Đồ án Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN======ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆPĐề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây Giáo viên hướng dẫn: Th.s Hòa Quang DựSinh viên thực hiện: Hà Minh Phương Lớp:CT701 Mã SV: 10295NỘI DUNG BÁO CÁOMỤC ĐÍCH ĐỀ TÀIMẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂYVẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNGQUẢN LÝ NĂNG LƯỢNGTHỰC NGHIỆMTỔNG KẾTI. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀITìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về mạng WSN Nghiên cứu vấn đề năng lượng trong WSN, những phương pháp và thuật toán để duy trì thời gian sống của nút mạng dài Xây dựng chương trình mô phỏng việc quản lý năng lượng của WSNII. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY1.Khái niệm: Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhậnbằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộcảm biến. 2.Cảm biến: Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệuhay kích thích. Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đođạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốcđộ, áp suất, momen... III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNGA.Vấn đề quản lý năng lượngNguyên nhân quản lý năng lượng Hao phí năng lượng Phân bố năng lượng B.Các nguồn năng lượng PinNguồn năng lượng khácA. Vấn đề quản lý năng lượngNguyên nhân quản lý năng lượng Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượngNút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trịNguyên nhân hao phí năng lượngHao phí điện năng trong quá trình xung đột. Phí tổn điều khiển gói tin. Nghe lỏm truyền thông không cần thiết.Thời gian nghỉ kéo dài Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động:Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mWTrong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mWĐánh giá :Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhấtRadio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm biến. A. Vấn đề quản lý năng lượngPhân bố năng lượng Bộ xử lý RadioSensors và ADCB.Các nguồn năng lượngNguồn năng lượng mặt trờiNguồn năng lượng rung động cơ họcNguồn năng lượng từ pin Chọn nguồn năng: Thời gian sản xuất Khả năng thay thếGiá cả ban đầu và giá cả phát sinhThời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học. B.Các nguồn năng lượngPinThời gian sốngQuá trình phát hiện pin yếuCảnh báo “pin yếu” Hấp thụ năng lượng Pin quang điện Rung động cơ học Nguồn hấp thụ năng lượng khác IV. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG1. Giao thức điều đình (Mediation Device- MD)2. Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen)3. Giải thuật LEACH4. Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum Power Configuration)Giao thức điều đìnhNút mạng tiêu thụ điện năng trung bình theo thời gian P= α . P0 + (1- α) . Ps P = năng lượng tiêu thụ trung bình theo thời gian (đơn vị W) α = Chu trình tác vụ P0 = Năng lượng tiêu thụ khi hoạt động tích cực (Đơn vị W) Ps = Năng lượng tiêu thụ trong chế độ chờ standby (Đơn vị W)Giảm P thì giảm P0 và PsPhương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen)Lược đồ cơ bản Lựa chọn và duy trì lịch trìnhTự đưa ra lịch trìnhTheo lịch trình nút lân cậnNhận lịch trình của nút khác khi đã có lịch trình Duy trì sự đồng bộ hóa Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen)Cơ chế tránh xung đột và nghe lỏm 1. Cơ chế tránh xung đột. 2. Cơ chế tránh nghe lỏm Nút nào phải ngủ khi A đang truyền thông với B ? Giải thuật LEACHKiến trúc mạng liên kết bó:Nút đầu bó tiêu thụ điện năng lớn hơn những nút trong bó.Quay vòng đầu bó.Thao tác LEACH chia làm nhiều vòng và mỗi vòng có 4 giai đoạn: 1.Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase) 2.Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase ) 3. Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation) 4. Truyền dữ liệu (Data Transmission) Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum Power Configuration)Mạng WSN cần phải giảm năng lượng tiêu thụ trong mỗi trạng thái năng lượng của radio (trạng thái truyền, nhận, và nghỉ).MPC giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong tất cả trạng thái năng lượng.Ví dụ minh họa truyền thông từ a tới c: a → c hoặc a → b → c.-Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền |ac| khi b đang ngủ. -Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| và b chuyển tiếp dữ liệu từ a tới cĐịnh nghĩa bài toán1. Pmintx ≤ Ptx(u,v) ≤ Pmaxtx2. G(V,E) mạng không dây. V tập các nút E định nghĩa là E = {(u,v)|(u,v є V ^(Ptx (u,v)≤ Pmaxtx )}.3. Prx tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ thu Pid tiêu thụ năng lượng của nút trong chế độ nghỉ.4. S= {si } và T = {tj } là nút nguồn và nút đích tương ứng I = {(si, tj,ri,j)|si є S, tj є T } là bộ yêu cầu lộ trình nơi nguồn si gửi dữ liệu tới đích tj ở tốc độ ri,j. 5. Cu,v = Ptx(u,v) + Prx – 2Pid z = Pid Bài toán MPC: Đưa ra mạng G(V,E) và bộ yêu cầu truyền thông I,tìm một đồ thị G’(V’,E’), và lộ trình f(si,tj) bên trong G’ cho mỗi yêucầu truyền thông (si,tj,ri,j) є I sao cho tổng giá trị năng lượng P(G’) làrất nhỏ Thuật toán MBAInput:G(V,E),bộ W = S U {t} và yêu cầu truyền thông IOutput: G’(V’,E’)1. Tạo ra đồ thị đầy đủ M bao gồm tất cả các nút trong W. Mỗi cạnh giữa 2 nút trong M là đường đi ngắn nhất giữa 2 nút trong G theo giá trị cạnh D. Cho 2 nguồn si và sj, Du,v =z + (2rirj/(ri+rj))Cu,v, (u,v) є E. Cho nguồn si và đích t, Du,v = z + riCu,v ,(u,v) єE. Tìm đồ thị phù hợp với đồ thị M mà có nửa giá trị của đồ thị đầy đủ tối thiểu tương ứng, và có nửa trong tổng số nút2. Các nút và cạnh của G tương ứng với mỗi cạnh của M được thêm vào G’. Cho mỗi đỉnh tương ứng (si, sj) trong M, chọn si làm tâm với xác suất ri/(ri+rj), ngược lại chọn sj sẽ là tâm. Thay đổi tốc độ dữ liệu của tâm khi ri + rj .3. Mỗi nút không phải là tâm trong đỉnh tương ứng của M được đưa tới W.Dừng lại nếu S chỉ chứa đích, nếu không chuyển về bước 1 Sự phức tạp O(k2(m + nlgn)) (với k, m, n tương ứng là số lượng nguồn, tổng số cạnh và nút trong G). Bài toán kết thúc sau O(lg k) lần lặp Giá trị cạnhCây tìm đường đi ngắn nhất (Shortest-path Tree Heuristic -STH) Ý tưởng: cân bằng theo giá trị liên quan (ri,j . Cu,v) và giá trị nút cố định (z) của đồ thị .Input: G(V,E),bộ nguồn S, và yêu cầu truyền thông IOutput: G’(V’,E’)1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng 2.Với nút nguồn sia)Đặt trọng số cạnh của G(V,E) theo gib)Tìm đường đi ngắn nhất nối si với tc)Thêm đường đi ngắn nhất tìm thấy tới G’3.Kết thúcBài toán ISTHInput: G(V,E), bộ nguồn S, đích t và yêu cầu truyền thông IOutput: G’(V’,E’)1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng2.Gán nhãn cho tất cả nút đang ngủ 3.W =S4.Khi W≠ Ø(a) Tìm si Є W sao cho khoảng cách ngắn nhất trong G(V,E) tới t với trọng số cạnh hi(u,v)(b) Thêm đường đi ngắn nhất từ si tới t trong G’(c) Gán nhãn cho tất cả nút trên lộ trình đang hoạt động(d) W = W- si5.Kết thúcGiao thức phân tánGiao thức MPCP-Trạng thái nút và bảng định tuyến-Cập nhật tuyến (Route Updates)1) link bị hỏng. 2) Tốc độ dữ liệu của luồng hiện có thay đổi.3) Luồng dữ liệu được bắt đầu hoặc hoàn thành.Giao thức mạng MASP-chi phí định tuyến của nút trong MASP không phụ thuộc vào tốc độdữ liệu V. THỰC NGHIỆM Mục đích thực nghiệm-Nghỉ (Idle): Chế độ radio được bật, nhưng chưa sử dụng-Truyền (Transmit): Radio đang thực hiện truyền gói dữ liệu-Nhận (Receive): Radio đang thực hiện nhận gói dữ liệu được gửi tới-Ngủ (Sleep): Radio đang ở chế độ giảm điện năng-Nghe lỏm (overhear): Radio nghe (listen) thông tin từ nút khác gửi tới nhưng không thực hiện quá trình thông tin đó.Bài toán: Thực nghiệm nhằm đưa ra chương trình mô phỏng minh họa chế độ năng lượng CC1010 ở chế độ idle và sleep. Minh họa trên macro ENTER_IDLE_MODE và ENTER_SLEEP_MODE. Mô hình thực nghiệmNgôn ngữ lập trìnhChương trình thực nghiệm Khởi tạoCác ngắt, bộ định thời, đèn tín hiệuVề chế độ chờFTBật đèn xanhKích hoạt Timer0Về chế độ nghỉVô hiệu hoá Timer0-Bật đèn vàngĐèn xanh tắtVề chế độ ngủResetNhấn switch1Nhấn switch2TBeginFVI. TỔNG KẾT Lý thuyết:Nguồn năng lượng cung cấp cho nút mạng như pin, các nguồn tích nạp từ môi trườngNhững nguyên nhân gây mất năng lượng, lãng phí năng lượng trong mạngĐưa ra những phương pháp, thuật toán quản lý hạn chế và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ Thực nghiệm:Đã xây dựng được bài toán thực nghiệm mô phỏng các chế độ năng lượng trên một nút mạng, phần nào đã minh họa cho lý thuyết của đồ án.LỜI CẢM ƠN ! Mặc dù đã cố gắng nhiều, nhưng đề tài cũng không tránh khỏi những sai sót. Nếu điều kiện thời gian và trang thiết bị cho phép em sẽ phát triển hơn nữa phần lý thuyết cũng như phần thực nghiệm.Em xin chân thành cảm ơn Ths. Hòa Quang Dự và PGS.TS. Vương Đạo Vy, cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn CNTT đã tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt nhất đề tài tốt nghiệp