Thiết kế chế tạo, vận hành và đo thử nghiệm mạng cảm nhận không dây (wireless sensor network) trên cơ sở sử dụng chip vi điều khiển có mật độ tích hợp cao làm nút mạng

- - MỞ ĐẦU Một lĩnh vực bật mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) kết hợp việc cảm nhận, tính tốn truyền thông vào thiết bị nhỏ Thông qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), thiết bị tạo kết nối rộng lớn giới vật lý Trong khả thiết bị nhỏ, kết hợp hàng trăm thiết bị u cầu phải có cơng nghệ Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lượng lớn thiết bị nhỏ tự thiết lập cẩu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Hầu hết ứng dụng WSN giám sát môi trường từ xa với tần số lấy liệu thấp Ví dụ, dễ dàng giám sát rị rỉ nhà máy hoá học hàng trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để phát báo cáo rị rỉ Khơng giống hệ thống có dây truyền thống, chi phí triển khai cho WSN giảm thiểu Thay hàng ngàn mét dây dẫn thơng qua ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt việc đơn giản 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 Để giảm thiểu chi phí lắp đặt, WSN cần phải có khả thay đổi linh hoạt theo mơi trường Cơ chế thích nghi theo thay đổi mơ hình mạng hay mạng có thay đổi chế độ làm việc Ví dụ hệ thống mạng giám sát rò rỉ nhà máy hố chất cấu hình lại thành mạng thiết kế từ trước để khoanh vùng nguồn rị rỉ tìm chỗ Mạng hướng dẫn cơng nhân đường an tồn có cố khẩn cấp Nhìn chung, người nghĩ đến mạng khơng dây họ nghĩ đến thiết bị di động, PDA hay laptop Những thiết bị có giá thành cao theo mục đích cho trước dựa sở hạ tầng có trước Ngược lại, WSN sử dụng - - thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho ứng dụng đa dạng không dựa sở hạ tầng có từ trước Khơng giống thiết bị khơng dây truyền thống, nút mạng WSN không cần truyền trực tiếp tới trạm gốc, mà cần truyền tới trạm gần nó, truyền trạm gốc theo dạng truyền thơng multihop Một ví dụ mạng đưa hình Nó minh hoạ ứng dụng nông nghiệp Hàng trăm nút nằm rải rác cánh đồng liên kết với nhau, thiết lập mơ hình định tuyến, truyền liệu cho trung tâm Ứng dụng đòi hỏi phải thiết thực, uyển chuyển, chi phí thấp dễ triển khai thành mạng WSN Nếu nút lỗi, mô hình mạng lựa chọn tồn mạng tiếp tục truyền liệu Nếu có thêm nút mạng, chúng tạo nên nhiều hội định tuyến Hình Một ví dụ ứng dụng WSN nông nghiệp Một thách thức WSN đưa ràng buộc khắt khe vào thiết bị đơn lẻ Các hệ xử lý nhúng với nhớ cỡ kilobytes phải thực giao thức mạng phức tạp theo dạng adhoc Rất nhiều ràng buộc thiết bị triển khai với số lượng lớn cần có kích thước nhỏ giá thành thấp Kích thước giảm điều chủ yếu dẫn đến giảm giá thành, khả cho phép thiết bị sử dụng dải rộng ứng dụng - - Một khó khăn lớn 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 Nhiều thiết bị, điện thoại di động hay máy nhắn tin, giảm lượng tiêu thụ thông qua phần cứng truyền thông thiết kế đặc biệt Một trạm WSN cần hỗ trợ cho hệ giao thức ứng dụng cụ thể để làm giảm mạnh kích thước, chi phí lượng tiêu thụ cho ứng dụng Bản luận văn “Thiết kế chế tạo, vận hành đo thử nghiệm mạng cảm nhận không dây (wireless sensor network) sở sử dụng chip vi điều khiển có mật độ tích hợp cao làm nút mạng xây dựng phần mềm nhúng nạp vi điều khiển này” tổng quát hoá WSN, đưa tiêu chí đánh giá WSN tiêu chí đánh giá nút mạng, đồng thời xây dựng số thử nghiệm mạng cảm nhận không dây dùng VĐK CC1010 hãng Chipcon-Nauy Luận văn gồm chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục tài liệu tham khảo Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây giới thiệu cách tổng quan WSN, dạng ứng dụng WSN đưa tiêu chí đánh giá cho WSN tiêu chí đánh giá nút mạng cảm nhận Chương 2: Nút mạng đưa tiêu chí đánh giá cho nút mạng WSN, đồng thời giới thiệu vi điều khiển CC1010 để làm nút mạng Chương 3: Các phương pháp ghép nối CC1010 với loại đầu đo chương trình thực Mục đích chương nêu phương pháp ghép nối vi điều khiển CC1010 với loại cảm biến bao gồm loại cảm biến số nối tiếp cảm biến tương tự Chương giới thiệu chi tiết cách làm việc CC1010 với cảm biến áp suất MS5535 dạng cảm biến số nối tiếp Điều góp phần khẳng định khả ghép nối với nhiều loại cảm biến khác CC1010 Chương 4: Phần mềm nhúng Mục đích chương giới thiệu bước xây dựng phần mềm nhúng