Chương 3 nhận biết khả năng của mạng cảm biến không dây

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN GV hướng dẫn PGS TS Trần Công Hùng Chương 3 Nhận biết khả năng của mạng[.]

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ II

BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN

GV hướng dẫn        :  PGS.TS    Trần Công Hùng

Chương 3: Nhận biết khả năng của mạng cảm biến không dây3.1 Giới thiệu:

Mạng của các “micro-sensor” rời rạc đang được sử dụng như là một giải pháp cho “ứngdụng thu thập dự liệu” từ xa – Wide range of data gathering applications Có lẽ, thử tháchlớn nhất mà các nhà thiết kế - designer đang phải đối mặt chính là phải tạo ra được những

“microsensor” nhỏ nhưng phải bền và quan trọng nhất là giảm được lượng năng lượngtiêu thụ Một thiết kế chú trọng về mặt năng lượng – A power aware design nhấn mạnhvào khả năng tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả với các yếu tố như là: tài nguyên cósẵn – available resources; event frequency; và desired output quality – chất lượng đầu ramong muốn, tại tất cả cấp độ của hệ thống phân cấp – the system hierarchy Kiến trúccho “a power aware microsensor node” nhấn mạnh sự cộng tác giữa phần mếm - có khảnăng đánh đổi chất lượng năng lượng, và phần cứng với mức năng lượng có thể tính toánđược

Những phương pháp thiết kế “energy scalable” được hướng đến việc áp dụng vào cácứng dụng của “microsensor”

- Ở mức độ phần cứng, mức độ tiêu thụ năng lượng đặc trưng bị ảnh hưởng bởi

“Low duty cycle – xung PWM, độ rộng của xung thấp” của Sensor Thiết kế nàyđáp ứng với các điều kiện, khối lượng công việc khsac nhau với tỷ lệ điện ápđộng

- Ở mức độ phần mềm, thuật toán “energy-agile” cho mạng sensors, như là adaptivebeam foarming, cung cấp energy quality trade-offs mà người sử dụng có thể đápứng được Hệ thống “power-aware” thiết kế bao gồm toàn bộ hệ thống phân cấp,một vài phần mềm có khả năng hiểu được “the energy-quality trade-off” cùngphần cứng mà có thể tự đo lường được nguồn năng lượng tiêu thụ

Bộ xử lý của Node Sensor có khả năng điều chỉnh mức tiêu thụ năng lượng với khốilượng công việc đã được tính toán trước Khả năng mở rộng này cho phép các thuật toánlinh hoạt về năng lượng cũng như độ phức tạp tính toán có thể mở rộng Khả năng mởrộng ở cấp độ thuật toán là có thể đạt được về cả năng lượng và chất lượng Vì các đặctính năng lượng - chất lượng của thuật toán DSP (Xử lý tín hiệu kỹ thuật số) có thể khôngtối ưu do phụ thuộc vào dữ liệu, điều quan trọng là sử dụng các phép biến đổi thuật toán

để đạt được các đặc tính năng lượng - chất lượng (E-Q) mong muốn và mô hình hóachính xác mối quan hệ năng lượng - chất lượng thông qua điểm chuẩn

Distributed sensor cho ta sư linh hoạt và mạnh mẽ để giám sát môi trường từ xa Thờigian sống của hệ thống tối quan trọng đối với các cảm biến vi mô này là các thuật toán vàgiao thức cung cấp tùy chọn chất lượng giao dịch để tiết kiệm năng lượng Chia tỷ lệ điện

áp động trên bộ xử lý của nút cảm biến cho phép tiết kiệm năng lượng từ các thuật toán

có thể mở rộng này Chia tỷ lệ điện áp động sử dụng nút cảm biến được xây dựng bằng

bộ xử lý thương mại, bộ điều chỉnh DC – DC có thể điều chỉnh kỹ thuật số và hệ thốnghoạt động nhận biết điện năng.

Kỹ thuật quản lý năng lượng cấp hệ thống được sử dụng trong các mạng cảm biến vi cảmbiến không dây phổ biến rộng rãi Mô hình nút cảm biến nhận biết nguồn điện cho phép

hệ điều hành nhúng thực hiện chuyển đổi sang các trạng thái ngủ khác nhau dựa trên sốliệu thống kê sự kiện quan sát được Chính sách tắt máy thích ứng dựa trên phân tíchngẫu nhiên và đưa ra khả năng mở rộng năng lượng - chất lượng mong muốn với chi phí

là độ trễ và các sự kiện bị bỏ lỡ Các phép biến đổi thuật toán cải thiện khả năng mở rộngchất lượng - năng lượng của mạng thu thập dữ liệu

Phương pháp nhận biết năng lượng sử dụng một hệ thống vi điều hành nhúng để giảmmức tiêu thụ năng lượng của nút bằng cách khai thác cả trạng thái ngủ và quản lý nănglượng hoạt động

Năng lượng tiêu hao do truyền thông là mối quan tâm chính trong việc phát triển mạnglưới hàng trăm đến hàng nghìn cảm biến vi cảm biến không dây phân tán Để đánh giá sựtiêu tán năng lượng truyền thông trong miền ứng dụng độc đáo này, các mô hình nănglượng dựa trên phần cứng cảm biến vi mô thực tế được sử dụng cho các mạng không dâymật độ cao, có ý thức về năng lượng Đánh giá và tận dụng các tác động năng lượng củaphần cứng và ứng dụng cảm biến vi mô là rất quan trọng để đạt được giao tiếp mạng cảmbiến vi mô tiết kiệm năng lượng

Nhận thức về nguồn điện ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống VLSI để mởrộng mức tiêu thụ điện năng để đáp ứng với các điều kiện hoạt động thay đổi Nhữngthay đổi này có thể do tính chất đầu vào thay đổi theo thời gian, chất lượng đầu ra mongmuốn hoặc điều kiện môi trường Bất kể chúng có được thiết kế để nhận biết công suấthay không, các hệ thống đều hiển thị các biến thể về mức tiêu thụ điện khi các điều kiệnthay đổi

Thiết kế hệ thống công suất thấp, giả định là phương án tiêu tán điện trong trường hợpxấu nhất, đang được thay thế bằng một triết lý toàn diện hơn được gọi là thiết kế nhậnbiết năng lượng, nhận biết năng lượng hoặc năng lượng - chất lượng có thể mở rộng Ýtưởng cơ bản đằng sau những phương pháp tiếp cận cơ bản giống hệt nhau là cho phépsức mạnh hệ thống quy mô với việc thay đổi điều kiện và yêu cầu chất lượng

3.2 DISTRIBUTED POWER-AWARE MICROSENSOR NETWORKS

Việc thiết kế các hệ thống cảm biến không dây vi nguồn ngày càng trở nên quan trọngđối với nhiều ứng dụng dân dụng và quân sự Những tiến bộ trong công nghệ hệ thống vi

cơ điện tử (MEMS) và các mặt liên kết, xử lý tín hiệu và mạch RF của nó đã cho phépphát triển các nút cảm biến không dây Trọng tâm đã chuyển từ cảm biến macro hạn chế

giao tiếp với các trạm gốc sang tạo mạng không dây gồm cảm biến vi mô kết hợp, nhưđược minh họa trong Hình 3.1 Các mạng cảm biến như vậy tổng hợp dữ liệu phức tạp đểcung cấp hình ảnh đa chiều, phong phú về môi trường Mặc dù các nút cảm biến vi môriêng lẻ không chính xác bằng các nút cảm biến cảm biến macro đắt tiền của chúng,nhưng kích thước và chi phí của chúng cho phép mạng lưới hàng trăm hoặc hàng nghìnnút để đạt được chất lượng cao, dễ dàng triển khai, mạng cảm biến chịu lỗi.

Một thách thức quan trọng trong việc thiết kế một nút vi cảm biến là phân tán năng lượngthấp Thiết kế hệ thống nhận biết điện năng sử dụng một hệ thống có mức tiêu thụ nănglượng thích ứng với các ràng buộc và sự thay đổi trong môi trường, tài nguyên trên bomạch hoặc yêu cầu của người dùng Các phương pháp thiết kế nhận biết về nguồn điệncung cấp khả năng tiết kiệm năng lượng có thể mở rộng, lý tưởng cho những biến độngcao của môi trường vi mô

Thiết kế hệ thống công suất thấp cho phép mở rộng mức tiêu thụ năng lượng của hệthống với các điều kiện thay đổi và yêu cầu chất lượng

Có hai quan điểm chính thúc đẩy thiết kế nhận thức về sức mạnh và sự nổi lên của nó nhưmột mô hình quan trọng Quan điểm đầu tiên là giải thích tầm quan trọng của nhận thức

về quyền lực là hệ quả của việc ngày càng chú trọng đến việc làm cho các hệ thống có thể

mở rộng hơn Trong bối cảnh này, làm cho một hệ thống có thể mở rộng được đề cập đếnviệc cho phép người dùng đánh đổi các thông số hiệu suất của hệ thống thay vì nối dâycứng cho chúng Khả năng mở rộng là một yếu tố quan trọng, vì nó cho phép người dùngcuối thực hiện chính sách hoạt động, chính sách này thường thay đổi đáng kể trong suốt

thời gian tồn tại của hệ thống Đôi khi, người dùng mạng cảm biến vi mô có thể muốnhiệu suất cực cao (ví dụ: dữ liệu có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao) với chi phí là thời lượngpin giảm Tuy nhiên, vào những thời điểm khác, điều ngược lại có thể đúng, người dùng

có thể sẵn sàng đánh đổi chất lượng để tối đa hóa thời lượng pin Sự đánh đổi như vậy chỉ

có thể được thực hiện một cách tối ưu nếu hệ thống được thiết kế theo cách nhận thứcđược nguồn điện Một động lực liên quan để nâng cao nhận thức về nguồn điện là hệthống được thiết kế tốt phải làm giảm chất lượng và hiệu suất của nó một cách dễ dàngkhi các nguồn năng lượng sẵn có bị cạn kiệt, thay vì thể hiện tất cả hoặc không có hành vinào của dữ liệu SNR (Tỷ lệ tín hiệu trên tiếng ồn) cao tiếp theo là lỗi mạng

Trong khi quan điểm trên lập luận về nhận thức sức mạnh từ quan điểm lấy người dùnglàm trung tâm và người dùng có thể nhìn thấy, mô hình này cũng có thể được thúc đẩytheo các thuật ngữ cơ bản hơn, theo định hướng hệ thống Với sự phức tạp của hệ thốngđang phát triển và sự gia tăng tích hợp đi kèm, có sự đa dạng hơn trong các kịch bản hoạtđộng hơn bao giờ hết Do đó, các triết lý thiết kế giả định hệ thống luôn ở trạng thái hoạtđộng trong trường hợp xấu nhất thường dễ mang lại kết quả dưới mức tối ưu trên toàncầu Điều này đương nhiên dẫn đến khái niệm nhận thức về quyền lực Ví dụ, bộ xử lýnhúng trong một nút cảm biến có thể hiển thị khối lượng công việc đa dạng lớn tùy thuộcvào hoạt động trong môi trường Bản thân các nút cũng có thể đóng nhiều vai trò khácnhau trong mạng; một giao thức mạng cảm biến có thể yêu cầu nút hoạt động như một bộthu thập dữ liệu, bộ tổng hợp, bộ chuyển tiếp hoặc bất kỳ sự kết hợp nào của chúng Do

đó, ngay cả khi người dùng không thay đổi rõ ràng tiêu chí chất lượng, bộ xử lý vẫn cóthể khai thác sự đa dạng hoạt động bằng cách mở rộng mức tiêu thụ năng lượng khi khốilượng công việc thay đổi

Ví dụ về một nút cảm biến minh họa các phương pháp thiết kế nhận biết công suất đượctrình bày trong Hình 3.2 Hệ thống này, nguyên mẫu đầu tiên của μAMPS (Cảm biếnnhận biết nguồn đa miền thích ứng vi mô), được thiết kế với các thành phần sẵn có củathương mại để tạo mẫu nhanh và mô đun

Nguồn cho nút cảm biến được cung cấp bởi một nguồn 3.6-V DC (Dòng điện một chiều)duy nhất Nguồn 5-V cấp nguồn cho mạch cảm biến tương tự và bộ chuyển đổi A / D(Tương tự thành kỹ thuật số) Nguồn cung cấp 3.3-V cung cấp năng lượng cho tất cả cácthành phần kỹ thuật số trên nút cảm biến, ngoại trừ lõi bộ xử lý Lõi được cung cấp nănglượng bởi một bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể điều chỉnh kỹ thuật số có thể cung cấp0,9 V đến 1,6 V với 20 gia số rời rạc Điện áp điều chỉnh kỹ thuật số cho phép (Stron-gARM) SA-1100 kiểm soát điện áp lõi của chính nó, cho phép các kỹ thuật chia tỷ lệđiện áp động

Nút bao gồm các cảm biến địa chấn và âm thanh Cảm biến địa chấn là một gia tốc kếMEMS có khả năng phân giải 2 mg Cảm biến âm thanh là một micrô điện tử có độkhuếch đại và thiên vị tiếng ồn thấp Các tín hiệu tương tự từ các cảm biến này được điềuhòa bằng các bộ lọc tương tự bậc 8 và được lấy mẫu bằng A / D 12 bit Các bộ lọc bậccao loại bỏ nhu cầu lấy mẫu quá mức và lọc kỹ thuật số bổ sung trong SA-1100 Tất cảcác thành phần được lựa chọn cẩn thận để tiêu thụ điện năng thấp; cảm biến, bộ lọc và

A / D thường chỉ yêu cầu 5 mA ở 5 volt

Bộ vi xử lý StrongARM SA-1100 được chọn để tiêu thụ điện năng thấp, đủ hiệu suất chocác thuật toán xử lý tín hiệu và thiết kế CMOS tĩnh (Chất bán dẫn kim loại-oxit bổ sung).Bản đồ bộ nhớ bắt chước biểu mẫu đánh giá SA-1100 Brutus (Config SA1100 BRUTUS)

và do đó hỗ trợ lên đến 16 Mb RAM và 512 kb ROM ΜOS (microOperating System)nhẹ, đa luồng chạy trên SA-1100 là sự thích nghi của kênh vi mạch eCOS (hệ điều hànhCygnus nhúng) đã được tùy chỉnh để hỗ trợ các phương pháp nhận biết điện năng ΜOS,thuật toán tổng hợp dữ liệu và phần sụn mạng được nhúng vào ROM

Mô-đun vô tuyến giao tiếp trực tiếp với SA-1100 Đài này dựa trên bộ thu phát chip đơnthương mại được tối ưu hóa cho hệ thống không dây ISM 2,45 GHz (Khoa học và Y tế).PLL (Vòng khóa pha), chuỗi chuyển phát và chuỗi nhận có khả năng tắt dưới sự điềukhiển phần mềm hoặc phần cứng để tiết kiệm năng lượng Để truyền dữ liệu, bộ dao độngđược điều khiển bằng điện áp bên ngoài (VCO) được điều chế trực tiếp, mang lại sự đơngiản ở cấp độ mạch và giảm mức tiêu thụ điện với chi phí giới hạn về lượng dữ liệu có

thể được truyền liên tục Mô-đun vô tuyến có khả năng truyền lên đến 1 Mbps ở phạm vilên đến 15 mét.

Các đặc điểm tiêu thụ năng lượng của các thành phần trong nút cảm biến vi mô cung cấpbối cảnh cho phần mềm nhận biết năng lượng để thực hiện đánh đổi chất lượng nănglượng

Tiêu thụ năng lượng trong một bộ xử lý dựa trên CMOS tĩnh (bổ sung kim loại-oxit bándẫn) có thể được phân loại thành các thành phần chuyển mạch và rò rỉ

Trong khi năng lượng chuyển đổi thường chiếm ưu thế hơn trong hai thành phần, hoạtđộng chu kỳ nhiệm vụ thấp của một nút cảm biến có thể tạo ra chính xác hành vi ngượclại Đối với chu kỳ làm việc đủ thấp hoặc điện áp cung cấp cao, năng lượng rò rỉ có thểvượt quá năng lượng chuyển mạch Ví dụ, khi chu kỳ hoạt động của StrongARM SA-

1100 là 10%, năng lượng rò rỉ chiếm hơn 50% tổng năng lượng tiêu thụ Các kỹ thuậtnhư chia tỷ lệ điện áp động và tắt dần các thành phần không hoạt động trong nút cảm biếngiúp giảm thiểu các hình phạt tiêu thụ năng lượng của hoạt động của bộ xử lý chu kỳnhiệm vụ thấp

