TÌM HIỂU MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây và xây DỰNG mô HÌNH điều KHIỂN THIẾT bị điện QUA MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây

Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trongquân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vựckhác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh ha

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN - ĐHTN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: THIẾT KẾ VI ĐIỀU KHIỂN

Đề bài:

TÌM HIỂU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Giáo viên hướng dẫn: KS Phạm Quốc Thịnh Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thế Dũng

Thân Quang Linh

Thái Nguyên, tháng 11 năm 2009

3 - Một số vấn đề về mạng cảm biến không dây 93.1 Định tuyến trong mạng cảm biến không dây 93.2 Tối ưu năng lượng trong mạng cảm biến không dây 10

Chương 2: Chuẩn truyền thông Zigbee IEEE 802.15.4 19

1 - Tổng quan về chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 18

1.2 Sự ra đời của chuẩn zigbee IEEE 802.15.4 19

1.4 Những phần tử cơ bản của hệ thống Zigbee 21

1.6 Một số cấu hình mạng cơ bản của chuẩn Zigbee 222- Kiến trúc giao thức mạng của chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 25

4- Một số sản phẩm ứng dụng của công nghệ Zigbee 39

MỞ ĐẦU

Trong vài năm gần đây mạng cảm biến không dây đã trở nên rất quantrọng trong đời sống hàng ngày Bắt đầu phát triển với các ứng dụng trongquân đội, giờ đây mạng cảm biến còn được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vựckhác như: Giám sát môi trường, chăm sóc sức khỏe, ngôi nhà thông minh hayđiều khiển giao thông Với sự hội tụ của công nghệ kỹ thuật vi điện tử, côngnghệ mạch tích hợp, công nghệ cảm biến và xử lý tín hiệu… đã tạo ra nhữngthiết bị cảm biến rất nhỏ, đa chức năng với giá thành thấp đã làm tăng khảnăng ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Hiện nay mạng cảm biến không dây đang được ứng dụng rất rộng rãicác quốc gia có nền khoa học phát triển như Mỹ, Nhật, Châu Âu

Mạng cảm biến không dây là một công nghệ mới, đã được các nước cónền khoa học phát triển nghiên cứu, triển khai rộng rãi và đã thu được nhiềuthành tựu Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này chỉ đang được nghiên cứu

và triển khai trong những lĩnh vực và quy mô nhỏ, song với những ưu điểm

và khả năng tương thích cao nên trong tương lai, công nghệ mạng cảm biếnkhông dây sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau củacuộc sống

CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

(WIRELESS SENSOR NETWORKS - WSNs)

1 - ĐẶT VẤN ĐỀ:

Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệlinh kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớntrong cuộc sống Mô hình mạng cảm biến không dây ra đời dựa trên cơ sởứng dụng những thành tựu của Công nghệ truyền thông không dây Nó rađời nhằm thỏa mãn nhiều yêu cầu trong thực tế và được ứng dụng rộng rãi.Các ứng dụng tiềm năng của mạng cảm biến không dây hiện nay như phánđoán quân sự, bảo vệ an ninh, điều khiển và giám sát giao thông, kỹ thuật

tự động trong sản xuất công nông nghiệp, điều khiển quy trình, quản lýkiểm kê, cảm nhận môi trường, giám sát sinh thái, giám sát kết cấu côngtrình xây dựng Hiện nay tại Việt Nam cũng đang có những ứng dụngmạng cảm biến không dây như: Hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phòng cháy,

hệ thống điều hòa nhiệt độ nhìn chung đây vẫn còn là một công nghệrất mẻ ở Việt Nam

2 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY - WSNs:

2.1 Khái niệm:

Mạng cảm biến không dây (WSNs) có thể hiểu đơn giản là mạngliên kết các node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection)trong đó các node mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giáthành thấp và có số lượng lớn, được phân bố một cách không có hệthống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng),

sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài(vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắcnghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ )

Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây là vừa có chức năngmạng vửa có chức năng cảm nhận Nó hoạt động trên nguyên lí là tại mộtnút mạng sẽ cảm nhận thông số của môt trường cần đo, đo đặc thông số

và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua một trường không dây về trạmgốc (nút gốc), để trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cầnthiết hoặc truyền số liệu vào máy tính Bản thân nút gốc không nhất thiếtphải là một máy vi tính mà cũng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ,phù hợp với đặc thù của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể

Các node mạng thường có chức năng cảm nhận: Cảm ứng, quan sátmôi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hayđịnh vị các mục tiêu cố định hoặc di động Các node giao tiếp với nhau

và truyền dữ liệu về trung tâm một cách gián tiếp Do vậy để tiết kiệmnăng lượng, các sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động vàtrạng thái nghỉ khác nhau Thông thường thời gian 1 node ở trạng tháinghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều Như vậy, đặc trưng cơ bảnnhất của một mạng cảm biến không dây chính là giá thành, mật độ nodemạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng dữ liệu,năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trạng thái hoạt động

