Tìm hiểu và viết phần mềm nhúng cho nút mạng không dây dạng ad hoc chủ đề tiết kiệm năng lượng

Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương LỜI NĨI ĐẦU Mạng cảm nhận khơng dây (Wireless Sensor Networks – WSN) đời dựa sở ứng dụng thành tựu cao công nghệ chế tạo linh kiện điện tử công nghệ thông tin Mạng cảm nhận không dây nhằm đo thông số môi trường đưa thơng báo có ích cho người nghiên cứu có xu hướng phát triển rộng khắp Ở WSN, đặc điểm đáng quan tâm có tác dụng làm cho gọn nhẹ nút mạng thực chức năng: chức mạng chức cảm nhận Để đảm bảo cho hoạt động nút, người ta chế tạo nguồn lượng thiết kế với kích thước nhỏ kèm Hoạt động nút thực qua bước bản: cảm nhận, đo đạc, truyền liệu Không giống thiết bị không dây truyền thống, nút WSN không cần truyền trực tiếp tới trạm gốc, mà cần truyền tới trạm gần nó, truyền trạm gốc theo dạng truyền thơng multihop Chi phí triển khai cho WSN giảm thiểu Thay hệ thống dây dẫn thơng qua ống dẫn bảo vệ, người ta việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết Mạng mở rộng cách đơn giản thêm thiết bị, không cần thao tác phức tạp Hệ thống có khả hoạt động vài năm với nguồn pin Một khó khăn lớn mạng lượng tiêu thụ Khi kích thước vật lý giảm, làm giảm lượng tiêu thụ Các ràng buộc lượng tạo nên giới hạn tính tốn lưu trữ dẫn đến phải có kiến trúc Cần phải có chế thích nghi theo thay đổi mơ hình mạng mạng cần có chuyển đổi chế độ làm việc nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm lượng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống hệ thống mạng Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương Luận văn tìm hiểu thơng tin mạng cảm nhận không dây đặc biệt mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 đặt vấn đề sử dụng tiết kiệm nguồn lượng cho nút mạng mạng cảm nhận không dây Đề tài cụ thể nghiên cứu là: “Tìm hiểu viết phần mềm nhúng cho nút mạng không dây dạng Ad_hoc” (Chủ để: Tiết kiệm tiêu thụ lượng) Luận văn gồm: phần mở đầu, chương, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Phần mở đầu: Đưa mục đích nghiên cứu nội dung trình bày khn khổ luận văn Chương 1:“Tổng quan mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010” giới thiệu tổng quan WSN, đưa tiêu chí đánh giá cho WSN yêu cầu nút mạng cảm nhận Qua lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp làm nút mạng WSN – CC1010 Chương 2: “Vấn đề tiết kiệm tiêu thụ lượng” đưa yếu tố ảnh hưởng tới tiêu thụ lượng Xác định yếu tố mà đề tài sử dụng để thực mục đích tiết kiệm lượng Chương 3: “Phần mềm nhúng” với mục đích giới thiệu bước để xây dựng phần mềm nhúng, đưa tư tưởng thuật tốn cho chế truyền nhận có chức tiết kiệm lượng nút mạng Chương 4: “Một số thử nghiệm đánh giá” trình bày trình thử nghiệm kết đạt chương trình nhúng đưa vào thử nghiệm Dựa vào kết đo thử nghiệm để đưa nhận xét, đánh giá hiệu mà chương trình đạt Ngành Cơng Nghệ Thơng Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương Phần kết luận: Tổng kết công việc thực kết đạt đồng thời đề cập đến hướng nghiên cứu tương lai Phần tài liệu tham khảo: Bao gồm tài liệu sử dụng suốt q trình hồn thành luận văn Phần phụ lục: Đưa chương trình nhúng tiết kiệm tiêu thụ lượng Trong trình tìm hiểu viết, tác giả cố gắng làm cho luận văn hồn chỉnh song chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến thầy bạn để luận văn hoàn thiện Tác giả Đàm Thu Phương Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY SỬ DỤNG CC1010 1.1 Giới thiệu mạng cảm nhận không dây Với phát triển công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, đặc biệt công nghệ bán dẫn, vi điều khiển ngày có mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, kích thước nhỏ, tiêu thụ lượng ít, giá thành ngày hạ Khi cài đặt phần mềm nhúng, vi điều khiển có khả hoạt động độc lập mơi trường có vị trí địa lý khác Nếu kết hợp vi điều khiển với phát sóng vơ tuyến cảm biến chúng trở thành nút mạng mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN) WSN tạo cách tập hợp nhiều nút cấu tạo Tại nút mạng, chúng hoạt động độc lập để tiến hành đo thông số khác môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, áp suất, nồng độ bụi, WSN dường trở thành giải pháp hấp dẫn mang đến tiện lợi nhiều phương diện, đặc biệt, nhiều trường hợp chí cịn hạn chế nguy hiểm cho người môi trường làm việc khắc nghiệt ( nút mạng thay cho làm việc trực tiếp người mơi trường có độc tính hay nhiệt độ cao, áp suất cao, ) Mạng cảm nhận không dây đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin môi trường tập hợp điểm xác định khoảng thời gian định nhằm phát xu hướng quy luật vận động mơi trường Bài tốn đặc trưng số lớn nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi trường gửi một tập trạm gốc có kết nối với trung tâm xử lý (thường hệ thống máy tính ) Ngành Cơng Nghệ Thơng Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương để phân tích, xử lý, đưa phương án phù hợp cảnh báo hay đơn lưu trữ số liệu 1.2 Các tiêu hệ thống mạng cảm nhận không dây Các tiêu chủ yếu mạng cảm nhận không dây là: thời gian sống, độ bao phủ, chi phí dễ triển khai, thời gian đáp ứng, độ xác thời gian, bảo mật, tốc độ lấy mẫu hiệu Thông thường, tăng hiệu tiêu lại làm giảm hiệu tiêu khác Ví dụ: tăng tốc độ lấy mẫu lại làm giảm thời gian sống Mục đích phần hiểu rõ cân tiêu với khả hệ thống 1.2.1 Thời gian sống Có giới hạn mạng cảm nhận khơng dây thời gian sống Trong ứng dụng, nút mạng thường đặt ngồi mơi trường, khơng có người giám sát theo hàng tháng hay hàng năm Yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống mạng cảm nhận lượng cung cấp Mỗi nút cần thiết kế chế quản lý lượng nội để tối đa thời gian sống mạng Đặc biệt, trường hợp mạng an ninh, nút phải sống nhiều năm Một nút bị lỗi làm tổn thương hệ thống an ninh Trong vài tình dùng nguồn lượng ngồi Tuy nhiên, ưu điểm mạng khơng dây tính linh hoạt dễ triển khai Yêu cầu nguồn lượng cho tất nút mạng lại mâu thuẫn với ưu điểm Một giải pháp đưa cho nhóm nút đặc biệt cấp nguồn Trong hầu hết ứng dụng, đặc điểm nút tự cấp nguồn Chúng có đủ lượng cho nhiều năm lấy lượng từ mơi trường thơng qua thiết bị khác lượng mặt trời, nguồn áp điện Cả hai lựa chọn yêu cầu lượng tiêu thụ trung bình nút tốt Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương Yếu tố quan trọng định thời gian sống lượng tiêu thụ radio Một nút cảm nhận không dây truyền nhận tín hiệu radio tiêu thụ lượng lớn Năng lượng tiêu thụ giảm cách giảm lượng truyền, tức giảm chu trình làm việc radio 1.2.2 Độ bao phủ Bên cạnh thời gian sống, độ bao phủ là tham số đánh giá cho mạng khơng dây Nó có thuận lợi