Thạc Sĩ Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo toà nhà bulding

MỤC LỤC
Trang
Thuật ngữ viết tắt
Lời nói đầu 9
CHƯƠNG 1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 11
1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 11
1.2 Các thành phần của mạng cảm biến 11
1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây 13
1.3.1 Lớp ứng dụng 15
1.3.2 Lớp giao vận 15
1.3.3 Lớp mạng 16
1.3.4 Lớp liên kết số liệu 16
1.3.5 Lớp vật lý 17
1.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 18
1.4.1 Tự động hóa gia đình và điện dân dụng 18
1.4.2 Cảm biến trong quân sự 20
1.4.3 Cảm biến trong y tế và giám sát sức khỏe 22
1.4.4 Cảm biến môi trường và nông nghiệp thông minh 23
1.5 Những hạn chế trong phát triển mạng cảm biến không dây 26
1.5.1 Năng lượng hạn chế 26
1.5.2 Giải thông giới hạn 26
1.5.3 Phần cứng giới hạn 26
1.5.4 Kết nối mạng không ổn định 26
1.5.5 Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trường tự nhiên 27
CHƯƠNG 2 Kỹ thuật truyền dẫn không dây 28
2.1 Các thành phần cơ bản của cấu trúc mạng cảm biến 28
2.2 Các mô hình phân bố 31
2.3 Điều chế tín hiệu 33
2.4 Quá trình truyền sóng 34
2.5 Các công nghệ không dây 36
CHƯƠNG 3 Các giao thức điều khiển mạng cảm biến không dây 42
3.1 Giao thức điều khiển truy nhập 42
3.1.1 Mô hình giao thức WSNs 42
3.1.2 Giao thức MAC 43
3.1.2.1 Các thông số 44
3.1.2.2 Các giao thức chung 46
3.1.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 48
3.2 Giao thức định tuyến trong WSNs 48
3.2.1. Các kỹ thuật định tuyến 50
3.2.2. Flooding và các biến thể 51
3.2.3. Giao thức định tuyến thông tin qua sự thỏa thuận: 53
3.2.4. Phân nhóm phân bậc tương thích, năng lượng thấp (LEACH) 57
59
3.2.5. Truyền tin trực tiếp
3.2.6. Định tuyến theo vị trí 60
3.2.7. Kết luận: 61
4


3.3. Các giao thức điều khiển giao vận cho mạng cảm biến không dây 61
3.3.1 Các giao thức điều khiển giao vận truyền thống 61
3.3.2 Các giao thức điều khiển giao vận đang tồn tại 63
3.3.4 Đặc điểm của các giao thức điều khiển giao vận 63
3.3.4.1 Sự tắc nghẽn 63
3.3.4.2 Khôi phục gói bị mất 65
3.3.5 Kết luận: 65
CHƯƠNG 4 Phần mềm quản lý mạng không dây 67
4. 1 Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 67
4.1.1 TinyOS 68
4.1.2 Mate 69
4.1.3 Magnet OS 70
4.1.4 Mantis 70
4.2. Phần mềm cho mạng cảm biến không dây 70
4.2.1 Nguyên lý thiết kế phần mềm cho WSN 70
4.2.2 Kiến trúc phần mềm 71
4.2.2.1 Các chức năng liên quan đến dữ liệu 72
4.2.2.2 Kiến trúc 73
4.2.2.3 Một số phần mềm đang sử dụng 73
4.3. Quản lý mạng cho mạng cảm biến không dây 74
4.3.1 Các kiểu quản lý mạng truyền thống 74
4.3.2 Vấn đề thiết kế quản lý mạng 75
4.3.3 Các vấn đề khác 76
4.4. Quản lý vận hành của mạng cảm biến 77
4.4.1 Vấn đề thiết kế cho WSN 77
4.4.1.1 Giao thức MAC 77
4.4.1.2 Giao thức định tuyến 78
4.4.1.3 Giao thức chuyển vận 78
4.4.2 Mô hình hóa sự vận hành của WSN 79
4.4.2.1 Metric 79
4.4.3 Các mô hình cơ bản: 80
4.4.4 Các mô hình mạng 83
4.4.5 Tính toán thời gian sống của hệ thống 85
CHƯƠNG 5 Chuẩn Zigbee/IEEE802.15.4 88
5.1 Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE802.15.4 88
5.2 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 88
5.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. 90
5


5.2.1.1 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz 90
5.2.1.2 Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần 868/915MHz 92
5.2.2 Các thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IEEE 802.15.4 93
5.2.2.1 Chỉ số ED (energy detection) 93
5.2.2.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) 93
5.2.2.3 Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA) 93
5.3 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC 93
5.3.1 Cấu trúc siêu khung 94
5.3.1.1 Khung CAP 95
5.3.1.2 Khung CFP 96
5.3.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS) 96
5.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang 96
CSMA-CA.
5.3.3 Các mô hình truyền dữ liệu 99
5.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 101
5.3.5 Quản lý và phân phối khe thời gian đảm bảo GTS 102
5.3.6 Định dạng khung tin MAC 102
5.4 Tầng mạng của ZigBee/IEEE802.15.4 103
5.4.1 Dịch vụ mạng 103
5.4.2 Dịch vụ bảo mật 103
5.5 Các thuật toán định tuyến của ZigBee/IEEE 802.15.4 105
5.5.1 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV 105
5.5.2 Thuật toán hình cây 107
5.5.2.1 Thuật toán hình cây đơn nhánh 107
5.5.2.2 Thuật toán hình cây đa nhánh. 110
CHƯƠNG 6: Ưngs dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa nhà 114
6.1. Kiến trúc của hệ cảm biến 114
6.2 Các ứng dụng mạng cảm biến trong gia đình 114
6.3 Một số loại cảm biến ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 118
6.4 Ứng dụng trong cảnh báo tòa nhà 122
6