2.2 Cấu tạo của một nút cảm biến:

Nút cảm biến là một thiết bị điện tử nhỏ, có khả năng thu thập, xử lý vàtruyền thông thông tin đến các nút khác và ra thế giới bên ngoài

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây

Hình 1.2 Cấu tạo của một nút cảm biến

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổitương tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo rabởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ

xử lý

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit),quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện cácnhiệm vụ định sẵn Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng

Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộnguồn Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bàonăng lượng mặt trời Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộcvào từng ứng dụng Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biếncủa mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí Các bộ phận di động đôilúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm

vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từngmodule Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặtkhác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giáthành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường

2.3 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây - WSNs:

Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một sốlượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tàinguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặcđiểm rất khác với các mạng truyền thống Sau đây ta sẽ phân tích một số đặcđiểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:

+ Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thểkhông hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnhhưởng của môi trường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt độngbình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng khônghoạt động

+ Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nútcảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứngdụng con số này có thể vượt quá hàng triệu Do đó cấu trúc mạng mới phải cókhả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này

+ Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớncác nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chiphí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theokiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phí củamỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

+ Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nêncác nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước

phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độcao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có ngườikiểm soát, thích nghi với môi trường.

+ Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gầnhoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làmviệc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ở bêntrong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa họchoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn

+ Phương tiện truyền dẫn: Ở những mạng cảm biến multihop, các nútđược kết nối bằng những phương tiện không dây Các đường kết nối này có thểtạo nên bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học Đểthiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyềndẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng củacác nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biến năng lượngthấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz

Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồngngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễdàng hơn Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trongphạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được

+ Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến,mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3 Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nêncần phải thiết lâp một cấu hình ổn định

+ Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút cảm biến khôngdây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn nănglượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn nănglượng không thể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảmbiến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin Vì vậy, việc duy trì và quản lýnguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng Do đó hiện nay người ta đang tậptrung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảmbiến Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện racác sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu

đi Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing),giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing)

* Ưu điểm của mạng cảm biến không dây so với mạng ad-hoc truyền thống:

- Wireless ad-hoc network (mạng tùy biến không dây) là tập hợp gồmnhiều hơn một nút mạng với khả năng nối mạng và giao tiếp không dây với nhau

mà không cần hỗ trợ của sự quản trị trung tâm Mỗi nút trong mạng tùy biếnkhông dây hoạt động như một nút chủ vừa như một thiết bị định tuyến

- Mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút còn mạng cảmbiến có thể lên đến hàng nghìn nút mạng.

- WSN có thể hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, mạngđược xây dựng phụ thuộc vào ứng dụng

- Thêm các dịch vụ như thông tin định vị có thể được yêu cầu trong mạngcảm biến không dây, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền sốliệu cảm biến từ nhiều nút tới một nút gốc

- Các nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên như băng thôngnhưng trong mạng cảm biến có sự hợp tác hơn

- Truyền thông trong WSN diễn ra với dạng gói tin rất ngắn

2.4 Kiến trúc giao thức mạng WSNs:

Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến bao gồm các lớp và cácmặt phẳng quản lý Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việccùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến diđộng và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến

+ Mặt phẳng quản lý công suất: Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồnnăng lượng của nó Ví dụ: Nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được mộtbản tin Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảmbiến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể thamgia vào quá trình định tuyến

+ Mặt phẳng quản lý di động: Có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyểnđộng của các nút Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng

+ Mặt phẳng quản lý: Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các núttrong một vùng quan tâm Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiệnnhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm

Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến

+ Lớp vật lý: Có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, pháthiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụngrộng rãi trong mạng cảm biến

+ Lớp liên kết dữ liệu: Lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, pháthiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi Vìmôi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiểntruy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năngtối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận

+ Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyêntắc:

 Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng

 Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu

 Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộngtác có hiệu quả của các nút cảm biến

+ Lớp truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cậpthông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác

+ Lớp ứng dụng: Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứngdụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng

3- MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ WSNs:

3.1 Định tuyến trong WSNs:

Định tuyến trong WSNs rất khó khăn do các đặc tính riêng phânbiệt những mạng này với các mạng không dây khác như các mạng ad-hochoặc các mạng tế bào

Trước hết, do số lượng nút cảm biến là khá lớn nên không thể xây

dựng một quy tắc cho địa chỉ toàn cục khi triển khai vì phần điều khiểncho việc thiết lập ID là cao Vì vậy, các giao thức dựa trên IP truyềnthống không áp dụng được cho WSNs

Thứ hai, khác với các mạng thông tin nói chung, hầu hết các ứng

dụng của mạng cảm biến yêu cầu truyền số liệu cảm biến từ nhiều nút tớimột nút gốc

Thứ ba, các nút cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý

và dung lượng nhớ

Thứ tư, trong hầu hết các ứng dụng, các nút mạng WSNs thường

có vị trí cố định Tuy nhiên, trong một số ứng dụng, các nút cảm biến cóthể được phép di chuyển và thay đổi vị trí

Thứ năm, các mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng Thứ sáu, vị trí của các nút cảm biến đóng vai trò quan trọng vì

việc lựa chọn số liệu thường dựa vào vị trí Hiện nay chưa thích hợp cho

việc sử dụng các phần cứng của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) chomục đích này vì phụ thuộc vào giá thành triển khai mạng.

