Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
1
MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ
việc nghiên cứu những mạng cho giá thành rẻ tiêu thụ năng lượng ít, đa chức
năng mở rộng và hoạt động một cách dễ dàng đang được tập trung nghiên cứu.
Trong đó việc nghiên cứu về mạng cảm biến đang được phát triển mạnh mẽ đặc
biệt là hệ thống mạng cảm biến không dây (wireless sensor network).
Ngày nay có rất nhiều ứng dụng của mạng cảm biến được triển khai. Đó
là các ứng dụng theo dõi, tự động hóa, y tế, quân đội và an ninh,… Trong một
tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần
không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các
điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến.
Tuy nhiên mạng cảm nhận đang đối mặt với rất nhiều thách thức đó là vấn
đề về năng lượng bị hạn chế. Để duy trì tuổi thọ cho mạng có nhiều cách khác
nhau trong đó vấn đề định vị trí chính xác của nút mạng. Nó sẽ giúp giảm một
cách đáng kể năng lương cho việc tìm đường và định tuyến do đó sẽ làm tăng
khẳ năng sống của mạng.
Vì vậy mà đồ án tốt nghiệp “ Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử
dụng chiến lược tiến hóa ” sẽ đi nghiên cứu tổng quan về mạng WSN, tìm hiểu
về cách định vị trong mạng cảm nhận, đặc biệt là các phương pháp định vị sử
dụng chiến lược tiến hóa.
Đồ án này gồm có 4 chương, lời cảm ơn, mở đầu, kết luận và tài liệu tham
khảo. Nội dung của các chương được tóm tắt như sau:
Chương 1: Mạng cảm nhận không dây, chương này sẽ giới thiệu tổng
quan về mạng cảm nhận không dây, các ứng dụng,ưu điểm và thách thức đặt ra
với mạng WSN. Giới thiệu sơ qua về các kĩ thuật định tuyến cho mạng cảm
nhận.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
2
Chương 2 : Định vị trong mạng cảm nhận không dây, trong chương này
sẽ đi nghiên cứu về cơ sở lý thuyết của việc định vi. Tìm hiểu về một số các hệ
thống định vị được sử dụng và các hệ thống định vị được sử dụng trong mạng
WSN.
Chương 3 : Định vị nút mạng trong WSN, trong chương này chúng ta sẽ
tìm hiểu các kỹ thuật định vị và thuật toán để xác định vị trí.
Chương 4 : Sử dụng chiến lược tiến hóa định vị trong mạng cảm nhận, trong
chương này ta sẽ đi tìm hiểu chiến lược tiến hóa là gì, được sử dụng trong mạng
cảm nhận như thế nào thông qua tìm hiểu 2 hệ thống định vị là Ferret và LESS
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
3
CHƢƠNG I: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
1.1 Tổng quan về mạng cảm nhận không dây
1.1.1 Khái niệm
Mạng cảm nhận không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết
các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các
node mạng thường là các thiết bị đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp và có số
lượng lớn, được phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một
diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn năng lượng hạn chế
(pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động
trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ).
1.1.2
Một node cảm biến được cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản sau: vi điều
khiển, sensor, bộ phát radio. Ngoài ra, còn có các cổng kết nối với máy tính.
Vi điều khiển
Bao gồm: CPU, bộ nhớ ROM, RAM, bộ phận chuyển đổi tín hiệu tương
tự thành tín hiệu số và ngược lại
Sensor
Chức năng: cảm nhận thế giới bên ngoài, sau đó chuyển dữ liệu qua bộ
phận chuyển đổi để xử lý.
Bộ phát radio
Bởi vì node cảm biến là thành phần quan trọng nhất trong WSN, do vậy
việc thiết kế các node cảm biến sao cho có thể tiết kiệm được tối đa nguồn năng
lượng là vấn đề quan trọng hàng đầu.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
4
1.1.3 Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm
biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng
lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các
mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong
mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể
không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh
hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động
bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng
không hoạt động.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng
ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải
có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng
lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc
điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển
khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp
lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều
nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau: Kích
thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có
mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có
người kiểm soát, thích nghi với môi trường.
Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất
gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường
làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở
bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm
hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
5
Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nút
được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể
tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để
thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền
dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng
của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng
lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz.
Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng
hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và
dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm
trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.
Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,
hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng
được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể
lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp
một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc
duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau:
- Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn
hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng
cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot
đặt từng cái một.
- Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ
thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không
kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng
thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể.
- Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào
các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự
thay đổi chức năng.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
6
Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến không
dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng
lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn
năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các
nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm
biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa
định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những
thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại
mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan
trọng.
1.1.4 Ƣu điểm
Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử
dụng sóng Radio, cũng tương tự như điện thoại không dây. Ưu thế của mạng
không dây là khả năng di động và sự tự do, người dùng không bị hạn chế về
không gian và vị trí kết nối. Những ưu điểm của mạng không dây bao gồm :
Khả năng di động và sự tự do – cho phép kết nối từ bất kỳ đâu.
Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối.
Dễ lắp đặt và triển khai.
Không cần mua cáp.
Tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp.
Dễ dàng mở rộng.
