BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRẦN TIẾN DŨNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN TIẾN DŨNG
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN CÁC HỆ THỐNG
WIRELESS SENSOR NETWORK
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
KHÓA 2009
Hà Nội – 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
TRẦN TIẾN DŨNG
NGHIÊN CỨU THỰC HIỆN CÁC HỆ THỐNG
WIRELESS SENSOR NETWORK
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
hợp hệ thống sẽ căn cứ vào các thiết bị và chuẩn giao thức sẵn có để tạo ra một giải
pháp hoàn thiện, trọn gói cung cấp đến tận tay người sử dụng. Tùy vào đặc điểm
của các ứng dụng mà nhà tích hợp hệ thống đưa ra gói giải pháp phù hợp.
Với nhiều ưu điểm, quan trọng nhất là giá thành rẻ, dễ quản lý và sử dụng,
chi phí bảo trì thấp, mạng cảm biến không dây đã dần chiếm được cảm tình của
người tiêu dùng. Mặt khác, do nhu cầu quản lý thiết bị ngày càng được tự động
hóa, với số lượng lớn, ví dụ như nhu cầu theo dõi thông số môi trường, quản lý
bệnh viện, quản lý phương tiện, cơ sở vật chất…ngày càng gia tăng mà mạng
WSNs có đủ điều kiện đáp ứng được các yêu cầu đó nên việc sử dụng nó là điều tất
yếu.
Từ những nhu cầu trên, việc nghiên cứu và xây dựng một giải pháp mạng
WSNs hoàn thiện áp dụng cho người sử dụng là một việc làm mang tính cấp thiết.
Vì vậy, trong phạm vi luận văn thạc sĩ của mình, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ
Nguyễn Thúy Anh, tôi đã chọn nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu thực hiện các hệ thống Wireless sensor network”
Luận văn được trình bày như sau:
-
Phần mở đầu:
Trình bày lý do chọn đề tài, lịch sử nghiên cứu, mục đích nghiên cứu của luận
văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, tóm tắt các luận điểm cơ bản và phương pháp
nghiên cứu.
2
-
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Trình bày kết luận của tác giả về những điều đã đạt được trong luận văn và
hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Tiến sĩ Nguyễn Thúy Anh, người đã tận
tâm hướng dẫn, định hướng cho tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin cảm
ơn các thầy, cô giáo, cán bộ, nhân viên khoa Điện tử viễn thông, Viện đào tạo sau
đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn
thành luận văn này!
Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù tác giả đã hết sức cố gắng nhưng do
đây là một vấn đề rộng lớn và tương đối khó nên không thể tránh khỏi những khiếm
khuyết và chạn chế. Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để có thể phát
triển, hoàn thiện hơn nữa để đạt được kết quả nghiên cứu tốt hơn và đưa vào ứng
dụng trong cuộc sống.
3
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................2
MỤC LỤC...................................................................................................................4
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................11
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................12
PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................................14
1. Lý do chọn đề tài ...............................................................................................14
2. Lịch sử nghiên cứu ............................................................................................14
3. Mục đích nghiên cứu .........................................................................................15
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu.........................................................................15
5. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ..........................................15
2.1.1.3. Bộ tập hợp dữ liệu.............................................................................28
2.1.1.4. Trung tâm xử lý dữ liệu ....................................................................28
2.1.2. Điều chế tín hiệu......................................................................................29
2.1.3. Quá trình truyền sóng ..............................................................................30
2.1.4. Các công nghệ truyền dẫn không dây......................................................31
2.1.4.1. Bluetooth...........................................................................................32
2.1.4.2. WLAN...............................................................................................32
2.1.4.3. ZigBee...............................................................................................33
2.2. Các giao thức điều khiển mạng ......................................................................35
2.2.1. Giao thức điều khiển truy nhập ...............................................................35
2.2.1.1. Giao thức theo thời gian biểu............................................................35
2.2.1.2. Giao thức truy nhập ngẫu nhiên........................................................39
2.2.2. Giao thức định tuyến................................................................................42