khả triển khai mạng vùng rộng lớn Điều làm tăng giá trị hệ thống người dùng cuối Điều quan trọng độ bao phủ mạng không tương đương với khoảng cách kết nối không dây sử dụng Kỹ thuật truyền multi-hop mở rộng độ bao phủ mạng Về mặt lý thuyết chúng có khả mở rộng vô hạn Tuy nhiên, khoảng cách truyền xác định, giao thức mạng multi-hop làm tăng lượng tiêu thụ nút, làm giảm thời gian sống mạng Hơn nữa, chúng đòi hỏi mật độ tối thiểu, làm tăng chi phí triển khai Ràng buộc khoảng cách dẫn đến việc mở rộng số lượng lớn nút Giá trị chủ yếu mạng cảm nhận khả mở rộng Một người dùng triển khai mạng nhỏ ban đầu sau tiếp tục thêm nút Tăng số lượng nút hệ thống ảnh hưởng tới thời gian sống Càng nhiều điểm cảm nhận có nhiều liệu truyền làm tăng lượng tiêu thụ mạng 1.2.3 Chi phí dễ triển khai Ưu điểm mấu chốt mạng cảm nhận không dây dễ triển khai Người sử dụng không cần phải hiểu mạng chế truyền thông làm việc với WSN Để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình Các nút đặt vào mơi trường hoạt động Ngành Cơng Nghệ Thơng Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương Thêm vào đó, hệ thống cần thích nghi thay đổi điều kiện môi trường Trong suốt thời gian sống, thay đổi vị trí hay đối tượng lớn gây nhiễu tới truyền thơng hai nút Mạng cần có khả tự cấu hình lại để khắc phục điều Trong thực tế, phần lượng dành cho kiểm tra bảo trì hệ thống Việc tạo thơng tin chẩn đốn tái cấu hình làm giảm thời gian sống mạng, đồng thời làm giảm tốc độ lấy mẫu 1.2.4 Thời gian đáp ứng Trong ứng dụng cảnh báo, thời gian đáp ứng hệ thống thông số quan trọng để đánh giá hệ thống Một cảnh báo cần tạo nhận thấy có vi phạm Dù hoạt động lượng thấp, nút cần có khả truyền tức thời thơng điệp qua mạng nhanh tốt Trong kiện khơng thường xun, chúng xảy thời điểm mà không báo trước Thời gian đáp ứng quan trọng điều khiển máy móc nhà máy Những hệ thống thành thực đảm bảo thời gian đáp ứng Khả có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với kỹ thuật làm tăng thời gian sống mạng Thời gian sống mạng tăng cách để nút hoạt động radio thời gian ngắn Thời gian đáp ứng cải thiện cách cấp nguồn cho số nút tồn thời gian Những nút nghe thông điệp cảnh báo chuyển tiếp chúng theo đường cần Tuy nhiên điều làm giảm tính dễ triển khai hệ thống 1.2.5 Độ xác thời gian Trong ứng dụng theo dõi đối tượng giám sát môi trường mẫu từ nhiều nút có liên quan theo thời gian để xác định tượng khác Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương thường theo dõi Tính xác chế tương quan phụ thuộc vào tốc độ lan truyền tượng đo Trong trường hợp xác định nhiệt độ trung bình tồ nhà, mẫu liên quan với vòng cỡ hàng giây Tuy nhiên, để xác định cách phản ứng nhà trận động đất địi hỏi độ xác cỡ mili giây Để đạt độ xác theo thời gian, mạng cần xây dựng trì thời gian sở tồn cục sử dụng để xếp mẫu kiện theo thời gian Trong hệ phân tán, lượng cần mở rộng để trì phân phát đồng hồ Thơng tin đồng thời gian cần liên tục truyền nút Tần số thông điệp đồng phụ thuộc vào yêu cầu độ xác đồng hồ thời gian 1.2.6 Bảo mật Các thông tin nhiệt độ ứng dụng giám sát môi trường dường vô hại việc giữ bí mật thơng tin quan trọng Các hoạt động tồ nhà thu thập dễ dàng cách lấy thông tin nhiệt độ ánh sáng nhà Những thơng tin sử dụng để xếp kế hoạch công vào cơng ty Do