a/ Node mạng cảm biến
Các hạt bụi được sử dụng như là các node cảm biến. Thành viên trong họ bụi được gọi là Mica, sử dụng một kênh đơn, tần số vô tuyến 916 MHz từ khối RF cung cấp truyền thông hai chiều tại 40kps, một vi điều khiển Atmel Atmega 103 chạy tại tần số 4 MHz, và có thể quan tâm đến giá trị bộ nhớ không bay hơi (512kb), Một đôi nguồn pin AA thông thường và một bộ chuyển đổi tăng thế DC cung cấp một nguồn điện áp ổn định, thông qua các nguồn năng lượng có khả năng hồi phục khác có thể được sử dụng một cách dễ dàng. Node có kích thước nhỏ và vào khoảng 2.0× 1.5×0.5 inches.
b/ Board cảm biến
Một board cảm biến giám sát môi trường được sử dụng để cung cấp các phép đo lường. Mica Weather Board cung cấp các cảm biến để giám sát giám sát sự thay đổi các điều kiện môi trường với các chức năng giống nhau như một trạm dự báo thời thiết truyền thống. Mica Weather Board bao gồm các cảm biến nhiệt độ, quang trở, áp suất khí áp, độ ẩm, hồng ngoại thụ động (nhiệt điện). Module áp suất khí áp là một cảm biến số được sản xuất bởi hãng Intersema. Cảm biến có độ nhạy từ 0.1 mbar áp suất và có một dải áp suất tuyệt đối từ 300 đến 1100mbar. Module được định chỉnh trong suốt quá trình sản suất và các hệ số định chỉnh được lưu trữ trong bộ nhớ cố định EEPROM. Module áp suất bao gồm một cảm biến nhiệt độ định chỉnh để bù lại các xác nhận áp xuất khí áp chưa xử lý.
Cảm biến độ ẩm được sản xuất bởi General Eastern. Nó là một cảm biến điện dung polymer sản xuất với điện dung trong khoảng 1pF (sai số ± 3%). Phần tử cảm biến bao gồm một lớp vỏ kim loại phân cực bao lấy lớp polimer cảm biến độ ẩm. Cảm biến được module bởi bộ định thời 555 CMOS để cảm biến tích điện trong tụ điện và được lọc thông qua mạch RC. Điện áp kết quả thu được khuếch đại bởi một bộ khuếch đại cho cảm biến rộng hơn qua dải độ ẩm tương đối 0 đến 100%.
Pin nhiệt điện là một cảm biến hồng ngoại thụ động sản xuất bởi Melexis. Sức nóng từ các hộp đen trong trường cảm biến trong tầm cảm biến là nguyên nhân gây ra sự khác biệt nhiệt độ giữa mối hàn lạnh và màng của pin nhiệt điện. Sự khác biệt nhiệt độ được biến đổi thành một điện thế điện tử nhờ hiệu suất nhiệt điện trong các mối hàn nhiệt điện. Cảm biến không yêu cầu điện áp cung câp. Pin nhiệt điện bao gồm một thermistor trong khối silicon và thermistor có thể được sử dụng để đo lường nhiệt độ của cold junction trên pin nhiệt điện và tính toán độ chính xác nhiệt độ hộp đen. Quang trở là một biến trở trong mạch chia điện áp. Mức chia điện áp được đo bởi ADC. Loại cảm biến nhiệt độ cuối cùng là một cảm biến định chỉnh số mà truyền thông qua I2 C bus.
Sự kết hợp đơn nhất của các cảm biến có thể được sử dụng cho một số lượng lớn các hoạt động tập thể. Pin nhiệt điện có thể được sử dụng trong các mối hàn với thermistor và quang trở để phát hiện đám bụi trôi qua. Pin nhiệt điện cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự chiếm đóng, đo lường nhiệt độ các đối tượng ở gần (ví dụ, một con chim hoặc một tổ chim), và cảm biến những thay đổi trong nhiệt độ của các đối tượng. Nếu độ cao ban đầu chưa được biết, module đo khí
áp có thể được sử dụng như một dụng cụ đo độ cao. Các board cảm biến trong vị trí chiến lược với các cảm biến áp suất khí áp có thể phát hiện ra tốc độ và hướng gió nhờ bắt trước hướng gió giống như dòng chảy chất lỏng qua chuỗi các khe hở.
