Nghiên cứu các giao thức hiệu quả cho mạng đầu đo không dây wsn wireless sensor networks ứng dụng trong các hệ thống tự động cảnh báo hiểm họa

CO và ghép nối với nút mạng không dây; Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả vận dụ ne các giải thuật đã nghiên cứu trên hệ thống, đồng thời thảo luận và đề xuất tiếp theo.Tổng quan về mạng cả

t t Ằ \ ị ' L

-ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

“N g h iên cứu các g ia o thứ c hiệu quả cho m ạ n g đà u đo k h ô n g dây (W S N - W ireless Sensor N e tw o r k s ) - ứ n g d ụ n g trong các hộ t h ố n g tự đ ộ n g c ả n h báo hiểm h ọ a ”

(Studying E fficient P rotocols fo r W ireless Sensor N etw orks - A pplication to D isaster

A utom atically W arning System s.)

BÁO CÁO TỎNG HỢP ĐÈ TÀI NGHIÊN c ứ u KHOA HỌC TRỌNG ĐIẺM

Mã số Q GTĐ.11.09Chủ nhiệm đề tài: Vương Đạo Vy

HÀ NỘI - 2013

M U C L U C

G I Ả I T H Í C H C Á C C H Ữ V I Ẻ T T Ắ T 2

DANH M U C B Ả N G 4

DANH MUC CÁC HÌNH VẼ 5

ỉ Đăt vấn đ ề : 8

II Tồng quan những vấn dề can nghiên c ử u 9

IH Đia điểm thời gian và phương pháp nghiên c ứ u 9

IV Nôi dung vả kết quả nghiên c ứ u 9

IV 1 Mở đ ầ u 9

IV.2 Mỏ hình truyền thông mang WSN vả các giao thức hiẽu quả cho m ang 11

IV.2.1 ■ Mô hình truyền thông và thủ tuc MAC mang W S N 11

IV.2.2 Các nghiên cửu về dinh tuyến mang W S N 15

IV.3 Thiết kế xây dưng thử nghiêm mang cảm nhân không dây 22 ’

I V 3 1 C h o n I C l à m n ú t m a n g W S N .2 2 ' IV.3.2 Chon đầu đo, ghép nối với nút m a n g : 24;

I V 4 H ê t h ố n g t u d ô n g t h e o d ồ i , g i á m s á t v ả c ả n h b á o t h e o t h ờ i g i a n t h ư c liê n t u c dài ngày các sư kicn [91 31

I V 4 1 V i ế t p h ầ n m ề m n h ú n g c h o n ú t m a n g 3 2 ' IV.4.2 Phần mềm xử lý dữ liêu và cảnh báo sư cố trên P C 42

I V 4 3 Các t h ử n g h i ê m 4 4 IV.5 Kết luân 53

V T h ả o lu â n , k ẽ t ỉ u ả n v ả k i ê n n g h i 54

Tải liêu tham k h ảo 5 4

Phụ lục A- minh chứng kết quả nghiên cứu.

Phụ lục B - Các văn bản và giấy tờ p h á p q u y thuộc đề tài

'> 6 C ĩ n v ) M Ỹ

D A N H SÁ CH NHỮ NG NGƯỜI T H A M GIA T H Ụ C HIỆ N ĐÈ TÀI

DANH M Ụ C BẢ N G

i

Bảng 1: Mô hình một phần mềm nhúng 33Bảng 2 Các thông số liên quan của giải thuật LEEN cải tiến 41Bảng 3: Ket quả tổng hợp dòng điện tiêu thụ của nút mạng trong các trạng t h á i 48

4

DANtì MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Ba vùng nhận dữ liệu của truvền vô tuyến (a) và liên kết là thất thường và

không tin cậy ( b ) 10

H ì n h 2: M ô h ì n h l i ê n k ế t đ ơ n g i ả n 11

Hình 3: Cơ cấu chính phát hiện mất gói chậm 13

Mình 4: Định tuyển truyền đa bước từ nút s tới nút D (a); Bảng định tuyển của nút (c, b ) 16

Hình 5: Mô hình dạng c â y 20

Hình 6: Các thành phân của nút mạng W S N 22

Hình 7: Module C C 1 0 1 0 E M 24

Hình 8: c ấ u tạo chung của đầu đo điện h ó a 25

Hình 9: Đầu đo khí c o — AF (a) và đáp ứng của đầu đo theo các bước nhảy từ 0 đến 2% CO Mạch điều khiển đầu đo khí CO-AF (b ) 26

Hình 10 Đầu đo khí CO-AF (a) và Mạch điều khiển cho đầu đo khí điện hóa 3 cực (h) 27

Hình 11: c ấ u tạo bên trong đầu đo áp suất (a) và sơ đồ trên lối ra (b) 29

Hình 12: Đầu đo trước khi lắp ráp 30

Hình 13: Sơ đồ chân của XFPM và hình dáng bên ngoài của đầu đo (a, b) và sensor loại XFPM-200KPG, chân 1 là GND, chân 2 là Vout, chân 3 là Vcc( c ) 30

Hình 14: Ket quả đo điện áp ra và độ cao mức nước (a) và đồ thị kết quả ( b ) 31

Hình 15: Sự phụ thuộc giá trị mức nước và kết quả đo (a) và độ lệch các điểm đo ( b ) 31

Hình 16: Giới thiệu chế tạo và tính năng nút mạng (a); Các nút mạng và đầu đo áp suất chế thử (b) Các nút mạng, đầu đo và thiết bị hệ thống hoàn thiện (c); Bộ xử lý tín hiệu có khả năng hiển thị 4 thông số đo đồng thời ( d ) 32

Hình 17: Sơ đồ thí nghiệm (a); ghcp nối đầu đo với nút mạng (b) và giải thuật phàn mềm nhúng, ( c ) 36

Hình 18: c ấ u trúc dữ liệu biểu diễn cây trong bộ n h ớ 40

Hình 19 Giản đồ giải thuật LEEN cải tiến 42

Hình 20: Giao diện cài đặt báo động vượt n g ư ỡ n g 43

Hình 21: Sơ đồ giao tiếp giữa MS-2035 và C C 1 0 1 0 44

Hình 22 Giao diện đồ họa thu thập dữ liệu từ các đầu đo (a) và giao diện dạng text trên PC (b).; 45

Hình 23: Ket quả thí nghiệm do và truyền thông tin theo giải thuật LEEN cải tiế n 46

Hình 24 : Giải thuật lặp cho nút cảm nhận đổ đo dòng điện tiêu thụ trong trang thái truyền, nhận và xử lý dữ liệ u 47

Hình 25: Dòng điện khi nút mạng cảm nhận (a), mạng cảnh báo (b), mạng giám sát và cảnh báo (c) và khi nút mạng truyền dữ liệu (d) 47

Hình 26: Trích 200 mầu đo đê tính toán so sánh 48

Hình 27: Thí nghiệm đo mẫu khí c o 0,2% (a) và hiển thị kết quả đo (b ) 49

I

03 báo cáo tại các Hội nghị Khoa học:

• 01 báo cáo tại Hội nghị Quốc tế về Thiết bị và mạch tích hợp tại Việt nam năm

2 0 1 1(ICDV 2011) tại Hà Nội tháng 8/2011

• 01 báo cáo tại Hội thảo Quốc tế về Các hệ thốno, truyền thông (IWCS) tại Hà Nội tháng 10/2011

• 01 báo cáo tại Hội nghị Quốc tế về Tính toán thône, minh, mô hình và mô phỏng (CIMSim 2012) tại Kuantan, Malaysia tháng 9/2012

• Đăng 04 bài báo KH:

- 01 bài báo KH đăng trong Proceeding Hội nghị Quốc tế về Thiết bị và mạch tích hợp tại Việt nam năm 2 0 1 1(ICDV 2011) tại Hà Nội tháng 8/2011, trang 117-122, ISBN: 978-4-88552-258-1 C3055

- 01 bài báo KH dăne; trona Proceeding Hội thảo Quốc tế về Các hệ thống truyền thông (IWCS) tại Hà Nội tháng 10/2011, trang 84-88, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội

- 01 bài trong Proceeding Hội nghị Quốc tế về Tính toán thôna minh, mô hình và

mỏ phỏng (CIMSim 2012) lại Kuantan, Malaysia tháng 9/2012, trang 416-421, ISSN 2166-8531, ISBN: 978-1-4673- 3113-5, website: : 10.1109/CÍMSim.2012.36

- 01 bài được nhận đăng nước ngoài trên tạp chí Công nghệ thône tin hội tụ, JCIT,

2013, ISSN: 1975-9320

Sáng tạo-sáng chế:

- 01 sản phẩm là kết quả của đề tài có tên “Automatic alarm system for the overflow threshold event - WSN1" tham gia Hội chợ và triển lãm sáng tạo Quốc te tại Đài Loan năm 2011 (The 2011 Taipei International Invention show and

6

Techmart - INST in Taipei Taiwan), được eiải thưởng Huy chươne đồng do Hội

sở hữu trí tuệ sáng tạo thế giới - WIIPA, trao tặng

- 01 đơn đăng ký sáng chế số 1-201 1-01792, tên sáng chế: “Thiết bị âo dùng trong

dạy học” đã được Cục sở hữu trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ chấp nhận theo

Quyết định số 34322/QĐ-SHTT, ngày 29/06/2012

b Ket quả phục vụ thực tế:

c Ket quả đào tạo:

•Hướng dẫn 06 học viên làm luận văn Thạc sĩ (03 học viên bảo vệ năm 2011; 02học viên bảo vệ năm 2012 và 01 bảo vệ năm 2013)

•Hướng dẫn 07 sinh viên làm khóa luận TN theo hướng đề tài (03 sinh viên lớpNVCL k53Đ và 04 sinh viên lớp NVCL k54Đ )

•Hướng dần 05 sinh viên lớp NVCL k53Đ và k54Đ nghiên cứu khoa học theo hướng đề tài

- Hướng dẫn 02 NCS nghiên cứu theo hướng đề tài

d Ket quả nâng cao tiềm lục khoa học:

