Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây và thử nghiệm với vi điều khiển CC1010

Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng cho các nút trong mạng cảm nhận

Điêu Tiến Thọ

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

VÀ THỬ NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử

và thông tin liên lạc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 9

1.1 Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây 9

1.2 Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm nhận không dây 15

1.2.1 Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây 15

1.2.2 Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây 18

1.3 Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây 19

1.3.1 Các yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây 20

1.3.2 Các yêu cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây 22

1.3.3 Kết luận 25

1.4 Mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển CC1010 25

1.4.1 Các lý do chọn vi điều khiển CC1010 25

1.4.2 Kiến trúc mạng cảm nhận đo nhiệt độ sử dụng CC1010 27

1.5 Kết luận 29

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 31

2.1 Mở đầu 31

2.2 Các hoạt động tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm nhận không dây 33 2.2 Các giao thức MAC tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm nhận không dây 36

2.2.1 Mô hình giao thức MAC hiện tại trong mạng không dây 36

2.2.2 Mục tiêu xây dựng giao thức MAC tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây 39

2.2.3 Các giao thức MAC tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm nhận

không dây 41

2.2.4 Kết luận 45

2.3 Tiết kiệm năng lượng cho nút mạng bằng lập trình thay đổi chế độ làm việc 46

2.3.1 Phân tích các đặc trưng của vi điều khiển CC1010 46

2.3.2 Các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho CC1010 55

2.4 Kết luận 58

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 59

3.1 Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010 59

3.1.1 Tổng quan về phần mềm nhúng 59

3.1.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình cho CC1010 60

3.1.3 Thuật toán phần mềm nhúng tiết kiệm năng lượng cho nút mạng đo nhiệt độ CC1010EM 63

3.1.4 Chi tiết phần mềm nhúng thực hiện thuật toán 67

3.2 Thử nghiệm và đánh giá kết quả 71

3.3 Kết luận 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Ý nghĩa

ADC Analog Digital Converter Bộ biến đổi tín hiệu tương tự

sang tín hiệu số CC1010EB CC1010 Evaluation Board Bản mạch ghép nối CC1010 CC1010EM CC1010 Evaluation Module CC1010 tích hợp cảm biến

nhiệt độ và các linh kiện khác

CC1010IDE

CC1010 Integrated Development Environment

Môi trường phát triển tích hợp CC1010

CDMA Code Division Multiple

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

CSMA Carrier Sense Multiple

HAL Hardware Abstraction

HDF Hardware Difinition File File định nghĩa phần cứng MAC Media Access Control Điều khiển truy cập môi trường

RTC Real Time clock Đồng hồ thời gian thực

TDMA Time Division Multiple

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.2 Ý nghĩa các bit trong thanh ghi X32CON 49

Bảng 2.4 Ý nghĩa các bit trong thanh ghi PCON 52

Bảng 3.1 Kết quả thử nghiệm chương trình nhúng 72 Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm khi không có tiết kiệm năng lượng 73

Hình 3.6 Đo dòng điện mà nút mạng tiêu thụ trong chế độ nghỉ 71 Hình 3.7 Đo dòng điện mà nút mạng tiêu thụ trong chế độ tích cực 72

MỞ ĐẦU

Mạng không dây đang là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây hiện nay Mạng cảm nhận không

dây (Wireless Sensor Networks – WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những

thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông tin WSN được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và công nghiệp, với đặc điểm chung nổi bật là không cần thao tác của con người Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường và đưa ra các thông báo

có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát các khu vực quân sự,… Nhiều ứng dụng khác của WSN đang được nghiên cứu và có xu hướng phát triển rộng khắp

Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần phải có là gọn nhẹ và nút mạng thực hiện được cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm nhận Để đảm bảo cho hoạt động của mỗi nút, người ta chế tạo một nguồn năng lượng được thiết kế với kích thước nhỏ đi kèm Hoạt động của mỗi nút cảm nhận được thực hiện qua các bước cơ bản: cảm nhận, đo đạc, truyền dữ liệu

Chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu vì thay cho hệ thống dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết Mạng có thể được mở rộng đơn giản bằng cách thêm vào các thiết bị, không cần các thao tác phức tạp, mạng sau đó hoạt động không cần

sự can thiệp của con người Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm, mỗi nút mạng chỉ cần một nguồn pin duy nhất

Một trong những vấn đề hiện nay cần quan tâm là tiêu thụ năng lượng cho từng nút mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin Đây là một hướng

nghiên cứu đang được chú trọng để cải thiện chất lượng mạng không dây Khi kích thước vật lý giảm, cũng làm giảm khả năng tích trữ năng lượng Các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lưu trữ dẫn đến phải

có kiến trúc mới Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình mạng và mạng cần có sự chuyển đổi giữa các chế độ làm việc nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng

Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng cho các nút trong mạng cảm nhận không dây Cụ thể:

- Chương 1: “Tổng quan về mạng cảm nhận không dây” sẽ đưa ra

những định nghĩa cơ bản, những ứng dụng của WSN, các loại giao thức định tuyến trong WSN Chương này còn trình bày các yêu cầu đối với một nút mạng cảm nhận, trong những yêu cầu đó thì yêu cầu

sử dụng năng lượng tiết kiệm là quan trọng nhất Xuất phát từ đó, tác giả định hướng cho đề tài nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng lượng cho WSN Phần cuối của chương sẽ xây dựng một mạng WSN thực tế sử dụng vi điều khiển CC1010 làm các nút mạng Vi điều khiển này sẽ là đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm tiết kiệm năng lượng ở các chương sau

- Chương 2: “Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận

không dây sử dụng vi điều khiển CC1010” Trong phần đầu sẽ trình

bày các nguyên nhân gây tổn thất năng lượng đối với nút mạng từ đó đưa ra hướng hạn chế các nguyên nhân đó Có nhiều cách khác nhau

để tiết kiệm năng lượng cho nút WSN như xây dựng các giao thức MAC tiêu thụ ít năng lượng, lập trình cho vi điều khiển chuyển sang hoạt động ở chế độ năng lượng thấp khi không cần truyền dữ liệu

Các phần sau của chương sẽ đưa ra giải pháp cụ thể, tuy nhiên chỉ một trong số đó được chọn để nghiên cứu sâu và giải pháp lập trình cho nút mạng được chọn do có tính khả thi nhất trong phạm vi nghiên cứu của một luận văn Các đặc tính tiết kiệm năng lượng của

vi điều khiển CC1010 được nghiên cứu và khai thác, là tiền đề cho việc xây dựng thuật toán và viết chương trình cụ thể trong chương 3

- Chương 3: “Nghiên cứu, thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng

lượng trên vi điều khiển CC1010” giới thiệu các bước cơ bản để xây

dựng một phần mềm nhúng, đưa ra tư tưởng thuật toán cho cơ chế truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lượng tại nút mạng Từ thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh được viết và chạy thử nghiệm Các kết quả đạt được sẽ được phân tích và qua đó chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng của giải pháp

- Phần Kết luận sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính, những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa

ra các hướng nghiên cứu sâu hơn của đề tài này

Các nội dung trên sẽ được trình bày một cách rõ ràng và logic, mỗi chủ

đề nhỏ đều có đánh giá và gợi mở, dẫn dắt đến nội dung của phần tiếp theo tạo nên sự gắn kết và đồng nhất xuyên suốt cả luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

Chương này sẽ đưa ra những định nghĩa cơ bản về mạng cảm nhận không dây, các đặc điểm, ý nghĩa và khả năng ứng dụng to lớn của nó vào thực tiễn Sau khi có những khái niệm cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc giao thức và các loại định tuyến trong mạng cũng như các yêu cầu đối với một

hệ thống mạng cảm nhận không dây tốt Nghiên cứu kỹ các yêu cầu đó sẽ là

cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp sử dụng cho từng ứng dụng mạng cảm nhận không dây Cụ thể trong đề tài này đã lựa chọn vi điều khiển CC1010 làm đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong mạng cảm nhận theo dõi thông tin về môi trường Dưới đây sẽ lần lượt xét từng vấn đề nêu trên

1.1 Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây

Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và ở những vị trí địa lý khác nhau Mỗi vi điều khiển khi được tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định

được gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Sensor Network)

Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động độc lập đặt trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,…

Hình 1.1 Mô hình khái quát mạng cảm nhận không dây

Trong hệ thống WSN còn có các trạm gốc và trung tâm điều khiển Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau Các nút mạng truyền thông tin theo kiểu nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng internet, qua vệ tinh… nhờ đó người giám sát có thể nhận được thông tin dù đang ở bất cứ đâu

Sự ra đời của WSN xuất phát từ nhu cầu phát triển các ứng dụng trong quân sự như giám sát các khu vực an ninh quốc gia, biên giới Tuy vậy, WSN hiện nay được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như giám sát môi trường, các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ, tự động hoá các thiết bị gia đình và điều khiển luồng giao thông

Nút cảm nhận Trạm gốc (gateway)

Hình 1.2 Một mô hình triển khai mạng WSN

Mỗi nút mạng trong WSN gồm các thành phần: một hoặc nhiều thiết bị cảm biến; một đầu thu phát sóng vô tuyến; một vi điều khiển và một nguồn năng lượng (thông thường dùng pin)

Hình 1.3 Một nút mạng cảm nhận không dây

Một số nút mạng cảm nhận có thể có thêm bộ nạp năng lượng, bộ vi điều khiển thứ hai, cũng có thể có bộ thu phát vô tuyến thứ hai Kích thước của một nút mạng cảm nhận khá đa dạng, giá thành mỗi nút mạng cảm nhận cũng khác nhau, phụ thuộc vào kích thước và độ phức tạp của mỗi loại

 Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây [10]

Từ đặc điểm mô tả về WSN ở trên, ta có thể thấy ứng dụng của WSN rất phong phú, nó có thể ứng dụng trong dân dụng, thương mại, công nghiệp hoặc quân sự để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không thực hiện được hoặc thực hiện với chi phí cao WSN có thể được triển khai trong những khu vực rộng lớn hoang vu, ở đó chúng có thể tồn tại mà không cần con người can thiệp trong vài năm

Hình 1.4 Một mô hình ứng dụng của WSN

Cụ thể, một số ứng dụng của WSN gồm theo dõi và cảnh báo các mức

độ của môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi sự chuyển dịch như giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân,…

 Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây

Các đặc điểm của WSN gồm:

- Các nút mạng cảm nhận có kích thước nhỏ

- Năng lượng nạp được và lưu được bị giới hạn

- Hoạt động ở các điều kiện môi trường khắc nghiệt không cần can thiệp của con người

- Dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu

- Các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển được mà không cần thay đổi cấu hình

- Mô hình mạng động, linh hoạt

Các chuẩn: Trong khi các mạng máy tính, viễn thông đã có rất nhiều chuẩn thì với WSN chỉ có một số chuẩn là ISO 18000-7, 6lowpan và WirelessHART Một số chuẩn khác đang được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu như ZigBee, Wibree

Phần mềm

Năng lượng là nguồn tài nguyên quan trọng nhất của WSN, và nó quyết định thời gian sống của WSN Các WSN được triển khai với số lượng lớn và trong nhiều môi trường khác nhau với đặc điểm là truyền thông đặc biệt không thể dự tính trước (ad hoc communication) Vì lý do này nên các thuật toán và giao thức cần tập trung vào các điểm sau:

- Thời gian sống được tối đa hoá

hệ điều hành dành cho nút mạng cảm nhận không cần hỗ trợ giao diện người

sử dụng

Phần cứng của WSN không khác so với các hệ thống nhúng truyền thống do đó có thể nhúng các hệ điều hành như eCos hoặc uC/OS cho mạng cảm nhận Tuy nhiên các hệ điều hành trên được thiết kế cho các ứng dụng thời gian thực, trong khi đó hệ điều hành dành cho mạng cảm nhận không hỗ trợ thời gian thực

Có thể nói TinyOS là hệ điều hành đầu tiên được thiết kế riêng biệt cho WSN TinyOS có kích thước nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hướng sự kiện, bộ lập dịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song

song với nguồn tài nguyên hạn chế TinyOS sử dụng bộ lập trình thao tác kiểu FIFO kết nối mềm dẻo giữa phần cứng và ứng dụng

Ngôn ngữ lập trình

Lập trình cho các nút mạng cảm nhận khó hơn so với lập trình trên hệ thống máy tính thông thường Sự hạn chế về nguồn tài nguyên trên nút mạng dẫn đến phát triển một số ngôn ngữ lập trình mới cho WSN Tuy vậy ngôn ngữ phổ biến hiện nay để lập trình cho nút mạng cảm nhận là ngôn ngữ C Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng cảm nhận là: c@t (Computation at a point in space (@) Time), DCL (Distributed Compositional Language), galsC, nesC, Protothreads, SNACK, SQRL

Thuật toán

WSN được hình thành từ một số lượng lớn các nút cảm nhận do đó thuật toán cho WSN hoàn toàn là thuật toán phân phối (distributed algorithm) Trong WSN yếu tố tài nguyên đáng quan tâm nhất là năng lượng và một trong những hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng nhất là truyền dữ liệu Do đó, trong WSN chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế các thuật toán tối ưu sử dụng năng lượng khi dữ liệu được truyền từ các nút mạng đến trạm gốc Dữ liệu truyền đi trong mạng thông thường theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút, sau đó chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm năng lượng, do nếu truyền với khoảng cách xa thì nút mạng sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn

1.2 Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm nhận không dây

1.2.1 Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây

Như trình bày ở hình 1.5, kiến trúc giao thức WSN bao gồm: lớp vật lý, lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của WSN

Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu Tại lớp liên kết

dữ liệu, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) phải tối ưu sử dụng năng lượng và có khả năng giảm thiểu xung đột giữa các nút mạng khi truy cập môi trường Thiết kế giao thức MAC là rất quan trọng vì nó quyết định nhiều đến việc tiêu thụ năng lượng của nút mạng Trong chương hai sẽ có phần phân tích cụ thể về các giao thức tiết kiệm năng lượng có thể sử dụng cho WSN cũng như lựa chọn một loại giao thức và vi điều khiển tương ứng

hỗ trợ giao thức đó để xây dựng mạng WSN

Lớp mạng đảm bảo các hoạt động định tuyến số liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm khác nhau

cảm nhận Những phần này giúp các nút cảm nhận phối hợp nhiệm vụ cảm biến và tiêu thụ năng lượng tổng thể thấp hơn

Phần quản lý năng lượng điều khiển việc sử dụng năng lượng của nút mạng Ví dụ, nút mạng có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin

từ một nút lân cận, điều này giúp tránh việc nhận các bản tin trùng lặp dư thừa không cần thiết Còn khi mức năng lượng của nút mạng thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức năng lượng thấp và không thể tham gia vào các bản tin định tuyến Phần năng lượng còn lại sẽ dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

Phần quản lý di chuyển phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm nhận để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút có thể lưu vết của các nút cảm nhận lân cận Nhờ xác định được các nút lân cận, các nút cảm nhận

có thể cân bằng giữa cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm nhận trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết quả là một số nút cảm nhận thực hiện nhiều hơn các nút khác tuỳ theo mức công suất của nó Những phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm nhận có thể làm việc cùng nhau, sử dụng hiệu quả năng lượng, định tuyến số liệu trong mạng và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm nhận

Mô hình kiến trúc mạng như trên làm cho các nút mạng quản lý năng lượng hiệu quả đồng thời duy trì hoạt động của toàn mạng trong thời gian dài hơn Để hiểu hơn về hoạt động truyền nhận thông tin giữa các nút mạng cũng như biết được thêm các yếu tố gây tiêu tốn năng lượng cho nút mạng cảm nhận không dây, việc tìm hiểu các giao thức định tuyến trong WSN là cần

thiết Phần sau đây sẽ trình bày vắn tắt các giao thức định tuyến sử dụng trong WSN

1.2.2 Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây

Định tuyến trong WSN là một thách thức lớn do có sự khác biệt không nhỏ giữa đặc điểm của WSN và các mạng thông thường hiện tại

Trước hết, khó có thể xây dựng được cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho toàn bộ nút mạng cảm nhận khi triển khai do việc phân bố các nút mạng thường với số lượng lớn, ngẫu nhiên, có sự mở rộng Các giao thức dựa trên địa chỉ IP do vậy khó áp dụng cho WSN được

Thứ hai, các nút mạng dễ xảy ra lỗi hoặc bị ngắt do thiếu công suất, hỏng phần cứng hoặc bị nhiễu môi trường Trong khi đó mỗi nút đóng hai vai trò truyền số liệu và chọn đường, một số nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc phải tổ chức lại mạng

Thứ ba, luồng dữ liệu phát đi từ các nút mạng có số lượng đáng kể các bản tin bị trùng lặp do các cảm biến có thể thu thập được dữ liệu giống nhau

và cùng truyền về trung tâm Do đó dữ liệu dư thừa đó cần được giao thức định tuyến loại bỏ để tiết kiệm năng lượng cho nút mạng và tăng băng thông

Nguyên nhân thứ tư khiến việc định tuyến trong WSN là một thách thức là do mỗi nút mạng cảm nhận đều có năng lượng, khả năng tính toán và

bộ nhớ hạn chế

Do những khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến mới cho WSN đã được nghiên cứu và ứng dụng Các giao thức đó có thể được chia thành các loại chính là: ngang hàng, phân cấp và định vị [7]

Trong giao thức ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức

năng như nhau Hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi đáp, phụ thuộc vào việc đặt tên các gói dữ liệu do đó loại bỏ được việc gửi dư thừa dữ liệu trong mạng

Giao thức phân cấp dựa trên việc chia mạng thành các cụm, mỗi cụm

có một nút làm chủ có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu của các thành viên lại và loại những dữ liệu không cần thiết trước khi truyền Nút chủ sẽ được thay đổi khi bắt đầu chu kỳ làm việc mới và sẽ thay bằng nút khác có khả năng đảm nhận chức năng này

Giao thức định vị sử dụng các thông tin về vị trí của các nút để truyền

dữ liệu cho các nút cần thiết thay vì truyền cho tất cả các nút trong mạng

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của hệ thống có thể điều khiển được để phù hợp với các trạng thái mạng hiện tại và các mức năng lượng khả dụng Một số giao thức định tuyến đã phát huy hiệu quả tiết kiệm tiêu thụ năng lượng như: LEACH, TEEN & APTEEN, MECN

& SVECN, PEGASIS thuộc định tuyến phân cấp; SPIN, CADR, CUGAR thuộc định tuyến ngang hàng

1.3 Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây

Xuất phát từ các đặc điểm và kiến trúc của hệ thống WSN đã phân tích trong các phần trên, ta có thể đưa ra các yêu cầu để xây dựng một mạng WSN tốt, tối ưu khi triển khai trong các ứng dụng

Các chỉ tiêu đó bao gồm: thời gian sống, độ bao phủ, chi phí, thời gian đáp ứng, độ chính xác, bảo mật, tốc độ lấy mẫu hiệu quả Thông thường, khi tăng hiệu quả của chỉ tiêu này lại làm giảm hiệu quả của chỉ tiêu khác, ví dụ khi tăng tốc độ lấy mẫu lại làm giảm thời gian sống, do đó tuỳ thuộc vào nhu

cầu mà có thể chọn chỉ tiêu nào là ưu tiên và phải chấp nhận không đạt chỉ tiêu nào

Dưới đây sẽ xét các yêu cầu trong hai khía cạnh: đối với toàn hệ thống WSN và đối với mỗi nút mạng cảm nhận để từ đó có thể lựa chọn vi mạch thích hợp cho từng loại ứng dụng của WSN

1.3.1 Các yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây

Thời gian sống

Một trong những hạn chế của WSN là thời gian sống mà yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp Mỗi nút mạng cần được thiết kế cơ chế quản lý năng lượng để tối đa hoá thời gian sống của mạng

Trong một số trường hợp có thể dùng nguồn năng lượng ngoài cho nút mạng cảm nhận Tuy nhiên, vì ưu điểm chính của mạng không dây là tính linh hoạt dễ triển khai, yêu cầu nguồn năng lượng ngoài cho tất cả các nút mạng lại mâu thuẫn với ưu điểm này Một giải pháp được đưa ra là cấp nguồn ngoài cho một nhóm các nút đặc biệt trong mạng, có thể lấy năng lượng từ môi trường thông qua thiết bị khác như năng lượng mặt trời, nguồn áp điện

Ngoài ra có thể kéo dài thời gian sống cho nút mạng bằng cách giảm năng lượng tiêu thụ khi truyền và nhận dữ liệu qua sóng vô tuyến Năng lượng tiêu thụ này có thể giảm được bằng cách giảm năng lượng truyền, tức là giảm chu trình làm việc của nút mạng cảm nhận

Độ bao phủ

Từ những đặc điểm mạng không dây vừa nghiên cứu ở trên, ta thấy nó

có thuận lợi là khả năng triển khai một mạng trên một vùng rộng lớn Kỹ

thuật truyền đa chặng (multi-hop) cho phép mở rộng độ bao phủ của mạng, về mặt lý thuyết chúng có khả năng mở rộng vô hạn, người dùng có thể triển khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút Tuy nhiên, khi khoảng cách truyền tăng, giao thức mạng multi-hop làm tăng năng lượng tiêu thụ của các nút do đó sẽ làm giảm thời gian sống của mạng Hơn nữa, mở rộng mạng cũng sẽ làm tăng chi phí triển khai

Khả năng triển khai

Ưu điểm lớn nhất của WSN là dễ triển khai Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN Mạng cảm nhận có khả năng tự cấu hình, các nút được đặt vào môi trường và có thể hoạt động ngay Trong thực tế, một phần năng lượng được dành cho kiểm tra và bảo trì hệ thống Việc tạo ra thông tin chẩn đoán và tái cấu hình sẽ làm giảm thời gian sống của mạng, đồng thời cũng làm giảm tốc độ lấy mẫu

Thời gian đáp ứng

Trong các ứng dụng cảnh báo hoặc điều khiển, thời gian đáp ứng hệ thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống Một thông báo cần được tạo ra ngay lập tức khi nút mạng cảm nhận được sự kiện Dù đang hoạt động ở mức năng lượng thấp, các nút cần phải có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanh càng tốt

Yếu tố thời gian đáp ứng nhanh lại xung đột với các kỹ thuật làm tăng thời gian sống của mạng bởi vì thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách

để các nút chỉ hoạt động ở chế độ truyền nhận radio trong thời gian ngắn Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ thống

Độ chính xác thời gian

Để đạt được độ chính xác theo thời gian, một mạng cần xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cục có thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu

và các sự kiện theo thời gian Trong một hệ phân tán, năng lượng cần được

mở rộng để duy trì và phân phối tín hiệu đồng hồ Thông tin đồng bộ thời gian cần liên tục được truyền giữa các nút Tần số các thông điệp đồng bộ phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác của đồng hồ thời gian

Tính bảo mật

Trong nhiều trường hợp, thông tin thu thập được qua WSN có ý nghĩa rất quan tịong và cần phải bảo mật Việc sử dụng mã hoá và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông, tuy nhiên một số ứng dụng vẫn đòi hỏi phải đảm bảo yêu cầu này, khi đó các yêu cầu cho mỗi nút mạng sẽ cao hơn so với các mạng không có bảo mật

1.3.2 Các yêu cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây

Sau đây là những chỉ tiêu để đánh giá một nút mạng Mục đích là qua các chỉ tiêu đánh giá đó sẽ tạo ra cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp và xây dựng hệ thống mạng hiệu quả

Năng lượng

Để đạt được yêu cầu duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm, các nút mạng cần phải tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp Việc tiêu thụ năng lượng thấp đạt được bằng cách sử dụng phần cứng tiêu tốn ít năng lượng, điều khiển chu trình hoạt động của nút mạng Các thuật toán và các giao thức cần được phát triển để giảm thời gian vi xử lý và mạch thu phát hoạt động, cố gắng đưa chúng về trạng thái nghỉ hoặc ngủ tiết kiệm năng lượng khi không tham gia truyền nhận Ở các chương sau của luận văn này sẽ nghiên cứu về

hướng tiết kiệm năng lượng cho nút mạng WSN bằng cách chuyển đổi các chế độ làm việc của chúng

Tính mềm dẻo

Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với các ngữ cảnh khác nhau Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng Thêm vào đó, vì lý

do chi phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng

cụ thể Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Vì vậy, những thiết bị này đòi hỏi một mức độ cao về tính modul của phần cứng

và phần mềm trong khi vẫn giữ được tính hiệu quả

Sức mạnh

Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải càng mạnh càng tốt Module hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng có thể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoàn chỉnh Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tương tác không mong đợi Để tăng sức mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có khả năng đối phó với nhiễu ngoài từ các mạng không dây khác Khả năng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo triển khai mạng thành công

Tính bảo mật

Các nút riêng lẻ cần có khả năng mã hoá và xác thực Truyền dữ liệu không dây có độ bảo mật rất thấp, cách bảo mật dữ liệu là mã hoá toàn bộ dữ liệu truyền, CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã

Truyền thông

Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kỳ WSN nào là tốc độ truyền, năng lượng tiêu thụ và khoảng cách Nếu các nút được đặt rất xa nhau, chúng không thể tạo được kết nối có độ tin cậy cao Tốc độ truyền cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng Tốc độ truyền cao làm cho khả năng lấy mẫu hiệu quả hơn và năng lượng tiêu thụ của mạng ít hơn do việc truyền mất ít thời gian hơn Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cũng thường làm tăng năng lượng tiêu thụ mạch radio trên nút đó Các yếu tố trở nên cân bằng, một tốc độ cao sẽ tăng hiệu suất hệ thống, tuy nhiên tăng tốc độ có ảnh hưởng lớn tới năng lượng tiêu thụ và yêu cầu tính toán của nút

Khả năng tính toán

Tính toán cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng

và quản lý các giao thức truyền thông không dây mức thấp Có những yêu cầu giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến Khi dữ liệu tới trên mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại - giải mã dữ liệu tới Tốc độ truyền cao hơn đòi hỏi tính toán nhanh hơn Điều tương tự cũng đúng đối với xử lý dữ liệu cảm biến Các cảm biến tương tự có thể phát ra hàng ngàn mẫu trong một giây Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao gồm lọc số, trung bình hoá, nhận biết ngưỡng, phân tích phổ,…

Kích thước và chi phí

Kích thước vật lý và giá thành của mỗi nút mạng có ảnh hưởng tới sự

dễ dàng và chi phí khi triển khai WSN Kích thước nhỏ làm nút mạng có thể đặt được trong nhiều vị trí khác nhau, sử dụng trong nhiều tình huống hơn; giá thành hạ sẽ cho phép triển khai mạng với số lượng nút mạng lớn và do đó thu thập được nhiều thông tin hơn

1.3.3 Kết luận

Qua phân tích các chỉ tiêu yêu cầu đối với toàn bộ hệ thống WSN nói chung và đối với mỗi nút mạng cụ thể nói riêng ta thấy có rất nhiều yếu tố quyết định một WSN tốt, tuy nhiên chỉ tiêu quan trọng nhất của WSN là năng lượng Năng lượng đã trở thành vấn đề cấp thiết và là yếu tố quyết định sự phát triển của WSN bởi nó chi phối mọi đặc tính của WSN, nếu không giải quyết tốt bài toán năng lượng thì những phẩm chất tốt của WSN cũng sẽ không được phát huy Chính vì vậy mà hiện nay phần lớn các chủ đề nghiên cứu về WSN đều hướng tới việc tiết kiệm năng lượng trong hoạt động của WSN, nội dung nghiên cứu của luận văn này cũng không nằm ngoài xu hướng chung đó Trong những phần sau của đề tài này, tác giả sẽ tập trung vào việc nghiên cứu tìm giải pháp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho một nút mạng WSN cụ thể, việc lựa chọn loại linh kiện làm nút mạng để nghiên cứu

sẽ dựa trên các yêu cầu cho WSN vừa phân tích ở trên

1.4 Mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển CC1010

1.4.1 Các lý do chọn vi điều khiển CC1010

Lựa chọn loại vi điều khiển để xây dựng nút mạng đáp ứng được các yêu cầu về nút mạng và chỉ tiêu của hệ thống mạng đã đưa ra trên đây là một vấn đề quan trọng Vì khi chọn được một vi điều khiển thích hợp sẽ làm cho quá trình xây dựng hệ thống dễ triển khai hơn, dễ phát triển chức năng hơn, mạng hoạt động ổn định trong khoảng thời gian dài hơn và có thể sử dụng trong các ứng dụng mới

Vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon (tham khảo tại trang web

www.chipcon.com hoặc www.ti.com) có chứa nhân CPU 8051, được tích hợp bộ thu phát sóng vô tuyến và các thành phần phụ khác và có mức tiêu thụ

năng lượng thấp CC1010 còn có các chế độ làm việc tiêu thụ ít năng lượng,

có thể lập trình điều khiển chế độ làm việc Do đó, CC1010 rất phù hợp để trở thành nút mạng cảm nhận không dây, đặc biệt trong các mạng đo các thông số môi trường Cụ thể hơn, ta sẽ xét các thành phần và những đặc điểm quan trọng nhất của vi điều khiển này [11]:

Phần lõi MCU:

- Vi xử lý 8051 có tốc độ bằng 2,5 lần vi xử lý 8051 tiêu chuẩn

- Có các chế độ tiết kiệm năng lượng (nghỉ và ngủ), có thể lập trình để

vi điều khiển hoạt động trong các chế độ này Đặc điểm này sẽ được khai thác trong đề tài này để thiết lập chế độ làm việc tiết kiệm năng lượng Nội dung cụ thể sẽ được trình bày chi tiết ở các chương sau

- 32 KB bộ nhớ Flash, 2048 + 128 byte bộ nhớ trong SRAM

- 3 kênh ADC 10 bit, 4 bộ định thời, 2 cổng UART, RTC, Watchdog, SPI, mã hoá DES, 26 chân vào ra chung

- Tích hợp bộ gỡ rối hỗ trợ môi trường phát triển Keil µVision2 IDE qua giao diện cổng nối tiếp

Bộ thu phát sóng vô tuyến:

- Tần số 300 – 1000 MHz

- Tiêu thụ dòng rất thấp (9.1 mA trong chế độ thu)

- Công suất phát có thể lập trình được (lên đến +10dBm)

- Tốc độ thu phát dữ liệu lên đến 76,8 kbps

- Độ nhạy cao (thông thường -107 dBm)

- Hỗ trợ các giao thức nhảy tần (frequency hopping protocol)

Hãng Chipcon còn đưa ra các thư viện để hỗ trợ làm việc với CC1010,

do đó việc viết chương trình cho CC1010 trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn [12]

Với những đặc điểm trên, ta có thể thấy khi được tích hợp thêm bộ cảm biến, vi điều khiển CC1010 sẽ có những phẩm chất tốt để trở thành một nút mạng, đáp ứng được các yêu cầu cho hệ thống mạng WSN đã nêu ở phần trên

Hiện nay, hãng Chipcon cung cấp Module CC1010EM (Evaluation Module) để phát triển thêm các ứng dụng của CC1010 Trên CC1010EM có tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho một nút mạng như: CC1010, các chân cổng, một cảm biến nhiệt độ đưa vào chân AD1, anten, dao động thạch anh Module CC1010EM nhỏ gọn và đáp ứng đầy đủ các chức năng của nút mạng

là chức năng mạng và chức năng cảm nhận Trong luận văn này, CC1010EM được lựa chọn làm nút mạng để đo thông số nhiệt độ môi trường và thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng lượng nhúng trên đó Trong chương hai

sẽ đề cập chi tiết hơn về giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút mạng WSN

sử dụng CC1010

1.4.2 Kiến trúc mạng cảm nhận đo nhiệt độ sử dụng CC1010

Phần này sẽ đề xuất xây dựng một mạng WSN thực tế thu thập thông tin về nhiệt độ, sử dụng vi điều khiển CC1010, module CC1010EM và bo mạch ghép nối CC1010EB Topology sử dụng cho mạng kết hợp cả topology dạng cây và dạng tuyến tính để truyền dữ liệu đi xa, với khoảng cách trên 1

km (hình 1.6) Các nút mạng CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô tuyến

300 – 1000MHz, có ba loại nút mạng: trạm gốc, nút mạng chuyển tiếp và nút mạng cảm nhận [4]

Hình 1.6 Mạng WSN có topology kết hợp dạng cây và dạng tuyến tính

Trạm gốc nhận dữ liệu và chuyển và máy tính để xử lý Trong mô hình xây dựng, module CC1010EB là bo mạch giúp kết nối CC1010 với các thiết

bị ngoại vi, trong trường hợp này là kết nối với máy tính, các module CC1010EM thu thập thông tin về nhiệt độ và truyền về cho trạm gốc qua các nút trung gian Một số vi điều khiển CC1010 được sử dụng làm nút trung gian

để chuyển tiếp dữ liệu về trạm gốc và không gắn đầu cảm biến Mô hình cụ thể về mạng này được trình bày trên hình 1.7

Việc xây dựng một mạng WSN không phức tạp, khó khăn chủ yếu vẫn

là vấn đề tối ưu hoá hoạt động tại mỗi nút mạng để giảm đến mức thấp nhất

sự tiêu thụ năng lượng Vi điều khiển CC1010 có thể lập trình được và có hỗ trợ các chế độ hoạt động ở mức năng lượng thấp, cụ thể là chế độ nghỉ và chế

độ tắt nguồn Những đặc điểm này sẽ được khai thác để viết các chương trình tiết kiệm năng lượng cho nút mạng WSN

Hình 1.7 Mô hình triển khai WSN theo dõi nhiệt độ sử dụng CC1010

1.5 Kết luận

Như vậy chương đầu tiên của luận văn này đã trình bày được các vấn

đề cơ bản về mạng cảm nhận không dây: các thành phần, đặc điểm, kiến trúc, các chỉ tiêu cần đáp ứng đối với một WSN Ngoài các phần lý thuyết chung, chương này còn hướng đến mô hình thực tế và đặt ra vấn đề trọng tâm cần nghiên cứu, vấn đề xuyên suốt trong toàn bộ luận văn này, là giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút mạng WSN

Mạng WSN được tạo thành từ một tập hợp các thiết bị có khả năng cảm biến, xử lý và phu phát tín hiệu qua sóng vô tuyến Các nút mạng hoạt động

mà không cần tác động của con người với một nguồn năng lượng chỉ được cung cấp trong lần đầu Trong các yếu tố ảnh hưởng đến WSN thì yếu tố năng lượng là quan trọng nhất, có ý nghĩa sống còn đối với WSN và việc nghiên

cứu tiết kiệm năng lượng là chủ đề được quan tâm nhiều nhất khi nghiên cứu

về WSN

Vi điều khiển CC1010 được chọn làm nút mạng WSN đo thông số môi trường do các phẩm chất nổi bật của nó Vấn đề đặt ra là làm thế nào để tối ưu hoá hoạt động của vi điều khiển nhằm tiết kiệm được nhiều năng lượng nhất cho nút mạng Vấn đề này sẽ dần được giải quyết trong các chương sau của luận văn này Trong chương hai, tác giả sẽ trình bày các phương pháp chung

để tiết kiệm năng lượng và các giải pháp tiết kiệm năng lượng cụ thể áp dụng cho nút mạng cảm nhận sử dụng vi điều khiển CC1010

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

Phần đầu của chương này sẽ tập trung vào phân tích sự tiêu thụ năng lượng tại nút mạng qua đó chỉ ra các yếu tố làm tiêu tốn năng lượng cho nút mạng Tiếp đến là khái quát các giao thức điều khiển truy cập môi trường đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lượng, từ những yêu cầu đó chọn phân tích một linh kiện tương ứng để thiết kế một WSN mà cụ thể loại linh kiện được chọn

ở đây là vi điều khiển CC1010 Một phần quan trọng của chương này là phân tích các chế độ hoạt động của vi điều khiển CC1010 và đưa ra các giải pháp nhằm tiết kiệm năng lượng cho nút mạng sử dụng CC1010

2.1 Mở đầu

Các công nghệ gần đây đột phá trong lĩnh vực siêu tích hợp và điện tử năng lượng thấp đã cho phép phát triển các loại sensor cực nhỏ hoạt động dựa trên nguồn năng lượng pin (0,5 ~ 1,5 Ah, 1,5 ~ 3,6 V) Các sensor trên được

sử dụng trong các ứng dụng triển khai không cần có mặt của con người với điều kiện môi trường khắc nghiệt, sự cung cấp thêm năng lượng cho pin của sensor là không thể thực hiện được, do đó sensor được khống chế tiêu thụ năng lượng và tuổi của nó phụ thuộc chủ yếu vào thời gian hoạt động của pin Ngoài chức năng cảm nhận, các sensor trong mạng còn thực hiện việc xử lý thông tin và truyền dữ liệu, gọi là nút mạng cảm nhận không dây

Các bộ phận tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong nút mạng cảm nhận không dây là bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ vi xử lý Có bốn trạng thái hoạt động chính của nút mạng, bao gồm: nghỉ (idle), nhận, truyền và ngủ (sleep), trong đó nút tiêu tốn năng lượng tối đa khi truyền và nhận dữ liệu Khi ở trạng thái ngủ, các nút mạng hầu như không tiêu tốn năng lượng, còn ở trạng thái

nghỉ, nút mạng tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể so với trạng thái nhận và truyền Ngoài ra, nút mạng khi tham gia vào hệ thống mạng sẽ tiêu tốn thêm nhiều năng lượng cho các hoạt động khác như điều khiển truy cập, xung đột với nút mạng khác, nhiễu từ hệ thống khác,…

Như vậy vấn đề đặt ra là làm sao cho nút mạng hoạt động ở chế độ tiết kiệm năng lượng nhất và cần có các cơ chế điều khiển truy cập môi trường tối

ưu để tránh mất mát năng lượng khi hoạt động trên mạng cùng các nút khác Điều này có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, có thể viết chương trình chuyển đổi chế độ làm việc riêng cho mỗi WSN cụ thể, cũng có thể phát triển các giao thức tiết kiệm năng lượng và áp dụng triển khai WSN thực tế

Đối với giải pháp sử dụng các giao thức tiết kiệm năng lượng, hầu hết các công trình nghiên cứu tập trung vào các giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC), theo đó MAC phải có cơ chế quản lý quá trình hoạt động thu phát vô tuyến một cách tối ưu, tránh được sự mất mát năng lượng một cách vô ích như xung đột trong mạng, truyền dư thừa, truyền lại do mất mát và cả do thời gian nút mạng ở chế độ tích cực quá lâu

Còn đối với giải pháp viết phần mềm cho nút mạng, tuỳ thuộc vào ứng dụng của WSN và loại vi điều khiển được sử dụng cho nút mạng mà có các chương trình khác nhau, thay đổi một cách linh hoạt

Trong chương này, tác giả sẽ đưa ra cả hai giải pháp: nghiên cứu, áp dụng giao thức điều khiển truy cập môi trường tiết kiệm năng lượng và sử dụng chương trình phần mềm tác động vào chế độ làm việc của nút mạng Tuy nhiên do hạn chế về thiết bị nên chỉ tác giả chỉ chọn thử nghiệm phương pháp tiết kiệm năng lượng cho nút bằng cách sử dụng phần mềm, cụ thể sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon để lập trình và thử nghiệm

Các phần sau đây sẽ diễn giải chi tiết các nội dung trên

2.2 Các hoạt động tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm nhận không dây

Phần này sẽ phân tích các chế độ năng lượng của mạch thu phát vô tuyến nói riêng và nút mạng nói chung cùng các nhân tố ảnh hưởng đến mức tiêu thụ năng lượng của nút trong hệ thống mạng WSN

Thông thường, thiết bị thu phát vô tuyến hoạt động ở bốn chế độ khác nhau: nghỉ, nhận, truyền và ngủ Trong chế độ tích cực (gồm truyền và nhận), mạch tiêu tốn năng lượng nhiều nhất Chế độ nghỉ tiêu thụ năng lượng ít hơn, tuy nhiên nếu nút mạng ở chế độ tắt nguồn thì việc tiết kiệm năng lượng sẽ là triệt để nhất Do vậy, điều mong muốn là hoàn toàn tắt nút mạng (chế độ ngủ) hơn là để nó trong chế độ tích cực hoặc nghỉ Tuy nhiên, việc bật, tắt liên tục mạch thu phát radio đôi khi có thể làm năng lượng tiêu thụ nhiều hơn là để nguyên nó trong chế độ nghỉ do mất năng lượng khởi động Thêm vào đó, khi kích thước gói tin truyền nhỏ, năng lượng chuyển đổi này trở nên lớn hơn năng lượng tiêu thụ để truyền và nhận gói tin [9]

Do vậy để có thể tiết kiệm năng lượng một cách hiệu quả cho nút mạng, cần áp dụng nhiều giải pháp khác nhau Ngoài nguyên tắc chuyển chế

độ làm việc cho mỗi nút mạng cụ thể, cần thiết phải tính toán khi thiết kế các giao thức MAC tiết kiệm năng lượng cho toàn bộ mạng WSN Phần sau của chương này sẽ phân tích một số giao thức MAC tiết kiệm năng lượng cho WSN Sau đây sẽ phân tích khái quát định tính và định lượng sự tiêu thụ năng lượng trong nút mạng WSN

Năng lượng tiêu thụ của mạch thu phát vô tuyến Eradio có thể tính đơn giản theo công thức sau:

E radio = [(c P tx ) + b] T [5]

trong đó: c là hệ số năng lượng truyền dẫn, b là hằng số offset năng lượng, Ptx

là năng lượng sử dụng trong truyền tín hiệu và T là thời gian truyền dẫn

Một công thức khác để tính năng lượng tiêu thụ chính xác hơn và phức tạp hơn:

E radio = [P tx (T tx + N tx T st ) +P out T tx ] + [P rx (T rx + N rx T st ] P idle T idle [6]

P idle là năng lượng nút mạng sử dụng trong chế độ nghỉ P idle có

giá trị nhỏ hơn đáng kể so với P tx

T tx/rx là thời gian trung bình mà bộ thu phát được sử dụng trong

mỗi giây T tx/rx phụ thuộc vào kích thước gói tin, tốc độ kênh truyền dữ liệu và số trung bình gói tin truyền nhận trong 1 giây

T idle là thời gian trung bình trong một giây một nút mạng ở chế độ nghỉ

T st là thời gian khởi động của transceiver

N tx/rx thể hiện số trung bình số lần trong 1 giây bộ thu phát được

bật lên (kích hoạt chế độ truyền nhận) N tx/rx chủ yếu phụ thuộc vào chế độ truyền nhận của ứng dụng và cơ chế điều khiển truy cập môi trường

Từ công thức tính năng lượng tiêu thụ cho mạch thu phát ở trên, ta thấy

để giảm năng lượng này, cần phải giảm các yếu tố T tx/rx , P tx/rx, có nghĩa là phải giảm càng nhiều càng tốt thời gian nút mạng hoạt động ở chế độ tích cực Tuy nhiên trong công thức tính toán trên vẫn còn hạn chế là chưa đưa ra cụ thể

cách tính và giá trị thường gặp của các tham số như P tx/rx, P idle Tác giả đã cố

gắng tìm kiếm các công thức định lượng cụ thể biễu diễn sự tiêu thụ năng

lượng cho nút mạng nhưng do tài liệu về WSN còn hạn chế nên chưa thực hiện được

Trong công thức trên, năng lượng tiêu thụ được tính trong trường hợp nút mạng chưa chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác khi tham gia vào mạng WSN Sau đây sẽ tổng hợp các nguyên nhân tiêu tốn năng lượng cho nút khi hoạt động trong WSN [9]:

- Nguyên nhân thứ nhất gây ra sự lãng phí năng lượng là khoảng thời gian mỗi nút mạng hoạt động ở chế độ truyền nhận quá lâu hoặc không hoạt động ở chế độ năng lượng thấp Mạch thu phát luôn luôn bật và nút mạng luôn mất năng lượng để duy trì mạch mặc dù nút chỉ thu hoặc phát tín hiệu trong những thời điểm nhất định

- Thứ hai là overhearing, nghĩa là nút mạng nhận gói tin mà đúng ra đích đến là nút khác

- Thứ ba là năng lượng bị tiêu tốn trong qúa trình gửi và nhận các gói tin điều khiển truy cập môi trường

- Thứ tư là xung đột trong việc truyền đồng thời nhiều gói tin làm khuếch đại tín hiệu nhiễu và do đó gây nên việc truyền lại gói tin

- Nguyên nhân thứ năm là nhiễu sóng vô tuyến từ các hệ thống khác làm các gói tin bị gián đoạn và cần truyền lại hoặc phải tăng công suất truyền để khắc phục nhiễu đó

- Cuối cùng, việc chuyển đổi liên tục các mode làm việc, đặc biệt là từ mode ngủ sang mode tích cực dẫn đến tiêu tốn năng lượng đáng kể Như vậy có thể thấy có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng của nút mạng cảm nhận Tuỳ vào mỗi ứng dụng cụ thể và từng

loại nút mạng cụ thể mà có các phương thức hạn chế các yếu tố làm tổn thất năng lượng khác nhau

Tuy nhiên yếu tố quan trọng nhất cần khai thác để đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng là làm giảm khoảng thời gian nút mạng hoạt động trong chế độ tích cực Đây là đánh giá không chỉ dựa trên quan điểm chủ quan của tác giả mà còn dựa trên phân tích trong nhiều đề tài nghiên cứu mà tác giả tham khảo Các phần sau của luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu theo hướng đó với mục tiêu là viết được chương trình tiết kiệm năng lượng cho nút mạng cụ thể Tuy nhiên, để có cái nhìn toàn diện, nhiều chiều về vấn đề tiết kiệm năng lượng trong WSN thì ngoài lập trình cho một nút mạng cụ thể, việc phân tích các giao thức tiết kiệm năng lượng sử dụng cho WSN là hết sức cần thiết

2.2 Các giao thức MAC tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm nhận không dây

2.2.1 Mô hình giao thức MAC hiện tại trong mạng không dây

MAC bao gồm hai vấn đề chính: cách chia sẻ nguồn tài nguyên và cơ chế xử lý đa truy cập Nguyên lý hoạt động của MAC rất phổ biến trong mạng không dây, hầu hết nguyên lý đáng chú ý của MAC là đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), một số khác là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) và đa truy cập mã hoá (CDMA) Trong phần này, chúng ta phân tích

ưu nhược điểm trên các khía cạnh năng lực và mức tiêu thụ năng lượng của các nguyên lý MAC này [9]

Đa truy cập phân chia theo thời gian - TDMA

Trong mô hình TDMA, thời gian được chia thành các khe và mỗi nút mạng được phân chia, thông thường nhờ bộ điều khiển trung tâm hoặc trạm gốc, để truyền và nhận trên một (hoặc một số) khe nhất định Trong khe thời gian dành cho nút mạng đó, toàn bộ băng thông của kênh truyền được dành cho việc truyền dữ liệu của nút Do thời gian truyền tỷ lệ nghịch với băng thông nên thời gian truyền Ttx trong chế độ tiêu thụ năng năng lượng thu phát radio sẽ được giảm mức thấp nhất

Thêm vào đó, các nút mạng học được vị trí khe thời gian dành cho nó trong khi truyền dữ liệu cho phép nút mạng chuyển sang trạng thái ngủ trong khoảng thời gian khe thời gian dành cho nó chưa được kích hoạt Do đó, có thể tránh được năng lượng mất mát do overhearing

Tuy nhiên, nguyên lý TDMA yêu cầu duy trì đồng bộ đồng hồ trong toàn bộ mạng để tránh xung đột Do đó, trạm BTS thông thường gửi quảng bá gói tin đồng bộ định kỳ Mỗi nút mạng có thể không nhận được gói tin đồng

bộ và do đó nó được active trong khoảng thời gian truyền của nó Giả sử Tguard

là khoảng thời gian nhỏ nhất giữa hai khe liên tiếp và δ là độ lệch thời gian lớn nhất có thể có giữa đồng hồ của hai nút mạng, các nút mạng phải đồng bộ

ít nhất một lần trong mỗi khoảng thời gian Tguard/δ để tránh xung đột gói tin Nói cách khác, các nút mạng phải được active ít nhất δ/Tguard lần mỗi giây để đồng bộ lại Dựa trên chế độ tiêu thụ năng lượng, số lần một nút mạng được active lại để nhận gói tin phải được giảm để mức tiêu thụ năng lượng là nhỏ nhất và do đó Tguard phải là lớn nhất Tuy nhiên, khi Tguard tăng thì băng thông giảm và tăng độ trễ truyền tín hiệu

Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA

Nguyên lý FDMA ra đời nhằm khắc phục độ trễ trong nguyên lý TDMA bằng cách cho phép nhiều nút mạng có thể giao tiếp đồng thời Tổng

băng thông được chia thành nhiều kênh mỗi kênh được gán với một nút mạng Xung đột được giảm thiểu do các nút không phải tranh chấp trên cùng một kênh Tuy nhiên, trong FDMA, mỗi nút chỉ được dành lượng băng thông nhỏ hơn so với TDMA và do đó thời gian Ttx lớn hơn, đồng nghĩa với tiêu thụ năng lượng nhiều hơn Mặt khác, do không cần cơ chế đồng bộ nên N

rx trở nên nhỏ hơn do đó năng lượng được tiết kiệm đáng kể Phương pháp kết hợp giữa TDMA và FDMA có thể được sử dụng để phát huy ưu điểm của hai phương pháp và khắc phục nhược điểm của mỗi phương pháp

Đa truy cập mã hoá CDMA

Trong CDMA, mỗi nút được gán một mã tuần tự duy nhất cho quá trình truyền dẫn Một nút trải dữ liệu của nó lên đường truyền sử dụng mã của nó Tại đầu nhận dữ liệu, nhiệm vụ là gom lại các bit và sắp xếp lại dữ liệu bằng giải mã Mặc dù CDMA cho phép truyền đến mức tối đa băng thông của kênh truyền tại cùng một thời điểm, nhưng một cơ chế mã hoá đặc biệt thu hẹp băng thông dành cho truyền dữ liệu của các nút Do đó, như trong FDMA, T

tx

được tăng lên Thêm vào sự phức tạp của mạch điện đầu thu trong phương pháp này, mỗi nút phải biết một chuỗi mã của đầu phát Trong mạng đa chặng multi-hop, mỗi nút chuyển tiếp dữ liệu và do đó nó cần nhiều bộ nhớ hơn để lập bảng các mã về các nút khác

nút cần gửi gói tin, nó truyền gói trên toàn bộ băng thông Không có sự ưu tiên cho nút hoặc sự đồng bộ đồng hồ trong cơ chế truyền tin CSMA Khi sử dụng CSMA, các nút buộc phải thức lâu hơn và do đó làm tăng mức tiêu thụ năng lượng Tăng xung đột giữa các nút làm thời gian trễ truyền tin không thể

dự đoán được và có thể dẫn đến tỷ lệ mất gói tin cao

2.2.2 Mục tiêu xây dựng giao thức MAC tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây

Dưới đây sẽ nêu vắn tắt mục tiêu thiết kế cho giao thức MAC của WSN, một số trong những mục tiêu này có thể mâu thuẫn nhau và do đó cần đến sự lựa chọn tuỳ theo ứng dụng của mạng [9]

Sử dụng năng lượng hiệu quả

Truy cập môi trường là một nguyên nhân tiêu tốn năng lượng của nút mạng, đặc biệt là với truyền dẫn khoảng cách xa và khi đầu thu phát radio luôn luôn bật Năng lượng đầu ra của bộ phát radio tỷ lệ trực tiếp với độ bao phủ và bị tăng lên đáng kể trong môi trường có nhiều ồn Định tuyến tiết kiệm năng lượng thông thường thực hiện theo các tuyến nhiều chặng nhằm mục đích tối ưu năng lượng truyền dẫn

Mặt khác, giao thức tiết kiệm năng lượng MAC có thể tiết kiệm năng lượng truyền dẫn bằng cách giới hạn sử dụng các bản tin điều khiển, sử dụng hết các dải tần có sẵn để giảm ngắn thời gian truyền, chuyển mạch vô tuyến vào chế độ năng lượng thấp khi kết thúc truyền nhưng đồng thời tránh chuyển đổi quá nhiều giữa các trạng thái tích cực và năng lượng thấp

Khả năng mở rộng

Có thể thấy rằng hầu hết các ứng dụng của WSN tự cấu hình đều đòi hỏi số lượng lớn các nút mạng Do đó, khả năng mở rộng, nâng cấp mạng mà