Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức Leach và Zigbee

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DỰA TRÊN GIAO THỨC LEACH VÀ ZIGBEE Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã Số: . TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà nội, 05/2018 2 Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến Chương 1 khái quát kiến thức chung của mạng cảm biến không dây. Đầu chương giới thiệu mạng cảm biến không dây là gì, mạng cảm biến không dây áp dụng vào nhiều lĩnh vực và đặc điểm, tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây trong nghiên cứu và cuộc sống. Tiếp theo tôi viết về cấu trúc cơ bản, kiến trúc giao thức mạng của mạng cảm biến không dây. Cuối chương 1 là những ứng dụng cụ thể trên nhiều lĩnh vực của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây mang lại hiệu quả rất lớn trên nhiều lĩnh vực trong cuộc sống và trong nghiên cứu. Rất nhiều ứng dụng sử dụng mạng cảm biết không dây như: Theo dõi thông số sức khỏe bệnh nhân, thăm dò địa hình phức tạp, theo dõi điều kiện sống tự nhiên, giúp cho người sử dụng thuận lợi hơn trong quá trình làm việc. Mạng cảm biến không dây đang chứng tỏ và thể hiện vị thế của mình trong lĩnh vực công nghệ. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu, dự án thực tiễn nhằm nâng cấp, phát triển, xây dựng mới những mạng cảm biến không dây như: ZigBee, Leach, Leach C, Leach F, Network RC, P2P, Tôi đã chọn đề tài nghiên cứu về mạng cảm biến không dây với mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé vào công cuộc phát triển của mạng cảm biến không dây trên thế giới. Nội dung của đề tài có các chương như sau: - Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến. - Chương 2: Các giao thức định tuyến mạng cảm biến không dây. - Chương 3: Xây dựng mạng cảm biến dựa trên giao thức LEACH và ZigBee 3 - Chương 4: Xây dựng hệ thống và đánh giá giải pháp - Chương 5: Kết luận. Chương 2: Các giao thức định tuyến mạng cảm biến 2.1 Tổng quan Phần 2.1 trình bày khái niệm về giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây. Trong phần này tôi trình bày ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric- protocol), định tuyến phân cấp (hierarchical-protocol) và địnhtuyến dựa vào vị trí (location-based-protocol). 2.2 Giao thức LEACH Phần 2.2 trình bày về giao thức LEACH. Trong đó viết về khái niệm cũng như đặc điểm chính của giao thức LEACH. 2.3 Giao thức nâng cấp LEACH-C Phần 2.3 trình bày về giao thức LEACH-C, giao thức LEACH-C là giao thức nâng cấp của LEACH. Trong này trình bày đặc điểm của LEACH-C và cách LEACH-C giải quyết vấn đề gặp phải của LEACH. 2.4 Mạng cảm biến không dây ZigBee Phần 2.4 trình bày khái niệm, cấu trúc về mạng cảm biến không dây ZigBee. Trong phần này cũng viết về những thế mạnh mà ZigBee đạt được cũng như những vướng mắc gặp phải của ZigBee. 4 Chương 3: Xây dựng mạng cảm biến dựa trên giao thức LEACH và ZigBee Chương 3 trình bày cách thức đưa giao thức LEACH vào trong ZigBee để giải quyết vấn đề gặp phải của ZigBee. 3.1 Đặt vấn đề Mục đích nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu, tìm hiểu mạng cảm biến không dây ZigBee và giao thức truyền thông LEACH. Sau đó áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào trong mạng cảm biến không dây ZigBee nhằm giúp ZigBee và mạng cảm biến không dây nói chung giải quyết những vấn đề gặp phải như : Tiết kiệm năng lượng, kéo dài sự sống và ổn định cho các nút thành phần trong mạng. 3.2 Giải pháp đề xuất: Với những lợi thế mạng lại rất lớn nên ZigBee dường như được phổ cập trong việc xây dựng mạng cảm biến. Rất nhiều nhà sản xuất khi sản xuất ra các thiết bị truyền thông đã hướng đến và áp dụng ZigBee vào trong sản phẩm của họ. Mô hình mạng ZigBee xây dựng ra nhằm mục đích hướng đến sự ổn định và tính linh hoạt của một mạng cảm biến không dây. Nhưng qua đó ta cũng thấy việc tiết kiệm năng lượng không được nhắc đến trong ZigBee. Những mô hình mạng áp dụng ZigBee chỉ sử dụng các phương pháp tiết kiệm dữ liệu thông qua thiết bị mà họ sử dụng. Cho nên trong đề tài nay tôi muốn đưa một phương thức tiết kiệm năng lượng vào trong một mô hình mạng ZigBee. Nhằm tiết kiệm năng lượng luôn ở trong mô hình mạng chứ không đơn thuần chỉ ở những thiết bị sử dụng. Tôi chọn Xbee là thiết bị truyền thông vì Xbee được sản xuất ra dường như để 5 áp dụng ZigBee vào trong. Xbee là bộ truyền thông khá ổn định, mức năng lượng tiêu thụ không cao và có chức năng tiết kiệm năng lượng cực kỳ hiệu quả. Với Xbee chúng ta có thể định tuyến đường truyền một cách dễ dàng ngay trong lúc lập trình. LEACH là một giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây, khả năng đặc biệt của LEACH là việc tiết kiệm và quản lý năng lượng trong lúc truyền thông cho thiết bị. Qua đó tôi muốn áp dụng giao thức LEACH vào trong một thiết bị cụ thể là Xbee sử dụng mô hình truyền thông ZigBee. Trong đề tài này sẽ nghiên cứu về việc xây dựng một mạng cảm biến không dây vẫn sử dụng mô hình ZigBee nhưng sử dụng phương thức truyền thông theo giao thức LEACH. 3.3 Cách thức triển khai giai pháp Phần 3.3 trình bày phương pháp triển khai giải pháp tôi đưa ra. Phần này chủ yếu viết về cách thức giải quyết những vấn đề gặp phải. Chương 4: Xây dựng hệ thống và đánh giá giải pháp 4.1. Tổng quan hệ thống Phần 4.1 giới thiệu tổng quan về hệ thống trong đó viết về những thành phần, cấu trúc của hệ thống. 4.2. Các thiết bị phần cứng Phần 4.2 trình bày cụ thể về những thiết bị phần cứng liên quan trong hệ thống. 4.2.1 Thiết bị truyền thông Xbee Phần 4.2.1 Giới thiệu về thiết bị truyền thông Xbee trong đó viết về lịch sử ra đời, cấu tạo, những phiên bản của Xbee. Phần này cũng viết thêm về những thế mạch và vấn đề gặp phải của thiết bị truyền thông Xbee. 6 4.2.2 Bo mạch Arduino Phần 4.2.2 giới thiệu về bo mạch Arduino. Phần này trình bày về cấu trúc, cách thức hoạt động, ứng dụng của Arduino trong thực tiễn. 4.2.3 Cài đặt hệ thống cơ bản Phần 4.2.3 trình bày về cách thức cài đặt cho thiết bị Xbee hoạt động theo mô hình mạng ZigBee cơ bản và cài đặt cho bo mạch Arduino có thể giao tiếp được với Xbee. 4.3. Xây dựng nút SINK Phần 4.3 trình bày cách thức xây dựng nút chủ (SINK) trong hệ thống. 4.4. Xây dựng nút Cluster Head Phần 4.4 trình bày về cách xây dựng nút Cluster Head trong hệ thống để có thể vừa thu thập vừa đóng vai trog Cluster Head. 4.5. Lắp đặt chạy thử hệ thống Phần 4.5 trình bày cách lặp đặt hoàn thành hệ thống. Phần này cũng chỉ ra hệ thống hoạt động như thế nào, những vấn đề hệ thống gặp phải khi hoạt động trong thực tế. 4.6. Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện Phần 4.6 trình bày cách lắp đặt thêm hệ thống đo mức tiêu thụ điện năng của từng thành phần tròn hệ thống. Phần này viết ra những thông số mà tôi đo đạc được trên thực tế để qua đó có thể đánh giá được mức tiêu thụ điện năng của hệ thống cũ và hệ thống mới. Chương 5: Kết luận Khi nghiên cứu và chạy thử mô hình mạng ZigBee qua thiết bị Xbee tôi nhận thấy mạng cảm biến không dây ZigBee còn gặp phải hai vấn đề chưa được tối ưu hóa sau đây: 7 - Kéo dài sự sống và sự ổn định của mạng cảm biến không dây ZigBee - Đo mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị nhằm hỗ trợ mạng cảm biến hoạt động hiệu quả. Sau đó tôi đã nghiên cứu giao thức LEACH và suy nghĩ, quyết định áp dụng giao thức LEACH vào trong mạng cảm biến không dây ZigBee để giải quyết hai vấn đề trên. Để giải quyết vấn đề một tôi áp dụng giao thức truyền thông LEACH vào trong mạng cảm biến không dây ZigBee. Trong giao thức LEACH hệ thống mạng được chia làm ba thành phần : Nút chủ cụm, nút ClusterHead, nút non ClusterHead hoặc nút lá. Khi áp dụng giao thức LEACH vào trong ZigBee thì nút chủ cụm cũng chính là nút Coordinator trong Zigbee, nút ClusterHead cũng hoạt động giống với nút Router và nút lá cũng có chức năng tương tự với nút End Device trong Zigbee. Có hai đặc điểm khác biệt ở đây: - Nút ClusterHead được lựa chọn từ các nút lá trong mỗi chu kỳ. Sau một số chu kỳ nhất định thì tất cả các nút lá đều có ít nhất một lần trở thành nút ClusterHead. Như vậy việc tiêu tốn năng lượng khi phải hoạt động liên tục của nút Router trong mạng ZigBee đã được giải quyết. Những nút ở xa sẽ không cố định đường truyền đến Router hay Coordinator mà truyền đến nút ClusterHead gần hơn sẽ tốn ít năng lượng hơn. - Thiết bị Xbee khi cài đặt sử dụng mạng cảm biến ZigBee sẽ truyền thông gói tin theo phương thức BroadCast. Tất cả các gói tin được phát ra xung quanh cho đến khi Router hoặc Coordinator tiếp nhận gói tin đó như vậy sẽ tiêu tốn năng lượng hơn việc xác định trước địa chỉ đến của gói tin. Việc định tuyến cụ thể cho gói tin sẽ giải quyết được vấn đề này. Để giải quyết vấn đề hai tôi sử dụng giao thức cải tiến LEACH-C. LEACH-C sử dụng chỉ số mức năng lượng để lựa 8 chọn nút ClusterHead nhưng việc đo lường về năng lượng của thiết bị tôi đã trình bày ở trên khá khó khăn, phải đầu tư thêm thiết bị ngoại vi. Trong đề tài này tôi đề xuất sử dụng hiệu suất truyền nhận gói tin thay vì mức độ tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Thiết bị truyền thông không dây có hiệu suất truyền nhận gói tin phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Khoảng cách, vật cản, môi trường, chất lượng thiết bị, Khi trong mạng có hai nút ClusterHead trở lên, từ một nút lá đang xét sẽ lựa chọn một trong những ClusterHead trên để truyền dữ liệu đến. Nút lá đang xét sẽ so sách hiệu suất truyền dữ liệu giữa nó và các nút ClusterHead trên. Nút có hiệu suất truyền dữ liệu cao nhất sẽ được nó nhận là ClusterHead và thực hiện việc truyền dữ liệu. Hiệu suất truyền dữ liệu cao chứng tỏ điều kiện thuận lợi giữa hai nút với nhau. Với những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dữ liệu đã phân tích ở trên sẽ chứng minh được việc tiêu thụ năng lượng trên thiết bị tiết kiệm hơn, hiệu quả hơn. Xây dựng mạng cảm biến không dây ZigBee cơ bản và đặt ra các điều kiện cụ thể để phân tích lợi thế, yếu điểm của ZigBee như:Theo dõi mạng hoạt động trong thời gian dài, tần suất hoạt động cao, lưu lượng thông tin truyền trong mạng lớn, vị trí địa lý các nút không thuận lợi, sau đó rút ra những yếu điểm cơ bản đã nêu ở trên như: Thời gian sống không dài, cách thức truyền tin khá lãng phí, Nghiên cứu giao thức LEACH và rút ra những lợi thế cơ bản của giao thức như : Tiết kiệm năng lượng, thời gian sống của mạng cảm biến không dây cao, định tuyến gói tin cụ thể. Áp dụng giao thức LEACH vào trong mạng cảm biến không dây ZigBee để giải quyết những vấn đề gặp phải. Xây dựng hệ thống đo đạc, kiểm soát năng lượng để chứng minh lợi thế mang lại khi sử dụng phương pháp trên. 9 Sau khi nghiên cứu và xây dựng được một mạng cảm biến không dây sử dụng phương thức LEACH và ZigBee tôi đã rút ra được những ưu điểm và những vấn đề gặp phải như sau: - Ưu điểm : o Thời gian hoạt động của mạng được kéo dài o Tiết kiệm năng lượng o Tiết kiệm tài nguyên trong mạng o Hiệu suất truyền tin tốt hơn - Vấn đề gặp phải : o Theo dõi, đối sánh cần thực hiện trong thời gian dài mới đảm bảo độ chính xác cao o Lượng công việc của khối điều khiển nhiều hơn o Số lượng và chất lượng thiết bị còn bị hạn chế Trong thời gian nghiên cứu và học tập tôi đã cố gắng khắc phục những vấn đề gặp phải đến mức thấp nhất. Khi hoàn thành nghiên cứu tôi đã thu được những kiến thức và ưu điểm mà đề tài mang lại. Tôi nhận thấy những ưu điểm trên khá tốt để cải thiện mạng cảm biến không dây ZigBee. Tôi hi vọng nghiên cứu này đóng góp một phần nào đó vào trong công cuộc phát triển mạng cảm biến không dây trên thế giới. 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] www.arduino.vn Website giới thiệu và hướng dẫn sử dụng Arduino. [2] Tiếng Anh [3] Robert Faludi (2011), “Building Wireless Sensor Networks: with ZigBee, XBee, Arduino, and Processing”, O’Reilly Media-Inc.-1005 Gravenstein HighWay North – Sebastopol – CA 95472. [4] Vongsagon Boonsawat, Jurarat Ekchamanonta, Kulwadee Bumrungkhet, and Somsak Kittipiyakul (June. 2012), “XBee Wireless Sensor Networks for Temperature Monitoring”, Thammasat University, Pathum-Thani, Thailand 12000 [5] Nejla Rouissi, Hamza Gharsellaoui (2017), “Improved Hybrid LEACH Based Approach for Preserving Secured Integrity in Wireless Sensor Networks”, Carthage University, Tunisia [6] Geetha. V , Pranesh.V. Kallapur , Sushma Tellajeera (2012), “Clustering in Wireless Sensor Networks: Performance Comparison of LEACH & LEACH-C Protocols Using NS2”, Department of Information Technology, NITK, Surathkal, Karnataka, India [7] I.F. Akyildiz, W. Su*, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci (2011), “Wireless sensor networks: a survey”, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA 30332, USA 11 [8] Yawei Zhao, Guohua Zhang, Zhongwu Xia, and Xinhua Li (2011), “Improved ZigBee Network Routing Algorithm Based on LEACH”, School of Information Science & Engineering, Shenyang Ligong University, 110159 Shenyang, China