Nhìn chung, dựa vào cấu trúc mạng WSNs có thể chia thành:

 Định tuyến ngang hàng (flat-based routing)

 Định tuyến phân cấp (hierarchical-based routing)

 Định tuyến theo vị trí (location-based routing)

Trong định tuyến ngang hàng, tất cả các nút thường có vai trò hoặcchức năng như nhau Trong định tuyến phân cấp, các nút sẽ đóng vai tròkhác nhau trong mạng Trong định tuyến dựa theo vị trí thì vị trí của cácnút cảm biến được sử dụng để định tuyến số liệu

Một giao thức định tuyến được coi là thích ứng nếu các tham số của

hệ thống có thể điều khiển được để thích ứng với các trạng thái mạng hiệntại và các mức năng lượng của nó Những giao thức này cũng có thể đượcchia thành các giao thức định tuyến đa đường, yêu cầu, hỏi/đáp, liên kếthoặc dựa vào QoS tuỳ theo cơ chế hoạt động của giao thức Ngoài ra, cácgiao thức định tuyến có thể được chia thành ba loại là chủ động, tương táchoặc lai ghép tuỳ thuộc vào cách thức mà từ nguồn tìm đường tới đích.Trong các giao thức chủ động, tất cả các đường được tính toán trước khi cóyêu cầu, trong khi đối với các giao thức tương tác thì các đường được tínhtoán theo yêu cầu Các giao thức lai ghép kết hợp cả hai quy tắc ở trên Khicác nút cảm biến cố định, nó thích hợp với các giao thức định tuyến theobảng hơn là với các giao thức tương tác Một lượng công suất đáng kể được

sử dụng để định tuyến và thiết lập các giao thức tương tác Một số giao thứckhác dựa vào định thời và thông tin vị trí Để khái quát, có thể sử dụng phânloại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (định tuyến tiêuchuẩn) như sau:

Hình 1.4 – Giao thức định tuyến trong WSNs dựa theo phân loại tiêu chuẩn

3.2 Tối ưu năng lượng trong WSNs:

3.2.1 Vấn đề năng lượng trong WSNs:

Năng lượng trong mạng cảm biến không dây thường bị lãng phí do:

- Truyền bị xung đột phải truyền lại

- Listening lâu sẽ gây lãng phí (Chỉ nghe khi cần sẽ tiết kiệm hơn)

- Điều khiển việc nhận và gửi message

* Về cơ bản: Năng lượng tiêu thụ gồm 2 phần:

- Năng lượng thiết bị Ec (RF front-end, Digital signal processing )

- Năng lượng truyền sóng Etr (năng lượng cung cấp cho bộ khếch đạicông suất phía trước anten)

Để giảm năng lượng Etr thì cấu trúc chip RF phải tiết kiệm năng lượng(liên quan đến công nghệ và cấu trúc ) và giải thuật xử lý tín hiệu cũngkhông quá phức tạp, tối ưu về tiêu thụ năng lượng Để giảm năng lượng Etrthì cần các phương pháp xử lý tín hiệu số (mã hóa Coding, interleaver,modulation channel estimation, combination, Decoding) để thiết bị thu cóthể nhận tốt dữ liệu với công suất tín hiệu nhỏ nhất (nghĩa là cần ít nănglượng để cho bộ khuếch đại công suất phát nhất)

Tuy nhiên nếu giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp sẽ tăng công suất tiêuthụ của processor và số lượng transitor phải tăng lên (giá thành cao) nênkhông phù hợp với WSN (giá thàng node < 10 usd) Giải quyết bài toánnăng lượng ở physical laỷe chính là tìm giải pháp dung hòa giữa năng lượngtruyền sóng cần thiết và độ phức tạp của giải thuật xử lý tín hiệu

Đối với khoãng cách truyền sóng ngắn (1m đến 10m), và môi trườngtruyền sóng đơn giản (đường truyền trực tiếp) thì năng lượng thiết bị Ecthường > Etr Tuy nhiên khi gấp đôi khoảng cách truyền sóng thì nănglượng suy giảm từ 4 đến 16 lần (tùy môi trường cụ thể, và fading kênhtruyền cũng trở nên phức tạp hơn nhiều), do vậy đối vớ khoãng cách truyềnsóng cáng lớn, E_tr chiếm tỷ trọng càng lớn

+ Liên quan đến routing protocol: Trong mạng adhoc nói chung, vàsensor nói riêng, đường đi nối giữa các node trong mạng sẽ thay đổi theothời gian (do node di chuyển, do chất lượng kênh truyền thay đổi theo thờitiết, do node hết năng lượng) Do đó, làm thế nào để xây dựng được thuậttoán routing nhanh chóng mà không cần phải flood tất cả các node trongmạng Ngoài ra nếu một node mà năng lượng của nó thấp hơn một mức nào

