Thiết kế chế tạo vận hành và đo thử nghiệm mạng cảm nhận không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thế Sơn

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, VẬN HÀNH VÀ ĐO THỬ
NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2006


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Thế Sơn

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, VẬN HÀNH VÀ ĐO THỬ
NGHIỆM MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY

Ngành:
Mã số:

Công Nghệ Thông tin
1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Vương Đạo Vy

Hà Nội - 2006


MỞ ĐẦU
Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor NetworkWSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ. Thông
qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), những thiết bị này tạo ra một sự kết nối
rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp
hàng trăm thiết bị như vậy yêu cầu là phải có công nghệ mới.
Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị
nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo
thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết
bị.
Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấy dữ
liệu thấp. Ví dụ, có thể dễ dàng được giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hoá học bởi hàng
trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập tức phát hiện
và báo cáo sự rò rỉ. Không giống những hệ thống có dây truyền thống, chi phí triển khai
cho WSN được giảm thiểu. Thay vì hàng ngàn mét dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo
vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết. Mạng có thể
được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị, không cần các thao tác phức
tạp. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.
Để giảm thiểu chi phí lắp đặt, WSN cần phải có khả năng thay đổi linh hoạt theo
môi trường. Cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình mạng hay do mạng có sự thay
đổi giữa các chế độ làm việc. Ví dụ cùng một hệ thống mạng giám sát sự rò rỉ trong một
nhà máy hoá chất có thể được cấu hình lại thành một mạng được thiết kế từ trước để
khoanh vùng nguồn rò rỉ và tìm ra đúng chỗ. Mạng cũng có thể hướng dẫn các công nhân
đường đi an toàn nhất khi có sự cố khẩn cấp.
Nhìn chung, khi con người nghĩ đến mạng không dây họ sẽ nghĩ đến các thiết bị di
động, PDA hay laptop. Những thiết bị này có giá thành cao và theo một mục đích cho

trước và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có trước. Ngược lại, WSN sử dụng các thiết bị nhúng


nhỏ, giá thành thấp cho các ứng dụng đa dạng và không dựa trên bất kỳ cơ sở hạ tầng đã
có từ trước. Không giống các thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không
cần truyền trực tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới trạm gần nó, rồi lần lượt truyền về
trạm gốc theo dạng truyền thông multihop.
Một ví dụ về mạng được đưa ra trong hình 1. Nó minh hoạ một ứng dụng trong
nông nghiệp. Hàng trăm nút nằm rải rác trong cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập một
mô hình định tuyến, và truyền dữ liệu cho một trung tâm. Ứng dụng đòi hỏi phải thiết
thực, uyển chuyển, chi phí thấp và dễ triển khai thành mạng WSN. Nếu một trong các nút
lỗi, một mô hình mạng mới được lựa chọn và toàn bộ mạng vẫn tiếp tục truyền dữ liệu.
Nếu có thêm nút mạng, chúng chỉ tạo nên nhiều cơ hội định tuyến hơn.

Hình 1. Một ví dụ về ứng dụng của WSN trong nông nghiệp

Một thách thức cơ bản của WSN là đưa các ràng buộc khắt khe vào trong một thiết
bị đơn lẻ. Các hệ xử lý nhúng với bộ nhớ cỡ kilobytes phải thực hiện các giao thức mạng
phức tạp theo dạng adhoc. Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị được triển khai với số
lượng lớn cần có kích thước nhỏ và giá thành thấp. Kích thước giảm là điều chủ yếu dẫn
đến giảm giá thành, cũng như khả năng cho phép các thiết bị được sử dụng trong một dải
rộng các ứng dụng.


Một khó khăn lớn là năng lượng tiêu thụ. Khi kích thước vật lý giảm, cũng làm giảm
năng lượng tiêu thụ. Các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lưu
trữ dẫn đến phải có kiến trúc mới. Nhiều thiết bị, như điện thoại di động hay máy nhắn
tin, giảm năng lượng tiêu thụ thông qua phần cứng truyền thông được thiết kế đặc biệt.
Một trạm WSN cần hỗ trợ cho một hệ các giao thức ứng dụng cụ thể để làm giảm mạnh
kích thước, chi phí và năng lượng tiêu thụ cho ứng dụng đó.

Bản luận văn “Thiết kế chế tạo, vận hành và đo thử nghiệm mạng cảm nhận
không dây (wireless sensor network) trên cơ sở sử dụng chip vi điều khiển có mật độ
tích hợp cao làm nút mạng và xây dựng phần mềm nhúng nạp trong các vi điều khiển
này” sẽ tổng quát hoá WSN, đưa ra các tiêu chí đánh giá đối với một WSN cũng như tiêu
chí đánh giá một nút mạng, đồng thời xây dựng một số thử nghiệm mạng cảm nhận
không dây dùng VĐK CC1010 của hãng Chipcon-Nauy.
Luận văn gồm 5 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài
liệu tham khảo.
Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng quan
về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đưa ra những tiêu chí đánh giá cho WSN cũng
như tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận.
Chương 2: Nút mạng sẽ đưa ra các tiêu chí đánh giá cho một nút mạng trong WSN,
đồng thời giới thiệu một vi điều khiển CC1010 để làm nút mạng.
Chương 3: Các phương pháp ghép nối CC1010 với các loại đầu đo và chương trình
thực hiện. Mục đích của chương này nêu các phương pháp ghép nối giữa vi điều khiển
CC1010 với các loại cảm biến bao gồm các loại cảm biến số nối tiếp và cảm biến tương
tự. Chương này cũng giới thiệu chi tiết về cách làm việc của CC1010 với cảm biến áp
suất MS5535 cũng là một dạng cảm biến số nối tiếp. Điều này góp phần khẳng định khả
năng ghép nối với nhiều loại cảm biến khác nhau của CC1010.
Chương 4: Phần mềm nhúng. Mục đích của chương này giới thiệu các bước cơ bản
xây dựng một phần mềm nhúng và các phương pháp gỡ lỗi cho phần mềm nhúng.


Chương 5: Triển khai chức năng mạng và các thử nghiệm. Mục đích của chương
này là đưa ra một cách xây dựng một WSN dựa trên vi điều khiển CC1010. Đa truy cập
được xây dựng dưới dạng hỏi-đáp. Bảng định tuyến hình cây chứa trong các nút mạng.
Các thử nghiệm đã thực hiện theo các tiêu chí độ ổn định truyền dữ liệu, khả năng tiết
kiệm năng lượng của các nút mạng.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt được
đồng thời cũng đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.

Tác giả luận văn này xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vương Đạo Vy,
Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người
đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này.
Tác giả

Nguyễn Thế Sơn


CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Mạng cảm nhận không dây

1.1

Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm nhận + CPU + Radio = WSN
Từ công thức đơn giản trên, rất nhiều ứng dụng xuất hiện. Tuy nhiên, việc kết hợp
các cảm biến, radios, và CPU vào một mạng cảm nhận không dây (wireless sensor
network-WSN) đòi hỏi hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của các thành phần phần
cứng, cũng như hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết phân bố hệ thống. Một
thách thức là ánh xạ toàn bộ yêu cầu hệ thống vào một thiết bị riêng lẻ. Để làm cho WSN
trở nên thực tế, một kiến trúc cần được phát triển để tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả
năng của phần cứng.
Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống các yêu
cầu phần cứng mức thấp. Để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét, cần tập trung vào
một tập các dạng ứng dụng được sử dụng nhiều trong thực tế. Sử dụng các dạng ứng
dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ kiến trúc. Từ các yêu cầu mức
hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút mạng riêng lẻ.
1.1.1 Các dạng ứng dụng của mạng cảm nhận
Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây: thu thập dữ liệu môi trường,

giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng. Hầu hết các ứng dụng chủ yếu của WSN đều
thuộc ba dạng này.
1.1.1.1

Thu thập dữ liệu môi trường
Mạng cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu

cầu thu thập thông tin về môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng
thời gian nhất định nhằm phát hiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường. Bài
toán này được đặc trưng bởi một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số


môi trường và gửi về một hoặc một tập trạm gốc (base station) có kết nối với trung tâm
xử lý (thường là hệ thống máy tính) phân tích, xử lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc
cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. Yêu cầu đặt ra đối với các mạng kiểu này là
thời gian sống phải dài hay nói cách khác là các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít.
Mạng cho ứng dụng thu thập dữ liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, mỗi
nút mạng có một nút cha duy nhất. Trạm gốc sẽ là gốc của cây. Dữ liệu từ một nút bất kỳ
sẽ được gửi đến cho nút cha của nó, nút này lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha tiếp theo
(nút ông), cứ như vậy, dữ liệu sẽ được chuyển về trạm gốc.
Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng này là:
-

Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) khi số lượng nút mạng lớn.

-

Một vài nút mạng, vì một số lý do nào đó, không hoạt động. Để mạng tiếp

tục hoạt động nó phải có khả năng tự cấu hình lại, nghĩa là phải phát hiện ra các nút bị

hỏng hoặc định kỳ thực hiện việc cấu hình lại mạng.
-

Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải quyết

vấn đề tiêu thụ năng lượng của các nút mạng tối ưu nhất.
-

Phần mềm nhúng phải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với

bài toán truyền thông các thông số đo được như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng... Phần mềm
phải tương thích với phần cứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian.
1.1.1.2

Giám sát an ninh

Một ứng dụng thứ hai của mạng cảm nhận là giám sát an ninh. Các mạng giám sát
an ninh được tạo bởi các nút đặt ở những vị trí cố định trong môi trường liên tục theo dõi
một hay nhiều cảm biến để nhận biết sự bất thường. Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát
an ninh và giám sát môi trường là các mạng an ninh không thu thập bất kỳ dữ liệu nào.
Điều này có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng. Mỗi nút thường xuyên kiểm tra
trạng thái các cảm biến của chúng nhưng chỉ truyền dữ liệu khi có sự vi phạm an ninh.
Việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệp cảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống.


Thêm vào đó, nó cần được xác nhận là mỗi nút vẫn hiện diện và hoạt động. Nếu một
nút bị lỗi, nó sẽ thể hiện một sự vi phạm an ninh cần được thông báo. Đối với các ứng
dụng giám sát an ninh, mạng cần được cấu hình sao cho các nút chịu trách nhiệm xác
nhận trạng thái các nút khác. Một cách tiếp cận là mỗi nút ngang hàng sẽ thông báo nếu
một nút không hoạt động. Mô hình tối ưu của một mạng giám sát an ninh sẽ hoàn toàn

khác với mạng thu thập dữ liệu.
Trong cây thu thập số liệu, mỗi nút phải truyền dữ liệu của tất cả con cháu. Do đó,
tối ưu là cây ngắn và rộng. Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu sẽ có mô hình
mạng tuyến tính. Công suất tiêu thụ của mỗi nút chỉ tỷ lệ với số các con của nó. Trong
mạng tuyến tính, mỗi nút chỉ có 1 con. Điều này phân phối đều năng lượng tiêu thụ của
mạng.
Sự tiêu thụ năng lượng chủ yếu trong mạng an ninh là gặp các yêu cầu báo hiệu
cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh. Mỗi khi nhận thấy, một sự vi phạm an ninh cần được
truyền tới trạm gốc ngay lập tức. Độ trễ của việc truyền dữ liệu qua mạng tới trạm gốc có
ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng. Các nút mạng cần có khả năng trả lời
nhanh chóng với các yêu cầu của các nút láng giềng để chuyển tiếp dữ liệu.
Trong các mạng an ninh việc giảm thời gian trễ của việc truyền cảnh báo quan trọng
hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền. Điều này do các sự kiện cảnh báo rất hiếm
khi xảy ra. Trong mạng phòng cháy các cảnh báo gần như không bao giờ xảy ra. Đối với
sự kiện xảy ra 1 lần năng lượng chủ yếu được dành cho việc truyền. Giảm độ trễ truyền
sẽ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút định tuyến phải giám sát các kênh radio
thường xuyên hơn.
Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức
năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo. Việc truyền dữ
liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lượng của mạng.
1.1.1.3

Theo dõi đối tượng


Với các mạng cảm nhận không dây, các đối tượng có thể được theo dõi đơn giản
gắn chúng với một nút cảm biến nhỏ. Nút cảm biến này sẽ được theo dõi khi chúng đi
qua một trường các nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết. Thay vì cảm
nhận dữ liệu môi trường, những nút này sẽ được triển khai để cảm nhận các thông điệp
RF của các nút gắn với các đối tượng. Những nút này có thể được sử dụng như những thẻ

để thông báo sự có mặt của một thiết bị. Một cơ sở dữ liệu có thể được sử dụng để ghi lại
vị trí tương đối của đối tượng với các nút mạng, do đó có thể biết vị trí hiện thời của đối
tượng.
Không như mạng cảm nhận hay mạng an ninh, các ứng dụng theo dõi sẽ liên tục
thay đổi topology khi các nút đi qua mạng. Trong khi sự kết nối giữa các nút tại các vị trí
cố định tương đối ổn định, sự kết nối tới các nút di động sẽ liên tục thay đổi. Thêm vào
đó tập hợp các nút bị theo dõi sẽ liên tục thay đổi khi các nút gia nhập hay rời khỏi hệ
thống. Điều chủ yếu là mạng có khả năng nhận biết một cách hiệu quả sự có mặt của các
nút mới đi vào mạng.
1.1.2 Các chỉ tiêu hệ thống
Sau đây là các chỉ tiêu để đánh giá một WSN. Các chỉ tiêu chủ yếu là thời gian
sống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác thời gian, bảo
mật, và tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Các chỉ tiêu này lại liên quan với nhau. Thường thì khi
tăng hiệu quả một tham số thì lại làm giảm hiệu quả của tham số khác, ví dụ như tăng tốc
độ lấy mẫu lại làm giảm thời gian sống. Mục đích ở phần này hiểu rõ và cân bằng các chỉ
tiêu với khả năng của hệ thống.
1.1.2.1

Thời gian sống

Có một giới hạn của mạng cảm nhận không dây đó là thời gian sống. Cả hai ứng
dụng giám sát môi trường và giám sát an ninh các nút đều được đặt ở ngoài môi trường,
không có người giám sát theo hàng tháng hay hàng năm.
Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp.
Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để tối đa thời gian sống


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu Tiếng Việt
[1] Đinh Mạnh Tường (2002), “Cấu trúc dữ liệu và thuật toán”, Nhà xuất bản khoa học

và kỹ thuật.
[2] Vương Đạo Vy, Nguyễn Thế Sơn, Phùng Công Phi Khanh, Hòa Quang Dự, “Xây
dựng hệ tự động đo khí áp sử dụng cảm biến áp suất MEMS và các thí nghiệm kiểm tra”,
tóm tắt các báo cáo Hội thảo Quốc gia lần thứ VIII, Hải Phòng 25-27/08/2005, Một số
vấn đề chọn lọc của công nghệ thông tin và truyền thông, Chủ đề Mã nguồn mở, tr. 79,
Hải phòng 08/2005
[3] Vương Đạo Vy, Nguyễn Thế Sơn, “Hệ tự động đo thông số môi trường theo thời gian
thực, truyền dữ liệu không dây liên tục, dài ngày có kích thước nhỏ, giá thành thấp, tiêu
thụ năng lượng ít”, tóm tắt các báo cáo Hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI, tr. 297, Hà
nội 11/2005
[4] Vũ Duy Lợi (2002), “Mạng thông tin máy tính”, Nhà xuất bản Thế giới.
Tài liệu Tiếng Anh
[5] Alec Woo and David Culler, “A transmission control scheme for media access in
sensor networks,” in Proceedings of the ACM/IEEE International Conference on Mobile
Computing and Networking, Rome, Italy, July 2001, ACM.
[6] Chipcon, CC1010 DataSheet, www.chipcon.com
[7] Chipcon, CC1010 IDE Manual, www.chipcon.com
[8] David Gay, Philip Levis, Robert von Behren, “The nesC Language: A Holistic
Approach to Networked Embedded Systems”, University of California, Berkeley,

[9] E. Jason Riedy, Robert Szewczyk (2000), “Power and Control in Networked
Sensors”


[10] Hugh O’Keeffe, R&D Director, Ashling Microsystems Ltd (2006), “Embedded
Debugging”
[11]

Jason Hill (2000), “A Software Architecture Supporting Networked Sensors”,

University of California, Berkeley
[12] Jason Lester Hill (2000), “System Architecture for Wireless Sensor Networks”,
University of California, Berkeley
[13] MS5534 DataSheet,
[14] MS5535 DataSheet,
[15] Nikolay Kirianaki, Sergey Yurish, Nestor Shpak, Vadim Deynega (2001), “Smart
sensors for electrical and non-electrical, physical and chemical variables: tendencies
and perspectives”, John Wiley & Sons Ltd
[16] Patrick Kinney, Kinney Consulting LLC - Chair of IEEE 802.15.4 Task Group,
Secretary of ZigBee BoD, Chair of ZigBee Building Automation Profile WG (2 october
2003), “ZigBee Technology: Wireless Control that Simply Works”
[17] Vuong Dao Vy, Nguyen The Son, Phung Cong Phi Khanh, College of Technology
VNU (December 2005), “The automatic measure system contains the pieszoresistive
pressure sensor in MEMS architecture and the experiment for checking”, International
conference on Mecha-Electronic, Malaixia
[18] Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrin (2002), “An Energy-Efficient MAC
Protocol for Wireless Sensor Networks”, University of California, Berkeley
[19] ZigBee Specification, www.zigbee.org