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

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Điêu Tiến Thọ

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
VÀ THỬ NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Điêu Tiến Thọ

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
VÀ THỬ NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VƯƠNG ĐẠO VY

Hà Nội - 2007


3

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 8

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂYError! Bookmark
1.1. Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây .............. Error!
Bookmark not defined.
1.2. Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm nhận
không dây .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây .............. Error!
Bookmark not defined.
1.2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây
................................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3. Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây............ Error!
Bookmark not defined.
1.3.1. Các yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây ......... Error!
Bookmark not defined.
1.3.2. Các yêu cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây ............. Error!
Bookmark not defined.
1.3.3. Kết luận ......................................... Error! Bookmark not defined.
1.4. Mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển CC1010 ......... Error!

Bookmark not defined.
1.4.1. Các lý do chọn vi điều khiển CC1010Error!

Bookmark

not

defined.
1.4.2. Kiến trúc mạng cảm nhận đo nhiệt độ sử dụng CC1010 ....... Error!
Bookmark not defined.
1.5. Kết luận ................................................ Error! Bookmark not defined.


4

CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM
NHẬN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CC1010Error! Bookmark not def
2.1. Mở đầu ................................................. Error! Bookmark not defined.
2.2. Các hoạt động tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm nhận không dây
..................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận không
dây ............................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.1. Mô hình giao thức MAC hiện tại trong mạng không dây ...... Error!
Bookmark not defined.
2.2.2. Mục tiêu xây dựng giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng cho mạng
cảm nhận không dây................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.3. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận
không dây ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.2.4. Kết luận ......................................... Error! Bookmark not defined.
2.3. Tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng bằng lập trình thay đổi chế độ làm

việc .............................................................. Error! Bookmark not defined.
2.3.1. Phân tích các đặc trƣng của vi điều khiển CC1010 ............... Error!
Bookmark not defined.
2.3.2. Các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho CC1010 .................. Error!
Bookmark not defined.
2.4. Kết luận ................................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH TIẾT
KIỆM NĂNG LƢỢNG TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN CC1010Error! Bookmark not defined
3.1. Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010Error!

Bookmark

not defined.
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng .... Error! Bookmark not defined.


5

3.1.2. Các công cụ hỗ trợ lập trình cho CC1010Error! Bookmark not
defined.
3.1.3. Thuật toán phần mềm nhúng tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng
đo nhiệt độ CC1010EM .......................... Error! Bookmark not defined.
3.1.4. Chi tiết phần mềm nhúng thực hiện thuật toánError!

Bookmark

not defined.
3.2. Thử nghiệm và đánh giá kết quả .......... Error! Bookmark not defined.
3.3. Kết luận ................................................ Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ...................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 11
PHỤ LỤC ......................................................... Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Ý nghĩa

ADC

Analog Digital Converter

Bộ biến đổi tín hiệu tƣơng tự
sang tín hiệu số

CC1010EB

CC1010 Evaluation Board

Bản mạch ghép nối CC1010

CC1010EM CC1010 Evaluation Module

CC1010 tích hợp cảm biến
nhiệt độ và các linh kiện khác

CC1010 Integrated

CC1010IDE Development
Environment

Môi trƣờng phát triển tích hợp
CC1010

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo mã


6

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

CSMA

Carrier Sense Multiple
Access

Đa truy cập môi trƣờng cảm
nhận sóng mang

CUL

Chipcon Utility Library

Thƣ viện tiện ích Chipcon

FDMA

Frequency Division
Multiple Access

Đa truy cập môi trƣờng phân
chia theo tần số

HAL

Hardware Abstraction
Library

Thƣ viện phần cứng Chipcon

HDF

Hardware Difinition File

File định nghĩa phần cứng

MAC

Media Access Control

Điều khiển truy cập môi trƣờng

MCU

Microcontroller

Vi điều khiển

RF

Radio Frequency

Bộ thu phát vô tuyến

RTC

Real Time clock

Đồng hồ thời gian thực

TDMA

Time Division Multiple
Access

Đa truy cập môi trƣờng phân
chia theo thời gian

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm nhận không dây

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các giá trị thanh ghi X32CON

48

Bảng 2.2. Ý nghĩa các bit trong thanh ghi X32CON

49

Bảng 2.3. Các bit trong thanh ghi PCON

51

Bảng 2.4. Ý nghĩa các bit trong thanh ghi PCON

52

Bảng 2.5. Các chế độ hoạt động của CC1010

54


7

Bảng 3.1. Kết quả thử nghiệm chƣơng trình nhúng

72

Bảng 3.2. Kết quả thử nghiệm khi không có tiết kiệm năng lƣợng

73

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình khái quát mạng cảm nhận không dây

10

Hình 1.2. Một mô hình triển khai mạng cảm nhận không dây

11

Hình 1.3. Một nút mạng cảm nhận không dây

11

Hình 1.4. Một mô hình ứng dụng mạng cảm nhận không dây

12

Hình 1.5. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây

16


8

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

28

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

29

Hình 2.1. Vi điều khiển CC1010

47

Hình 2.2. Mối quan hệ tuyến tính giữa dòng tiêu thụ và tần số

50

Hình 3.1. Mô hình phần mềm nhúng cho CC1010

61

Hình 3.2. Thuật toán làm việc của nút mạng cảm nhận

63

Hình 3.3. Gắn nút mạng vào bản mạch đã nối với hệ thống PC

70

Hình 3.4. Dịch chƣơng trình nhúng bằng Keil uVision 2.0

70

Hình 3.5. Nạp chƣơng trình nhúng

71

Hình 3.6. Đo dòng điện mà nút mạng tiêu thụ trong chế độ nghỉ

71

Hình 3.7. Đo dòng điện mà nút mạng tiêu thụ trong chế độ tích cực

72

MỞ ĐẦU
Mạng không dây đang là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế
nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây hiện nay. Mạng cảm nhận không
dây (Wireless Sensor Networks – WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những
thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông
tin. WSN đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và
công nghiệp, với đặc điểm chung nổi bật là không cần thao tác của con ngƣời.
Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trƣờng và đƣa ra các thông báo
có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát,


9

giám sát các khu vực quân sự,… Nhiều ứng dụng khác của WSN đang đƣợc
nghiên cứu và có xu hƣớng phát triển rộng khắp.

Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần phải có là gọn nhẹ và nút
mạng thực hiện đƣợc cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm
nhận. Để đảm bảo cho hoạt động của mỗi nút, ngƣời ta chế tạo một nguồn
năng lƣợng đƣợc thiết kế với kích thƣớc nhỏ đi kèm. Hoạt động của mỗi nút
cảm nhận đƣợc thực hiện qua các bƣớc cơ bản: cảm nhận, đo đạc, truyền dữ
liệu.
Chi phí triển khai cho WSN đƣợc giảm thiểu vì thay cho hệ thống dây
dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, ngƣời ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào
nơi cần thiết. Mạng có thể đƣợc mở rộng đơn giản bằng cách thêm vào các
thiết bị, không cần các thao tác phức tạp, mạng sau đó hoạt động không cần
sự can thiệp của con ngƣời. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài
năm, mỗi nút mạng chỉ cần một nguồn pin duy nhất.
Một trong những vấn đề hiện nay cần quan tâm là tiêu thụ năng lƣợng
cho từng nút mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin. Đây là một hƣớng
nghiên cứu đang đƣợc chú trọng để cải thiện chất lƣợng mạng không dây. Khi
kích thƣớc vật lý giảm, cũng làm giảm khả năng tích trữ năng lƣợng. Các ràng
buộc về năng lƣợng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lƣu trữ dẫn đến phải
có kiến trúc mới. Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình
mạng và mạng cần có sự chuyển đổi giữa các chế độ làm việc nhằm đạt mục
tiêu tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng.
Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là
mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết
kiệm nguồn năng lƣợng cho các nút trong mạng cảm nhận không dây. Cụ thể:


10

- Chƣơng 1: “Tổng quan về mạng cảm nhận không dây” sẽ đƣa ra
những định nghĩa cơ bản, những ứng dụng của WSN, các loại giao
thức định tuyến trong WSN. Chƣơng này còn trình bày các yêu cầu

đối với một nút mạng cảm nhận, trong những yêu cầu đó thì yêu cầu
sử dụng năng lƣợng tiết kiệm là quan trọng nhất. Xuất phát từ đó, tác
giả định hƣớng cho đề tài nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng
lƣợng cho WSN. Phần cuối của chƣơng sẽ xây dựng một mạng
WSN thực tế sử dụng vi điều khiển CC1010 làm các nút mạng. Vi
điều khiển này sẽ là đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tiết kiệm
năng lƣợng ở các chƣơng sau.
- Chƣơng 2: “Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận
không dây sử dụng vi điều khiển CC1010”. Trong phần đầu sẽ trình
bày các nguyên nhân gây tổn thất năng lƣợng đối với nút mạng từ đó
đƣa ra hƣớng hạn chế các nguyên nhân đó. Có nhiều cách khác nhau
để tiết kiệm năng lƣợng cho nút WSN nhƣ xây dựng các giao thức
MAC tiêu thụ ít năng lƣợng, lập trình cho vi điều khiển chuyển sang
hoạt động ở chế độ năng lƣợng thấp khi không cần truyền dữ liệu.
Các phần sau của chƣơng sẽ đƣa ra giải pháp cụ thể, tuy nhiên chỉ
một trong số đó đƣợc chọn để nghiên cứu sâu và giải pháp lập trình
cho nút mạng đƣợc chọn do có tính khả thi nhất trong phạm vi
nghiên cứu của một luận văn. Các đặc tính tiết kiệm năng lƣợng của
vi điều khiển CC1010 đƣợc nghiên cứu và khai thác, là tiền đề cho
việc xây dựng thuật toán và viết chƣơng trình cụ thể trong chƣơng 3.
- Chƣơng 3: “Nghiên cứu, thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng
lượng trên vi điều khiển CC1010” giới thiệu các bƣớc cơ bản để xây
dựng một phần mềm nhúng, đƣa ra tƣ tƣởng thuật toán cho cơ chế


11

truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lƣợng tại nút mạng. Từ
thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh đƣợc viết và chạy thử
nghiệm. Các kết quả đạt đƣợc sẽ đƣợc phân tích và qua đó chứng

minh khả năng tiết kiệm năng lƣợng của giải pháp.
- Phần Kết luận sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội
dung chính, những ƣu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đƣa
ra các hƣớng nghiên cứu sâu hơn của đề tài này.
Các nội dung trên sẽ đƣợc trình bày một cách rõ ràng và logic, mỗi chủ
đề nhỏ đều có đánh giá và gợi mở, dẫn dắt đến nội dung của phần tiếp theo
tạo nên sự gắn kết và đồng nhất xuyên suốt cả luận văn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất bản Thế giới, Hà
Nội.
2. Đàm Thu Phƣơng (2006), Tìm hiểu và viết phần mềm nhúng cho nút mạng
không dây dạng Ad-hoc (Chủ đề: Tiết kiệm tiêu thụ năng lượng), Khoá
luận tốt nghiệp, Trƣờng Đại học Công nghệ, Hà Nội.
3. Vƣơng Đạo Vy (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc
gia, Hà Nội.


12

4. Vƣơng Đạo Vy, Trần Thanh Hải, Phạm Đình Tuân, Trần Anh Tuấn, Hà
Quang Dự, Huỳnh Công Phi Khanh, Nguyễn Hồng Sơn (2005), “Mạng
cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trƣờng sử dụng vi điều khiển
Chipcon CC1010”, Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, XXI
(2PT), tr. 92 - 99.
5. A Wang, et al., (2001) Energy-efficient modulation and MAC for
asymmetric microsensor systems, Huntington Beach, CA.
6. E. Shih, S. Cho, N. Ickes, R. Min, A.Sinha, A. Wang, and A.
Chandrakasan, (2001) Physical layer driven protocol and algorithm design
for energy-efficient wireless sensor networks, in: Proceedings of the

7thACM/IEEE Conference on Mobile Computing and Networks
(MOBICOM’01), Rome, Italy.
7. Kemal Akkaya and Mohamed Younis, A Survey on Routing Protocols for
Wireless Sensor Networks, University of Maryland, Baltimore Count,
Baltimore, MD 21250.
8. K.H.Torvmarrk (2002), Low Power Systems Using the CC1010, Texas
Instruments Incorporated, Norway.
9. Mohamed Younis and Tamer Nadeem, Energy efficient MAC protocols for
wireless sensor networks, University ofMaryland Baltimore County,
Baltimore, University of Maryland College Park, College Park.
10.Rabi Mahapatra (2003), Wireless Sensor Network, Mahapatra-Texas
A&M.


13

11.Texas Instruments (2006), CC1010 Single Chip Very Low Power RF
ransceiver with 8051-Compatible Microcontroller, Texas Instruments
Incorporated, Norway.
12.Texas Instruments (2006), CC1010IDE User Manual, Texas Instruments
Incorporated, Norway.