đó (threshold) thì node đó có thể sẽ không tham gia vào việc relay thông tin

từ node này sang node khác Có nhưng thuật toán nhằm tìm những đường đi

mà sao cho tổng năng lượng tiêu tốn (multi-hop) là thấp nhất hoặc tỉ lệ giữalượng data truyền và năng lượng tiêu thụ là cao nhất Ngoài ra một node cóthể chuyển sang chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng, sau đó wake-up đểnhận và gửi thông tin đi

+ Ngoài ra năng lượng còn tiêu tốn nếu node phải thực hiện nhiềucomputation Thông tin có thể được xử lý trước khi gửi đi để giảm lượng

thông tin "sống" (đôi khi chiếm nhiều dung lượng) Ngoài ra computationnày cũng không nên tập trung ở một số node đặc biệt vì như thế nhưng nodenày sẽ nhanh chóng hết năng lượng.

3.2.2 Giải pháp tiết kiếm năng lượng tại phần cứng:

- Tăng công suất nguồn nuôi: Liên quan đến công nghệ làm nguồn,điển hình là pin (pin nội pin ngoại), năng lượng tự nhiên

- Giảm tiêu hao hệ thống: Thiết kế phần cứng hiệu quả, làm giảmtiêu hao năng lượng đối với một đối tượng nào đó

3.2.3 Giải pháp tiết kiệm năng lượng bằng phương thức truyền tin:

Đối với WSNs thì năng lượng là vấn đề quan trọng bậc nhất, mà đốivới mỗi nút sensor vấn đề tiêu tốn năng lượng lại chủ yếu dùng vào việc sửdụng bộ truyền sóng RF Vì vậy cơ chế quản lý điều khiển bộ thu phát RF

vô cùng quan trọng Nếu không cần thiết, nút mạng có thể đi vào trạng tháiSleep để tiết kiệm năng lượng Nhưng khi truyền bị xung đột, dữ liệu truyền

bị mất, quá trình truyền thất bại, năng lượng tiêu tốn không nhỏ Để quátrình này hiệu quả và tiết kiệm năng lượng nhất, WSNs sử dụng hai phươngpháp truy cập kênh trong mạng báo hiệu và không báo hiệu

* Trong mạng không báo hiệu: Cơ chế truy nhập kênh CSMA-CA

(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance - Phương pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng mang) được sử dụng.Trong kiểu mạng này, các bộ định tuyến có bộ thu phát luôn luôn tích cực,nên yêu cầu cung cấp năng lượng cũng phải linh hoạt hơn

Hình 1.5 Phương pháp truy nhập kênh CSMA-CA

CSMA/CA là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạngkhông dây IEEE 802.15.4 Các thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liêntục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền Đa truy cập (multipleaccess) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia sẻ tài nguyêncủa một mạng (ở đây là mạng không dây) Tất cả các thiết bi đều có quyềntruy cập như nhau khi đường truyền rỗi Ngay cả khi thiết bị tìm cáchnhận biết mạng đang sử dụng hay không,vẫn có khả năng là có hai trạmtìm cách truy cập mạng đồng thời.Trên các mạng lớn, thời gian truyền từđầu cáp nầy đến đầu kia là đủ để một trạm có thể truy cập đến cáp đóngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến.Nó tránh xung đột bằngcách là mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyềnthật sự.

Thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA được sử dụng trứớc khi phát

dữ liệu hoặc trước khi phát khung tin MAC trong phần CAP Thuật toánnày sẽ không sử dụng để phát khung tin thông báo beacon, khung tin Ack,hoặc là khung tin dữ liệu trong phần CFP Nếu bản tin báo hiệu đựơc sửdụng trong mạng PAN thì thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian đượcdùng, ngựợc lại thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian sẽ đựợc sửdụng Tuy nhiên trong cả hai trường hợp thuật toán đều được bổ xung bằngcách sử dụng khối thời gian backoff bằng với thời gian của tham sốaUnitBackoffPeriod Trong thuật toán truy nhập kênh CSMA-CA gán khethời gian, biên của khoảng thời gian backoff của mỗi thiết bị trong mạngPAN được sắp thẳng hàng với biên của khe siêu khung của thiết bị điềuphối mạng PAN Trong thuật tóan này, mỗi lần thiết bị muốn truyền dữ liệutrong CAP thì nó phải xác định biên thời gian backoff kế tiếp Trong thuậttoán CSMA-CA không gán khe thời gian thì khoảng thời gian backoff củamột thiết bị trong mạng không cần phải đồng bộ với khoảng thời gianbackoff của thiết bị khác