Một bộ biến đổi Analog sang số I2C được tách rời từ board xử lý Mica để cung cấp thêm độ mềm dẻo lớn hơn trong việc phát triển các thành phần để giảm mức tiêu thụ nguồn. ADC sử dụng nguồn thấp hơn so với bộ xử lý Atmel trên Mica, có thể được sử dụng song song với bộ xử lý hoặc bộ truyền dẫn vô tuyến trên Mic, và có thể được điều khiển trong các chế độ nguồn thấp khác nhau và chế độ ngủ đông. Thêm nữa board cảm biến bao gồm một chuyển mạch nguồn I2 C 8×8 để cho phép các thành phần riêng rẽ trên board được bật hoặc tắt. Mỗi chuyển mạch có thể được điều khiển độc lập với các chuyển mạch khác, thêm nữa để giảm mức tiêu thụ nguồn.
MWB được thiết kế với khả năng thao tác với các phần trong chúng. Mica bao gồm một connector mở rộng 51 chân. Connector cho phép các board cảm biến ngăn xếp lên trên nhất với các thành phần khác. Thay vì cho phép mỗi board thay nhau kết nối đến các chân connector, một giao thức truy nhạp được sử dụng. Mica se thay đổi giá trị một chuyển mạch trên board cảm biến sử dụng bus I2 C. Thay đổi giá trị chuyển mạch gây ra mức logic phần cứng của board cảm biến để truy nhập tài nguyên Mica. Khi một board truy nhập, nó có thể sử dụng nguồn, ngắt, ADC và đường EEPROM để kết nối trực tiếp đến bộ vi xử lý và các thành phần trên board xử lý Mica.
c/ Khối năng lượng
Nhiều ứng dụng giám sát môi trường sống cần chạy với thời gian 9 tháng, theo suốt thời gian trong mùa sinh sản. Mica chạy trên một đô nguồn pin AA với dung lượng điển hình 2.5 Ah. Một mức ước lượng trung bình mà nguồn cung cấp 2200 mAh tại mức điện áp 3V.
Hệ thống điều khiển không giống nhau thông qua thời hạn phát triển, và mỗi node có 8.148 mAh trên mỗi ngày để sử dụng. Ứng dụng chọn cách để thiết lập vị trí khối năng lượng giữa các chế độ ngủ, cảm biến, tính toán nội bộ và truyền thông với nhau. Các node khác nhau trong mạng có các chức năng khác nhau, và chúng cũng có những yêu cầu nguồn rất khác nhau. Các node gần gateway yêu cầu chuyển tất cả các bản tin trong mảng, nhưng ngược lại một node trong một
tổ có thể báo cáo các bản reading của nó. Khi nguồn bị giới hạn, các node tiêu thụ hết nguồn, mạng được tách ra.
Nguồn tối thiểu trong chế độ ngủ bao gồm chế độ khoá các cảm biến, máy thu vô tuyến, đặt bộ xử lý vào trong chế độ ngủ. Các chân I/O của bộ vi điều khiển yêu cầu được đặt vào trạng thái pull-up bất cứ khi nào yêu cầu, giống như chúng có thể đóng góp gấp nhiều lần so với dòng rò 100µA. Kiến trúc Mica sử dụng một máy tăng thể DC để cung cấp điện áp ổn định từ các nguồn pin kiềm giảm xuống. Khi không tải, máy tăng thế kéo dòng từ 200µA đến 300µA, phụ thuộc vào điện thể nguồn pin. Trong khi các chức năng này là cốt yếu cho việc đọc và truyền thông cảm biến dự báo trước, nó không cần thiết trong chế độ ngủ đông. Dòng điện kéo của bộ vi xử lý tỷ lệ với điện áp cung cấp.
