Tài liệu Kỹ thuật: Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không

Phân tích kỹ thuật định tuyến mạng cảm biến không dây, ứng dụng điều khiển và giám sát môi trường nhà kính hiệu quả, tối ưu hóa hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hiếu
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Việt Bình
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Mạng cảm biến không dây
• Đề tài: Một số kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong điều khiển và giám sát môi trường nhà kính
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về Kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là một hệ thống gồm nhiều nút cảm biến được phân tán để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh. Kỹ thuật định tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin giữa các nút trong mạng. Các nút cảm biến hoạt động với năng lượng hạn chế, do đó việc tối ưu hóa năng lượng là một thách thức chính trong thiết kế giao thức định tuyến. Định tuyến hiệu quả giúp giảm tiêu thụ năng lượng, tăng tuổi thọ mạng và cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS). Các giao thức định tuyến khác nhau như SPIN-EC, LEACH, CTP và AODV được phát triển để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của ứng dụng thực tế.

1.1. Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có các đặc điểm riêng biệt như: số lượng nút lớn, khả năng tính toán hạn chế, dung lượng bộ nhớ nhỏ, năng lượng pin hạn chế. Các nút cảm biến thường được triển khai trong các môi trường khắc nghiệt và khó tiếp cận. Kiến trúc giao thức bao gồm các lớp: liên kết dữ liệu, truyền tải, và ứng dụng. Sự phân tán không đều và mối liên kết không ổn định làm tăng độ phức tạp của định tuyến.

1.2. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

Kiến trúc giao thức WSN được chia thành nhiều lớp khác nhau. Lớp liên kết dữ liệu quản lý truy cập kênh truyền (MAC). Lớp truyền tải đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu. Lớp ứng dụng xử lý các ứng dụng cụ thể. Các giao thức định tuyến hoạt động ở lớp mạng, sử dụng các metric như ETX (Expected Transmission) để lựa chọn đường truyền tối ưu nhất cho dữ liệu.

II. Các thuật toán định tuyến tối ưu năng lượng

Nhiều thuật toán định tuyến đã được phát triển để giải quyết vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây. SPIN-EC sử dụng cơ chế thương lượng để giảm số lượng gói tin dư thừa. LEACH áp dụng kỹ thuật phân cụm với các nút trưởng cụm được chọn ngẫu nhiên. CTP (Collection Tree Protocol) xây dựng một cây thu thập dữ liệu dựa trên ETX metric. AODV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu, phù hợp cho các mạng có cấu trúc linh hoạt. Mỗi thuật toán có những ưu điểm riêng trong việc tiết kiệm năng lượng và đảm bảo truyền dữ liệu.

2.1. Thuật toán SPIN EC và LEACH

SPIN-EC (Sensor Protocols for Information via Negotiation - Energy Conservation) sử dụng ba loại gói tin: ADV (thông báo), REQ (yêu cầu), DATA (dữ liệu). Quá trình bắt tay giảm đáng kể số lượng dữ liệu dư thừa. LEACH thiết lập các cụm (cluster) với nút trưởng được chọn theo xác suất, giảm khoảng cách truyền và tiêu thụ năng lượng toàn mạng một cách hiệu quả.

2.2. Thuật toán CTP và AODV

CTP xây dựng cây dữ liệu sử dụng metric ETX để chọn những liên kết chất lượng cao. AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector) tìm kiếm đường khi cần thiết thông qua gói RREQ (Route Request). AODV linh hoạt hơn cho các mạng động và cấu trúc thay đổi, đặc biệt hiệu quả trong ứng dụng giám sát môi trường nhà kính.

III. Ứng dụng thuật toán AODV trong hệ thống giám sát nhà kính

Hệ thống giám sát môi trường nhà kính là một ứng dụng thực tế quan trọng của mạng cảm biến không dây. Thuật toán AODV được áp dụng để tối ưu hóa định tuyến giữa các nút cảm biến trong nhà kính. Các nút cảm biến được thiết lập để đo lường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và các thông số môi trường khác. Nút chủ (Gateway) tập hợp dữ liệu và gửi đến trung tâm xử lý. Nút định tuyến (Router node) truyền dữ liệu giữa các nút cảm biến. Thuật toán AODV cải tiến được triển khai để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Mô hình thử nghiệm và thiết lập hệ thống

Mô hình nhà kính thử nghiệm được thiết kế với các nút cảm biến phân tán ở các vị trí khác nhau. Sơ đồ khối gồm: nút cảm biến (Sensor node), nút định tuyến (Router), nút chủ (Gateway), và trung tâm điều khiển. Mỗi nút được cài đặt chức năng và tham số khác nhau. Nút thu thập (Sink) giữ vai trò trung tâm thu thập và xử lý dữ liệu từ toàn bộ hệ thống nhà kính.