Mỗi thiết bị chứa 3 biến số: NB, BW, BE Trong đó NB là số lần màthuật toán này bị yêu cầu rút lại trong khi đang cố gắng truyền Giá trị banđầu của nó là 0 trước khi truyền Biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, nócho biết khoảng thời gian cần thiết để làm sạch kênh truyền trước khi phát,giá trị ban đầu của nó là 2 trước khi cố gắng phát và quay trở lại 2 khi kênhtruy nhập bị bận Biến số CW chỉ sử dụng cho thuật toán gán khe thời gianCSMA-CA Biến số BE (backoff_exponent) cho biết một thiết bị phải chờbao lâu để có thể truy nhập vào một kênh Cho dù bộ thu của thiết bị làmviệc trong suốt khoảng thời gian CAP của thuật tóan nhưng nó vẫn bỏ quabất kỳ khung tin nào nhận đựơc trong khoảng thời gian này

Trong thuật toán CSMA-CA gán khe thời gian, NB, CW, BE đượcthiết lập trước, biên của khoảng thời gian backoff kế tiếp cũng được xác

định trước Trong thuật toán CSMA-CA không gán khe thời gian thì NB và

BE được thiết lập trước (bước 1) Tầng MAC sẽ trễ ngẫu nhiên trong phạm

vi 0 đến 2*BE -1(bước2) sau đó yêu cầu tầng PHY thực hiện đánh giá truykênh truy nhập xem là rỗi hay bận.(bứớc3) Nếu kênh truyền bận(bước4),tầng MAC sẽ tăng NB và BE lên 1, nhưng cũng luôn đảm bảo rằng giá trịnày nhỏ hơn aMaxBE Trong CSMA-CA gán khe thời gian thì việc truyềnkhung tin, Ack phải được thực hiện trước khi kết thúc phần CAP trong siêukhung, nếu không sẽ phải chờ đến CAP của siêu khung kế tiếp, trong thuậttoán này thì CW có thể cũng reset lại thành giá trị 2 Nếu giá trị của NBnhỏ hơn hoặc bằng giá trị tham số macMaxCSMABackoffs, thì sẽ quay lạibứớc2 đồng thời thông báo lỗi truy nhập kênh

Nếu kênh truyền là rỗi (bước5) , trong CSMA-CA gán khe thời gian,tầng MAC phải giảm CW đi 1 nếu CW ≠ 0 quay trở lại bước 3 Nếu CW=0thì thôgn báo truy nhập kênh thành công Còn trong CSMA-CA không gánkhe thời gian thì tầng MAC bắt đầu phát ngay nếu kênh truyền rỗi

* Trong mạng báo hiệu: Truy nhập kênh sử dụng cấu trúc

superframe Định dạng của superframe được định nghĩa bởi coordinator vàđược chia thành 16 khe thời gian bằng nhau Khung báo hiệu được truyềntrong khe thời gian đầu tiên của mỗi superframe Nếu coordinator khôngmuốn sử dụng cấu trúc superframe, nó chỉ việc tắt sự truyền nhận báo hiệu.Báo hiệu được sử dụng để đồng bộ những thiết bị gắn vào, để nhận ra PAN

và mô tả cấu trúc của superframe Bất kỳ thiết bị nào muốn truyền thôngtrong thời gian truy nhập tranh giành giữa hai báo hiệu sẽ tranh đua với cácthiết bị khác sử dụng một khe cơ chế CSMA-CA Tất cả các giao dịch sẽđược hoàn thành bởi thời gian báo hiệu mạng tiếp theo Superframe có thể

có một phần tích cực và một phần không tích cực

Hình 1.6 Cấu trúc superframe

Đối với các ứng dụng yêu cầu băng thông dữ liệu, coordinator PAN

có thể dành những phần của superframe tích cực cho ứng dụng đó Những

phần này gọi là những khe thời gian đảm bảo (GTS) GTS hình thành chu

kỳ tự do tranh giành (CFP), nó luôn hiện ra ở phần cuối của superframetích cực, bắt đầu ở một slot ranh giới ngay sau CAP Coordinator PAN cóthể cấp phát tới bẩy GTS này Mỗi GTS có thể chiếm giữ nhiều hơn mộtkhe thời gian Tuy nhiên một phần của CAP sẽ để lại dành cho các thiết bịkhác truy nhập mạng hay các thiết bị mới muốn tham gia vào mạng

