Thạc Sĩ Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng

4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN . 1
LỜI CẢM ƠN 2
MỤC LỤC 3
DANH MỤC BẢNG BIỂU . 5
DANH MỤC HÌNH VẼ . 6
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 8
Chương 1: KHÁI QUÁT VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ BÀI
TOÁN ĐỊNH TUYẾN . 14
1.1: Khái quát về mạng cảm biến không dây . 14
1.1.1: Giới thiệu mạng cảm biến không dây . 15
1.1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 15
1.1.2.1: Cấu trúc một nút mạng cảm biến không dây . 15
1.1.2.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây . 17
1.1.3: Mô hình mạng cảm biến không dây. . 19
1.1.4: Đánh giá ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây . 20
1.1.4.1: Ưu điểm của mạng cảm biến không dây. 20
1.1.4.2: Nhược điểm của mạng cảm biến không dây 23
1.1.5: Ứng dụng trong mạng cảm biến không dây 24
1.2: Bài toán định tuyến trong mạng cảm biến không dây . 25
1.2.1: Bài toán . 25
1.2.2: Công thức 25
Chương 2: CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. 26
2.1: Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây 26
2.1.1: Kỹ thuật mạng kiến trúc mạng phẳng 26
2.1.2: Kỹ thuật mạng tiết kiệm năng lượng . 27
2.1.3: kỹ thuật phương pháp phân bổ . 27

5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

2.1.4: Kỹ thuật nút cảm biến không dây 28
2.1.5: kỹ thuật báo cáo số liệu 29
2.1.6: Kỹ thuật tập trung và hợp nhất dữ liệu . 29
2.2: Giao thức trong mạng cảm biến không dây . 34
2.2.1: Giao thức mặt phẳng quản lý . 34
2.2.2: Giao thức yếu tố ảnh hưởng đến mạng cảm biến không dây . 36
2.3: Giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây . 39
2.3.1: Định tuyến với chi phí nguồn pin nhỏ nhất (Minimum Battery Cost
Routing) 39
2.3.2: Giao thức định tuyến nhận thức về năng lượng EAR (Energy Aware
Routing) 40
2.3.3: Giao thức định tuyến E-Span (Energy-Aware Spanning Tree Aigorithm) . 40
2.3.4: Giao thức định tuyến có sự nhận thức về năng lượng và cân bằng tải . 41
2.3.5: Giao thức định tuyến BRE (Bursty Routing Extensisons) 41
2.3.6: Giao thức định tuyến BCTP (Balanced Collection Tree Protocol) . 41
2.3.7: Giao thức định tuyến ICTP (Improved Collection Tree Protocol) 42
2.3.8: Giao thức định tuyến tải cân bằng năng lượng (Load-balanced Energy
aware routing) 43
2.3.9: Giao thức phân cấp (Hierarchical protocols) . 44
2.3.10: Giao thức dựa trên vị trí (Location-based protocols) . 47
Chương 3: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN
HÒA BÌNH . 48
3.1: Khảo sát mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình . 48
3.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây vào nhà máy thủy điện Hòa Bình 51
3.2.1: Nút mạng cảm biến không dây. . 51
3.2.2: Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes). . 52
3.2.3: Xây dựng mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nhà máy thủy điện
Hòa Bình 52

6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3.3: Mô phỏng quá trình thu nhập của mạng cảm biến không dây cho xử lý số
liệu nhà máy thủy điện trên cơ sở phân cấp, phân cụm, các nút mạng với quá
trình giảm thiểu năng lượng tiêu hao trong mạng. . 53
3.4: Phân cụm trong mạng cảm biến không dây. . 54
3.4.1: Phân tích năng lượng tiêu thụ trên mạng 54
3.4.2: Phân cụm phân cấp các nút mạng cảm biến với năng lượng tiêu thụ nhỏ 56
3.5: Mô phỏng quá trình phân cụm và trọn cụm chủ. 60
Kết luận và hướng phát triển. 67
Tài liệu tham khảo . 68


7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số ban đầu của hệ thống mạng. 61
Bảng 3.2: Năng lượng cho từng trường hợp. . 66

























8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Các thành phần của nút cảm ứng 16
Hình 1.2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây. 18
Hình 1.3: Mô hình mạng infrastructure. . 19
Hình 1.4: Mô hình vật lý hệ thống mạng 20
Hình 2.1: Mô hình định tuyến điểm điểm. . 30
Hình 2.2: Mô hình định tuyến điểmđa điểm. . 30
Hình 2.3: Mô hìnhđịnh tuyến đa điểm điểm . 32
Hình 2.4: Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây. 34
Hình 2.5: Phân chia kênh vô tuyến . 35
Hình 2.6: Mô hình mạng LEACH . 45
Hình 3.1: Toàn cảnh công trình thủy điện Hòa Bình. 48
Hình 3.2: Hồ chứa nước và cửa nhận nước . 49
Hình 3.3: Giàn máy gồm 8 tổ máy. 49
Hình 3.4: Trạm phân phối ngoài trời 220/110/35kv. . 50
Hình 3.5: Minh họa trạm điện 500kv. 51
Hình 3.6: Minh họa mô hình tổng thể của hệ thống. . 52
Hình 3.7: Minh họa mô hình giao thức định tuyến phân theo cụm. 53
Hình 3.8: Minh họa nút mạng theo một hàng. . 55
Hình 3.9a: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t). 56
Hình 3.9b: Minh họa sơ đồ các cụm được hình thành tại thời điểm (t+1). 56
Hình 3.10: Minh họa sơ đồ thuật toán đề xuất kỹ thuật định tuyến phân cấp. 58
Hình 3.11: Minh họa sơ đồ chọn nút chủ trong cụm. 59
Hình 3.12: Minh họa mô hình các nút mạng được lắp đặt trong hầm turbin theo
hình vẽ. . 60

9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Hình 3.13a: Minh họa mô hình các nút mạng cảm biến trong hầm turbin không
phân cụm. . 61
Hình 3.13b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng qua 300 vòng
thiết lập cụm. 62
Hình 3.13c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại trung bình trên mạng . 62
Hình 3.14a: Các nút mạng cảm biến trong hầm turbin được chia thành 2 cụm. 63
Hình 3.14b: Minh họa mô hình thời gian sống của mạng. . 63
Hình 3.14c: Minh họa mô hình năng lượng còn lại của các nút mạng. . 64
Hình 3.15a: Minh họa mô hình mạng cảm biến trong hầm chia thành 3 cụm. 64
Hình 3.15b: Minh họa mô hình thời gian sống của các nút mạng. 65
Hình 3.15c: Minh họa mô hình năng lượng các nút mạng và giá trị trung bình
của các nút mạng. . 65

















10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/




CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ gốc Nghĩa tiếng việt
WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây
N Node Nút
IoT Internet of Things Tập hợp các thiết bị có khả
năng kết nối với nhau
SN Sink Node Nút chủ
IEEE Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Chuẩn IEEE
PAN Personal Area Network Mạng cá nhân
MAC Media Access Control Điều khiển truy cập kênh
truyền
FFDs Full Functional Dependencien Chức năng đầy đủ
RFDs Reduced-function Devices Thiết bị có chức năng hạn
chế
SEA Spokesman Election Algorithm Thuật toán
MIC Melage Integrity Code Mã của gói tin
OSI Operating System Hệ điều hành
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu
nhiên
ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc
WPANs Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân
WLANs Wireless Local Area Network Mạng không dây nội bộ
MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động

