Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức leach và zigbee, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện

• Tác giả: Trần Hồng Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoài Sơn
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức leach và zigbee
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng của nó

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một hệ thống bao gồm nhiều cảm biến được kết nối với nhau qua các liên kết không dây. Hệ thống này có khả năng thu thập và truyền tải dữ liệu từ môi trường xung quanh đến các nút trung tâm. Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, công nghiệp và quân sự. Việc sử dụng mạng cảm biến không dây giúp nâng cao hiệu quả quản lý và giám sát, đồng thời tiết kiệm chi phí và thời gian.

1.1. Đặc điểm nổi bật của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có nhiều đặc điểm nổi bật như kích thước nhỏ gọn, khả năng hoạt động liên tục và độ tin cậy cao. Các thiết bị cảm biến thường được thiết kế để tiết kiệm năng lượng và có thể hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt. Điều này giúp cho mạng cảm biến không dây trở thành giải pháp lý tưởng cho nhiều ứng dụng thực tiễn.

1.2. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp

Trong nông nghiệp, mạng cảm biến không dây được sử dụng để theo dõi các thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ và nồng độ chất dinh dưỡng trong đất. Việc này giúp nông dân quản lý cây trồng hiệu quả hơn, từ đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu mạng cảm biến không dây

Mặc dù mạng cảm biến không dây mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu, bảo mật thông tin và tiêu thụ năng lượng là những yếu tố cần được giải quyết. Việc phát triển các giao thức định tuyến hiệu quả và an toàn là rất cần thiết để tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến.

2.1. Độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu

Độ tin cậy trong truyền tải dữ liệu là một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biến không dây. Các yếu tố như nhiễu tín hiệu và sự cố phần cứng có thể ảnh hưởng đến khả năng truyền tải thông tin. Do đó, cần có các giải pháp để cải thiện độ tin cậy của mạng.

2.2. Bảo mật thông tin trong mạng cảm biến

Bảo mật thông tin là một vấn đề quan trọng trong mạng cảm biến không dây. Các dữ liệu thu thập từ cảm biến có thể bị tấn công hoặc đánh cắp. Việc áp dụng các biện pháp bảo mật như mã hóa dữ liệu và xác thực người dùng là cần thiết để bảo vệ thông tin.

III. Phương pháp nghiên cứu mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên hai giao thức phổ biến là LEACH và Zigbee. Giao thức LEACH giúp tối ưu hóa việc định tuyến dữ liệu, trong khi Zigbee cung cấp khả năng truyền thông không dây hiệu quả. Sự kết hợp này hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu.

3.1. Giao thức LEACH và ưu điểm của nó

Giao thức LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy) là một trong những giao thức định tuyến hiệu quả nhất cho mạng cảm biến không dây. Nó giúp giảm thiểu tiêu thụ năng lượng bằng cách phân chia mạng thành các cụm và chỉ định một nút làm đầu cụm để thu thập dữ liệu.

3.2. Giao thức Zigbee và ứng dụng trong mạng cảm biến

Giao thức Zigbee là một tiêu chuẩn truyền thông không dây được thiết kế cho các ứng dụng tự động hóa và điều khiển. Với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng cao, Zigbee là lựa chọn lý tưởng cho mạng cảm biến không dây.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mạng cảm biến không dây

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng giao thức LEACH và Zigbee trong mạng cảm biến không dây mang lại hiệu quả cao trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu. Hệ thống đã được triển khai thành công trong các ứng dụng thực tiễn như giám sát môi trường và quản lý nông nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

4.1. Đánh giá hiệu quả của hệ thống

Hệ thống mạng cảm biến không dây được xây dựng đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc thu thập dữ liệu. Thời gian truyền tải dữ liệu được rút ngắn, đồng thời tiêu thụ năng lượng cũng được giảm thiểu đáng kể.

4.2. Ứng dụng trong giám sát môi trường

Hệ thống mạng cảm biến không dây đã được áp dụng thành công trong việc giám sát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ khí độc. Điều này giúp các cơ quan chức năng có thể theo dõi và xử lý kịp thời các vấn đề môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây đang ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, mạng cảm biến không dây hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và hiệu quả hơn trong tương lai. Việc nghiên cứu và phát triển các giao thức mới sẽ giúp tối ưu hóa hoạt động của mạng cảm biến, từ đó nâng cao hiệu quả trong việc thu thập và truyền tải dữ liệu.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ mạng cảm biến

Công nghệ mạng cảm biến không dây đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều nghiên cứu mới được thực hiện. Các giao thức mới và công nghệ truyền thông tiên tiến sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của mạng cảm biến.