đó, WSN cần có khả giữ bí mật thơng tin thu thập Trong ứng dụng an ninh, liệu bảo mật trở nên quan trọng Khơng trì tính bí mật, cịn phải có khả xác thực liệu truyền Sự kết hợp tính bí mật xác thực yêu cầu cần thiết ba dạng ứng dụng Việc sử dụng mã hoá giải mã làm tăng chi phí lượng băng thơng Dữ liệu mã hoá giải mã cần truyền với gói tin Điều ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng giảm số lượng liệu lấy từ mạng thời gian sống mong đợi 1.2.7 Tốc độ lấy mẫu hiệu Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương Trong mạng thu thập liệu Tốc độ thu thập thông tin hiệu tham số đánh giá hiệu suất hệ thống Tốc độ thu thập thông tin hiệu số mẫu lấy từ nút riêng lẻ truyền điểm thu thập trung tâm Thông thường, ứng dụng thu thập liệu có tốc độ lấy mẫu 1-2 mẫu phút Trong thu thập liệu, nút cần điều khiển liệu tất cháu Nếu nút truyền liệu nút có 60 nút cháu, phải truyền 60 lần Thêm vào cịn phải nhận 60 lần chu kỳ lấy mẫu Tốc độ kích thước mạng ảnh hưởng tới tốc độ lấy mẫu hiệu Một chế để tăng tốc độ lấy thông tin truyền liệu thô xử lý liệu nội mạng (innetwork processing) Các dạng nén khơng gian thời gian sử dụng để giảm yêu cầu băng thông trì tốc độ lấy mẫu hiệu Dữ liệu sau truyền qua mạng multi-hop băng thông cho phép 1.3 Các yêu cầu cho nút mạng Sau tiêu để đánh giá nút mạng WSN Mục đích qua tiêu đánh giá tạo sở để lựa chọn loại VĐK thích hợp xây dựng hệ thống mạng hiệu 1.3.1 Năng lượng Để đạt yêu cầu trì lượng hoạt động nhiều năm, nút mạng cần phải tiêu thụ lượng thấp Việc tiêu thụ lượng thấp đạt cách kết hợp thành phần phần cứng lượng thấp chu trình hoạt động ngắn Trong thời gian hoạt động, truyền thông radio tiêu thụ phần lượng đáng kể tổng mức tiêu thụ lượng nút mạng Các thuật toán giao thức cần phát triển để giảm hoạt động truyền nhận radio Điều đạt Ngành Công Nghệ Thông Tin Đồ án tốt nghiệp đại học Đàm Thu Phương cách sử dụng tính tốn cục để giảm luồng liệu nhận từ cảm biến Ví dụ, kiện từ nhiều nút cảm biến kết hợp thành nhóm nút trước truyền kết đơn lẻ qua mạng cảm nhận 1.3.2 Tính mềm dẻo Các nút mạng phải có khả thích nghi cao để thích hợp với ngữ cảnh khác Mỗi ứng dụng yêu cầu thời gian sống, tốc độ lấy mẫu, thời gian đáp ứng xử lý nội mạng khác Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo để cung cấp dải rộng ứng dụng Thêm vào đó, lý chi phí thiết bị có phần cứng phần mềm cho ứng dụng cụ thể Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp phần cứng phần mềm Vì vậy, thiết bị địi hỏi mức độ cao tính modul phần cứng phần mềm giữ tính hiệu 1.3.3 Sức mạnh Để hỗ trợ cho yêu cầu thời gian sống, nút cần phải mạnh tốt Trong thực tế, hàng trăm nút mạng hoạt động nhiều năm Để đạt điều này, hệ thống cần xây dựng để hoạt động nút bị lỗi Modul hố hệ thống cơng cụ mạnh để phát triển hệ thống Bằng cách chia chức hệ thống thành thành phần độc lập, chức kiểm tra đầy đủ trước kết hợp chúng thành ứng dụng hoàn chỉnh Để làm điều này, thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn tương tác không mong đợi Để tăng sức mạnh hệ thống nút bị lỗi, WSN cần có khả đối phó với nhiễu ngồi Các mạng thường tồn với hệ thống không dây khác, chúng cần có khả để thích nghi theo hành động khác Nó phải có khả hoạt động mơi trường có thiết bị khơng dây khác Ngành Công Nghệ Thông Tin 10