11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ADC Analog Digital Converter Chuyển đổi tương tự - số
LFS Location Filding System Hệ thống định vị
PG Power Generator Bộ phát nguồn
DSSS Direct-Sequence Spresd Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo
thời gian
MTPR Minimum Total Power Rauting Giao thức định tuyến tổng
năng lượng tối thiểu
MBRC Minimum Battery Cost Routing Giao thức định tuyến với
chi phí nguồn nhỏ nhất
EAR Energy Aware Giao thức định tuyến nhận
thức về năng lượng
E-SPAN Energy-Aware Spanning Tree
Ailgorithm
Giao thức định tuyến E-
Span
BRE Bursty Routing Extensisons Giao thức định tuyến BRE
BCTP Balanced Collection Tree Protocol Giao thức định tuyến BCTP
ICTP Improved Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ
liệu cải tiến
ETX Expected Transmission Số lần truyền kỳ vọng
CTP Collection Tree Protocol Giao thức cây thu thập dữ
liệu
LEACH Low Energy Adaptive Clustering
Heararchy
Kiến trúc phân cụm thích
ứng năng lượng thấp






12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/






MỞ ĐẦU
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) Bao gồm một tập
hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây như (vô tuyến, hồng
ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ
liệu phân tán 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 nó, hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (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, tạo ra không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá
chính xác trong nông nghiệp, trong lĩnh vực y tế, quân sự Lợi thế chủ yếu của
chúng là khả năng triển khai hầu như trong bất kỳ loại hình địa lý nào kể cả các
môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống.
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 và các thiết bị vô tuyến 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. Vậy mạng không dây
có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó

13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

đảm bảo được nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cụm phân cấp, tính năng lượng
còn lại của các nút và thời gian sống của các nút mạng. Vì vậy mạng cả biến
không dây rất là quan trọng trong lĩnh vực thu thập thông số trong nhà máy thủy
điện Hòa Bình có tính năng ưu việt hơn các hệ thống mạng khác. Vì thế em chọn
đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không dây và ứng dụng”. Trong đó Luận
văn của em chủ yếu tập trung mô phỏng hóa vào “Một số kỹ thuật định tuyến
trong mạng không dây”, áp dụng vào nhà máy thủy điện Hòa Bình, làm những
công việc sau: Cảm nhận mực nước hồ chứa nước, các cửa sả và nhận nước,
cảm biến nhiệt độ độ ẩm môi trường trong phòng lắp đặt thiết bị xả, nhiệt độ
turbin, giá đỡ turbin Báo động hỏa hoạn, khói, cháy, quá tải dòng điện, quá tải
hồ chứa nước .
Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ
gọn, tiêu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi
trong nhiều lĩnh vực xã hội như: Quốc phòng, an ninh, nông lâm nghiệp, công
nghiệp, y tế và dân dụng.
Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn
đề như mất tín hiệu truyền thông, nhiễu đường truyền và sự di động của nút sẻ
dẫn đến mất dữ liệu trong khi truyền tín hiệu, gây ảnh hưởng đến hiệu năng của
quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây.
Trong thời gian qua, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng
đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là chất
lượng truyền. Tức là, ta xác định được chất lượng truyền dữ liệu trước khi thực
hiện truyền thông trong mạng cảm biến không dây, thi sẽ được cải thiện chất
lượng. Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công việc rất quan
trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây.
Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tín
hiệu thông qua sự phân cụm nút mạng và sự tồn tại lâu dài của dàn mạng cảm
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

biến không dây, cũng gống như ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng
truyền tối ưu.
Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “Phân cụm nút mạng cảm biến không
dây và ứng dụng” không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại
lâu dài của của hệ thống mạng. Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hướng
nghiên cứu tiếp theo về chủ đề phân cụm trong mạng cảm biến không dây. Bố
cục của luận văn gồm các nội dung sau:



CHƯƠNG 1
KHÁI QUÁT MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
VÀ BÀI TOÁN ĐỊNH TUYẾN
Trình bày khái quát, cấu trúc, mô hình và bài toán định tuyến trong mạng
cảm biến không dây.

CHƯƠNG 2
CÁC GIAO THỨC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
Trình bày các kỹ thuật định tuyến và giao thức trong mạng cảm biến
không dây.

CHƯƠNG 3
MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY CHO
NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN HÒA BÌNH
Trình bày chi tiết mô hình nhà máy thủy điện Hòa Bình, khảo sát nhà máy, ứng
dụng mạng cảm biến vào nhà máy thủy điện và xây dựng hệ thống mạng cảm
biến gồm 50 nút.