phương pháp gỡ lỗi cho phần mềm nhúng - - Chương 5: Triển khai chức mạng thử nghiệm Mục đích chương đưa cách xây dựng WSN dựa vi điều khiển CC1010 Đa truy cập xây dựng dạng hỏi-đáp Bảng định tuyến hình chứa nút mạng Các thử nghiệm thực theo tiêu chí độ ổn định truyền liệu, khả tiết kiệm lượng nút mạng Phần kết luận tổng kết công việc thực kết đạt đồng thời đề cập đến công việc hướng nghiên cứu tương lai Tác giả luận văn xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Vương Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ tơi nhiều trình thực luận văn Tác giả Nguyễn Thế Sơn - - CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm nhận không dây Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa công thức đơn giản sau: Cảm nhận + CPU + Radio = WSN Từ công thức đơn giản trên, nhiều ứng dụng xuất Tuy nhiên, việc kết hợp cảm biến, radios, CPU vào mạng cảm nhận khơng dây (wireless sensor network-WSN) địi hỏi hiểu biết chi tiết khả giới hạn thành phần phần cứng, hiểu rõ công nghệ mạng đại, lý thuyết phân bố hệ thống Một thách thức ánh xạ toàn yêu cầu hệ thống vào thiết bị riêng lẻ Để làm cho WSN trở nên thực tế, kiến trúc cần phát triển để tổng hợp ứng dụng dựa khả phần cứng Để phát triển kiến trúc hệ thống cần từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống yêu cầu phần cứng mức thấp Để giới hạn số ứng dụng phải xem xét, cần tập trung vào tập dạng ứng dụng sử dụng nhiều thực tế Sử dụng dạng ứng dụng để tìm yêu cầu mức hệ thống cho toàn kiến trúc Từ yêu cầu mức hệ thống này, có yêu cầu cho nút mạng riêng lẻ 1.1.1 Các dạng ứng dụng mạng cảm nhận Có ba dạng ứng dụng mạng cảm nhận không dây: thu thập liệu môi trường, giám sát an ninh, theo dõi đối tượng Hầu hết ứng dụng chủ yếu WSN thuộc ba dạng 1.1.1.1 Thu thập liệu môi trường Mạng cảm nhận không dây thu thập liệu môi trường 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 (base station) có kết nối với trung tâm xử lý (thường hệ thống máy tính) phân tích, xử - - lý, đưa phương án phù hợp cảnh báo hay đơn lưu trữ số liệu Yêu cầu đặt mạng kiểu thời gian sống phải dài hay nói cách khác nút mạng phải tiêu thụ lượng Mạng cho ứng dụng thu thập liệu môi trường thường sử dụng topology dạng cây, nút mạng có nút cha Trạm gốc gốc Dữ liệu từ nút gửi đến cho nút cha nó, nút lại tiếp tục chuyển đến cho nút cha (nút ông), vậy, liệu chuyển trạm gốc Những vấn đề nảy sinh với cấu hình mạng là: - Hiện tượng thắt cổ chai (bottleneck) số lượng nút mạng lớn - Một vài nút mạng, số lý đó, khơng hoạt động Để mạng tiếp tục hoạt động phải có khả tự cấu hình lại, nghĩa phải phát nút bị hỏng định việc cấu hình lại mạng - Mạng phải có thời gian sống dài, từ vài tháng đến vài năm, cần giải vấn đề tiêu thụ lượng nút mạng tối ưu - Phần mềm nhúng phải thiết kế lập trình cho phù hợp với tốn truyền thơng thơng số đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Phần mềm phải tương thích với phần cứng để hệ có khả hoạt động ổn định theo thời gian 1.1.1.2 Giám sát an ninh Một ứng dụng thứ hai mạng cảm nhận giám sát an ninh Các mạng giám sát an ninh tạo nút đặt vị trí cố định mơi trường liên tục theo dõi hay nhiều cảm biến để nhận biết bất thường Sự khác chủ yếu giám sát an ninh giám sát môi trường mạng an ninh không thu thập liệu Điều có tác động lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng Mỗi nút thường xuyên kiểm tra trạng thái cảm biến chúng truyền liệu có vi phạm an ninh Việc truyền tức thời tin cậy thơng điệp cảnh báo u cầu hệ thống - - Thêm vào đó, cần xác nhận nút diện hoạt động Nếu nút bị lỗi, thể vi phạm an ninh cần thông báo Đối với ứng dụng giám sát an ninh, mạng cần cấu hình cho nút chịu trách nhiệm xác nhận trạng thái nút khác Một cách tiếp cận nút ngang hàng thông báo nút khơng hoạt động Mơ hình tối ưu mạng giám sát an ninh hoàn toàn khác với mạng thu thập liệu Trong thu thập số liệu, nút phải truyền liệu tất cháu Do đó, tối ưu ngắn rộng Ngược lại, với mạng an ninh cấu hình tối ưu có mơ hình mạng tuyến tính Cơng suất tiêu thụ nút tỷ lệ với số Trong mạng tuyến tính, nút có Điều phân phối lượng tiêu thụ mạng Sự tiêu thụ lượng chủ yếu mạng an ninh gặp yêu cầu báo hiệu cảnh báo có vi phạm an ninh Mỗi nhận thấy, vi phạm an ninh cần truyền tới trạm gốc Độ trễ việc truyền liệu qua mạng tới trạm gốc có ảnh hưởng định tới hiệu ứng dụng Các nút mạng cần có khả trả lời nhanh chóng với yêu cầu nút láng giềng để chuyển tiếp liệu Trong mạng an ninh việc giảm thời gian trễ việc truyền cảnh báo quan trọng việc giảm chi phí lượng truyền Điều kiện cảnh báo xảy Trong mạng phòng cháy cảnh báo gần không xảy Đối với kiện xảy lần lượng chủ yếu dành cho việc truyền Giảm độ trễ truyền làm tăng lượng tiêu thụ nút định tuyến phải giám sát kênh radio thường xuyên Trong mạng an ninh, phần lớn lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhận chức nút láng giềng chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo Việc truyền liệu thời tốn phần lượng mạng 1.1.1.3 Theo dõi đối tượng Với mạng cảm nhận khơng dây, đối tượng theo dõi đơn giản gắn chúng với nút cảm biến nhỏ Nút cảm biến theo dõi - - chúng qua trường nút cảm biến triển khai vị trí biết Thay cảm nhận liệu mơi trường, nút triển khai để cảm nhận thông điệp RF nút gắn với đối tượng Những nút sử dụng thẻ để thơng báo có mặt thiết bị Một sở liệu sử dụng để ghi lại vị trí tương đối đối tượng với nút mạng, biết vị trí thời đối tượng Không mạng cảm nhận hay mạng an ninh, ứng dụng theo dõi liên tục thay đổi topology nút qua mạng Trong kết nối nút vị trí cố định tương đối ổn định, kết nối tới nút di động liên tục thay đổi Thêm vào tập hợp nút bị theo dõi liên tục thay đổi nút gia nhập hay rời khỏi hệ thống Điều chủ yếu mạng có khả nhận biết cách hiệu có mặt nút vào mạng 1.1.2 Các tiêu hệ thống Sau tiêu để đánh giá WSN Các tiêu chủ yếu thời gian sống, độ bao phủ, chi phí dễ triển khai, thời gian trả lời, độ xác thời gian, bảo mật, tốc độ lấy mẫu hiệu Các tiêu lại liên quan với Thường tăng hiệu tham số lại làm giảm hiệu tham số 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 1.1.2.1 Thời gian sống Có giới hạn mạng cảm nhận khơng dây thời gian sống Cả hai ứng dụng giám sát môi trường giám sát an ninh nút 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 quản lý lượng cung cấp nội để tối đa thời gian sống mạng Trong 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 thoả hiệp có 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 hay nguồn áp điện Cả hai lựa chọn yêu cầu lượng tiêu thụ trung bình nút tốt Yếu tố quan trọng định thời gian sống lượng tiêu thụ radio Một nút cảm nhận khơng 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 1.1.2.2 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 khơng dây sử dụng Kỹ thuật truyền multi-hop mở rộng độ bao phủ mạng Về mặt lý thuyết chúng có khả mở rộng vơ 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 1.1.2.3 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 - 10 - Để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình Các nút đặt vào mơi trường hoạt động Lý tưởng là, hệ thống cần phải tự cấu hình đặt nút vật lý Tuy nhiên, hệ thống thực cần đặt ràng buộc vào đặt nút thời – nút khơng thể có khoảng cách vơ hạn WSN cần có khả phản hồi ràng buộc bị vi phạm Mạng cần phải có khả đánh giá chất lượng việc triển khai mạng rõ vấn đề tiềm ẩn Điều nghĩa nút mạng cần có khả tìm kết nối xác định chất lượng kết nối 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 Việc triển khai thiết lập cấu hình ban đầu bước chu kỳ sống mạng Trong thời gian dài, tổng chi phí hệ thống có thêm chi phí bảo dưỡng Ứng dụng an ninh cịn có u cầu hệ thống phải mạnh Để mở rộng khả kiểm tra trước triển khai, hệ cảm nhận cần xây dựng để thực việc tự bảo trì Khi cần, tạo u cầu bảo trì 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 1.1.2.4 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 ... để làm giảm mạnh kích thước, chi phí lượng tiêu thụ cho ứng dụng Bản luận văn ? ?Thiết kế chế tạo, vận hành đo thử nghiệm mạng cảm nhận không dây (wireless sensor network) sở sử dụng chip vi điều. .. tới mật độ tối thiểu chấp nhận Nếu nút đặt xa khơng thể tạo kết nối với mạng liên kết với nút dự trữ để có độ tin cậy cao Nếu khoảng cách truyền radio thoả mãn mật độ nút cao, nút thêm vào làm. .. NHẬN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm nhận không dây Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa công thức đơn giản sau: Cảm nhận + CPU + Radio = WSN Từ công thức đơn giản trên, nhiều ứng dụng xuất Tuy nhiên, vi? ??c