1.1.5 i
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức
và trở ngại cần phải vượt qua:
Lưu trữ dữ liệu: Các cảm biến lấy mẫu từ môi trường liên tục. Với khả
năng lưu trữ hạn chế của các cảm biến trên mạng dữ liệu không được lưu trữ
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
7
vĩnh viễn. Dữ liệu được lén, lọc, tổng hợp từ các nút, và các dữ liệu cũ phải
được xóa đi. Dữ liệu mà muốn lưu trữ trên mạng phải chuyển tiếp đến máy chủ
trung tâm.
Vấn đề về năng lượng: Vấn đề năng lượng là vấn đề quan trọng của
mạng camr biến, khi mà mạng có quy mô lớn việc giám sát và cung cấp năng
lượng cho mạng là không thể thực hiện. Sử dụng các thuật toán, kỹ thuật để bảo
đảm bảo năng lượng tiêu thụ ít nhất có thể.
Khả năng chịu lỗi: Một số các nút cảm biến có thể không hoạt động
nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi
trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy
trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động
Định vị: Sử dụng mạng không dây để xác định vị trí vị trí hay theo dõi
các sự kiện đang là vấn đề đang được quan tâm hiện nay. Nếu sử dụng GPS thì
vấn đề năng lượng và chi phí là rất khó khăn. Vì vậy mà vấn đề là làm thế nào
để xác định được vị trí là vấn quan trọng.
Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút
cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng
ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải
có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.
An ninh: Các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi
trường đường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin là rất quan trọng. Các
hoạt động của một toà nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin
về nhiệt độ và ánh sáng của toà nhà đó. Những thông tin này có thể được sử
dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có
khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh,
dữ liệu bảo mật trở nên rất quan trọng. Không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn
phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là
yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng. Việc sử dụng mã hoá và giải mã sẽ
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
8
làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông. Dữ liệu mã hoá và giải mã cần
được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do
giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi.
1.1.6 không dây
WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng được với môi trường
khắc nghiệt. Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau
đó gửi những thông tin thu được đến trung tâm để xử lý theo ứng dụng.Các node
không những có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lý dữ
liệu thu được trước khi gửi đến các node khác. WSN cung cấp rất nhiều những
ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
1.1.6.1 Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên
Trong phản ứng với các dịch bệnh, thảm họa thiên nhiên thì một số lượng
lớn các node cảm biến được thả từ trên cao xuống, mạng cảm biến sẽ cho ta biết
vị trí sống sót vùng nguy hiểm giúp cho giám sát có các thông tin chính xác đảm
bảo hiệu quả cho công tác tìm kiếm. Việc sử dụng mạng cảm ứng còn giúp con
người làm việc ở những nơi điều kiện khác nghiệt, nguy hiểm đến tính mạng.
Ứng dụng trong an ninh là phát hiện xâm nhập và truy bắt tội phạm.
Mạng cảm biến quân sự phát hiện và có các thông tin về sự di chuyển
của đối phương, chất nổ và các thông tin khác.
Phát hiện và phân loại các loại hóa chất, sinh hóa, sóng vô tuyến, phóng
xạ hạt nhân.
Giám sát sự thay đổi khí hậu của rừng.
Giám sát xe cộ trên đường.
Giám sát an ninh trong các khu vực dân cư, thương mại.
Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
9
Hình 1.1: Ứng dụng WSN trong an ninh quốc gia.
1.1.6.2 Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan
Mục tiêu của các hệ thống này là thu thập thông tin qua các cảm biến, xử
lý và lưu trữ tại trung tâm và sử dụng nó cho các trường hợp cần thiết. Hệ thống
được lắp đặt dọc các đường chính nó có tác dụng thu thập các thông tin như mật
độ xe cộ, tắc nghẽn giao thông, số lượng xe, lưu lượng xe. Mạng theo dõi liên
tục cung cấp các thông tin theo thời gian thực. Các thông tin thu được dùng để
điều phối giao thông và cho các mục đích khác.
1.1.6.3 Ứng dụng cho việc điều khiển các thiết bị trong nhà.
Ứng dụng của WSN nó cung cấp việc điều khiển bảo quản các thiết bị
trong nhà và giám sát an ninh.
Hinh 1.2: Ứng dụng trong điều khiển các thiết bị trong nhà.
Định vị trong mạng cảm nhận không dây sử dụng chiến lược tiến hóa
- -
10
Các node cảm biến được lắp đặt trên các thiết bị, vị trí cần thiết sau đó nối
thành mạng truyền dữ liệu về node trung tâm
1.1.6.4 Ứng dụng các tòa nhà tự động
Ứng dụng trong điều khiển quản lý, kiểm soát an ninh… Quản lý nhiều hệ
thống cùng lúc như quản lý nhân viên, điện, nhiệt độ, ánh sáng, gắn các chíp lên
các thiết bị từ đó có thẻ điều khiển chỉ bằng cuộc điện thoại hay một cú nhấc chuột.
Hinh 1.3: Ứng dụng trong tòa nhà tự động
Ví dụ như những nơi công cộng như hành lang, cầu thang, những nơi có
không gian lớn hoặc những nơi không cần sự chiếu sáng thường xuyên, việc bật
sáng thường xuyên sẽ gây ra tình trạng lãng phí điện, làm giảm tuổi thọ của
bóng đèn. Vì vậy chúng ta có thể sử dụng thiết bị cảm biến hồng ngoại để tự
động điều khiển bật tắt các thiết bị. Các cảm biến hồng ngoại được đặt ngay tại
nơi cần chiếu sáng, trong vùng quét. Khi có người đi qua cảm biến hồng ngoại
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét