Bài Giảng Mạng Cảm Biến Không Dây

Bài giảng Mạng Cảm Biến Không Dây (Wireless Sensor Networks).

Trang 1

C L C

M C L C 1

Ch ng 1 T NG QUAN V M NG C M BI N KHÔNG DÂY 4

1.1 Khái ni m v m ng c m bi n không dây 4

1.2 Nh ng thách th c i v i m ng c m bi n không dây 5

1.2.1 Nh ng thách th c c p nút 5

1.2.2 Nh ng thách th c c p m ng 6

1.2.3 S chu n hóa 8

1.2.4 Kh n ng c ng tác 9

1.3 Ki n trúc ng n x p giao th c c a m ng c m bi n không dây 10

1.3.1 L p v t lý 11

1.3.2 L p liên k t d li u 11

1.3.3 L p m ng 12

1.3.4 L p giao v n 13

1.3.5 L p ng d ng 14

1.4 Chu n truy n thông IEEE 802.15.4 cho m ng c m bi n không dây 15

1.4.1 Mô hình truy n thông trong m ng c m bi n không dây 15

1.4.2 Chu n truy n thông v t lý cho m ng c m bi n không dây 18

Ch ng 2 PH N C NG CHO M NG C M BI N KHÔNG DÂY 25

2.1 C u trúc ph n c ng c a nút c m bi n không dây 25

2.1.1 Thi t b truy n thông 26

2.1.2 B vi u khi n 27

2.1.3 C m bi n 28

2.1.4 Ngu n cung c p 28

2.2 Kh o sát m t s n n t ng ph n c ng ph bi n cho m ng c m bi n không dây .29

2.3 Gi i pháp thi t k ph n c ng TUmote cho m ng c m bi n không dây 31

2.3.1 B vi u khi n MSP430 31

2.3.2 B thu phát vô tuy n CC2420 32

2.3.3 C m bi n nhi t , m 32

Trang 2

2.3.5 K t n i m r ng 32

2.3.6 Giao ti p USB 32

2.3.7 Ngu n cung c p 32

2.4 Công c ph n m m u khi n và thu th p d li u TU2C 33

2.5 M t s hình nh v ph n c ng TUmote và ch ng trình ph n m m TU2C 33

Ch ng 3 H U HÀNH CHO M NG C M BI N KHÔNG DÂY 36

3.1 Gi i thi u v ph n m m c a nút c m bi n không dây 36

3.2 H u hành cho m ng c m bi n không dây 36

3.3 Nh ng thách th c nh h ng n vi c thi t k h u hành cho m ng c m bi n không dây 37

3.4 Kh o sát m t s h u hành cho m ng c m bi n không dây 38

3.4.1 H u hành TinyOS 38

3.4.2 H u hành LiteOS 39

3.4.3 H u hành Contiki 40

3.5 H u hành Contiki cho m ng c m bi n không dây 41

3.5.1 Gi i thi u 41

3.5.2 C u trúc h u hành Contiki 42

3.5.3 Ng n x p truy n thông trong h u hành Contiki 43

3.5.4 Mô hình l p trình trong h u hành Contiki 46

3.5.5 Các b nh th i trong h u hành Contiki 49

3.5.6 M t s h ng d n c b n v i h u hành Contiki 49

Ch ng 4 GIAO TH C L P MAC TRONG M NG C M BI N KHÔNG DÂY55 3.1 C ch qu n lý n ng l ng l p MAC 55

3.2 C ch qu n lý công su t vô tuy n 56

3.2.1 Chu k công su t không ng b 58

3.2.2 Chu k công su t ng b 62

Ch ng 5 NH TUY N TRONG M NG C M BI N KHÔNG DÂY 64

5.1 T ng quan v v n nh tuy n trong m ng c m bi n không dây 64

5.2 Nh ng thách th c c a v n nh tuy n trong m ng c m bi n không dây 65

5.3 Kh o sát m t s giao th c nh tuy n trong m ng c m bi n không dây 67

5.3.1 Các giao th c nh tuy n trung tâm d li u 67

5.3.2 Các giao th c nh tuy n d a trên s phân c m 68

Trang 3

5.3.3 Các giao th c nh tuy n d a trên v trí 69

5.3.4 Giao th c cây thu th p d li u CTP 69

5.4 Giao th c cây thu th p d li u CTP 70

5.4.1 Gi i thi u giao th c CTP 70

5.4.2 Th c thi giao th c CTP trên h u hành Contiki 72

Ch ng 6 M NG C M BI N KHÔNG DÂY TRÊN N N KI N TRÚC IP 79

6.1 Gi i thi u v ki n trúc IP 79

6.2 u i m c a m ng c m bi n không dây trên n n ki n trúc IP 80

6.2.1 Kh n ng c ng tác 80

6.2.2 M t ki n trúc phát tri n và linh ho t 82

6.2.3 Tính n nh và s ph bi n c a ki n trúc 83

6.2.4 Kh n ng m r ng 83

6.2.5 C u hình và qu n lý m ng 83

6.2.6 Kích th c nh g n 84

6.3 S chu n hóa ki n trúc IP cho m ng c m bi n không dây b i IETF 85

6.3.1 Nhóm làm vi c 6LoWPAN 86

6.3.2 Nhóm làm vi c RoLL 87

6.4 Mô hình k t n i m ng c m bi n không dây trên n n ki n trúc IP 88

6.4.1 Mô hình m ng c m bi n không dây t tr 88

6.4.2 Mô hình m ng c m bi n không dây k t n i v i Internet 89

6.5 Các giao th c l p truy n t i 90

6.5.1 Giao th c UDP cho m ng c m bi n không dây 90

6.5.2 Giao th c TCP cho m ng c m bi n không dây 92

6.6 IPv6 cho m ng c m bi n không dây 98

6.6.1 Gi i thi u v IPv6 98

6.6.2 Tiêu IPv6 c nh 99

6.6.3 Ki n trúc a ch IPv6 100

6.7 L p thích ng 6LoWPAN 102

6.7.1 Phân m nh gói tin 105

6.7.2 Nén tiêu 6LoWPAN 106

TÀI LI U THAM KH O 111

Trang 4

Ch ng 1 T NG QUAN V M NG C M BI N KHÔNG DÂY

1.1 Khái ni m v m ng c m bi n không dây

M ng c m bi n không dây (Wireless Sensor Network) là m t k t c u h t ngbao g m các thành ph n c m nh n ( o l ng), tính toán và truy n thông nh m cung

c p cho ng i qu n tr kh n ng o c, quan sát và tác ng l i v i các s ki n, hi n

ng trong m t môi tr ng xác nh Các ng d ng n hình c a m ng c m bi nkhông dây bao g m thu th p d li u, theo dõi, giám sát và y h c…

M t m ng c m bi n không dây bao g m nhi u nút m ng Các nút m ng

m ng không dây nào (nh WiFi, m ng di ng, WiMAX…) ho c không c n n các

Trang 5

Trong các m ng c m bi n không dây, các nút c m bi n có c hai ch c n ng

ó là v a kh i t o d li u và v a là b nh tuy n d li u Do v y, vi c truy n thông

có th c th c hi n b i hai ch c n ng ó là:

§ Ch c n ng ngu n d li u: Các nút thu th p thông tin v các s ki n và th c

hi n truy n thông g i d li u c a chúng n Sink

§ Ch c n ng b nh tuy n: Các nút c m bi n c ng tham gia vào vi c chuy n

ti p các gói tin nh n c t các nút khác t i các m n k ti p trong tuy n

ng a ch ng n Sink

1.2 Nh ng thách th c i v i m ng c m bi n không dây

1.2.1 Nh ng thách th c c p nút

Trong m ng c m bi n không dây, nh ng thách th c chính c p nút c n

ph i gi i quy t là công su t tiêu th , kích th c v t lý và giá thành Công su t tiêu

th là m t y u t quan tr ng i v i các nút m ng c m bi n không dây b i vì chúng

th ng s d ng ngu n n ng l ng là pin ho c m t ngu n ng l ng th p bên ngoài.Kích th c v t lý c ng r t quan tr ng b i vì các y u t kích th c và hình th c quy t

nh n các ng d ng ti m n ng cho m ng c m bi n không dây, các nút m ng c m

bi n không dây ph i có kích th c nh g n Giá thành c ng quan tr ng i v i cácnút m ng c m bi n không dây b i vì m ng c m bi n không dây th ng c tri nkhai v i quy mô l n V i vi c tri n khai hàng ngàn các nút m ng c m bi n thì vi c

ti t ki m giá thành m t vài ôla cho m i nút s cho phép ti t ki m c m t kho n

V n hi u qu ng l ng nh h ng áng k n ki n trúc m ng c ng nh

vi c thi t k các giao th c m ng B i vì quá trình truy n thông tiêu t n nhi u ng

ng nên i u quan tr ng là xác nh h ng các ki u truy n thông chúng s d ng

hi u qu tài nguyên s n có giúp các giao th c m ng làm c i u này, ph n

c ng và ph n m m c n bi t c thông tin v s tiêu hao ng l ng và cung c p

Trang 6

th ng c n ph i t các thi t b ph n c ng ch ng càng nhi u càng t t Tuynhiên, ch ng c ng nh h ng n tr truy n thông c a h th ng.

Kích th c v t lý và giá thành có nh h ng l n i v i c nhà thi t k ph n

c ng l n ph n m m i v i các nhà thi t k ph n c ng thì nh h ng ây là các

ph n c ng c n ph i có kích th c nh g n, s l ng các linh ki n c n ph i ít, m ilinh ki n c n ph i có kích th c nh và r ti n Nh ng nh h ng i v i các nhàthi t k ph n m m là ít rõ r t n V i chi phí th p, kích th c v t lý nh , công su ttiêu th th p thì các b vi x lý mà trên ó các ph n m m ho t ng tr nên nh g n

n, t c tính toán và kích th c b nh c a các b vi x lý c ng b gi m b t Cácnhà thi t k ph n m m cho m t h th ng m ng c m bi n không dây th ng ch cóvài ngàn Byte b nh làm vi c so v i hàng tri u ho c hàng t Byte b nh trongcác h th ng máy tính thông d ng Do ó, ph n m m cho các nút m ng c m bi nkhông dây không ch c n hi u qu n ng l ng mà còn ph i có kh n ng ch y trong

m t môi tr ng h n ch nghiêm ng t v tài nguyên

1.2.2 Nh ng thách th c c p m ng

Nh ng thách th c c p nút c a m ng c m bi n không dây c n gi i quy t

là s h n ch v ngu n tài nguyên s n có, trong khi nh ng thách th c c p m ng

c n gi i quy t l i là v n quy mô l n c a m ng c m bi n không dây

M ng c m bi n không dây có ti m n ng r t l n c v quy mô, s l ng cácnút tham gia vào h th ng và các d li u c t o ra b i m i nút Trong nhi u tr ng

h p, các nút c m bi n không dây thu th p m t l ng l n d li u t nhi u m thu

th p riêng bi t Nhi u m ng c m bi n không dây bao g m hàng ngàn các nút c m

bi n

Kích th c m ng nh h ng n vi c thi t k giao th c nh tuy n trong

m ng c m bi n không dây nh tuy n là quá trình m ng xác nh nh ng tuy n

ng t t nh t truy n b n tin qua m ng nh tuy n có th c th c hi n ho c là

t p trung ho c là phân tán V i nh tuy n t p trung thì m t máy ch tính toán b n

nh tuy n cho toàn b m ng, còn v i nh tuy n phân tán thì m i nút th c hi n tquy t nh l a ch n tuy n ng g i m i b n tin

Thi t k các giao th c nh tuy n là r t quan tr ng b i vì nó nh h ng n c

hi u n ng m ng xét v l ng d li u mà m ng có th duy trì c ng nh t c d li u

có th v n chuy n d li u thành công qua m ng và h n h t là kho ng th i gian

t n t i c a m ng c m b o Trong m ng c m bi n không dây, vi c truy n thôngtin òi h i n ng l ng Các nút th c hi n truy n thông tin nhi u s m t n ng l ngnhanh h n so v i các nút khác th ng ch ng Vì v y, giao th c nh tuy n

ph i l a ch n y thông tin khi l p k ho ch v n chuy n b n tin qua m ng

Trang 7

i v i m t nút khi th c hi n l a ch n thông tin nh tuy n thì nó yêu c u cácthông tin c v m ng c ng nh toàn b các nút lân c n g n nh t Thông tin này òi

h i c n ph i có b nh Tuy nhiên, m i nút có m t s l ng b nh h n ch Vì v y,giao th c nh tuy n ph i l a ch n m t cách k l ng gi l i nh ng thông tin v

m ng, v các nút lân c n c n thi t và b qua nh ng thông tin không c n thi t khác

Các m ng c m bi n không dây th ng ho t ng trên kênh truy n không ángtin c y, u này làm cho v n nh tuy n càng g p nhi u khó kh n Trong kênhtruy n thông vô tuy n công su t th p thì không ch c ch n r ng n u m t b n tin ã

c g i i b i m t nút thì b n tin ó s nh n c b i m t nút ích c d ki n

tr c trong m ng B n tin này có th b gián n ho c có th b ch n hoàn toàn b i

m t v t l n b ng kim lo i v a c t gi a phía g i và phía nh n Ngay c khi b ntin không b ch n hoàn toàn thì các bit c a nó có th b thay i trên ng truy n

Tính ch t không áng tin c y c a m ng c m bi n không dây c g i là "t nhao" T n hao nên c coi nh là m t c tính v n có trong m ng c m bi n khôngdây V n t n hao trong m ng c m bi n không dây là m t thách th c i v i cácgiao th c nh tuy n Các giao th c nh tuy n ph i tính toán v n t n hao khiquy t nh tuy n ng truy n các b n tin và có th b n tin c n ph i c g i l i.Các b n tin s c nh tuy n sao cho các nguy c m t mát b n tin là th p nh t

Nh ng n u m t b n tin c truy n qua m t tuy n ng x y ra vi c m t d li u thì

b n tin c n c g i l i m t vài l n trong tr ng h p b n tin không th g i c qua

m ng trong l n th u tiên

T n hao là m t thu c tính khó xác nh, c bi t là trong các m ng khôngdây T n hao b nh h ng b i các y u t môi tr ng nh nhi t và m c akhông khí c ng nh môi tr ng v t lý xung quanh c a các m ng c m bi n khôngdây Ví d , n u m t lò vi sóng c b t lên, các tr ng n t mà nó t o ra có thcan thi p vào b ng t n truy n không dây 2.4GHz T ng t nh v y, m t m ng máytính WiFi có th nh h ng t i m t m ng c m bi n không dây, do ó các m ng c m

bi n không dây th ng b m t d li u nhi u h n vào ban ngày, khi mà m i ng iang s d ng m ng WiFi h n là vào ban êm Các giao th c nh tuy n cho m ng

c m bi n không dây c n ph i c chu n b tr c cho nh ng v n này

Tính ch t quy mô l n c a các m ng c m bi n không dây làm ph c t p thêm

vi c nh a ch các nút Trong m t m ng quy mô l n, m i nút ph i có a ch riêng các b n tin có th c g i t i nó Các a ch c n có dài l n sao cho m inút trong các m ng quy mô l n ph i có m t a ch riêng bi t Và ngay c khi m ng

có quy mô nh thì nó có th t ng tác v i các nút m ng khác bên ngoài Trong

tr ng h p này, a ch c a các nút trong hai m ng ph i là duy nh t

Trang 8

Vì s l ng các m ng c m bi n không dây có th t ng tác v i các m ngkhác bên ngoài ngày t ng, nên chúng ta c n ph i chu n b cho quy mô phát tri n theo

c p s nhân Do ó, c ch nh a ch cho các m ng c m bi n không dây ph i xác

nh duy nh t vài tri u, th m chí vài t các nút m ng riêng bi t

Vi c qu n lý m ng i v i m ng c m bi n không dây quy mô l n là m tthách th c vô cùng khó kh n V i m ng c m bi n không dây có th bao g m hàngngàn nút thì vi c th c hi n qu n lý m ng theo cách truy n th ng không th áp d ngngay c Qu n lý theo cách truy n th ng òi h i s u ch nh c s h t ng m ng

th công b i m t qu n tr viên h th ng V i các m ng c m bi n không dây d ngAd-hoc, m ng ph i c chu n b t qu n lý chính nó mà không có b t k s uhành m ng nào c a con ng i Ngoài ra, trong m ng máy tính truy n th ng, m i máytính k t n i m ng có th yêu c u c u hình th công ho c bán th công Ví d nh

ng i dùng các máy tính có th c n ph i nh p m t kh u truy c p m ng i v i

m ng c m bi n không dây thì i u ó là không kh thi khi cho m t ng i nh p m t

kh u vào t ng nút m ng c m bi n t i các th i m khi c n truy c p m ng

M t m ng c m bi n không dây c ng ph i cung c p các c ch truy c p t bênngoài Có nh ng tr ng h p mà m t m ng c m bi n không dây c s d ng cô l p,

nh ng thông th ng các d li u t o ra b i các m ng c m bi n không dây c n ph i

c l y ra x lý ho c c l u tr m t n i khác Ngoài ra, các m ng c m bi nkhông dây c n ph i c c u hình l i ho c thay i trong quá trình ho t ng Trong

c hai tr ng h p, các m ng c m bi n không dây ph i cho phép truy c p c t bênngoài

1.2.3 S chu n hóa

Tiêu chu n là m t y u t then ch t i v i s thành công c a các m ng c m

bi n không dây M ng c m bi n không dây c bi t n không ch b i s l ng l ncác nút và các ng d ng ti m n ng mà còn c bi t n v i vi c có nhi u tiêuchu n, nhi u nhà s n xu t và nhi u công ty khác nhau cùng quan tâm óng góp v

m t công ngh Các công ngh s n xu t khác nhau có nh ng tiêu chu n khác nhau

M t nhà s n xu t thi t b c m bi n chuyên v c m bi n m chính xác cao có thkhông quan tâm n các h th ng công ngh thông tin Tuy nhiên, c hai ph i làm

vi c cùng nhau trong h th ng tòa nhà t ng, ó các c m bi n m t o ra uvào cho vi c ki m soát môi tr ng trong toà nhà H th ng ki m soát môi tr ng

c u khi n b i m t h th ng công ngh thông tin tiên ti n, chúng ti p nh n uvào t các c m bi n m

N u không có s chu n hóa thì các nhà s n xu t thi t b và các nhà tích h p

h th ng c n ph i xây d ng toàn b h th ng i v i m i h th ng m i c cài t.Ngoài ra, nhà s n xu t và nhà tích h p s s d ng m t công ngh c quy n t m t

Trang 9

nhà cung c p riêng l Công ngh c quy n này có th cung c p các l i ích trong

th i gian ng n, n ng nó làm cho nhà s n xu t và nhà tích h p u g p khó kh ntrong vi c phát tri n h th ng c a h v t ra ngoài công ngh c quy n b i các nhàcung c p Ngoài ra, khi công ngh này là c quy n thì các nhà cung c p công ngh

s u khi n ng lai c a công ngh mà không ph i là các nhà s n xu t và các nhàtích h p

V i vi c chu n hóa công ngh thì công ngh là c l p v i nhà cung c p, nhà

s n xu t và ng i dùng B t k nhà cung c p nào u có th l a ch n cung c pcác h th ng d a trên công ngh Các nhà s n xu t thi t b , các nhà tích h p h th ng

có th l a ch n xây d ng h th ng c a h d a trên công ngh t b t k nhà cung

c p nào

Tiêu chu n hóa công ngh có m t u i m l n ó là vi c ch p nh n các ukho n Khi công ngh c chu n hóa thì các nhà cung c p, nhà s n xu t và các nhàtích h p h th ng có th d dàng ch n các công ngh mà không có r i ro t các nhàcung c p chính n a

V n chu n hóa công ngh m ng c m bi n không dây là m t thách th ckhông ch v m t công ngh mà còn trong i u kho n c a các t ch c Các m ng

c m bi n không dây bao g m nhi u c p khác nhau c a công ngh , t công nghtruy n thông công su t th p n k thu t m ng, nh tuy n, truy c p m c ng d ng

và tích h p h th ng công ngh thông tin M i c p có nh ng thách th c k thu triêng nh ng quan tr ng h n ó là vi c chu n hóa trong m i c p c qu n lý b i cácnhóm khác nhau

1.2.4 Kh n ng c ng tác

Kh n ng c ng tác là kh n ng các thi t b và h th ng c a các nhà cung c pkhác nhau có th ho t ng cùng nhau Kh n ng c ng tác là i u c n thi t gi a cácnhà s n xu t khác nhau và gi a m ng c m bi n không dây v i các c s h t ng

m ng hi n có

Khi c chu n hóa, m ng c m bi n không dây ph i có kh n ng c ng tác nhi u m t Các nút c m bi n ph i t ng thích v i nhau t l p v t lý cho n l p ng

d ng ho c l p tích h p Kh n ng c ng tác l p v t lý x y ra khi các thi t b t cáchãng khác nhau giao ti p v t lý c v i nhau c p v t lý, các nút c m bi nkhông dây ph i th ng nh t trên các v n nh là t n s vô tuy n th c hi n truy nthông, ki u u ch tín hi u và t c d li u c truy n c p m ng, các nút

ph i th ng nh t v nh d ng thông tin c g i và nh n trên các kênh v t lý c ng

nh các nút m ng c ánh a ch nh th nào, các b n tin s c v n chuy n qua

m ng b ng cách nào l p ng d ng ho c l p tích h p, các nút c m bi n ph i chia

Trang 10

s cách th c d li u c g i vào ho c l y ra t m ng, c ng nh làm th nào nút c m bi n có th c truy c p t i t các h th ng bên ngoài.

1.3 Ki n trúc ng n x p giao th c c a m ng c m bi n không dây

Ki n trúc ng n x p giao th c c s d ng b i Sink và các nút c m bi n cminh h a hình 1.2 Ki n trúc ng n x p giao th c này là s k t h p gi a v n

ng l ng và v n nh tuy n có quan tâm n n ng l ng, các giao th c t ng

h p d li u và truy n thông hi u qu n ng l ng qua môi tr ng không dây Ki ntrúc ng n x p giao th c bao g m l p v t lý, l p liên k t d li u, l p m ng, l p giao

v n và l p ng d ng, c ng nh các m t ph ng ng b , m t ph ng nh v , m t

ph ng qu n lý c u trúc liên k t m ng, m t ph ng qu n lý công su t, m t ph ng qu n

lý di ng và m t ph ng qu n lý nhi m v L p v t lý xác nh các yêu c u c n thi t

ó là các k thu t u ch , truy n d n, ti p nh n d li u B i vì môi tr ng có nhi u

và các nút c m bi n có th di ng, nên l p liên k t có trách nhi m m b o vi ctruy n thông tin c y nh các k thu t u khi n l i và qu n lý truy nh p kênh thôngtin thông qua l p MAC h n ch t i a xung t v i các b n tin qu ng bá c a nútlân c n Tùy thu c vào các nhi m v c m bi n thì các ch ng trình ng d ng khácnhau có th c xây d ng và c s d ng trên l p ng d ng L p m ng quan tâm

n vi c nh tuy n d li u t l p giao v n L p giao v n giúp duy trì dòng d li u

n u ng d ng m ng c m bi n yêu c u Thêm vào ó là các m t ph ng qu n lý n ng

ng, di ng và qu n lý nhi m v giám sát n ng l ng tiêu th , s di chuy n và

s phân ph i nhi m v gi a các nút c m bi n Nh ng m t ph ng này giúp các nút

c m bi n ph i h p v i nhau trong vi c c m nh n môi tr ng và gi m t ng n ng

Trang 11

t m t nút lân c n u này nh m tránh vi c nh n c các b n tin trùng l p Ngoài

ra, khi m c n ng l ng c a m t nút c m bi n xu ng th p thì nút c m bi n s thôngbáo qu ng bá n các nút lân c n các nút lân c n bi t r ng n ng l ng c a nóang m c th p và nó không th tham gia vào vi c nh tuy n các b n tin N ng

ng còn l i ch dành riêng cho vi c c m nh n và truy n d li u c a riêng nút ó

M t ph ng qu n lý di ng phát hi n và ng ký s di chuy n c a các nút c m bi n,

do ó m t tuy n ng n ng i dùng cu i luôn luôn c duy trì và các nút c m

bi n có th theo dõi các nút lân c n c a chúng B ng vi c nh n bi t các nút lân c nthì các nút c m bi n có th cân b ng gi a vi c s d ng n ng l ng và nhi m v c achúng M t ph ng qu n lý nhi m v cân b ng và l p l ch các nhi m v c m nh n cho

m t khu v c c th Không ph i t t c các nút c m bi n trong khu v c ó c yêu

c u th c hi n nhi m v c m nh n cùng m t th i m K t qu là, m t s nút c m

bi n th c hi n nhi u nhi m v h n các nút khác, tùy thu c vào m c n ng l ng c achúng Nh ng m t ph ng qu n lý này là c n thi t các nút c m bi n có th làm vi ccùng nhau sao cho chúng t c hi u qu cao nh t v n ng l ng, v nh tuy n

d li u trong m ng c m bi n và chia s tài nguyên gi a các nút c m bi n N u không

có các m t ph ng qu n lý này thì m i nút c m bi n ch có th làm vi c riêng l Tgóc toàn m ng thì s hi u qu h n n u các nút c m bi n có th c ng tác v i nhau,

nh ó th i gian t n t i c a m ng có th c kéo dài

1.3.1 L p v t lý

L p v t lý có trách nhi m l a ch n t n s , t o t n s sóng m ng, phát hi n tín

hi u và i u ch d li u

1.3.2 L p liên k t d li u

L p liên k t d li u ch u trách nhi m ghép các dòng d li u, phát hi n khung

d li u, u khi n l i và i u khi n truy nh p kênh truy n Nó m b o s tin c y

c a các k t n i m - i m và i m - a i m trong m ng

1.3.2.1 i u khi n truy nh p kênh truy n

Giao th c MAC (Medium Access Control) trong m ng c m bi n a ch ng và

t t ch c c n ph i t c hai m c tiêu M c tiêu th nh t là t o c s h t ng

m ng B i vì hàng tr m nút c m bi n có th n m r i rác v i m t cao trong m t

tr ng c m bi n, nên c ch MAC c n ph i thi t l p các liên k t truy n thông truy n d li u u này t o thành c s h t ng m ng c n thi t cho vi c truy nthông không dây a ch ng và cung c p kh n ng t t ch c M c tiêu th hai là chia

s hi u qu các tài nguyên truy n thông gi a các nút c m bi n Nh ng tài nguyênnày bao g m th i gian, n ng l ng và t n s Trong su t m t th p k qua, m t s

Trang 12

giao th c MAC ã c phát tri n cho các m ng c m bi n không dây gi i quy t

nh ng yêu c u này

V i b t k m t c ch truy nh p kênh truy n nào thì v n hi u qu n ng

ng là vô cùng quan tr ng M t giao th c MAC ch c ch n ph i h tr các ch

ho t ng ti t ki m n ng l ng cho nút c m bi n Vi c b o t n n ng l ng rõ ràng

nh t là t t b thu phát khi không c n thi t M c dù ph ng pháp ti t ki m n ng

ng này d ng nh có l i áng k cho vi c ti t ki m n ng l ng nh ng nó có th

c n tr vi c k t n i m ng Sau khi b thu phát t t thì nút c m bi n không th nh n

c b t k gói tin nào t các nút lân c n, b i vì nó b ng t k t n i m ng Ngoài ra,

vi c b t và t t b thu phát vô tuy n u có m t chi phí v n ng l ng tiêu th do các

th t c kh i ng và t t b thu phát vô tuy n u yêu c u c v ph n c ng và ph n

m m Có m t s ch ho t ng h u ích khác cho nút c m bi n không dây tùythu c vào s l ng các tr ng thái c a b vi x lý, b nh , b chuy n i A/D và bthu phát M i ch này c c tr ng b i n ng l ng tiêu th , th i gian trchuy n i gi a các ch n ng l ng ó

1.3.2.2 i u khi n l i

M t ch c n ng quan tr ng c a l p liên k t d li u là i u khi n l i (ErrorControl - EC) Hai ch quan tr ng c a ph ng th c u khi n l i trong các m ngtruy n thông là s a l i tr c (Forward Error Control - FEC), yêu c u l p l i t ng(Automatic Repeat Request - ARQ) L i ích c a ARQ trong các ng d ng m ng c m

bi n b h n ch do vi c t n hao n ng l ng khi truy n l i và vi c gi i mã c ng ph c

t p h n FEC, c ng nh các kh n ng s a l i c n ph i c xây d ng Do ó, các

mã i u khi n l i n gi n v i vi c mã hóa và gi i mã ít ph c t p có th là các gi ipháp hi n t i t t nh t cho các m ng c m bi n thi t k m t c ch nh v y thì

i u quan tr ng là ph i hi u rõ v các c tính kênh truy n

1.3.3 L p m ng

Các nút c m bi n n m r i rác v i m t cao trong m t tr ng c m bi n, có

th g n ho c ngay trong hi n t ng nh c ch ra trong hình 1.1 Thông tin thu

th p c liên quan n hi n tr ng c truy n n Sink có th c t xa so v i

tr ng c m bi n Tuy nhiên, ph m vi truy n thông c a các nút c m bi n b h n ch

ã không cho phép vi c truy n thông tr c ti p gi a m i nút c m bi n v i Sink unày òi h i các giao th c nh tuy n không dây a ch ng gi a các nút c m bi n vàSink b ng vi c s d ng các nút c m bi n trung gian th c hi n chuy n ti p Các kthu t nh tuy n hi n có ã c phát tri n cho các m ng Ad-hoc không dây th ngkhông phù h p v i các yêu c u c a m ng c m bi n L p m ng c a các m ng c m

bi n th ng c thi t k theo quy t c sau ây:

Trang 13

§ V n hi u qu n ng l ng luôn là v n c quan tâm nh t.

v n m t nút riêng l Ví d "các khu v c có nhi t trên 21oC" là m t truy v n ph

bi n h n so v i "nhi t c b i nút s #47"

M t ch c n ng quan tr ng khác c a l p m ng là cung c p k t n i liên m ng

v i các m ng bên ngoài ch ng h n nh các m ng c m bi n khác, các h th ng chhuy, i u khi n và m ng Internet Các nút Sink có th c s d ng nh m tGateway k t n i v i các m ng khác, trong khi m t tr ng h p khác chúng t o ra

m t ng tr c k t n i các nút Sink v i nhau và k t n i ng tr c v i các m ngkhác thông qua m t Gateway

1.3.4 L p giao v n

S phát tri n c a các giao th c l p giao v n là m t nhi m v y thách th c

b i vì các nút c m bi n b nh h ng b i nh ng h n ch v ph n c ng nh là n ng

ng và b nh h n ch Do ó, m i nút c m bi n không th l u tr m t l ng l n

d li u nh m t máy ch trên m ng Internet

th c hi n vi c truy n thông trong m ng c m bi n không dây thì các giao

th c l p giao v n yêu c u hai ch c n ng chính ó là: m b o tin c y và i ukhi n t c ngh n Do tài nguyên h n ch và chi phí cao v n ng l ng ã nh h ng

n tin c y c a các c ch truy n thông m cu i n m cu i c s d ngtrong các m ng c m bi n không dây Do v y c n thi t ph i có các c ch áng tin

c y Ngoài ra, t c ngh n có th xu t hi n b i l u l ng l n d li u c t o ra trong

su t quá trình x y ra các s ki n trong tr ng c m bi n T c ngh n c n c gi mthi u b i các giao th c l p giao v n

Trang 14

1.3.5 L p ng d ng

L p ng d ng bao g m các ng d ng chính c ng nh m t s ch c n ng qu n

lý Ngoài các ch ng trình ng d ng c th cho m i ng d ng thì các ch c n ng

qu n lý và x lý truy v n c ng n m l p này

Ngoài các ch c n ng truy n thông trong ng n x p phân l p thì các m ng c m

bi n không dây c ng c trang b các ch c n ng h tr ho t ng cho các gi ipháp khác c xu t Trong m t m ng c m bi n không dây, m i thi t b c m bi n

c trang b m t ng h c c b M i s ki n có liên quan n s ho t ng c athi t b c m bi n bao g m c m nh n, x lý và truy n thông c k t h p v i thôngtin nh th i c u khi n thông qua các ng h c c b Vì ng i dùng quan tâm

n thông tin ph i h p t nhi u c m bi n, nên thông tin nh th i có liên quan n

d li u m i thi t b c m bi n c n ph i c th ng nh t Ngoài ra, m ng c m bi nkhông dây có th s p x p th t chính xác các s ki n c c m nh n b i các c m

bi n phân tán t ó mô hình hóa chính xác môi tr ng v t lý Nh ng yêu c u ng

b này ã d n n s phát tri n các giao th c ng b th i gian trong các m ng c m

bi n không dây

S t ng tác ch t ch v i các hi n t ng v t lý òi h i ph i có các thông tin

v trí có liên quan Các m ng c m bi n không dây k t h p ch t ch v i các hi n

ng v t lý môi tr ng xung quanh Thông tin thu th p c c n ph i c k t

h p v i v trí c a các nút c m bi n cung c p cái nhìn chính xác v tr ng c m

bi n Ngoài ra, các m ng c m bi n không dây có th c s d ng theo dõi các

i t ng nh t nh trong các ng d ng giám sát Các ng d ng này òi h i thông tin

v trí a vào các thu t toán theo dõi Ngoài ra, các d ch v d a trên v trí và cácgiao th c truy n thông c ng yêu c u thông tin v trí Do ó, các giao th c nh v ã

c a vào ng n x p truy n thông

Cu i cùng, m t s gi i pháp qu n lý c u trúc liên k t c ng c n ph i có duytrì k t n i và vùng ph sóng c a m ng c m bi n không dây Các thu t toán qu n lý

c u trúc liên k t cung c p các ph ng th c hi u qu cho vi c tri n khai m ng nh mkéo dài th i gian t n t i c a m ng và ph sóng thông tin m t cách hi u qu Ngoài

ra, các giao th c u khi n c u trúc liên k t giúp xác nh các m c công su t truy n

c ng nh th i gian ho t ng c a các nút c m bi n t i thi u n ng l ng tiêu thtrong khi v n m b o k t n i m ng Cu i cùng, các giao th c phân nhóm c s

d ng t ch c m ng thành các c m nh m c i thi n kh n ng m r ng và c i thi n

th i gian t n t i c a m ng

B n ch t s ph thu c vào t ng ng d ng c a các m ng c m bi n không dây

ã xác nh m t s thu c tính c tr ng riêng so v i các gi i pháp m ng truy n

th ng M c dù nh ng nghiên c u và tri n khai ban u c a các m ng c m bi n

Trang 15

không dây t p trung ch y u vào vi c truy n d li u trong môi tr ng không dây

nh ng m t vài l nh v c ng d ng m i c a m ng c m bi n không dây c ng ã xu t

hi n Chúng bao g m các m ng c m bi n và i u khi n không dây, trong ó m i nút

c m bi n có thêm các thi t b truy n ng chuy n i thông tin c m nh n cthành các hành ng tác ng n môi tr ng và các m ng c m bi n a ph ng

ti n không dây h tr l u l ng a ph ng ti n bao g m các thông tin âm thanh vàhình nh Ngoài ra, hi n tr ng m ng c m bi n không dây g n ây ã c áp d ngvào trong các môi tr ng h n ch nh thi t l p m ng d i n c, trong lòng t và

t o ra các m ng c m bi n không dây d i n c và trong lòng t Nh ng l nh v cnghiên c u m i này t ra nh ng thách th c m i b sung mà ch a c quan tâmxem xét b i m t s gi i pháp ã c phát tri n cho các m ng c m bi n không dâytruy n th ng

S linh ho t, kh n ng ch u l i, c m nh n trung th c cao, chi phí th p và

m t s c m tri n khai nhanh chóng c a các m ng c m bi n không dây ã t o ranhi u l nh v c ng d ng m i cho vi c c m nh n t xa Trong t ng lai, m t lo t các

l nh v c ng d ng này s làm cho các m ng c m bi n tr thành m t ph n không ththi u trong cu c s ng c a chúng ta Tuy nhiên, vi c th c hi n các m ng c m bi nnày c n ph i áp ng c các y u t nh kh n ng ch ng l i, kh n ng m r ng,chi phí, ph n c ng, s thay i c u trúc liên k t m ng, môi tr ng và n ng l ng tiêu

th B i vì nh ng ràng bu c này r t nghiêm ng t và c thù cho các m ng c m bi nnên các k thu t m ng Ad-hoc không dây m i là r t c n thi t Nhi u nhà nghiên c u

hi n ang tham gia vào vi c phát tri n các công ngh c n thi t cho các l p khác nhau

c a ng n x p giao th c m ng c m bi n

1.4 Chu n truy n thông IEEE 802.15.4 cho m ng c m bi n không dây

1.4.1 Mô hình truy n thông trong m ng c m bi n không dây

Mô hình truy n thông cho các nút m ng c m bi n không dây có th c chiathành ba lo i: m - i m, m - a i m và a i m - i m M i mô hìnhtruy n thông c s d ng trong các tr ng h p khác nhau Nhi u ng d ng s d ng

k t h p các mô hình truy n thông này

1.4.1.1 Mô hình truy n thông m - i m

Mô hình truy n thông m - i m x y ra khi m t nút m ng c m bi n khôngdây truy n thông v i m t nút m ng c m bi n không dây khác Tuy nhiên, vi c truy nthông có th có liên quan n các nút m ng c m bi n khác Trong hình 1.3, hai nút

m ng c m bi n không dây giao ti p v i nhau nh ng có hai nút m ng c m bi n khácliên quan n quá trình truy n thông, b i vì chúng chuy n ti p các gói tin gi a các

Trang 16

Hình 1.3: Mô hình truy n thông m - i m trong m ng c m bi n không dây.

1.4.1.2 Mô hình truy n thông m - a i m

Mô hình truy n thông m - a i m c minh h a nh hình 1.4 Môhình này c s d ng g i b n tin t m t nút t i m t s nút khác và có th là t t

c các nút khác trong m ng Mô hình truy n thông này có th c s d ng g i

m t l nh thi t l p n các nút trong m ng

Hình 1.4: Mô hình truy n thông i m - a i m trong m ng c m bi n không dây

Có nhi u hình th c truy n thông trong mô hình i m - a i m Tùy thu cvào tình hu ng khác nhau thì yêu c u tin c y c a b n tin g i i là khác nhau N uyêu c u tin c y cao thì giao th c truy n thông có th ph i truy n l i các b n tincho n khi t t c các nút nh n ã nh n thành công c gói tin N u tin c ykhông yêu c u quá kh t khe thì giao th c truy n thông có th không c n ph i truy n

l i b t k b n tin nào và giao th c truy n thông coi kênh truy n thông tin c y các b n tin có th n c các nút nh n

Nhi u c ch và giao th c ã c thi t k th c hi n truy n thông m

-a i m trong m ng c m bi n không dây D ng n gi n c a truy n thông m

-a i m là m ng tràn l-an i u này c th c hi n b ng cách t ng nút qu ng bá b ntin c g i i Khi m t nút l ng nghe c m t b n tin qu ng bá c phát t m tnút bên c nh, nút này s qu ng bá l i b n tin t i t t c các nút khác xung quanh nó tránh vi c gây nhi u lên nhau, m i nút ch i m t kho ng th i gian ng u nhiên

Trang 17

tr c khi g i l i các b n tin Hi u qu c a c ch này là b n tin c ng n t t c cácnút trong m ng, tr các b n tin b m t do nhi u vô tuy n ho c các xung t vô tuy n.

M c dù m t m ng tràn lan có th làm vi c t t trong m t s tr ng h p nh ng

nó không ph i là c ch áng tin c y Các b n tin b m t do nhi u ho c xung t c n

c truy n l i t c tin c y trong truy n thông m - a i m thì giao

th c truy n thông ph i phát hi n c các b n tin b m t và phát l i chúng

1.4.1.3 Mô hình truy n thông a m - i m

Mô hình truy n thông a m - i m th ng c s d ng thu th p d

li u t các nút trong tr ng c m bi n V i mô hình truy n thông a m - i m,

m t vài nút g i d li u n cùng m t nút Nút này th ng c g i là Sink Hình 1.5minh h a mô hình truy n thông a m - i m

Hình 1.5: Mô hình truy n thông a m - i m trong m ng c m bi n không dây.Truy n thông a m - i m có th c s d ng thu th p d li u c m

bi n ch ng h n nh nhi t t các nút trong m ng nh ng nó c ng c s d ngtruy n thông tin tr ng thái các nút trong m ng Các nút g i các báo cáo tr ng thái

nh k t i Sink Nút Sink sau ó báo cáo toàn b hi u n ng c a m ng t i ng iquan sát bên ngoài

Trong truy n thông a m - i m, có th có nhi u h n m t Sink trong

Trang 18

ph ng th c n gi n này, m i nút trong m ng cu i cùng s bi t có bao nhiêu b c

nh y chúng ph i tr i qua c tính t nút Sink và bi t c các nút lân c n g n Sink

n Khi g i m t gói tin, nút g i ch ph i g i gói tin n nút lân c n g n Sink h n

1.4.2 Chu n truy n thông v t lý cho m ng c m bi n không dây

Chu n IEEE 802.15.4 là m t chu n truy n thông không dây cho các ng d ngcông su t th p và t c d li u th p Tiêu chu n này ã c phát tri n cho m ng cánhân (PAN) b i nhóm làm vi c trong Vi n k thu t n và i n t (IEEE) Chu nIEEE 802.15.4 có t c d li u t i a là 250.000 bit/s và công su t u ra t i a1mW Các thi t b IEEE 802.15.4 có m t ph m vi ph sóng h p trong vài ch c mét

i m chính trong các c i m k thu t c a chu n IEEE 802.15.4 là cho phép các bthu phát chi phí th p và ít ph c t p, u này ã làm cho chu n IEEE 802.15.4 ph

bi n v i m ng c m bi n không dây Nhi u công ty s n xu t các thi t b tuân th theochu n IEEE 802.15.4

B i s có m t kh p n i c a chu n IEEE 802.15.4 và s s n có c a các b thuphát vô tuy n t ng thích v i IEEE 802.15.4, nên g n ây r t nhi u ng n x p vôtuy n công su t th p ã c xây d ng trên chu n IEEE 802.15.4 nh là:WirelessHART, ISA100a, IPv6 và ZigBee

Tiêu chu n IEEE 802.15.4 xác nh 2 l p:

§ L p v t lý: Ch rõ các b n tin c g i và c nh n trên các kênh truy n vôtuy n v t lý nh th nào

§ L p u khi n truy nh p kênh truy n (MAC): Ch rõ các b n tin n tcác l p v t lý s c x lý nh th nào

M c dù chu n IEEE 802.15.4 ã xác nh rõ m t vài c ch l p v t lý và

l p MAC nh ng không ph i t t c m i ch d n u c s d ng r ng rãi Ví dchu n WirelessHART s d ng các ch d n l p v t lý và nh d ng tiêu gói tin

l p MAC nh ng không ph i t t c các quy nh l p MAC c s d ng

Kích th c t i a gói tin trong chu n IEEE 802.15.4 là 127 byte Các gói tin

có kích th c nh b i vì chu n IEEE 802.15.4 c s d ng cho các thi t b v i t c

d li u th p Do l p MAC thêm vào ph n tiêu cho các gói tin nên l ng d

li u dành s n cho giao th c l p trên ho c l p ng d ng vào kho ng t 86 n 116byte Do v y, các giao th c l p trên th ng thêm vào các c ch phân m nh các

ph n d li u l n h n thành nhi u khung theo chu n 802.15.4

Các m ng IEEE 802.15.4 c chia thành các m ng PAN nh hình 1.6 M i

m ng PAN có m t u ph i viên PAN và m t t p các thành viên m ng PAN Cácgói tin c truy n qua m ng PAN mang 16 bit nh n d ng cho m ng PAN xác

nh m ng PAN nào mà gói c g i n M t thi t b có th tham gia vào m t

Trang 19

m ng PAN nh là m t u ph i viên PAN và c ng ng th i tham gia là thành viên

m ng PAN trong m t m ng PAN khác

Chu n IEEE 802.15.4 xác nh hai lo i thi t b là: Thi t b có ch c n ng y (FFDs) và thi t b có ch c n ng h n ch (RFDs) Các FFDs có nhi u kh n ng

n RFDs và có th óng vai trò nh m t u ph i viên PAN RFDs là các thi t b

n gi n h n c xác nh d dàng h n trong vi c ch t o v i giá thành r h n.RFDs ch có th truy n thông v i FFDs Các FFDs có th truy n thông c v i cRFDs và FFDs

Hình 1.6: M t m ng IEEE 802.15.4 v i các nút FFDs th hi n nh các ch m en vàcác nút RFDs th hi n b i các ch m tr ng Hai FFDs là i u ph i viên PAN trong hai

m ng PAN c bi u di n b i nh ng vòng tròn en M ng PAN bên ph i bao g m

hai FFDs nh ng ch m t FFD là i u ph i viên PAN

M c dù chu n IEEE 802.15.4 nh ngh a ba lo i c u trúc m ng c h tr làhình sao, m ng m t l i và hình cây nh ng h u h t các giao th c ho t ng l ptrên không s d ng các c u hình m ng c a 802.15.4 Thay vào ó, chúng xây d ng

nh ng c u trúc liên k t m ng c a riêng nó phía trên l p MAC 802.15.4 Vì lý do

ó, chúng ta không i vào chi ti t các c u trúc liên k t m ng c nh ngh a b ichu n IEEE 802.15.4

1.4.2.1 nh d ng a ch theo chu n IEEE 802.15.4

M i nút trong m ng theo chu n IEEE 802.15.4 có m t a ch 64 bit nh n

d ng thi t b duy nh t Do kích th c gói tin b gi i h n b i chu n IEEE 802.15.4,nên dài 64 bit a ch là không kh thi Do ó, chu n IEEE 802.15.4 cho phép cácnút s d ng a ch v i dài 16 bit Các a ch ng n c gán b i u ph i viênPAN và ch có giá tr trong khuôn kh c a m t PAN Các nút có th l a ch n g igói tin b ng cách s d ng c hai nh d ng a ch

a ch c vi t d i d ng h th p l c phân (Hexa) phân cách nhau b ng d uhai ch m M t ví d v dài m t a ch 802.15.4 là 00:12:75:00:11:6 e:cd: fb

Trang 20

Hình 1.7 là m t ví d v hai a ch IEEE 802.15.4 là m t a ch dài và m t a ch

ng n

Hình 1.7: Hai nh d ng a ch h tr IEEE 802.15.4

là a ch dài (64 bit) và a ch ng n (16 bit)

Các a ch dài là duy nh t trên th gi i và m i thi t b IEEE 802.15.4 cgán m t a ch khi c s n xu t M i nhà s n xu t yêu c u 24 bit nh n d ng duy

nh t OUI c a nhà s n xu t (Organizational Unique Identifier) l y t t ch c IEEE.Các OUI c s d ng nh là 24 bit a ch u tiên c a thi t b Còn l i 40 bit cgán b i nhà s n xu t và ph i là duy nh t cho m i thi t b

Các a ch ng n c gán b i các u ph i viên m ng PAN M t a ch

ng n ch có hi u l c trong ph m vi m ng PAN ó Tuy nhiên, m t thi t b v i m t

a ch ng n có th truy n thông v i các thi t b bên ngoài m ng PAN b ng cáchmang thêm 16 bit nh danh m ng PAN c a nó và m ng PAN c a thi t b ích trong

m i b n tin c g i i Tiêu chu n IEEE 802.15.4 không ch nh b t k thu t toán

c th nào s c s d ng b i m t u ph i viên PAN khi gán các a ch ng ntrong ph m vi m ng PAN

1.4.2.2 L p v t lý theo chu n IEEE 802.15.4

L p v t lý xác nh t n s vô tuy n v t lý, k thu t u ch và mã hóa tín

hi u Chu n IEEE 802.15.4 ho t ng trên 3 b ng t n s vô tuy n c c p phép

mi n phí B i nh ng quy nh khác nhau v t n s vô tuy n, nên t n s c c pphép các n c trên th gi i c ng khác nhau T i Hoa K , chu n IEEE 802.15.4 s

d ng b ng t n 902-982MHz T i châu Âu, chu n IEEE 802.15.4 s d ng b ng t n868-868.8MHz Các n c còn l i th gi i, chu n IEEE 802.15.4 s d ng b ng t n2400-2483.5MHz

Chu n IEEE 802.15.4 nh ngh a 26 kênh ho t ng khác nhau Trong m i

ng t n có quy nh m t s kênh nh c ch ra trong hình 1.8 Channel 0 cquy nh ch châu Âu và n m trên b ng t n 868MHz Các kênh t 1-10 c quy

nh ch Hoa K trên b ng t n 902-982MHz Kho ng cách gi a các kênh là 2MHz

Trang 21

Các kênh t 11-26 c quy nh trên b ng t n 2,4 GHz Kho ng cách gi a các kênh

là 5MHz

Hình 1.8: Chu n IEEE 802.15.4 quy nh 26 kênh vô tuy n v t lý

Chu n IEEE 802.15.4 s d ng hai lo i u ch vô tuy n tùy thu c vào t n skênh Các kênh t 0-10 s d ng khoá d ch pha nh phân (BPSK), trong khi ó cáckênh t 11-26 s d ng khoá d ch pha vuông góc (QPSK) Trên t t c các kênh,chu n IEEE 802.15.4 s d ng u ch tr i ph chu i tr c ti p (DSSS)

Gi ng nh k thu t u ch , t c bit là ph thu c vào kênh vô tuy n T c bit c a kênh là 0 là 20.000 bit/s i v i các kênh t 1-10, t c bit là 40.000bit/s và cho các kênh 11-26 t c bit là 250.000 bit/s

Hình 1.9: Các kênh 11-24 IEEE 802.15.4 ch ng chéo lên các kênh 802.11 Kênh 25

và 26 không c bao b c b i các kênh 802.11 Khi các kênh 1, 6 và 11 c a 802.11

c s d ng, hai kênh 15 và 20 c a 802.15.4 không b nh ng b i 802.11.Các kênh vô tuy n IEEE 802.15.4 trong b ng t n 2.4GHz chia s t n s vôtuy n c a chúng v i chu n IEEE 802.11 (WiFi) và có m t s ch ng l n v i các kênh802.11 B i vì chu n IEEE 802.11 có m t công su t u ra cao h n nên l u l ngtheo chu n 802.11 làm nhi u l u l ng theo chu n 802.15.4 Hình 1.9 cho th y s

Trang 22

ngo i tr kênh 25 và 26 c bao b c b i các kênh theo chu n 802.11 Khi các kênh

1, 6 và 11 c a chu n 802.11 c s d ng thì có 2 kênh c a chu n 802.15.4 (là kênh

15 và 20) không th y s can nhi u t l u l ng c a chu n 802.11

L p v t lý c ng cung c p các c ch o công su t vô tuy n c a m t kênhcho tr c K t qu c a phép o này c s d ng l p MAC bi t m t nút nào ó

có th ang truy n d li u trên m t kênh c th và u ph i viên quét các kênh có

s n trong m ng

ch phát hi n công su t vô tuy n c ng c s d ng h tr c ch ánhgiá kênh tr ng CCA (Clear Channel Assessment) Trong ó, l p v t lý có th ánhgiá bi t c m t nút nào ó hi n ang truy n d n qua kênh vô tuy n u này

c th c hi n b ng m t trong ba cách sau: Th nh t là o công su t vô tuy n và sosánh nó v i m t m c công su t ng ng c xác nh tr c Th hai là th c hi n

gi i u ch tín hi u vô tuy n n xem nó có ph i là m t tín hi u h p l theochu n 802.15.4 Th ba là s k t h p c a ph ng pháp phát hi n công su t vô tuy n

và ph ng pháp i u ch tín hi u C ch CCA c s d ng b i l p MAC ki msoát s truy nh p kênh truy n vô tuy n

1.4.2.3 L p u khi n truy nh p kênh truy n theo chu n IEEE 802.15.4

M c ích c a l p MAC là ki m soát truy nh p vào các kênh truy n vôtuy n B i vì kênh truy n vô tuy n c chia s gi a t t c các nút g i và nút nh ntrong m t khu v c lân c n v i nhau nên l p MAC cung c p c ch các nút xác

nh khi nào kênh nhàn r i và khi nào là an toàn g i các b n tin

L p 802.15.4 MAC cung c p c ch qu n lý truy nh p kênh, xác nh n s h p

l các khung n và xác nh n s ti p nh n khung Ngoài ra, 802.15.4 MAC cung c pcác c ch tùy ch n cho vi c a truy nh p phân chia th i gian (TDMA) truy nh pkênh truy n Trong ó, u ph i viên PAN ch nh các khe th i gian cho thi t btrong m ng PAN và th c hi n vi c l p l ch trình thông qua s truy n t i các b n tinbáo hi u ây là ch báo hi u, tuy nhiên không c s d ng r ng rãi b i cácgiao th c ch y trên chu n 802.15.4

Vi c qu n lý truy nh p kênh truy n th c hi n theo c ch CCA c h tr

b i l p v t lý Tr c khi g i m t gói tin, l p MAC yêu c u l p v t lý th c hi n m t

ki m tra CCA N u CCA nh n th y r ng m t nút khác hi n ang s d ng kênhtruy n thì l p MAC s không th c hi n vi c truy n gói tin c a nó Thay vào ó, l pMAC s i m t th i gian nh t nh và th g i l i gói tin m t l n n a

L p MAC th c hi n xác nh n s h p l các khung n b ng vi c tính toán

ki m tra d vòng 16 bit (CRC) c a toàn b khung CRC c s d ng ki m tracác l i truy n trong khung và c tính toán b i nút g i khung Nó c thêm vào

Trang 23

các gói tin c truy n i N u CRC c tính toán b i nút nh n không kh p CRC

cu i khung thì nút nh n s lo i b khung

L p MAC cung c p m t c ch t ng xác nh n các khung d li u N u m tkhung n có thi t l p bit xác nh n thì l p MAC s g i i m t khung xác nh n.Khung xác nh n ch c g i i khi a ch ích c a khung n gi ng a ch c athi t b và n u CRC c a khung n h p l Khung xác nh n không c nh a ch

rõ ràng n nút g i khung d li u, mà c qu ng bá n t t c các nút Chính unày d n n vi c nhi u giao th c l p trên ch y trên chu n 802.15.4 th c hi n các c

ch xác nh n c a riêng chúng

1.4.2.4 C u trúc khung d li u theo chu n IEEE 802.15.4

Các giao th c truy n thông xác nh m t nh d ng gói tin chung sao cho t t

c các nút bi t cách xây d ng và phân tích các gói tin t nh ng nút khác nh

d ng gói tin bao g m ba ph n ó là: Ph n tiêu , ph n d li u và ph n k t thúckhung Ph n tiêu bao g m d li u u khi n nh các a ch , các s th t và các

c Ph n d li u là d li u c a l p phía trên Do ó, c u trúc c a ph n d li u thông

th ng không xác nh nh ng c chuy n n các giao th c l p trên xác nh

rõ Ph n k t thúc khung th ng ch a m t ki m tra t ng ho c các ch ký m t mã

Ph n k t thúc khung này có th c tính toán trong khi gói tin c truy n i Ph n

k t thúc này s c g i i sau khi ph n còn l i c a gói tin ã c g i

Hình 1.10: L p v t lý IEEE 802.15.4 và các nh d ng tiêu l p MAC.Chu n IEEE 802.15.4 nh ngh a m t nh d ng gói tin chung cho t t c cácgói tin c truy n i nh d ng gói bao g m m t ph n l p v t lý và m t ph n l pMAC L p v t lý b sung ph n tiêu ng b hóa và l p MAC b sung m t ph ntiêu và ph n k t thúc khung nh d ng ph n tiêu c minh h a trong hình1.10

Ph n tiêu c thêm vào b i l p v t lý bao g m m t m u khung(Preamble), m t b t u gi i h n khung SFD (Start of Frame Delimiter) và m t

tr ng dài M u khung c s d ng ng b hóa nút g i và nút nh n nút nh n có th nh n c chính xác gói tin phía sau B t u gi i h n khung SFD

Trang 24

báo cho nút nh n bi t c s k t thúc ph n m u và b t u khung Tr ng dài 1 byte báo cho nút nh n bi t có bao nhiêu byte phía sau Chi u dài t i a c agói tin là 127 byte.

Ph n tiêu l p MAC gán tr c ti p ngay sau ph n tiêu l p v t lý Ph ntiêu l p MAC có hai byte i u khi n, c g i là i u khi n khung Ph n ch acác c báo cho nút nh n bi t cách phân tích c ph n còn l i c a tiêu c ng

nh các c xác nh xem các khung có c n ph i xác nh n hay không Sau các byte

i u khi n khung là m t byte s th t S th t c s d ng k t h p v i cácgói tin xác nh n Gói tin xác nh n mang cùng s th t v i gói tin d li u

Sau các byte s th t và i u khi n khung là các tr ng a ch Chúng ch a

a ch c a nút g i gói tin và nút nh n gói tin c ng nh các nh n d ng m ng PANphía g i và phía nh n T t c các tr ng a ch này là tùy ch n S có m t c achúng c ch ra b i các c trong tr ng u khi n khung Các tr ng a ch

c s d ng b i phía thu xác nh xem m t gói tin nh n c có ph i dành cho

nó hay không Theo sau các tr ng a ch là tr ng b o m t tùy ch n ch a d li ucho quá trình x lý b o m t, ch ng h n nh tr ng ki m tra tính toàn v n b n tin

b ng m t mã MIC (Message Integrity Check)

D li u theo sau ph n mào u l p MAC và nó có th dài t 86 n 116 byte dài c a ph n d li u ph thu c vào các tr ng tùy ch n trong l p MAC c s

d ng C u trúc ph n d li u trong khung 802.15.4 không c xác nh b i chu nIEEE 802.15.4 nh ng c xác nh b i các giao th c ho c các ng d ng ch y trênchu n 802.15.4

phía cu i c a gói 802.15.4 là chu i ki m tra khung (FCS - Frame CheckSequence), nó ch a CRC mà l p MAC s d ng ki m tra n u nh các gói tin n

c n c lo i b khi có các bit l i

Trang 25

Ch ng 2 PH N C NG CHO M NG C M BI N KHÔNG DÂY

§ Thi t b truy n thông: Thi t b này cho phép các nút c m bi n có kh n ng

truy n thông v i nhau Thi t b truy n thông là m t b thu phát vô tuy n c

§ Ngu n i n: Cung c p n ng l ng cho nút c m bi n ho t ng.

Hình 2.2: Bo m ch MicaZ c a hãng Crossbow Technology

Hình 2.2 minh h a các thành ph n c b n c a m t n n t ng ph n c ng nhình, ó là bo m ch m u th nghi m MicaZ c a hãng Crossbow Technology Nó bao

Trang 26

k t n i v i các c m bi n Ngu n n ng l ng là m t b pin g m hai t bào pin AA.

B thu phát vô tuy n c g n phía bên trong c a bo m ch H th ng s d ng m tng-ten bên ngoài g n li n v i bo m ch Bo m ch không ch a b t k m t c m bi nnào Các c m bi n có th c g n v i bo m ch thông qua các k t n i m r ng Vì

v y chúng ta có th s d ng bo m ch nh m t h th ng t o m u cho nhi u ng d ngkhác nhau

Ví d trên là m t bo m ch m u c s d ng khi th nghi m v i m ng c m

bi n không dây V i nh ng s n ph m ng d ng cu i cùng thì các ph n c ng c a nút

c m bi n th ng c tích h p trên cùng m t s n ph m, làm cho ph n c ng nh g n

n Chúng ta s t p trung n các thành ph n ph n c ng c b n c a m t nút c m

bi n ó là: Thi t b truy n thông, b vi u khi n, các c m bi n và ngu n n

2.1.1 Thi t b truy n thông

Thi t b truy n thông cho phép các nút c m bi n có th truy n thông v i nhau.Thi t b truy n thông th ng là m t b thu phát vô tuy n M t b thu phát vô tuy n

có c hai ch c n ng ó là v a phát và v a nh n b n tin vô tuy n

Các lo i b thu phát vô tuy n khác nhau thì có kh n ng x lý khác nhau M t

s b thu phát vô tuy n n gi n ch làm nhi m v g i và nh n các bit thông tin,trong khi nhi u b thu phát vô tuy n có th óng gói thông tin thành các gói tin, nh

d ng ph n tiêu và th m chí c mã hóa và gi i mã d li u b ng cách s d ng

ph ng pháp mã hóa b o m t

Trong s các thành ph n ph n c ng c a m t nút c m bi n không dây thì bthu phát vô tuy n th ng là thành ph n tiêu t n n ng l ng nh t So sánh v i m ctiêu th n ng l ng c a b vi u khi n ho c các c m bi n thì b thu phát vô tuy n

th ng s d ng n ng l ng g p m i l n Nguyên nhân là do yêu c u x lý u ch

và gi i u ch tín hi u vô tuy n i v i b thu phát vô tuy n công su t th p thì ch

m t ph n nh công su t tiêu th c s d ng g i tín hi u vô tuy n

B i vì b thu phát vô tuy n là thành ph n tiêu t n n ng l ng nh t và vi c

l ng nghe c ng t n kém nh g i d li u, nên b thu phát vô tuy n ph i c t t

ti t ki m n ng l ng Tuy nhiên, khi b thu phát vô tuy n ã t t thì nó không th

nh n c b t k d li u nào hình thành m ng a ch ng thì các b thu phát vôtuy n c a t t c các nút trong m ng ph i có cách ng b nào ó chúng có th

nh n c d li u trong khi v n b o t n c n ng l ng

Hình 2.3 là m t ví d v b thu phát vô tuy n Radiocrafts cho nút c m bi nkhông dây Chip Radiocrafts ch a c m t b thu phát vô tuy n và m t vi u khi n.Các b thu phát vô tuy n c s n xu t b i Texas Instruments v i tên g i là

Trang 27

CC2430, t ng thích v i các chu n vô tuy n IEEE 802.15.4 Nó có kh n ng truy n

và nh n các gói tin riêng l T c bit c a các b thu phát vô tuy n là 250 Kbits/s

Hình 2.3: B thu phát vô tuy n CC2430 v i vi u khi n 8051

và ng-ten tích h p trên bo m ch c s n xu t b i Radiocrafts

Kích th c c a bo m ch là 1,2 x 1,0 cm2

2.1.2 B vi u khi n

B vi u khi n ch y các ch ng trình ph n m m c a nút c m bi n và c

k t n i v i b thu phát vô tuy n và các c m bi n Vi u khi n là m t b vi x lý có

b nh trong, b nh th i và ph n c ng k t n i v i các thi t b bên ngoài nh các

c m bi n và b thu phát vô tuy n Hình 2.4 minh h a b vi u khi n AtmelATTINY 2313

Do h n ch v giá thành và n ng l ng nên các vi i u khi n c s d ngtrong các nút c m bi n n gi n h n nhi u so các b vi x lý c s d ng trong cácmáy tính cá nhân Thông th ng, m t b vi u khi n s d ng trong nút c m bi n

có vài KB b nh c a chip và ho t ng t c xung nh p m t vài MHz Trong khi

ó, máy tính hi n i có n hàng Gbytes b nh và ch y xung nh p m t vài Ghz

B ng 2.1 cho th y b n vi u khi n th ng c s d ng trong các nút c m bi nkhông dây là: MSP430 c a Texas Instruments, ATmega128 t Atmel AVR, 8051

c a Intel và PIC18 t Microchip

Hình 2.4: B vi u khi n Atmel ATTINY 2313 v i 20 chân Các b vi u khi n

ATTINY 2313 có 2 KB b nh ROM và 128 byte b nh RAM

Trang 28

Vi i u khi n có hai lo i b nh : B nh ch c (ROM) và b nh truy nh p

ng u nhiên (RAM) ROM c s d ng l u tr mã ch ng trình ph n m m cònRAM c s d ng cho các d li u t m th i c a ch ng trình ph n m m D li u

t m th i bao g m vi c l u tr các bi n ch ng trình và b nh m x lý l u

ng vô tuy n N i dung trong ROM c a nút c m bi n c ghi vào khi nó c

s n xu t và th ng không b thay i sau khi nút ã c tri n khai Tuy nhiên, vi

i u khi n hi n i cung c p m t c ch ghi l i ROM và nó r t thu n l i c p

nh t l i ph n m m cho các nút c m bi n sau khi các nút ã c tri n khai

Ngoài b nh thì b vi u khi n còn có b nh th i và c ch t ng tác v icác thi t b bên ngoài nh thi t b truy n thông vô tuy n và các c m bi n Các b

nh th i có th c s d ng b i ph n m m ch y trên vi i u khi n Các thi t b bênngoài c k t n i v t lý v i các chân c a vi u khi n Các ph n m m giao ti p v icác thi t b b ng cách s d ng các c ch c cung c p b i vi u khi n, thông

th ng d ng m t c ng n i ti p ho c các bus n i ti p H u h t các b vi u khi n

u có b thu phát ng b /không ng b (USART) giao ti p v i các c ng n i

ti p M t s USART có th c c u hình làm vi c nh m t giao di n bus ngo i vi

n i ti p (SPI) giao ti p v i c m bi n

2.1.3 C m bi n

Các nút c m bi n không dây t ng tác v i môi tr ng v t lý nh các c m

bi n Các c m bi n c g n trên nút c m bi n không dây có th t r t n gi n n

r t ph c t p Nhi u b c m bi n n gi n v c hình th c và ch c n ng Ví d nhcác c m bi n nhi t là m t bi n tr mà tr kháng c a nó thay i theo nhi t môi

Trang 29

h p s d ng các t bào n ng l ng m t tr i, áp n và các hình th c tích tr n ng

ng khác

Ngày nay, pin là ngu n n ng l ng ph bi n nh t cho các nút c m bi n khôngdây Chúng có nhi u hình d ng và ki u dáng i v i các nút c m bi n không dây thìkích th c là m t v n , nó gi i h n c v l ng n ng l ng có th c tích trtrong pin c ng nh vi c l a ch n các lo i pin Các pin Lithium hi n nay là ph bi n

nh t V i công su t ph n c ng th p và ph n m m qu n lý n ng l ng thích h p, m tnút c m bi n không dây có th có tu i i hàng n m trên tiêu chu n t bào pinLithium

Pin có th s c l i r t ph bi n trong nhi u lo i thi t b n t nh i n tho i

di ng và máy tính xách tay nh ng l i không thích h p cho các nút c m bi n khôngdây Không gi ng nh các i n tho i di ng và máy tính xách tay là nh ng thi t b

c v n hành b i con ng i thì các nút c m bi n không dây h u nh c thi t k

ho t ng mà không c n s u khi n ho c giám sát c a con ng i Ngoài ra,nhi u nút c m bi n c t t i nh ng n i khó ti p c n Vì v y, trong nh ng tr ng

h p này s là không th c t khi th c hi n s c l i pin cho các nút c m bi n

Thay vì s d ng pin có th s c l i, pin cho các nút c m bi n không dây

th ng c thi t k m t l n duy nh t duy trì toàn b kho ng th i gian t n t i c anút c m bi n B ng vi c s d ng các thi t b n t tiêu th ít n ng l ng và ph n

m m ti t ki m n ng l ng, m t nút c m bi n có th có th i gian t n t i nhi u n mtrên m t pin kích th c tiêu chu n AA Khi pin ã h t thì các nút c m bi n có th

c thay th b ng pin khác

2.2 Kh o sát m t s n n t ng ph n c ng ph bi n cho m ng c m bi n không dây

Trong th i gian qua, ã có nhi u n n t ng ph n c ng c nghiên c u và pháttri n cho m ng c m bi n không dây Các m c th i gian ra i c a các n n t ng ph n

c ng này có th c th y rõ trong hình 2.5

Hình 2.5: M c th i gian ra i các n n t ng ph n c ng

Trang 30

Các n n t ng ph n c ng có th c phân lo i thành hai lo i c b n sau:

§ Các n n t ng ph n c ng m c th p: Các n n t ng ph n c ng này c c

tr ng b i s h n ch c a nó v kh n ng x lý, b nh và kh n ng truy nthông Các n n t ng ph n c ng này th ng c tri n khai v i s l ng l n

th c hi n nhi m v c m nh n c ng nh t o s k t n i gi a các nút m ng

§ Các n n t ng ph n c ng m c cao: Ngoài nhi m v c m nh n thì các n n

t ng ph n c ng này còn th c hi n nhi m v t ng h p, x lý d li u, k t n i

m ng c m bi n không dây v i các m ng khác bên ngoài Các n n t ng ph n

c ng này òi h i b vi x lý có kh n ng x lý m nh h n, dung l ng b nhnhi u h n

B ng 2.2, 2.3 t ng h p các c i m chính c a m t s n n t ng ph n c ng

ph bi n ã c thi t k trong th i gian qua

B ng 2.2: B ng so sánh m t s n n t ng ph n c ng m c th p

Ph n c ng B vi u khi n thu phát vô

tuy n n s trung tâm H u hành

Mica2 ATMega 128L, 8bit,128KB

program memory, 4KB SRAM Chipcon CC1000

315/433/868/916 MHz TinyOS, SOS, MantisMica2 Dot ATMega 128L, 8bit, 128KB

program memory, 4KB SRAM Chipcon CC1000

315/433/868/916 MHz TinyOS, SOS, MantisMicaZ ATMega 128L, 8bit , 128KB

program memory, 4KB SRAM Chipcon CC2420 2.4 GHz

TinyOS, SOS, Mantis, Nano-PK, RETOS, LiteOS IRIS ATmega 1281, 8bit, 128KB

program memory, 8KB SRAM Atmel AT86RF230 2.4 GHz TinyOS, LiteOSCricket ATmega 128L, 8bit , 128KB

program memory, 4KB SRAM Chipcon CC1000 433MHz TinyOSEyes MSP430F149, 16bit, 60KB

program memory, 2KB SRAM RFM TR1001 868 MHz TinyOS, PEEROSEyesIFX

433 – 915MHz and 2.4GHz TinyOS

64MB SDRAM, 32MB Flash

PCMCIA and compact flash connector, 51-pin expansion Connector for Mica2 Motes; Ethernet, RS232 Serial, JTAG, USB Connector via 51- pin Daughter Card Interface

Embedded Linux

Netbridge

NB-100

Intel IXP420 Xscale Processor,

266MHz

32MB RAM, 8MB Flash, 2GB USB Flash Disk

Mica2, MicaZ, IRIS, Telos Connector Ethernet, USB connector Debian LinuxImote ARM7 processor,

12MHz

64KB SRAM, 512KB Flash I2C, UART, USB, JTAG connector TinyOS

Integrated 802.15.4 radio, support for external radio through SDIO, and UART; USB client and host, 2xSPI, 3xUART, Camera, I2C, I2S, GPIO, AC97 connector

TinyOS, Linux, SOS

Trang 31

2.3 Gi i pháp thi t k ph n c ng TUmote cho m ng c m bi n không dây

D a vào k t qu nghiên c u kh o sát v c u trúc ph n c ng c a m t nút c m

bi n không dây, chúng tôi a ra gi i pháp thi t k n n t ng ph n c ng TUmote

o th nghi m hai tham s nhi t và m c a môi tr ng Hình 2.6 minh h a s các kh i ch c n ng trong thi t k Các linh ki n chính mà chúng tôi l a ch ntrong thi t k bao g m:

Hình 2.6: S kh i TUmote

2.3.1 B vi i u khi n MSP430

Trong gi i pháp thi t k này, chúng tôi l a ch n b vi u khi n 16 bitMSP430 F1611 ây là b vi u khi n r t ti t ki m n ng l ng c a hãng TexasInstruments B vi i u khi n MSP430 F1611 có 10KB b nh RAM, 48KB b nhFlash B vi u khi n MSP430 F1611 c thi t k cho nh ng ng d ng tiêu th

ng l ng th p và s d ng c nhi u ch ho t ng khác nhau

Chúng tôi l a ch n b vi u khi n MSP430 F1611 cho thi t k b i vì ây làdòng vi i u khi n r t ti t ki m n ng l ng và nhi u h u hành cho m ng c m

bi n không dây ã h tr dòng vi i u khi n này Do v y, TUmote có th t ng thích

d dàng v i các h u hành ph bi n hi n nay nh TinyOS, Contiki Vi c cài t h

i u hành trên ph n c ng TUmote s cho phép chúng tôi l p trình ph n m m ng

d ng c thu n ti n và các tài nguyên ph n c ng trên nút c m bi n c ng c qu n

lý m t cách hi u qu t ó ti t ki m c n ng l ng tiêu th

Trang 32

2.3.2 B thu phát vô tuy n CC2420

Trong b n thi t k này, chúng tôi s d ng chip CC2420 c a hãng TexasInstruments Chip CC2420 là m t chip thu phát tín hi u vô tuy n công su t th p theochu n IEEE 802.15.4 Tuy nhiên, vi c ch t o m ch in t n s 2,4 GHz là m t v n khó kh n i v i công ngh ch t o m ch in trong n c kh c ph c v n này, chúng tôi l a ch n module thu phát vô tuy n CC2424EM c a hãng TexasInstruments Trên module này ã c tích h p s n chip CC2420

2.3.3 C m bi n nhi t , m

Chúng tôi s d ng c m bi n SHT 11 C m bi n này c s n xu t b i hãngSensirion AG C m bi n này cung c p d li u u ra s C m bi n c ch t o theoquy trình CMOS và c k t h p v i b chuy n i A/D 14-bit ây là lo i c m

2.3.6 Giao ti p USB

TUmote s d ng FT232BM c a hãng FTDI truy n thông v i máy tính

th c hi n truy n thông v i TUmote thì FTDI driver c n ph i c cài t trên máytính M t ng d ng có th truy n thông v i TUmote b ng vi c m c ng COM cgán cho TUmote TUmote truy n thông v i máy tính thông qua USART1 trên vi

i u khi n MSP430 Vi c l p trình cho TUmote có th thông qua giao ti p USB ho cJTAG

2.3.7 Ngu n cung c p

S d ng hai pin AA có i n áp m t chi u n m trong d i t 2,7V n 3,6V.Ngu n nuôi c ng có th l y tr c ti p t máy tính khi nút c m bi n c k t n i v imáy tính

Trang 33

2.4 Công c ph n m m u khi n và thu th p d li u TU2C

Công c ph n m m TU2C (Thainguyen University Control and Collection)bao g m hai thành ph n chính ó là: Ph n u khi n và ph n thu th p d li u Hình2.7 minh h a ki n trúc ph n m m TU2C Công c ph n m m TU2C cho phép ng idùng th c hi n m t s ch c n ng sau:

Hình 2.7: Ki n trúc ph n m m TU2C

§ C u hình m ng: Thông qua giao di n ph n m m TU2C, ng i dùng có th

c u hình các tham s m ng nh s l n truy n l i gói tin, t n su t g i gói tin

§ L p trình cho nút c m bi n: Công c ph n m m TU2C cho phép phát hi n

t ng các nút ang c k t n i v i máy tính c ng nh cho phép ng idùng k t n i ho c ng t k t n i gi a các nút c m bi n v i máy tính Ch ngtrình ng d ng trên nút c m bi n có th c biên d ch và n p cho các nút

c m bi n thông qua giao di n ph n m m TU2C

§ i u khi n các nút c m bi n: Ng i dùng có th g i các l nh u khi n ncác nút m ng trong tr ng c m bi n nh thi t l p nút Sink, g i l nh b t uthu th p d li u, d ng thu th p d li u

§ L a ch n các s li u th ng kê và v bi u : D li u nhi t , m môi

tr ng và các thông s m ng nh công su t tiêu th trung bình c a các nút

m ng, s l n truy n k v ng ETX, s gói tin nh n c, s gói tin b m t s

c g i v máy tính và c l u tr trong c s d li u Ng i dùng có th

l a ch n quan sát các th , các s li u th ng kê v m ng

TU2C

Trang 34

Hình 2.8: S nguyên lý TUmote.

Trang 35

Hình 2.9: S m ch in TUmote.

Hình 2.10: Hình nh ph n c ng TUmote

Hình 2.11: Giao di n ch ng trình ph n m m TU2C

Trang 36

Ch ng 3 H U HÀNH CHO M NG C M BI N KHÔNG DÂY

3.1 Gi i thi u v ph n m m c a nút c m bi n không dây

Hình 3.1: Quá trình phát tri n ph n m m cho m t nút c m bi n không dây

Mã ngu n c biên d ch thành mã máy và c ghi vào ROM

trong b vi u khi n c a nút c m bi n

M c dù hoàn toàn có th ch y các ch ng trình ph n m m cho vi u khi n

mà không c n s d ng m t h u hành nào nh ng h u h t các nút c m bi n s

d ng h u hành B i vì nh ng h n ch v tài nguyên nên h u hành cho các nút

c m bi n r t khác v i h u hành cho máy tính Các h u hành cho nút c m bi n

nh h n nhi u và s d ng ít tài nguyên h n

B i vì nh ng h n ch v n ng l ng và v chi phí nên các nút c m bi n

th ng có b nh ít h n nhi u so v i các máy tính Kích th c b nh ch m t vài

KB, so v i hàng GB b nh trong các máy tính ngày nay

Gi ng nh các máy tính thì các nút c m bi n không dây c ng s d ng các h

i u hành Ch c n ng c b n c a h u hành bao g m vi c tr u t ng hóa tài

Trang 37

nguyên cho các thi t b ph n c ng khác nhau, qu n lý ng t và l p l ch các nhi m v ,

i u khi n ng th i và h tr m ng D a trên các d ch v c cung c p b i h uhành, ng i l p trình ng d ng có th thu n ti n s d ng các giao di n l p trình ng

d ng m c cao (APIs) c l p v i ph n c ng l p d i

Các h u hành cho m ng c m bi n r t khác v i các h u hành thông

d ng c s d ng trên máy tính và i n tho i di ng Các h n ch v tài nguyên

b nh và s c m nh x lý làm cho h u hành quy mô l n nh MicrosoftWindows, Mac OS X, ho c Linux u không th s d ng cho các nút c m bi n.Ngay c phiên b n thu nh , ch ng h n nh Microsoft Windows Mobile ho c Linux

d a trên Android c a Google c ng là quá l n

H u hành cho các nút c m bi n c thi t k riêng v i các yêu c u c

tr ng c a nút c m bi n và nh ng h n ch c tr ng riêng b áp t b i ph n c ng B

nh h n ch làm cho mô hình l p trình i v i nút c m bi n có nhi u m khác

Nh ng h n ch v t c x lý yêu c u s d ng ngôn ng l p trình c p th p, ch ng

h n nh ngôn ng l p trình C

H u hành cho nút c m bi n không có m t giao di n ng i dùng gi ng nh

h u hành cho máy tính vì ng i dùng không tr c ti p t ng tác v i h u hànhtrên nút c m bi n Thay vào ó, h u hành n sâu bên trong b vi u khi n.Thông th ng, ch là ng i l p trình v i nút c m bi n m i ti p xúc v i h u hành

3.3 Nh ng thách th c nh h ng n vi c thi t k h u hành cho m ng

m bi n không dây

Hi n nay có nhi u thách th c t ra c n ph i c gi i quy t, nh ng nh

ng chính là các ràng bu c v tài nguyên c a ph n c ng nút c m bi n và các yêu

c u c a ng d ng m ng c m bi n không dây Nh ng thách th c ch y u nh h ng

n vi c thi t k h u hành là:

§ Dung l ng nh : V i b nh b gi i h n ch vài KB trên nút c m bi n, òi

h i h u hành c thi t k v i dung l ng r t nh ây là c m c

b n c a h u hành m ng c m bi n và ó c ng là lý do chính mà t i saonhi u h u hành nhúng không th d dàng cài t trên nút c m bi n

§ Hi u qu n ng l ng: Các nút c m bi n có th i gian s d ng c a pin r t h n

ch M t khác, các m ng c m bi n b o m m c tiêu là v n hành t 3 n 5

m i u này có ngh a là, h u hành m ng c m bi n c tri n khai m t

l n và có k ho ch v n hành trong m t th i gian dài

§ H tr th i gian th c: H u h t các ng d ng c m bi n nh ph c v giám sát

th ng nh y c m v i th i gian Trong các ng d ng ó, các gói tin c n c

Trang 38

chuy n ti p và g i i m t cách k p th i, v n m b o th i gian th c là c nthi t áp ng cho các ng d ng ó.

§ Kh n ng c u hình l i: Là i u c n thi t các nút c m bi n có th c l ptrình l i sau khi m ng c m bi n không dây ã c tri n khai Kh n ng c uhình l i h th ng là m t c m c n thi t c a h u hành giúp cho m ng

c m bi n có th c l p trình l i d dàng và hi u qu

§ S ti n l i cho l p trình: Các ng d ng m ng c m bi n là khác nhau và tùy

theo yêu c u Do v y, s ti n l i cho l p trình là m t u quan tr ng rút

ng n th i gian tri n khai các ng d ng m ng c m bi n không dây

3.4 Kh o sát m t s h u hành cho m ng c m bi n không dây

Trong nhi u n m qua, chúng ta ã th y xu t hi n nhi u h u hành khácnhau trong c ng ng m ng c m bi n nh m d dàng cho vi c phát tri n các ng

d ng m ng c m bi n không dây Sau ây là m t s h u hành n i b t

3.4.1 H i u hành TinyOS

Hình 3.2: Ki n trúc h i u hành TinyOS

H u hành TinyOS, c phát tri n UC Berkeley, có l là h u hành

m ng c m bi n s m nh t Hình 3.2 là ki n trúc h u hành TinyOS TinyOS chophép m t ki n trúc m m d o và tiêu th tài nguyên th p Vi c l p trình trên TinyOS

d a trên các thành ph n c k t n i v i nhau t o m t ng d ng t i th i mthi t k Nh ng t ng tác thành ph n x y ra theo hai chi u, t c là m t thành ph n s

d ng l nh c cung c p b i m t thành ph n khác Ngoài ra, m t thành ph n có thbáo hi u các s ki n t i m t thành ph n khác Mô hình th c thi c a TinyOS bao g mcác ng t và các nhi m v Các ng t c th c thi m c u tiên cao h n và có th

c u tiên th c thi tr c các nhi m v Các nhi m v c th c thi m c u tiên

th p h n và c l p l ch theo ki u vào tr c ra tr c FIFO (First In First Out) Cácnhi m v trong TinyOS c vi t theo ki u run-to-completion (ch y t i khi hoànthành), và chúng không th giành c u tiên tr c cung c p s h tr t t h ncho ki n trúc thành ph n và mô hình th c thi c a TinyOS, ngôn ng nesC c thi t

k cho vi c l p trình d a trên TinyOS

Trang 39

Phiên b n 2 c a TinyOS (T2) c i ti n so v i phiên b n 1 m t s m t T2

c ng c p s tr a t ng l ng nhau, nó là s lai ghép s phân chia theo ph ng ngang

và s phân chia theo ph ng ng, làm cho nó d dàng h tr các n n t ng ph n

c ng m i Bên c nh nh ng c i ti n v ki n trúc, có m t s c i ti n quan tr ng trong

s th c thi, bao g m h tr c lu ng (ví d TinyThreads và TOSThreads trongTinyOS phiên b n 2.1), h tr b o v b nh

t p con c a C++ Phiên b n 1.0 c a LiteOS có thêm s h tr cho các n n t ng ph n

c ng IRIS hi n nay c a Crosbow H n n a, nó h tr c ch Virtual Battery và g

r i h th ng t xa

Trang 40