5.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực mới

Mạng cảm biến không dây có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực mới như thành phố thông minh, nông nghiệp thông minh và giám sát sức khỏe. Những ứng dụng này sẽ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – Năm 2018 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 DL & MMT Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hoài Sơn Hà Nội – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình. Học viên Trần Hồng Hải LỜI CẢM ƠN Được trường Đại học Quốc Gia Hà Nội và Khoa Công Nghệ Thông Tin cho phép tôi nghiên cứu, viết luận văn về đề tài : “Nghiên cứu xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và Zigbee”. Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã giảng dạy, chỉ dẫn tôi trong thời gian tôi học tập tại trường. Những kiến thức quý báu của thầy cô đã giúp tôi rất nhiều trong học tập cũng như trong cuộc sống. Tiếp theo tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Hoài Sơn. Cảm ơn thầy đã gắn bó, chỉ dạy tận tình tôi trong quá trình tôi nghiên cứu và viết luận văn. Một lần nữa xin cảm ơn quý thầy quý cô trong khoa và nhà trường. Luận văn thạc sỹ này được thực hiện dưới sự tài trợ từ đề tài NCKH cấp ĐHQGHN, mã số đề tài: QG. Học viên Trần Hồng Hải MỤC LỤC MỞ ĐẦU . 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN . Giới thiệu về mạng cảm biến: . Cấu trúc của mạng cảm biến: . Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây . Ứng dụng của mạng cảm biến: . 9 CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN MẠNG CẢM BIẾN .2 Giao thức LEACH: .3 Giao thức cải tiến LEACH-C: . 17 Chương III. XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN DỰA TRÊN LEACH VÀ ZIGBEE . Giải pháp đề xuất:. Cách thức triển khai giai pháp: . 23 Chương IV. XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP . Tổng quan hệ thống: . Các thiết bị phần cứng: . Thiết bị truyền thông Xbee: . Bo mạch Arduino Nano: . Cài đặt hệ thống cơ bản . Xây dựng nút SINK: . Xây dựng nút Cluster Head: . Lắp đặt chạy thử hệ thống:. Lắp đặt hệ thống đo mức tiêu thụ điện: . 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 55 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 : Cấu trúc mạng cảm biến không dây (https://www.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây . Phân loại và so sánh các giao thức chọn đường trong WSN [6] .2 : Mô hình giao thức LEACH (http://www.3 : Ngưỡng thiết lập Cluster Head.4 : Lưu đồ thuật toán cài đặt LEACH(www.5 : Lưu đồ thuật toán giai đoạn ổn định LEACH(www.6 : Giai đoạn cài đặt của LEACH-C (www.7 : Cấu trúc của mạng ZigBee(adlt.8 : Mô hình mạng ZigBee (http://arduino. Sơ đồ chức năng của nút chủ SINK . Khung dữ liệu nút SINK nhận được . Khung dữ liệu nút SINK gửi đi. Sơ đồ chức năng nút thành phần . Khung dữ liệu Broad Cast của Cluster Head . Khung dữ liệu được gửi từ nút thành phần đến Cluster Head .2 : Thiết bị Xbee (http://arduino.3 : Bộ kết hợp của Xbee và Arduino (http://arduino.4 : Cấu trúc Xbee (http://arduino.5 : Arduino Nano (http://arduino.6: Sơ đồ cấu trúc Arduino Nano (http://arduino.7 : Đế chuyển đổi từ 2.8 : Xbee và Arduino Nano trên Bread Board .9 : Bộ cấu hình cho Xbee .10 : Nhận diện Xbee .11 : Cấu hình Xbee .12 : Sơ đồ mạch kết nối Xbee và Arduino Nano (http://arduino.13 : Code cho nút SINK ( Coordinator ) .15 : Giao diện Arduino IDE .19: Pin sạc dự phòng . Gói tin trong ZigBee thuần . Gói tin trong phương pháp mới của tôi . Mô hình 7 node ZigBee thuần . Mô hình mạng của phương pháp mới với 7 node . 