3.2. Thuật toán cải tiến và kết quả thử nghiệm

Thuật toán AODV cải tiến được tối ưu hóa để phù hợp với môi trường nhà kính cụ thể. Giao diện phần mềm cho phép giám sát thời gian thực các chỉ số môi trường. Phần cứng bao gồm các cảm biến nhạy cảm và module truyền thông không dây. Kết quả thử nghiệm cho thấy thuật toán AODV cải tiến giảm tiêu thụ năng lượng 30% so với AODV chuẩn và tăng độ tin cậy truyền dữ liệu lên 95%.

IV. Ứng dụng và hướng phát triển của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ứng dụng nông nghiệp sử dụng WSN để giám sát độ ẩm đất, nhiệt độ, và dinh dưỡng cây. Ứng dụng y tế bao gồm theo dõi sức khỏe bệnh nhân từ xa và giám sát bệnh viện. Ứng dụng giao thông sử dụng cảm biến để phát hiện tắc đường và điều khiển giao thông thông minh. Ứng dụng gia đình thông minh tăng cường an toàn, thoải mái và hiệu quả năng lượng. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo, cải thiện bảo mật, và mở rộng phạm vi ứng dụng.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp lâm nghiệp và y tế

Ứng dụng nông nghiệp sử dụng WSN để tối ưu hóa sản xuất cây trồng bằng cách giám sát liên tục các thông số môi trường. Lâm nghiệp áp dụng mạng cảm biến để phát hiện sớm cháy rừng và quản lý rừng hiệu quả. Y tế sử dụng định tuyến tối ưu trong WSN để theo dõi bệnh nhân và gửi cảnh báo kịp thời đến các bác sĩ.

4.2. Ứng dụng trong giao thông gia đình và môi trường

Ứng dụng giao thông thông minh sử dụng mạng cảm biến không dây để giám sát lưu lượng xe và tối ưu hóa định tuyến đường đi. Gia đình thông minh tích hợp WSN để quản lý năng lượng, an toàn, và thoải mái. Giám sát môi trường sử dụng kỹ thuật định tuyến hiệu quả để theo dõi chất lượng không khí, nước, và đất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây Tim hiểu về khái niệm, cấu trúc, đặc điểm và ứng dụng của mạng cảm. 'biển không đây Chương 2. Một số thuật toán tối tu năng lượng của mạng cảm biến không dây.

Chương này tìm hiểu một số thuật toán định tuyến và vấn đề tối ưu siăng lượng trong mạng cảm biến, làm cơ sở khoa học để nghiên cứu các thuật toán định tuyển tối ưu năng lượng ứng đụng trong môi trường nhà kính. Ứng dụng thuật toán định tuyến AODV trong hệ thống. giám sát môi trường nhà kính. 'Nội dung trình bày về cách thức cài đặt thuật toán định tuyến AODV.

‘ing dung trong môi trường nhà kính, kết quả thử nghiệm, đánh giá. Cuối cũng là phần kết luận về kết quả thực hiện và hướng phát triển của Luận văn. [AN VE MANG CAM BIEN KHONG DAY thiệu Cuộc cánh mạng kỹ thuật số của thế 21 đã và đang điễn ra với tốc độ và quy mô lớn hơn nhiều so với cuộc cách mạng kỹ thuật số trước đây. "Những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ gần đây nói chung và sự hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuât vi điện tờ, công nghệ mạch tích hợp, giao tiếp không đây, công nghệ nano, vi mach cảm biến, xử lý và tính toán tín thiệu nói riêng, đã tạo tiên đề cho những thiết bị cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp ra đời.

‘Mang cam biến khôi đây có thể hiểu đơn giãn là mạng của các đối tượng thông minh. Trong đó mỗi nút mạng cảm biến không dây bao gồm một. bộ thu phát vô tuy một bộ vi xử lý, và các cảm biển. Mạng cảm biến liên kết các nút cảm biển với nhau thông qua giao tiếp không đây trong đó các nút trong mạng thường là các thiết bị đơn giãn, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và cô số lượng én, được phân bố một cách không cô hệ thống (non-topology) trén một điện tích rộng lớn (phạm vi hoạt đông rộng), sử đụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động.

lâu đài (vài tháng đến vài năm) có nhiệmvụ cảm nhận, đo đạc, tính toán, thu. ết định toàn cục về môi trường tự. Các nút cảm biến thường có chức năng sensing (sensor node): cảm 'ứng, quan sát môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ 4m, anh sng. theo đõi hay định vị các mục tiêu cố định hoặc di động [4][5].

Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu vé trung tim (base station) mét cách gián tiếp bằng kỹ thuật đa chặng như hình 1.1 Kee \ saece Hình 1.1 mô hình mạng cảm biến không đây. Qua đó ta thấy rằng, các nút cảm biến được bồ trí ở vị trí xa, khó đi lại hoặc không thuận lợi cho việc cung cấp nguồn năng lượng cho các nút cảm. Bởi vậy, việc tiết kiệm năng lượng tiêu thụ hiệu quả là chủ đề nghiên cứu tất được quan tâm trong lĩnh vực mạng cảm biến không đây, trong đó có chủ đẻ. kỹ thuật định tuyến tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không đây.

Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 'Mạng cảm biến không đây khác với các mạng thông thường, nó có một số đặc điểm nỗi bật như sau: - Mạng cảm biến không đây thường được triển khai trên một phạm vỉ rông, số lượng node mạng lớn và được phân bố một cách tương đối ng nhiên, các nođe mạng có thé đi chuyển làm thay đổi sơ đổ mạng. đo va mạng cảm biến khôi \g đây đòi hỏi một sơ đô mạng linh động và các noác. mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cầu hình. - WSN không sử đụng được các cơ chế và giao thức truyền thông phổ biển đùng cho mạng máy tính như 802.11 mà đòi hỏi phải có cơ chế và giao thức truy vô tuyển riêng.

~ Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin. , giá thành và yêu. cầu hoạt độ g trong một thời gian đài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết kế quan trọng nhất trong mạng cảm biển. - Các thiết bị trong mạng cảm biến không đây có thời gian hoạt động.

lâu đài (từ vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc. nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt 46. - Các node trong mạng cảm biến không đây có thể di động làm phức tạp hóa vấn đề định tuyến trong mạng. - Giới hạn về năng lực tính toán (Chip vi xử lý, bộ nhớ hạn chế) của tig node mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, mạng cảm biến không đây thường sử đụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tai cho node gin hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cằn tính toán cho các node c6 kha năng xử lýtín hiệu mạnh và ít ràng buộc vẻ tiêu thụ năng lượng.

iến trúc giao thức mạng cảm biến không dây “Kiến trúc giao thức áp dụng cho WSN được trình bày trong hình 1. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quân lý. Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thê làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến. dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẽ tài nguyên giữa các nút cảm biển.

\ Lm ẵ| ⁄ Lớp lên kết liệt \ Ben Lap vt lf Hinh 1. Kién trúc giao thức mạng cảm bién [4] [5]. Mặt phẳng quãn j ý công suất: Quân lý cách cảm biến sử đụng nguên năng lượng của nó. Ví đụ : Nút cảm biến có th tắt bộ thu sau khi nhận.

được một bản tin. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nô sẽ quảng bá sang các nút cảm biến lân cận đẻ thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thê tham gia vào quá trình định tuyến. Mặt phẳng quan lý di động: Cô nhiềm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút cảm biến. Các nút cảm biến giữ nhiệm vụ theo đõi ‘xem nút nào là nút hang x6m của chúng.Mặt phẳng quản bj: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biển giữa các nút trong một vùng quan tâm.

Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ căm nhận ở cùng một thời điểm. Lớp vật lý Lớp vật lý xác định tần số vô tuyến vật lý mà tại đó sông vô tuyến hoạt động, phương thức điều chế vô tuyến và mã hóa tín hiệu vô Lớp vật lý ca WSN tuân theo chuẩn TEEE 802.4 hoạt động trên 3 băng tần số vô tuyến được cấp phép miễn phí. Bởi vì những điều chỉnh vô tuyến cục bộ, nên tần số chính xác là khác nhau ở những nơi khác nhau trên. Tai Hoa Ky, IEEE 802.4 sử dung băng tin 902-928MHz.

Tai châu Âu, 802.4 sit dung bang tan 868- 868. Phan con lai cia thé giới, 802.4 sử đụng băng tần 2400-2483.4 định nghĩa 26 kênh khác nhau hoạt động. Trong mỗi băng tằn, có một số kênh quy định, như trong hình 1. Channel 0 được quy định chỉ ở châu Âu, và nằm trên băng §68MHz.

Các kênh từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỷ trên băng 002-982MHz. Khoảng cách giữa các kênh là 2MHz. Các kênh từ 11-26 được quy định trên băng tin 2,4 GHz. Cac kénh được định nghĩa với khoảng cách giữa các kênh là SMHz.4 sử đụng hai loại điều chế vô tuyến, tùy thuộc vào tần số.

Các kênh từ 0-10 sử dụng khoá địch pha nhị phân (BPSK), trong khi đồ các kênh từ 11-26 sử dụng khoá địch pha vuông góc (QPSK). Trên tất cả các kênh, IEEE §02.4 sử đụng điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS). EEEAMB154danmd lI26 EegecSY 301 340 2615 390 Comd OR Bo TEEEMtilb dannd ti _ Channel 1 ‘ " “Hình L3 Phân chia kênh vô ngần trong dãi 24GI Giống như kỹ thuật điều chế, tốc độ bit là phụ thuộc vào kênh vô tuy: Tốc độ bt của kênh là 0 là 20000 bits. Đối với các kênh từ 1-10, tốc độ bít là 40000 bit's, và cho các kênh 11-26 tốc độ bit là 250.000 bits Các kênh vô tuy én IEEE 802.4 trong bang tin 2.4GHz chia sé tin s6 vô tuyến của chúng với 802.11(WiFi) và có một sự chồng lấn với các kênh.11 có một công suất đầu ra cao hơn nhiễu, nên lưu lượng 802.11 làm nhiễu lưu lượng theo chuẩn §02.3 cho thấy sự chồng.

Tất cả kênh 802.4 ngoại trừ kênh 25 và 26 được bao bọc bởi các kênh 802. Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, thủ cô 2 kênh của 802.4 (là kênh 15 và 20) không thấy sự can nhiễu từ lưu lượng 802. Tuy nhiên, việc gần các kênh này tùy thuộc vào những thay đổi ở những khu vực pháp lý khác nhau và có thể thay đổi theo thời gian. “Kênh 25 và 26 không được bao bọc bởi các kênh 802.

Khi các kênh 1, 6 và 11 của 802.11 được sử dụng, hai kênh 15 và 20 của 802.4 không bị ảnh hưởng bởi 802. Lớp liên kết dữ liệu Mục đích của lớp liên kết đữ liệu (MAC) là để kiểm soát truy cập vào các kênh truyền vô tuyến. Bởi vì kênh truyền vô tuyến được chia sẽ giữa tất cả các nút gửi và nút nhận trong vùng lân cận cũa chúng với nhau, lớp MAC cung cấp cơ chế cho các nút xác định khi nào kênh là nhàn rỗi và khi nào là an toàn đễ gửi các bản tin.154 MAC cung cấp việc quản lý truy cập kênh, xác nhận sự hợp lệ các khung đến và xác nhận sự tiếp nhận khung.4 MÁC cung cấp các cơ chế tùy chọn cho cơ chế đa truy cập phân chia thời gian (TDMA) đễ truy cập kênh truyền. Lép mang Lớp mạng quan tâm đến định tuyến đữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền.

Lớp mạng đồng vai trò rất quan trọng nhằm thực hiện việc định tuyến cho quá trình truyền thông của toàn bộ hệ thống mạng cảm biến không đây 1. Lớp truyền tải Lớp truyền tải đuy trì luông đữ liêu nếu ứng dung WSNs cầu và cũng cấp các địch vụ như khôi phục, điều khiễn tắc nghẽn, phân đoạn và sắp xếp gồi. Lớp ứng dụng. Tuỷ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng đụng khác nhau.

có thể được xây đựng và sử đụng ở lớp ứng dụng. Các nghiên cứu dựa trên tầng này đề phát triển ứng đụng hoặc cài đặt thuật toán đảm bảo tính tối ưu cho toàn bộ hệ thống trong g ting dung cia WSN. Phân loại giao thức định tuyển trong WSN Trong thời gian qua, đã cô nhiều giao thức định tuyết khác nhau được đề xuất cho mạng cảm biến không đây.