Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây và thử nghiệm với vi điều khiển cc1010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Điêu Tiến Thọ

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

Ngành: Cơng 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


1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY .......... 9
1.1. Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây ...................... 9
1.2. Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm nhận
không dây ................................................................................................. 15
1.2.1. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây .................... 15
1.2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây.. 18

1.3. Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây .................. 19
1.3.1. Các yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây ............... 20
1.3.2. Các yêu cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây .................... 22
1.3.3. Kết luận ...................................................................................... 25
1.4. Mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển CC1010 ............... 25
1.4.1. Các lý do chọn vi điều khiển CC1010 ......................................... 25
1.4.2. Kiến trúc mạng cảm nhận đo nhiệt độ sử dụng CC1010.............. 27
1.5. Kết luận ............................................................................................. 29
CHƢƠNG 2. GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG CHO MẠNG CẢM
NHẬN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 ...................... 31
2.1. Mở đầu .............................................................................................. 31
2.2. Các hoạt động tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm nhận không dây 33
2.2. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận khơng
dây ........................................................................................................... 36
2.2.1. Mơ hình giao thức MAC hiện tại trong mạng không dây ............ 36
2.2.2. Mục tiêu xây dựng giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng cho mạng
cảm nhận không dây ............................................................................. 39


2

2.2.3. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận
không dây ............................................................................................. 41
2.2.4. Kết luận ...................................................................................... 45
2.3. Tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng bằng lập trình thay đổi chế độ làm
việc ........................................................................................................... 46
2.3.1. Phân tích các đặc trƣng của vi điều khiển CC1010 ..................... 46
2.3.2. Các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho CC1010 ........................ 55
2.4. Kết luận ............................................................................................. 58
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH TIẾT

KIỆM NĂNG LƢỢNG TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 ............................ 59
3.1. Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010 .............................. 59
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng .................................................. 59
3.1.2. Các cơng cụ hỗ trợ lập trình cho CC1010 ................................... 60
3.1.3. Thuật toán phần mềm nhúng tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng
đo nhiệt độ CC1010EM ........................................................................ 63
3.1.4. Chi tiết phần mềm nhúng thực hiện thuật toán ............................ 67
3.2. Thử nghiệm và đánh giá kết quả ........................................................ 71
3.3. Kết luận ............................................................................................. 77
KẾT LUẬN ................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 80
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 82


3

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

Mơi trƣờng phát triển tích hợp
CC1010

CDMA

Code Division Multiple
Access

Đa truy cập phân chia theo mã

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

CSMA

Carrier Sense Multiple
Access

Đa truy cập mơi 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


4

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

Bảng 3.1. Kết quả thử nghiệm chƣơng trình nhúng

72

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

73


5

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mơ hình khái qt mạng cảm nhận khơng dây

10

Hình 1.2. Một mơ hình triển khai mạng cảm nhận khơng dây

11

Hình 1.3. Một nút mạng cảm nhận khơng dây

11

Hình 1.4. Một mơ hình ứng dụng mạng cảm nhận khơng dây

12

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

16

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

28

Hình 1.7. Mơ 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 dịng tiêu thụ và tần số

50

Hình 3.1. Mơ hình phần mềm nhúng cho CC1010

61

Hình 3.2. Thuật tốn 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 dịng điện mà nút mạng tiêu thụ trong chế độ nghỉ

71

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

72


6

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 thơng
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 mơi trƣờng và đƣa ra các thơng 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 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 khơng 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


7

nghiên cứu đang đƣợc chú trọng để cải thiện chất lƣợng mạng khơng 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 tốn và lƣu trữ dẫn đến phải
có kiến trúc mới. Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mơ 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:
- 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 cịn trình bày các yêu cầu
đối với một nút mạng cảm nhận, trong những u cầu đó thì u 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.


8

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 tốn 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 tốn cho cơ chế
truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lƣợng tại nút mạng. Từ
thuật tốn đã xây dựng, phần mềm hồn 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.


9

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Chƣơng này sẽ đƣa ra những định nghĩa cơ bản về mạng cảm nhận
không dây, các đặc điểm, ý nghĩa và khả năng ứng dụng to lớn của nó vào
thực tiễn. Sau khi có những khái niệm cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc
giao thức và các loại định tuyến trong mạng cũng nhƣ các yêu cầu đối với một
hệ thống mạng cảm nhận không dây tốt. Nghiên cứu kỹ các yêu cầu đó sẽ là
cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp sử dụng cho từng ứng dụng
mạng cảm nhận không dây. Cụ thể trong đề tài này đã lựa chọn vi điều khiển
CC1010 làm đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tối ƣu hóa sử dụng năng
lƣợng trong mạng cảm nhận theo dõi thông tin về môi trƣờng. Dƣới đây sẽ lần
lƣợt xét từng vấn đề nêu trên.

1.1. Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây
Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bƣớc phát triển mạnh với mật độ
tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lƣợng ít và giá thành thấp.
Khi đƣợc nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập
trong các loại môi trƣờng và ở những vị trí địa lý khác nhau. Mỗi vi điều
khiển khi đƣợc tích hợp với bộ thu phát sóng vơ tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo
thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định
đƣợc gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Sensor Network).
Nhƣ vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng đƣợc cấu
thành từ các thiết bị hoạt động độc lập đặt trong không gian, các thiết bị thu
thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trƣờng
nhƣ nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,…


10

Nút cảm nhận
Trạm gốc (gateway)

Hình 1.1. Mơ hình khái qt mạng cảm nhận khơng dây
Trong hệ thống WSN cịn có các trạm gốc và trung tâm điều khiển.
Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều
khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều
khiển qua nhiều cách khác nhau. Các nút mạng truyền thông tin theo kiểu
nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc. Từ trạm
gốc có thể gửi thơng tin cho ngƣời sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều
cách nhƣ trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng internet, qua vệ tinh…
nhờ đó ngƣời giám sát có thể nhận đƣợc thông tin dù đang ở bất cứ đâu.
Sự ra đời của WSN xuất phát từ nhu cầu phát triển các ứng dụng trong

quân sự nhƣ giám sát các khu vực an ninh quốc gia, biên giới... Tuy vậy,
WSN hiện nay đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ giám sát mơi
trƣờng, các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ, tự động hố các thiết bị gia đình và
điều khiển luồng giao thông.


11

Hình 1.2. Một mơ hình triển khai mạng WSN
Mỗi nút mạng trong WSN gồm các thành phần: một hoặc nhiều thiết bị
cảm biến; một đầu thu phát sóng vơ tuyến; một vi điều khiển và một nguồn
năng lƣợng (thông thƣờng dùng pin).

Hình 1.3. Một nút mạng cảm nhận khơng dây


12

Một số nút mạng cảm nhận có thể có thêm bộ nạp năng lƣợng, bộ vi
điều khiển thứ hai, cũng có thể có bộ thu phát vơ tuyến thứ hai. Kích thƣớc
của một nút mạng cảm nhận khá đa dạng, giá thành mỗi nút mạng cảm nhận
cũng khác nhau, phụ thuộc vào kích thƣớc và độ phức tạp của mỗi loại.
 Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây [10]
Từ đặc điểm mơ tả về WSN ở trên, ta có thể thấy ứng dụng của WSN
rất phong phú, nó có thể ứng dụng trong dân dụng, thƣơng mại, công nghiệp
hoặc quân sự để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây khơng thực hiện
đƣợc hoặc thực hiện với chi phí cao. WSN có thể đƣợc triển khai trong những
khu vực rộng lớn hoang vu, ở đó chúng có thể tồn tại mà không cần con
ngƣời can thiệp trong vài năm.

Hình 1.4. Một mơ hình ứng dụng của WSN


13

Cụ thể, một số ứng dụng của WSN gồm theo dõi và cảnh báo các mức
độ của môi trƣờng nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi sự chuyển dịch nhƣ
giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân,…
 Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây
Các đặc điểm của WSN gồm:
- Các nút mạng cảm nhận có kích thƣớc nhỏ
- Năng lƣợng nạp đƣợc và lƣu đƣợc bị giới hạn
- Hoạt động ở các điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt không cần can
thiệp của con ngƣời
- Dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu
- Các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển đƣợc mà khơng cần thay
đổi cấu hình
- Mơ hình mạng động, linh hoạt
- Các nút mạng hỗn hợp
- Cho phép khả năng mở rộng cao
 Nền tảng
Phần cứng
Thách thức chính là việc sản xuất đƣợc các nút mạng cảm nhận có giá
thành thấp và kích thƣớc nhỏ. Với những địi hỏi trên, các nút mạng cảm nhận
hiện nay chỉ ở mức những hình mẫu đầu tiên.
Các chuẩn: Trong khi các mạng máy tính, viễn thơng đã có rất nhiều
chuẩn thì với WSN chỉ có một số chuẩn là ISO 18000-7, 6lowpan và
WirelessHART. Một số chuẩn khác đang đƣợc nghiên cứu bởi các nhà nghiên
cứu nhƣ ZigBee, Wibree.
Phần mềm

14

Năng lƣợng là nguồn tài nguyên quan trọng nhất của WSN, và nó quyết
định thời gian sống của WSN. Các WSN đƣợc triển khai với số lƣợng lớn và
trong nhiều môi trƣờng khác nhau với đặc điểm là truyền thông đặc biệt
khơng thể dự tính trƣớc (ad hoc communication). Vì lý do này nên các thuật
toán và giao thức cần tập trung vào các điểm sau:
- Thời gian sống đƣợc tối đa hoá
- Chịu lỗi tốt
- Khả năng tự cấu hình
Một số điểm khác đáng chú ý khi nghiên cứu phần mềm cho WSN:
- Bảo mật
- Tính cơ động (khi nút mạng cảm nhận hoặc trạm gốc di chuyển)
- Hỗ trợ sử dụng phần mềm trung gian
Hệ điều hành
Hệ điều hành cho nút mạng cảm nhận thƣờng ít phức tạp hơn hệ điều
hành sử dụng trong các ứng dụng thông thƣờng do hai nguyên nhân: yêu cầu
đặc biệt của ứng dụng WSN và tài nguyên hạn chế của các nút mạng. Ví dụ,
hệ điều hành dành cho nút mạng cảm nhận không cần hỗ trợ giao diện ngƣời
sử dụng.
Phần cứng của WSN không khác so với các hệ thống nhúng truyền
thống do đó có thể nhúng các hệ điều hành nhƣ eCos hoặc uC/OS cho mạng
cảm nhận. Tuy nhiên các hệ điều hành trên đƣợc thiết kế cho các ứng dụng
thời gian thực, trong khi đó hệ điều hành dành cho mạng cảm nhận khơng hỗ
trợ thời gian thực.
Có thể nói TinyOS là hệ điều hành đầu tiên đƣợc thiết kế riêng biệt cho
WSN. TinyOS có kích thƣớc nhỏ, mã nguồn mở, dùng mơ hình hƣớng sự
kiện, bộ lập dịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song

15

song với nguồn tài nguyên hạn chế. TinyOS sử dụng bộ lập trình thao tác kiểu
FIFO kết nối mềm dẻo giữa phần cứng và ứng dụng.
Ngơn ngữ lập trình
Lập trình cho các nút mạng cảm nhận khó hơn so với lập trình trên hệ
thống máy tính thơng thƣờng. Sự hạn chế về nguồn tài nguyên trên nút mạng
dẫn đến phát triển một số ngơn ngữ lập trình mới cho WSN. Tuy vậy ngơn
ngữ phổ biến hiện nay để lập trình cho nút mạng cảm nhận là ngôn ngữ C.
Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng cảm nhận là: c@t (Computation at a
point in space (@) Time), DCL (Distributed Compositional Language), galsC,
nesC, Protothreads, SNACK, SQRL.
Thuật tốn
WSN đƣợc hình thành từ một số lƣợng lớn các nút cảm nhận do đó
thuật tốn cho WSN hồn tồn là thuật tốn phân phối (distributed algorithm).
Trong WSN yếu tố tài nguyên đáng quan tâm nhất là năng lƣợng và một trong
những hoạt động tiêu tốn nhiều năng lƣợng nhất là truyền dữ liệu. Do đó,
trong WSN chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế các thuật toán tối ƣu sử
dụng năng lƣợng khi dữ liệu đƣợc truyền từ các nút mạng đến trạm gốc. Dữ
liệu truyền đi trong mạng thông thƣờng theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút,
sau đó chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm năng lƣợng, do nếu
truyền với khoảng cách xa thì nút mạng sẽ tiêu tốn nhiều năng lƣợng hơn.

1.2. Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm
nhận không dây
1.2.1. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây

16

Nhƣ trình bày ở hình 1.5, kiến trúc giao thức WSN bao gồm: lớp vật lý,
lớp liên kết số liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công
suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Phần quản lý nhiệm
vụ
Lớp ứng dụng

Phần quản lý di
chuyển

Lớp truyền tải
Lớp mạng

Phần quản lý năng
lƣợng

Lớp liên kết số liệu
Lớp vật lý

Hình 1.5: Kiến trúc giao thức của WSN.
Lớp vật lý cung cấp các kỹ thuật điều chế, phát và thu. Tại lớp liên kết
dữ liệu, giao thức điều khiển truy cập môi trƣờng (MAC) phải tối ƣu sử dụng
năng lƣợng và có khả năng giảm thiểu xung đột giữa các nút mạng khi truy
cập môi trƣờng. Thiết kế giao thức MAC là rất quan trọng vì nó quyết định
nhiều đến việc tiêu thụ năng lƣợng của nút mạng. Trong chƣơng hai sẽ có
phần phân tích cụ thể về các giao thức tiết kiệm năng lƣợng có thể sử dụng
cho WSN cũng nhƣ lựa chọn một loại giao thức và vi điều khiển tƣơng ứng
hỗ trợ giao thức đó để xây dựng mạng WSN.

Lớp mạng đảm bảo các hoạt động định tuyến số liệu đƣợc cung cấp bởi
lớp truyền tải. Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng
cảm biến yêu cầu. Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm khác nhau
có thể đƣợc xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
Ngoài ra, các phần quản lý công suất, di chuyển và nhiệm vụ sẽ giám
sát việc sử dụng công suất, sự di chuyển và thực hiện nhiệm vụ giữa các nút


17

cảm nhận. Những phần này giúp các nút cảm nhận phối hợp nhiệm vụ cảm
biến và tiêu thụ năng lƣợng tổng thể thấp hơn.
Phần quản lý năng lƣợng điều khiển việc sử dụng năng lƣợng của nút
mạng. Ví dụ, nút mạng có thể tắt khối thu của nó sau khi thu đƣợc một bản tin
từ một nút lân cận, điều này giúp tránh việc nhận các bản tin trùng lặp dƣ thừa
khơng cần thiết. Cịn khi mức năng lƣợng của nút mạng thấp, nó sẽ phát
quảng bá tới các nút lân cận để thơng báo nó có mức năng lƣợng thấp và
không thể tham gia vào các bản tin định tuyến. Phần năng lƣợng còn lại sẽ
dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di chuyển phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút
cảm nhận để duy trì tuyến tới ngƣời sử dụng và các nút có thể lƣu vết của các
nút cảm nhận lân cận. Nhờ xác định đƣợc các nút lân cận, các nút cảm nhận
có thể cân bằng giữa cân bằng giữa cơng suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.
Phần quản lý nhiệm vụ dùng để làm cân bằng và lên kế hoạch các
nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Khơng phải tất cả các nút cảm
nhận trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời
điểm. Kết quả là một số nút cảm nhận thực hiện nhiều hơn các nút khác tuỳ
theo mức công suất của nó. Những phần quản lý này là cần thiết để các nút
cảm nhận có thể làm việc cùng nhau, sử dụng hiệu quả năng lƣợng, định
tuyến số liệu trong mạng và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm nhận.

Mơ hình kiến trúc mạng nhƣ trên làm cho các nút mạng quản lý năng
lƣợng hiệu quả đồng thời duy trì hoạt động của tồn mạng trong thời gian dài
hơn. Để hiểu hơn về hoạt động truyền nhận thông tin giữa các nút mạng cũng
nhƣ biết đƣợc thêm các yếu tố gây tiêu tốn năng lƣợng cho nút mạng cảm
nhận khơng dây, việc tìm hiểu các giao thức định tuyến trong WSN là cần


18

thiết. Phần sau đây sẽ trình bày vắn tắt các giao thức định tuyến sử dụng trong
WSN.
1.2.2. Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây
Định tuyến trong WSN là một thách thức lớn do có sự khác biệt không
nhỏ giữa đặc điểm của WSN và các mạng thơng thƣờng hiện tại.
Trƣớc hết, khó có thể xây dựng đƣợc cơ chế đánh địa chỉ toàn cầu cho
toàn bộ nút mạng cảm nhận khi triển khai do việc phân bố các nút mạng
thƣờng với số lƣợng lớn, ngẫu nhiên, có sự mở rộng. Các giao thức dựa trên
địa chỉ IP do vậy khó áp dụng cho WSN đƣợc.
Thứ hai, các nút mạng dễ xảy ra lỗi hoặc bị ngắt do thiếu công suất,
hỏng phần cứng hoặc bị nhiễu mơi trƣờng. Trong khi đó mỗi nút đóng hai vai
trị truyền số liệu và chọn đƣờng, một số nút cảm biến hoạt động sai chức
năng do lỗi nguồn công suất có thể gây ra sự thay đổi cấu hình mạng nghiêm
trọng và phải chọn đƣờng lại các gói hoặc phải tổ chức lại mạng.
Thứ ba, luồng dữ liệu phát đi từ các nút mạng có số lƣợng đáng kể các
bản tin bị trùng lặp do các cảm biến có thể thu thập đƣợc dữ liệu giống nhau
và cùng truyền về trung tâm. Do đó dữ liệu dƣ thừa đó cần đƣợc giao thức
định tuyến loại bỏ để tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng và tăng băng thông.
Nguyên nhân thứ tƣ khiến việc định tuyến trong WSN là một thách
thức là do mỗi nút mạng cảm nhận đều có năng lƣợng, khả năng tính tốn và
bộ nhớ hạn chế.

Do những khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến mới cho WSN đã
đƣợc nghiên cứu và ứng dụng. Các giao thức đó có thể đƣợc chia thành các
loại chính là: ngang hàng, phân cấp và định vị [7].


19

Trong giao thức ngang hàng, tất cả các nút thƣờng có vai trị hoặc chức
năng nhƣ nhau. Hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi đáp, phụ thuộc vào
việc đặt tên các gói dữ liệu do đó loại bỏ đƣợc việc gửi dƣ thừa dữ liệu trong
mạng.
Giao thức phân cấp dựa trên việc chia mạng thành các cụm, mỗi cụm
có một nút làm chủ có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu của các thành viên lại và loại
những dữ liệu không cần thiết trƣớc khi truyền. Nút chủ sẽ đƣợc thay đổi khi
bắt đầu chu kỳ làm việc mới và sẽ thay bằng nút khác có khả năng đảm nhận
chức năng này.
Giao thức định vị sử dụng các thông tin về vị trí của các nút để truyền
dữ liệu cho các nút cần thiết thay vì truyền cho tất cả các nút trong mạng.
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là thích ứng nếu các tham số của hệ
thống có thể điều khiển đƣợc để phù hợp với các trạng thái mạng hiện tại và
các mức năng lƣợng khả dụng. Một số giao thức định tuyến đã phát huy hiệu
quả tiết kiệm tiêu thụ năng lƣợng nhƣ: LEACH, TEEN & APTEEN, MECN
& SVECN, PEGASIS thuộc định tuyến phân cấp; SPIN, CADR, CUGAR
thuộc định tuyến ngang hàng.

1.3. Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây
Xuất phát từ các đặc điểm và kiến trúc của hệ thống WSN đã phân tích
trong các phần trên, ta có thể đƣa ra các yêu cầu để xây dựng một mạng WSN
tốt, tối ƣu khi triển khai trong các ứng dụng.
Các chỉ tiêu đó bao gồm: thời gian sống, độ bao phủ, chi phí, thời gian

đáp ứng, độ chính xác, bảo mật, tốc độ lấy mẫu hiệu quả. Thông thƣờng, khi
tăng hiệu quả của chỉ tiêu này lại làm giảm hiệu quả của chỉ tiêu khác, ví dụ
khi tăng tốc độ lấy mẫu lại làm giảm thời gian sống, do đó tuỳ thuộc vào nhu


20

cầu mà có thể chọn chỉ tiêu nào là ƣu tiên và phải chấp nhận không đạt chỉ
tiêu nào.
Dƣới đây sẽ xét các yêu cầu trong hai khía cạnh: đối với toàn hệ thống
WSN và đối với mỗi nút mạng cảm nhận để từ đó có thể lựa chọn vi mạch
thích hợp cho từng loại ứng dụng của WSN.
1.3.1. Các yêu cầu chung đối với mạng cảm nhận không dây
Thời gian sống
Một trong những hạn chế của WSN là thời gian sống mà yếu tố chủ yếu
giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lƣợng cung cấp. Mỗi nút
mạng cần đƣợc thiết kế cơ chế quản lý năng lƣợng để tối đa hoá thời gian
sống của mạng.
Trong một số trƣờng hợp có thể dùng nguồn năng lƣợng ngồi cho nút
mạng cảm nhận. Tuy nhiên, vì ƣu điểm chính của mạng khơng dây là tính linh
hoạt dễ triển khai, yêu cầu nguồn năng lƣợng ngoài cho tất cả các nút mạng
lại mâu thuẫn với ƣu điểm này. Một giải pháp đƣợc đƣa ra là cấp nguồn ngoài
cho một nhóm các nút đặc biệt trong mạng, có thể lấy năng lƣợng từ môi
trƣờng thông qua thiết bị khác nhƣ năng lƣợng mặt trời, nguồn áp điện.
Ngồi ra có thể kéo dài thời gian sống cho nút mạng bằng cách giảm
năng lƣợng tiêu thụ khi truyền và nhận dữ liệu qua sóng vơ tuyến. Năng
lƣợng tiêu thụ này có thể giảm đƣợc bằng cách giảm năng lƣợng truyền, tức là
giảm chu trình làm việc của nút mạng cảm nhận.
Độ bao phủ
Từ những đặc điểm mạng không dây vừa nghiên cứu ở trên, ta thấy nó

có thuận lợi là khả năng triển khai một mạng trên một vùng rộng lớn. Kỹ


21

thuật truyền đa chặng (multi-hop) cho phép mở rộng độ bao phủ của mạng, về
mặt lý thuyết chúng có khả năng mở rộng vơ hạn, ngƣời dùng có thể triển
khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Tuy nhiên, khi
khoảng cách truyền tăng, giao thức mạng multi-hop làm tăng năng lƣợng tiêu
thụ của các nút do đó sẽ làm giảm thời gian sống của mạng. Hơn nữa, mở
rộng mạng cũng sẽ làm tăng chi phí triển khai.
Khả năng triển khai
Ƣu điểm lớn nhất của WSN là dễ triển khai. Ngƣời sử dụng không cần
phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Mạng cảm
nhận có khả năng tự cấu hình, các nút đƣợc đặt vào mơi trƣờng và có thể hoạt
động ngay. Trong thực tế, một phần năng lƣợng đƣợc dành cho kiểm tra và
bảo trì hệ thống. Việc tạo ra thơng tin chẩn đốn và tái cấu hình sẽ làm giảm
thời gian sống của mạng, đồng thời cũng làm giảm tốc độ lấy mẫu.
Thời gian đáp ứng
Trong các ứng dụng cảnh báo hoặc điều khiển, thời gian đáp ứng hệ
thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Một thông báo cần
đƣợc tạo ra ngay lập tức khi nút mạng cảm nhận đƣợc sự kiện. Dù đang hoạt
động ở mức năng lƣợng thấp, các nút cần phải có khả năng truyền tức thời các
thơng điệp qua mạng càng nhanh càng tốt.
Yếu tố thời gian đáp ứng nhanh lại xung đột với các kỹ thuật làm tăng
thời gian sống của mạng bởi vì thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách
để các nút chỉ hoạt động ở chế độ truyền nhận radio trong thời gian ngắn.
Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong
toàn bộ thời gian. Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ thống.
Độ chính xác thời gian

22

Để đạt đƣợc độ chính xác theo thời gian, một mạng cần xây dựng và
duy trì một thời gian cơ sở tồn cục có thể đƣợc sử dụng để sắp xếp các mẫu
và các sự kiện theo thời gian. Trong một hệ phân tán, năng lƣợng cần đƣợc
mở rộng để duy trì và phân phối tín hiệu đồng hồ. Thơng tin đồng bộ thời
gian cần liên tục đƣợc truyền giữa các nút. Tần số các thông điệp đồng bộ phụ
thuộc vào yêu cầu độ chính xác của đồng hồ thời gian.
Tính bảo mật
Trong nhiều trƣờng hợp, thơng tin thu thập đƣợc qua WSN có ý nghĩa
rất quan tịong và cần phải bảo mật. Việc sử dụng mã hoá và giải mã sẽ làm
tăng chi phí về năng lƣợng và băng thơng, tuy nhiên một số ứng dụng vẫn địi
hỏi phải đảm bảo yêu cầu này, khi đó các yêu cầu cho mỗi nút mạng sẽ cao
hơn so với các mạng khơng có bảo mật.
1.3.2. Các u cầu đối với nút mạng cảm nhận không dây
Sau đây là những chỉ tiêu để đánh giá một nút mạng. Mục đích là qua
các chỉ tiêu đánh giá đó sẽ tạo ra cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích
hợp và xây dựng hệ thống mạng hiệu quả.
Năng lượng
Để đạt đƣợc yêu cầu duy trì năng lƣợng hoạt động trong nhiều năm, các
nút mạng cần phải tiêu thụ năng lƣợng ở mức rất thấp. Việc tiêu thụ năng
lƣợng thấp đạt đƣợc bằng cách sử dụng phần cứng tiêu tốn ít năng lƣợng, điều
khiển chu trình hoạt động của nút mạng. Các thuật toán và các giao thức cần
đƣợc phát triển để giảm thời gian vi xử lý và mạch thu phát hoạt động, cố
gắng đƣa chúng về trạng thái nghỉ hoặc ngủ tiết kiệm năng lƣợng khi không
tham gia truyền nhận. Ở các chƣơng sau của luận văn này sẽ nghiên cứu về

23

hƣớng tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng WSN bằng cách chuyển đổi các
chế độ làm việc của chúng.
Tính mềm dẻo
Các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với các ngữ
cảnh khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy
mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần
phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý
do chi phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng
cụ thể. Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì
vậy, những thiết bị này địi hỏi một mức độ cao về tính modul của phần cứng
và phần mềm trong khi vẫn giữ đƣợc tính hiệu quả.
Sức mạnh
Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải càng
mạnh càng tốt. Module hố hệ thống là một cơng cụ mạnh để phát triển hệ
thống. Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập,
mỗi chức năng có thể đƣợc kiểm tra đầy đủ trƣớc khi kết hợp chúng thành
một ứng dụng hoàn chỉnh. Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc
lập đến mức có thể và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tƣơng tác không
mong đợi. Để tăng sức mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có
khả năng đối phó với nhiễu ngồi từ các mạng không dây khác. Khả năng
tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo triển khai mạng thành cơng.
Tính bảo mật
Các nút riêng lẻ cần có khả năng mã hố và xác thực. Truyền dữ liệu
khơng dây có độ bảo mật rất thấp, cách bảo mật dữ liệu là mã hố tồn bộ dữ
liệu truyền, CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã.


24

Truyền thông
Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kỳ WSN nào là tốc độ truyền, năng lƣợng
tiêu thụ và khoảng cách. Nếu các nút đƣợc đặt rất xa nhau, chúng khơng thể
tạo đƣợc kết nối có độ tin cậy cao. Tốc độ truyền cũng có ảnh hƣởng lớn đến
hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền cao làm cho khả năng lấy mẫu hiệu
quả hơn và năng lƣợng tiêu thụ của mạng ít hơn do việc truyền mất ít thời
gian hơn. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cũng thƣờng làm tăng năng lƣợng tiêu
thụ mạch radio trên nút đó. Các yếu tố trở nên cân bằng, một tốc độ cao sẽ
tăng hiệu suất hệ thống, tuy nhiên tăng tốc độ có ảnh hƣởng lớn tới năng
lƣợng tiêu thụ và yêu cầu tính tốn của nút.
Khả năng tính tốn
Tính tốn cho nút mạng tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng
và quản lý các giao thức truyền thông khơng dây mức thấp. Có những u cầu
giới hạn về mặt thời gian thực đối với truyền thông và cảm biến. Khi dữ liệu
tới trên mạng, CPU cần điều khiển đồng thời radio và ghi lại - giải mã dữ liệu
tới. Tốc độ truyền cao hơn địi hỏi tính tốn nhanh hơn. Điều tƣơng tự cũng
đúng đối với xử lý dữ liệu cảm biến. Các cảm biến tƣơng tự có thể phát ra
hàng ngàn mẫu trong một giây. Các thao tác xử lý cảm biến nói chung bao
gồm lọc số, trung bình hố, nhận biết ngƣỡng, phân tích phổ,…
Kích thước và chi phí
Kích thƣớc vật lý và giá thành của mỗi nút mạng có ảnh hƣởng tới sự
dễ dàng và chi phí khi triển khai WSN. Kích thƣớc nhỏ làm nút mạng có thể
đặt đƣợc trong nhiều vị trí khác nhau, sử dụng trong nhiều tình huống hơn;
giá thành hạ sẽ cho phép triển khai mạng với số lƣợng nút mạng lớn và do đó
thu thập đƣợc nhiều thơng tin hơn.