d/ Các gateway Patch
CerfCubes là một hệ thống nhỏ, hệ thống nhúng dựa trên StrongArm đóng vai trò như một gateway mảng cảm biến. Mỗi gateway được trang bị một bộ thích ứng Compact Flash 802.11b. Các CerfCube chạy một phiên bản nhúng của hệ điều hành Linux. Bộ lưu trữ cố định có số lượng lớn, và gateway có thể sử dụng IBM MicroDrive nó cung cấp bộ nhớ lên tới 1Gb. Để đáp ứng các yêu cầu nguồn CerfCube, một panel năng lượng mặt trời cung cấp công suất 60 đên 120W trong trường hợp đủ nắng được kết nối đến một nguồn pin có thể nạp lại với dung sai 50 đến 100 Watt-hour (ví dụ accu chì xit kín). CerfCube với một antenna 2.4GHz phát xạ mọi hướng 12dbi cung cấp một dải hoạt động xấp xỉ khoảng 1000 feet.
Trong giải pháp mote-to-mote, một hạt cảm biến được kết nối đến một trạm gốc và một hạt cảm biến nằm trong mảng cảm biến. Cả hai hạt cảm biến đều được kết nối đến antenna Yagi 916Mhz định hướng 14 dbi có dải hoạt động lớn hơn 1200feet.Sự khác biệt giữa hạt cảm biến và CertCube gồm có một tần số truyền thông khác nhau và các yêu cầu về nguồn, các thành phần phần mềm. Lớp MAC của hạt không yêu cầu một liên kết song hướng giống như 802.11 b. Thêm nữa, hạt cảm biến gửi dữ liệu thô với một tiêu đề gói nhỏ trong 4 byte trực tiếp qua kênh vô tuyến, trái với các overhead được thiết lập bởi 802.11b và các kết nối TCP/IP. Giải pháp hạt cho gateway được sử dụng là nguyên nhân gây ra hiệu quả sử dụng nguồn.
Tập các mảng cảm biến được nối đến Internet thông qua một liên kết diện rộng. Trên GDI, Internet được kết nối thông qua kết nối vệ tinh hai chiều. Hệ thống vệ tinh được kết nối đến một máy tính xách tay, kết hợp với các mảng cảm biến và cung cấp một dịch vụ cơ sở dữ liệu kiểu quan hệ. Trạm gốc có chức năng như một hệ thống khoá quay vòng, và thực thi không cần giám sát.
f/ Hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu lưu trữ các phép thu nhận time-stamped từ các cảm biến, trạng thái thể chất của các cảm biến riêng rẽ, siêu dữ liệu (ví dụ các vị trí các cảm biến). Cơ sở dữ liệu GDI được tái tạo cứ sau 15 phút một lần thông qua liên kết vệ tinh diện rộng.
Trong quá trình giám sát môi trường sống, mục đích cơ bản cuối cùng là tập hợp dữ liệu; tốc độ lấy mẫu và độ chính xác của các phép đo thường đọc ra bởi các chỉ định bên ngoài. Cho mọi cảm biến, có chi phí cho quá trình thu một mẫu đơn giản. chi phí của quá trình xử lý và nén dữ liệu được thương mại đối nghịch lại với chi phí truyền dẫn dữ liệu.
Năng lượng được phân phối cho quá trình lấy mẫu các cảm biến và truyền thông các kết quả, bảo trì các giao thức MAC mạng, thể chất và trạng thái, các bảng định tuyến và truyền dẫn các bản tin mạng. Các tác vụ này hoặc không được lập lịch chặt chẽ hoặc chạy theo yêu cầu. Tại một mức cao nhất, hệ thống được lập lịch tại mọi mức, từ truy nhập TDMA đến kênh vô tuyến, thông qua bộ tương thích lập lịch của các bộ định tuyến và chất lượng kênh. Chi phí overhead được trả trước và cố định. Một hệ thống TDMA được trông đợi để thực hiện tốt hơn nếu mạng tương đối không thay đổi. Tại mức khác, một kênh hailing nguồn mức thấp có thể được sử dụng để tạo ra sự đồng bộ theo yêu cầu giữa một bộ gửi và bộ nhận. Overhead dịch vụ tỷ lệ với mức sử dụng dịch vụ. Phương pháp này có thể mạnh mẽ hơn những thay đổi đột ngột trong mạng, tại mức tiêu thụ chi phí thêm. Cuối cùng, phương pháp lai ghép được chấp nhận, nơi mà mỗi dịch vụ thực hiện trong một kiểu theo yêu cầu, nhưng chu kỳ thời khi yêu cầu có thể xuất hiện được lập lịch cho nền tảng gốc.