•Nâng cao trình độ lý thuyết, thực hành và kỹ năng về kiến thức phân lớp, các thủ tục mạng cảm biến không dây, về cách viết và thực hành nhúng chương trình cho nút mạng WSN cũng như việc thiết kế chế tạo nút mạng cho cán bộ, học viên và sinh viên tham gia nghiên cứu đề tài Sản phẩm của đề tài là hệ thống tự động cảnh báo (bao gốm 10 nút mạng cảm nhận không dây (CC1010), đầu đo áp suất, đầu đo khí CO và phần mềm nhúng tương ứng Các sản phẩm này dùng chung cho các nghiên cứu về WSN trong nhóm nRhiên cứu về WSN và toàn khoa Điện tử-Viễn thông

e T ình hình sử d ụ n g kinh phí: Kinh phí sử dụng đúng danh mục, mục đích và tiến độ Được cấp 400.000.000đ (bổn trăm triệu đồng) Đã chi 400.000.000đ (bốn trăm triệu đồng)

N Ộ I D U N G •

I Đ ặ t vấn đề:

Đo, giám sát và cảnh báo những sự cố bất thường một cách thường xuyên, liên tục

và trên diện rộng được tiến hành một cách tự độne có ý nghĩa thực tiễn lớn đang trở thành hiện thực nhờ sự tiến bộ của các công nghệ vi điện tử, cône nghệ phần mềm và công nghệ chế tạo đầu đo như công nghệ micro-, nano- cơ điện từ (MEM, NEM) Một

hệ tự động đo thực hiện chức năng giám sát và cảnh báo thône, số môi trườn®, sự kiện hình thành nhờ cái gọi là mạng cảm nhận không dây - Wireless Sensore Network (WSN) Mạng này mỗi nút mạng là một vi mạch có độ tích hợp cao, kết nổi với đầu đo dạng MEM, NEM và phần mềm nhúng trong nút mạne Các nút mạng trao đổi dữ liệu dưới dạng truyền sóng vô tuyến, nghĩa là kết nối không dày (wireless) giữa chúng Mạne, không dây như vậv không cần đến cơ sở hạ tang (infrastructure) và được gọi mạng là ad-hoc

Tại sao đo, giám sát và cảnh báo thông số môi trường, sự kiện cần mạng WSN với các nút mạng là vi mạch tích hợp cao, đầu đo dạng MEM, NEM và truvền dữ liệu không dây? Vì các ứng dụng đòi hỏi triển khai các nút mạng khắp nơi, trong mọi địa hình, và không cần quan tâm đến vấn đề cung cấp điện cho các nút mạng đó trong một thời gian dài Chỉ có các nút mạng WSN là thỏa mãn được các yêu cầu này một cách

lý tưởng

Có nhiều thông số môi trường, sự kiện rất đáng quan tâm, giám sát và báo động, thí

dụ sự ô nhiễm khône khí tại một địa điểm nào đó hoặc tình hình mưa, lù trên sông suối Neu đo được chính xác, thường xuyên, liên tục và tự động cảnh báo thì có ý nghĩa lớn Đe tài “Nghiên cứu các giao thức hiệu quả cho mạng cảm nhận không dây (WSN- Wireless Sensor Networks) - ứng dụng trong các hệ thống tự dộng cành báo hiêm họa” hướng đến ứng dụng thực tiễn một cách hiệu quả

Hệ thông tự động cảnh báo hiểm họa là hệ thống được xây dựng trên cơ sở mạng cảm nhận không dây (WSN) Nó theo dõi và giám sát môi trường, sự kiện không cần

sự can thiệp của con người Khi môi trường hoặc sự kiện ờ trong tình trạng khẩn cấp, không an toàn hoặc nguy hiểm thì hệ thống sẽ tự động cảnh báo để có thể kịp thời đổi phó, tránh các thiệt hại về người và tài sản Tuy nhiên vấn đề đặt ra cho nghiên cứu là làm sao để thông tin thu được là tin cậy và hệ thống làm việc hiệu quả, ôn định, lâu dài Đe giải quyết, đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề: Chọn mô hình truyền thông cho mạng cảm nhận không dây, nghiên cứu và áp dụng giải thuật xuyên lóp giữa lớp liên kêt dữ liệu và lớp định tuyến (lớp mạng) đưa lại độ tin cậy và hiệu quà năns, lượng cho mạng WSN Thiết kế, xây dựne thử nghiệm mạng không dây (gồm một sổ nút mạng cảm nhận và một nút cơ sở); Thử nghiệm một vài loại đầu đo (áp suất, khí độc

CO) và ghép nối với nút mạng không dây; Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả vận dụ ne các giải thuật đã nghiên cứu trên hệ thống, đồng thời thảo luận và đề xuất tiếp theo.

Tổng quan về mạng cảm nhận khôns đây; Nghiên cứu về mô hình vô tuyến đặc thù của mạng cảm nhận không dây, trên ca sở đó xác định các giải thuật cần xây dựng nhằm mục tiêu hiệu quả năng lượng và đạt độ tin cậy cao về dữ liệu trao đổi trên mạng Thiết kế chế tạo nút mạng, ghép với đầu đo khí độc; Xây dựne giải thuật các giao thức đã chọn và viết phần mềm nhúng vào nút mạng để thực hiện các giải thuật

đã nói Hình thành hệ thống tự động cảnh báo hiểm họa bao gồm các nút mạng, đầu

đo, máy tính kết nối Internet và các phần mềm tương ứng Một số thử nghiệm để minh chứng và đánh giá hiệu quả vận dụne, lý thuyết đã nghiên cứu đề xuất

III Địa điêm thòi gian và phương pháp nghiên cứu

Các nghiên cứu được tiến hành tại phòng thí nghiệm bộ môn Các hệ thống Viễn thông và bộ môn Điện tử- Kỹ thuật máy tính, khoa Điện tử-Viễn thông, trường ĐHCN-ĐHQG HN

IV Nội d ung và kết quả nghiên cứu

Mỏ đầu

Khái niệm về mạng được hiểu là tập hợp các máy tính (gọi là nút mạng - node) được nối với nhau bằng đường truyền vật lý (gọi là các liên kết - links) theo một kiến trúc nào đó (gọi là cấu hình - topology) và làm việc theo những quy tắc quy ước nhất định (gọi là thủ tục - protocol) Mạng cảm nhận không dây (Wireless sensor network, viết tắt là WSN) có những điểm giống và khác định nghĩa trên Nó cũng có các nút mạng - nodes, nhưng không phải là máy tính mà là một mạch tích hợp (IC), thường gọi là vi điều khiển (microctronler) Nó cũng được kết nổi với nhau bằng các liên kết nhưng không phải bằng sợi cáp hữu tuyến mà bằng vô tuyến (wireless), sóng radio Nó

có kiểu kiến trúc bất định, ad-hoe khi trao đổi dữ liệu có thể xem là dạng lưới (mesh),

chỉ khác dạng lưới có dáy ở chỗ, những kết nối này không thường xuyên bền vững Có

một điểm khác về cơ bản của WSN với mạng máy tính thông thường là mỗi nút mạng

ở đây có găn một đâu đo (sensor) đê đo thông sô môi trường tại nơi đó Dừ liệu truyên trên mạng là những thông tin mà nút mạng thu nhận được tại nơi đặt nó gửi về nút cơ

sờ (base node) Sự phong phú của dữ liệu tùy thuộc số lượng các đầu đo gắn vào nút mạng (áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, độ rung động, độ ồn, nồng độ pH, độ bụi, độ mặn, khí dộc .) Thông tin cỏ thể truyền dịnh kỳ, thường xuyên, theo thời gian thực về nút cơ

sở, tùy thuộc vào chương trình nhúng trong nút mạng Chương trình nhúng trong nút mạng quy định cách thức làm việc của mạng, khái quát hơn đó là thủ tục mạng

Nghiên cứu thuộc tính vô tuyến chỉ ra rằng các liên kết không dây giữa các thiết

dữ liệu rõ ràng gồm vùng vô tuyến kết nối đầy đủ, vùng chuyển tiếp và vùne không kêt nôi (hình la) Trong vùng chuyển tiếp, việc nhận dừ liệu rất khác nhau Trong thực

tê chât lượng vô tuvến bị ảnh hường chung bời hiệu ứng đa đườns, phản xạ, khuếch tán, tán xạ và sự suy giảm

Hiệu quả truyền thông ỉà lĩnh vực lớn trong đó có hiệu quả năng lượng Vê phần cứng xem xét đến vi điều khiển công suất thấp, mạch vô tuvến và thiết kế anten nhăm giảm năng lượng tiêu thụ trone phân phối dừ liệu Phần mềm chú ý đển thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) giảm sự cạnh tranh mạne aiảm số lần truyền lại Các thủ tục bao phủ cho phép giám sát một không gian địa lý rộne lớn với tiêu thụ năng lươne lối thiểu Phương pháp thỏa thuận dữ liệu giảm số thông báo gửi trong khi vẫn phân phối thông tin điều khiển đầy đủ Kỹ thuật nhớ nhanh dữ liệu dùng cho những ứng dụng khi có nhiều nút cơ sỡ (nút sink) cùng tồn tại và sử dụng nhớ nhanh (cache) để cập nhật và phân phối dữ liệu tới nhữne; nút lá (leaf) với tốc độ cao Các

10

thiêt kê thủ tục xuyên lớp điều khiên thâm nhập môi trường và lớp định tuyến với nhau

để thu hiệu quả tốt hơn khi sử dụng các thủ tục đó riêna biệt

IV.2 Mô hình truyền thông m ạng WSN và các giao thúc hiệu q u ả cho m ạng v.2.1 Mô hình truyền thông và thủ tục M A C m ạng WSN

Mô hình một liên kết không tin cậy (p, q) giữa A và B, trong đó p là tỉ lệ phân phôi gói từ A đẻn B và q là tỉ lệ phân phối gói từ B đến A Neu p hoặc q không đạt 100% thì phải truyền lại (hay hồi phục) các gói mất để bảo đảm tin cậy

Dùng để phân loại và chọn liên kết có thể sử dụng thước đo LQI - chỉ thị chất lượng liên kết, là chuẩn 802.15.4 LQI xấp xỉ xác suất nhận gói trên liên kết Mô hình xem một liên kết như một vec tơ xác suất (p, q) nhận gói theo hai hướng thuận và ngược Môi t ư ơ n ơ quan giữa các giá trị trung bình LQI và xác suất nhận gói là 0,9 (Hệ số tương quan Pearson giữa 2 biến này) vì vậy LQI là chỉ thị đo tốt của tỉ lệ nhận gói

Hiệu quả đ ư ờ n g dẫn [12].

Gọi EPB là thông sổ tiêu thụ năng lượng trung bình cho mỗi bít dược phân phối

từ n^uôn đến đích, EPB đặc trưng cho hiệu quả truyền thông và được quyết định bởi các yêu tố như cơ cấu hồi phục gói lớp liên kết, cách chọn đường ở lớp định tuyến, vị trí tương đối của nguồn và đích và cấu hình mạng

Chọn giải thuật truyền thông nào để giảm thiểu được EPB? Chúng ta chọn giải

thuật mat gói chậm làm việc trong lớp liên kết dữ liệu cho mục tiêu đó.

Trước hết ta xem xét hiệu quả dưòng dẫn với giả thiết thông số hiệu quả đường

dẫn là )], cho đường dẫn với 11 bưức nhảy, tổng số các trao đổi có ích là N gói và mỗi gói dài Ư(bit), s là tổng số bít mà tất cả các nút truyền trcn đường dẫn này Ta có:

Giả sử đường dẫn có n liên kết, liên kết Li có xác suất nhận gói hướng thuận với xác suât pi và nhận gói hướng ngược với xác suất qi Rõ ràng với liên kết đơn giản, hiệu suất đường dẫn ?7 qua liên kết đơn không thể cao hơn xác suất nhận gói hướng thuận của nó p Vì trao đổi có ích có thể chỉ có luồng hướng thuận, nếu nơi gửi gửi N

gói, chì có pN gói được phân phối thành công Do vậy, giới hạn trên của t] ở mức

Để tìm hiệu quả cùa đườne dẫn qua nhiêu liên kêt ta eiả thiết rằng nơi gửi K bít đến được nơi nhận qua n bước nhảy Giả sử tons số trao đổi qua liên kết Li theo cả hai hướng là Mi bít Đối với liên kết Li ta có:

Do vậy, giới hạn trên vê hiệu quả đường dân 7/ qua nhiêu bước nhảy là !_1 Pi Sử

dụng giới hạn này ta có thể nghiên cứu các mô hình truyền thông tin cậy

Hiệu quả đ ư ờ n g dẫn của các p h ư o n g p háp truyền thông.

Mô hình truyền thông được xem ỉà tin cậy gồm có phương pháp thời gian nohỉ (gọi là timeout), phương pháp phát hiện mất gói chậm (gọi là chuỗi treamì và truvền thông không tin cậy là phương pháp nỗ lực phân phổi (gọi là noack)

Phương pháp thời gian nghỉ :V ới phương pháp thời gian nghỉ, nơi gửi dựa vào bộ định thời để điều khiển truyền lại Neu đến thời gian xác định trước, nơi gửi không nhận được nhận biết (ACK) từ nơi nhận, nó cho rằna gói dữ liệu bị mất và eửi lại tó i

dữ liệu

Hiệu quả như thế nào đổi với một lần truyền dữ liệu trên một bước nhảy qua liên kêt với xác suất nhận (p, q) sử dụng phương pháp thời gian ne,hỉ? Vì tỉ lệ ẹói phân phôi thành công được tổ hợp cho một chu trình trao đổi gói (nghĩa là cho một cặp gói

dừ liệu và nhận biết) là pq, nơi gửi phải gửi gói dữ liệu 1/pq lần mới phân phối thành công cả hai gói dữ liệu và nhận biết tươne ứne Vi nơi nhận chì nhận biết nhừne gói

dữ liệu mả nó nhận được, nó phải gửi n /p q ) X p hoặc 1/q gói nhận biêt Giả sử tỉ sô độ

dài gói nhận biết và gói dữ liệu ỉà Ả Hiệu quả đườne dẫn !] qua liên kết này trở thanh

p q /( 1 +pẰ) Khi Ẵ —■> 0, hoặc gói dữ liệu đủ lớn so với gói nhận biết, 7/ dần đên pq.

Phương pháp phát hiện mất gói c/ỉậm.Trona, giải pháp thời gian nghỉ, nơi gửi

nhận biết mất gói căn cứ vào các gói nhận biết từ nơi nhận Nỉiưng do liên kêt ngược không hoàn thiện, làm mất gói nhận biết nên nơi gửi phải truyền lại cả những gói dữ liệu đã gửi thành công Dê tránh được vấn đề này, phải dùng tô hợp kỹ thuật nghe lỏm

và đếm số tuần tự gói Nghiên cứu 3 ngữ cảnh của mô hình truyền thông sau để làm sáng tỏ vấn đề là phát hiện mất chậm, nhận biết rõ ràng và hiệu quả đường dẫn Cơ cấu truyền thông như thể hiện trên hình 3

yéu cầu truyền lại gói 3

k h i g ó i 4 đ ê n B - - - * p h a t h iệ n

m á t g ó i

T n g h e lo m tr u y è n lạ i g ó i 3

g o i 3 Ipacka.5 _ * - -;

r n g h e lo m — — Packed ò ^

g ó i 6

Hình 3: Cơ cấu chính phát hiện mất gói chậm

Các gói được gửi ra Iheo thứ tự ở mỗi nút, mặc dù chúng dược nhận không theo thử tự Ở đây A gửi ra tổng số 6 gói, gói 3 bị mất trên đường từ A đến B Khi B nhận gói, thấy không đúng số tuần tự, phát hiện mất gói 3 và yêu cầu truyền lại Sau đó gói

3 được truyền lại

Phát hiện mat gói chậm Thí dụ gói 3 bị mất nhưng đến khi B nhận gói 4 từ A thì mới

phát hiện ra, vì vậy gọi là phát hiện chậm Nơi nhận B gửi gói yêu cầu truyền lại (RRP) Vì liên kết B-A khône hoàn chỉnh nên phải nhiều lần gửi gói RRP tới A theo dịnh kỳ với những khoảng thời gian lớn hơn thời gian một lần thuận ngược cho đên khi hồi phục được gói mất Để duy trì tuần tự gói, ở B phải có đệm lưu dữ liệu tạm thời các gói gửi đến trong thời gian gửi gửi gói RRP

Nhận biết rõ ràng:Đè trà lời các gói RRPs, nơi gửi phải đệm các gói và chỉ xóa chúng

khi biết chắc nơi nhận không có yêu cầu truyền lại Nơi gửi dựa vào nhận biết rõ ràne xuất phát từ 2 nguồn Thứ nhất là tính quảng bá của liên kết không dây, A thường xuyên nghe lỏm theo hướng neược các gói gửi từ B đến các nút Như vậy nghe lỏm là nguồn nhận biết rõ ràng đầu tiên Mỗi lần A nghe lỏm được gói do B chuyển mạch gửi

đi, nó xóa gói đó khôi đệm

Khi nhận gói RRP, A cho rằng tất cả các gói trước gói mất đã nhận thành công ;

A sẽ gửi lại gỏi theo yêu câu (gói bị mât) Do vậy gói RRP được dùng như nhận biết rõ ràng thứ hai Trên hình 3, khi B gửi báo mất gói 3, A cho rằng các gói trước gói 3 đã nhận tôt và xóa chúng khỏi đệm Kỹ thuật đếm số tuần tự gói và nhận biêt rõ ràng đã được sử dụng ở đây

Hiệu quả đường của phá t hiện mat gói chậm X em xél hiệu quả đường Y] trong mô hình

truyên thông chậm với Ầ là tỉ sô giữa độ dài góì RRP và gói dữ liệu Trên một liên kết,

xác suất truyền thành công gói đầu tiên là 1-p Với liên kết có tỉ lệ phân phổi (p,q), số gói RRP tuân theo phân bố hình học với thông sổ pq và số trung bình RRP gửi là 1/pq

Ở phía gửi chỉ trả lời gói RRP nào nó nhận được nên số truna bình truyền lại sói mất

là 1/p Như vậy hiệu quả đườns sẽ là [11 Ị:

l/ p+ {l ~ p ) X / p q 7 + ( l - p ) A ( l ị

Từ đó cho thấy khi độ dài gói dữ liệu đủ lớn so với gói RRP thì Ả —> 0, Y] —> p Ở đây p

là giới hạn trên về hiệu quả một liên kết đơn Như vậy nhờ phát hiện mất gói chậm tìm

ra eiới hạn trên của hiệu quả đường dẫn Ket quả này còn chì ra cần sử dụng những kỹ

thuật khác nhau như thỏa thuận dữ liệu để tăng độ dài gói dữ liệu và eiảm Ả Có thê thu

được giá trị tiêu thụ năng lượng của bít EPB trên liên kêt này [11]:

p PQ p PQ (2)Thước đo này được kết hợp vào thiết kế lớp định tuyến để cải thiện hiệu suất đườngcủa chuỗi dữ liệu (gọi là mô hình chuỗi)

Ý nghĩa của truyền th ô n g tin cậy.

So sánh 3 phương pháp truyền thông lên hiệu quả đường khi qua nhiều bướcnhảy: phương pháp phát hiện mất gói chậm (stream), phương pháp thời gian nghỉ(timeout) và phương pháp nỗ lực phàn phối (noack) Hiệu quả dường dẫn cuối-cuối sẽ

Giã sừ chất ỉượng ỉiẻn kết p qua các liên kél khác nhau xấp xi V và q xáp xi ’

Trong trường hợp đơn giản ta có:

So sánh (8) với các biểu thức (7) và (6) cho thấy sự khác nhau giữa phương pháp nỗ lực phân phối (noack) và các phương pháp truyền thông tin cậy (stream và timeout) Hiệu quả đường dẫn của phương pháp noack, liên quan đến sô bước nhảy, trong khi hiệu quả đườne dẫn của các phương pháp tin cậy thì không Do vậy phương; pháp truyền thông noack khôns hồ trợ đườns, dẫn dài Điều này còn rõ hơn nếu ta

cưỡng bức Ằ —» 0 và yV —>oo, thì thu được:

Phân tích yêu cầu n hớ đệm.

Trone phươne; pháp truyền tin cậy phát hiện mất gỏi chậm, các gói dữ liệu nơigửi và nơi nhận đều cần bộ nhớ đệm để lưu tạm thời các gói dữ liệu Vậy với một tập hợp các liên kết, kích thước đệm như thế nào để tránh được mất gói? Đe bảo đảm không xẩy ra mất gói, thứ nhất phải phát hiện các gói mất trước lúc xóa đệm, thứ hai phải hồi phục được gói mất

Xác suất gói mất không dược phát hiện tươna đương xác suất eói nhận được không có sô tuân tự gói (khi đó gói bị mât đã bị xóa khỏi đệm) Với kích thước đệm là

N và liên kết với xác suất nhận là (p, q), xác suất thất bại của việc xác định gói mất là (l-p )N Trong thực tế, ta muốn xác suất này đủ nhô, thí dụ nhò thua 10"3 Do vậy ta có:

(1 - p f < 1CT3 => N > - - r

/0 3 1 0(1 - p ) (12)Dane, thức 19 là sự ràng buộc liên quan kích thước đệm của mỗi nút với xác suất nhậngói của lên kết Thí dụ khi giã thiết p=q trong tất cả trường hợp và mô phỏng vớinhững giá trị p khác nhau, với liên kết rất ít tin cậy (0,5/0,5), yêu cầu kích thước đệm

là 16 gói Thiêt kê phải thích hợp với tài nguyên hạn chê của nút mạng

Kết luận

Từ những phân tích trên, ta thấy mô hình vô tuyến phát hiện mất gói chậm cho hiệu quả đường truyền tốt nhất trên các liên kết ít tin cậy Đây là giải pháp được lựa chon để điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) và hồi phục mất gói lóp liên kết cho

hệ thống tự động cảnh báo hiểm họa trên cơ sở mạng WSN

IV.2.2 C ác nghiên cứu về đ ịn h tuyến m ạng WSN

Giao thức định tuyển của lớp mạng được phân loại và thiết kế tương ứng với thủ

hiện có sự kiện xảy ra nút sẽ gửi thôno báo tới trạm cơ sở tương ứng, thông thường thì nút không thể gửi dữ liệu trực tiếp từ nó tới trạm cơ sở, bởi vậy nó cần phải truyền đa bước qua các nút trung gian để gửi dữ liệu tới được trạm cơ sở Truyên đa bước giảm công suất tiêu thụ tập trung trên một nút mạng do chia đều cho các nút, điều đó làm tăng thời gian sống của mạng Đe định tuyên, mỗi nút mạng cảm nhận sẽ phải xây dựng và cập nhật bảng định tuyến Thí dụ mịnh họa cấu hình mạng và các bảng định tuyến trên hình 4.

Hình 4: Định tuyến truyền đa bước, từ nút s tới nút D (a); Bảng định tuyến của nút (c, b)

Theo đó mỗi nút trung gian sẽ quyết định nút hàng xóm nào sẽ được lựa chọn để chuyển tiếp gói dữ liệu tới đích Cách chuyển tiếp đơn giản nhất là làm tràn ngập mạng (flood), nó sẽ gửi gói tin tới tất cả các nút hàng xóm cho tới khi gói dữ liệu tới được trạm cơ sờ, để tránh hiện tượng quay vòne trong mạng mỗi nút chỉ chuyên tiêp một gói dữ liệu một lần bằng cách gán thêm thông số để xác định gói tin Tuy nhiên ngay cả khi gói tin đó đã tới đích rồi thì vẫn có khả năng nó được chuyển tiếp trên

16

mans, vì thê càn phải đưa vào một thông sô giới hạn sô bước nhảy, thông sô này gân như thôns sô TTL trong mạng IP.

v ề cơ bản, giao thức định tuyến írong mạng cảm nhận không dây được chia thành 2 nhóm giao thức chính: Nhóm giao thức bình đẳng và nhóm giao thức không bình đăng hay còn gọi là nhóm giao thức nút chính hoặc nhóm giao thức phân cấp

a Nhóm giao thức phân cấp có một nút đặc biệt được gọi là nút chính thực hiện chức năng bảo trì, cập nhật các nút khác vào một nhóm Mọi gói dữ liệu được tổ chức trong nhóm trước khi gửi về nút chính, sau đó nút chính sẽ sử dụng thông tin định tuyến chuyên tiếp dữ liệu này về trạm cơ sở Dưới đây liệt kê một vài giao thức định tuyến thuộc nhóm này

Giao thức L E A C H là định tuyến phân câp tương thích năng lượne thấp (Low Energy

Adaptive Clustering Hierachy) Nút chính thu thập dữ liệu từ các nút thuộc nhóm của

nó, tông hợp lại rôi gửi tới trạm cơ sở Một thuật toán được sử dụng đê chọn ra nút chính dựa vào đánh giá năng lượng của từng nút, nếu nút trở thành nút chính nó sẽ thông báo cho các nút hàng xóm, các nút khác tham gia vào nhóm dựa trên thông báo

mà nó nhận được LEACH được dùng trong mạn^ cảm biến các nút là cổ định, bình đẳng và giả thiết các nút luôn có dữ liệu để gửi với tốc độ dữ liệu là cố định Các nút chính được thay đổi luân phiên nên năng lượng tiêu thụ trên các nút là khá cân bằng

Giao thức T E E N là giao thức ngưỡng năng lượng hiệu quả (Threshold Sensitive

Energy Efficient Sensor Network) phân loại mạng cảm biến thành 2 nhóm tích cực và thụ động Mạng tích cực theo dõi thông sô môi trường cách liên tục, tốc độ dữ liệu là

cố định Mạng thụ động chỉ truyền dữ liệu khi có sự kiến quan tâm xảy ra do vậy lượng dữ liệu truyền là không cân bằng, giao thức TEEN được thiết kể cho loại nút mạng này

b Nhóm giao thức bình đang, các nút mạng có vai trò nỉnr nhau, mỗi nút xây dựng bảo trì bảng định tuyến của riêng mình đổ chuyển tiếp dữ liệu Dưới đây là một vài giao thức thuộc nhóm này

Giao thức S A R là phân tuyến sắp xếp liên tiếp (Sequential Assignment Routing) dựa

vào aăng lượng và chât lượng dịch vụ trên môi tuyên và mức độ ưu tiên của gói tin để quyêt định Mỗi nút sẽ duy trì nhiều tuyến tới trạm cơ sơ cùng một lúc để tránh tình trạng quá tải hoặc một tuyến liên kết bị lỗi Mồi nút kết hợp 2 thông số, chất lượng dịch vụ và năng lượng trong mỗi tuyến, trong đó năng lượng được xác định bàng số gói tôi đa có thể định tuyến mà không cần thay thế năng lượng nếu như vẫn sử dụng tuyên đó Thủ tục tái lập lại tuyên từ nút cở sở để kịp thích ứng khi cấu hình mạng thav đôi, sửa lỗi thực hiện bằng bắt tay giữa các nút hàng xóm với nhau

Giao thức khuếch tán trực tiếp (Dirrected Diffusion) tổng hợp dữ liệu để sử dụng

tin dư thừa, trôi ưu hóa sổ gói tin phải gửi, tiêt kiệm được năng lượng cho toàn mạne Khác mô hình định tuyến tập trune địa chỉ (address centric- AC) cần tìm đườns đi ngăn nhât tới nút cơ sờ và các nút gửi dừ liệu độc lập theo tuyến neấn nhất về nút gốc

còn mô hình tập trung dữ liệu, dữ liệu được tập trune ở một nút trước khi gửi về nút cơ

Giao th ứ c t ự thương lượng là một nhóm các giao thức, phát tán thông tin của một nút

tới tât cả các nút khác Giao thức này tránh được chồng chéo thông tin qua thương lượng Nó sử dụng 3 loại bản tin để giao tiếp:

- ADV khi một nút có dữ liệu để gửi đi nó sẽ quảng bá bản tin này

- REG khi một nút muốn nhận dữ liệu nó sẽ gửi bản tin này tới các nút khác

- D A T A gói tin dừ liệu bao gồm cả tiêu đề điều khiển chứa thônẹ tin mô tả

thương lượng Chúng gồm những giao thức: SPIN - p p cho truyền thông điểm điểm, 2

nút có thể giao tiếp với nhau mà không ảnh hường tới truyền thông của các nút khác Khi nút có dữ liệu I1Ó sẽ gửi ADV tới nút hàng xóm, nếu nút nào muốn nhận thông tin

đó sẽ trả lời bàng bản tin REQ Khi đó nút gửi ADV sẽ gửi gói dữ liệu tới nút gửi REQ Và quá trình cứ tiếp diễn như vậy;

Giao thức SPIN - EC là sự bổ sung thêm thủ tục xác định năng lượng so với

giao thức trước Một nút chỉ tham gia quá trình nếu như nó có thể thực hiện các giai đoạn của giao thức mà năng lượng không xuống dưới ngưỡng cho phép;

Giao thức SPIN BC dùng cho kênh quảng bá, ưu điểm là mọi nút hàng xóm

đều nhận đirực bản tin quảng bá, nhược điểm là các nút sẽ ngừng truyền nếu như kênh

đã được sử dụna Điểm khác của giao thức này với các giao thức trước là các nút sẽ không gửi bản tin REQ khi nhận được gói ADV, mà sử dụng thời gian trễ ngẫu nhiên

để gửi gói REQ đi

c So sán h giữ a giao th ứ c định tuyến p h ân cấp và bình đ ăn g

G i a o t h u c đ ị n h t u y ê n p h â n c â p G i a o t h ứ c đ ị n h t u y ê n b ì n h đ ă n g

C ó thê lập l ị c h p hân ch ia h o ạ t đ ộ n g C ạ n h tra n h truy cập

T r á n h x u n g đ ộ t tôt K h ả n ă n g x u n g đ ộ t cao

D ữ liệu đ ư ợ c tập tru n e tại n ú t c h ín h N ú t trên tu y ên đ a b ư ớ c n h ậ n d ữ liệu từ n ú t h a n g x ó m

Đ ơ n g iả n n h ư n e k h ô n g tối ư u C ó thể tôi ư u địn h tu y ế n , n h ư n g sẽ p h ứ c tạp

C ó thê đ iêu khiên n ă n g lư ợ n g tiê u thụ tư ơ n g ú n g với

lư u lư ợ n g lấy m ẫ u Phải đ ả m b ả o tu y ên tr u y ê n đ a b ư ớ c

c h o các n ú t c h í n h X â y d ự n g n h iều tu y ế n tr u y ề n c h o các nút trung gian

18

Vị trí triển khai

Đ ộ P hứ c tạp

T ru y ền đa tuyến

Tập trung dữ liệu

Tụ thưưng lưọng

c Xu hưóng định tuyến trong tương lai của mạng cảm biến không dây: Mặc dù có

nhiều giải pháp định tuyến, tuy nhiên vẫn còn những thách thức nhằm nâng cao hiệu suất và thời gian hoạt động của mạng Một vài xu hướng phát triển là: Kĩ thuật mạng không cân bằng sẽ là một lĩnh vực được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng; Tận dụng

sự phát triển về tài nguyên và khả năng của nút để xử lý dữ liệu thô thước khi gửi vềnút cơ sở, nhằm tiết kiệm năng lượng trong các mạng lớn; Do vấn đề năng lượng, một nút hoặc nhiều nút có thể ngừng hoạt động, yêu cầu mạng phải có khả năng tự tổ chức lại để hoạt động tốt

Phần tiếp theo sẽ trình bày một số nghiên cứu của dề tài về các giao thức định tuyến thuộc nhóm giao thức phân cấp

IV.2.2.1 Giao thức cây bắc cầu [3]

Mạng được tổ chức theo sơ đô hình cây theo dạng sau:

Hình 5: Mô hình dạng cây

nghiệm phương pháp truy cập mạng và cách tìm đường đi cho dừ liệu trên cơ sở lập trình nhúng cho các nút mạng và tiến hành một sổ phép đo Cụ thể là dùng phương pháp thăm dò (polling) và phương pháp tìm đường dựa trên bảng định tuyến dạng cây theo cấu hình mạng trong thử nghiệm đo nhiệt độ và áp suất

T ru y cập đ ư ò n g tru y ề n

Hệ thông mạng không dây có chung một môi trường truyền dẫn, đó là vùng không gian bao phủ các nút mạng Tại một thời điểm chỉ được phép có 1 nút mạng truy cập môi trường truyền Nút mạng Master chịu trách nhiệm điều khiển việc truy cập môi trường truyền này Định kỳ, sau một khoảng thời gian nào đó (trong thử nghiệm này chọn 2 giây) Master gửi lệnh thăm dò các nút (bắt đầu từ nút 2 cho đến nút 11) sau đó quay lại từ đầu (về nút 2) và cứ tiếp tục như vậy Khoảng thời gian giữa các lân thăm dò (2 giây) là thời gian Master chờ nhận dữ liệu từ nút được thăm dò

Tìm đường

Tại một nút Slave bất kỳ, có thể nhận được hoặc lệnh truyền từ nút cha (trường hợp chuyển tiếp lệnh thăm dò từ nút Master) hoặc dữ liệu truyền từ nút con (trường hợp chuyên tiếp dữ liệu về Master) Thuật toán chuyển tiếp gói tin như sau:

Neu nó nhận được lệnh truyền từ nút cha, nó sẽ kiểm tra địa chỉ đích (EndPoint):

o Nêu địa chỉ đích là địa chỉ của chính nó, nó sẽ gửi dữ liệu về cho nút cha

o Neu không, nó sẽ tìm trong bảng địa chỉ:

• Nếu tồn tại một đường đi từ nó tới nút đích, nó sẽ chuyên tiếp gói tin tới chặng tiếp theo Chặng tiếp theo chính là nút con của nó có khả năng tới đích

• Nêu không tồn tại đường đi thì không làm gì cả

Nêu nó nhận được dữ liệu truyền từ nút con, nó sẽ chuyển tiếp dừ liệu truyền cho nút cha

Như vậy, đối với mỗi nút Slave, khả năng tìm đường đòi hỏi phải giải quyết những việc sau:

Tìm nút con của nó có khả nănẹ tới đích để truyền lệnh thăm dò từ nút Master Tìm nút cha của nó để chuyển tiếp dữ liệu về Master

Vì mạng có dạng cây nên ta phải tìm cách biểu diễn cây một cách thích hợp sao cho dễ tìm đường nhất

IV.2.2.2 Định íuyến theo giá tối thiểu - M C F A [ 141

Giải thuật chuyển tiếp giá tối thiểu MCFA (Minimum Cost Forwarding Algorithm) cho rằng hướng định tuyến đã biết, là hướng đến trạm cơ sở cổ định bên ngoài Nút mạng không cần có ID, không cần bảng định tuyến Thay vào đó là một

20

aiá trị giá tối thiểu từ nó đến trạm cơ sờ Mỗi thông báo được nút mạng quảng bá cho các láng giềng của nó Khi một nút nhận thông báo , nó phải kiểm tra xem có còn ở trên đường giá tối thiểu giữa nút nguồn và trạm cơ sở hay không Neu còn nó sẽ quảng

bá lại thông báo cho láng giềng Quá trình đó sẽ lặp lại cho đến khi đạt đến trạm cơ sờ Như vậy với MCFA mỗi nút mạne đều biết cách tự đánh giá đường giá tối thiểu đến trạm cơ sở Quá trình này thực hiện như sau: trạm cơ sở quảng bá một thông báo với oiá bằng zero, trons khi các nút mạng thoạt đầu nhận giá tối thiểu đến nút cơ sở là vồ cùng (oo) Mỗi nút căn cứ vào thông báo quảng bá gốc nhận được đê kiêm tra xem giá ưong thông báo cộng với liên kết mà theo đó nó nhận được ít hơn giá hiện thời hay không Nếu ít hơn giá hiện thời thì đánh giá hiện thời và đánh giá trong thông báo quảng bá được cập nhật Nếu thông báo quảng bá được cập nhật thì sau đó nó được gửi tiếp, nếu không nó sẽ bị loại bỏ Tuy nhiên, thủ tục này có thể làm cho một sô nút mạng phải cập nhật nhiều lần và nút ở xa trạm cơ sở cập nhật nhiêu lân hơn nút ở gân

Để tránh điều đó, MCFA đã được sửa đổi để chạy thuật giải phản hồi ở giai đoạn cài đặt Thuật giải phản hồi cho rằng nút mạng sẽ không gửi thông báo cập nhật chừng

n à o c h ư a h ế t k h o ả n g thời g ia n a X lc k ể t ừ lúc t h ô n g b á o đ ư ợ c c ậ p nhật, tr o n g đ ó a là hàng số, còn lc là giá của lên kết nhận thông báo Chi tiết hơn về giải thuật này xem ở phụ lục A

IV.2.2.3 Giao thức T E E N [14]

Giao thức ngưỡng năng lượng hiệu quả (Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network - TEEN) này dựa trên việc phân loại mạng cảm nhận thành 2 nhóm: dạng tích cực và dạng thụ động, trong mạng tích cực thì thông số môi trường được theo dõi một cách liên tục do đó tốc độ dữ liệu là cố định Trong trường hợp nút thụ động nghĩa là chỉ có dữ liệu truyền khi có sự kiện nó quan tâm xảy ra, do vậy lượng dữ liệu truyền là không đều Thiết kể trong cônẹ trình này kêt hợp tính chât của hai loại nút mạng này Giao thức TEEN sử dụng 2 thông số do người thiết kế m ạ n g quvết định,

đó là ngưỡng cứng và ngưỡng mêm Khi giá trị giám sát vượt quá ngưỡng cứng lần đầu ticn nó lưu lại và không gửi dữ liệu đi, việc lựa chọn ngưỡng cứng liên quan tới giá trị dữ liệu mạng quan tâm Sau đó nếu giá trị theo dõi vượt qua ngưỡng gồm giá trị ngưỡng cứng cộng với ngưỡng mềm thì dừ liệu mới được truyền đi, việc này nhằm tránh gửi lại những gói tin mà giá trị không có sự thay đôi lớn so với đôi tượng dữ liệu cần theo dõi

Hạn chế của giao thức này là trong trường hợp không vượt ngưỡng nút khône bao giờ gửi dữ liệu về mạng và như thế ngay cả khi mạng không làm việc ta cũng không nẳm được Ngoài ra trong trường hợp cảnh báo sự cố, giới hạn nguy hiểm của đổi

Đê xây dựng một hệ thống tự động hoàn thiện cho mục dích giảm sát và cảnh báo

sự cố, giải thuật TEEN thône thường được chúng tôi cải tiến và hoàn thiện [11] nhàm khăc phục các nhược điểm nêu trên Nghĩa là hệ thống mà tại nút cơ sờ nhận thông tin giám sát đầy đủ theo thời gian định kỳ, đồng thời những thông tin thay đổi đột ngột các thông số giám sát và thông tin vượt ngưỡng an toàn của đối tượng siám sát Hệ này tuy vậy phải bảo đảm tiết kiệm năng lượng cho mạng

IV.3 Thiết kế, xây dựng thử nghiệm mạng cảm nhận không dây

T t ĩ t : '

\ ■

• G

Hình 6: Các thành phần của nút mạng WSN

Các nút mạng cảm nhận loại nhỏ gồm có vi xử ỉý 8 hít, bộ nhớ RAM dun"

l ư ợ n g 10 đến 100KB, bộ nhớ flash 100 đến 1000KB; loại lớn gồm CPUs 32-bit, nhiều megabytes bộ nhớ RA M và nhớ Flash Các núl mạng hạt bụi -Motes, đại diện cho loại thiết bị nhò Thí dự nút mạng Mica-2 motes dùng bộ xử lý nhúng Atm egal28, làm việc

ở nhịp clock khoảng 4MHz, bộ nhớ Flash 128KB lưu mã chương trình, RAM 4KB, 8- kênh biến đổi tương tự-số, 48 đường vào /ra số, một ƯART và một giao diện nối tiếp SPI Các tiêu chí chọn vi điều khiển (VĐK) làm nút mạng như sau: Tiêu thụ năng lượng thấp; Tích hợp ADC để có thể ghép nối với dâu đo tươns tự; Bộ nhớ chương trình cũng như bộ nhớ dừ liệu có kích thước hợp lý; Kích thước vật lý nhỏ; Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ dàng và thuận tiện như: sử dụng

22

ngôn ngữ câp cao, có các thư viện hô trợ cho việc cảm nhận cũng như truyên nhận khôna dây, hỗ trợ gỡ lỗi ; Giá thành rẻ.

Có một số họ VĐK phổ biến trên thị trường thoả mãn các tiêu chí trên, như họ VĐK MSP430 của Texas; họ VĐK ATMEGA của Atmel và VĐK CC1010 của hãng Chipcon Hai họ VĐK đầu không tích hợp truyền nhận không dây, nếu sử dụng chúng

sẽ phải thêm mạch truyền nhận không dây bên ngoài, xây dựng hệ thống sẽ phức tạp VĐK CC1010 được chọn vì nó có tích hợp truyền nhận không dây bên trong, trong công trình này đă chọn c c 1010

Các đặc điểm chính của CC1010: Thu phát không dây 300-1000 MHz, lập trình được; Dòng tiêu thụ rất thấp (9,1 mA trong chế độ nhận); Độ nhạy cao (-107 dBm);

Có thể lập trình cho cône suất đầu ra tới +10 dBm; Tốc độ truyền RF có thể đạt 76.8 kbiưs; Cần rất ít thành phàn ngoài; Đo được cường độ RF (RSSI); Tương thích họ VĐK 8051; 32 kB Flash, 2048 + 128 Byte SRAM; 3 kênh ADC 10 bit, 4 timers / 2PWMs, 2 ƯARTs, RTC, Watchdog, SPI, mã hoá DES, 26 cổng I/O; Có khả năng gỡ lỗi bằng cách sử dụng chương trình dịch Keil |iVision2 IDE qua cổng nối tiếp; Điện

áp 2.7 - 3.6 V; 64-lead TQFP (Thin Quad Flat Pack) Kỹ thuật khai thác cụ thể các đặc điểm CC1010 chỉ ra trong phụ lục B:

M odule CC1010EM : Để dễ dàng và thuận tiện cho việc phát triển các ứng dụng sử dụng CC1010, hãng Chipcon cũng cung cấp module CC1010 EM (Evaluation Module) như hình 7, trcn đó tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho việc xây dựng một nút mạng như: VĐK CC1010; Dao động thạch

anh; Antena; Một đầu đo nhiệt độ đưa vào chân AD1; Các chân cổng Trong đề tài này

thử nghiệm sau này đã cho thấy rang module này đã đáp ứng được các chức năng cơ

bản nút mạng đỏ là chức năng mạng và chức năng cảm nhận Vi điều khiển này tương

thích họ 8051 thông dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình c và chương trình dịch Keil

viêt chương trình là dễ dànẹ và thuận tiện Đe module CC1010EM trở thành nút mạng dùng được trong thực tể, đề tài thực hiện việc chế tạo khối mở rộng dể giao tiếp các đàu đo, các cons và nsuồn nuôi được thuận lợi Hồ sơ kỹ thuật thiết kể cụ thể phần mở rộng này tạo ra các loại nút mạng khác nhau trình bày trong phụ lục E.

IV.3.2 Chọn đ ầ u đo, ghép nối vói nút mạng:

IV.3.2.1 Đ ầu đo khí c o

Đôi với môi trường không khí, sự ô nhiễm do quá trình vận độns, của thiên nhiên cũng như các hoạt động phát triển của con người Trone, các khí thải độc hại do con người tạo ra như S 0 2 , NOx, CO, C 02, 0 3 , bụi, thì c o là chất khí rất nguy hiêm Sử dụng các đâu đo khí độc cho mạng cảm nhận không dây trong việc xây dựne

hệ thống cảnh báo sự cố là cần thiết và có ý nghĩa thực tế

Đâu đo khí dạng điện hóa (Electrochemical Sensors) là một lựa chọn hợp lý, được sử dựng để chế tạo đầu đo khí cho mạng cảm biến khôns; dây Đầu đo điện hóa hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa năng thành điện năng vì vậy không cân phải cung câp thêm năng lượng cho đầu đo, mặt khác mạch điện xử lý tín hiệu không cần phức tạp và tiêu thụ năng lượng lớn như các loại đầu đo khác

Hiện nay, đa số các đầu đo khí kiểu điện hóa đều là đầu đo 3 điện cực (một số loại có 2 điện cực và có thể là 4 điện cực) bao gồm: điện cực làm việc - working electrode, điện cực đối - counter electrode và điện cực tham chiếu - reference electrode Điện cực làm việc là một điện cực chọn lọc ion, dược bao phủ bằng một lớp mỏng dung dịch điện ly Ngoài cùng ỉà một màng mỏng, thông thirờne bang polymer Lớp màng này rất mỏng, chỉ từ 0.01 - 0.1 mm có thể cho phép khí thấm qua nhưng không cho nước hoặc ion thẩm thấu, do đó độ chọn lọc của các loại đầu đo điện hóa khá cao Điện cực và các bộ phận khác thườne được chứa trone một vỏ nhựa, phía trên

có một lỗ đê khí đi vào trong và phía dưới là các chân dẫn điện nối từ các điện cực ra bên neoài Câu tạo chunẹ của một đầu đo có thể biểu diễn trên hình vẽ 8

Khí cân đo thấm qua lớp màng mỏng polymer đi vào ìớp dung dịch điện ly Tại đây nó tham gia một cân bang hóa học, có thế tiêu thụ hoặc sinh ra các ion được điện cực chọn lọc ion phát hiện (thông thường là trường họp sinh ra hoặc tiêu thụ proton H+ và điện cực tương ứng là điện cực đo pH) Từ sự đo đạc thế hoặc dòng sinh ra lượng khí thấm qua màng, từ đó lượng khí có ở trone mẫu phân tích được tính toán Lượng khí giới hạn có the được phát hiện tùy thuộc vào lượng dung dịch điện lv trong đâu đo ít hay nhiều Ngoài sự phụ thuộc vào cấu tạo, đáp ứng của điện cực còn tùy vào thành phân của dung dịch điện ly và các yếu tố hình học của điện cực (bằng phang, nhám, diện tích bẽ mặt điện cực )

24

cấu tạo chung của đầu đò điện hóa

1 - Thân đ ầu dò 2 - D u n g dịch điện ly

3 - M àng th ấ m khí 4 - P h ân tử khí

5 - Đ.cực cảm biến 6 - Đ cực so sánh

7 - Đ.cực đối

Hình 8: c ấ u tạo chung của đầu đo điện hóa

Thông thường, hai điện cực được sử dụna; nhiều nhất là Au và Pt bời tính trơ hóa học của nó

Hoạt động của đầu đo như sau: khi khí khuyếch tán vào trong bộ đầu đo, đi qua màng xốp và tới điện cực làm việc, nơi nó bị oxy hóa hoặc bị khử Phản ứng điện hóa này sẽ tạo một dòng điện đi ra mạch bên ngoài Mạch điện bên ngoài khuêch đại và thực hiện chức năng xử lý tín hiệu, duy trì điện áp giữa điện cực làm việc và điện cực đối (với đầu đo hai điện cực) hoặc giữa điện cực làm việc và điện cực tham chiếu (với loại ba diện cực) Tại điện cực đối một phản ứng tương đương và ngược lại xảy ra Tức là, ở điện cực làm việc quá trình oxy hỏa, thì tại diện cực đối quá trình khử và ngược lại Vì vậy điện cực đối có vai trò bù lại lượng điện tích đã đi ra/vào điện cực làm việc

- Phản ứng khuếch tán có kiểm soát:

Độ lớn của dòng điện phụ thuộc vào lượng khí mục tiêu bị oxy hóa ở điện cực làm việc Đầu đo thường được thiết kế sao cho lượng khí cung cấp bị hạn che bởi sự khuếch tán và do dó done điện sinh ra từ các đầu đo tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí

Việc kiểm soát quá trình khuvéch tán còn có một so ưu diểm khác Ví dụ thay đôi iớp màng chăn khuyêch tán cho phép các nhà sản xuât tạo làm cho đâu đo thích ứng với một phạm vi nồng độ khí mục tiêu cụ thể Ngoài ra, vì các màng khuyếch tán chủ yếu là cơ khí, nên việc hiệu chuẩn của đầu đo có xu hướng ổn định hơn theo thời gian và do đó các thiết bị đo dựa trên đầu đo điện hóa yêu cầu bảo dưỡng ít hon nhiều

so với một số công nghệ đo khác, v ề nguyên tắc, độ nhạy của đầu đo có thể được tính toán dựa trên các đặc tính khuyếch tán của đường dẫn khí vào đầu đo, mặc dù vậy lỗi phát sinh trong quá trình đo lường đặc tính khuyếch tán làm cho việc tính toán ít chính xác hơn so với việc căn chỉnh dựa trên khí mẫu

Đ ầu đo khí C O -A F [16]

Đâu đo CO - AF là đâu đo khí của Côn" ty Alphascnse sensors (nước Anh) sản xuất Đây là loại đầu đo điện hóa nhạy với khí c o đo được none, độ từ 0 đến 5000 ppm, thời gian đáp ứng nhỏ hơn 25s và giới hạn nồng độ toi đa là lOOOOppm Đầu đo CO-AF làm việc trong điều kiện môi trường ờ nhiệt độ từ -300C đen 500C, áp suất từ 80kPa đên 120 kPa và độ ẩm từ 15%rh đến 90%rh Thời gian hoạt động liên tục cho đến khi

độ nhạy còn 80% là trên 24 tháng, thời gian sử dụng trên 5 năm Đầu đo khí CO-AF có dạng như hình 9

2% CO

Mạch điện dùng để đo dòng điện chạy giữa cực CE và WE, bao gôm 3 phần: FET nôi tắt 2 cực WE và RE (Q l), phần điều khiển cục đối (IC2) phần biến đổi dòng thành áp (TCI) như hiểu diễn trên hình 10

dòne điện yêu cầu bởi cực làm việc Lối vào đảo của IC2 được nối vào cực tham chiếu cùa đầu đo và không được tiêu thụ dòng điện đáng kê từ điện cực tham chiếu, vì vậy cần chọn bộ

26

O A có dòng vào bias dưới 5nA Khi mạch bắt đầu hoạt động, Q1 ở trạng thái trở kháng cao và IC2 duy trì cực điện thế trên WE tương đương với RE, nếu điện áp offset của IC2 lớn sẽ làm cho điện thế trên WE và RE bị dịch, trong khi đó đầu đo có điện dung khá lớn sẽ phát sinh một dòng điện đáng kể khi điện áp bị dịch Vì vậy cần lựa chọn IC2 có the offset nhỏ (dưới O.lmV).

- Mạch đo dòns, tại cực WE: IC1 có tác dụng tạo ra điện áp tỷ lệ với dòng điện ở cực

WE Tụ C3 để giảm nhiễu tàn số cao

Điện áp tạo ra từ IC1 sẽ được dưa vào bộ ADC của vi điều khiển MSP430F2013 để chuyển đổi thành tín hiệu sổ và truyền đi

- FET nổi tắt: để đầu đo hoạt động ổn định thì điện thế trên 2 cực WE vả RE phải bằng nhau, và thời gian để điện thế trên hai cực này bang nhau phải mất đến vài giờ Vì vậy

để đầu đo có thể hoạt động ngay sau khi mạch được cấp nguồn thì trước đó điện áp trên WE và RE phải bằng nhau Do đó FET Q1 dùng để nối tắt WE và RE khi mạch bị ngắt nguồn Khi mạch được cấp nguồn trở lại thì Q1 sẽ cấm và không còn tác dụne trong mạch

IV.3.2.2 Đầu đo áp suất Ị2j

Trong công nghệ MEMS hai kiểu đầu đo được sử dụng rộng rãi là đầu đo kiểu tụ điện và đầu đo kiểu áp trở Trong công trình này sử dụng đầu đo loại vi đầu đo kiểu áp trở Dạng vi đầu đo áp suất kiểu màng hiệu ứng áp trở minh họa trên hình vẽ 4

Dựa trên sự thay đổi của câu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy cơ) chuvển thành tín hiệu điện tươnẹ ứng nhờ các áp trở được cấy trên phần tử nhạy cơ Khi phần tử nhạy cơ bị uốn cong thì các áp điện trở cũng thay đổi giá trị Độ

H ì n h 10 Đ ầu đo khí C O -A F (a) v à M ạ c h điều khiến cho đầu đo khí đ iệ n h ó a 3 cực (b)

thước câu trúc cơ, dạns và kích thước các áp điện trở, vị trí của các áp điện trở trên phần tử nhạy cơ Sơ đồ đầu đo có dạng như hình 12

(a)

Hình 11: c ấ u tạo bên trong đầu đo áp suất (a) và sơ đồ trên lối ra (b)

Đo độ sâu mức nước: Đe đo độ sâu mức nước có nhiều cách khác nhau, công trình

này sử dụng đầu đo áp suất, là loại thường dùng nhất trong công nghiệp Ưu điểm lớn nhất của đầu đo áp suất dạng vi cơ điện tử (MEM) là độ nhạy cao và kích thước bé Cụ thể độ nhạv thay đổi trong khoảng từ 0.1 đến 3mV/mbar (hay 10 đến 300 mV/Pa) phụ thuộc hình dạng màng và cường độ dòng điện; trong dải áp suất từ vài trăm mbar đến hàng trăm bar, độ nhạy íhav đổi từ 0.3 đến 12.5mV/bar

Tín hiệu ra của đầu đo rất nhỏ nên được khuếch đại ngay khi ra khỏi đầu đo Đâu đo và mạch khuếch đại được bô trí bên trong một buồng kín bằng thép không gỉ, mặt tiếp xúc với nước được cách ly bằng một lớp lưới thép để tránh va chạm vào bê mặt đầu do đòng thơi triệt tiéu các anh hưởng của tạp nhiễu lên tín hiệu, co dạng như hình 12

Hình 12: Đẩu đo trước khi lắp ráp

28

Như vậy bên trong đầu đo vừa chứa áp trờ, vừa chửa mạch khuếch đại, tín hiệu trước khi ra ngoài đầu đo đã được xử lý sơ bộ Loại đầu đo đo sâu dùng siêu âm tuy độ tin cậy cao hơn, không nhúng nước nên bền hơn, nhưng nó dùng chùm tia với góc mở khoảng 8 độ nên dải đo càng lớn thì không gian nơi cần đo phải càng rộng để chùm tia siêu âm không chạm vào vật cản Đầu đo áp suất độ tin cậy không cao bằng nhưng nhỏ gọn, dễ dàng đo độ sâu mức nước tại những nơi có không gian hẹp.

Module sensor áp suất được chọn ở đây là Modul XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật Bản có các đặc tính sau: Điện áp nguồn làm việc: +5V; Dòng tiêu thụ nhỏ hơn 200inA.; Dải nhiệt độ làm việc: -40°c —> 125°C; Vùng áp suất có thể đo được

từ 0 đến 200kP; Điện thế ra trong dải 0.5V —> 4.5V; Sensor có thể kết nối trực tiếp với

bộ chuyên đổi A/D hoặc có thể kết nối trực tiếp với bộ xử lý tín hiệu số

Hình 13: Sơ đồ chân của XFPM và hình đárm bên neoài của đầu đo (a, b) và sensor loại XFPM-200KPG, chân 1 là GND, chân 2 là Vout, chân 3 là Vcc(c)

Từ thế lối ra của XFPM, mối liên hệ với áp suất được tính như sau:

Vout = v s X (P X a + P) ± (sai số áp suất* sai số theo nhiệt độ X a xVs) (1)

Trong đó: Vs = 5.0V; p là áp suất lối vào (kPa); các hằng sổ: a = 0.0045; p = 0.04; (Sai sổ áp suất = 5.0 (kPa) với loại XFPM-200KPG)

p: khối lượng riêng của nước; g: e,ia tổc trọng trườns Như vậy, khi đo điện thế lổi ra

có thể tính được được độ sâu của nước tại thời điểm đo Sau đây trình bày một sổ thử nghiệm khảo sát đặc trưng độ nhạy và độ tuyến tính của đầu đo Thí nghiệm bao gồm: Module sensor áp suất như đã giới thiệu ở trên; Ồng nhựa chửa nước hình trụ: đường kính lOcm, cao 150cm, một đầu bịt kín, một đầu để hờ, thành ống có gắn thang chia

độ để dễ theo dõi mực nước; Nguồn nuôi 3.5V; Đồng hồ đo điện thế một chiều Thoạt đầu đổ đầy nước vào ống hình trụ, thả đầu đo vừa chạm đáy ống và cố định đầu đo ở

vị trí đó Mở van xả nước ở đáy ống để giảm từng cm mồi lần và đo thế trên lối ra đầu

đo, kết quả đo và đồ thị tương ứng chì ra trên hình 14 Từ đồ thị cho thấy điện thế ra của đầu đo tỉ lệ tuyến tính với sự thay đổi độ cao cột nước Độ nhạy £ của đầu đo suy được từ hệ số góc của đồ thị như sau:

V - V

s - 2 1

K - \

Trong đó v 2 là điện thế ra tương ứng với mức nước là h2; V\ là điện thế ra tương ứng

với mức nước !à hị Từ thực nghiệm trên tính được độ nhạy của đầu đo là: £ = 2.074

± 0.314 (mV/cm) Như vậy, dộ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm Độ phân giải của ADC được tính bằng:

04 'Hh c* Ị i ỉ !n đa »» *Oi gil tri thư<

2

chuân ơ □ = sqrt [ L (X - X ) ] / [n - 1], [trong đó Xi là độ lệch quan sát được, Xm

là trung bình của tất cả các điểm đo (đường thẳng), n là sổ các lần đo (45)] hoặc độ lệch cực đại tại những điểm đánh dấu Tính toán cho thấy độ lệch cực đại nhỏ thua 1

(b)Minh 14: K et quả đo điện áp ra và độ cao m ứ c nư ớc (a) và đồ thị kết quả (b)

(c) (d)

Hình 16: Giới thiệu chế tạo và tính năng nút mạng (a); Các nút mạng và đầu đo áp suất chê thử (b) Các nút mạng, đầu đo và thiết bị hệ thống hoàn thiện (c); Bộ xử lý tín hiệu

có khả năng hiển thị 4 thông số đo đồna thời (d)

Hệ thống xây dựng trên cơ sở mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN), cho phép đo tự động, liên tục, dài ngày, phát hiện sự cố bất thường theo thời gian hiện tượng quan sát, truyền không dây dữ liệu về trạm cơ sở (có PC), xử

lý và cảnh báo vượt ngưỡne; bằng âm thanh Hệ thống gồm đầu đo ghép với vi điều khiển + Phần mềm nhúng trong vi điều khiển thực hiện việc thu thập dữ liệu từ đầu đo

và gửi dữ liệu về đích (về trạm cơ sở) qua mạng WSN; Tại đích (nơi nối máy tính PC),

có chương trình thu thập dữ liệu, phân loại dữ liệu, xử lý và cảnh báo bằng âm thanh+

có giao diện đế thiết lập ngưỡng

Mỗi nút mạne được phép nối 03 đầu đo, tín hiệu ra được chuyển đổi sổ nhờ ADC 10 bit, các đầu đo lối ra dạng số nổi qua các cổng của vi điều khiển Có các cổng giao diện: nổi tiếp (ƯART), cổng SPI giúp việc nạp chương trình từ PC vào vi điều

nguồn 3.5v đòne tiêu thụ cực dại của nút là 23mA, cực tiểu 0,7mA; - Công suất phát

vô truyền thay đôi được băng chương trinh, cực đại là 10mW; - Khoảng cách truyên tin cậy giữa các nút mạng điều kiện trong nhà 50m và ngoài trời lOOm

IV.4.1 Viết p h ần niềm n húng cho nút m ạng [9]

Phần mềm nhúng được phát triển theo cách: Liên kết từ dưới lên trên, từ các ỉứp trừu tượng đến các chức năng hệ thống; Liên kết phần mềm nhúng với các nên lập trình được - các nền hỗ trợ việc đánh giá những ràng buộc đưa ra có thoả mãn hay không Do phải thoã mãn nhiều yếu tô: phần cứng, môi trường, eiá thành, hiệu năng nên tôn tại nhiều thách thức trong việc phát triển phần mềm ahúng như: Tăng cường việc tái sử dụng; Đồng thiết kế phần cứng, phần mềm; Xây dựng mô hình các thuộc tính phi chức năng; Chuyển đổi các phần mềm thành cảc dịch vụ thông qua các thành phân phân mêm; Kiến trúc hệ thông và kiên trúc phân mêm; Đánh giá và kiêm định

32

mức hệ thổns; Tươna thích phần cứ nơ và phàn mềm nhừ các cấu trúc có thể định cấu hình lại và các thành phần Plug hay Play; Xây dựng các hệ thống có khả năng tổ hợp được nhờ các thành phần phần mềm có thể tái sử dụng.

Các bước xây dựng: có thể sử dụng các ngôn ngữ như C/C++ hoặc Asembler, tuỷ từng hệ thống mà có lựa chọn thích hợp và từ đó chọn chương trình dịch Ngày nay, do nhu cầu phát triển hệ thống nhanh, bảo trì dễ dàng nên ngôn ngữ được lựa chọn là neôn ngữ bậc cao như C/C++ Quy trình xây dựng một phần mềm thường qua các bước sau: Tìm hiểu bài toán; Phân tích; Thiết kế; Viết chương trình; Kiểm thử Việc xây dựng phần mềm nhúng cũng tuân theo các bước như trên

cho CC1010 do hãng Chipcon cung cấp, dùng chươne trình biên dịch Keil uVision2,

do hãng Keil Elektronik GmbH xây dựng là một môi trường phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) cho các họ vi điêu khiển tương thích 8051 của Intel Đây là bộ chương trình dịch cho phép người viết chương trình có thể soạn thảo chương trình, dịch chương trình và gỡ lỗi trên cùng một môi trường Chương trình

thư viện tiện ích giúp cho việc xây dựng phần mềm cho vi điều khiển CC1010 dược dễ dàns, và nhanh chóng

Trình soạn thảo là công cụ chủ yếu để soạn thảo các file nguồn và file hợp ngữ

Nó cũng cung cấp các chức năng trợ giúp khác như giao diện đồ hoạ, mô phỏng, gỡ lỏi Thêm vào đó, IDE cùng cung câp các giao diện với thư viện liên kêt động DLL (Dynamic Linking Library) dùng để mô phỏng và gỡ lỗi trên mạch Điểm đặc biệt của chương trình dịch là có thể chuyển dịch các file nguồn được viết bằng ngôn ngữ c sang dạng họp ngữ để sau đó có thể tối ưu hoá mã lệnh, dạng hợp ngữ sau đó được chuyển thành các file đối tượng (mã máy hoặc dữ liệu nhị phân) Cuối cùng, bộ liên kết đưa ra dạng file thực thi dạng HEX và có thể nạp vào bộ nhớ Flash của vi điều khiển

Mô hình của một phần mềm nhúng viết cho CC1010 chỉ ra ở bảng 1

Chương trình ứng dụng

Thư Viện c chuẩn

Thư viện tiện ích Chipcon (Chipcon Utility Library - CUL)

abstraction! library - HAL)Các file định nghĩa phân cứng (hardware

Các file định n&hĩa phần cứng HDF: định nghĩa địa chỉ các thanh ghi, ánh xạ vector ngắt và các hàng số khác Chúng cũng thường dùng các macro cho CC1010EB,

macro và các hàm truy cập phần cứns CC1010 nhàm hỗ trợ việc phát triển chương trình nhanh chóng và dễ dàng Những thư viện nằm trong HAL thi hành một giao tiếp phần cứng trừu tượng đối với chương trình người dùng Nhờ đó chương trình người dùng có thể truy cập ngoại vi của vi điều khiển, thôna qua các lời gọi hàm/macro, mà không cần hiểu chi tiết về phần cứng Thư viện HAL hỗ trợ các chức năng sau: Truyền/nhận không dây; Đo cường độ RSSI; Truyền nhận RS232; Làm việc với ADC;

Xử lý thời gian thực; Mã hoá DES; Thiết lập các bộ định thời; Làm việc với các cons.Thư viện tiện ích Chipcon CUL: cung cấp thư viện cho truyền thông RF Thư viện này thường dùng cho những ứng dụng Rp điển hình và cung cấp một giao thức

RF đầy đủ Các chức năng hỗ trợ của CUL: Truyền/nhận không dây; Tính toán mã dư vòng (CRC); Xử lý thời gian thực Cả hai thư viện HAL và CUL đều hỗ trợ truyền/nhận không dây và xử lý thời gian thực Đối với những ứng dụng đòi hỏi sự phức tạp thì thường dùng thư viện HAL

IV.4.1.2 P h ần m ềm giao tiếp đầu đo và n út m ạng

Thực hiện theo các bước được phân tích chi tiết như sau: ADCi là các lối vào ADO, AD1 và AD2 Các lối vào ADCi của CC1010 có điện áp tham chiếu chọn là Ỉ.25V hoặc VDD, sử dụng chung một ADC trên cơ sờ hợp kênh lối vào ở đâv chọn tham chiếu cho ADC là VDD, tức là bằng 3.5V

Thí dụ, trong hệ thông chỉ ra ở hình 2.8, lối ra của đầu đo sau khi được khuếch đại đưa tới ADO và chương trình khởi tạo quá trình chuyển đổi tương tự - sổ qua ADC phải tiến hành bằng lệnh:

Chương trình đọc giá trị ADC được thực hiện theo các bước sau:

Bước khởi tạo ADC: Đặt bộ biến đổi ADC về chế độ single; Đặt điện áp tham chiếu là 3.5V

34

Bước đọc giá trị ADC: Chọn kênh ADC; Ra lệnh đọc ADC; Chờ cho ADC biến đổi xong; Đọc giá trị chuyển đổi.

I V 4.1.3 P h ần mềm xử lý và truyền thông

Đòi hỏi nút mạng CC1010 cần thực hiện các chức năng: Cảm nhận; Tính toán; Truyền thông Vì vi điều khiển bị hạn chế về tài nguyên, đòi hỏi chương trình càng ngắn, càng tốn ít bộ nhớ càng tốt, trong khi vẫn đảm bảo hoạt động, bảo trì và nâng cấp dễ dàng

Đe viết chương trình truyền thông cần sử dụng các hàm trong bộ thư viện HAL Các bước thực hiện truyền thông cho CC1010 gồm khởi tạo RF: thiết lập tan so RF, tổc độ truyền, cách điều chế tín hiệu, công suất phát Trong chương trình cụ thể, các thông số trên lần lượt có giá trị là: 868MHz, 2.4kbps, mã hoá Manchester, 4dBm Các khai báo này được đặt trong một cấu trúc RF SETTINGS được khai báo như trong phụ lục c

Sau khi khởi tạo RF, chương trình nhận dữ liệu RF được thực hiện thông qua ngát Mỗi khi nhận được một byte, vi điều khiển sinh ra một ngắt Chương trình xử lý ngắt có nhiệm vụ đưa byte này vào một bộ đệm Khi toàn bộ gói tin đă nhận xong, ngắt này bị cấm để chờ xử lý trong bộ đệm Quá trình nhận một byte từ bộ đệm RFBUF vào bộ đệm chương trình như sau:

//nhận một byte từ bộ đệm RFBUF vào bộ đệm rf_rx_buf tại vị trí rf_rx_index:

R f rx b u f|rf rx index] = RF RECEIVE BYTEQ;

Module sensor áp suất được ghép với nút mạng sử dụng vi điều khiển với CC1010 và với phàn mềm nhúng thích hợp sẽ tạo thành một điểm đo độc lập, tự động

đo áp suất, xử lý dữ liệu thu được và truvền không dâv định kỳ sổ liệu đo nàv về một nút mạng CC1010 khác nối với máy tính xách tav hoặc máy tính để bàn Sơ đồ khảo sát thực nghiệm và các thiết bị cụ thể ở hình 17

(a) (b).

(c)Hình 17: Sơ đồ thí nghiệm (a); ghép nối đầu đo với nút mạng (b) và giải thuật phần mềm nhúng (c)

Khởi tạo RF Mâ hoá dừ liệu bằng mã Manchester; Tốc độ truyền dữ liệu 2.4kbps; Khởi tạo ADC: Điện áp tham chiếu 3.5V internal; 10 bit single; Khởi tạo timer: Sừ dụng Timer2 ở chế độ điều chế dộ rộng xung, tần sổ 29kHz, dạng xung vuông đối xứng- xung nàv dùng làm Master Clock (MCI J O cho đầu đo áp suất; Khởi tạo sensor đầu đo: Đưa các chân loi vào và chân đồns bộ quá trình đọc ghi cho đầu đo

về trạng thái 0; Đọc các hệ sổ lưu trong đầu đo áp suất; Đọc ba kênh ADC: Chọn kênh cần đọc; Phát lệnh chuyển đổi ADC; Chờ cho đến khi chuyển đồi ADC kết thúc; Đọc giá trị ADC từ hai thanh ghi ADCDATH và ADCDATL; Đọc dữ liệu đầu đo áp suất: Reset đâu đo; Gửi lệnh cho đầu đo để chọn tham số cân đọc: nhiệt độ hay áp suât; Đọc

dữ liệu trả lời từ đầu đo; Chờ nhận lệnh từ máy tính: Neu có lệnh yêu câu eửi dữ liệu

về trung tâm, Slave sẽ đọc các tham số áp suất rồi truyền về trune tâm

36

IV.4.1.4 P h à n m ề m n h ú n g t h ự c h iệ n g i a o t h ứ c c â y b ắ c c ầ u | 2 |

B iế u d iễ n c â y t r o n g bộ n h ó

B iểu diễn câv bàng danh sách các con của mỗi đinh Với mồi đình của cây, ta thành lập một danh sách các đỉnh con của nó theo thứ tự từ trái sang phải Ỏ đây ta sử dụng một m ảng để lưu giữ các đỉnh của câv Mỗi thành phần của mảng là một tế bào chửa thông tin gan với mỗi đỉnh và danh sách các đinh con của nó Danh sách các đình con của m ột đỉnh có thể biểu diễn bởi mảng hoặc bởi danh sách liên kết Tuy nhiên, vì

số con của mỗi đình có thể thay đổi nhiều nên ta sẽ sử dụng danh sách liên kết N hư vậy mỗi tế bào mô tả của cây là một bản ghi gồm 2 trường: trường id là địa chỉ của nút mạng, trường next là con trò trỏ tới danh sách các con của đỉnh đó G iả sử các đỉnh của cây được đánh số từ 1 đến N Với cách cài đặt này, ta có thể khai báo cấu trúc dữ liệu biểu diễn cây như sau:

I Ị id n e x t id next I

4 I I 3 — «1'I T ~ |-C H E 3 — «i~ H ~ l

6 7

8

9 10

Ta có nhận xét rằng, trone cách cài đặt này với mỗi đỉnh k ta xác định được ngay con trường của nó C hẳng hạn, với cây trone, hình trên, con trườn? của đinh 3 là đình

6, con trường của đỉnh 5 là đỉnh 9, còn đình 6 khôns, có con Phép toán tìm con trư ờn e EldestChild(k) có thể được mô tả như sau:

int EỉdestChild(int k, Tree T)

int Parent(int k, Tree T)

}

i++;

38

Một cách tương tự (duyệt danh sách các con), ta cũng có thê tìm được em liên kê của mỗi đình Hàm tìm em liền kề NextSibling(k) như sau:

int N extSibline(int k, Tree T)

if(p) return p - > id;

else r e t u r n -1; //không có cm liền kề