TX biên nhận gói tin
Bƣớc 5: kiểm tra xem số byte nhận được =1và độ dài xâu
nhận –ACK_BYTE tắt đèn Blue bật đèn Green ,nếu ngược lại
bật đèn Red và quay lai bước 2
Bƣớc 6: hiển thị kết quả nhiệt độ đo được và tần số sóng lên
màn hình máy tính
23
CHƢƠNG IV: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN
KHÔNG DÂY KIẾN TRÚC CLUSTER
Sơ đồ khối và giải thuật:

Đèn blue bật sáng
Đèn blue tắt
Bigin
Các chuyển mạch
được bật
Tạo gói tin kiểm thử
Thiết lập cặp kênh truyền
gửi gói tin
Thiết lập cặp kênh truyền
Biên nhận gói tin
Số byte nhận được =1
Và độ dài xâu
nhận =ACK_BYTE
Tắt đèn yellow bật đèn green
Hiển thị kết quả
End
Bật đèn red
Tắt đèn blue bật đèn yellow
24
LỜI CẢM ƠN
Trước hết em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối
với thầy giáo hướng dẫn Thạc sĩ Hòa Quang Dự, đã
tận tình giúp đỡ em để em hoàn thành báo cáo

Em xin cảm ơn Ban giám hiệu và các Thầy cô giáo của
Trường Đại học Dân Lập Hải Phòng đã giảng dạy

,cung cấp cho chúng em những kiến thức giúp chúng
em hiểu rõ hơn các lĩnh vực đã nghiên cứu để hoàn
thành đề tài .
Xin cảm ơn các bạn bè và gia đình đã động viên cổ vũ,
đóng góp ý kiến, giúp em hoàn thành đề tài

Hải Phòng ngày 26 tháng 7 năm 2007

25