2.2.2.1. Flooding và các biến thể ..................................................................42
2.2.2.2. Định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận (SPIN)................................44
2.2.2.3. Phân nhóm phân bậc tương thích năng lượng thấp (LEACH).........45
2.2.2.4. Tập trung hiệu quả công suất trong hệ thống thông tin cảm biến.....47
2.2.2.5. Truyền tin trực tiếp ...........................................................................48
2.2.2.6. Định tuyến theo vị trí ........................................................................49
2.2.3. Giao thức điều khiển giao vận .................................................................50
2.3. Phần mềm quản lý mạng ................................................................................51
2.3.1. Hệ điều hành của mạng cảm biến không dây ..........................................51
2.3.2. Phần mềm (middleware) của mạng cảm biến không dây........................54
CHƯƠNG III: CHUẨN TRUYỀN DẪN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 .......................56
3.1. Giới thiệu chung .............................................................................................56
3.2. Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN.....................................................56
3.2.1. Thành phần của mạng LR-WPAN...........................................................56
3.2.2. Cấu trúc liên kết mạng.............................................................................57
3.2.2.1 Cấu trúc liên kết mạng hình sao.........................................................57
3.2.2.2. Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới........................................................58
4.2.1.1. Modul Xbee Pro ................................................................................96
4.2.1.2. Vi điều khiển CY8C27643................................................................96
4.2.1. Modul phần cứng .....................................................................................97
4.2.1.1. Cấu tạo nút mạng ..............................................................................97
4.2.1.2. Cấu tạo nút chủ .................................................................................99
4.3. Thiết kế phần mềm .......................................................................................100
4.3.1. Thuật toán định tuyến ............................................................................100
4.3.1.1. Các bản tin ......................................................................................100
4.3.1. 2. Quá trình định tuyến ......................................................................107
4.3.2. Phần mềm nhúng ...................................................................................109
4.3.2.1. Phần mềm cho nút chủ ....................................................................109
4.3.2.2. Phần mềm cho nút tớ.......................................................................110
4.3.3. Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính..............................................111
4.4. Kết quả thử nghiệm ......................................................................................113
4.5. Kết luận ........................................................................................................115
CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN............................................................116
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................117
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................118
6
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ACK
Acknowledge
ADC
Analog to Digital Converter
Amplitude Shift Keying
BDD
Backup Designated Device
BPSK
Binary Phase Shift Keying
CAP
Contention Access Period
CBC- MAC
Cipher Block Chaining MAC
CCA
Clear Channel Assessment
CDMA
Code Division Multiple Access
CFP
Contention Free Period
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
CTR
Counter
CTS
Clear To Send
DD
Designated Device
DDS
Device Database System
7
DGPS
Differential GPS
DSN
Distributed Sensor Networks
Full Function Device
FH
Frequency Hopping
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
FM
Frequency Modulation
FSK
Frequency Shift Keying
GTS
Guaranteed Time Slot
HRREQ
Host Rout Request
I2C
Inter Integrated Circuit
Low Rate Wireless Personal Area Networks
MAC
Medium Access Control
MEMS
Microelectromechanical Systems
MFR
MAC Footer
MHR
MAC Header
MIC
Message Integrity
MiLAN
Middleware Linking Application and Networks
MLME
MAC Sublayer Management Entity
PDA
Personal Digital Assistant
PEGASIS
Power Efficient Gathering in Sensor Information System
PHR
PHY Header
PHY
Physic Layer
PLME
Physical Layer Management Entity
PM
Phase Modulation
PPDU
PHY Protocol Data Unit
PSDU
RF
Radio Frequency
RFD
Reduced Function Device
RFID
Radio Frequency Identify Device
RMST
Reliable Multisegment Transport
ROM
Read Only Memory
RREP
Route Reply Packet
RREQ
Route Request
RS232
SMACS
Self-Organizing Media Access Control for Sensornets
SPI
System Packet Interface
SPIN
Sensor Protocols for Information via Negotiation
SPIN
Sensor Protocols for Information via Negotiation
SRAM
Static RAM
STEM
Sparse Topology and Energy Management
TCP-IP
Transmission Control Protocol Internet Protocol
TDMA
WPAN
Wireless Personal Area Network
WSNs
Wireless Sensor Networks
10
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các thế hệ cảm biến không dây................................................................19
Bảng 2.1: Các giao thức truyền dẫn không dây phổ biến .........................................32
Bảng 2.2: Một số giao thức giao vận trong mạng WSNs .........................................51
Bảng 3.1: Dải tần Zigbee/IEEE 802.15.4..................................................................61
Bảng 3.2: Các kênh truyền trên dải tần Zigbee/IEEE 802.15.4 ................................61
Bảng 3.3: Chuỗi giả ngẫu nhiên 32 chip...................................................................63
Bảng 3.4: Ánh xạ bit thành chip ...............................................................................65
Bảng 4.1: Thông số của modul Xbee Pro .................................................................96
Bảng 4.2: Thông số của vi điều khiển CY8C27643 .................................................97
Bảng 4.3: Bản tin HRREQ ......................................................................................101
Bảng 4.4: Bản tin SLEEP........................................................................................102
Bảng 4.5: Bản tin CRREQ ......................................................................................103
Bảng 4.6: Bản tin DATA ........................................................................................104
Bảng 4.7: Bản tin DATAOK...................................................................................105
Bảng 4.8: Bản tin DATAERR.................................................................................106
Bảng 4.9: Cấu trúc bảng định tuyến Uplink............................................................107
11
Hình 3.17: Định dạng khung MAC cơ bản....................................................79
Hình 3.18: Khung tin mã hóa tầng MAC.......................................................80
Hình 3.19: Khung tin mã hóa tầng mạng.......................................................81
Hình 3.20: Định tuyến trong giao thức AODV.............................................85
Hình 3.21: Quá trình chọn nút gốc (CH) .......................................................87
Hình 3.22: Thiết lập kết nối giữa CH và nút thành viên................................88
Hình 3.23: Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc .........................................88
Hình 3.24: Gán địa chỉ nhóm trực tiếp...........................................................90
Hình 3.25: Gán địa chỉ nhóm qua nút trung gian...........................................91
Hình 3.26: Gán địa chỉ nhóm qua nút gốc .....................................................92
Hình 3.27: Gán địa chỉ nhóm qua nút gốc và nút trung gian.........................92
Hình 3.28: Mạng cây đa nhánh và các nút trung gian ...................................93
Hình 4.1: Mô hình mạng thử nghiệm.............................................................95
12
Hình 4.2 : Modul Xbee Pro............................................................................96
Hình 4.3: Vi điều khiển CY8C27643 ............................................................96
Hình 4.4: Nút mạng........................................................................................97
Hình 4.5: Mạch nguồn của nút mạng.............................................................97
Hình 4.6: Mạch vi điều khiển và thu phát vô tuyến của nút mạng ................98
Hình 4.7: Mạch cảm biến của nút mạng ........................................................98
Hình 4.8: Nút chủ...........................................................................................99
Hình 4.9 : Mạch nguồn nút chủ......................................................................99
Hình 4.10: Mạch vi điều khiển và thu phát vô tuyến của nút chủ .................99
Hình 4.11: Mạch chuyển mức TTL-RS232 .................................................100
Hình 4.12: Quá trình phát và chuyển tiếp bản tin HRREQ .........................107
Hình 4.13: Thuật toán phần mềm cho nút chủ.............................................109
Hình 4.14: Thuật toán phần mềm cho nút tớ ...............................................110
như nhu cầu theo dõi thông số môi trường, quản lý bệnh viện, quản lý phương tiện,
cơ sở vật chất…ngày càng gia tăng mà mạng WSNs có đủ điều kiện đáp ứng được
các yêu cầu đó nên việc sử dụng nó là điều tất yếu.
Từ những nhu cầu trên, việc nghiên cứu và xây dựng một giải pháp mạng WSNs
hoàn thiện áp dụng cho người sử dụng là một việc làm mang tính cấp thiết.