Các kiểu truyền thông hiệu năng nguồn cho giám sát môi trường sống bao gồm một tập các thuật toán định tuyến, các thuật toán truy nhập môi trường, và quản lý truy nhập phần cứng. Các thuật toán định tuyến được biến đổi thích ứng cho truyền thông mạng hiệu năng trong bảo trì kết nối khi được yêu cầu nguồn hoặc các gói chuyển tiếp.
Một giải pháp định tuyến đơn giản cho các mạng cảm biến chu kỳ công suất thấp đơn giản để quảng bá dữ liệu đến một gateway trong suốt chu kỳ truyền thông lập lịch. Phương pháp này đạt hiệu quả tốt nhất khi dữ liệu chỉ được truyền thông trong một hướng và không phụ thuộc vào các node xung quanh cho việc chuyển tiếp các gói trong kiểu multi-hop. Triển khai định tuyến trên GDI là một kiến trúc phân cấp. Các node cảm biến trong các mảng chỉ được truyền dẫn với một chu kỳ công suất thấp và chúng được lấy mẫu một lần trên một giây. Bụi gateway được cấp nguồn đầy đủ nhờ nguồn năng lượng mặt trời, vì vậy nó luôn gửi và chuyển tiếp các gói đến trạm gốc. Một giao thức lập lịch multi-hop được sử dụng để tập hợp, kết hợp và truyền thông dữ liệu. Phương pháp này giống như GAF và Span (một thuật toán ngang hàng hiệu quả năng lượng cho bảo trì topology trong các mạng không dây chuyên dụng) được sử dụng để kéo dài tuổi thọ của mạng nhờ việc lựa chọn các miêu tả tham gia trên mạng, bằng cách ấy sẽ giảm mức tiêu thụ nguồn trung bình trên mỗi node. Mặc dù các phương pháp này cung cấp các nhân tố 2 đến 3 lần lâu hơn để vận hành mạng, ứng dụng của chúng ta yêu cầu một nhân tố 100 lần lâu hơn để vận hành mạng, khi các node cảm biến hoạt động tại hầu hết 1.4h mỗi ngày. GAF và Span không gây nên việc lấy mẫu không thường xuyên nhưng đúng hơn là duy trì kết nối và vận hành mạng. Lập lịch định tuyến multi-hop hoặc các giao thức MAC nguồn thấp được tăng lên với GAF và/hoặc Span để cung cấp các cách tiết kiệm nguồn truyền thống. GAF và Span là phần độc lập tần số truyền thông, nhưng ngược lại ứng dụng của chúng ta yêu cầu gia tăng các cách tiết kiện nguồn để có thể hoàn tất nhờ điều chỉnh tần số truyền thông.
Với sự lựa chọn, các giao thức MAC nguồn thấp có thể được sử dụng. Nhờ quá trình quyết định chu kỳ công suất, chúng ta có thể tính toán tần số với các mẫu vô tuyến cho một kí hiệu bắt đầu. Mở rộng, ký hiệu bắt đầu khi quá trình phát truyền các gói, chúng ta có thể so khớp với chiều dài của kí hiệu bắt đầu với tần số lấy mẫu. Các giao thức MAC nguồn thấp khác, giống như S-MAC (Sensor-MAC) và Aloha với quá trình lấy mẫu preamble, tận dụng các kỹ thuật tương tự để tắt bộ thu phát vô tuyến trong các chu kỳ rỗi để giảm mức tiêu thụ nguồn.
CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY