Chương 10 ứng dụng của mạng cảm biến không dây

BÁO CÁO MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN Giảng viên Trần Công Hùng Mục lục Chương 10 ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2 10 1 Giới thiệu 2 10 2 Ứng dụng và truyền thông hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây 3 10[.]

BÁO CÁO MÔN HỌC

MẠNG CẢM BIẾN

Giảng viên : Trần Công Hùng

Mục lục

Chương 10: ỨNG DỤNG CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2

10.1 Giới thiệu : 2

10.2 Ứng dụng và truyền thông hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây 3

10.3 Các ứng dụng quản lý sức khỏe và theo dõi khu vực 13

10.3.1 Nền tảng phát triển 15

10.3.2 Applications 19

10.4 Xây dựng và quản lý hệ thống mạng cảm biến 20

10.5 Giám sát môi trường và môi trường sống 24

10.5.1 Giám sát môi trường sống trên đảo 25

10.5.2 Thực hiện 28

10.6 Tóm lược 32

PROBLEMS 32

hệ điều hành đơn giản, dựa trên thành phần, chủ yếu là khuôn khổ đểquản lý đồng thời trong bối cảnh lưu trữ và hạn chế năng lượng Một bộsưu tập các thành phần mô-đun được xây dựng bằng cách điều chế kênh

vô tuyến và truy cập các cảm biến thông qua ADC (bộ chuyển đổi tương

tự sang kỹ thuật số) đến một ứng dụng giám sát môi trường theo hướng

sự kiện với mạng động khám phá và các bước định tuyến Kỷ luật khôngchặn được thực hiện trong suốt quá trình thiết kế và hầu hết các thànhphần đang kết hợp lại với trạng thái của máy

Trong các hệ thống nhúng không dây, đường dẫn truyền thông đến cácthiết bị là kênh chia sẻ, phải được chia sẻ hiệu quả trong bối cảnh tàinguyên xử lý hạn chế và định tuyến đa bước nhảy đặc biệt Nhiều ứngdụng yêu cầu rằng các nút có khả năng gần như ngang nhau để di chuyển

dữ liệu qua mạng, bất kể vị trí trong cấu trúc liên kết mạng Các thànhphần giao tiếp TinyOS cấp thấp được mở rộng với giao thức kiểm soáttruy cập phương tiện năng lượng (MAC) và sử dụng một kỹ thuật đơngiản để

kiểm soát tỷ lệ thích ứng cụ thể của ứng dụng

Rockwell Science Center đã tạo ra một môi trường phát triển cho Cảmbiến nối mạng tích hợp không dây (Wireless Integrated Networked

Sensors) viết tắt là WINS, có thể tùy chỉnh, các nút mạng đầy cảm biến

và cả người dùng di động và được lưu trữ trên Internet các giao diện Hệthống phát triển WINS cho phép đánh giá thiết kế, triển khai và sử dụngmạng cảm biến vi mô Nó sử dụng nhiều cảm biến, xử lý dữ liệu cảmbiến một cách tự động và hợp tác với các nút lân cận thành thông tin vàtruyền đạt thông tin này cho người dùng thông qua nhiều cấu trúc liên kếtmạng WINS tự tổ chức và thành lập và duy trì mạng mà không có sự canthiệp của người dùng Giảm thiểu điện năng tiêu thụ là mối quan tâmhàng đầu trong quá trình phát triển WINS Mỗi nút xử lý dữ liệu cảm biếnthành thông tin, do đó giảm các yêu cầu liên lạc đòi hỏi nhiều điện năng.Giảm thiểu điện năng cho phép thiết kế tích hợp WINS phần cứng và việctạo ra các giao thức mạng cụ thể cho nhu cầu của mạng cảm biến vi mô.WINS được áp dụng cho giám sát khu vực, giám sát, và bảo mật, để kếtnối nhân sự và tài sản vật chất trên các khu vực rộng lớn, và giám sáttrạng thái và sức khỏe của máy móc và nền tảng

Trong mạng cảm biến vi mô, số lượng lớn thiết bị (ví dụ: hơn 10) cầnthiết để giải quyết các vấn đề như khả năng mở rộng, phân bố không gian,tần suất tái sử dụng và một số tình huống ứng dụng tiềm năng Các thiết

bị trong thử nghiệm hệ thống cần có phần mềm và khả năng mạng hỗ trợthu thập dữ liệu và phát triển thuật toán bằng cách sử dụng kết quả từ cácnút WINS trong điều kiện hiện trường Các nút cảm biến vi mô có giớihạn về tính toán,bộ nhớ và tài nguyên giao tiếp do hạn chế của pin

Tổng hợp các cảm biến được sử dụng trong các tác vụ xử lý cộng tác chomạng cảm biến như theo dõi và bản địa hóa Tổng hợp cảm biến được xácđịnh bởi các nút trong mạng thỏa mãn một vị từ nhóm Các thông số của

vị từ phụ thuộc vào yêu cầu nhiệm vụ và tài nguyên Một giao thức phântán là cần thiết để xây dựng các tập hợp cảm biến trong bối cảnh đếmmục tiêu trong trường cảm biến Khả năng xử lý và giao tiếp của nút chophép triển khai trên phần cứng hạn chế tài nguyên

Mạng cảm biến không dây có thể được áp dụng để giám sát môi trườngsống trong thế giới thực

Một tập hợp các yêu cầu thiết kế hệ thống bao gồm thiết kế phần cứngcủa các nút, thiết kế mạng cảm biến và khả năng quản lý và truy cập dữliệu từ xa Một kiến trúc hệ thống sử dụng các yêu cầu này để giám sátmôi trường sống Kiến trúc trình bày việc giám sát môi trường và hành vilàm tổ của chim biển

10.2 Ứng dụng và truyền thông hỗ trợ cho mạng cảm biến không dây

Phần mềm nhúng nhanh nhẹn, tự tổ chức, hạn chế tài nguyên và giao tiếptập trung trên nhiều thiết bị nhỏ hoạt động chung

Các ứng dụng bao gồm:

• Môi trường máy tính phổ biến nơi có nhiều thiết bị được đặt cùng vớicon người và mọi vật tương tác theo cách nhận biết ngữ cảnh;

• Giám sát tại chỗ dày đặc các thí nghiệm khoa học đời sống;

• Bảo trì dựa trên điều kiện

• Quản lý sự cố trong cơ sở hạ tầng dân dụng thông minh

Phương thức hoạt động mang tính đồng thời chuyên sâu cho các đợt hoạtđộng nhưng ngược lại rất thụ động, theo dõi sự thay đổi hoặc sự kiệnquan trọng Trong các đợt bùng nổ, dữ liệu và sự kiện được truyền trựctuyến từ các cảm biến và mạng, ra ngoài mạng và đến các thiết bị truyềnđộng khác nhau Phải thực hiện kết hợp các hành động thời gian thực và

xử lý quy mô dài hơn Trong thời gian còn lại, thiết bị phải tắt ở trạng tháinăng lượng rất thấp, nhưng theo dõi các cảm biến và mạng để biết nhữngthay đổi quan trọng trong khi có thể khôi phục năng lượng dự trữ Nănglượng tích lũy ròng ở chế độ thụ động và hiệu quả ở chế độ chủ động xácđịnh khả năng hoạt động tổng thể của các nút

TinyOS cung cấp các bản tóm tắt tiện lợi của các thiết bị vật lý và việctriển khai các chức năng chung được điều chỉnh cao Mục tiêu này đặcbiệt khó khăn vì bối cảnh tài nguyên bị hạn chế cao và các thiết bị ứngdụng cụ thể

Một ứng dụng TinyOS bao gồm một bộ lập lịch và các thành phần Mỗithành phần được mô tả bằng giao diện và cách triển khai bên trong của

nó, theo cách tương tự với nhiều ngôn ngữ mô tả phần cứng, chẳng hạnnhư VHDL [Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHSIC (Mạch tích hợp quy môrất cao)] và Verilog (một công cụ mô phỏng kỹ thuật số Cadence DesignSystems) Một giao diện bao gồm các lệnh đồng bộ và các sự kiện khôngđồng bộ Thành phần có một giao diện phía trên, đặt tên cho các lệnh mà

nó thực hiện và các sự kiện mà nó báo hiệu, và một giao diện phía dưới,đặt tên cho các lệnh mà nó sử dụng và các sự kiện mà nó xử lý.Việc triểnkhai được viết bằng cách sử dụng không gian tên giao diện Một thànhphần cũng có bộ nhớ trong, được cấu tạo thành một khung và đồng thờibên trong, ở dạng các luồng rất nhẹ, được gọi là các tác vụ Các trình xử

lý lệnh, sự kiện và tác vụ được khai báo rõ ràng trong nguồn Các điểm

mà lệnh bên ngoài được gọi, sự kiện được báo hiệu hoặc tác vụ đượcđăng, cũng rõ ràng trong mã tĩnh, cũng như các tham chiếu đến lưu trữkhung Mô tả ứng dụng riêng biệt cho thấy cách các giao diện được kếtnối với nhau để tạo thành cấu trúc ứng dụng tổng thể Một sự kiện có thểđược phân phối đến nhiều thành phần hoặc nhiều thành phần có thể sửdụng cùng một lệnh Do đó, mặc dù ứng dụng là mô-đun, trình biên dịch

có thông tin tĩnh để sử dụng trong việc tối ưu hóa trên toàn bộ ứng dụng,bao gồm cả hệ điều hành Ngoài ra, mô hình thực thi thời gian chạy và

mô hình lưu trữ cơ bản có thể được tối ưu hóa cho các nền tảng cụ thể

Đồ thị ứng dụng điển hình được hiển thị trong Hình 10.1, chứa ngăn xếp

vô tuyến công suất thấp, ngăn xếp cổng nối tiếp UART (Bộ phát khôngđồng bộ đa năng), ngăn xếp cảm biến và khám phá mạng cấp cao hơn, vàđịnh tuyến chuyên dụng để hỗ trợ thu thập dữ liệu cảm biến phân tán.Toàn bộ ứng dụng này chiếm khoảng ba kilobyte.

Mô hình đồng thời TinyOS là một hệ thống phân cấp lập lịch hai cấp,trong đó các tác vụ ưu tiên các sự kiện và các tác vụ không ưu tiên các tác

vụ khác Phần lớn hoạt động là ở dạng chuyển đổi trạng thái không chặn.Trong một tác vụ, các lệnh có thể được gọi, một lệnh có thể gọi các lệnhcấp dưới hoặc nó có thể đăng các tác vụ để tiếp tục hoạt động một cáchhợp lý song song với lệnh gọi của nó Theo quy ước, tất cả các lệnh đềutrả về trạng thái cho biết lệnh đó có được chấp nhận hay không, cung cấpmột cú bắt tay đầy đủ Vì tất cả các thành phần đều có bộ nhớ giới hạn,một thành phần phải có khả năng từ chối các lệnh Một lệnh có thể bắtđầu một hoạt động bằng cách truy cập vào một bộ cảm biến hoặc gửi mộttin nhắn, để hoạt động đó được thực hiện đồng thời với các hoạt độngkhác, bằng cách sử dụng song song phần cứng hoặc các tác vụ

10.1 Sơ đồ các thành phần của Networking application

Sự kiện được bắt đầu ở mức thấp nhất bởi sự cố ngắt phần cứng Sự kiện

có thể báo hiệu các sự kiện cấp cao hơn, lệnh gọi hoặc đăng tác vụ Cáclệnh không thể báo hiệu các sự kiện Do đó, một sự kiện riêng lẻ có thểlan truyền qua nhiều cấp độ của các thành phần, kích hoạt hoạt động thế

chấp Theo quy ước, các thành phần trừu tượng hóa phần cứng mức thấpnhất thực hiện đủ xử lý ngắt để kích hoạt lại các ngắt trước khi báo hiệu

sự kiện Các sự kiện (hoặc nhiệm vụ được đăng trong các sự kiện) thườnghoàn thành các hoạt động chia pha được khởi tạo bởi các lệnh, báo hiệucho thành phần cấp cao hơn rằng hoạt động đã hoàn thành và có thểchuyển nó dữ liệu

Một cách tiếp cận không chặn được thực hiện trong suốt TinyOS Không

có khóa và các thành phần không bao giờ quay trên một biến đồng bộhóa Bộ lập lịch sử dụng cấu trúc dữ liệu hàng đợi không có khóa Cácthành phần thực hiện một giai đoạn của hoạt động và kết thúc, cho phép

sự kiện hoàn thành tiếp tục thực hiện của chúng Hầu hết các thành phầnđược viết về cơ bản dưới dạng các máy trạng thái tái nhập TinyOS đượcviết bằng ngôn ngữ lập trình C với các macro tiền xử lý thông thường đểlàm nổi bật các khái niệm chính Mô hình thực thi TinyOS được thựchiện trên một ngăn xếp được chia sẻ duy nhất với một khung tĩnh cho mỗithành phần

Phương pháp thiết kế tập trung vào giao tiếp trong TinyOS được sử dụng

để xây dựng cơ sở hạ tầng mạng cho các bộ sưu tập thiết bị được nhúngsâu và tự tổ chức

Active Messages (AM) là một mô hình đơn giản, có thể mở rộng cho giaotiếp dựa trên tin nhắn bằng cách sử dụng các cuộc gọi thủ tục Mỗi thôngbáo chứa tên của một trình xử lý sẽ được gọi trên một nút đích khi đến vàmột trọng tải dữ liệu Hàm xử lý phục vụ mục đích kép là trích xuất thôngđiệp từ mạng và tích hợp dữ liệu vào tính toán hoặc gửi phản hồi Môhình truyền thông AM được định hướng theo sự kiện và được thiết kế đặcbiệt để cho phép một ngăn xếp giao tiếp rất gọn gàng để xử lý các góitrực tiếp ngoài mạng, đồng thời hỗ trợ một loạt các ứng dụng

Bắt đầu một thông báo hoạt động bao gồm việc chỉ định các đối số dữliệu, đặt tên cho trình xử lý, yêu cầu truyền và phát hiện hoàn tất quá trìnhtruyền Nhận AM liên quan đến việc gọi trình xử lý được chỉ định trênmột bản sao của dữ liệu được truyền

Lệnh gửi tin nhắn xác định người nhận dự định, trình xử lý sẽ xử lý tinnhắn khi đến và bộ đệm tin nhắn đầu ra nguồn trong khung cục bộ Sổđăng ký trình xử lý được duy trì và số nhận dạng cho trình xử lý có tênđược trích xuất Trạng thái bắt tay cho lệnh này minh họa khái niệmchung về các thành phần quản lý tài nguyên bị giới hạn của chúng

Thành phần nhắn tin có thể từ chối yêu cầu gửi, ví dụ, nếu nó đang bậntruyền hoặc nhận một tin nhắn và không có tài nguyên để xếp hàng yêucầu Phản ứng đối với sự xuất hiện này là ứng dụng cụ thể

Sự kiện tin nhắn đến cũng tương tự như các sự kiện khác Một điểm khácbiệt chính là thành phần thông báo hoạt động gửi sự kiện đến thành phần

có trình xử lý thông báo được liên kết Nhiều thành phần có thể đăng kýmột hoặc nhiều trình xử lý thông báo Ngoài ra, đầu vào cho trình xử lý là

một tham chiếu đến bộ đệm thông báo được cung cấp bởi thành phầnthông báo hoạt động.

Quản lý bộ nhớ đệm là một vấn đề khó khăn trong ngăn xếp giao tiếp vìcác vấn đề sau phải được giải quyết:

• đóng gói dữ liệu hữu ích với thông tin tiêu đề truyền tải và đoạn giớithiệu;

• xác định khi nào có thể sử dụng lại bộ lưu trữ dữ liệu tin nhắn đầu ra

• cung cấp bộ đệm đầu vào cho một tin nhắn đến trước khi tin nhắn đượckiểm tra, để xác định vị trí của nó

Lớp tin nhắn hoạt động Tiny cung cấp các nguyên tắc cơ bản đơn giản đểgiải quyết những vấn đề này mà không cần sao chép và quản lý lưu trữ rấtđơn giản

Bộ đệm thông báo có kiểu được xác định trong khung cung cấp cáctrường để đóng gói hệ thống cụ thể, chẳng hạn như thông tin định tuyến

và phát hiện lỗi Các trường này được sử dụng khi gói tin di chuyểnxuống ngăn xếp, thay vì đi theo con trỏ hoặc sao chép Các thành phầnứng dụng chỉ tham chiếu đến trường dữ liệu hoặc toàn bộ bộ đệm Thamchiếu đến bộ đệm thông báo là con trỏ duy nhất được chuyển qua ranhgiới thành phần trong TinyOS

Khi lệnh gửi được gọi, bộ đệm truyền được coi là thuộc sở hữu của mạngcho đến khi thành phần nhắn tin báo hiệu rằng quá trình truyền hoàn tất

Cơ chế theo dõi quyền sở hữu là ứng dụng cụ thể

Trình xử lý thông báo nhận được một tham chiếu đến bộ đệm thuộc sởhữu của hệ thống, bộ đệm này khác với khung của nó Hành vi điển hình

là xử lý thông tin trong thông báo và trả về bộ đệm Nói chung, trình xử

lý phải trả về một tham chiếu đến bộ đệm miễn phí Nó có thể giữ lại bộđệm mà hệ thống cung cấp và trả về một bộ đệm khác mà nó sở hữu Mộttrường hợp đặc biệt phổ biến của trường hợp này là một trình xử lý thựchiện một thay đổi nhỏ đối với một tin nhắn đến và truyền lại

nó Chúng tôi muốn tránh sao chép phần còn lại của thông báo, tuy nhiên,chúng tôi không thể giữ quyền sở hữu bộ đệm để truyền và trả lại bộ đệm

đó cho hệ thống Một thành phần như vậy phải khai báo một bộ đệmthông báo và một con trỏ bộ đệm thông báo trong khung của nó Trình xử

lý sửa đổi bộ đệm đến và trao đổi quyền sở hữu bộ đệm với hệ thống.Nếu bộ đệm truyền trước đó của nó vẫn còn bận, một trong hai hoạt độngphải được hủy bỏ Một thành phần thực hiện lắp ráp lại từ nhiều gói cóthể sở hữu nhiều bộ đệm như vậy Trong mọi trường hợp, quản lý lưu trữ

bộ đệm trong thời gian chạy được rút gọn thành một hoán đổi con trỏ đơngiản

Tin nhắn hoạt động Tiny được sử dụng để hỗ trợ khám phá mạng động vàđịnh tuyến đa bước, đặc biệt Khám phá có thể được bắt đầu từ bất kỳ nútnào, nhưng thường thì nó được bắt nguồn từ các nút cổng cung cấp kết

nối với các mạng thông thường Mỗi gốc truyền định kỳ một thông điệpmang ID của nó và khoảng cách của nó, bằng 0, đến vùng lân cận của nó.Trình xử lý thông báo kiểm tra xem nguồn có phải là nút gần nhất mà nó

đã nghe gần đây hay không (nghĩa là trong giai đoạn khám phá hiện tại)

và, nếu vậy, ghi lại ID nguồn dưới dạng nguồn gốc đa bước của nó, tăngkhoảng cách và truyền lại thông báo với ID của chính nó làm nguồn.Thành phần khám phá sử dụng hoán đổi bộ đệm Các gói được định tuyếnlên cây như sau Một nút truyền dữ liệu được định tuyến chỉ định mộttrình xử lý chuyển tiếp nhiều bước và xác định cha của nó là người nhận.Người xử lý sẽ bắn vào từng người hàng xóm của nó Gói cha truyền lạigói tin cho cha mẹ của nó, sử dụng hoán đổi bộ đệm Những người hàngxóm khác chỉ cần loại bỏ gói tin Do đó, dữ liệu được định tuyến từngbước một tới gốc Các toán tử giảm có thể được hình thành bằng cách tíchlũy dữ liệu từ nhiều trẻ em trước khi truyền một gói lên cây

Thuật toán khám phá không tối ưu vì dư thừa trong mặt trước làn sóngkhám phá gửi đi và có thể được cải thiện bằng cách bầu các trưởng nhómhoặc truyền lại báo hiệu với một số xác suất liên quan nghịch với số anhchị em Ngoài ra, giai đoạn khám phá có thể được loại bỏ hoàn toàn bằngcách gộp thông tin khoảng cách vào các thông điệp dữ liệu cảm biến Khimột nút nghe thấy một gói tin từ một nút, ít bước nhảy hơn từ trạm gốc,

nó thông qua nguồn làm cha mẹ của nó Nút gốc chỉ đơn giản là truyềnmột gói tin cho chính nó để phát triển cây định tuyến Các nút cũng phảiđịnh tuổi khoảng cách hiện tại của chúng để thích ứng với những thay đổitrong cấu trúc liên kết mạng do sự thay đổi chuyển động hoặc truyền tínhiệu Các ví dụ này minh họa bước giao tiếp cơ bản dựa trên các thuậttoán phân tán cho mạng không dây nhúng: nhận một gói tin, chuyển đổi

nó và truyền lại một cách có chọn lọc hay không Quá trình truyền lại củaSquelching tạo thành một mặt trận làn sóng đi trong khám phá và tạothành một chùm trên định tuyến đa bước Trong các thuật toán này, cấutrúc dữ liệu để xác định xem có nên truyền lại hay không là bộ nhớ đệmcủa các gói gần đây

Một thách thức là di chuyển dữ liệu thông báo từ bộ đệm lưu trữ ứngdụng sang điều chế vật lý của kênh mà không tạo toàn bộ bản sao vàtương tự theo hướng ngược lại Một mô hình phổ biến đã xuất hiện là mộtmáy bơm dữ liệu xuyên lớp Chúng tôi tìm thấy điều này ở mỗi lớp củangăn xếp trong Hình 10.1 Thành phần trên có một đơn vị dữ liệu đượcphân chia thành các đơn vị con

Nó đưa ra một lệnh để yêu cầu truyền đơn vị con đầu tiên Thành phầnthấp hơn thừa nhận rằng nó đã chấp nhận đơn vị con và khi nó sẵn sàngcho thành phần tiếp theo, nó báo hiệu một sự kiện của đơn vị con Trình

xử lý phía trên cung cấp đơn vị tiếp theo hoặc cho biết rằng không có đơn

vị nào nữa sắp xuất hiện Điều này được thực hiện bằng cách gọi lệnh tiểu

đơn vị tiếp theo trong trình xử lý sẵn sàng Lớp thông điệp thực sự là mộtmáy bơm gói Lớp gói mã hóa và đóng khung gói tin, bơm nó từng bytevào lớp byte Trên UART, trừu tượng từng byte được thực hiện trực tiếptrong phần cứng, trong khi trên radio, lớp byte bơm dữ liệu từng bit vàoradio Mỗi thành phần này sử dụng khung, lệnh và khuôn khổ sự kiện đểxây dựng một máy trạng thái phần mềm đăng nhập lại.

Trong mạng thu thập dữ liệu đa bước, mỗi nút truyền dữ liệu riêng củamình theo thời gian và lắng nghe trong thời gian còn lại để biết dữ liệucần chuyển tiếp đến nơi chứa

Mặc dù truyền dẫn tích cực là chế độ tiêu tốn nhiều năng lượng nhất, hầuhết radio tiêu thụ một phần đáng kể năng lượng truyền khi radio đang bật

và không nhận được bất cứ thứ gì Trong các mạng đặc biệt, một thiết bịtruyền trong một khoảng thời gian ngắn, nhưng phải liên tục lắng nghe đểchuyển tiếp dữ liệu cho các nút lân cận Tổng mức tiêu thụ năng lượngcủa một thiết bị bị chi phối bởi chi phí thu sóng RF

Có thể giảm mức tiêu thụ điện năng bằng cách sử dụng chế độ nghe định

kỳ Bằng cách tạo ra các khoảng thời gian khi không được phép truyền,các nút chỉ phải nghe một phần thời gian Cách tiếp cận này hoạt động tốtkhi quy mô thời gian của các khoảng thời gian không hợp lệ là khá lớn sovới thời gian truyền thông điệp Nhược điểm của phương pháp này là nógiới hạn băng thông được sử dụng

Trong mạng cảm biến, một nút có thể hoạt động như một bộ định tuyếnhoặc điểm xử lý dữ liệu và có thể cần sử dụng đầy đủ băng thông vôtuyến Nghe công suất thấp vẫn giữ nguyên chu kỳ nhiệm vụ của ngườinghe, nhưng giảm đáng kể tỉ lệ về thời gian

Để giảm hơn nữa mức tiêu thụ điện năng trung bình của mạng, nghe điện

có thể được kết hợp với nghe định kỳ Chạy cả hai các chương trình đồngthời dẫn đến việc lắng nghe ở mức công suất giảm chỉ trong một phầnthời gian và mức giảm công suất là cấp số nhân Các kỹ thuật này cungcấp cơ chế giao dịch băng thông và chi phí truyền dẫn để giảm tiêu thụđiện năng nhận

Phần cứng kết nối trực tiếp bộ vi điều khiển trung tâm với radio Điềunày đặt tất cả các yêu cầu thời gian thực của radio vào bộ vi điều khiển,

bộ vi điều khiển phải xử lý mọi bit được truyền hoặc nhận trong thời gianthực Ngoài ra, nó điều khiển thời gian của mỗi bit để bất kỳ jitter nàotrong các tín hiệu điều khiển mà nó tạo ra đều được truyền tới tín hiệu đãtruyền Ngăn xếp giao tiếp TinyOS xử lý các ràng buộc này trong khi chophép các chức năng cấp cao hơn tiếp tục song song

Ở cơ sở của ngăn xếp thành phần là một máy trạng thái thực hiện địnhthời bit Thành phần RFM (RF Monolithics) truyền một bit tại một thờiđiểm đến hoặc từ đài RF Monolithics Để xảy ra quá trình truyền chínhxác, bit đã truyền phải được đặt và giữ trên đường TX (đầu ra dữ liệu)của radio trong thời gian chính xác một bit, ví dụ: 100 micro giây Để tiếp

nhận, dòng RX (đầu vào dữ liệu) của radio phải được lấy mẫu tại điểmgiữa của chu kỳ truyền Radio không hỗ trợ xác định thời điểm bit đãhoàn thành.

Giao diện với thành phần RFM tạo thành một máy bơm dữ liệu thực hiệnchuyển từng bit từ một thành phần cấp byte sang phần cứng vật lý Để bắtđầu truyền dữ liệu, một lệnh được đưa ra cho thành phần RFM để chuyểnsang chế độ truyền Sau đó, một lệnh thứ hai được sử dụng để chuyểnmột bit duy nhất xuống thành phần RFM Bit này ngay lập tức được đặtvào đường truyền Sau 100 micro giây trôi qua, thành phần RFM sẽ báohiệu một sự kiện để chỉ ra rằng nó đã sẵn sàng cho một bit khác Mứcbyte phản hồi của thành phần là đưa ra một lệnh khác cho thành phầnRFM có chứa bit tiếp theo Tương tác báo hiệu một sự kiện và nhận bittiếp theo này tiếp tục cho đến khi toàn bộ gói được hoàn thành Thànhphần lớp RFM tóm tắt các thời hạn thời gian thực của quá trình truyền từcác thành phần lớp cao hơn

Trong quá trình truyền, mã hóa phức tạp phải được thực hiện trên từngbyte đồng thời đáp ứng các yêu cầu thời gian thực nghiêm ngặt của lớpbit Hoạt động mã hóa cho một byte đơn mất nhiều thời gian hơn thờigian truyền của một bit Để đảm bảo rằng dữ liệu được mã hóa sẵn sàngđáp ứng thời hạn truyền mức bit, quá trình mã hóa byte tiếp theo sẽ bắtđầu trước khi hoàn thành quá trình truyền byte hiện tại Cơ chế tác vụTinyOS thực hiện thao tác mã hóa đồng thời thực hiện truyền dữ liệutrước đó Bằng cách mã hóa dữ liệu trước một byte của quá trình truyền,

bộ đệm được sử dụng để tách định thời mức bit khỏi quá trình mã hóabyte

Việc nhận dữ liệu có hình thức giống như quá trình truyền, ngoại trừ việcđầu tiên người nhận phải phát hiện ra rằng một quá trình truyền sắp bắtđầu và sau đó xác định thời gian truyền Để thực hiện điều này, khi cóhoạt động trên kênh vô tuyến, thành phần lớp RFM được đặt thành các bitlấy mẫu cứ sau 50ms, lấy mẫu kép mỗi byte Các bit này được chuyển lầnlượt cho thành phần mức byte Thành phần mức byte tạo ra một bộ đệmtrượt các giá trị bit này chứa 18 bit cuối cùng Khi giá trị của 18 bit cuốicùng nhận được khớp với ký hiệu bắt đầu được chỉ định, thì điểm bắt đầucủa một gói tin sẽ được phát hiện Ngoài ra, thời gian của gói được xácđịnh trong khoảng thời gian nửa bit Tiếp theo, lớp RFM lấy mẫu một bitsau 75ms Điều này làm cho mẫu tiếp theo rơi xuống ở giữa cửa sổ bittiếp theo, nửa chặng đường giữa nơi mà việc lấy mẫu kép sẽ xảy ra nếukhoảng thời gian lấy mẫu duy trì ở mức 50 ms Sau đó, RFM lấy mẫu cứsau 100ms cho phần còn lại của gói

Trong các hệ thống nhúng không dây, đường dẫn truyền thông đến cácthiết bị là một kênh chia sẻ, kênh này phải được chia sẻ một cách hiệuquả trong điều kiện xử lý hạn chế tài nguyên và định tuyến đa bước nhảyđặc biệt Nhiều ứng dụng yêu cầu các nút có khả năng di chuyển dữ liệu

qua mạng gần như ngang nhau, bất kể vị trí của chúng trong cấu trúc liênkết mạng Các thành phần giao tiếp TinyOS cấp thấp được mở rộng vớigiao thức Kiểm soát truy cập phương tiện năng lượng (MAC) và sử dụngmột kỹ thuật đơn giản để kiểm soát tốc độ thích ứng dành riêng cho ứngdụng.

Các giao thức MAC phải được thực hiện trên vi điều khiển đồng thời vớicác hoạt động khác Bộ thu phát RF thiếu hỗ trợ phát hiện xung đột, do

đó, lược đồ Đa truy cập nhận thức sóng mang (CSMA) được sử dụng,trong đó một nút lắng nghe kênh và chỉ truyền một gói nếu kênh khônghoạt động Cơ chế đồng hồ tính bằng bit ở lớp vật lý cũng được sử dụng

để cảm nhận sóng mang Do đó, lớp MAC được thực hiện ở cả mức bit vàbyte trong ngăn xếp mạng Nếu kênh lấy mẫu liên tiếp không phát hiệnthấy tín hiệu nào, kênh đó được coi là không hoạt động và đang cố gắngtruyền gói Tuy nhiên, nếu kênh đang bận, sẽ xảy ra hiện tượng tắt máyngẫu nhiên Toàn bộ quá trình lặp lại cho đến khi kênh không hoạt động.Một thanh ghi dịch chuyển phản hồi tuyến tính 16 bit đơn giản được sửdụng như một bộ tạo số giả ngẫu nhiên cho khoảng thời gian lùi lại Đài

bị tắt trong khi tắt Nhiều ứng dụng thu thập và truyền dữ liệu định kỳ, có

lẽ sau phát hiện một sự kiện kích hoạt, do đó lưu lượng truy cập có thểtương quan cao Việc phát hiện một kênh bận cho thấy rằng một nút lâncận có thể chỉ ra rằng các mẫu giao tiếp của các nút đã được đồng bộ hóa.Ứng dụng sử dụng lỗi không gửi dưới dạng phản hồi và chuyển giai đoạnlấy mẫu của nó sang giai đoạn có khả năng không đồng bộ hóa

Một yêu cầu ứng dụng phổ biến khác là phạm vi lấy mẫu dữ liệu gần nhưbằng nhau trên toàn bộ mạng Mỗi nút trong mạng phải có khả năng phân

bổ băng thông hợp lý cho trạm gốc Với các lớp định tuyến đặc biệt, cácnút tự tổ chức thành một rừng bao trùm, nơi mỗi nút bắt nguồn và địnhtuyến lưu lượng đến một trạm gốc Sự cạnh tranh giữa lưu lượng truy cậpgốc và thông qua tuyến đường cho băng thông hướng lên phải được cânbằng để đáp ứng mục tiêu công bằng Dung lượng của mạng đa bước là

có giới hạn và các nút phải điều chỉnh tải cung cấp của chúng với băngthông khả dụng, thay vì cam kết quá mức kênh và lãng phí năng lượngtrong việc truyền các gói mà không bao giờ có thể đến được trạm gốc Sơ

đồ điều khiển truyền thích ứng là một thuật toán cục bộ được thực hiện ởtrên lớp bản tin tích cực và bên dưới mức ứng dụng Ứng dụng có tốc độlấy mẫu cơ sở xác định tốc độ truyền tối đa và truyền mẫu với xác suấtđược xác định động Sau khi truyền thành công, xác suất được tăng lênmột cách tuyến tính, trong khi khi thất bại, nó sẽ giảm nhân lên Việctruyền thành công có thể được chỉ ra bằng một xác nhận rõ ràng từ ngườinhận hoặc một xác nhận ngầm khi người gửi nghe gói tin của nó đangđược chuyển tiếp bởi cha của nó Vì xác nhận ngầm thường là ứng dụng

cụ thể, ứng dụng sẽ quyết định xem quá trình truyền có thành công haykhông và truyền thông tin xuống lớp điều khiển truyền Việc từ chối lệnh

truyền của ứng dụng ở cấp độ điều khiển truyền dẫn sẽ kích hoạt sự thíchứng.

Cách tiếp cận TinyOS đã được chứng minh là khá hiệu quả trong việc hỗtrợ giao tiếp có mục đích giữa nhiều thiết bị có khả năng bị hạn chế cao

về xử lý, lưu trữ, băng thông và năng lượng với sự hỗ trợ phần cứngnguyên thủy cho I/O Mô hình điều khiển sự kiện tạo điều kiện cho việcxen kẽ bộ xử lý giữa nhiều luồng dữ liệu và giữa nhiều lớp trong ngănxếp cho mỗi luồng trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu thời gian thực khắcnghiệt của việc bảo dưỡng radio Vì dung lượng lưu trữ rất hạn chế, thôngthường người ta thường xử lý thông báo tăng dần ở một số cấp độ, thay vìlưu vào bộ đệm toàn bộ thông báo và xử lý chúng theo từng cấp độ Tuynhiên, chỉ sự kiện thôi là chưa đủ, và điều cần thiết là một sự kiện có thểchuyển giao bất kỳ quá trình xử lý đáng kể nào cho một tác vụ sẽ chạybên ngoài cửa sổ thời gian thực Điều này cung cấp sự đồng thời logictrong ngăn xếp và được sử dụng ở mọi cấp ngoại trừ lớp trừu tượng phầncứng thấp nhất Bằng cách áp dụng phương pháp tiếp cận theo hướng sựkiện, không chặn, các luồng truyền thống không được hỗ trợ, với nhiềungăn xếp được liên kết và đồng bộ hóa phức tạp

Cách tiếp cận thành phần mang lại hoạt động mạnh mẽ mặc dù khả năng

gỡ lỗi hạn chế và tạo điều kiện thử nghiệm Các thành phần gói có thểđược hoán đổi bằng một thay đổi đơn giản đối với đồ thị mô tả và cácthành phần tạm thời có thể được xen kẽ giữa các thành phần hiện có màkhông thay đổi bất kỳ triển khai bên trong nào Hơn nữa, về cơ bản, việc

sử dụng các thành phần cho phép toàn bộ cây con của các thành phầnđược thay thế bằng phần cứng và ngược lại

Mô hình lập trình tin nhắn tích cực tí hon cho phép các thử nghiệm vớinhiều lớp mạng cấp cao hơn và các thuật toán phân tán chi tiết Các nút

có thể được lập trình lại qua mạng Một nút có thể lấy các viên mã từ cáchàng xóm của nó hoặc qua các tuyến multihop và tập hợp một hình ảnhthực thi hoàn chỉnh trong cửa hàng thứ cấp EEPROM của nó Sau đó, nút

có thể sử dụng điều này để lập trình lại chính nó Các ví dụ khác bao gồmkhả năng ghi và thu thập dữ liệu cho mục đích chung, một phương tiện đểtruy vấn các nút bằng lược đồ, và để tổng hợp dữ liệu từ một số lượng lớncác nút trong mạng

Nếu không có các lớp trừu tượng truyền thống chỉ ra các loại khả năng cósẵn, có thể thấy trước nhiều mối quan hệ mới lạ giữa ứng dụng và hệthống cơ bản Sơ đồ điều khiển truyền dẫn thích ứng là một ví dụ đơngiản; Việc từ chối yêu cầu gửi khiến ứng dụng phải điều chỉnh tỷ lệ dữliệu gốc Việc chuyển tiếp mức ứng dụng của lưu lượng đa bước chophép nút theo dõi tập hợp các hàng xóm đang thay đổi của nó Hơn nữa,bản thân radio là một cảm biến khác, vì tín hiệu nhận sức mạnh đượccung cấp cho ADC Do đó, mỗi gói tin có thể được đi kèm với dữ liệucường độ tín hiệu để sử dụng trong việc ước tính khoảng cách vật lý hoặc

sự hiện diện của các vật cản Radio cũng là một thiết bị truyền động, vìcường độ tín hiệu của nó, và do đó kích thước tế bào, có thể được kiểmsoát.

Các thành phần lớp thấp nhất đang đồng bộ hóa tất cả các máy thu vớimáy phát trong phạm vi một phần nhỏ của bit Do đó, thông tin đồng bộhóa thời gian hạt rất nhỏ có thể được cung cấp với mọi gói tin cho cácứng dụng điều khiển

10.3 Các ứng dụng quản lý sức khỏe và theo dõi khu vực

- Mạng cảm biến không dây được phân loại thành một tập hợp các nút giao tiếp, trong đó mỗi nút kết hợp là:

+ 1 hoặc nhiều cảm biến đo môi trường

+ khả năng xử lý dữ liệu cảm biến thành thông tin và thực hiện điểu khiển

+ 1 radio tuyền thông tin đến các nút và người dùng bên ngoài

- Nút WINS hỗ trợ các thử nghiệm trong giao thức truyền thông dữ liệu nhiều bước, xử lý tín hiệu tác động (vd: định dạng chùm các nút cách nhau ngẫu nhiên với nhau) và quản lý tài nguyên

- Một số yêu cầu đối với nút WINS bao gồm:

+Nhỏ, nhẹ

+ Mạnh về vấn đề nhiệt độ và điều kiện môi trường xung quanh

+ Pin hoặc nguồn điện độc lập

- Các nút WINS giao tiếp với bên ngoài thông qua các mạng cấp doanh nghiệp, như mạng điều khiển nhà máy hoặc internet như hình 10.2.

- Giao tiếp hai chiều được cung cấp trong toàn hệ thống Có thể thiết lập nhiều cổng vận chuyển thông tin vào hoặc ra khỏi mạng cảm biến Cổng thông tin có thể cho phép người dùng giám sát và điều khiển mạng từ xa

- Người sử dụng có thể ra lệnh thông qua giao diện người dùng được lưu trên máy tính, cho phép người dùng điều khiển các nút

- Giao diện người dùng có thể hiện thị hoạt động ở mỗi cảm biến cùng với tình trạng sức khỏe (vd: pin)

- Mạng trong hệ thống WINS được phân biệt với mạng trong mạng dữ liệu không dây thông thường vì những lý do sau:

+ Các nút có năng lượng pin hạn chế

+ Các nút cảm biến có thể yêu cầu đồng bộ để gắn thẻ thời gian dữ liệu và xử lý tín hiệu nhất quán với thuật toán, tiết kiệm năng lượng

+ Các nút có thể có nhiều loại cảm biến (vd: địa chấn,âm thanh,IR, )+ Có thể dự đoán và cho phép điều chỉnh các giao thức một cách hiệu quả, thông tin phát hiện được chuyển đến các cổng thông tin

+ Xử lý và hợp tác, vd như định dạng chùm, yêu cầu các nhóm nút đá hướng gần hoạt động gần nhất với các sự kiện Vì các mục tiêu hoắc các hiện tượng khác gây ra sự kiện có thể di động, tập hợp các nút đang tích cực cảm nhận chúng sẽ thay đổi, di chuyển vị trí của các trình thông báo

- Việc nghiên cứu các thuật toán xử lý tín hiệu công suất thấp là một phầnkhông thể thiếu trong nỗ lực phát triển hệ thống và đối với các ứng dụng chiến trường, tập trung vào những điều sau:

+ Phát hiện / phân loại mục tiêu - Các nút WINS chạy các thuật toán phát hiện rung động dựa trên ngưỡng năng lượng Kỹ thuật này có thể bị báo động sai dẫn đến việc xem xét các thuật toán chữ ký phổ phức tạp hơn Các thuật toán năng lượng thấp để phân loại sự kiện được phát

hiện là sự kiện bốc đồng (ví dụ: bước chân hoặc phát súng) hoặc phương tiện (ví dụ: bánh xe hoặc bánh xích, nhẹ hoặc nặng) được sử dụng.

+ Kết hợp cảm biến trên bo mạch - Việc bao gồm nhiều cảm biến trên mỗi nút cho phép kết hợp các hiện tượng cảm nhận khác nhau, dẫn đến thông tin chất lượng cao hơn và giảm tỷ lệ cảnh báo sai

+ Kết hợp cảm biến nhiều nút - Các thuật toán sử dụng các lợi thế của mạng lưới các nút riêng biệt trong không gian trải dài một loạt các hành vi hợp tác, mỗi hành vi trong số đó đánh đổi chất lượng phát hiện sovới mức tiêu thụ năng lượng

10.3.1 Nền tảng phát triển

- Phần cứng trong mỗi nút vi cảm biến sử dụng thiết kế mô-đun mở, cho phép kết hợp nhiều loại cảm biến Kết nối bo mạch được cung cấp bởi haiđầu nối minic 40 chân Các đầu nối tạo thành một bus hệ thống cung cấp nguồn điện và đường điều khiển tới các bo mạch cảm biến, đồng thời hỗ trợ nhiều giao diện mở Nút WINS bao gồm một chồng các mạch cơ sở bao gồm bộ xử lý, radio và nguồn điện, được kết hợp với các cảm biến mong muốn Các thành phần phần cứng như sau:

+ Cảm biến âm

+ Mô-đun vô tuyến trải phổ kỹ thuật số DCT (Biến đổi Cosine rời rạc )

+ Mô-đun xử lý StrongARM;

+ + Mô-đun cung cấp điện áp

+ Mô-đung cảm biến địa chấn

+ 2 pin 9V

- Sơ đồ khối phần cứng cơ bản được đưa ra trong Hình 10.3 cho thấy mức

độ kết nối và sự phân bổ công suất giữa các mô-đun chính trong hệ thống

- Mô-đun bộ xử lý: Mô-đun bộ xử lý được xây dựng xung quanh bộ điều khiển nhúng Intel StrongArm SA1100 SA1100 là một bộ vi xử lý RISC 32-bit có mục đích chung dựa trên cấu trúc ARM Bộ xử lý cung cấp bộ nhớ đệm lệnh 16 kb, bộ nhớ đệm dữ liệu 8 kb, I / O nối tiếp và giao diện JTAG (Nhóm hành động thử nghiệm chung), tất cả được kết hợp trong một chip duy nhất Chương trình và dữ liệu lưu trữ được luân chuyển bởi 128-kb SRAM (RAM tĩnh) và 1-Mb bộ nhớ flash có thể khởi động.Dễ dàng kết nối với các mô-đun cảm biến bằng cách sử dụng SPI bốn dây (Giao diện ngoại vi nối tiếp) Một cổng RS232 được thêm vào mô-đun đểkết nối với các thiết bị bên ngoài Bộ xử lý có ba trạng thái: bình thường, nhàn rỗi và ngủ, có thể được điều khiển để giảm tiêu thụ điện năng

-Mô-đun vô tuyến: Mô-đun vô tuyến sử dụng bộ chip điện thoại không dây kỹ thuật số RDSSS9M (DCT) của Conexant Systems, Inc triển khai

bộ chip 900 MHz

- Chipset có bộ vi điều khiển 65C02 nhúng thực hiện tất cả các chức năngđiều khiển và giám sát cần thiết cho giao tiếp trải phổ chuỗi trực tiếp (12 chip / bit), cũng như trao đổi dữ liệu, với mô-đun bộ xử lý

- Radio hoạt động trên một trong 40 kênh trong dải tần ISM, có thể lựa chọn bằng bộ điều khiển

- Bộ nhớ chương trình và dữ liệu được cung cấp với 32-kb SRAM và

1-Mb bộ nhớ flash có thể khởi động Phần mềm nhúng được phát triển để

hỗ trợ mạng đa truy cập với sự hỗ trợ tối thiểu của bộ xử lý ARM

- Bo mạch cũng cung cấp một ADC 4 bit để theo dõi điện áp pin Phần

RF của đài được đóng gói như một mô-đun đa chip nhỏ, giao tiếp với ăng-ten xoắn ốc 50 ohm và có khả năng hoạt động ở nhiều mức công suấtphát từ 1 đến 100 mW, cho phép sử dụng giao tiếp tối ưu hóa công suất các thuật toán

- Mô-đun cảm biến địa chấn: Bảng cảm biến địa chấn sử dụng máy đo địachấn Mark IV được thiết kế để phát hiện các sự kiện địa chấn với tần số thấp Độ nhạy của geophone này là khoảng 15 g Mạch sử dụng bộ

chuyển đổi sigma-delta Analog Devices AD 7714 mang lại tín hiệu dbit sạch, từ 1 Hz đến 400 Hz Mạch đủ khả năng lặp lại để cho phép khớp pha giữa các nút cảm biến để hỗ trợ quá trình xử lý mạch lạc hợp tác, chẳng hạn như định dạng chùm

20 Các mô20 đun cảm biến khác bao gồm:

+ Cảm biến âm thanh

+ Từ kế

+ Gia tốc kế

- Các chức năng chính của phần mềm WINS được tổ chức như sau: