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

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

Trường Đại học Công nghệ
Luận văn ThS chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc;
Mã số: 2.07.00
Người hướng dẫn: PGS.TS. Vương Đạo Vy
Năm bảo vệ: 2007
Abstract: Tổng quan về mạng cảm nhận không dây (WSN), các yêu cầu đối với một
nút mạng cảm nhận, nhấn mạnh yêu cầu sử dụng năng lượng tiết kiệm là quan trọng
nhất. Xây dựng một mạng WSN thực tế sử dụng vi điều khiển CC1010 làm các nút
mạng. Nêu nguyên nhân gây tổn thất năng lượng đối với nút mạng và hướng hạn chế
nguyên nhân. Trong số các giải pháp cụ thể nhằm tiết kiệm năng lượng cho nút WSN
được trình bày, giải pháp lập trình cho nút mạng tỏ ra có tính khả thi nhất. Từ cơ sở
này, tiến hành xây dựng phần mềm nhúng có cơ chế truyền nhận với chức năng tiết
kiệm năng lượng tại nút mạng
Keywords: Mạng viễn thông, Năng lượng, Vi điều khiển, Viễn thông

Content
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 được 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 người. Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường và đưa ra các thông báo
có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát các

khu vực quân sự,… Nhiều ứng dụng khác của WSN đang được nghiên cứu và có xu hướng
phát triển rộng khắp.
Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần phải có là gọn nhẹ và nút mạng thực hiện
được cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm nhận. Để đảm bảo cho hoạt động
của mỗi nút, người ta chế tạo một nguồn năng lượng được thiết kế với kích thước nhỏ đi kèm.
Hoạt động của mỗi nút cảm nhận được thực hiện qua các bước cơ bản: cảm nhận, đo đạc,
truyền dữ liệu.
Chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu vì thay cho hệ thống dây dẫn thông qua
các ống dẫn bảo vệ, người ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết. Mạng có thể được
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 người. 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 lượng cho từng nút
mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin. Đây là một hướng nghiên cứu đang được chú
trọng để cải thiện chất lượng mạng không dây. Khi kích thước vật lý giảm, cũng làm giảm
khả năng tích trữ năng lượng. Các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán
và lưu 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 lượng 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 lượng cho các nút
trong mạng cảm nhận không dây. Cụ thể:
-

Chương 1: “Tổng quan về mạng cảm nhận không dây” sẽ đưa ra những định nghĩa
cơ bản, những ứng dụng của WSN, các loại giao thức định tuyến trong WSN.
Chương 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 lượng tiết kiệm là quan trọng nhất.
Xuất phát từ đó, tác giả định hướng cho đề tài nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm
năng lượng cho WSN. Phần cuối của chương 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
tượng nghiên cứu và thử nghiệm tiết kiệm năng lượng ở các chương sau.

-

Chương 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 lượng đối với nút mạng từ đó đưa ra hướng hạn chế các nguyên nhân
đó. Có nhiều cách khác nhau để tiết kiệm năng lượng cho nút WSN như xây dựng
các giao thức MAC tiêu thụ ít năng lượng, lập trình cho vi điều khiển chuyển sang
hoạt động ở chế độ năng lượng thấp khi không cần truyền dữ liệu. Các phần sau


của chương sẽ đưa ra giải pháp cụ thể, tuy nhiên chỉ một trong số đó được chọn để
nghiên cứu sâu và giải pháp lập trình cho nút mạng được chọn do có tính khả thi
nhất trong phạm vi nghiên cứu của một luận văn. Các đặc tính tiết kiệm năng
lượng của vi điều khiển CC1010 được nghiên cứu và khai thác, là tiền đề cho việc
xây dựng thuật toán và viết chương trình cụ thể trong chương 3.
-

Chương 3: “Nghiên cứu, thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng lượng trên vi
điều khiển CC1010” giới thiệu các bước cơ bản để xây dựng một phần mềm
nhúng, đưa ra tư tưởng thuật toán cho cơ chế truyền nhận có chức năng tiết kiệm
năng lượng tại nút mạng. Từ thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh được
viết và chạy thử nghiệm. Các kết quả đạt được sẽ được phân tích và qua đó chứng
minh khả năng tiết kiệm năng lượng của giải pháp.

-

Phần Kết luận sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính,

những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa ra các hướng nghiên cứu
sâu hơn của đề tài này.

References

1. Vũ Duy Lợi (2002), Mạng thông tin máy tính, Nhà xuất bản Thế giới, Hà Nội.
2. Đàm Thu Phương (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, Trường Đại
học Công nghệ, Hà Nội.

3. Vương Đạo Vy (2006), Mạng truyền số liệu, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia, Hà Nội.
4. Vương 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 trường 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.
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.