44 CÔNG THỨC TRONG LUẬN VĂN Công thức (1) : Xác định Cluster Head trong giao thức LEACH . Trang 15 Công thức (2) : Tính hiệu suất truyền dữ liệu thành công ……. Trang 29 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay khoa học kỹ thuật được đưa vào áp dụng cho công nông nghiệp rất nhiều. Với nhu cầu tiêu thụ thực phẩm sạch an toàn ngày càng cao cho nên những vườn trồng hay trang trại có quy mô được mở ra. Nhằm giúp cho người trồng quản lý được môi trường của vườn trồng nhanh và chính xác thì những thiết bị cảm biến được sử dụng. Tính cấp thiết đối với thực tế, vì vậy tôi đã tìm hiểu và nghiên cứu về đề tài xây dựng mạng cảm biến với mong muốn mang lại hiệu quả hơn cho người sử dụng. Mạng cảm biến không dây là hệ thống tập hợp, liên kết nhiều cảm biến với nhau sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Mỗi một cảm biến chịu một hoặc nhiều nhiệm vụ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng. Hiện nay mạng cảm biến không dây được áp dụng trong nhiều lĩnh vực ví dụ như: y tế, công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu,… Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người. Các đầu đo với bộ vi xử lý rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian. Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý tốc độ cao. Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Công nghệ kỹ thuật phát triển mạnh như hiện nay mạng cảm biến không dây được cải tiến liên tục mang lại hiểu quả to lớn cho nhiều ngành nghề trong 1 nhiều lĩnh vực. Đi kèm với công nghệ 4.0 và công nghệ IOT đang phát triển vượt bậc cho ta thấy tương lai tươi sáng của mạng cảm biến không dây. Xbee là một thiết bị truyền thông không dây được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến không dây. Xbee có những thế mạnh cần thiết như: sự tin cậy, tính mở rộng, dễ sử dụng, tiết kiệm năng lượng,… Xbee sử dụng giao thức Zigbee cơ bản để hình thành mạng cảm biến không dây. Với những thế mạnh của Xbee nêu ở trên đề tài của tôi lựa chọn Xbee là thiết bị để xây dựng mạng cảm biến không dây ZigBee. Đề tài này có thể giúp tôi tìm hiểu và vận dụng các kiến thức vào thực tế, cùng với đó tích lũy thêm kinh nghiệm và chuyên môn. Mục tiêu nghiên cứu: Hiện nay nhiều những thiết bị cảm biến và nhiều mạng cảm biến được thiết kế ra. Mỗi mạng cảm biến lại có thế mạnh riêng, cách thức sử dụng riêng. Vì vậy trong đề tài tôi chọn hai giao thức mạng cảm biến dùng nhiều nhất và phù hợn với điều kiện ở Việt Nam là LEACH và Zigbee. Mục tiêu của tôi là đưa ra phương pháp để kết hợp thế mạnh của hai giao thức mạng cảm biến lại với nhau nhằm xây dựng một mạng cảm biến hoạt động hiệu quả hơn. Đề tài tập trung nghiên cứu và thay đổi phương thức định tuyến của mô hình mạng cảm biến ZigBee theo phương thức định tuyến của giao thức LEACH. Hệ thống được áp dụng trên 7 thiết bị truyền phát dữ liệu Xbee, sử dụng Arduino để định tuyến đường truyền gói tin. Phân tích hiệu quả của mô hình mang lại về ba mặt : hiệu quả truyền tin, kéo dài sự sống của mạng, hiệu suất tiêu thụ năng lượng. Kiến thức về mạng cảm biến không dây tôi có được học trong chương trình đào tạo cao học của nhà trường. Tài liệu nghiên cứu chủ yếu được lấy từ những bài báo trong và ngoài nước và những kiến thức thu nhặt được từ các trang chia sẽ thông tin trên mạng Internet. Đi sâu tìm hiểu về cách thức đóng gói, định tuyền gói tin của mạng cảm biến không dây nhằm thay đổi theo cách thức mình mong muốn. Cấu trúc đề tài: Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu tôi đã viết luận văn với các nội dung như sau: - Chương một là tổng quan về mạng cảm biến : Chương này tập trung giới thiệu về mạng cảm biến không dây, một số mạng cảm biến được áp dụng hiện nay. - Chương hai là mạng cảm biến liên quan: Giới thiệu về mạng cảm biến ZigBee và hai giao thức liên quan trong đề tài là LEACH, LEACH-C. - Chương ba là đặt vấn đề, đưa ra giải pháp đề xuất và phương pháp thực hiện giải pháp trên. - Chương bốn là xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên giao thức LEACH và ZigBee, đánh giá hiệu quả mang lại. - Chương năm là kết luận : Nêu ra những thế mạnh và kết quả của đề tài, rút ra những kinh nghiệm và những khó khăn, những vấn đề chưa giải quyết được. Phương hướng tiếp theo sẽ như thế nào. 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1. Giới thiệu về mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; thu thập thông tin môi trường; giám sát sức khỏe cho bệnh nhân trong y tế; .