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ad hoc On - Demand Chuỗi chỉ hướng theo yêu cầu Ad
AODV
Distance - Vector Routing hoc
Carrier Sense Multiple Đa truy nhập cảm biến sóng
CSMA
Access mang
Distributed Aggregate Giao thức quản lý khối kết hợp
DAM
Management phân tán
Destination-Sequenced
DSDV Chuỗi chỉ hướng với đích tuần tự
Distance-Vector
DSR Dynamic Source Routing Giao thức định tuyến nguồn động
Global Navigation Hệ thống vệ tinh điều hướng toàn
GLONASS
Satellite System cầu
Global Positioning
GPS Hệ thống định vị toàn cầu
System
Heating, Ventilation, and Hơi ấm, thông gió và các điều
HVAC
Air Conditioning kiện không khí
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường
NS-2 Network Simulator - 2 Bộ mô phỏng mạng phiên bản 2
PDA Personal Digital Assistan Trợ tá số cá nhân
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
Thành phần nguyên khối tần số
RFM RF Monolithic
vô tuyến
Đăng nhập chỉ mục không khoá
RKE Remote Keyless Entry
từ xa
Sensor Management
SMP Giao thức quản lý cảm biến
Protocol
Sensor Query and Data Giao thức truy vấn cảm biến và
SQDDP
Dissemination Protocol phổ biến số liệu
Simulator for Wireless Mô hình mô phỏng các mạng Ad
SWAN
Ad-hoc Networks hoc không dây
Task Assignment and
Giao thức phân nhiệm vụ và
TADAP Data Advertisement
quảng cáo số liệu
Protocol
Time Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo thời
TDMA
Access gian
TORA Temporally Ordered Thuật toán tìm đường tuần tự
7


Routing Algorithm theo thời gian
Universal Asynchronous Bộ thu phát không đồng bộ
UART
Receiver Transmitter chung
VHSIC Hardware Ngôn ngữ mô tả phần cứng Mạch
VHDL
Description Language tích hợp mật độ cao
Wireless Integrated Cảm biến mạng tích hợp vô
WINS
Network Sensors tuyến
Wireless Local Area
WLAN Mạng nội hạt vô tuyến
Network
Wireless Personal Area
WPAN Mạng vùng cá nhân vô tuyến
Network
8


LỜI NÓI ĐẦU
Trong quá trình phát triển của con người, những cuộc các mạng về
công nghệ đóng một vai trò rất quan trọng, chúng làm thay đổi từng ngày
từng giờ cuộc sống của con người, theo hướng hiện đại hơn. Đi đôi với quá
trình phát triển của con người, những thay đổi do chính tác động của con
người trong tự nhiên, trong môi trường sống cũng đang diễn ra, tác động trở
lại chúng ta, như ô nhiễm môi trường, khí hậu thay đổi, v.v . Dân số càng
tăng, nhu cầu cũng tăng theo, các dịch vụ, các tiện ích từ đó cũng được hình
thành và phát triển theo. Đặc biệt là áp dụng các công nghệ của các ngành
điện tử, công nghệ thông tin và viễn thông vào trong thực tiễn cuộc sống con
người. Công nghệ cảm biến không dây được tích hợp từ các kỹ thuật điện tử,
tin học và viễn thông tiên tiến vào trong mục đích nghiên cứu, giải trí, sản
xuất, kinh doanh, v.v ., phạm vi này ngày càng được mở rộng, để tạo ra các
ứng dụng đáp ứng cho các nhu cầu trên các lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay, công nghệ cảm biến không dây chưa được áp dụng một các
rộng rãi ở nước ta, do những điều kiện về kỹ thuật, kinh tế, nhu cầu sử dụng.
Song nó vẫn hứa hẹn là một đích đến tiêu biểu cho các nhà nghiên cứu, cho
những mục đích phát triển đầy tiềm năng. Để áp dụng công nghệ này vào thực
tế trong tương lai, đã có không ít các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu,
nắm bắt những thay đổi trong công nghệ này.
Được sự định hướng và chỉ dẫn của Tiến sĩ Nguyễn Thuý Anh, em đã
chọn đề tài đồ án: “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo
toà nhà bulding”. Với mục đích tìm hiểu về mạng cảm biến không dây.
Nội dung của đồ án được thể hiện qua 6 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
Chương 2: Kỹ thuật truyền dẫn không dây.
Chương 3: Các giao thức điều khiển mạng cảm biến không dây.
Chương 4: Phần mềm quản lý mạng cảm biến không dây.
Chương 5: Chuẩn truyền dẫn không dây Zigbee
Chương 6: Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong cảnh báo tòa
nhà
9


Do kiến thức và khả năng của em còn hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp
này không tránh khỏi các sai sót. Mong được sự góp ý của các thầy, các cô và
các bạn để nội dung đồ án được hoàn thiện hơn.