Đặc tính chu kỳ nhiệm vụ thấp cũng có thể quan sát được trong radio Để cấp nguồn chomột đài phát thanh và truyền một gói có độ dài khác nhau, lý tưởng nhất là năng lượngtiêu thụ trên mỗi bit sẽ không phụ thuộc vào độ dài gói Tuy nhiên, ở tốc độ dữ liệu thấphơn, chi phí khởi động của thiết bị điện tử của radio bắt đầu chi phối mức tiêu thụ nănglượng của radio Do vòng lặp phản hồi chậm, bộ tổng hợp tần số dựa trên PLL điển hình

có thời gian lắng theo thứ tự mili giây, có thể cao hơn nhiều so với thời gian truyền chocác gói ngắn Cần phải có nỗ lực đặc biệt để giảm thời gian đáp ứng nhất thời trong các

bộ tổng hợp tần số công suất thấp cho các hệ thống cảm biến tốc độ dữ liệu thấp

Tỷ lệ điện áp động (DVS) khai thác các biến động trong khối lượng công việc của bộ xử

lý và các hạn chế về độ trễ, đồng thời nhận ra sự cân bằng chất lượng năng lượng này ởcấp độ mạch Năng lượng chuyển đổi của bất kỳ phép tính cụ thể nào đều không phụthuộc vào thời gian Giảm điện áp cung cấp giúp tiết kiệm năng lượng chuyển mạch vớichi phí là độ trễ lan truyền bổ sung thông qua logic tĩnh Do đó, nếu khối lượng công việctrên bộ xử lý nhẹ hoặc độ trễ có thể chấp nhận được nhưng tính toán cao, thì điện áp đượccung cấp có thể được giảm theo tần số xung nhịp của bộ xử lý để cân bằng độ trễ để tiếtkiệm năng lượng Cả năng lượng chuyển mạch và rò rỉ đều được giảm bởi DVS

Hình 3.3 minh họa sơ đồ điều chỉnh trên một nút cảm biến để hỗ trợ DVS

ΜOS chạy trên SA-1100 chọn một trong 11 cặp điện áp tần số ở trên để đáp ứng vớidòng điện và khối lượng công việc dự đoán Giá trị 5 bit tương ứng với điện áp mongmuốn được gửi đến bộ điều khiển điều chỉnh và logic bên ngoài SA-1100 bảo vệ lõi khỏiđiện áp vượt quá định mức tối đa của nó Bộ điều khiển bộ điều chỉnh thường điều khiểnđiện áp mới trên bộ điều chỉnh buck trong dưới 100 μs (micro giây) Đồng thời, tần sốxung nhịp mới được lập trình vào SA-1100, khiến PLL trên bo mạch khóa ở tần số mới.Việc thả lại PLL cần 150 μs và quá trình tính toán sẽ dừng lại trong khoảng thời gian này.Việc triển khai hệ thống trên thể hiện sự cân bằng năng lượng - chất lượng với DVS Đốivới khối lượng công việc tính toán cố định, độ trễ (nghịch đảo của chất lượng) của tínhtoán tăng lên khi năng lượng giảm Chất lượng của thuật toán lọc FIR (Đáp ứng xung hữuhạn) rất khác nhau bằng cách mở rộng số lượng vòi bộ lọc Chất lượng bộ lọc bị hy sinh

và bộ xử lý có thể chạy ở tốc độ xung nhịp thấp hơn và do đó hoạt động ở điện áp thấphơn Việc thực hiện cân bằng chất lượng năng lượng dựa trên DVS tiêu thụ năng lượng íthơn tới 60% so với bộ xử lý điện áp cố định

Các phép biến đổi thuật toán, chẳng hạn như phép biến đổi đầu tiên quan trọng nhất, cóthể cải thiện các đặc tính E-Q của một thuật toán cụ thể bằng cách giảm sự phụ thuộc dữliệu Hình 3.4 cho thấy một hệ thống thử nghiệm của các cảm biến để tạo chùm tia, mộtloại thuật toán thường được sử dụng trong các mảng cảm biến để đưa ra các suy luận vềmôi trường Trong tấm thử nghiệm này, một loạt sáu cảm biến được đặt gần như tuyếntính với khoảng cách xấp xỉ 10 mét, một nguồn di chuyển song song với cụm cảm biến ởkhoảng cách 10 mét và hiện tượng nhiễu sóng tồn tại ở khoảng cách 50 mét Hình thànhtia trên dữ liệu cảm biến với số lượng cảm biến khác nhau được thực hiện Năng lượngtiêu hao trên StrongARM SA-1100 liên quan đến số lượng cảm biến được đo Đầu ra

(chất lượng) của bộ lọc phù hợp được tính toán và mô hình đáng tin cậy của mối quan hệE-Q được cung cấp bằng cách thay đổi số lượng cảm biến trong quá trình tạo chùm.

Các đặc tính E-Q được so sánh cho hai tình huống, tình huống thứ nhất là tạo chùmtruyền thống và tình huống thứ hai sử dụng biến đổi thứ nhất quan trọng nhất Trong kịchbản đầu tiên, việc tạo chùm chỉ đơn giản được thực hiện theo một thứ tự đặt trước

<1,2,3,4,5,6> Khi nguồn di chuyển từ vị trí A đến B, các phụ thuộc E-Q thay đổi đáng

kể Khi nguồn ở vị trí A, chất lượng hình thành chùm gần đạt cực đại vì nguồn gần cảmbiến nhất Tuy nhiên, với nguồn tại B, chất lượng gần đạt mức tối đa sau khi chùm tia chỉtạo thành hai cảm biến, do đó cho thấy sự phụ thuộc của E-Q vào vị trí nguồn tương đối

Xử lý dữ liệu thông minh có thể phá vỡ sự phụ thuộc này Theo trực giác, dữ liệu phải làchùm tia được hình thành từ các cảm biến có năng lượng tín hiệu cao hơn năng lượnggiao thoa hoặc xử lý trước tiên quan trọng nhất Hình 3.5 cho thấy một sơ đồ khối để ápdụng một phép biến đổi đầu tiên quan trọng nhất để tạo chùm Để tìm thứ tự tạo chùmmong muốn, năng lượng dữ liệu của mỗi cảm biến được ước tính Các năng lượng sau đóđược sắp xếp bằng cách sử dụng quicksort Đầu ra quicksort xác định thứ tự tạo chùmmong muốn Bằng cách tìm thứ tự hình thành chùm mong muốn, sự phụ thuộc E-Q tương

tự đạt được ngay cả khi nguồn di chuyển đối với các cảm biến Chi phí năng lượng cầnthiết để đạt được khả năng mở rộng bổ sung này là thấp so với chi phí năng lượng củachùm tia LMS (Máy quét gương laser) tự hình thành: trên SA-1100, chi phí tính toán bổsung là 8,8 mJ, chỉ bằng 0,44% tổng năng lượng để tạo chùm tia LMS (Máy quét gươnglaser) (đối với trường hợp hai cảm biến) Các đặc điểm tinh chỉnh gia tăng của thuật toán

tạo chùm của cảm biến được cải thiện, dẫn đến E-Q đồng nhất và có thể mở rộng dễ dựđoán hơn khi có sự phụ thuộc của dữ liệu.

Khung năng lượng có thể mở rộng cho phép phát triển và áp dụng các ứng dụng nănglượng nhanh Điều quan trọng là tất cả quá trình xử lý trong nút cảm biến đều có thể mởrộng năng lượng, bao gồm các giao thức mức liên kết, giao thức mạng cảm biến, thuậttoán tổng hợp dữ liệu và xử lý tín hiệu cảm biến

Nguyên mẫu nút cảm biến μAMPS thể hiện tính hiệu quả của phương pháp thiết kế hệthống nhận biết điện năng Sự kém hiệu quả của hoạt động chu kỳ tác vụ thấp được khắcphục bằng cách tập trung vào dòng điện rò rỉ và giảm thời gian khởi động, và các biến thểtrong khối lượng công việc của bộ xử lý được khai thác bằng cách mở rộng điện áp động.Các thay đổi về tốc độ và khối lượng dữ liệu đến được khai thác bởi các thuật toán linhhoạt năng lượng có độ phức tạp tính toán mở rộng với số liệu thống kê đến của dữ liệu,cho phép chuyển đổi tiết kiệm năng lượng trong phần cứng Sự hợp tác chặt chẽ giữaphần cứng và phần mềm của một nút cảm biến vi mô giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể

3.3 KỸ THUẬT ĐỊNH MỨC ĐIỆN ÁP ĐỘNG HỌC

Mạng cảm biến vi mô phân tán đang nổi lên như một nền tảng phần cứng mới hấp dẫn đểgiám sát môi trường từ xa Các nhà nghiên cứu đang xem xét đưa vào một loạt các ứngdụng bao gồm giám sát khí hậu từ xa, giám sát chiến trường và giám sát nội máy Mộtmạng lưới cảm biến vi cảm biến phân tán bao gồm nhiều nút không dây nhỏ, có thể tiêuhao pin, chạy bằng pin Khi các nút được triển khai khắp một khu vực, chúng sẽ thu thập

dữ liệu từ môi trường và tự động thiết lập các mạng chuyên dụng để truyền dữ liệu củachúng đến một trạm gốc Các nút cộng tác để thu thập dữ liệu và kéo dài thời gian hoạtđộng của toàn bộ hệ thống So với các hệ thống dựa trên cảm biến macro lớn hơn, mạngcảm biến vi mô có tuổi thọ cao, mạnh mẽ và dễ triển khai, lý tưởng cho các môi trường

mà việc bảo trì hoặc thay thế pin có thể bất tiện hoặc không thể thực hiện được

Sử dụng μAMPS (Cảm biến nhận biết nguồn đa miền thích ứng vi mô)

các công nghệ hỗ trợ cho mạng cảm biến vi cảm biến phân tán Mạng cảm biến vi mô baogồm hàng trăm đến hàng nghìn nút nhỏ, rẻ tiền và đồng nhất Sau khi được triển khai, cácnút định kỳ tự tổ chức thành các cụm, dựa trên việc lựa chọn và vị trí của các tiêu đềcụm Các đầu cụm nhận dữ liệu từ các nút trong cụm của chúng, tổng hợp dữ liệu cục bộthông qua hình thành chùm và truyền kết quả đến một trạm gốc Hình 3.6 minh họa tổchức và luồng dữ liệu này Việc sử dụng giao thức định tuyến hai bước và kết hợp dữ liệutại trạm con của đầu cụm-đồng thời làm giảm tổng năng lượng truyền dẫn trong mạng, do

đó kéo dài tuổi thọ của hệ thống Nút cảm biến μAMPS được thiết kế như một giải pháptích hợp cao

Để chứng minh các công nghệ cho phép, các nguyên mẫu được tích hợp với các thànhphần thương mại, không có sẵn, chẳng hạn như bộ vi xử lý StrongARM SA-1100

Việc duy trì thời gian sử dụng hữu ích nhiều tháng hoặc nhiều năm từ mạng cảm biến vicảm biến phân tán yêu cầu thiết kế hệ thống để nhận biết nguồn điện Một thành phầnthiết yếu của hệ thống nhận biết điện năng là khả năng cân bằng thông minh giữa nănglượng và chất lượng, và khả năng mở rộng năng lượng trong mạng cảm biến vi mô.

Trong các thuật toán mà tính toán bổ sung dần dần tinh chỉnh kết quả, năng lượng tínhtoán có thể được đánh đổi để lấy chất lượng Có rất nhiều ví dụ trong mạng cảm biến vi

mô Ví dụ, dữ liệu được truyền có thể được mã hóa bằng khóa có độ dài khác nhau, chophép cân bằng giữa năng lượng tính toán và tính bảo mật của quá trình truyền Thuật toántạo chùm tia có thể kết hợp dữ liệu từ một số lượng cảm biến khác nhau, với giá trị trungbình

sai số bình phương của kết quả giảm dần khi dữ liệu từ nhiều cảm biến được kết hợp Sốlần nhấn trong bộ lọc FIR có thể thay đổi; các phản hồi xung lâu hơn mang lại một bộ lọcmạnh mẽ hơn

Chúng ta có thể giả định rằng năng lượng có thể mở rộng một cách duyên dáng vớinhững biến thể này Một bộ vi xử lý điện áp thay đổi có thể giảm năng lượng tiêu thụtrong thời gian tải công việc thấp thông qua điều chỉnh điện áp động

Các biến thể về chất lượng của thuật toán xuất hiện đối với bộ xử lý dưới dạng các biếnthể trong việc sử dụng bộ xử lý, ảnh hưởng đến số chu kỳ đồng hồ và tổng điện dungchuyển mạch cho tính toán Khi bộ xử lý không hoạt động do khối lượng công việc nhẹ,chu kỳ xung nhịp và năng lượng sẽ bị lãng phí Việc cấp nguồn cho đồng hồ trong cácchu kỳ không tải làm giảm điện dung chuyển mạch của các chu kỳ không tải

Giảm tần số xung nhịp trong khoảng thời gian khối lượng công việc thấp giúp loại bỏhoàn toàn hầu hết các chu kỳ nhàn rỗi Tuy nhiên, cả hai cách tiếp cận đều không ảnhhưởng đến tổng điện dung chuyển mạch cho tính toán và điện áp được cung cấp cho tínhtoán thực tế hoặc làm giảm đáng kể năng lượng bị mất do rò rỉ Giảm điện áp cung cấpkết hợp với tần số đồng hồ giúp tiết kiệm năng lượng cho quá trình tính toán thực tế Chia

tỷ lệ tần số và cung cấp điện áp cùng nhau dẫn đến tiết kiệm năng lượng gần như bậc hai

và giảm

Rò rỉ dòng điện Tỷ lệ điện áp động (DVS) là sự điều chỉnh tích cực của điện áp nguồn vàtần số đồng hồ để đáp ứng với các biến động trong việc sử dụng bộ xử lý Bộ lập lịchđiện áp, chạy song song với bộ lập lịch tác vụ của hệ điều hành, có thể điều chỉnh điện áp

và tần số để đáp ứng với kiến thức hoặc dự đoán trước về khối lượng công việc của hệthống DVS đã được

áp dụng thành công cho các bộ chip tùy chỉnh Khả năng mở rộng điện áp động có thểđược chứng minh trên SA-1100, bộ xử lý được chọn cho nguyên mẫu cảm biến vi cảmbiến không dây μAMPS A

Mạch chuyển đổi DC – DC với điện áp điều chỉnh kỹ thuật số cung cấp năng lượngvới lõi SA-1100 và được điều khiển bởi đa luồng, nhận biết điện năng

hệ điều hành

SA-1100 hoạt động ở điện áp cung cấp lõi danh định là 1,5 vôn và có khả năng thay đổitần số xung nhịp trong khoảng từ 59 MHz đến 206 MHz Mỗi thay đổi tần số gây ra độ

trễ lên đến 150 giây trong khi PLL trên bo mạch (Vòng khóa pha) của SA-1100 khóa vớitần số mới SA-1100 là một thành phần hoàn toàn tĩnh và do đó tạo điều kiện tiết kiệmnăng lượng với DVS như đã thảo luận ở trên.

PCB (Bảng mạch in) có chứa bộ chuyển đổi DC – DC tùy chỉnh

mạch cung cấp điện áp có thể điều chỉnh động cho lõi của SA-1100 Hình 3.7 và 3.8minh họa hoạt động của mạch này Một bộ điều chỉnh buck bao gồm các thành phần rờirạc được điều khiển bởi một bộ điều khiển chuyển mạch bước xuống thương mại Bộđiều khiển này được lập trình với giá trị kỹ thuật số 5 bit để điều chỉnh một trong 32 điện

áp giữa 0,9 và 2,0 volt Hệ điều hành chạy trên SA-1100 ra lệnh cho điện áp lõi dướidạng giá trị kỹ thuật số 5 bit được chuyển đến bộ điều khiển điều chỉnh Logic có thể lậptrình bên ngoài giữa SA-1100 và bộ điều khiển bộ điều chỉnh ngăn bộ điều chỉnh phânphối điện áp vượt quá mức tối đa danh định của lõi SA-1100

Hệ điều hành nhận biết năng lượng dựa trên hạt nhân hệ điều hành Cygnus (eCOS) đượcnhúng ΜOS này hỗ trợ đa nhiệm phủ đầu, cho phép các luồng như tổng hợp dữ liệu, tạonhịp độ dữ liệu, xử lý giao thức mạng và lập lịch điện áp hoạt động đồng thời trong mộtnút cảm biến vi mô ΜOS nằm trong ROM hướng dẫn có thể khởi động.

Trong quá trình triển khai, màn hình μOS tải trên bộ xử lý và

điều chỉnh tần số đồng hồ và điện áp cung cấp cùng nhau để đáp ứng các yêu cầu thônglượng do các tác vụ đặt ra Mặc dù phần lớn các yêu cầu về thông lượng và thời hạn thờigian thực trên mạng cảm biến vi cảm ứng được biết trước, các thuật toán dự đoán tảiphức tạp hơn có thể cần thiết để lập lịch điện áp tối ưu hơn

DVS có thể được sử dụng trên hệ thống trong hai trường hợp, mỗi trường hợp có vàkhông có chia tỷ lệ điện áp Kịch bản đầu tiên đánh đổi năng lượng cho độ trễ tính toántrên một bộ xử lý được tải đầy đủ và bộ xử lý thứ hai trao đổi năng lượng cho chất lượngđầu ra trên bộ lọc FIR thông lượng không đổi Tất cả các phép đo năng lượng dựa trêndòng điện đo được vào mạch điều chỉnh và do đó bao gồm tổn thất trong bộ điều chỉnhđiện áp biến đổi SA-1100 đang chạy μOS với nhiều luồng và không có thời gian nhànrỗi Giảm tần số xung nhịp mà không làm thay đổi điện áp không giảm

năng lượng cho mỗi hoạt động Mặt khác, quy mô điện áp cung cấp có thể làm giảm đáng

kể chi phí năng lượng của một hoạt động Một hệ thống lý tưởng với DVS sẽ hoạt động ởđiện áp thấp nhất có thể cho mỗi tần số được hỗ trợ Năng lượng trên mỗi hoạt động lớnhơn đối với tần số thấp hơn vì năng lượng bị mất do rò rỉ được phân phối qua ít tính toánhơn Chia tỷ lệ điện áp cho thấy khả năng tiết kiệm năng lượng lên đến 60% so với cácphương pháp tiếp cận điện áp cố định Một bộ điều khiển điều chỉnh được tối ưu hóa chotải thấp sẽ cung cấp những cải tiến ngay lập tức;

tất cả các tùy chọn thương mại đều được thiết kế cho điện áp cao hơn và dòng điện trungbình cao hơn nhiều so với dòng điện thường được sử dụng bởi SA-1100

Để đánh giá mức tiêu thụ năng lượng của các thuật toán có thể mở rộng năng lượng trên

hệ thống này, một bộ lọc FIR được chạy dưới μOS, điều chỉnh số lượng vòi bộ lọc đểthay đổi chất lượng của bộ lọc

Bộ lọc FIR được chạy ở thông lượng không đổi và độ dài đáp ứng xung thay đổi ΜOS tựđộng điều chỉnh điện áp và tần số lõi để đáp ứng yêu cầu thông lượng với mức nănglượng thấp nhất có thể

3.4 HỆ THỐNG VẬN HÀNH KHÔNG DÂY CÓ THỂ KHOẢNG CÁCH NĂNG LƯỢNG MẠNG CẢM BIẾN

Các mạng cảm biến vi mô không dây, chuyên dụng, được phân phối rộng rãi đã trở nênquan trọng trong nhiều ứng dụng dân dụng và quân sự Những tiến bộ trong công nghệMEMS, kết hợp với các mạch DSP (Xử lý tín hiệu kỹ thuật số) và RF (tần số vô tuyến)công suất thấp, chi phí thấp đã dẫn đến việc các mạng cảm biến vi cảm biến không dây vàgiá rẻ trở nên khả thi Một mạng lưới cảm biến thích ứng phân tán, tự cấu hình có nhữnglợi ích đáng kể Các mạng này có thể được sử dụng để giám sát từ xa các môi trường độchại và khắc nghiệt Một lớp lớn các môi trường lành tính cũng yêu cầu triển khai một sốlượng lớn các cảm biến, chẳng hạn như theo dõi bệnh nhân thông minh, theo dõi đối

tượng, cảm biến dây chuyền lắp ráp, v.v Bản chất phân bố rộng rãi của chúng cung cấp

độ phân giải rộng hơn, cũng như tăng khả năng chịu lỗi, hơn là nút cảm biến đơn

Một nút cảm biến vi cảm biến không dây thường hoạt động bằng pin và do đó hạn chếnăng lượng Để tối đa hóa tuổi thọ của nút cảm biến sau khi triển khai, tất cả các khíacạnh, bao gồm mạch, kiến trúc, thuật toán và giao thức, phải được làm cho hiệu quả nănglượng Khi hệ thống đã được thiết kế, có thể tiết kiệm năng lượng bổ sung bằng cách sửdụng các khái niệm quản lý năng lượng động, theo đó nút cảm biến sẽ được tắt nếu không

có sự kiện thú vị nào xảy ra Mức tiêu thụ điện theo sự kiện như vậy là rất quan trọng để

có được tuổi thọ pin tối đa Ngoài ra, rất mong muốn nút có khả năng mở rộng nănglượng-chất lượng (E-Q) duyên dáng để, nếu ứng dụng yêu cầu, người dùng có thể kéo dàithời gian sứ mệnh với chi phí cảm nhận được độ chính xác Các thuật toán và giao thức

có thể mở rộng năng lượng được yêu cầu cho các tình huống hạn chế năng lượng nhưvậy

Các ứng dụng cảm biến đưa ra một loạt các yêu cầu về tốc độ dữ liệu, tính toán, khoảngcách truyền trung bình, v.v., vì các giao thức và thuật toán phải được điều chỉnh cho phùhợp với từng ứng dụng Do đó, hệ điều hành và phần mềm nhúng là rất quan trọng trongcác mạng cảm biến vi mô vì khả năng lập trình là một yêu cầu cần thiết Kỹ thuật quản lýnăng lượng theo hướng hệ điều hành có thể cải thiện hiệu quả năng lượng của cảm biếnđiểm giao Quản lý năng lượng động (DPM) là một công cụ hiệu quả để giảm tiêu thụđiện năng của hệ thống mà không làm giảm hiệu suất đáng kể Ý tưởng cơ bản là tắt cácthiết bị khi không cần thiết và đánh thức chúng khi cần thiết DPM nói chung là một vấn

đề không nhỏ Nếu năng lượng và chi phí hiệu suất khi chuyển đổi sang trạng thái ngủ làkhông đáng kể, thì một thuật toán tham lam đơn giản, giúp hệ thống chuyển sang trạngthái ngủ sâu nhất ngay khi nó không hoạt động, sẽ là hoàn hảo Tuy nhiên, trên thực tế,việc chuyển đổi sang trạng thái ngủ có nghĩa là phải lưu trữ trạng thái bộ xử lý và tắtnguồn điện Thức dậy cũng mất một khoảng thời gian hữu hạn của thời gian Do đó, việcthực hiện chính sách phù hợp để chuyển đổi sang trạng thái ngủ là rất quan trọng cho sựthành công của DPM Thuật toán có thể được sử dụng để cung cấp các đặc tính E-Qmong muốn trong các ứng dụng cảm biến Trong các thuật toán có thể phân tích nănglượng, khái niệm chính là tính toán được thực hiện theo cách giảm khả năng cung cấpnăng lượng dẫn đến suy giảm chất lượng tối thiểu có thể xảy ra Ý tưởng cơ bản trong cácứng dụng cảm biến phân tán là kết hợp đủ sức mạnh xử lý trong mỗi nút để chúng có thể

tự cấu hình

và thích ứng Hình 3.9 minh họa kiến trúc nút cảm biến cơ bản Mỗi nút bao gồm cảmbiến nhúng, bộ chuyển đổi A / D, bộ xử lý có bộ nhớ (trong trường hợp này là bộ xử lýStrongARM SA-1100) và các mạch RF Mỗi thành phần này được kiểm soát bởi Hệthống hoạt động vi mô (μOS) thông qua các trình điều khiển thiết bị vi mô Một chứcnăng quan trọng của μOS là bật Quản lý nguồn (PM) Dựa trên thống kê sự kiện, μOSquyết định tắt hoặc bật thiết bị nào Mạng này bao gồm các nút cảm biến đồng nhất đượcphân bố trên một vùng hình chữ nhật R có kích thước W × L với mỗi nút có bán kính tầmnhìn là ρ (được hiển thị bởi vùng Ck) Ba giao tiếp khác nhau

Figure 3.9 Mạng cảm biến và kiến trúc nút.

các mô hình có thể được sử dụng cho một mạng như vậy:

• truyền trực tiếp (mọi nút truyền trực tiếp đến trạm gốc);

• multihop (dữ liệu được định tuyến qua các nút riêng lẻ về phía cơ sở

nhà ga), và

• phân cụm

Nếu khoảng cách giữa các cảm biến lân cận nhỏ hơn khoảng cách trung bình giữa cáccảm biến và người dùng hoặc trạm gốc, công suất truyền có thể được tiết kiệm nếu cáccảm biến cộng tác cục bộ Hơn nữa, có khả năng là các cảm biến trong các cụm cục bộchia sẻ dữ liệu tương quan cao Một số nút tự chọn làm đầu cụm (như được mô tả bằngcác nút màu đen) và các nút còn lại tham gia vào một trong các cụm dựa trên tiêu chícông suất phát tối thiểu Sau đó, người đứng đầu cụm tổng hợp và truyền dữ liệu từ cụmkhác điểm giao Các giao thức mạng dành riêng cho ứng dụng như vậy dành cho cảmbiến vi cảm biến không dây

mạng đã được phát triển Sơ đồ phân cụm là một thứ tự tiết kiệm năng lượng hơn một sơ

đồ truyền trực tiếp đơn giản Mô hình nút cảm biến nhận biết công suất về cơ bản mô tảmức tiêu thụ điện năng ở các mức độ khác nhau của trạng thái ngủ nút Mọi thành phầntrong nút có thể có các chế độ nguồn khác nhau, ví dụ: StrongARM có thể ở chế độ hoạt

động, nhàn rỗi hoặc ngủ; radio có thể ở chế độ truyền, nhận, chờ hoặc tắt Mỗi trạng tháingủ của nút tương ứng với một tổ hợp cụ thể của các chế độ công suất thành phần Nóichung, nếu có N thành phần có nhãn (1, 2, , N) mỗi thành phần có số trạng thái ngủ, thìtổng số trạng thái ngủ của nút là

Ni = 1 ki Mọi chế độ nguồn thành phần được liên kết với chi phí độ trễ để chuyển đổisang chế độ đó Do đó, mỗi chế độ ngủ của nút được đặc trưng bởi mức tiêu thụ điệnnăng và chi phí độ trễ Tuy nhiên, từ quan điểm thực tế không phải tất cả các trạng tháingủ đều hữu ích Bảng 3.1 liệt kê các chế độ công suất thành phần tương ứng với nămtrạng thái nghỉ hữu ích khác nhau cho nút cảm biến Mỗi chế độ ngủ của nút này tươngứng với trạng thái ngủ ngày càng sâu hơn và do đó được đặc trưng bởi

độ trễ và giảm tiêu thụ điện năng Các trạng thái ngủ này được chọn dựa trên điều kiệnlàm việc thực tế của nút cảm biến, ví dụ: Vấn đề thiết kế là xây dựng chính sách chuyểnđổi giữa các trạng thái dựa trên các sự kiện quan sát được để tối đa hóa hiệu quả nănglượng là không có ý nghĩa gì Mô hình cảm biến nhận biết công suất tương tự như môhình công suất hệ thống trong tiêu chuẩn Cấu hình nâng cao và Giao diện nguồn (ACPI)

Hệ thống tuân thủ

ACPI-tem có năm trạng thái toàn cầu SysACPI-temStateS0 (trạng thái làm việc) và SysACPI-temStateS1đến SystemStateS4 tương ứng với bốn mức độ khác nhau của trạng thái ngủ Các trạngthái ngủ được phân biệt bởi điện năng tiêu thụ, chi phí cần thiết để đi ngủ và thời gianthức dậy Nhìn chung, trạng thái ngủ càng sâu thì tiêu thụ điện năng càng ít và thời gianthức càng lâu Một khía cạnh tương tự khác là trong ACPI, Power Manager (PM) là mộtmô-đun của

ΜOS

Bảng 3.1 Các trạng thái ngủ hữu ích cho nút cảm biến