Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1. Các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của một
một nút cảm biến không dây
2.1.1. Cấu trúc phần cứng cơ bản của một nút mạng cảm biến không dây
Cấu trúc phần cứng của một nút mạng cảm biến không dây được minh họa trong hình 2.1 bao gồm bốn thành phần chính.
Hình 2.1: Các thành phần chính trong cấu trúc phần cứng của một nút cảm biến không dây.
Thiết bị truyền thông: Thiết bị này cho phép các nút cảm biến có khả
năng truyền thông với nhau. Thiết bị truyền thông là một bộ thu phát vô tuyến được kết nối với một anten.
Bộ vi điều khiển: Bộ vi điều khiển điều khiển các hành vi hoạt động
của nút cảm biến. Nó là một bộ vi xử lý nhỏ trên đó chạy phần mềm của nút mạng cảm biến.
Bộ cảm biến: Cho phép các nút cảm biến có khả năng tương tác với
thế giới vật lý.
Hình 2.2: Bo mạch Tmote Sky.
Hình 2.2 minh họa các thành phần cơ bản của một nền tảng phần cứng điển hình, đó là bo mạch mẫu thử nghiệm Tmote Sky của hãng Moteiv. Nó bao gồm bộ vi điều khiển, nguồn điện, bộ thu phát vô tuyến và các kết nối mở rộng để kết nối với các cảm biến. Nguồn năng lượng là một bộ pin gồm hai tế bào pin AA hoặc nguồn cấp từ máy tính qua giao tiếp USB. Bộ thu phát vô tuyến được gắn ở phía bên trong của bo mạch. Hệ thống sử dụng một ăng-ten gắn liền với bo mạch. Trên bo mạch được tích hợp sẵn cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Các cảm biến có thể được gắn thêm với bo mạch thông qua các kết nối mở rộng. Vì vậy chúng ta có thể sử dụng bo mạch như một hệ thống tạo mẫu cho nhiều ứng dụng khác nhau.
2.1.2. So sánh các thành phần tiêu thụ năng lượng trong cấu trúc phần cứng của nút mạng cảm biến không dây
Các nút mạng cảm biến không dây cần phải được quan tâm đến vấn đề sử dụng năng lượng. Năng lượng được cung cấp bằng pin hoặc từ năng lượng được tích trữ từ môi trường. Trong cả hai trường hợp thì năng lượng là một tài nguyên hạn chế. Việc tối ưu năng lượng phải được thực hiện ở cả cấp độ phần cứng và phần mềm. Nếu phần cứng không hiệu quả về năng lượng thì rất khó
đạt được sự vận hành ở mức năng lượng thấp. Tương tự như vậy, nếu không có phần mềm hiệu quả về năng lượng thì cũng không thể đạt được sự vận hành ở mức năng lượng thấp của phần cứng. Để hiểu được cách xây dựng phần mềm nhằm tối ưu năng lượng tiêu thụ của một nút mạng cảm biến không dây, thì đầu tiên chúng ta cần quan tâm đến các bộ phận tiêu thụ nhiều năng lượng trong một nút cảm biến.
Hình 2.3: Công suất tiêu thụ của bộ vi điều khiển và bộ thu phát vô tuyến trên bo mạch Tmote Sky.
Hầu hết các nút mạng cảm biến không dây được trang bị bộ thu phát vô tuyến công suất thấp. Các bộ thu phát vô tuyến này là thành phần tiêu thụ năng lượng nhiều nhất. Hình 2.3 minh họa những phân tích về sự tiêu thụ năng lượng của bo mạch Tmote Sky. Đồ thị cho thấy sự tiêu thụ năng lượng của bộ vi điều khiển ở chế độ ngủ, chế độ hoạt động và bộ thu phát vô tuyến ở chế độ lắng nghe, chế độ truyền. Các bộ thu phát vô tuyến tiêu thụ gần gấp mười lần năng lượng tiêu thụ của bộ vi điều khiển ở chế độ tích cực. Đồ thị cũng cho thấy năng lượng tiêu thụ của bộ thu phát vô tuyến ở chế độ lắng nghe cao gần bằng năng lượng tiêu thụ của bộ thu phát vô tuyến ở chế độ truyền. Điều này nghĩa là chi phí năng lượng để nhận được một gói tin gần bằng với chi phí năng lượng để truyền nó. Nhưng điều quan trọng nhất là quá trình lắng nghe nhàn rỗi lưu lượng vô tuyến là rất tốn năng lượng.
Để giải thích lý do tại sao chi phí lắng nghe và truyền gần như bằng nhau thì chúng ta cùng xem xét cấu trúc bộ thu phát vô tuyến. Hình 2.4 là sơ đồ bản vẽ bên trong của một bộ thu phát vô tuyến. Hình vẽ này cho thấy các khối bên trong của bộ thu phát vô tuyến bao gồm: Khối truyền (TX), khối nhận (RX), khối dao động nội (LO), khối khuếch đại công suất (PA), và bộ lọc cho các tín hiệu vào và ra. Bộ lọc được kết nối với Anten bên ngoài.
Hình 2.4: Sơ đồ khối của bộ thu phát vô tuyến.
Đối với bộ thu phát vô tuyến công suất thấp theo chuẩn IEEE 802.15.4 thì công suất ra cung cấp cho Anten hầu hết là cỡ 1mW. Tuy nhiên, bộ thu phát tiêu thụ tổng công suất là 60mW, như được chỉ ra trong hình 2.4. Do đó, phần công suất 59mW tiêu thụ bởi các bộ thu phát là dùng cho các bộ dao động nội, và các bộ phận khác của mạch thu phát. Bởi vì mạch thu và phát là giống nhau, cả hai đều phải điều chế và giải điều chế các tín hiệu vô tuyến đến và đi dựa trên xung đồng bộ lấy từ bộ dao động nội. Bộ khuếch đại công suất không phải là bộ phận tiêu thụ công suất chính trong các bộ thu phát vô tuyến công suất thấp này.
Đối với bộ thu phát vô tuyến công suất tương đối cao, chẳng hạn như bộ thu phát vô tuyến theo chuẩn WiFi 802.11 thì công suất đầu ra lớn hơn
nhiều so với 1mW, do vậy công suất tiêu thụ bởi bộ khuếch đại công suất cao hơn nhiều (lên đến 100mW).