Khe thời gian đảm bảo GTS cho phép một thiết bị có thể hoạt độngtrong một kênh truyền bên trong một phần của siêu khung dành riêng chothiết bị đó Một thiết bị chỉ có thể chiếm và sử dụng một khe thời gian khi

mà thiết bị đó liên quan đến thông tin báo hiệu beacon hiện thời lúc đó Thiết

bị điều phối mạng PAN có thể chiếm hữu khe thời gian GTS và sử dụng khethời gian này để liên lạc với các thiết bị khác trong mạng Một khe thờigian đơn có thể kéo dài hơn thời gian của siêu khung Thiết bị điều phốimạng PAN có thể chiếm hữu tới bảy khe thời gian GTS cùng một lúc miễn

là nó có đủ thẩm quyền trong siêu khung

Một khe thời gian có thể được chiếm hữu trước khi sử dụng nếu có

sự yêu cầu của thiết bị điều phối mạng PAN Tất cả các khe thời gian GTSđều được đặt liền nhau ở cuối của siêu khung sau phần CAP, và hoạt độngtheo cơ chế FCFS(first-come-first-serve) đến trước dùng trứơc Mỗi khethời gian GTS có thể đựợc giải phóng nếu không có yêu cầu nào, và mộtkhe thời gian GTS có thể được giải phóng vào bất kỳ lúc nào khi thiết bịchiếm hữu nó không dùng nữa

Chỉ duy nhất thiết bị điều phối PAN mới có quyền quản lý khe thờigian Để quản l y mỗi khe thời gian đảm bảo, thiết bị điều phối có thể lưutrữ khe bắt đầu, độ dài, phương hướng (thu hay phát) và địa chỉ thiết bị kếtnối Mỗi thiết bị trong mạng có thể yêu cầu một khe thời gian phát hay mộtkhe thời gian thu Để chiếm hữu được một khe thời gian thì thiết bị đó phảilưu trữ thông tin khe bắt đầu, độ dài và phương hướng Nếu một thiết bịđựơc cấp phát một khe thời gian GTS thu, nó sẽ có toàn quyền sử dụng trọnvẹn khe thời gian đó để nhận dữ liệu Tương tự như vậy thiết bị điều phốimạng PAN cũng có thể có toàn quyền sử dụng trọn vẹn khe thời gian đó đểnhận đữ liệu khi có một thiết bị khác chiếm khe thời gian phát

Một thiết bị yêu cầu chiếm hữu khe thời gian mới thông qua lệnh yêucầu GTS với các tính chất (độ dài, thu hay phát?,…) thiết lập theo yêu cầuứng dụng Để xác nhận lệnh này thì thiết bị điều phối sẽ gửi một khung tinAck Sau khi phát khung tin Ack thì thiết bị điều phối sẽ kiểm tra khả nănghiện thời của siêu khung dựa trên độ dài của phần CAP và độ dài khe thờigian GTS được yêu cầu Siêu khung sẽ sẵn sàng nếu độ dài khe thời gian

GTS không làm giảm độ dài của phần CAP đi quá độ dài nhỏ nhất của CAP đượcqui đinh trong tham số aMinCAPLength Thiết bị điều phối mạng PAN thựchiện quyết định của nó bên trong siêu khung aGTSDescPersistenceTime.Trong khi xác nhận gói tin Ack từ thiết bị điều phối thì thiết bị này vẫn tiếp tụctheo dõi thông tin báo hiệu và chờ siêu khung aGTSDescPersistenceTime.Khi thiết bị điều phối quyết định xem xem nó có sẵn sàng cho yêu cầu GTSkhông, nó sẽ phát đi mô tả về GTS với chi tiết yêu cầu và đoạn ngắn địa chỉcủa thiết bị yêu cầu Nó sẽ chỉ ra độ dài và khe GTS đầu tiên trong siêukhung rồi thông báo cho tầng trên về việc cấp phát khe GTS mới này Nếusau khi kiểm tra mà thấy khả năng của siêu khung là không đủ để cấp pháttheo yêu cầu về GTS, thì khe đầu tiên sẽ được đánh số 0 tới độ dài khe GTSlớn nhất có thể cung cấp được hiện thời Những mô tả về GTS sẽ đựơc giữtrong khung tin báo hiệu beacon cho aGTSPersistenceTime Trong khi xácnhận khung tin báo hiệu beacon, thiết bị sẽ xử ly và thông báo lên tầng trên

Tượng tự như khi yêu cầu cấp phát GTS, một thiết bị cho biết nó yêucầu được giải phóng sự chiếm hữu GTS thông qua lệnh yêu cầu giải phóngvới các thông số của GTS đang tồn tại Sau đó thì khe thời gian này sẽ được

tự do Thiết bị điều phối PAN phải đảm bảo rằng không có khoảng trống náoxuất hiện trong CFP khi giải phóng khe thời gian GTS, độ dài maximumCAP nhờ thế mà được tăng lên (độ tăng đúng bằng độ dài của khe thời gianđựoc giải phóng)

3.3 Giao thức trong WSNs:

Giao thức là cách quản lý các chế độ hoạt động, truyền dữ liệu của cácnút sao cho việc tiêu hao năng lượng là ít nhất mà một mạng cảm biến vẫnđảm bảo độ tin cậy Tuỳ vào mục đích sử dụng của mạng cảm biến mà ngư ời

ta sử dụng các giao thức khác nhau

Trong các loại giao thức đó thì hai giao thức quan trọng nhất là:

+ Giao thức đồng bộ theo thời gian

+ Giao thức theo vị trí

3.3.1 Đồng bộ theo thời gian:

- Mạng cảm biến cần liên kết với thế giới thực để biết khi nào mộthiện tượng xảy ra

- Dịch vụ cơ bản chính của mạng cảm biến là tích hợp dữ liệu Do đócần đồng bộ giữa các nút để có thể tích hợp dữ liệu truyền đến Sink mạng

- Một vài giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian: Quản lý cấu hìnhmạng

- Các nút cảm biến thường nhỏ, giá thành thấp nên bộ dao độngthường không chính xác, hơn nữa chúng bị giới hạn về năng l ượng nênthường có chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng

Các nút có thể đo thời gian bằng cách dùng các xung đồng hồ cục bộlấy từ các bộ dao động Bởi vì các pha ngẫu nhiên làm dịch chuyển và làmtrôi tốc độ của bộ dao động, do vậy thời gian cục bộ của các nút sẽ bắt đầusai khác đi làm cho mạng mất đi sự đồng bộ Do vậy việc đồng bộ thời gian

có vai trò rất quan trọng trong hoạt động của mạng cảm biến

Đồng bộ thời gian là phương thức các thực thể riêng biệt trong mộtnhóm đồng bộ xung đồng hồ của chúng hoặc đồng bộ với thời gian toàn cầuphối hợp

Phương pháp cơ bản để đồng bộ thời gian trong mạng cảm biến làcộng tác giữa các nút trong toàn mạng Thiết lập mối liên hệ cặp dây (pair-wise) giữa các nút trong mạng sau đó mở rộng ra toàn mạng

Có hai cách thiết lập sự cộng tác giữa hai nút trong mạng đó là:

+ Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận: Yêu cầu liên kết hai chiều giữahai nút lân cận

+ Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận: Yêu cầu nhiều nút nhận của cácgói có nhãn thời gian như nhau đồng bộ với nhau mà không yêu cầu đồng bộvới bên gửi

3.3.2 Đồng bộ theo vị trí:

Trong nhiều trường hợp việc xác định vị trí trong thế giới tự nhiên củacác nút trong mạng cảm biến là rất cần thiết, nó có ý nghĩa hoặc là mục đíchcủa mạng cảm biến Ví dụ: Như trong ứng dụng quan sát môi trường và khítượng học, dữ liệu sẽ không còn có ý nghĩa nếu như không được đánh dấuthời gian và vị trí

(Sender-Receiver)

(Receiver-Receiver)

Hình 1.7.

Đồng bộ giữa bên gửi và bên nhận

Hình 1.8.

Đồng bộ giữa bên nhận và bên nhận

Đồng bộ theo vị trí có hai loại cơ bản là:

+ Đồng bộ dựa vào mốc có sẵn:

Phương pháp này giả sử như sau: Có một vài con cảm biến đã biết vịtrí Những nút này sẽ gửi tín hiệu mốc (dẫn đường) theo chu kỳ Các nútkhác sẽ đo tín hiệu này, sử dụng phép đo tam giác, trễ để đánh giá vị trí.RSSI (Receiver Signal Strength Indicator) được dùng để xác định sự tươngquan tín hiệu với khoảng cách

Tuy nhiên phương pháp này chỉ phù hợp với tín hiệu RF, và rất nhạycảm với vật cản, nhiễu đa đường, ảnh hưởng của môi trường Hơn nữa tínhiệu RF phải có phạm vi tốt: Khoảng vài chục mét Ngoài ra ngởi ta còn sửdụng RF và sóng siêu âm: Nút mốc truyền tín hiệu RF và một sóng siêu âmtới bộ thu Thời gian đến khác nhau giữa hai tín hiệu đợc sử dụng để đokhoảng cách Phạm vi lên tới 3 m, độ chính xác 2cm

+ Đồng bộ theo vị trí tương đối

Mặc dù các giao thức định vị dựa trên vật mốc rất hiệu quả đối vớimột số ứng dụng nào đó, một số mạng cảm ứng khác có thể đ ược triển khai

ở vùng mà không thể bị ảnh hưởng bởi vật mốc hoặc GPS, lúc đó chúng cóthể bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường hay là do sai số khi điều khiển Đểkhắc phục những khó khăn này, các thông tin vùng được đặt theo từng bướctruyền từ nguồn cho đến sink Để thu được các thông tin vùng chính xác, cácnút cảm ứng phải kết hợp để hỗ trợ cho nhau Hơn nữa, năng lượng có thểđược dự trữ thêm bằng việc cho phép các nút cảm ứng dò theo vị trí của cácnút lân cận Để tăng độ chính xác của việc ước lượng vị trí, sink có thể yêucầu tất cả các nút dọc theo đờng từ nguồn phải lọc từng phần để tăng sốlượng vật mẫu Quá trình tác động cục bộ này không yêu cầu bất kì một vậtmốc nào Hơn nữa, phần xử lý trung tâm không cần phải quyết định vị trícủa các nguồn

CHƯƠNG 2: CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZIGBEE - IEEE 802.15.4

