Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ truyền tin bluetooth trong thiết kế mạng cảm biến không dây
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.49 MB, 103 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------
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
Luận văn thạc sỹ khoa học
1
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
2
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
3
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
4
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
1
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
2
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
3
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.
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
4
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
5
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.
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
PHẦN I
Chương I.
6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
7
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
8
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
9
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
10
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
11
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
12
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)
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
13
• 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).
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
14
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…
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
15
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
16
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 truyềnnhận 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 truyềnnhận:
Hình I.5 Cấu trúc chung của bộ truyền-nhận (transceiver)
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
17
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
18
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
Một nút cảm biến có 3 chế độ hoạt động:
• Chế độ hoạt động tích cực (Active mode)
• Chế độ ngủ (Sleep mode)
• Chế độ nghỉ (Idle)
Ở chế độ hoạt tích cực, các nút cảm biến thực hiện các nhiệm vụ như đo
lường, phát hiện sự kiện, truyền thông tin đi hay nhận thông tin về với các
thiết bị khác trong mạng. Ở chế độ này, khối xử lý (MCU) của nút cảm biến
luôn luôn hoạt động và gần như tất cả các khối còn lại cũng đều hoạt động: bộ
truyền nhận sóng radio, bộ nhớ.
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 là Pactive
Ký hiệu công suất tiêu thụ khi nút cảm biến ở trạng thái ngủ là Psleep
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 Pactive xuống Psleep :
- 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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
19
lượng tiêu thụ trong trường hợp không sử dụng trạng thái nghỉ được tính bằng
E active = Pactive * (t event − t1 ) .
- Trường hợp 2: nếu nút cảm biến đưa ra quyết định rơi vào trạng thái ngủ và
phải mất một khoảng thời gian τ down thì nó mới chuyển hoàn toàn từ trạng thái
Pactive xuống Psleep (xem hình I.6).
Giả sử như công suất tiêu thụ trung bình trong khoảng thời gian τ down này là
( Pactive + Psleep )/2. Nó ở trạng thái Psleep cho đến thời điểm t event . Công suất tiêu
thụ trong toàn bộ trường hợp này là:
τ down * ( Pactive + Psleep ) / 2 + (t event − t1 − τ down ) * Psleep
Năng lượng tiết kiệm so với trường hợp (t event − t1 ) * Pactive là :
E saved = (t event − t1 ) * Pactive − (τ down * ( Pactive + Psleep ) / 2 + (t event − t1 − τ down ) * Psleep )
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 Pactive .
Eoverhead = τ up * ( Pactive + Psleep ) / 2
Do đó rõ ràng việc chuyện đổi giữa các trạng thái ngủ chỉ được lợi nếu
Eoverhead < E saved hoặc tương đương với công thức sau:
Đo lường và các hệ thống điều khiển
Luận văn thạc sỹ khoa học
(t event − t1 ) >
20
⎞
Pactive + Psleep
1 ⎛⎜
* τ down +
*τ up ⎟
⎟
Pactive − Psleep
2 ⎜⎝
⎠
(1.1)
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
Đo lường và các hệ thống điều khiển
