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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ====== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây Giáo viên hướng dẫn: Th.s Hòa Quang Dự Sinh viên thực hiện: Hà Minh Phương Lớp:CT701 Mã SV: 10295 NỘI DUNG BÁO CÁO I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI II. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY III. VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG IV. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG V. THỰC NGHIỆM VI. TỔNG KẾT I. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI  Tìm 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 WSN II. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.Khái niệm: Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhận bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ cảm biến. 2.Cảm biến: Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu hay kích thích. Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, áp suất, momen... III.VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG A.Vấn đề quản lý năng lượng  Nguyên nhân quản lý năng lượng  Hao phí năng lượng  Phân bố năng lượng B.Các nguồn năng lượng  Pin  Nguồn năng lượng khác A. Vấn đề quản lý năng lượng  Nguyên nhân quản lý năng lượng — Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượng — Nút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trị  Nguyên nhân hao phí năng lượng — Hao 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 : 64mW  Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW  Đánh giá :  Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhất  Radio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm biến. A. Vấn đề quản lý năng lượng  Phân bố năng lượng  Bộ xử lý  Radio  Sensors và ADC B.Các nguồn năng lượng • Nguồn năng lượng mặt trời • Nguồn năng lượng rung động cơ học • Nguồn năng lượng từ pin…  Chọn nguồn năng: — Thời gian sản xuất — Khả năng thay thế — Giá cả ban đầu và giá cả phát sinh — Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học. B.Các nguồn năng lượng  Pin — Thời gian sống — Quá trình phát hiện pin yếu — Cảnh báo “pin yếu”  Hấp thụ năng lượng — Pin quang điện — Rung động cơ học — Nguồn hấp thụ năng lượng khác IV. QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 1. Giao thức điều đình (Mediation Device- MD) 2. Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen) 3. Giải thuật LEACH 4. Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum Power Configuration) Giao thức điều đình  Nút 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 Ps Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng (Sleep- Listen)  Lược đồ cơ bản  Lựa chọn và duy trì lịch trình — Tự đưa ra lịch trình — Theo lịch trình nút lân cận — Nhận 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 LEACH  Kiến 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 c Định nghĩa bài toán 1. Pmintx ≤ Ptx(u,v) ≤ P max tx 2. G(V,E) mạng không dây.  V tập các nút  E định nghĩa là E = {(u,v)|(u,v є V ^(Ptx (u,v)≤ P max tx )}. 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 yêu cầu truyền thông (si,tj,ri,j) є I sao cho tổng giá trị năng lượng P(G’) là rất nhỏ Thuật toán MBA Input:G(V,E),bộ W = S U {t} và yêu cầu truyền thông I Output: 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 nút 2. 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 cạnh Cây 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 I Output: G’(V’,E’) 1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng 2.Với nút nguồn si a)Đặt trọng số cạnh của G(V,E) theo gi b)Tìm đường đi ngắn nhất nối si với t c)Thêm đường đi ngắn nhất tìm thấy tới G’ 3.Kết thúc Bài toán ISTH  Input: G(V,E), bộ nguồn S, đích t và yêu cầu truyền thông I  Output: G’(V’,E’) 1.Ban đầu G’(V’,E’) rỗng 2.Gán nhãn cho tất cả nút đang ngủ 3.W =S 4.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- si 5.Kết thúc Giao thức phân tán  Giao 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 độ dữ 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 nghiệm  Ngôn ngữ lập trình Chương trình thực nghiệm Khởi tạo -Các ngắt, bộ định thời, đèn tín hiệu -Về chế độ chờ F T -Bật đèn xanh -Kích hoạt Timer0 -Về chế độ nghỉ -Vô hiệu hoá Timer0 -Bật đèn vàng -Đèn xanh tắt -Về chế độ ngủ Reset Nhấn switch1 Nhấn switch2 T Begin F VI. TỔNG KẾT Lý thuyết:  Nguồn năng lượng cung cấp cho nút mạng như pin, các nguồn tích nạp từ môi trường  Những nguyên nhân gây mất năng lượng, lãng phí năng lượng trong mạng  Đưa 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