I - TỔNG QUAN VỀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZIGBEE - IEEE 802.15.4

1.1 Đặt vấn đề:

Với sự phát triển và tiến bộ không ngừng của công nghệ truyền thông,thì truyền thông trong mạng không dây đang là một công nghệ mới với nhiềutính năng ứng dụng trong khoa học cũng như trong đời sống Song những yêucầu về tối ưu năng lượng, truyền thông luôn là những vấn đề quan trọngtrong mạng truyền thông không dây (đặc biệt là mạng cảm biến không dây -WSN) Hiện nay, ngoài những vấn đề trên thì mạng cảm biến không dây cónhững yêu cầu khác như là:

- Dễ dàng lắp đặt, vận hành, ít lỗi, khả năng tương thích cao và giá thànhthấp

- Độ rộng phổ lớn, không cần phải mở rộng thêm băng thông, tốc độđường truyền cao, ổn định (Các nhà khoa học trên thế giới đã nghĩ đến việc sửdụng các băng tần cao hơn, nhưng công nghệ điện tử và chế tạo chưa theo kịp

Do đó người ta đã sử dụng một số phương pháp khác như sử dụng lại kênh tầnsố nhưng vẫn còn những vấn đề phát sinh như gây nhiễu lẫn nhau giữa cácthiết bị cùng tần số, hoặc xung đột giữa các thiết bị )

Do đó ứng dụng Chuẩn Zigbee vào mạng cảm biến không dây sẽ là mộtgiải pháp hiệu quả để giải quyết các vấn đề trên

1.2 Sự ra đời của chuẩn Zigbee:

* Chuẩn Zigbee (chuẩn IEEE 802.15.4) là một chuẩn thuộc nhóm chuẩnIEEE 802.15 Nhóm chuẩn này ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN ChuẩnWPAN là chuẩn của mạng cá nhân không dây, dùng để điều khiển dữ liệutrong không gian nhỏ và truyền tin trong khoảng cách tương đối ngắn (bánkính hoạt động nhỏ hơn 30m) Song chuẩn WPAN tiêu tốn ít năng lượng, độsuy hao năng lượng thấp, vận hành trong không gian nhỏ, cơ sở hạ tầng khôngyêu cầu cao nhưng vẫn liên lạc hiệu quả

Nhóm chuẩn WPAN (IEEE 802.15) được chia ra làm 3 loại:

Sự phân chia này được dựa vào 3 yếu tố là: + Tốc độ truyền tin

+ Mức tiêu hao năng lượng+ Chất lượng phục vụ QoS

- IEEE 802.15.3: (Untra Wide Band): Ứng dụng đa phương tiện, chấtlượng phục vụ cao Sử dụng phần lớn phổ để trao đổi dữ liệu Tín hiệu cho mỗi

băng tần thường nhỏ và ít bị nhiễu bởi các tín hiệu khác IEEE 802.15.3 có khảnăng truyền hàng trăm Mbit/s trong phạm vi hàng trăm mét.

- IEEE 802.15.1: (Bluethoot): Sử dụng trong mạng điện thoại tế bào,máy tính cá nhân bỏ túi PDA, có QoS phù hợp Chuẩn này được phát triển cókhả năng kết nối với 7 thiết bị con, được thiết kế để thay dây dẫn trong kết nốicác thiết bị ngoại vi Phiên bản mới nhất là 2.0 + ERD có khả năng truyền3Mbit/s trong khoảng 100

- IEEE 802.15.4: (Zigbee): Ứng dụng vào mạng cảm biến dùng để điềukhiển, cảm biến và truyền dữ liệu

+ IEEE 802.15.4 hoạt động ở dải tần 2,4GHz với 255 thiết bị Phạm vitruyền khoảng 10m với tốc độ truyền 250kbps

+ IEEE 802.15.4a hoạt động ở dải tần 868MHz, 900MHz với 65000 thiết

bị Phạm vi hoạt động 75m với tốc độ truyền tin 20kbps

Tùy vào từng ứng dụng mà chuẩn Zigbee sẽ hoạt động trên từng băngtần khác nhau (Băng tần 2,4GHz chỉ truyền được 10m so với 75m của băng tần868MHz và 900MHz nhưng tốc độ truyền tin là 250kbps)

IEEE.802.15.3 IEEE.802.15.1 IEEE.802.15.4

QoS Cao Trung bình Thấp

Ứng dụng Đa phương tiện Điện thoại, TB ngoại vi Cảm biến, truyền D.liệu

PP giao tiếp Truyền file có d.lượng lớn Truyền file hình ảnh, thoại Truyền gói

tin nhỏ

1.3 Ưu điểm của chuẩn Zigbee:

- Áp dụng cho hệ thống điều khiển, cảm biến (do mạng cảm biến khôngdây chỉ truyền được tối đa là 250kbps ở dải tần 2,4GHz cho nên ứng dụng chủyếu của mạng là cảm biến và điều khiển, mạng không dùng để truyền dữ liệu)