2. Lịch sử nghiên cứu
Trong thời gian làm việc tại công ty, tác giả đã được tiếp cận các công nghệ mới
nhất phục vụ cho mạng WSNs bao gồm các modul thu phát vô tuyến, các chuẩn kết
14
nối, giao thức định tuyến và thiết kế phần cứng. Điều đó tạo tiền đề thuận lợi hơn để
tác giả hoàn thành luận văn này.
3. Mục đích nghiên cứu
Với các lý do trên, tác giả tiến hành nghiên cứu mạng WSNs thông qua các
chuẩn định tuyến, kết nối, chống xung đột mạng, tích hợp hệ thống nhằm đánh giá,
lựa chọn ra chuẩn thích hợp nhất để xây dựng nên một mạng WSNs hoàn chỉnh bao
gồm phần cứng, định tuyến, phần mềm quản lý mạng phù hợp với yêu cầu của bài
toán thực tế.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Để thực hiện mục đích nghiên cứu của mình, tác giả tập trung vào các khía cạnh
sau:
- Nghiên cứu phần cứng: Cấu tạo của nút mạng, các mục tiêu, yêu cầu khi thiết kế
nút mạng.
- Nghiên cứu các phương pháp định tuyến, chống xung đột kênh truyền, các chuẩn
WSNs.
- Nghiên cứu giải pháp phần mềm quản lý mạng và hệ thống.
5. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
- Nghiên cứu, phân tích, đánh giá một số giao thức định tuyến được sử dụng trong
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 trong y học. Tuy nhiên, ứng dụng của mạng cảm biến
tùy theo yêu cầu sử dụng còn rất đa dạng và phong phú.
1.1.1. Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển của mạng cảm biến không dây cho đến nay được chia làm
4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Thời kỳ chiến tranh lạnh với các mạng cảm biến dùng trong quân
sự. Trong suốt thời kỳ này, mạng cảm biến được phát triển rộng rãi ở Mỹ dùng
trong các hệ thống giám sát dưới biển. Một số cảm biến loại này hiện vẫn còn được
NOAA sử dụng để giám sát các hoạt động địa chấn trong lòng đại dương. Ngoài ra,
một mạng lưới radar phòng không cũng đã được triển khai để bảo vệ khu vực Bắc
Mỹ.
- Giai đoạn 2: Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào đầu
những năm 1980 với dự án nghiên cứu nâng cao sáng kiến phòng thủ cao cấp. Các
mạng cảm biến phân tán làm việc với mục đích xác định việc phát triển các giao
thức mới TCP-IP và ARPAnet để có thể sử dụng truyền thông trong các mạng cảm
biến. Hệ thống yêu cầu sự tồn tại của nhiều mạng cảm biến chi phí thấp được thiết
kế để hoạt động trong một cách thức hợp tác, nhưng vẫn độc lập. Chương trình
DSN tập trung vào việc phân tán tính toán, xử lý tín hiệu, và giám sát. Các thành
phần bao gồm các cảm biến âm thanh, các giao thức truyền thông mức cao, xử lý và
các thuật toán tính toán và phân tán phần mềm.
17
- Giai đoạn 3: Phát triển các ứng dụng quân sự, triển khai trong những năm 1980
và 1990 (Đây có thể được gọi là thế hệ sản phẩm thương mại đầu tiên). Căn cứ vào
kết quả của các nghiên cứu DARPA-DSN và Testbeds phát triển, các nhà hoạch
định quân sự đặt ra mục tiêu trong năm 1980 và 1990 thông qua công nghệ mạng
Giao thức
Cấu hình
mạng
Nguồn cung
cấp
Thời gian
sống
Thế hệ 1
Lớn
500 gram
Thế hệ 2
Nhỏ hơn
30 gram
Cài đặt vật lý
hoặc air-dropped
Cài đặt tay
Tách biệt phần
cảm biến, xử lý và
truyền thông
Cá nhân phát
triển
Điểm-điểm, hình
sao, đa bước
Pin lớn hoặc kéo
nguồn nuôi
Ngày-tuần
Tháng-năm
Bảng 1.1: Các thế hệ cảm biến không dây
1.1.2.Ứng dụng
Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, dễ dàng vận chuyển, lắp đặt
và cấu hình nhanh chóng nên mạng cảm biến không dây có thể ứng dụng rộng rãi
để giám sát và điều khiển các thông số trong nhiều lĩnh vực từ dân dụng đến quân
sự, y tế…
a. Ứng dụng trong gia đình
- Giám sát và điều khiển các thiết bị trong nhà: báo cháy, báo trộm, báo mưa, bật tắt
các thiết bị điện như điều hòa nhiệt độ, đèn chiếu sáng, TV, tủ lạnh, camera an
ninh…
- Theo dõi các thông số môi trường sống: nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ chất độc hại…
b. Ứng dụng trong quân sự
- Theo dõi, giám sát: theo dõi trận địa, mục tiêu, các điểm trọng yếu…
- Phát hiện chất phóng xạ, chất độc hại.
19
c. Ứng dụng trong dân sự
- Theo dõi các thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, tốc độ gió, nồng độ
khí thải, lượng mưa, mực nước sông…
- Giám sát và cảnh báo thiên tai địch họa: hoạt động của núi lửa, bão, lũ, sóng
thần, động đất, cháy rừng…
- Giám sát y tế: theo dõi các thông số sức khỏe của bệnh nhân, giám sát sự lây lan
dịch bệnh.
d. Ứng dụng trong công nghiệp, thương mại
hình đa điểm-điểm hoặc hình lưới. Các nút cảm biến trong toàn mạng có tài nguyên
và khả năng xử lý tương đương nhau. Khi muốn truyền dữ liệu về trung tâm, nút sẽ
tìm đường đi tốt nhất đến đích thông qua các nút khác, khi đó vai trò của các nút
chuyển dữ liệu như là các trạm lặp. Với kiểu tổ chức mạng như vậy thì khoảng cách
từ nút mạng đến trung tâm có thể đến vài Ki-lô-mét. Ưu điểm của mạng là dễ dàng
mở rộng vì không cần cài đặt riêng lẻ cho từng nút mạng, nếu một vài nút hỏng
cũng không ảnh hưởng lớn đến toàn mạng; nhược điểm là giao thức định tuyến
phức tạp, dữ liệu không phải lúc nào cũng đến được đích.
1.2.2. Theo cấu trúc mạng
1.2.2.1. Cấu trúc liên kết mạng hình sao
Hình 1.1: Cấu trúc mạng hình sao
Mạng bao gồm một bộ điều phối mạng PAN và các nút thành viên. Bộ điều
phối mạng có chức năng điều khiển luồng dữ liệu trao đổi của tất cả các thành
viên trong mạng và thu thập dữ liệu gửi về trạm gốc. Các nút thành viên không thể
trao đổi thông tin trực tiếp với nhau mà phải thông qua bộ điều phối mạng.
21
1.2.2.2. Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới
Hình 1.2: Cấu trúc mạng mắt lưới
Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây là
kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng
này thì một nút cảm biến có thể tạo kết nối với bất kỳ nút nào khác miễn là thiết bị
đó nằm trong phạm vi phủ sóng của nó. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể dùng
trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và
kiểm kê, cảnh báo cháy rừng...
1.2.2.3. Cấu trúc liên kết mạng hình cây
trường, độ bao phủ của mạng tỉ lệ nghịch với thời gian sống. Kỹ thuật truyền đa
bước có thể mở rộng độ bao phủ của mạng, về mặt lý thuyết chúng có khả năng mở
rộng vô hạn nhưng trong một khoảng cách truyền xác định, nó làm tăng năng lượng
tiêu thụ của các nút, và sẽ làm giảm thời gian sống của mạng. Hơn nữa, kỹ thuật này
yêu cầu một mật độ tối thiểu các nút mạng, điều đó sẽ làm tăng chi phí triển khai.
Tăng số lượng các nút trong hệ thống cũng sẽ ảnh hưởng tới thời gian sống. Càng
nhiều nút mạng thì càng có nhiều dữ liệu được truyền về trung tâm và sẽ làm tăng
năng lượng tiêu thụ của mạng.
23
Copyright: Tài liệu đại học ©