Thâm nhập môi trường (MAC), hiệu quả năng lượng cho các nút mạng cảm biến không dây

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) là một trong những lĩnh vực hiện đang được rất nhiều nơi trên thế giới nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu về WSN mở ra những ứng dụng đem lại lợi ích thiết thực cho đời sống con, giúp con người không mất quá nhiều công sức, nhân lực nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao cho công việc. Những ứng dụng của WSN trong tương lai không xa sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống con người nếu chúng ta có thể phát huy hết được các ưu điểm của nó. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển
khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có thể tự thiết lập cấu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị….

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm nhưng WSN vẫn còn nhiều nhược điểm, hạn chế cần được giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất của WSN chính là nguồn năng lượng bị giới hạn làm ảnh hưởng tới thời gian sống của các nút mạng. Các nút mạng cảm biến lại được phân bố và hoạt động với số lượng lớn ở những vùng địa lý và môi trường khác nhau nên việc nạp lại hay thay thế năng lượng cho các nút mạng là vô cùng khó khăn. Vì vậy mà rất nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào vấn đề làm thế để tăng hiệu quả năng lượng của WSN trong từng lĩnh vực khác nhau. Nhận thấy được sự quan trọng của việc tăng hiệu quả năng lượng cho WSN nên trong khóa luận này em sẽ tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu về vấn đề: “Thâm nhập môi trường (MAC), hiệu quả năng lượng cho các nút mạng cảm biến không dây”. Nội dung khóa luận này bao gồm 3 chương, phần mở đầu, phần kết luận và tài liệu tham khảo:


Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: giới thiệu một cách tổng quan về WSN, các ưu - nhược điểm và các ứng dụng đang được triển khai trong đời sống con người.
Chương 2: Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây: tìm hiểu về các thông số cần thiết khi thiết kế các giao thức thâm nhập môi trường (MAC), các nguyên nhân gây ra sự hao phí năng lượng và giới thiệu một số giao thức MAC phổ biến.
Chương 3: Thực nghiệm mô phỏng giải thuật thâm nhập môi trường cho mạng cảm biến không dây: tập trung tìm hiểu về phương pháp lập lịch tập trung và tiến hành làm thực nghiệm đo kiểm tính toán hiệu quả năng lượng của giao thức này.
Phần kết luận: tổng kết đánh giá lại những vấn đề đã thực hiện và kết quả đạt được.

LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........... 5
1.1. Định nghĩa .................................................................................................. 5
1.2. Các thành phần của mạng cảm biến không dây ......................................... 5
1.2.1. Nút cảm biến ......................................................................................... 5
1.2.2. Mạng cảm biến ...................................................................................... 7
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................................... 12
1.4. Ưu điểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây ............................ 13
1.4.1. Ưu điểm ............................................................................................... 13
1.4.2. Nhược điểm ......................................................................................... 14
1.5. Kết luận .................................................................................................... 14
CHƢƠNG 2: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................. 15
2.1. Các thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC cho WSN ........ 16
2.2. Các nguyên nhân gây ra sự lãng phí năng lượng ..................................... 18
2.3. Các giao thức MAC trong WSN .............................................................. 19
2.3.1. CSMA (Đa truy cập cảm nhận sóng mang) ........................................ 19
2.3.2. S-MAC (Sensor - MAC) ..................................................................... 21
2.3.1. T-MAC (Time out - MAC) ................................................................. 30
2.4. Kết luận ..................................................................................................... 39
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG TRONG WSN .............................................. 40
3.1. Chế độ lập lịch tập trung .......................................................................... 40
3.2. Thiết lập thực nghiệm .............................................................................. 45
3.3. Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả ............................................ 48
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 53
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 54

LINK DOWNLOAD

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) là một trong những lĩnh vực hiện đang được rất nhiều nơi trên thế giới nghiên cứu và phát triển. Nghiên cứu về WSN mở ra những ứng dụng đem lại lợi ích thiết thực cho đời sống con, giúp con người không mất quá nhiều công sức, nhân lực nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao cho công việc. Những ứng dụng của WSN trong tương lai không xa sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống con người nếu chúng ta có thể phát huy hết được các ưu điểm của nó. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển
khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có thể tự thiết lập cấu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị….

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm nhưng WSN vẫn còn nhiều nhược điểm, hạn chế cần được giải quyết. Một trong những thách thức lớn nhất của WSN chính là nguồn năng lượng bị giới hạn làm ảnh hưởng tới thời gian sống của các nút mạng. Các nút mạng cảm biến lại được phân bố và hoạt động với số lượng lớn ở những vùng địa lý và môi trường khác nhau nên việc nạp lại hay thay thế năng lượng cho các nút mạng là vô cùng khó khăn. Vì vậy mà rất nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào vấn đề làm thế để tăng hiệu quả năng lượng của WSN trong từng lĩnh vực khác nhau. Nhận thấy được sự quan trọng của việc tăng hiệu quả năng lượng cho WSN nên trong khóa luận này em sẽ tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu về vấn đề: “Thâm nhập môi trường (MAC), hiệu quả năng lượng cho các nút mạng cảm biến không dây”. Nội dung khóa luận này bao gồm 3 chương, phần mở đầu, phần kết luận và tài liệu tham khảo:


Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây: giới thiệu một cách tổng quan về WSN, các ưu - nhược điểm và các ứng dụng đang được triển khai trong đời sống con người.
Chương 2: Giao thức điều khiển thâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây: tìm hiểu về các thông số cần thiết khi thiết kế các giao thức thâm nhập môi trường (MAC), các nguyên nhân gây ra sự hao phí năng lượng và giới thiệu một số giao thức MAC phổ biến.
Chương 3: Thực nghiệm mô phỏng giải thuật thâm nhập môi trường cho mạng cảm biến không dây: tập trung tìm hiểu về phương pháp lập lịch tập trung và tiến hành làm thực nghiệm đo kiểm tính toán hiệu quả năng lượng của giao thức này.
Phần kết luận: tổng kết đánh giá lại những vấn đề đã thực hiện và kết quả đạt được.

LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ........... 5
1.1. Định nghĩa .................................................................................................. 5
1.2. Các thành phần của mạng cảm biến không dây ......................................... 5
1.2.1. Nút cảm biến ......................................................................................... 5
1.2.2. Mạng cảm biến ...................................................................................... 7
1.3. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây ............................................... 12
1.4. Ưu điểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây ............................ 13
1.4.1. Ưu điểm ............................................................................................... 13
1.4.2. Nhược điểm ......................................................................................... 14
1.5. Kết luận .................................................................................................... 14
CHƢƠNG 2: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG
TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ................................................. 15
2.1. Các thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC cho WSN ........ 16
2.2. Các nguyên nhân gây ra sự lãng phí năng lượng ..................................... 18
2.3. Các giao thức MAC trong WSN .............................................................. 19
2.3.1. CSMA (Đa truy cập cảm nhận sóng mang) ........................................ 19
2.3.2. S-MAC (Sensor - MAC) ..................................................................... 21
2.3.1. T-MAC (Time out - MAC) ................................................................. 30
2.4. Kết luận ..................................................................................................... 39
CHƢƠNG 3: THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG TRONG WSN .............................................. 40
3.1. Chế độ lập lịch tập trung .......................................................................... 40
3.2. Thiết lập thực nghiệm .............................................................................. 45
3.3. Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả ............................................ 48
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 53
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 54

LINK DOWNLOAD

Chuyên mục: D. Luận văn D. Luận văn chuyên ngành Điện - Điện tử (Electrical & Electronic) D. Luận văn kỹ thuật