Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin bluetooth trong thiết kế mạng cảm biến không dây

Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin Bluetooth trong thiết kế mạng cảm biến không dây” với mục tiêu thiết kế, chế tạo một mô hình mạng cảm biến không dây sử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TIN BLUETOOTH TRONG THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN

KHÔNG DÂY

NGÀNH : ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

LÊ MINH THÙY

Người hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN QUỐC CƯỜNG

Hà Nội 2008

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài luận văn của em là "Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin

Bluetooth trong thiết kế mạng cảm biến không dây" Luận văn bao gồm các

vấn đề chính sau :

• Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây và các ứng dụng

• Nghiên cứu về công nghệ Bluetooth

• Nghiên cứu module Bluetooth ARF32 sử dụng vi mạch LMX9820A của hãng National Semiconductor

• Thiết kế, chế tạo mạng cảm biến không dây (thiết kế kiến trúc mạng, chế tạo nút cảm biến, bộ chuyển tiếp, nút điều khiển) Ứng dụng trong mạng cảm biến nhiệt độ không dây với đầu đo nhiệt độ là DS18B20, vi điều khiển ATMega32, Real-time clock DS1307, thẻ nhớ MMC

• Thiết kế gói phần mềm trên máy tính: quan sát, điều khiển và giao tiếp với mạng cảm biến không dây

Em xin cam đoan luận văn này do chính em làm dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Quốc Cường

Hà Nội ngày tháng năm 2008 Học viên

Lê Minh Thuỳ

MỤC LỤC

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

Chương I Mạng cảm biến không dây 6

I.1 Mạng cảm biến không dây và các đặc trưng cơ bản 6

I.1.1 Mạng cảm biến không dây là gì? 7

I.1.2 Các đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây 8

I.1.3 Những yêu cầu đối với một mạng cảm biến không dây 12

I.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây 13

I.2.1 Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến 13

I.2.2 Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây 17

I.2.2.1 Việc tiêu thụ năng lượng ở các trạng thái hoạt động

khác nhau 18

I.2.2.2 Việc tiêu thụ năng lượng của khối điều khiển 20

I.2.2.3 Việc tiêu thụ năng lượng của bộ nhớ 22

I.2.2.4 Việc tiêu thụ năng lượng của bộ truyền nhận sóng

vô tuyến 22

I.2.2.5 Việc tiêu thụ năng lượng của các cảm biến 26

I.2.3 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây 26

I.2.3.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop) 27

I.2.3.2 Kiến trúc đa bước (Multi-hop) 28

I.2.3.3 Kiến trúc mạng hỗn hợp 29

I.3 Một số dịch vụ và giao thức truyền thông sử dụng trong mạng cảm biến không dây 30

I.3.1 Lớp vật lý (Physical layer) 30

I.3.2 Giao thức MAC (MAC protocol) 30

I.3.3 Vấn đề đồng bộ thời gian 33

I.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây 34

I.4.1 Ứng dụng trong quân sự 34

I.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng 35

I.5 Các công nghệ không dây trong mạng cảm biến không dây 37

I.5.1 Công nghệ Zigbee 37

I.5.2 Công nghệ UWB 39

I.5.3 Công nghệ Bluetooth 40

Chương II Tổng quan về công nghệ Bluetooth 41

II.1 Giới thiệu về công nghệ Bluetooth 41

II.1.1 Các đặc trưng cơ bản của công nghệ Bluetooth 44

II.1.2 Cấu trúc một hệ thống Bluetooth 46

II.1.3 Kỹ thuật nhảy tần trong công nghệ Bluetooth 47

II.2 Mô hình các tầng giao thức trong công nghệ Bluetooth 50

II.2.1 Bluetooth radio 51

II.2.2 BaseBand 52

II.2.3 Link Manager Protocol 54

II.2.4 Logical link control and adaption protocol (L2CAP) 54

II.2.5 Service Discovery Protocol 55

II.2.6 RFCOMM Protocol 58

II.2.7 Host Controller Interface 59

II.3 Các chế độ hoạt động của thiết bị Bluetooth 60

II.3.1 Standby 61

II.3.2 Active mode 61

II.3.3 Sniff mode 62

II.3.4 Hold mode 62

II.3.5 Park mode 62

II.4 Các kiểu địa chỉ của thiết bị Bluetooth 64

II.5 Các kiến trúc mạng của Bluetooth 65

II.5.1 Mạng piconet 65

II.5.2 Mạng Scatternet 67

II.5.3 Vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth 70

PHẦN II THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH 73

Chương III Thiết kế mạng cảm biến nhiệt độ không dây sử dụng công nghệ Bluetooth 73

III.1 Tổng quan hệ thống 74

III.2 Thiết lập mạng cảm biến 75

III.2.1 Thiết lập cấu hình mạng 77

III.2.2 Định tuyến thông tin 79

III.2.3 Quản lý năng lượng 81

Chương IV Chế tạo và thử nghiệm mạng cảm biến nhiệt độ 84

IV.1 Thiết kế phần cứng 84

IV.1.1 Nút cảm biến 84

IV.1.2 Nút chuyển tiếp 86

IV.1.3 Nút điều khiển 87

IV.2 Mô hình mạng thử nghiệm 88

IV.3 Kết quả thử nghiệm 90

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình I.1 Mô hình một mạng cảm biến không dây 8

Hình I.2 Liên kết giữa các WSNs thông qua mạng Internet 10

Hình I.3 Kiến trúc một WSN có các nút cảm biến ở hai chế độ hoạt động 11

Hình I.4 Cấu trúc của một nút cảm biến 14

Hình I.5 Cấu trúc chung của bộ truyền-nhận (transceiver) 16

Hình I.6 Quá trình chuyển trạng thái hoạt động của nút cảm biến 19

Hình I.7 mối liên quan giữa năng lượng tiêu thụ với điện áp hoạt động và xung nhịp clock của Intel StrongARM SA-1100 22

Hình I.8 Cấu trúc một khối truyền-nhận sóng vô tuyến 23

Hình I.9 Các liên kết trong mạng cảm biến đơn bước 27

Hình I.10 Một liên kết trong mạng cảm biến đa bước (Multi-hop) 28

Hình I.11 Mạng sử dụng nhiều thiết bị nguồn (Source) và nhiều thiết bị

đích (Sink) 29

Hình I.12 Hệ thống xác định vị trí của địch để bắn 35

Hình I.13 Hệ thống xác định vị trí và quĩ đạo di chuyển của voi 36

Hình I.14 Hệ thống cảnh báo và phát hiện cháy rừng 37

Hình II.1 Cấu trúc phần cứng của một hệ thống Bluetooth 46

Hình II.2 Các packets trên các kênh tần số và các khe thời gian khác nhau 48

Hình II.3 Ví dụ về việc truyền tin giữa 1 Master và 2 Slaves 49

Hình II.4 Mô hình phân lớp của chuẩn Bluetooth 51

Hình II.5 Ví dụ minh hoạ việc sử dụng các kiểu liên kết ACL và SCO 53

Hình II.6 Định dạng một gói dữ liệu được qui định và thực hiện ở

lớp Baseband 53

Hình II.7 : Mô tả một giao tiếp tìm kiếm dịch vụ giữa chủ và tớ 55

Hình II.8 : Các thành phần của Bản ghi các dịch vụ-Service Record 56

Hình II.9 : Các thành phần của Service Attribute 56

Hình II.10 Các quá trình để tiến đến trạng thái kết nối (connection) 60

Hình II.11: Cấu trúc của một gói dữ liệu (packet) trong chuẩn Bluetooth 63

Hình II.12: Mô hình mạng piconet 65

Hình II.13 Mô hình mạng Scatternet 67

Hình II.14 : Slave trong piconet này làm Slave của Piconet kia 69

Hình II.15 : Slave trong Piconet này trở thành Master trong Piconet kia 69

Hình III.1 Mô hình mạng cảm biến 74

Hình III.2 Cấu hình mạng cảm biến không dây 75

Hình III.3 Ví dụ minh họa bảng địa chỉ của nút 3.2.2.1 trong mạng 77

Hình III.4 Lưu đồ thiết lập cấu hình mạng 78

Hình III.5 Lưu đồ truyền gói tin trong mạng 80

Hình III.6 Lưu đồ hoạt động của nút chuyển tiếp và nút cảm biến 81

Hình IV.1 Sơ đồ khối của nút cảm biến 84

Hình IV.2 Sơ đồ nguyên lý của nút cảm biến 86

Hình IV.3 Sơ đồ nguyên lý của nút chuyển tiếp 87

Hình IV.4 Sơ đồ nguyên lý của nút điều khiển 88

Hình IV.5 Mô hình mạng thử nghiệm 89

Hình IV.6 Giao diện của bộ thu thập trung tâm sử dụng công nghệ Bluetooth trên máy tính PC 90

Hình IV.7 Ảnh chụp thực tế một nút cảm biến 90

Hình IV.8 Ảnh chụp thực tế một nút chuyển tiếp 91

Hình IV.9 Ảnh chụp thực tế một nút điều khiển 92

MỞ ĐẦU

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài

Với sự phát triển của không ngừng của công nghiệp vi mạch số, truyền tin không dây và công nghệ MEMS (Micro-ElectroMechanical System), hiện nay trên thế giới bắt đầu phát triển ứng dụng mạng cảm biến không dây (Wireless sensors Networks) Với công nghệ này việc kết nối các thiết bị điện tử trở lên đơn giản và linh hoạt Do không bị bó buộc bởi vấn đề đi dây dẫn, hệ thống các sensor không dây cho phép người sử dụng dễ dàng thay đổi sơ đồ bố trí cảm biến sao cho phù hợp với yêu cầu tại từng thời điểm khác nhau cũng như trong khâu sửa chữa, bảo trì

Một trong những công nghệ được sử dụng hiện nay trên thế trong mạng cảm biến không dây đó là sử dụng công nghệ Bluetooth Đây là công nghệ do hãng Ericsson phát triển vào năm 1994 và sau đó được rất nhiều hãng hỗ trợ vào năm 1998 để trở thành chuẩn Bluetooth (bao gồm Ericsson, IBM, Intel, Nokia, và Toshiba) Ban đầu công nghệ Bluetooth được ứng dụng trong các thiết bị đa phương tiện như máy tính, điện thoại di động, headphone, speaker, Tuy nhiên hiện nay công nghệ này đã bắt đầu được tích hợp vào trong các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm để lắp đặt trong các phương tiện giao thông, tại những nơi mà việc đi dây dẫn là rất khó khăn Hoặc trong các thiết

bị đo và điều khiển các hệ thống điện, điều hòa không khí, đóng mở cửa sổ tự động khi trời mưa trong mô hình nhà thông minh (smart home) [1]

Trong nước đã có một số nghiên cứu sử dụng công nghệ Bluetooth Tuy nhiên các ứng dụng này chủ yếu là tìm hiểu công nghệ lập trình cho các thiết bị di động có sử dụng truyền tin Bluetooth, ví dụ như đề tài “Lập trình ứng dụng công nghệ Bluetooth trên nền J2ME” của tác giả Phan Võ Minh Duy tại Phân viện công nghệ thông tin tại thành phố Hồ Chí Minh

Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự tiến bộ không ngừng của khoa học kỹ thuật, trong lĩnh vực đo lường đã và đang xuất hiện nhiều thế hệ công nghệ mới Việc áp dụng các công nghệ truyền tin không dây vào các hệ thống đo cảm biến phân tán là một trong các hướng phát triển mới khi xây dựng các hệ thống đo lường thông minh Với công nghệ không dây, việc lắp đặt các thiết bị đo trở nên đơn giản, việc sửa chữa cũng thuận lợi hơn Đặc biệt trong một số ứng dụng giải pháp

sử dụng truyền tin không dây từ đầu đo về bộ điều khiển trung tâm là lựa chọn tối ưu nhất, khi mà việc nối dây trở nên quá khó khăn, phức tạp [1] [3] [9]: ví dụ trong các xe ô tô chở thực phẩm đông lạnh, thì việc nối dây từ các thiết bị đo nhiệt độ không khí bên trong ngăn lạnh về bộ điều khiển trung tâm rất khó khăn Hay tại các bệnh viện, việc theo dõi tình hình sức khỏe của các bệnh nhân trong khi họ vẫn có thể di chuyển là vấn đề hết sức khó khăn nếu

sử dụng các thiết bị theo dõi có dây truyền thông tin thông thường Trong ngành chế tạo công nghiệp robot, việc nối dây các cảm biến đo tại các bộ phận về bộ xử lý trung tâm sẽ trở nên phức tạp nếu số lượng cảm biến tăng Các công nghệ không dây thông dụng hiện nay chủ yếu là công nghệ truyền tin hồng ngoại (IrDA), công nghệ RFID (Radio Frequency Identification), công nghệ Bluetooth, công nghệ Zigbee (IEEE 802.15.4), công nghệ Wi-Fi (IEEE 802.11) hay công nghệ UWB (Ultra-Wideband) Trong các ứng dụng khi khoảng cách truyền tin ngắn và yêu cầu tốc độ truyền tin không cao thì công nghệ Bluetooth là một lựa chọn thích hợp, nó cũng được sử dụng và phát triển trong các hệ thống mạng cảm biến không dây Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này trong các hệ thống đo lường là hướng nghiên cứu ứng dụng có nhiều triển vọng Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin Bluetooth trong thiết kế mạng cảm biến không dây” với mục tiêu thiết kế, chế tạo một mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng

công nghệ Bluetooth có thể ứng dụng trong việc đo và thu thập các đại lượng

đo lường, sản phẩm cụ thể của luận văn là mạng cảm biến nhiệt độ không dây

Luận văn bao gồm hai phần chính:

Phần I: là toàn bộ các nghiên cứu lý thuyết để ứng dụng cho mục tiêu thiết kế

của đề tài Phần I được gói gọn trong 2 chương

- Chương I: Mạng cảm biến không dây trình bày một cách chi tiết về các

kiến trúc mạng, cấu tạo phần cứng và các dịch vụ sử dụng trong mạng cảm biến không dây cũng như những ứng dụng của mạng cảm biến không dây

- Chương II: Tổng quan về công nghệ Bluetooth trình bày về cấu trúc của

một hệ thống Bluetooth, các giao thức của chuẩn Bluetooth và các chế độ hoạt động, chế độ bảo mật của thiết bị sử dụng công nghệ truyền tin không dây Bluetooth

Phần II: Thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Bluetooth

Phần II bao gồm hai chương

- Chương III: Thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ

Blueooth trình bày chi tiết thiết kế một mạng cảm biến không dây: kiến trúc,

mô hình, giao thức của mạng cảm biến không dây và quá trình định tuyến thông tin trong mạng

- Chương IV: Chế tạo và thử nghiệm mạng cảm biến nhiệt độ trên cơ sở mô

hình mạng đã được xây dựng từ chương III, chương IV tiến hành việc thiết kế phần cứng mạng và lập trình cho các thiết bị tuân theo giao thức đã xây dựng: thiết kế các nút cảm biến, nút chuyển tiếp, nút điều khiển, gói phần mềm trên máy tính quan sát, điều khiển và giao tiếp với mạng Chạy thử nghiệm hệ thống và đánh giá độ tin cậy của hệ thống, thời gian truyền thông tin, tỉ lệ sai lệch thông tin khi truyền trong mạng, sai số của thiết bị trong hệ thống Từ đó đưa ra các hướng giải quyết cho những vấn đề còn tồn tại

PHẦN I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương I Mạng cảm biến không dây

Chương I trình bày những lý thuyết cơ bản về cấu trúc của mạng cảm biến không dây: cấu trúc phần cứng, kiến trúc mạng, các dịch vụ, giao thức được

sử dụng trong mạng cảm biến không dây và những ứng dụng của mạng cảm biến không dây Để có thể thiết kế một mạng cảm biến không dây ứng dụng cho một nhiệm vụ cụ thể trong thực tế, người thiết kế cần phải có những hiểu biết cơ bản về mạng cảm biến không dây, những yêu cầu thiết kế mạng và những vấn đề cần lưu ý khi thiết kế Toàn bộ phần cơ sở lý thuyết về mạng cảm biến không dây nhằm mục tiêu trình bày hai vấn đề lớn hỗ trợ cho người thiết kế trong quá trình thiết kế các mạng cảm biến không dây: Những đặc điểm nào của mạng cảm biến không dây là nguyên nhân khiến cho việc thực hiện các ứng dụng trở nên khó khăn hơn cũng như khác biệt hơn so với mạng cảm biến thông thường? Vấn đề hạn chế năng lượng sử dụng cũng là vấn đề được đặt ra Những dịch vụ nào cần phải sử dụng cho một mạng cảm biến không dây, nhằm đảm bảo cho mạng luôn hoạt động đạt được những yêu cầu đặt ra khi thiết kế?

I.1 Mạng cảm biến không dây và các đặc trưng cơ bản

Mạng cảm biến không dây WSN (Wireless sensor network), viết tắt là WSN đang được ứng dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống đo lường, giám sát

và định vị Đặc biệt là trong những môi trường làm việc độc hại hoặc có địa hình phức tạp dễ gây nguy hiểm đối với con người thì mạng cảm biến không dây luôn là một trong những giải pháp đem lại hiệu quả cao hay được sử dụng đến Tính kinh tế, kích thước nhỏ gọn của các thiết bị trong mạng và khả năng tiêu thụ năng lượng thấp cùng với các đặc tính kỹ thuật của mạng là những ưu

điểm nổi bật thích hợp cho nhiều ứng dụng trong thực tế Trong chương này,

em xin trình bày một cách ngắn gọn về kiến trúc và các đặc trưng cơ bản của một mạng cảm biến không dây Phần kiến thức cơ bản này cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về mạng cảm biến không dây để từ đó có thể tiến hành triển khai, thiết kế một ứng dụng sử dụng mạng cảm biến không dây trong thực tế

I.1.1 Mạng cảm biến không dây là gì?

Mạng cảm biến không dây WSN-(wireless sensor network) là mạng bao gồm các thiết bị cảm biến không dây kết nối với nhau bằng tín hiệu sóng vô tuyến Mạng cảm biến không dây không có hạ tầng mạng, kiến trúc mạng có thể tự thay đổi, tự cấu hình lại, thông tin có thể được chuyển tiếp giữa các thiết bị trong mạng tới một thiết bị đóng vai trò là trạm thu phát gốc-Base station hay còn gọi là nút gốc

Trong WSN, các nút cảm biến không dây có thể hoạt động với vai trò là các Slaves trong mạng hoặc hoạt động một cách độc lập trong mạng Các nút cảm biến không dây này làm nhiệm vụ đo và phát hiện sự kiện để truyền về nút gốc Tất cả các nút cảm biến không dây đều có khả năng tự xử lý và tự cấu hình Riêng nút cảm biến không dây đóng vai trò là nút gốc trong mạng có bộ nhớ lớn hơn, làm nhiệm vụ thu nhận toàn bộ thông tin của các nút cảm biến trong mạng gửi về, có khả năng kết nối tới trạm chủ thông qua Internet, Wifi hoặc các chuẩn truyền thông khác Nó còn được gọi là Geteway sensor node, hay Master, hoặc nút gốc (Control node) (xem hình I.1)

Các nút cảm biến không dây có chức năng đo lường các thông số của môi trường hay phát hiện các sự kiện xảy ra như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, nồng độ khí,…sau đó truyền dữ liệu đo được tới nút gốc thu thập dữ

liệu đo thông qua một kênh truyền không dây Quy luật truyền thông tin tuân theo một giao thức hoặc kiến trúc mạng cụ thể đã được thiết lập trước

Hình I.1 Mô hình một mạng cảm biến không dây [ 11 ]

Khi WSN mới ra đời, WSN thường được sử dụng trong các ứng dụng quân sự như: hệ thống phát hiện mìn, chất độc, sự dịch chuyển và vị trí của địch, định

vị, theo dõi sự di chuyển của thiết bị, quân đội,… Ngày nay, WSN còn có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác: đo và giám sát các thông số của môi trường, phát hiện ô nhiễm, chất thải, điều khiển tự động các thiết bị, robot, theo dõi bệnh nhân trong y tế [7] [11] Kiến trúc mạng linh động, có thể tự thay đổi và thiết lập lại cấu hình mạng, tiêu thụ nguồn năng lượng thấp, giá thành rẻ là những ưu điểm nổi bật khiến WSN có nhiều ứng dụng trong thực

tế Hầu hết mỗi ứng dụng đều yêu cầu những chất lượng dịch vụ riêng, và các yêu cầu ấy phải được thêm vào bởi người thiết kế

I.1.2 Các đặc trưng cơ bản của mạng cảm biến không dây [7]

1 Mỗi nút cảm biến (sensor node) trong mạng cảm biến không dây hoạt động

một cách độc lập, trao đổi thông tin với nhau và truyền về nút cảm biến gốc trong mạng bằng tín hiệu sóng vô tuyến Thông thường thì các nút cảm biến trong mạng không dây sử dụng nguồn năng lượng không tự hồi phục lại được (như pin litium, ắc qui, pin năng lượng mặt trời) do vị trí đặt nút cảm biến xa các nguồn điện lưới Các nút cảm biến không dây sử dụng bộ truyền nhận vô

tuyến ở dải tần cỡ MHz-GHz để truyền và nhận thông tin như: Zigbee, Bluetooth, UWB (Ultra-wide band), RFID (Radio-frequency indentification) Mỗi loại tín hiệu vô tuyến tuân theo các chuẩn khác nhau, do đó mạng cảm biến không dây tương ứng cũng có những đặc điểm riêng (về khoảng cách truyền, năng lượng tiêu thụ, số thiết bị tối đa trong mạng, kiến trúc mạng, giá thành, độ tin cậy…) Việc nút cảm biến lựa chọn bộ truyền nhận theo chuẩn truyền không dây nào tuỳ thuộc vào từng ứng dụng và mục đích thiết kế mạng

cụ thể

2 Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai và phân bố một cách

dày đặc trong khu vực mà chúng ta quan tâm Sự phân bố dày đặc này không những không gây ra nhiễu (do tương tác của các sóng vô tuyến gần nhau) mà còn có tác dụng tăng độ tin cậy của thông tin đo, giúp các nút cảm biến trong mạng có thể thiết lập đường truyền trao đổi thông tin với nhau một cách ngắn nhất, nhờ đó tăng thời gian và độ chính xác cho thông tin truyền về nút cảm biến chủ

3 Việc phân bố dày đặc một số lượng lớn các nút cảm biến không dây trong

cùng một khu vực giúp tăng khả năng tránh lỗi ở mức cao hơn Khi các nút cảm biến đặt ở ngay gần sát nhau, sẽ cùng có cảm nhận về các sự kiện xảy ra tại khu vực quan sát mà không hề bị ảnh hưởng lẫn nhau Nếu vì lý do nào đó, một trong số các nút cảm biến gặp sự cố, bị hư hỏng hoặc đo không chính xác thì căn cứ vào thông tin nhận được của các nút cảm biến lân cận, trạm chủ vẫn thu được các thông tin chính xác để đưa ra các nhận xét và phán đoán hợp lý, ngoài ra còn có thể phát hiện được nút cảm biến hư hỏng trong mạng để thay thế, sửa chữa

4 Mạng cảm biến không dây cho phép chúng ta có thể quan sát, đo đạc thông

số trong một khu vực lớn bằng cách kết hợp lại từ các khu vực nhỏ (hình I.2

là ví dụ đơn giản ghép 2 WSN lại với nhau [6]) Chú ý rằng việc liên kết các

WSNs với nhau có thể sử dụng các mô hình mạng và công nghệ truyền khác nhau điều này tuỳ thuộc vào ứng dụng và đặc trưng của khu vực mà chúng ta cần quan sát

Hình I.2 Liên kết giữa các WSNs thông qua mạng Internet

5 Mạng cảm biến không dây có thể giám sát, thu thập được cả ở những khu

vực có địa hình khó khăn hay thậm chí là ở những khu vực nhiều đồi núi, đường hầm, có nhiều lỗ, các vật chắn

6 Mạng cảm biến không dây có thể thay đổi kiến trúc (topology) mạng

thường xuyên Đặc tính này giúp cho mạng dễ dàng khắc phục các sự cố như: lỗi phần cứng, hết pin của các nút cảm biến, sự giao thoa của các sóng radio với nhau trong không gian gây ra gián đoạn sóng, các nhân tố môi trường hay việc thêm vào, bớt ra các nút cảm biến trong mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động Trên thực tế, việc một hệ thống có thể tự tránh lỗi, tự cấu hình lại

hệ thống, tự cấu hình lại kiến trúc mạng giống như mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển và tỏ ra có ưu thế trong nhiều ứng dụng, nó giúp cho các ứng dụng mềm dẻo hơn

7 Do mục tiêu tiêu thụ nguồn năng lượng thấp nên các nút cảm biến trong

WSN được thiết kế có 2 chế độ hoạt động: chế độ tích cực (tiêu thụ năng lượng lớn nhất) và chế độ nghỉ (tiết kiệm năng lượng) Thông thường các nút cảm biến đều hoạt động ở chế độ nghỉ, chỉ khi nào có sự kiện xảy ra (sự kiện

xảy ra có thể là sự thay đổi thông số của môi trường tác động trực tiếp hoặc lệnh yêu cầu hoạt động), nút cảm biến mới chuyển sang trạng thái hoạt động tích cực Khi đã thực hiện xong nhiệm vụ yêu cầu, nút cảm biến lại chuyển về trạng thái nghỉ Điều này giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng vì ở trạng thái nghỉ, các thiết bị tiêu thụ rất ít năng lượng Xem minh họa hình I.3 [7]

Hình I.3 Kiến trúc một WSN có các nút cảm biến ở hai chế độ hoạt động

Kết luận:

Với toàn bộ các đặc trưng cơ bản nói trên, WSN được áp dụng trong các thiết

kế cho rất nhiều ứng dụng thực tế về quân sự, công nghiệp và dân dụng Đặc biệt là tại các môi trường nguy hiểm, địa hình phức tạp, khó khăn Để có thể thiết kế chi tiết một WSN cho các ứng dụng cụ thể, chúng ta cần phải có những hiểu biết cơ bản về cấu trúc phần cứng cũng như các đặc điểm, các giao thức phần mềm nói chung cho một mạng cảm biến không dây để thực hiện tốt mục tiêu thiết kế

Khi nghiên cứu về WSN, người ta thường quan tâm tới hai vấn đề chính sau:

Những đặc trưng nào của cảm biến không dây là nguyên nhân khiến cho việc

thực hiện các ứng dụng trở nên khó khăn hơn cũng như khác biệt hơn so với cảm biến thông thường? Một trong những vấn đề được đặt ra là hạn chế năng

lượng sử dụng cho mỗi nút cảm biến không dây hoạt động trong mạng (sẽ được trình bày chi tiết trong phần I.2.2), tuy nhiên nảy sinh cùng với vấn đề này đó là việc có nên hạn chế bộ nhớ hay bộ xử lý của nút cảm biến trong ứng dụng hay không? Bởi vì điều này đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh

hưởng tới khả năng phát triển, mở rộng ứng dụng Những dịch vụ nào cần phải sử dụng cho một mạng cảm biến không dây, nhằm đảm bảo cho mạng luôn hoạt động đạt được những yêu cầu đặt ra từ đầu? Một số các dịch vụ

thông thường hay sử dụng trong mạng cảm biến không dây như: đồng bộ thời gian và sự xác định vị trí (sẽ được thảo luận trong phần I.4) Ngoài ra, còn có các dịch vụ cần thiết khác để hỗ trợ cho yêu cầu cơ sở dữ liệu như sự định tuyến thông tin (message routing), quản lý các cấu hình liên kểt mạng (topology management), sự tổng hợp và lưu trữ dữ liệu

I.1.3 Những yêu cầu đối với một mạng cảm biến không dây

Việc hạn chế nguồn năng lượng sử dụng ở WSN khiến cho người thiết kế cần phải chú ý và phát triển các đặc tính như mật độ phân bố nút cảm biến cao, có khả năng tránh lỗi (fault-tolerent), hiệu suất năng lượng sử dụng cao trong một bộ nhớ nhỏ Đối với các mạng cảm biến không dây, yêu cầu bắt buộc là việc quản lý và giám sát năng lượng hoạt động của thiết bị một cách linh hoạt

để cho thiết bị có thời gian sống lâu Đây cũng là yêu cầu chủ yếu nhất hiện nay đối với bất kỳ một mạng cảm biến không dây nào

Hầu hết các hệ thống WSN được thiết kế cần phải đảm bảo các yêu cầu đặc tính sau:

• Kiểu dịch vụ (Type of service)

• Chất lượng dịch vụ (Quality of service)

• Khả năng tránh lỗi (Fault tolerance)

• Tuổi thọ (Lifetime)

• Tính thương mại hoá (Scalability)

• Mật độ phân bố các nút cảm biến lớn trong một phạm vi

• Có thể lập trình được

• Có khả năng phục hồi lại

I.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây

Về cấu trúc phần cứng, một WSN được cấu tạo từ các nút cảm biến và phân

bố theo kiến trúc phù hợp với ứng dụng thiết kế Thực chất, một nút cảm biến chính là một thiết bị đo nhưng có kết hợp thêm bộ truyền-nhận bằng sóng radio để truyền thông tin không dây

Với mục tiêu là nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, dễ di chuyển và lắp đặt Khi thiết kế các nút cảm biến ngoài việc chọn lựa đầu đo cảm biến có độ nhạy

và độ chính xác cao, người kỹ sư thiết kế cần phải thiết kế một thiết bị đo với các lựa chọn giải pháp về phần cứng cũng như phần mềm đảm bảo các yêu cầu: sai số thiết bị đo nhỏ, độ chính xác cao, thời gian xử lý, thời gian đáp ứng nhỏ, tuân theo các giao thức truyền tin xác định

I.2.1 Cấu trúc phần cứng của nút cảm biến

Một nút cảm biến không dây bao gồm 5 khối chức năng cơ bản (xem hình I.4): khối nguồn cung cấp, khối đầu đo cảm biến/cơ cấu chấp hành, khối điều khiển (khối xử lý uC/uP), bộ nhớ và khối truyền thông

Khối nguồn cung cấp: do đặc trưng của nút cảm biến là làm việc độc lập, dễ

di chuyển, có thể được gắn ở những vị trí, môi trường làm việc nguy hiểm hay

xa trung tâm, vì vậy nguồn sử dụng cho nút cảm biến thường là loại nguồn như pin lithium, ắcqui hoặc pin sử dụng năng lượng mặt trời (solar battery)

Hình I.4 Cấu trúc của một nút cảm biến

Khối đầu đo cảm biến: được lựa chọn tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng của

nút cảm biến như: cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, nồng độ khí CO2, O2 Các đầu đo cảm biến này có chức năng chuyển đổi đại lượng cần

đo thành các tín hiệu điện như điện trở, điện áp hoặc dòng điện, từ đó đi vào khối mạch chuẩn hóa và đo để đo lường và tính toán, lưu trữ, hiển thị, truyền tin

Khối xử lý và bộ nhớ: tín hiệu ra khỏi khối đầu đo cảm biến sẽ được đo, tính

toán, lưu trữ (nhờ khối bộ nhớ) và truyền đi nhờ khối xử lý Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý tất cả các sự kiện xảy ra đối với nút cảm biến và có ảnh hưởng lớn tới chất lượng, độ chính xác của thiết bị đo Thông thường các khối xử lý lựa chọn linh kiện là các vi điều khiển (MCU) hoặc vi xử lý (uP), hay bộ xử

lý tín hiệu số (DSP) có tích hợp luôn khối bộ nhớ chưong trình và dữ liệu như ROM, RAM, EFROM, có công suất tiêu thụ thấp Đặc biệt, với các nút cảm biến đóng vai trò chủ (Master) trong mạng, sẽ có yêu cầu lớn về tốc độ hoạt động xử lý, điều khiển cũng như bộ nhớ chưong trình và bộ nhớ dữ liệu, việc chọn lựa một bộ vi xử lý phù hợp là rất quan trọng

Xin giới thiệu một số loại vi điều khiển đã được sử dụng trong thiết kế những nút cảm biến theo nguyên mẫu (prototype) của WSN như: bộ xử lý Texas Instrument MSP 430, Intel Strong ARM hay Atmel ATmega128L…

Đi kèm với các dòng xử lý nói trên là các hệ điều hành thích hợp trong việc thiết kế các hệ nhúng cỡ nhỏ, không đòi hỏi quá nhiều tài nguyên như TinyOS

và ngôn ngữ lập trình NesC hỗ trợ cho quá trình thiết kế WSN

Khối truyền thông: làm nhiệm vụ truyền-nhận dữ liệu giữa các nút cảm biến

với nhau trong mạng cảm biến

Nếu mạng cảm biến sử dụng truyền thông bằng dây nối thì các chuẩn truyền thông cấp trường như LIN, CAN, Profibus thường là giải pháp thích hợp được chọn lựa, khi đó các khối truyền thông và giao thức truyền được tích hợp ngay trên chính các bộ vi xử lý của mỗi nút cảm biến

Nếu mạng cảm biến sử dụng truyền thông không dây (mạng cảm biến không dây), một số giải pháp truyền thông tin không dây như: sử dụng sóng vô tuyến (Radio frequency), truyền thông quang học, sóng siêu âm Ngoài ra còn có phương pháp sử dụng độ tự cảm điện từ, phương pháp này thường được sử dụng trong những trường hợp đặc biệt Trong các giải pháp đã đưa ra ở trên, việc truyền thông tin sử dụng kỹ thuật sóng vô tuyến là giải pháp tốt và phù hợp nhất với hầu hết các ứng dụng của WSN vì các lý do sau: phạm vi truyền

và tốc độ truyền dữ liệu cao, ở mức tiêu thụ năng lượng hợp lý thì tỉ lệ sai lệch thông tin truyền/nhận là chấp nhận được, không yêu cầu đường truyền thẳng của anten giữa thiết bị gửi và các thiết bị nhận dữ liệu

Đối với hệ thống truyền không dây sử dụng sóng radio để mã hoá thông tin và truyền đi thì việc chọn lựa tần số sóng mang là vấn đề rất quan trọng [3] [6], hiện nay trong hầu hết các WSN tần số sóng mang thường sử dụng là khoảng

từ MHz (trong một số trườn hợp) và GHz (với hầu hết ứng dụng)

Trong thực tế, khi một nút cảm biến sử dụng kỹ thụât truyền tin không dây, nút cảm biến cần phải có một bộ truyền tín hiệu không dây (transmitter) làm nhiệm vụ điều chế tín hiệu vào sóng mang để truyền đi và một bộ nhận tín hiệu (receiver) làm nhiệm vụ giải mã tín hiệu từ sóng mang nhận được thành

tín hiệu số (dạng nhị phân) để đi vào bộ xử lý tính toán Thông thường, hai khối điều chế và giải điều chế nói trên được chế tạo và ghép chung lại trên một module độc lập, module này được gọi là bộ truyền-nhận (transceiver), bộ truyền-nhận này hoạt động theo chế độ bán song công (half-duplex), tức là có hai bộ đệm và tín hiệu điều khiển riêng biệt cho khối truyền và nhận tuy nhiên hai khối này không thể cùng hoạt động ở một thời điểm Năng lượng tiêu thụ (đặc biệt là năng lượng truyền sóng) có thể được giảm đáng kể nếu bộ truyền-nhận được điều khiển để hoạt động một cách hợp lý

Ngày nay, những bộ truyền-nhận giá thành rẻ đã được sử dụng và thương mại hoá, nó được dùng để kết hợp vào tất cả các mạch điện cho mục đích truyền, nhận, mã hoá, giải mã, trộn hoặc cộng tín hiệu Để sử dụng bộ truyền-nhận một cách hiệu quả người thiết kế cần phải tìm hiểu rõ các đặc tính kỹ thuật của một bộ truyền-nhận Hình vẽ 1.5 mô tả cấu trúc chung của một bộ truyền-nhận:

Hình I.5 Cấu trúc chung của bộ truyền-nhận (transceiver)

Mạng cảm biến không dây được tạo nên từ các nút cảm biến không dây Việc các nút liên kết với nhau theo kiến trúc mạng nào, quá trình chuyển tiếp thông tin trong mạng ra sao đều phải được người thiết kế mạng thiết kế và thực hiện dựa trên các cơ sở lý thuyết chung về kiến trúc mạng và các giao thức, đồng thời còn tuỳ thuộc vào công nghệ sóng vô tuyến được chọn lựa để xây dựng WSN

I.2.2 Vấn đề tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây

Việc đảm bảo cho các nút cảm biến trong WSN tiêu thụ năng lượng thấp là một trong những mục tiêu chính khi thiết kế một WSN Khi thiết kế WSN, để đánh giá một cách chính xác về năng lượng tiêu thụ trong mạng, chúng ta cần phải hiểu rõ về các vấn đề tiêu thụ năng lượng của từng phần tử trong mạng

Về cơ bản, năng lượng tiêu thụ của một nút cảm biến bao gồm hai phần:

• Năng lượng tiêu thụ của mỗi linh kiện cấu tạo nên nút cảm biến

• Năng lượng truyền sóng khi các nút cảm biến trong mạng trao đổi thông tin với nhau (năng lượng cung cấp cho các bộ khuếch đại công suất phía trước ăng ten trong bộ truyền nhận sử dụng sóng vô tuyến)

Do đó, để giảm năng lượng cho WSN, chúng ta có thể tiến hành giảm năng lượng trên cả hai phần nói trên Giảm năng lượng bằng cách chọn lựa các thành phần phần cứng tiêu thụ ít năng lượng, hay giảm năng lượng bằng phần mềm: thực hiện việc điều khiển các nút cảm biến có chế độ nghỉ và hoạt động phù hợp với yêu cầu trong mạng Cụ thể là các nút cảm biến luôn ở chế độ nghỉ và chỉ hoạt động khi có yêu cầu làm việc Bởi vì trên một nút cảm biến, năng lượng sử dụng để truyền đi 1 byte dữ liệu thông qua bộ truyền nhận sóng

vô tuyến thường lớn hơn năng lượng tiêu thụ khi thiết bị hoạt động đọc, lưu trữ, xử lý 1 byte dữ liệu Để thực hiện được những vấn đề nói trên, người thiết

kế phải nắm rõ các cơ chế tiêu thụ năng lượng của các thiết bị trong mạng Cụ thế là vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến [6]

I.2.2.1 Việc tiêu thụ năng lượng ở các trạng thái hoạt động khác nhau

Chế độ ngủ: là chế độ mà tại khoảng thời gian ấy nút cảm biến chưa phải thực hiện một nhiệm vụ cảm biến hay truyền thông nào, tuy nhiên nút cảm biến

vẫn tham gia hoạt động trong mạng, và sau một thời gian nghỉ t nhất định, nút

sẽ hoạt động trở lại Ở chế độ này, khối xử lý MCU của nút cảm biến luôn ở trạng thái ngủ Các khối còn lại có thể nghỉ hoặc ngủ Thực tế việc chuyển giữa các trạng thái với nhau rất phức tạp bởi vì còn phải tính đến thời gian và năng lượng sử dụng để thực hiện việc chuyển trạng thái Cụ thể như sau:

Ký hiệu công suất tiêu thụ khi nút cảm biến hoạt động tích cực làP active

Ký hiệu công suất tiêu thụ khi nút cảm biến ở trạng thái ngủ là P sleep

Xét một nút cảm biến đang hoạt động tích cực Tại thời điểm t1 là thời điểm đưa ra quyết định: nút cảm biến vẫn hoạt động tích cực hay chuyển sang trạng thái ngủ để giảm công suất tiêu thụ từ P active xuống P sleep:

- Trường hợp 1: nếu nút cảm biến đưa ra quyết định duy trì trạng thái hoạt động tích cực và trạng thái ấy kéo dài đến thời điểm t event thì toàn bộ năng

lượng tiêu thụ trong trường hợp không sử dụng trạng thái nghỉ được tính bằng

) (

P

E active= active event−

- Trường hợp 2: nếu nút cảm biến đưa ra quyết định rơi vào trạng thái ngủ và phải mất một khoảng thời gian τdown thì nó mới chuyển hoàn toàn từ trạng thái

active

P xuống P sleep (xem hình I.6)

Giả sử như công suất tiêu thụ trung bình trong khoảng thời gian τdown này là (P active+P sleep)/2 Nó ở trạng thái P sleep cho đến thời điểm t event Công suất tiêu thụ trong toàn bộ trường hợp này là:

sleep down event

sleep active down* (P P ) / 2 (t t1 τ ) *P

Năng lượng tiết kiệm so với trường hợp (t event −t1) *P active là :

)

* ) (

2 / ) (

* (

* ) (event 1 active down active sleep event 1 down sleep

Hình I.6 Quá trình chuyển trạng thái hoạt động của nút cảm biến

Tuy nhiên còn có thêm trạng thái tăng thêm (overhead) xuất hiện để thực hiện quá trình quay trở lại trạng thái ban đầu P active

2 / ) (

sleep active

sleep active down

event

P P

P P t

2

1 )

I.2.2.2 Việc tiêu thụ năng lượng của khối điều khiển

Phần này trình bày minh họa công suất tiêu thụ của các bộ điều khiển đã được thiết kế sử dụng trong các WSN trên thực tế

Intel StrongARM

Intel StrongARM cung cấp ba chế độ ngủ:

+ Ở chế độ bình thường (normal mode): tất cả các phần của vi xử lí hoạt động với công suất tối đa Công suất tiêu thụ lên đến 400mW

+ Ở chế độ nghỉ (idle mode): không có xung nhịp đến CPU Xung nhịp đến các ngoại vi vẫn hoạt động Bất kì một một ngắt nào từ ngoại vi cũng sẽ làm cho CPU trở về trạng thái hoạt động bình thường (normal mode) Công suất tiêu thụ lên đến 100mW

+ Ở chế độ ngủ (sleep mode): chỉ có xung nhịp thời gian thực (real-time clock) duy trì hoạt động CPU sẽ được đánh thức bằng ngắt thời gian 160ms Công suất tiêu thụ lên đến 50uW

Texas Instruments MSP 430

Họ MSP430 cung cấp một dải chế độ làm việc sau: Chế độ làm việc với công suất tối đa tiêu thụ công suất khoảng 1.2mW (nguồn cung cấp 3V, tần số hoạt động 1Mhz) Có 4 chế độ ngủ Chế độ ngủ tiết kiệm công suất nhất là LPM4 chỉ tiêu thụ 0.3uW Ở chế độ này bộ điều khiển chỉ được đánh thức bởi ngắt ngoài Ở chế độ cao hơn, LPM3, xung nhịp đồng hồ vẫn chạy, có thể được lập lịch để được đánh thức Trong trường hợp này công suất tiêu thụ khoảng 6uW

Atmel ATmega

Atmel Atmega 128L có 6 chế độ tiêu thụ công suất Công suất tiêu thụ của họ

vi điều khiển này biến thiên trong khoảng 6mW đến 15mW ứng với chế độ ngủ, chế độ hoạt động là khoảng 75uW ở chế độ tiết kiệm công suất (power-down modes)

Ngoài ra, bên cạnh việc tiết kiệm năng lượng bằng cách đưa vi điều khiển vào trạng thái hoạt động với công suất tối đa (full operation mode) hoạt động thực hiện nhiệm vụ ở tốc độ lớn nhất và sau đó quay trở lại trạng thái ngủ (sleep) nhanh nhất có thể Một phương pháp khác là tính toán chọn ra tốc độ tốt nhất cho vi điều khiển hoạt động hoàn thành công việc trước thời điểm yêu cầu

(deadline) Việc này được thực hiện dựa trên phương pháp Dynamic Voltage

Scaling (DVS) Bản chất của phương pháp này như sau: như chúng ta đã biết,

các vi điều khiển có thể hoạt động trong một dải điện áp cung cấp và một số xung nhịp clock tương ứng Tốc độ thực hiện một lệnh của vi điều khiển tỉ lệ thuận với xung nhịp clock mà nó sử dụng Sử dụng điện áp cung cấp thấp, xung nhịp clock thấp thì dẫn đến giảm được năng lượng tiêu thụ nhưng lại hạn chế về tốc độ làm việc cuả vi điều khiển Với các nhiệm vụ đặt ra cho nút cảm biến, chúng ta có thể xác định một điện áp làm việc nhỏ, xung nhịp clock vừa phải đảm bảo sao cho vi điều khiển luôn thực hiện đầy đủ các nhiệm vụ đúng thời hạn Kĩ thuật Dynamic Voltage Scaling rất có lợi cho các chip CMOS: đối với dòng chip này công suất tiêu thụ thực tỉ lệ với bình phương điện áp cung cấp V DD, do đó giảm điện áp nguồn cung cấp là cách rất hiệu quả

để giảm công suất tiêu thụ Công suất tiêu thụ cũng phụ thuộc vào tần số làm việc của xung nhịp clock f do đó P≅ f *V DD2 Khi sử dụng phương pháp này, chúng ta cần lưu ý tuân theo các mức điện áp hoạt động, xung nhịp clock lớn nhất và bé nhất có thể cho mỗi loại vi điều khiển

Hình dưới đây mô tả tổng quát mối liên quan về năng lượng tiêu thụ với điện

áp hoạt động của vi điều khiển và xung nhịp Clock mà nó sử dụng

Hình I.7 mối liên quan giữa năng lượng tiêu thụ với điện áp hoạt động và xung nhịp

clock của Intel StrongARM SA-1100 [6]

I.2.2.3 Việc tiêu thụ năng lượng của bộ nhớ

Như chúng ta đã biết các loại bộ nhớ trên chip (on-chip) của vi điều khiển chủ yếu là bộ nhớ FLASH các bộ nhớ ngoài chip (off-chip) rất hiếm khi được sử dụng Công suất tiêu thụ của bộ nhớ trên chip thường được bao hàm trong công suất tiêu thụ của cả vi điều khiển Do đó trên thực tế phần liên quan nhất

là bộ nhớ FLASH Cấu trúc và cách sử dụng bộ nhớ FLASH có ảnh hưởng nhiều đến khoảng thời gian sống của một nút cảm biến (node lifetime), tất cả các thông tin liên quan tới bộ nhớ FLASH đã được nhà chế tạo cung cấp trong datasheet Số lần đọc và công suất tiêu thụ khi đọc là tương tự nhau đối với tất các kiểu bộ nhớ FLASH, quá trình ghi dữ liệu vào bộ nhớ thì phức tạp hơn, công suất tiêu thụ của bộ nhớ phụ thuộc vào dung lượng của dữ liệu trong mỗi lần truy nhập

I.2.2.4 Việc tiêu thụ năng lượng của bộ truyền nhận sóng vô tuyến

Bộ truyền nhận sóng vô tuyến có hai nhiệm vụ cơ bản: thực hiện việc truyền

dữ liệu và nhận dữ liệu giữa hai nút với nhau Khối truyền sóng và khối nhận sóng là hai khối riêng biệt cấu tạo nên bộ truyền-nhận sóng, tuy nhiên ở một thời điểm chỉ có một trong hai khối hoạt động Tương tự như vi điều khiển,

bộ truyền-nhận sóng vô tuyến có thể hoạt động ở những chế độ khác nhau,

đơn giản nhất là hai chế độ bật (on) và tắt (off) Để tiết kiệm công suất tiêu

thụ thì bộ truyền-nhận nên luôn để ở chế độ tắt và chỉ hoạt động khi nào cần truyền nhận thông tin Tuy nhiên, điểm phức tạp chính ở đây là thời gian và công suất nâng (overhead) sử dụng khi chuyển đổi về trạng thái hoạt động (xem hình I.6)

Mô hình công suất tiêu thụ trong quá trình truyền

Hình I.8 Cấu trúc một khối truyền-nhận sóng vô tuyến

Về lí thuyết, công suất tiêu thụ bởi bộ truyền chủ yếu bởi hai nguồn Nguồn tiêu thụ cho bộ phát sóng vô tuyến, phần này hầu như chỉ phụ thuộc vào phương pháp điều chế và khoảng cách truyền Chúng ta có thể gọi công suất truyền là P tx- công suất này phát ra bởi ăngten Nguồn còn lại là do các thành

phần điện đi kèm như bộ tổng hợp tần số, bộ chuyển đổi tần số, bộ lọc…, gọi

là công suất tiêu thụ cho thiết bị Công suất tiêu thụ về cơ bản là không đổi Một trong những quyết định quan trọng nhất trong quá trình truyền một khối

dữ liệu là việc lựa chọn công suất truyền P tx Việc điều chỉnh công suất truyền cũng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình truyền Trong phần này chúng ta thừa nhận rằng công suất truyền mong muốn P tx phụ thuộc vào năng lượng của một bit trên nhiễu E b / N0, dải tần tác dụng ηB¦W, khoảng cách truyền

d và hệ số suy hao γ

Công suất truyền được sinh ra bởi bộ khuyếch đại (amplifier) của bộ truyền Công suất tiêu thụ của bộ khuyếch đại phụ thuộc vào kiến trúc của nó nhưng trong đó hầu như công suất tiêu thụ chỉ phụ thuộc vào công suất mà bộ phận này muốn phát ra Trong trường hợp đơn giản nhất là hai giá trị (công suất tiêu thụ và công suất phát) này tỉ lệ với nhau Một cách chính xác hơn quan

hệ này có thể đuợc đánh giá theo công thức sau:

tx amp amp

Năng lượng để truyền đi một dãy bit có chiều dài n bit (bao gồm cả phần header) phụ thuộc vào chiều dài dãy bit được gửi đi, tốc độ bit R, tốc độ mã

hoá R code và tổng công suất tiêu thụ trong quá trình truyền Ngoài ra nếu bộ truyền đã được bật (turned on) trước khi thực hiện quá trình truyền thì công suất khởi động cũng phải được tính đến Cuối cùng ta có công thức tổng quát sau:

) (

*

*

* )

, ,

code start

start amp

code

R R

n P

T P R n

Trong đó: E tx là năng lượng để truyền đi một gói bit có chiều dài n bit

T start,P start là thời gian và công suất khởi động

Chú ý rằng ở công thức trên năng lượng truyền đi một dãy bít có chiều dài n

bit không phụ thuộc vào phương pháp điều chế tín hiệu của quá trình truyền

và coi ăng ten là hoàn hảo

Bảng I.1 [6] tổng kết và đưa ra các thông số năng lượng tiêu thụ trên các bộ truyền-nhận có trên thị trường hiện nay:

Mô hình công suất tiêu thụ trong quá trình nhận

Tương tự như bộ truyền, bộ nhận cũng có hai trạng thái hoạt động: bật (on) và tắt (off) Trong khi bộ nhận bật, nó có thể nhận dữ liệu hoặc nghỉ, quan sát

kênh và sẵn sàng nhận dữ liệu Hiển nhiên rằng công suất tiêu thụ trong quá trình tắt bộ nhận sóng (turned off) là không đáng kể Sự chênh lệch công suất tiêu thụ giữa chế độ nghỉ và chế độ nhận dữ liệu là rất nhỏ thậm chí trong hầu

hết các trường hợp có thể coi bằng không

Cũng giống như trường hợp truyền dữ liệu, bộ nhận dữ liệu cũng phải mất một quá trình khởi động (T start,P start) để chuyển trạng thái nếu nó luôn tắt và chỉ bật khi nhận dữ liệu Trong quá trình nhận dữ liệu cũng có một mạch thực hiện quá trình nhận và tiêu thụ công suất P rxElec

code start

start

R R

n P

Trong đó: E decBit là năng lượng cần thiết để giải mã một bit

I.2.2.5 Việc tiêu thụ năng lượng của các cảm biến

Chúng ta không thể biết chính xác thông tin về công suất tiêu thụ của các đầu

đo cảm biến bởi vì mỗi loại cảm biến khác nhau có công suất tiêu thụ khác nhau Ví dụ như các loại cảm biến nhiệt độ hay cảm biến ánh sáng thì công suất tiêu thụ của chúng là rất nhỏ so với các thiết bị khác trong một nút và có thể bỏ qua, cảm biến siêu âm thì công suất tiêu thụ của nó lại rất lớn Do đó tuỳ thuộc vào các ứng dụng hay các dự án mà các cảm biến cần thiết được sử dụng và có thể xem thông tin về công suất tiêu thụ, giao tiếp, tên sản phẩm,

bộ chuyển đổi tương tự số trong tài liệu của nhà cung cấp Ngoài ra tần số lấy mẫu cũng rất quan trọng Tần số lấy mẫu càng lớn thì công suất tiêu thụ càng lớn do khối lượng dữ liệu xử lí càng lớn

I.2.3 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằng sóng vô tuyến Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạng nhất định Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong WSN, có thể nhận thấy các thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong hai vai trò:

• Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn-sources)

• Thiết bị nhận thông tin (thiết bị đích-sink)

Thông thường, các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Source hoặc thiết bị Sink tuỳ vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết bị Sink còn có thể là những thiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ

có chức năng liên kết mạng WSN này với mạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để tryền thông tin về phòng trung tâm (xem hình I.9 [6])

Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước

(single-hop) và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop) Một WSN có thể sử

dụng một trong hai kiểu kiến trúc mạng nói trên hoặc sử dụng kết hợp cả hai

I.2.3.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)

Hình I.9 minh hoạ một số kiến trúc mạng đơn bước-single-hop đơn giản

Hình I.9 Các liên kết trong mạng cảm biến đơn bước

Kiến trúc mạng đơn bước (Single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà tong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích Thiết bị đích

và thiết bị nguồn luôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau

WSN có kiến trúc đơn bước tỏ ra không hợp lý ở những ứng dụng đo lường

và giám sát trong một phạm vi không gian lớn, địa hình phức tạp, nhiều vật chắn, hay các ứng dụng về định vị, giám sát để xác định vị trí thiết bị Bởi vì các nút cảm biến trong WSN trao đổi thông tin với nhau bằng sóng vô tuyến, các sóng vô tuyến này chỉ có thể truyền đi trong một phạm vi không gian nhất định (tối đa khoảng vài trăm mét) do hạn chế vào công suất phát sóng Để khắc phục các vấn đề nói trên, đặc biệt là trong trường hợp có nhiều chướng ngại vật trong không gian quan sát, sử dụng kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là giải pháp thường được đưa ra

I.2.3.2 Kiến trúc đa bước (Multi-hop)

Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết

mà trong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một hay nhiều nút cảm biến khác hoạt đông với vai trò như một trạm trung gian, chuyển tiếp toàn bộ thông tin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết bị đích với nhau một cách đầy đủ và chính xác (xem

ví dụ hình I.10 [6])

Hình I.10 Một liên kết trong mạng cảm biến đa bước (Multi-hop)

Trong hình I.10 mô tả ví dụ đơn giản về một liên kết đa bước trong kiến trúc mạng cảm biến đa bước Thiết bị đích ở quá xa thiết bị nguồn và có chướng ngại vật lớn giữa chúng Thiết bị nguồn không thể gửi yêu cầu trực tiếp tới thiết bị đích được, khi đó liên kết từ thiết bị nguồn tới thiết bị đích được thực hiện bằng cách truyền gián tiếp thông tin từ thiết bị nguồn, qua 2 trạm chuyển tiếp trung gian (là 2 nút cảm biến khác trong mạng), rồi tới thiết bị đích Và hoàn toàn ngược lại trong trường hợp thiết bị đích gửi bản tin trả lời tới thiết

bị nguồn

I.2.3.3 Kiến trúc mạng hỗn hợp

Việc tổ hợp cả hai kiểu liên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến cho kiến trúc mạng WSN linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp (xem hình I.11 [6]) Khi đó ta có kiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source)

Hình I.11 Mạng sử dụng nhiều thiết bị nguồn (Source) và nhiều thiết bị đích (Sink)

I.3 Một số dịch vụ và giao thức truyền thông sử dụng trong mạng cảm biến không dây

I.3.1 Lớp vật lý (Physical layer)

Lớp vật lý là lớp có liên quan chủ yếu nhất tới việc điều chế-giải điều chế của tín hiệu số và qui định tần số sóng mang Tín hiệu số (dạng nhị phân) được điều chế và giải điều chế thông qua các bộ truyền/nhận (transceiver) sóng vô tuyến Lớp vật lý quyết định phương pháp mã hóa tín hiệu (FSK hay PSK), điều chế/giải điều chế tín hiệu (điều chế tần số hay điều chế biên độ vào sóng mang), tần số sóng vô tuyến, tốc độ truyền/nhận sóng vô tuyến, tần số truyền/nhận, độ tin cậy, độ an toàn và chính xác của dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố nói trên

Ngoài ra, một vấn đề cần lưu ý là tần số sóng mang, giá trị tần số sóng mang phụ thuộc vào công nghệ không dây được sử dụng trong lớp vật lý Tần số sóng mang có ảnh hưởng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và khả năng xuyên qua các chướng ngại vật như tường, gỗ…

Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý có ảnh hưởng trực tiếp về năng lượng sử dụng và giá thành của một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây cũng như độ tin cậy, độ bền vững thông tin của quá trình truyền và nhận dữ liệu

I.3.2 Giao thức MAC (MAC protocol)

Giao thức truy cập đường truyền-Medium Access Control (MAC) là giao thức nằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vì vậy giao thức MAC có ảnh hưởng rất lớn và rất quan trọng bởi những đặc tính của nó Nhiệm vụ của giao thức MAC là điều chỉnh việc truy cập vào đường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho các nút có thể truy cập đường truyền dùng chung một cách hợp lý và đúng lúc đường truyền rảnh rỗi nhất để thực hiện việc truyền thành

công, không bị mất thông tin, tốn thời gian chờ đường truyền rảnh hoặc truy cập lại đường truyền do

Trong mô hình tham chiếu OSI, giao thức MAC được biết đến như là một phần nằm ở lớp liên kết dữ liệu-Data link layer (DLL) Tuy nhiên, có sự phân chia công việc một cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL Giao thức MAC xác định cho một nút trong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường truyền dùng chung rỗi) mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể truy cập đường truyền để thực hiện việc nhận dữ liệu, điều khiển hoặc quản lý các gói dữ liệu tới một nút khác trong mạng hay thậm chí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút trên mạng (broadcast, multicast) Hai nhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi

và điều khiển luồng thông tin Điều khiển lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúng đắn của quá trình truyền thông tin, và đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin hay hủy bản tin Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụ điều chỉnh tốc độ của việc truyền dữ liệu

để tránh trường hợp việc nhận dữ liệu ở thiết bị nhận chậm hơn, có thể khiến thông tin bị ghi đè mất

Có rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chúng ta đã biết như CDMA, CSMA, TDMA…, phần này em chỉ tập trung trình bày về giao thức truy nhập đường truyền-MAC trong WSN Giao thức MAC trong WSN ngoài các nhiệm vụ và đặc tính nói chung, còn có thêm một số yêu cầu dành riêng cho ứng dụng trong mạng cảm biến không dây Yêu cầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiển truy nhập đường truyền với mục tiêu tiêu thụ ít năng lượng nhất Việc thực hiện yêu cầu này khiến cho giao thức MAC trong WSN trở nên tương đối mới so với các giao thức MAC kinh điển đã biết như ALOHA, CSMA, các giao thức nói trên không bao gồm điều khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm năng lượng Một yêu cầu nữa cho giao thức

MAC đó là tính kinh tế và tính bền vững khi kiến trúc mạng thay đổi thường xuyên (sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay bớt đi nút cảm biến trong mạng, do nút cảm biến chuyển trạng thái hoạt động, bị chết hoặc bị hết pin) Với các yêu cầu riêng biệt dành cho WSN, hầu hết các giao thức MAC trong WSN đều có thêm khả năng giải quyết cho các vấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe trộm (overhearing), protocol overhead, nghe trong khi ngủ (idle listening)

Collision: Vấn đề xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho dữ liệu nếu có nhận được

cũng không còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại dữ liệu do đó gây tiêu tốn năng lượng Giao thức MAC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng các sử dụng kết hợp các thuật toán truy cập đường truyền phù hợp [6]

Overhearing: Khi dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích trong một

liên kết, dữ liệu chỉ có ý nghĩa đối với nút đích Tuy nhiên vấn đề gặp phải là

do tất cả các thiết bị trong cùng một mạng đều có chung tần số sóng vô tuyến

và trao đổi với nhau trong một vùng không gian dùng chung, dẫn đến trường hợp không chỉ nút đích mới nhận được dữ liệu mà các nút lân cận trong mạng cũng có thể nhận được dữ liệu này Năng lượng tiêu tốn cho quá trình nhận dữ liệu là đáng kể Vì vậy để tránh trường hợp nhận nhầm các dữ liệu không có ý nghĩa, mỗi thiết bị trong mạng một địa chỉ truy cập đường truyền, gọi là địa chỉ MAC-MAC address

Protocol Overhead: sử dụng thêm các byte để đánh dấu bản tin, hoặc đánh

dấu việc truyền dữ liệu, ví dụ như sử dụng các gói RTS, CTS hoặc các gói yêu cầu hay các phần đánh dấu đầu của các gói dữ liệu

Idle listening: một nút mặc dù ở trạng thái ngủ vẫn luôn sẵn sàng để nhận các

gói dữ liệu, tuy nhiên nút này không thể nhận dữ liệu ngay tại thời điểm nút đang ngủ được Muốn nhận dữ liệu, nút phải thứ dậy ra khỏi trạng thái ngủ

Vì vậy, nếu có bản tin gửi đến nút ở thời điểm nút đang trong trạng thái ngủ

thì nút có thể không nhận được bản tin này chính xác Thông thường, với các

bộ điều chế/giải điều chế sóng vô tuyến, trạng thái ngủ vẫn tiêu tốn năng lượng một cách đáng kể Giải pháp đưa ra cho trường hợp này là tắt bộ truyền/nhận, tuy nhiên cũng phải tốn một phần năng lượng khi thay đổi trạng thái hoạt động (từ bật thành tắt hay ngược lại) của các bộ truyền/nhận Tần số sóng vô tuyến của các bộ truyền/nhận cũng cần phải được giữ lại ở mức “hợp lý” khi tiến hành tắt các bộ truyền/nhận

I.3.3 Vấn đề đồng bộ thời gian

Vấn đề thời gian đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống nói chung, trong WSN nói riêng Xét ví dụ đơn giản: một nút cảm biến phát hiện ra sự

kiện hoặc đo thông số tại một thời điểm t (tính theo đồng hồ đối với nút cảm

biến), sau đó truyền thông tin đo về nút gốc trong mạng trên các kênh truyền

không dây, thời gian để truyền thông tin đi là t 1 (tính theo đồng hồ đối với nút cảm biến) Như vậy, nút cảm biến gốc nhận được thông tin về thông số đo ở

thời điểm t sau một thời gian t+t 1 (đối với đồng hồ trên nút cảm biến) Nếu giả sử đồng hồ của cả nút cảm biến và nút cảm biến gốc là giống hệt nhau thì

độ trễ của thông tin đo là t 1 phụ thuộc vào thời gian lan truyền sóng vô tuyến

từ nút truyền đến nút nhận và thời gian xử lý thông tin của các nút cảm biến, nếu biết trước được chúng ta có thể tính tóan để khắc phục bằng phần mềm, đảm bảo tính đúng đắn của thông số đo và thời điểm đo Tuy nhiên, trên thực

tế vấn đề xảy ra thường xuyên là đồng hồ trên các nút cảm biến không phải lúc nào cũng giống hệt nhau, các đồng hồ này được xác định dựa vào xung nhịp Clock của thiết bị, mỗi thiết bị khác nhau, xung nhịp Clock lệch pha nhau một chút có thể gây ra sai lệch, những sai lệch này không biết rõ và không tính trước được Rõ ràng, sự không đồng bộ về mặt thời gian này gây

ra những sai lệch thông tin không biết trước một cách nghiêm trọng, từ đó ảnh

hưởng lớn đến năng lượng tiêu thụ do phải thực hiện việc đo lại những thông tin sai lệch Vấn đề khắc phục sự không đồng bộ về mặt thời gian này là vấn

đề cần thiết và phải được chú ý trong WSN Thông thường, hướng giải quyết

là đồng bộ về xung nhịp clock của tất cả các nút cảm biến trong mạng Muốn thực hiện được phải sử dụng thông qua giao thức MAC Việc đồng bộ xung clock này trên thực tế không phải lúc nào cũng đạt được kết quả tối ưu vì bản thân các xung nhịp clock cũng có độ trôi, lệch và dịch chuyển trong quá trình truyền để đồng bộ Các phướng án đưa ra là: đồng bộ bằng đồng hồ thời gian qui chuẩn quốc tế nội hoặc bên ngoài mỗi nút cảm biến, đồng bộ bằng các thụât toán đồng bộ thời gian thông qua phần cứng hoặc phần mềm, đồng bộ bằng cách cập nhật nhịp clock cục bộ một cách chặt chẽ, chính xác, đồng bộ theo các giao thức đồng bộ thời gian dựa trên việc truyền/nhận tín hiệu [6]

I.4 Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

WSN có rất nhiều ứng dụng trong thực tế, từ những ứng dụng trong quân đội, đến các ứng dụng đo và quan sát môi trường, y tế, công nghiệp

I.4.1 Ứng dụng trong quân sự

Mạng cảm biến không được ứng nhiều trong quân sự về các lĩnh vực như:

• Cảm biến môi trường: sự phát hiện mìn, chất độc, sự phát hiện dịch chuyển của quân địch

• Điều khiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

• Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính xác khi ném bom, hay tấn công, định vị, theo dõi sự dịch chuyển thiết bị

Ví dụ trong hình I.12 [7] mô tả một hệ thống ứng dụng mạng cảm biến không dây xác định vị trí của địch để tăng đảm bảo độ chính xác khi bắn, hệ thống được ứng dụng trong quân sự:

Hình I.12 Hệ thống xác định vị trí của địch để bắn

I.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng

WSN có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và môi trường, cụ thể:

• Cảm biến đo trong các hệ thống chiếu sáng, nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo

Một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong thực tế:

a) Hệ thống xác định vị trí và hướng đi của voi

Trong các khu rừng lớn, việc quan sát và xác định vị trí của các loài thú đặc biệt là các loại thú dữ để đưa ra những quyết định hợp lý, tránh các thiệt hại lớn về người và của là vấn đề rất quan trọng Việc sử WSN, gắn các nút cảm