Bài giảng Mạng cảm biến: Phần 1 có nội dung trình bày giới thiệu về mạng cảm biến không dây; các mục tiêu tối ưu cho mạng cảm biến không dây; quy tắc thiết kế cho WSN; giao diện dịch vụ của WSN; kiến trúc nút đơn; năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến; mô hình lập trình và các giao diện lập trình ứng dụng;... Mời các bạn cùng tham khảo!
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Khoa Kỹ thuật Điện tử I ********** Vũ Anh Đào - Trần Thị Thục Linh - Nguyễn Hồng Hoa Bài giảng: MẠNG CẢM BIẾN Hà nội, 12/2014 MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 10 CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 12 1.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 12 1.1.1 Đặc trƣng cấu hình mạng cảm biến khơng dây 13 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 16 1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cho mạng cảm biến không dây 20 1.1.4 So sánh mạng cảm biến với mạng khác 23 1.2 Các khái niệm mạng cảm biến 26 1.2.1 Nguồn thu 26 1.2.2 Mạng đơn bƣớc nhảy đa bƣớc nhảy 26 1.2.3 Ba loại chuyển động 29 1.3 Các mục tiêu tối ƣu cho mạng cảm biến không dây 30 1.3.1 Chất lƣợng dịch vụ 31 1.3.2 Hiệu lƣợng 31 1.3.3 Khả mở rộng 32 1.3.4 Tính bền vững 32 1.4 Các quy tắc thiết kế cho WSN 33 1.4.1 Tổ chức phân bố 33 1.4.2 Xử lý mạng 33 1.4.3 Tính xác độ tin cậy 35 1.4.4 Tập trung liệu 35 1.4.5 Khai thác thông tin vị trí 36 1.4.6 Khai thác mô hình hoạt động 36 1.4.7 Giao thức dựa phần tử tối ƣu lớp giao 37 1.5 Giao diện dịch vụ WSN 37 1.5.1 Cấu trúc giao diện ngăn xếp giao thức/ứng dụng 37 1.5.2 Các yêu cầu cho giao diện dịch vụ WSN 38 1.6 Kết chƣơng 39 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 40 CHƢƠNG KIẾN TRÚC NÚT ĐƠN 41 2.1 Các thành phần phần cứng 41 2.1.1 Bộ điều khiển 42 2.1.2 Bộ nhớ 44 2.1.3 Thiết bị truyền thông 44 2.1.4 Cảm biến cấu chấp hành 52 2.1.5 Nguồn cấp 52 2.2 Năng lƣợng tiêu thụ nút cảm biến 54 2.2.1 Các trạng thái hoạt động 54 2.2.2 Năng lƣợng tiêu thụ thành phần phần cứng 56 2.3 Các hệ điều hành môi trƣờng hoạt động 61 2.3.1 Các hệ điều hành nhúng 61 2.3.2 Mơ hình lập trình giao diện lập trình ứng dụng 61 2.3.3 Cấu trúc hệ điều hành ngăn xếp giao thức 64 2.3.4 Quản lý công suất động 65 2.4 Một số loại cảm biến cấu chấp hành 66 2.4.1 Một số loại cảm biến 66 2.4.2 Một số loại cấu chấp hành 70 2.5 Kết chƣơng 73 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 74 CHƢƠNG CÁC GIAO THỨC MAC 75 3.1 Giới thiệu 75 3.2 Lớp vật lý 76 3.2.1 Cấp phát tần số 76 3.2.2 Điều chế giải điều chế 78 3.2.3 Công nghệ trải phổ 79 3.2.4 Thiết kế thu phát WSN 79 3.3 Lớp liên kết liệu 81 3.3.1 Các nhiệm vụ yêu cầu 81 3.3.2 Điều khiển lỗi 81 3.3.3 Lập khung 95 3.3.4 Quản lý tuyến 101 3.4 Các giao thức điều khiển truy nhập kênh truyền (MAC) 105 3.4.1 Các yêu cầu cho giao thức MAC không dây 105 3.4.2 Các ràng buộc thiết kế giao thức MAC 107 3.4.3 Các tùy chọn cho giao thức MAC 108 3.5 Các giao thức MAC dựa ganh đua 110 3.5.1 Giao thức CSMA/CA (MACA) 111 3.5.2 Giao thức S-MAC 114 3.5.3 Giao thức T-MAC 118 3.5.4 Giao thức PAMAS 118 3.6 Các giao thức MAC dựa lịch trình 119 3.6.1 Giao thức LEACH 119 3.6.2 Giao thức SMACS 121 3.7 Giao thức MAC IEEE 802.15.4 124 3.7.1 Các loại nút vai trò chúng 124 3.7.2 Kiến trúc siêu khung 125 3.7.3 Giao thức Slotted CSMA-CA 126 3.8 Kết chƣơng 127 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 128 CHƢƠNG GIAO THỨC LỚP MẠNG 129 4.1 Giới thiệu chung 129 4.2 Đặt tên đánh địa 129 4.2.1 Các nguyên tắc 130 4.2.2 Quản lý tên địa WSN 135 4.2.3 Các phƣơng pháp đánh địa 135 4.3 Định tuyến mạng cảm biến không dây 139 4.3.1 Sự phân phối tập hợp liệu 141 4.3.2 Các thách thức kỹ thuật định tuyến 142 4.3.3 Các chiến lƣợc định tuyến WSN 143 4.3.4 Định tuyến ngang hàng 146 4.3.5 Định tuyến phân cấp 155 4.3.6 Định tuyến theo vị trí 160 4.4 Kết chƣơng 166 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO 168 LỜI NÓI ĐẦU Những tiến gần thông tin vô tuyến điện tử cho phép phát triển mạng cảm biến giá thành thấp Mạng cảm biến đƣợc sử dụng ứng dụng khác nhƣ chăm sóc sức khoẻ, quân sử dụng gia đình Mạng cảm biến không dây (WSN – Wireless Sensor Network) bao gồm nút nhỏ có khả cảm biến, tính tốn trao đổi thơng tin vơ tuyến Một số giao thức định tuyến, quản lý lƣợng trao đổi liệu đƣợc thiết kế cho WSN với yêu cầu quan trọng tiết kiệm lƣợng Các giao thức định tuyến WSN khác tuỳ theo ứng dụng cấu trúc mạng Nói chung, giao thức định tuyến đƣợc chia thành loại dựa vào cấu trúc mạng: ngang hàng, phân cấp dựa vào vị trí Ngồi ra, giao thức đƣợc phân loại dựa theo đa đƣờng, yêu cầu, hỏi/đáp, QoS liên kết tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động Mạng cảm biến khơng dây hiểu đơn giản mạng liên kết nút với kết nối sóng vơ tuyến , nút mạng thƣờng thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp có số lƣợng lớn, đƣợc phân bố cách khơng có hệ thống diện tích rộng, sử dụng nguồn lƣợng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động môi trƣờng khắc nghiệt (độc hại, ô nhiễm, nhiệt độ ) Các nút mạng thƣờng có chức cảm ứng, quan sát môi trƣờng xung quanh, theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các nút giao tiếp ad-hoc với truyền liệu trung tâm cách gián tiếp kỹ thuật đa bƣớc nhảy Lƣu lƣợng liệu lƣu thông WSN thƣờng thấp không liên tục Do để tiết kiệm lƣợng, nút cảm biến thƣờng có nhiều trạng thái hoạt động trạng thái nghỉ khác Thông thƣờng thời gian nút trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Nhƣ vậy, đặc trƣng để phân biệt WSN mạng khơng dây khác giá thành, mật độ nút mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng, lƣu lƣợng liệu, lƣợng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động Bài giảng “Mạng cảm biến không dây” đƣợc biên soạn lại năm 2014 dựa giảng “Mạng cảm biến không dây” Ths Vũ Anh Đào Ths Trần Thị Thục Linh biên soạn năm 2010 Cuốn sách giới thiệu cho bạn đọc kiến thức WSN nhƣ tiêu chí xây dựng WSN đặc điểm WSN nhƣ lớp MAC, lớp liên kết liệu, cách đặt tên đánh địa chỉ, giao thức định tuyến… Bài giảng gồm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu chung Chƣơng 2: Kiến trúc nút đơn Chƣơng 3: Các giao thức MAC Chƣơng 4: Các giao thức lớp mạng Tuy nhiên, thời gian biên soạn có hạn nên giảng cịn có thiếu sót, mong đƣợc bạn đọc góp ý Các ý kiến phản hồi xin gửi Bộ môn Kỹ thuật điện tử Khoa Kỹ thuật điện tử I, Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng Xin trân trọng giới thiệu! Nhóm tác giả CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ADC Analog/Digital Convert Bộ biến đổi tƣơng tự/số ANDA Ad hoc Network Design Algorithm Thuật toán thiết kế mạng Ad học API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động ASIC Application-Specific Integrated Circuit Mạch tích hợp chuyên dụng ASK Amplitude Shift Keying Khoá dịch biên AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian cộng sinh BCH Bose – Chaudhuri – Hocquenghem Mã BCH BER Bit-Error Rate Tỉ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BSC Binary Symmetric Channel Kênh đối xứng nhị phân CCA Clear Channel Assessment Kiểm tra kênh truyền có rỗi khơng CCK Complementary Code Keying Điều chế khố mã bù CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CIR Carrier to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu/nhiễu CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra tính dƣ tuần hoàn CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy cập cảm nhận sóng mang CTS Clear To Send Chắc chắn để gửi DAC Digital/Analog Converter Bộ biến đổi số/tƣơng tự DAD Duplicate Address Detection Phát địa đúp DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân vi sai DCF Distributed Coordination Function Hàm toạ độ phân bố DHT Distributed Hash Table Bảng băm phân bố DLL Data Link Layer Lớp liên kết liệu DPM Dynamic Power Managemen Quản lý công suất động DQPSK Differential Quaternary Phase Shift Keying Khoá dịch pha tứ phân vi sai DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DVS Dynamic Voltage Scaling Dải điện áp động EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Bộ nhớ đọc lập trình đƣợc xố điện EHF Extremely High Frequency Tần số cực cao FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh phòng lỗi FFD Full Function Device Thiết bị chức đầy đủ FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần FIFO First In First Out Vào trƣớc – Ra trƣớc FPFA Field-Programmable Gate Array Mảng cổng logic khả trình FSK Frequency Shift Keying Khoá dịch tần GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện công nghệ kỹ thuật điện -điện tử IF Intermediate Frequency Tần số trung gian ISI InterSymbol Interference Nhiễu liên ký hiệu ISM Industrial, Scientific, and Medical Công nghiệp, khoa học y tế LEACH Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Phân cấp nhóm thích ứng cơng suất thấp LED Light-Emitting Diode Diode phát quang LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LOS Line Of Sight Đƣờng nhìn thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trƣờng MANET Mobile Ad Hoc Network Mạng ad học di dộng MCDS Minimum Connected Dominating Set Tập hợp chi phối đƣợc nối nhỏ MDS MultiDimensional Scaling Chia tỷ lệ đa chiều MEMS MicroElectroMechanical System Hệ thống vi điện tử MLE Maximum Likelihood Estimation Cực đại hoá khả để ƣớc lƣợng tham số MPDU MAC-layer Protocol Data Unit Khối liệu giao thức lớp MAC NAT Network Address Translation Dịch địa mạng NAV Network Allocation Vector Vector định vị mạng NLOS Non Line Of Sight Khơng có đƣờng nhìn thẳng OOK On-Off-Keying Khố đóng – mở PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất PDA Personal Digital Assistant Thiết bị hỗ trợ cá nhân kỹ thuật số PHY Physical Layer Lớp vật lý PPDU Physical-layer Protocol Data Unit Khối liệu giao thức lớp vật lý PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vng góc QPSK Quaternary Phase Shift Keying Khố dịch pha tứ phân QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RFD Reduced Function Device Thiết bị giới hạn chức RFID Radio Frequency Identifier Bộ nhận dạng tần số vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến GRT Geography RouTing protocol Giao thức định tuyến địa lý RISC Reduced Instruction Set Computer Máy tính có lệnh rút gọn ROM Read-Only Memory Bộ nhớ đọc RSSI Received Signal Strength Indicator Bộ thị cƣờng độ tín hiệu nhận RS Reed – Solomon Mã Reed – Solomon RTS Request To Send Yêu cầu để gửi SDMA Space Division Multiple Access Đa truy cập phân chia không gian SFD Start Frame Delimiter Bắt đầu dấu tách khung SINR Signal to Interference and Noise Ratio Tỉ số tín hiệu/nhiễu tạp âm SMACS Self-Organizing Medium Access Control for Sensor Networks Điều khiển truy cập môi trƣờng tự tổ chức mạng cảm biến SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu/tạp âm STEM Sparse Topology and Energy Management Giao thức cấu hình mỏng vấn đề quản lý lƣợng TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia thời gian TRAMA Traffic-Adaptive Medium Access Truy cập mơi trƣờng lƣu lƣợng thích ứng UTM Universal Transverse Mercator Các vị trí tọa độ UWB UltraWideBand Băng siêu rộng VLF Very Low Frequency Tần số thấp WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây cục WPAN Wireless Personal Area Network Mạng không dây cá nhân WRP Wireless Routing Protocol Giao thức định tuyến không dây WSDL Web Service Description Language Ngôn ngữ mô tả dịch vụ Web WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến khơng dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mạng cảm biến không dây 13 Hình 1.2 Mạng điểm – điểm 15 Hình 1.3 Mạng điểm – đa điểm 15 Hình 1.4 Mạng đa điểm – đa điểm 16 Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý mạng chia sẻ kết nối dạng ad hoc 23 Hình 1.6 Ba loại thu mạng cảm biến đơn bƣớc nhảy đơn giản 26 Hình 1.7 Nhiều nguồn/nhiều thu 27 Hình 1.8 Mạng đa bƣớc nhảy 28 Hình 1.9 Bộ thu di động dịch chuyển qua mạng cảm biến 30 Hình 1.10 Vùng cảm biến tìm kiếm kiện 30 Hình 1.11 Ví dụ tập hợp 34 Hình 1.12 Hai lựa chọn giao diện dịch vụ với ngăn xếp giao diện 38 Hình 1.13 145 Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng nút cảm biến 42 Hình 2.2 Đầu cuối RF 49 Hình 2.3 Tiết kiệm lƣợng chi phí cho chế độ ngủ 55 Hình 2.4 Năng lƣợng/hoạt động với dải điện áp động Intel StrongARM-1100 57 Hình 2.5 Hai mơ hình khơng tƣơng thích với hệ điều hành WSN 62 Hình 2.6 Mơ hình lập trình dựa kiện 63 Hình 2.7 Nhiệt kế thủy ngân nhiệt kế số 66 Hình 2.8 Hoạt động áp kế nhiệt ngẫu dựa hiệu ứng Seebeck 67 Hình 2.9 Khí áp kế thủy ngân 68 Hình 2.10 Khí áp kế hộp 68 Hình 2.11 Cảm biến áp suất khí MEMS 68 Hình 2.12 Điện kế Galvanometer 69 Hình 2.13 Cảm biến CO2 69 Hình 2.14 Bộ đếm Geiger 70 Hình 2.15 Ứng dụng băng lƣỡng kim điều chỉnh nhiệt 71 Hình 2.16 Động điện 72 Hình 2.17 Động chiều 72 Hình 2.18 Con đội xoắn 72 Hình 2.19 Bộ cộng hƣởng điều khiển lƣợc 73 Hình 3.1 Mơ hình phân lớp giao thức mạng cảm biến 75 Hình 3.2 Phổ điện từ - tần số vô tuyến 76 Hình 3.3 Định dạng khung lớp vật lý IEEE 802.11/802.11b 82 Hình 3.4 Định dạng gói tin DLL 83 Hình 3.5 Vị trí FEC chuỗi gửi/nhận; thực mã hoá giải mã FEC 87 Hình 3.6 Chi phí lƣợng mã Reed-Solomon với kích thƣớc khối tỉ lệ mã khác 89 Hình 3.7 Hoạt động mã chập 90 Hình 3.8 Tiêu thụ lƣợng truyền 10 kB liệu qua tuyến với suy hao đƣờng truyền 70 dB theo sơ đồ mã hoá khác 91 Hình 3.9 Năng lƣợng sử dụng để truyền thành công bit liệu với t khác 93 Hình 3.10 Năng lƣợng/bit hữu dụng cho liệu có kích thƣớc u = 100 u = 500 với tỉ lệ lỗi bit khác 96 Hình 3.11 Năng lƣợng/bit hữu dụng với tỉ lệ lỗi bit p cố định kích thƣớc liệu u thay đổi 97 10 truyền nhận) Nó thành phần tỉ lệ với thời gian gói tin n/R.Rcode Trong thời gian nhận thực tế này, mạch thu đƣợc nối với nguồn, ví dụ u cầu nguồn PrxElec để điều khiển LNA đầu vào RF Thành phần cuối chi phí giải mã EdecBit, có bit, chi phí giải mã phụ thuộc đáng kể vào FEC mà sử dụng Phƣơng trình (2.9) tổng kết thành phần : Ercvd Tstart Pstart n PrxElec R.Rcode nEdecBit (2.9) Năng lƣợng giải mã tƣơng đối phức tạp mơ hình, phụ thuộc vào tham số phần cứng hệ thống (ví dụ nhƣ đƣợc thực phần cứng chuyên dụng nhƣ giải mã Viterbi chuyên dụng cho mã chập), nguồn cung cấp, thời gian giải mã/bit (phụ thuộc vào tốc độ xử lý, bị ảnh hƣởng kỹ thuật nhƣ DVS), độ dài ràng buộc K mã sử dụng tham số khác Bảng 2.2 Một số tham số tiêu thụ lƣợng thu phát (N/A : không cho phép) Ký hiệu Mơ tả amp Phƣơng trình (2.6) AMPS-1 174 mW amp Phƣơng trình (2.6) Pamp PrxElec PrxIdle PStart PtxElec Ví dụ thu phát WINS DEDUSA-II N/A N/A 5.0 8.9 7.43 Bộ khuếch đại công suất Năng lƣợng nhận Nghỉ để nhận Năng lƣợng khởi động Năng lƣợng truyền 179-674 mW 279 mW N/A 58.7 mW 151 mW N/A 368.3 mW 344.2 mW N/A R Tốc độ truyền Mbps 386 mW 100 kbps N/A 12.48 mW 12.34 mW N/A 11.61 mW TStart Thời gian khởi động 466 s N/A OOK 30 kpbs ASK 115.2 kbps N/A d Mối quan hệ tính tốn liên lạc Nhìn vào tổng số tiêu thụ lƣợng vi điều khiển thu phát vô tuyến, câu hỏi đặt cách tốt để sử dụng nguồn lƣợng quý báu nút cảm biến gì? Gửi liệu hay tính tốn tốt hơn? Mối quan hệ tiêu thụ lƣợng việc gửi liệu tính tốn gì? Một lần nữa, mối quan hệ phụ thuộc phần lớn phần cứng riêng biệt sử dụng Việc tính lệnh đơn vi điều khiển yêu cầu khoảng nJ nJ đủ để giữ mẫu đơn thu phát vô tuyến Các thu phát bluetooth cho yêu cầu 100 nJ để truyền bit đơn Đối với phần cứng khác, tỉ lệ tiêu thụ lƣợng để gửi bit so với việc tính lệnh đơn khoảng từ 1500 đến 2700 nút Rockwell, từ 220 đến 2900 nút MEDUSA II khoảng 1400 nút WINS NG 2.0 Rõ ràng liên lạc tốn nhiều lƣợng tính tốn nhƣng lƣợng dùng để tính tốn khơng thể dễ dàng bỏ qua 60 e Tiêu thụ lượng cảm biến cấu chấp hành Đƣa nguyên tắc tiêu thụ lƣợng cảm biến cấu chấp hành thực tế điều chúng đa dạng, ví dụ nhƣ cảm biến nhiệt độ hay ánh sáng thụ động lƣợng tiêu thụ bỏ qua so với thiết bị khác nút vô tuyến Với thiết bị tích cực, ví dụ nhƣ nhƣ rada siêu âm, lƣợng tiêu thụ lại đáng kể phải xét đến kích thƣớc nguồn cung cấp nút cảm biến, không đƣợc hoạt động mức pin Hơn nữa, tốc độ mẫu thực quan trọng, khơng mẫu có tần số lớn u cầu lƣợng từ cảm biến nhiều mà liệu phải xử lý tăng lên phải liên lạc đến nơi Bảng 2.3 Ví dụ số đặc tính cảm biến Cảm biến Độ xác Tính hốn đổi Tốc độ mẫu Khởi động Dòng (Hz) (ms) (mA) Điện trở quang N/A 10 % 2000 10 1.235 Nhiệt độ I2C 1K 0.2 K 500 0.15 Khí áp 1.5 mbar 0.5 % 10 500 0.01 Bar áp suất nhiệt độ 0.8 K 0.24 K 10 500 0.01 Độ ẩm 2% 3% 500 500-3000 0.775 Pin nhiệt điện 3K 5% 2000 200 0.17 Nhiệt kế 5K 10 % 2000 10 0.126 2.3 Các hệ điều hành môi trƣờng hoạt động 2.3.1 Các hệ điều hành nhúng Nhiệm vụ thông thƣờng hệ điều hành điều khiển bảo vệ truy cập tới tài nguyên (bao gồm hỗ trợ cho đầu vào/đầu ra), quản lý cấp phát đến ngƣời dùng khác hỗ trợ việc thực lúc số trình liên lạc trình Tuy nhiên, nhiệm vụ đƣợc yêu cầu phần hệ thống nhúng việc thực mã lệnh có nhiều hạn chế thƣờng phù hợp hệ thống đa dụng Đúng hơn, hệ điều hành hay môi trƣờng thực đơn giản phù hợp WSN hỗ trợ nhu cầu chuyên dụng chúng Đặc biệt, nhu cầu hiệu lƣợng yêu cầu hỗ trợ để quản lý lƣợng, ví dụ nhƣ điều khiển tắt thành phần riêng rẽ hay kỹ thuật phạm vi điện áp động (DVS) Các thành phần bên ngồi nhƣ cảm biến, modem vơ tuyến hay định thời phải đƣợc xử lý cách dễ dàng có hiệu quả, phải xử lý đƣợc thông tin không đồng (tại thời điểm bất kỳ) Tất điều u cầu mơ hình lập trình phù hợp, phƣơng pháp rõ ràng để xây dựng ngăn xếp giao thức hỗ trợ rõ ràng cho việc quản lý lƣợng 2.3.2 Mơ hình lập trình giao diện lập trình ứng dụng 61 a Các mơ hình lập trình Lập trình đồng thời: Câu hỏi cho mơ hình lập trình hỗ trợ thực lúc nhƣ nào? Hỗ trợ thực lúc điều cốt yếu nút WSN chúng sử dụng liệu đến từ nguồn khác (từ nhiều cảm biến hay thu phát vô tuyến) thời điểm Ví dụ, hệ thống thăm dị cảm biến để định xem liệu có sẵn có đƣợc xử lý cách hay khơng, sau thăm dị thu phát để kiểm tra xem liệu gói tin có sẵn có khơng xử lý gói tin lập tức… (hình 2.5) Mơ hình đơn giản nhƣ (hình 2.5(a)) hoạt động với nguy bị liệu gói tin đƣợc xử lý gói tin thông tin từ cảm biến đƣợc xử lý Nguy cao trình xử lý liệu từ cảm biến hay gói tin đến chiếm lƣợng lớn thời gian Do đó, mơ hình lập trình tuần tự, đơn giản rõ ràng khơng hiệu Xử lý trình cảm biến Cảm biến hỏi vịng Xử lý q trình gói tin Xử lý liệu cảm biến Bộ thu phát hỏi vòng Chuyển q trình OS trung gian Xử lý gói tin nhận (b) (a) Mơ hình lập trình dựa q trình Mơ hình lập trình Hình 2.5 Hai mơ hình khơng tƣơng thích với hệ điều hành WSN Thực đồng thời dựa trình: Phần lớn hệ điều hành đa dụng đại hỗ trợ thực lúc nhiều trình CPU đơn lẻ Do đó, phƣơng pháp dựa q trình lựa chọn để hỗ trợ đồng thời nút cảm biến, đƣợc mơ tả phần (b) hình 2.5 Trong phƣơng pháp làm việc bình thƣờng ánh xạ mơ hình thực tiến trình (process) lúc nhƣ tới nút cảm biến lại cho thấy số điểm không phù hợp: việc làm cân chức lớp giao thức riêng lẻ với tiến trình riêng lẻ địi hỏi chi phí cao chuyển từ tiến trình sang tiến trình khác Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng tác vụ thƣờng xuyên phải đƣợc thực nhỏ so với chi phí dùng để chuyển tác vụ - trƣờng hợp thƣờng xảy mạng cảm biến Ngồi tiến trình u cầu khơng gian ngăn xếp riêng nhớ, điều không phù hợp với ràng 62 buộc nghiêm ngặt nhớ nút cảm biến Lập trình dựa kiện: Với lý này, mơ hình lập trình khác chút dƣờng nhƣ thích hợp Ý tƣởng dùng đặc tính phản ứng tự nhiên nút WSN tích hợp thiết kế hệ điều hành Hệ thống cần đợi kiện xảy kiện có mặt liệu từ cảm biến, đến gói tin kết thúc định thời Sự kiện nhƣ sau đƣợc xử lý chuỗi lệnh ngắn để lƣu giữ thật kiện xảy lƣu giữ thơng tin cần thiết, ví dụ byte đến gói tin đến giá trị cảm biến Q trình xử lý thực tế thơng tin không đƣợc thực thủ tục xử lý kiện mà đƣợc tách từ xuất thực tế kiện Mơ hình lập trình dựa kiện đƣợc biểu diễn hình 2.6 Hình 2.6 Mơ hình lập trình dựa kiện Bộ xử lý kiện nhƣ ngắt q trình xử lý mã lệnh thơng thƣờng nhƣng đơn giản ngắn nên đƣợc yêu cầu thực hết tất tình mà khơng làm xáo trộn mã lệnh khác cách đáng Các xử lý kiện khơng thể ngắt lẫn nhƣng dễ dàng thực liên tiếp Kết mơ hình lập trình dựa kiện phân biệt hai tình (ngữ cảnh) khác nhau: cho xử lý kiện yêu cầu thời gian nghiêm ngặt (time-critical event handler), nơi mà q trình thực khơng thể bị ngắt cho trình xử lý mã lệnh thơng thƣờng, đƣợc khởi động xử lý kiện Li đồng nghiệp so sánh hiệu suất mơ hình lập trình dựa trình dựa kiện phần cứng nhận thấy hiệu suất đƣợc cải thiện theo hệ số 8, yêu cầu nhớ lệnh/dữ liệu giảm tƣơng ứng theo hệ số 30, công suất tiêu thụ giảm theo hệ số 12 b Các giao diện với hệ điều hành Nếu mơ hình lập trình quy định khơng đƣợc chấp nhận thực tế hệ điều hành cần phải rõ số giao diện làm cách để trạng thái bên hệ thống đƣợc hỏi đƣợc thiết lập Khi phân biệt rạch ròi ngăn xếp giao thức chƣơng trình ứng dụng WSN khơng cịn mạng cảm biến khơng dây, phải truy cập đƣợc giao diện nhƣ từ thực giao thức phải cho phép thực truy cập lẫn 63 Giao diện liên kết cách chặt chẽ với kiến trúc ngăn xếp giao thức đƣợc giới thiệu phần tiếp sau Một giao diện lập trình ứng dụng (API - Application Programming Interface) giao diện mà hệ thống máy tính hay ứng dụng cung cấp phép yêu cầu dịch vụ đƣợc tạo từ chƣơng trình máy tính khác, và/hoặc cho phép liệu đƣợc trao đổi qua lại chúng Chẳng hạn, chƣơng trình máy tính (và thƣờng phải) dùng hàm API hệ điều hành để xin cấp phát nhớ truy xuất tập tin Nhiều loại hệ thống ứng dụng thực API, nhƣ hệ thống đồ họa, sở liệu, mạng, dịch vụ web, số trị chơi máy tính.Đây phần mềm hệ thống cung cấp đầy đủ chức tài ngun mà lập trình viên rút từ để tạo nên tính giao tiếp ngƣời- máy nhƣ: trình đơn kéo xuống, tên lệnh, hộp hội thoại, lệnh bàn phím cửa sổ Một trình ứng dụng sử dụng để yêu cầu thi hành dịch vụ cấp thấp hệ điều hành máy tính thực Hệ giao tiếp lập trình ứng dụng giúp ích nhiều cho ngƣời sử dụng cho phép tiết kiệm đƣợc nhiều thời gian tìm hiểu chƣơng trình mới, khích lệ ngƣời dùng nhiều ứng dụng Thơng thƣờng, giao diện lập trình ứng dụng nhƣ bao gồm giao diện chức năng, trừu tƣợng hoá đối tƣợng thực chi tiết Trừu tƣợng tuyến vô tuyến, nút ; chức bao gồm truy vấn thao tác trạng thái, gửi nhận liệu, truy cập phần cứng (các cảm biến, cấu chấp hành, thu phát), cài đặt điều khoản nhƣ thoả hiệp lƣợng/ chất lƣợng 2.3.3 Cấu trúc hệ điều hành ngăn xếp giao thức Phƣơng pháp truyền thống để xây dựng giao thức liên lạc sử dụng lớp: giao thức riêng rẽ đƣợc xếp lên nhau, lớp sử dụng chức lớp bên dƣới Phƣơng pháp xếp lớp có hiệu cao quản lý đƣợc ngăn xếp giao thức Tuy nhiên WSN lại không rõ ràng phƣơng pháp xếp lớp có đáp ứng đƣợc u cầu hay khơng Ví dụ: xem xét việc sử dụng thơng tin cƣờng độ tín hiệu nhận đƣợc từ đối tác liên lạc Thông tin lớp vật lý dùng để trợ giúp giao thức mạng để định thay đổi tuyến (tín hiệu yếu nút dịch chuyển xa có lẽ không đƣợc sử dụng bƣớc nhảy tiếp theo), tính tốn thơng tin vị trí cách ƣớc lƣợng khoảng cách từ cƣờng độ tín hiệu để trợ giúp giao thức lớp liên kết kênh thích nghi sơ đồ FEC/ARQ lai Do đó, nguồn thơng tin đơn đƣợc dùng để kết hợp cách gián tiếp ƣu điểm giao thức khác với nguồn thông tin Sự trao đổi thông tin liên lớp (cross-layer information exchange) cách làm giảm bớt quy định cứng nhắc phƣơng pháp xếp lớp Trong mạng truyền thống, mối quan tâm hiệu quả, nhu cầu hỗ trợ giao thức mạng hữu tuyến hệ thống vơ tuyến (ví dụ TCP mạng vơ tuyến), nhu cầu di chuyển chức vào đƣờng trục mà không phụ thuộc vào mơ tả mơ hình điểm tới điểm Internet… đƣợc ý Tách khỏi kiến trúc phân lớp, xu hƣớng thông dụng sử dụng mơ hình thành phần Các lớp đơn khối tƣơng đối lớn đƣợc chia thành thành phần, module nhỏ, độc lập Các thành phần đáp ứng chức xác định, ví dụ nhƣ tính tốn kiểm tra tính dƣ tuần hồn (CRC - Cyclic Redundancy Check), tƣơng tác với qua giao 64 diện dễ hiểu Sự khác so với kiến trúc phân lớp tƣơng tác không bị hạn chế với nút lân cận trung gian mối quan hệ trên/dƣới nhƣng thành phần khác Mơ hình thành phần không giải số vấn đề kiến trúc ngăn xếp giao thức mà cịn phù hợp cách tự nhiên với phƣơng pháp dựa kiện để lập trình nút cảm biến vô tuyến 2.3.4 Quản lý công suất động Chuyển thành phần riêng rẽ sang trạng thái ngủ khác hay giảm hiệu suất chúng cách giảm tần số nguồn cấp, lựa chọn điều chế mã chuyên dụng ví dụ bật đƣợc giới thiệu phần 2.2 để cải thiện hiệu lƣợng Để điều khiển khả này, định phải đƣợc thực hệ điều hành, ngăn xếp giao thức ứng dụng chuyển trạng thái Quản lý công suất động (DPM - Dynamic Power Management) mức hệ thống vấn đề Một yếu tố phức tạp DPM lƣợng thời gian yêu cầu cho việc chuyển hai trạng thái thành phần Nếu yếu tố đƣợc bỏ qua rõ ràng cách tối ƣu để luôn chuyển chế độ với mức tiêu thụ cơng suất nhỏ Nếu khơng nằm trƣờng hợp u cầu thuật toán tiên tiến hơn, tốc độ cập nhật định quản lý lƣợng, phân bố xác suất thời gian kiện xảy ra, tính chất thuật tốn sử dụng đƣợc đƣa vào chi phí Thoả hiệp độ xác mức tiêu thụ lƣợng: Hầu hết công việc đƣợc mô tả DVS điều khiển giả thiết giới hạn cứng cho nhiệm vụ (nhiệm vụ phải đƣợc hoàn thành thời gian cho, không kết không đƣợc sử dụng) Trong WSN, giả thiết nhƣ thƣờng khơng phù hợp Hơn nữa, nhiệm vụ tính đƣợc độ xác cao hay thấp Độ xác đạt đƣợc nhiệm vụ nhƣ đƣợc dùng để thoả hiệp với tiêu chí khác Trong WSN, thoả hiệp đƣơng nhiên lƣợng đƣợc u cầu để tính tốn nhiệm vụ Câu hỏi đƣợc đặt làm để đầu tƣ tốt lƣợng lƣợng sẵn có cho nhiệm vụ cho Đánh đổi kết khơng xác để có mức tiêu thụ lượng thấp đặc điểm đặc trưng WSN Một số phƣơng pháp khai thác thoả hiệp đƣợc đƣa nhƣng hầu hết hệ thống đa phƣơng tiện Sinha giới thiệu thoả hiệp lƣợng – chất lƣợng để thiết kế thuật toán, đặc biệt cho mục đích xử lý tín hiệu (lọc, biến đổi miền tần số, phân loại) Ý tƣởng để biến đổi thuật toán xấp xỉ kết cuối cách nhanh chóng giữ tính tốn miễn lƣợng đủ để dùng Một ví dụ đơn giản tính đa thức: N f x ki xi (2.10) i Phụ thuộc vào liệu x < hay x mà tính toán bắt đầu với số hạng bậc thấp hay bậc cao để có xấp xỉ tốt trƣờng hợp phải ngừng tính tốn q nhiều 65 lƣợng cho Đặc trƣng thuật toán (cơ hay bị biến đổi) đƣợc nghiên cứu cách sử dụng thông số lƣợng – chất lƣợng, biểu thị qua kết chất lƣợng đạt đƣợc (đã đƣợc chuẩn hoá) ứng với lƣợng (đã đƣợc chuẩn hoá) 2.4 Một số loại cảm biến cấu chấp hành Trong hệ thống đo lƣờng – điều khiển, trình đƣợc đặc trƣng biến trạng thái nhƣ nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen,… Các biến trạng thái thƣờng trình cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi biến thiên Các cảm biến thực chức này, chúng thu nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích Các cảm biến thƣờng đƣợc định nghĩa thiết bị cảm nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích Mục giới thiệu số loại cảm biến cấu chấp hành 2.4.1 Một số loại cảm biến Cảm biến có nhiệm vụ phát có mặt lƣợng, thay đổi chuyển giao lƣợng Hoạt động phát đƣợc thực nhờ thu thập tín hiệu từ thiết bị nhƣ chuyển đổi, sau chuyển tín hiệu thu đƣợc thành tín hiệu đầu dễ dàng quan sát hay đọc đƣợc Các đầu cảm biến thƣờng dạng tín hiệu điện (tƣơng tự số) Nói cách khác, chuyển đổi thực chuyển dạng lƣợng thành dạng khác, cảm biến chuyển đầu chuyển đổi thành dạng tín hiệu đọc đƣợc Lấy ví dụ đơn giản với thiết bị cảm biến quen thuộc – nhiệt kế Hình 2.7 Nhiệt kế thủy ngân nhiệt kế số Một thông số quan trọng để đánh giá điều kiện lƣợng môi trƣờng nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ cảm nhận chuyển giá trị nhiệt độ thành đầu đọc đƣợc Đầu trực tiếp gián tiếp, nhƣ minh họa hình 2.7 Nhiệt kế thủy ngân sử dụng mức thủy ngân có thang chia độ cố định dạng đầu trực tiếp Nhiệt kế số dạng đầu gián tiếp Với nhiệt kế số, chuyển đổi đƣợc sử dụng để chuyển đầu chuyển đổi nhiệt độ thành đầu vào hiển thị số Nhiệt độ đo đƣợc đƣợc hiển thị hình Cảm biến nhiệt độ vừa chuyển đổi (thƣờng cặp nhiệt điện chuyển nhiệt thành điện thế), vừa cảm biến (định lƣợng đầu chuyển đổi thành dạng liệu đọc đƣợc) Phần giới thiệu số loại cảm biến thƣờng gặp a Cảm biến nhiệt 66 Cảm biến nhiệt gồm số loại: - Nhiệt kế: đo nhiệt độ tuyệt đối - Áp kế nhiệt ngẫu: đo nhiệt độ dựa ảnh hƣởng nhiệt độ với hai kim loại không đồng dạng - Nhiệt lƣợng kế: đo sức nóng phản ứng hóa học thay đổi vật lý khả chịu nhiệt Áp kế nhiệt ngẫu thiết bị trực tiếp chuyển nhiệt thành điện Khi hai dây kim loại không đồng đƣợc nối với nhau, điểm nối hình thành chuyển tiếp Chuyển tiếp đƣợc đốt nóng, tạo thành hiệu điện qua chuyển tiếp (nhƣ minh họa hình 2.8) Nối hai đầu cịn lại hai dây dẫn với đồng hồ để đo điện áp tạo Hiệu ứng Thomas Seebeck phát minh, nên áp kế nhiệt ngẫu đƣợc gọi hiệu ứng Seebeck Điện áp đầu tỷ lệ với nhiệt độ chuyển tiếp Hình 2.8 Hoạt động áp kế nhiệt ngẫu dựa hiệu ứng Seebeck b Cảm biến học Cảm biến học bao gồm số loại: - Cảm biến áp suất: đo áp suất - Khí áp kế: đo áp suất khí - Cao độ kế: đo độ cao đối tƣợng mức độ cao cố định - Cảm biến chất lỏng: đo lƣu lƣợng dòng chất lỏng - Cảm biến khí: đo tốc độ, hƣớng lƣu lƣợng khí - Cảm biến gia tốc: đo gia tốc Khí áp kế xác định mức áp suất khí Hình 2.9 minh họa khí áp kế thủy ngân đơn giản Ban đầu, ống đƣợc đổ đầy thủy ngân sau đƣợc úp khay Một lƣợng thủy ngân định từ ống chảy vào khay (dụng cụ chứa) tạo thành cột chân không phần ống Thủy ngân ngừng chảy trạng thái cân đƣợc thiết lập áp suất bề mặt thủy ngân bên ống áp suất bề mặt thủy ngân dụng cụ chứa Khi áp suất khí tăng lên, mức thủy ngân ống tăng lên, tăng áp suất bề mặt thủy ngân dụng cụ chứa Khi áp suất khí giảm, mức thủy ngân ống giảm 67 Hình 2.9 Khí áp kế thủy ngân Các vạch dấu ống (màu da cam) thị áp suất đo đƣợc nhờ đo mức thủy ngân Nhƣ vậy, khí áp kế chuyển lƣợng khí đƣợc nén lại khí thành thay đổi độ cao (thế năng) cột thủy ngân ống, thay đổi quan sát đƣợc vạch dấu ống Một dạng khác khí áp kế khí áp kế hộp (hình 2.10), thiết bị cảm nhận thay đổi áp suất khí nhờ nở co lại khoang kín (một khoang mỏng, dạng đĩa, thƣờng kim loại đƣợc hút chân không phần) Một dây cót đƣợc nối với khoang kín kim thị đƣợc nối học với dây cót Khi áp suất bên ngồi khoang kín tăng, dây cót di chuyển kim thị cho biết điều Khi áp suất giảm, dây cót di chuyển theo hƣớng ngƣợc lại khoang đƣợc nở ra, làm kim thị quay theo hƣớng giảm, cho biết giảm áp suất Hình 2.10 Khí áp kế hộp Hình 2.11 minh họa cảm biến áp suất khí MEMS, sử dụng màng mỏng phía cột chân khơng tham chiếu (tƣơng tự nhƣ khí áp kế hộp) để đo thay đổi nhỏ áp suất khí Bên trái hình vẽ số chip cảm biến điện tử, chip gồm chuyển đổi áp suất Bên phải hình vẽ chuyển đổi áp suất, khối kích thƣớc micro, thực chuyển di chuyển thay đổi áp suất thành tín hiệu điện Các cảm biến MEMS đƣợc sử dụng ống khí động nhiều ứng dụng giám sát thời tiết khác Hình 2.11 Cảm biến áp suất khí MEMS 68 c Cảm biến điện Một số loại cảm biến điện thƣờng gặp: - Ôm kế: đo điện trở - Vôn kế: đo điện áp - Điện kế: đo dòng điện - Watt-giờ kế (hay công tơ điện): đo lƣợng điện cung cấp sử dụng hộ dân hay doanh nghiệp Hình 2.12 Điện kế Galvanometer Điện kế galvanometer dạng đặc biệt ăm-pe kế, đƣợc sử dụng để cảm nhận dịng điện (minh họa hình 2.12) Dòng điện chạy từ cuộn dây (cuộn dây màu đỏ quanh trục kim loại) tạo từ trƣờng Các từ trƣờng cố định bao quanh cuộn dây Tƣơng tác hai từ trƣờng làm quay tổ hợp cuộn dây/trục quanh trục trung tâm Độ quay chiều quay làm di chuyển kim hiển thị sang trái phải, cho biết cƣờng độ dịng cực tính (âm dƣơng tƣơng ứng) Thiết bị sử dụng hai biến đổi lƣợng để cảm nhận định lƣợng dòng điện: chuyển đổi điện – từ chuyển đổi từ – d Cảm biến hóa học Cảm biến hóa học phát có mặt chất hóa học loại chất hóa học định lƣợng chúng Các cảm biến hóa học thƣờng gặp bao gồm: - Cảm biến oxy: đo phần trăm oxy khí chất lỏng - Cảm biến CO2: phát có mặt khí CO2 (hình 2.13) Hình 2.13 Cảm biến CO2 Sử dụng công nghệ micro việc chế tạo cảm biến hóa học thực hữu ích Giống nhƣ thiết bị kích thƣớc lớn, cảm biến hóa học MEMS phát nhiều loại khí khác Ƣu điểm cảm biến MEMS chúng đƣợc tích hợp đối tƣợng để cảm nhận liên tục loại khí Các thiết bị đƣợc ứng dụng rộng rãi y tế, công nghiệp thƣơng mại (nhƣ môi trƣờng, điều khiển chất lƣợng, xử lý 69 thực phẩm, chẩn đoán y học,…) Một thiết bị đáng quan tâm ENose hay gọi mũi điện tử e Một số loại cảm biến khác Cảm biến quang học: - Cảm biến ánh sáng (bộ tách sóng quang – photodetector): phát ánh sáng lƣợng điện từ trƣờng - Pin quang điện (photocell) hay điện trở quang (photoresistor): thiết bị thay đổi điện trở thay đổi cƣờng độ ánh sáng xung quanh - Cảm biến hồng ngoại: phát phát xạ tia hồng ngoại Cảm biến âm thanh: - Máy đo địa chấn: đo sóng địa chất - Cảm biến sóng âm: đo tốc độ sóng khơng khí mơi trƣờng để phát có mặt số loại hóa chất Cảm biến chuyển động: phát chuyển động Cảm biến tốc độ: đo tốc độ Bộ đếm Geiger: phát phát xạ nguyên tử (hình 2.14) Cảm biến sinh học: giám sát tế bào thể ngƣời Hình 2.14 Bộ đếm Geiger 2.4.2 Một số loại cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành thiết bị khởi động di chuyển thiết bị/vật Cụ thể hơn, cấu chấp hành thiết bị chuyển lƣợng thành chuyển động lƣợng học Mục giới thiệu số loại cấu chấp hành tiêu biểu a Cơ cấu chấp hành nhiệt Một dạng cấu chấp hành nhiệt băng lƣỡng kim Thiết bị kim loại gồm hai kim loại có độ giãn nở nhiệt khác nhau, dùng để điều tiết hay đo nhiệt độ Thiết bị trực tiếp chuyển nhiệt thành chuyển động, sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt 70 Sự giãn nở nhiệt thay đổi hình dạng nhiệt vật liệu Khi vật liệu bị nung nóng, khoảng cách trung bình ngun tử (hay phân tử) tăng lên Khoảng cách khác tùy thuộc vào loại vật liệu Mắt ngƣời quan sát đƣợc tăng khoảng cách nhỏ Tuy nhiên, số lƣợng khổng lồ nguyên tử (phân tử) miếng vật liệu, vật liệu giãn nở đáng kể mắt ngƣời nhận biết đƣợc Phản ứng ngƣợc lại xảy nhiệt độ giảm hầu hết vật liệu Nhìn chung, kích thƣớc vật liệu thay đổi nhiệt độ xung quanh thay đổi Sự thay đổi kích thƣớc hàm tuyến tính nhiệt độ Băng lƣỡng kim ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt để tạo chuyển động Hai dải kim loại không đồng đƣợc ghép với dọc theo chiều dài chúng Khi đƣợc nung nóng, băng lƣỡng kim uốn cong phía dải kim loại có hệ số giãn nở nhiệt thấp (minh họa hình 2.15) Băng lƣỡng kim có nhiều ứng dụng, ứng dụng phổ biến điều chỉnh nhiệt, đƣợc sử dụng để điều khiển nhiệt độ nhà hay văn phòng Ở kích thƣớc micro, băng lƣỡng kim đƣợc sử dụng điều chỉnh nhiệt siêu nhỏ (van siêu nhỏ) (a): Hai dải kim loại không đồng đƣợc sử dụng với hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, dải kim loại có hệ số giãn nở nhiệt thấp dải kim loại (b): Hai dải kim loại đƣợc ghép với dọc theo chiều dài chúng nhiệt độ T1 (c): Khi tăng lên nhiệt độ T2, băng lƣỡng kim bị uốn cong phía dải kim loại 1, đủ để chạm vào công-tắc điện phía cho phép dịng điện băng lƣỡng kim bật điều hịa nhiệt độ Hình 2.15 Ứng dụng băng lƣỡng kim điều chỉnh nhiệt b Cơ cấu chấp hành điện Động điện dạng cấu chấp hành điện (minh họa hình 2.16) 71 Hình 2.16 Động điện Hầu hết động chiều (DC) hoạt động nhờ dòng điện chạy qua cuộn dây tạo từ trƣờng quanh cuộn dây Cuộn dây đƣợc quấn quanh trục động đƣợc đặt hai cực nam châm điện nam châm vĩnh cửu Sự tƣơng tác hai từ trƣờng làm cuộn dây quay quanh trục nó, nghĩa làm quay trục động Nhƣ vậy, động điện chuyển đổi cấu chấp hành chuyển điện thành lƣợng từ trƣờng, lƣợng từ trƣờng lại đƣợc chuyển thành chuyển động Hình 2.17 Động chiều c Cơ cấu chấp hành khí Cơ cấu chấp hành khí chuyển đầu vào học (thƣờng quay) thành chuyển động tuyến tính Một ví dụ phổ biến cấu chấp hành khí đội loại xoắn (screw jack) Hình 2.18 minh họa hoạt động đội loại xoắn Chuyển động quay xoắn làm chân đội di chuyển phần di chuyển Khi di chuyển đến vị trí cao đội, đầu vào chuyển động quay rõ ràng đƣợc chuyển thành dạng chuyển động tuyến tính Các cấu chấp hành khí tạo đầu chuyển động quay với chế dẫn động phù hợp Hình 2.18 Con đội xoắn Một ví dụ vi thiết bị hoạt động nhƣ cấu chấp hành điều khiển lƣợc tĩnh điện Thiết bị đƣợc sử dụng nhiều ứng dụng MEMS nhƣ cộng hƣởng, vi 72 động cơ, động hồi chuyển Lực tác động nhỏ, thƣờng nhỏ 50uN, nhƣng có độ tin cậy cao, hứa hẹn đƣợc sử dụng rộng rãi Hình 2.19 Bộ cộng hƣởng điều khiển lƣợc Hình 2.19 minh họa cộng hƣởng điều khiển lƣợc tĩnh điện MEMS Bộ cộng hƣởng thiết bị dao động tự nhiên tần số cộng hƣởng Các dao động cộng hƣởng điện từ (ví dụ dao động âm) Bộ cộng hƣởng đƣợc sử dụng để tạo dạng sóng tần số mong muốn để trích tần số định từ tín hiệu cho trƣớc 2.5 Kết chƣơng Chƣơng giới thiệu điều kiện cần thiết phần cứng để xây dựng mạng cảm biến khơng dây – nút Chƣơng trình bày cách chủ yếu để xây dựng nút đó, số đặc trƣng tiêu thụ lƣợng thành phần (chủ yếu điều khiển, thiết bị truyền thông cảm biến) Điều có đƣợc dựa giả thiết nút cảm biến khơng dây có hai thành phần riêng biệt: phần ý đến tính liên tục, phát thu thập kiện, tiêu thụ mức lƣợng nhỏ, chí bỏ qua Phần thứ hai thực xử lý liên lạc thực tế, có mức tiêu thụ lƣợng cao khơng thể bỏ qua, hoạt động với hệ số lấp đầy thấp Việc chia chức hợp lý dựa tính chất phần cứng đƣợc hỗ trợ hệ điều hành Nhìn vào lƣợng lớn thành phần đƣợc chọn, chúng có ƣu điểm nhƣợc điểm đặc trƣng Sẽ khơng ngạc nhiên khơng có nút cảm biến khơng dây hồn hảo Các u cầu ứng dụng khác yêu cầu thoả hiệp khác nhau, đó, kiến trúc khác đƣợc sử dụng Có mạng cảm biến sử dụng kết hợp loại nút khác để thực nhiệm vụ nó, ví dụ nhƣ nút có khả tính tốn lớn hơn/nhỏ hơn, loại liên lạc vơ tuyến khác hay kích thƣớc pin khác Vấn đề đặt thiết kế mạng cảm biến không dây nhƣ cách khai thác kết hợp phần cứng để ấn định nhiệm vụ khác nút có hồ hợp tốt Trong nhiều mạng mô tả đƣợc nghiên cứu trạng thái nguyên mẫu khả bật nút cảm biến tƣơng lai thoả hiệp liên lạc, tính tốn, lƣu giữ tiêu thụ lƣợng rõ ràng Các số xác thực tiếp tục thay đổi nhƣng không giống nhƣ thoả hiệp có Ví dụ nhƣ lƣợng đƣợc u cầu để liên lạc tính tốn thay đổi cách đột ngột thời gian tới Các thoả hiệp tạo tảng cho việc xây dựng chức mạng, hƣớng tới yêu cầu chuyên dụng ứng dụng mạng cảm biến khơng dây 73 CÂU HỎI ƠN TẬP CHƢƠNG Nêu yêu cầu phần cứng kiến trúc nút đơn? Trình bày đặc điểm điều khiển nút cảm biến? 3.Nêu đặc điểm thu phát nút cảm biến? Trình bày kiến trúc thu phát nút cảm biến? Nêu đặc điểm loại cảm biến thƣờng dùng nút? Trình bày đặc điểm nguồn cung cấp nút cảm biến? Trình bày tiêu thụ lƣợng thu phát nút cảm biến? Nêu mơ hình lập trình nút cảm biến? Trình bày vấn đề điều khiển cơng suất động? 10 Nêu số loại cảm biến cấu chấp hành? 74 ... 10 CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 12 1. 1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây 12 1. 1 .1 Đặc trƣng cấu hình mạng cảm biến không dây 13 1. 1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không... dây 16 1. 1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cho mạng cảm biến không dây 20 1. 1.4 So sánh mạng cảm biến với mạng khác 23 1. 2 Các khái niệm mạng cảm biến 26 1. 2 .1 Nguồn thu... Network Mạng cảm biến không dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Mạng cảm biến khơng dây 13 Hình 1. 2 Mạng điểm – điểm 15 Hình 1. 3 Mạng điểm – đa điểm 15 Hình 1. 4 Mạng