Đơn vị điều chế là một phần của bộ vi điều khiển có thể đọc dữ liệu cảm biến, thực hiện một số tính tốn, tạo ra một gói sẵn sàng cho việc truyền tải trong truyền thông không dây. Yêu cầu bộ nhớ cục bộ sẽ không cao và nhấn mạnh vào các chế độ hoạt động với công suất thấp. Mô đun truyền thông thƣờng sẽ là một bộ thu phát RF đƣợc hỗ trợ chuẩn 802.15.4 thu thập thông tin và trao đổi hoặc kiểm soát việc thu thập dữ liệu. Chia sẻ thông tin giữa các node cảm biến sẽ tiêu tốn nhiều năng lƣợng hơn là thực hiện tính tốn trong node cá nhân. Do đó đây là bộ phận tiêu thụ nhiều năng lƣợng hơn so với các bộ phận khác trong node cảm biến.Trong bộ cảm biến, cảm biến đƣợc sử dụng để thu thập các thông số môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ khí…, tùy thuộc vào đối tƣợng cần cảm nhận mà mức tiêu thụ năng lƣợng ở cảm biến là khác nhau. Với bộ nguồn, các trạm cơ sở thƣờng kết nối với nguồn điện chính, trong khi các node trong mạng phụ thuộc vào năng lƣợng của pin dự trữ. Do đó có một yêu cầu để lựa chọn phần cứng hiệu suất cao và các chế độ hoạt động hiệu quả khác nhau giúp tiêu thụ năng lƣợng trong mạng hiệu quả hơn. Hình bên dƣới phản ánh tiêu thụ năng lƣợng của mạng cảm biến không dây ở các trạng thái khác nhau.[10]
Hình 3.2. Năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến
Từ hình 3.2có thể thấy năng lƣợng tiêu hao nhất ở chế độ truyền thông đặc biệt là ở chế độ gửi dữ liệu, do đó cần có giải pháp truyền thơng để giảm thiểu sự tiêu hao này. Một node cảm biến khi đƣợc thiết kế nên thỏa mãn điều kiện sau:
- Tùy thuộc vào từng ứng dụng, yêu cầu cụ thể để lựa chọn phần cứng sao cho phù hợp, tiết kiệm năng lƣợng nhất.
- Kết hợp các thành phần bên ngồi thực hiện cơng việc hiệu quả hơn mà vẫn đảm bảo tiết kiệm điện năng tiêu thụ.
Đơn vị xử lý:Về cơ bản bộ vi xử lý đƣợc xây dựng trên vi điều khiển đọc dữ liệu
cảm biến là một mơ đun cốt lõi để tính tốn trong một node cảm biến khơng dây, kiểm sốt việc lập trình nhiệm vụ, tính tốn năng lƣợng, xác định các giao thức truyền thông. Bộ xử lý là phần quan trọng nhất, do đó cần phải chọn một bộ xử lý hoạt động hiệu quả. Năng lƣợng tiêu thụ của bộ xử lý chủ yếu phụ thuộc vào thời gian chuyển chế độ, từ chế độ ngủ sang chế độ hoạt động.
Có rất nhiều vi điều khiển sẵn có đƣợc sử dụng cho các mục đích cơng nghiệp, mỗi loại có các tính năng khác nhau và đƣợc sử dụng khác nhau tùy thuộc vào từng mục
đích sử dụng ví dụ nhƣ điện áp hoạt động, kênh truyền, RAM, Bits, Flash, và điện năng tiêu thụ ở các chế độ ngủ, hoạt động, công suất thấp. Vi điều khiển Atmega 8 là sự lựa chọn phù hợp cho mạng cảm biến không dây, ATmega8 là một vi điều khiển CMOS 8- bit công suất thấp dựa trên kiến trúc AVR. ATmega8 đạt đƣợc thông lƣợng tiếp cận 1MIPS trên mỗi MHz, cho phép nhà thiết kế hệ thống tối ƣu hóa điện năng tiêu thụ so với tốc độ xử lý. Tốc độ tối đa: 16MHz, dung lƣợng bộ nhớ chƣơng trình: 8 KB, bộ nhớ EEPROM: 512 Byte, dung lƣợng bộ nhớ RAM: 1 KB. Bộ nhớ chƣơng trình có khả năng ghi 10.000 lần, bộ nhớ EEPROM có thể ghi 100.000 lần.Hỗ trợ bootloader, có khả năng tự ghi vào bộ nhớ chƣơng trình, cập nhật chƣơng trình cho chip mà khơng cần mạch nạp. Timer 8 bit: 2, timer 16 bit: 1, ADC: 6 kênh, 10 bit, giao tiếp: TWI (I2C), UART, SPI, điện áp hoạt động: Atmega8L: 2.7V – 5.5V, Atmega8: 4.5V – 5.5V.[2,21]
Bộ thu phát vô tuyến: Kết quả nghiên cứu ở các phần trên cho thấy bộ thu phát vô
tuyến là bộ phận tiêu tốn nhiều năng lƣợng nhất trong mạng cảm biến. Trong hầu hết các mạng cảm biến, để giảm chi phí truyền thơng có 2 phƣơng pháp chính là cấu hình MAC và lớp mạng là giải pháp tắt các bộ thu phát vô tuyến khi không cần sử dụng, phƣơng pháp thứ 2 là giảm dữ liệu và sắp xếp lại dữ liệu nhằm khai thác mối tƣơng quan trong dữ liệu để giảm kích thƣớc dữ liệu và giảm chi phí truyền thơng. Trong định tuyến đa hƣớng, khi không đƣợc yêu cầu, bộ thu phát đƣợc đặt tắt nhằm tiết kiệm năng lƣợng, tuy nhiên khi đó khu vực mạng chứa các bộ thu phát này sẽ không thể truy cập do phân vùng định tuyến. Do đó, để đảm bảo thơng tin liên lạc liên tục mà vẫn tiết kiệm điện năng, bộ thu phát khi không làm việc đƣợc chuyển về chế độ công suất thấp và sẵn sàng chuyển sang chế độ làm việc công suất cao khi đƣợc yêu cầu. Quá trình chuyển đổi giữa 2 chế độ cũng có thể gây thất thốt một lƣợng năng lƣợng đáng kể, vì vậy khi lựa chọn bộ thu phát vô tuyến cần chú ý đến khoảng thời gian chuyển chế độ này, thời gian ngắn sẽ giảm năng lƣợng thất thoát hơn.
Lựa chọn bộ thu phát vô tuyến phù hợp với yêu cầu nghiên cứu đảm bảo thông tin liên lạc liên tục và tiết kiệm điện năng tiêu thụ, luận văn sử dụng bộ thu phát nRF24L01. Mô đun không dây nRF24L01 (+) 2.4GHz đƣợc sử dụng để thu phát dữ liệu, sử dụng bộ khuếch đại cơng suất (PA) và có tạp thấp. Bộ điều khiển PA đƣợc sử dụng để thiết lập đầu ra công suất từ bộ khuếch đại RF thu phát (PA) với phạm vi công suất từ 0dBm đến -18dBm trong chế độ phát. Bộ thu phát có ba chế độ tốc độ dữ liệu 2Mbps, 1Mbps và 250Kbps.[10,14,15,21]
Cảm biến: Trong thực tế đơn vị cảm biến là phƣơng tiện để giao tiếp giữa môi
trƣờng vật lý và đơn vị xử lý, bộ cảm biến là một trong những phần quan trọng của mạng cảm biến khơng dây, nó cảm nhận hoặc phát hiện trạng thái của các đối tƣợng đƣợc khảo sát và gửi dữ liệu tới bộ vi xử lý. Bộ xử lý sẽ xử lý dữ liệu và quyết định có truyền đến các trạm cơ sở hay khơng.Một node cảm biến khơng dây có thể đƣợc xây dựng với các loại cảm biến khác nhau, và mỗi loại cảm biến tiêu thụ một lƣợng năng lƣợng khác nhau. Các cảm biến đo các thông số môi trƣờng thông thƣờng sẽ tiêu tốn một lƣợng năng lƣợng không đáng kể, tuy nhiên với các đối tƣợng yêu cầu độ chính xác cao thì lƣợng năng lƣợng này góp một phần khơng nhỏ vào tổng điện năng tiêu thụ.[1,3]
3.2. Nguồn năng lƣợng
Nguồn cấp năng lƣợng chủ yếu cho các node cảm biến là pin dự trữ, sự hạn chế về tuổi thọ của pin dẫn đến sự hạn chế tuổi thọ của node cũng nhƣ mạng cảm biến. Bên cạnh những nỗ lực tìm kiếm giải pháp tiết kiệm năng lƣợng dựa trên thiết kế phần cứng, phần mềm, các nhà nghiên cứu ngày càng tập trung vào hệ thống cung cấp năng lƣợng. Một trong số giải pháp đƣợc đƣa ra là khai thác nguồn năng lƣợng từ thiên nhiên nhƣ ánh sáng mặt trời, nhiệt … Việc sử dụng các kĩ thuật mới này trong mạng cảm biến không dây ngày càng trở nên phổ biến vì chúng có thể giúp giảm thiểu điện năng tiêu thụ thậm chí là loại bỏ sự phụ thuộc của node vào pin. Tuy nhiên khó khăn
của vấn đề này là cần tích trữ năng lƣợng để hoạt động trong thời gian dài, trong những ngày khơng có ánh nắng mặt trời hoặc ban đêm.[4,21]
3.3. Giao thức MAC
Giao thức MAC đóng một vai trò quan trọng trong mạng lƣới tiết kiệm năng lƣợng vì nó trực tiếp điều khiển đơn vị truyền thơng khơng dây chính là thành phần tiêu tốn năng lƣợng nhiều nhất ở node cảm biến.
Hoạt động của các giao thức MAC dựa trên các thơng số có sẵn đƣợc lập trình theo thời gian sao cho mỗi trạng thái làm việc của node cảm biến đƣợc tính tốn chính xác để tránh những va chạm không cần thiết hay các vấn đề node ẩn để tiết kiệm năng lƣợng.
μ-MAC là một giao thức dựa trên lịch biểu có q trình tranh chấp và không tranh chấp. Năng lƣợng đƣợc tiết kiệm trong quá trình va chạm khi các node ngủ, độ tin cậy và độ trễ gói tin có thể ở mức chấp nhận đƣợc. Tuy nhiên, thƣờng xuyên xảy ra tranh chấp khi truyền tin có thể gây thất thốt năng lƣợng, vì vậy hiệu suất năng lƣợng không thể đảm bảo nếu μ-MAC đƣợc sử dụng trong một môi trƣờng mạng năng động và thƣờng xuyên thay đổi.[11,13]
Các giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh đang đƣợc sử dụng phổ biến trong các mạng cảm biến không dây với cơ chế truy cập kênh ngẫu nhiên và linh hoạt giảm mất mát năng lƣợng khi va chạm.B-MAC (Berkeley MAC) một trong những giao thức nổi tiếng nhất dựa trên giao thức MAC, đƣợc thiết kế dựa trên cơ chế đặc biệt dành cho các mạng cảm biến không dây năng lƣợng thấp. Để giảm tiêu thụ năng lƣợng, BMAC cung cấp đánh giá kênh rõ ràng giúp máy phát có thể làm việc hiệu quả trong các điều kiện mạng khác nhau. Tại máy thu, một cơ chế nghe điện năng thấp (LPL) đƣợc sử dụng để đạt đƣợc một chu kỳ nhiệm vụ thấp, do đó các node cảm biến thức dậy theo định kỳ để kiểm tra các hoạt động kênh. Nếu phát hiện có hoạt động, node cảm biến đƣợc đánh thức trong một khoảng thời gian cụ thể cho gói tin tới và sau đó trở lại trạng
thái ngủ.Nếu khơng nhận đƣợc gói tin nào thì sau một khoảng thời gian chờ node cũng trở lại trạng thái ngủ để bảo toàn năng lƣợng.[10,13]
S-MAC (Sensor-MAC) là một giao thức phổ biến khác dựa trên sự cạnh tranh, nó đƣợc xây dựng dựa trên định kỳ chu kỳ nhiệm vụ buộc các node về trạng thái ngủthay vì nghe nhàn rỗi để bảo tồn năng lƣợng. Lịch trình đƣợc thiết lập giữa các node làm cho chúng tổ chức dƣới dạng một cụm ảo. Trong S-MAC, quá trình truy cập kênh đƣợc chia thành hai phần: trong khoảng thời gian đầu tiên(giai đoạn nghe) các node trao đổi các gói tin với nhau và một số gói tin kiểm sốt để xây dựng một chƣơng trình kết nối nhằm tránh xung đột. Truyền dữ liệu thực giữa các node tƣơng quan diễn ra trong giai đoạn thứ 2 (đối với các node khác không liên quan chúng sẽ ngủ trong khoảng thời gian này). Theo kế hoạch đã đƣợc xây dựng, bộ thu nhận dữ liệu trung gian và node nguồn liên quan thức dậy để truyền thông đồng thời, trong khi các node khác ở chế độ ngủ chờ đến giai đoạn nghe tiếp theo. Sơ đồ hoạt động cơ bản đƣợc trình bày ngắn gọn trong Hình 3.3[ 10,11,21]
Với tính năng phân mảnh gói tin, S-MAC có thể chia một gói tin dài thành các gói nhỏ và gửi nó giúp giảm thiểu độ trễ và vấn đề lƣu trữ.Bên cạnh đó, cần nỗ lực để đảm bảo rằng hai node lân cận không thể đƣợc tham gia vào hai lịch trình khác nhau (hai nhóm ảo) vì có thể gây ra tiêu thụ năng lƣợng không cần thiết trong nghe nhàn rỗi.
T-MAC (Timeout MAC) đƣợc đề xuất nhƣ một phiên bản cải tiến của S-MAC vì các tham số của S-MAC (chẳng hạn nhƣ thời gian nghe và ngủ) là hằng số và không thể thay đổi sau khi triển khai, nó khơng phù hợp trong mạng cảm biến khơng dây.Ngồi ra, trong các mạng khi khơng có bất kì truyền thơng nào, S-MAC vẫn phải thức tỉnh định kỳ và điều này gây ra lãng phí năng lƣợng đáng kể. Do đó, thiết kế của T-MAC cung cấp một chu trình nhiệm vụ năng động và có thể cấu hình bằng cách sửa đổi thời gian ngủ-nghe để cải thiện hiệu suất tiêu thụ năng lƣợng và hỗ trợ khi truyền thơng thay đổi.
Hình 3.4. Chu kì hoạt động của T-MAC
Trong T-MAC, các node cảm biến có thể tự động chuyển sang giai đoạn ngủ ngay cả khi khơng có sự kích hoạt nào xảy ra trong một khoảng thời gian cụ thể vì vậy có thể bảo tồn năng lƣợng nhiều hơn.[13]
Ý tƣởng cơ bản về các giao thức MAC dựa trên lai hóa là để đạt đƣợc hiệu suất năng lƣợng tốt hơn bằng cách kết hợp lợi thế của các giao thức dựa trên lịch trình và cạnh tranh. Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 là một trong những ví dụ thú vị trong thể loại này. Mạng dựa trên IEEE 802.15.4 có thể đƣợc hình thành thành một cấu trúc liên kết
sao, một topo mạng hình cây hoặc một topo mạng lƣới với hai phƣơng thức truy cập kênh đƣợc hỗ trợ bởi lớp MAC IEEE 802.15.4.[13,15]
Nhìn chung, các giao thức MAC xây dựng dựa trên các thông số chu kì nhiệm vụ, thời gian thực hiện thuật tốn sắc có sẽ đạt hiệu quả năng lƣợng tốt. Khi đó, truyền thơng khơng dây chỉ thực hiện trên các node đƣợc yêu cầu trong khi các node khác đƣợc thiết lập ở trạng thái ngủ để bảo tổn năng lƣợng. Các mạng cảm biến không dây thƣờng đƣợc triển khai rộng rãi và có cấu trúc liên kết động do đó các giao thức định thời với các tham số đƣợc xác định trƣớc sẽ làm cho mạng thiết tính linh hoạt và khả năng mở rộng để giải quyết sự phức tạp trong các nhiệm vụ của mạng. Vì vậy, các giao thức định thời này ít đƣợc sử dụng trong mạng thực mặc dù nó hoạt động hiệu quả nguồn năng lƣợng.
So với các giao thức dựa trên các tham số có sẵn, các giao thức MAC dựa trên sự cạnh tranh có thể gây thất thoát năng lƣợng hơn do cạnh tranh hay va chạm. Tuy nhiên lợi thế của chúng lại là độ linh hoạt cao và có khả năng mở rộng để bù đắp lại nhƣợc điểm tiêu hao năng lƣợng.Mặc dù các loại giao thức này đƣợc áp dụng rộng rãi trong mạng thực tế, chúng vẫn gặp phải thách thức giải quyết vấn đề năng lƣợng mà không phải hy sinh các chỉ số hiệu suất khác.
Để kết hợp cả hai điểm mạnh của các giao thức dựa trên lịch trình và cạnh tranh, các giao thức lai hóa rất hữu ích trong việc tìm kiếm một sự cân bằng giữa năng lƣợng và hiệu suất khác. Bất lợi là đơi khi nó q phức tạp để đƣợc áp dụng cho một quy mô triển khai mạng nhanh chóng. Các mạng dựa trên IEEE 802.15.4 đang nổi lên cung cấp một hƣớng nghiên cứu có giá trị có thể giúp phát triển nhanh loại giao thức này.[11,13,21]
Kết luận chƣơng 3
Sau khi phân tích cấu trúc mạng cảm biến khơng dây, nguyên nhân gây mất mát năng lƣợng, nội dung chƣơng này đã chỉ ra sự tiêu hao năng lƣợng trong mạng cảm
biến không dây không chỉ đến từ các thành phần phần cứng mà còn do thành phần phần mềm ngoài ra còn phụ thuộc vào một số yếu tố khác. Sự tiêu tốn năng lƣợng bởi các thành phần phần cứng và sự phụ thuộc vào các yếu tố sẽ đƣợc làm rõ trong nội dung chƣơng tiếp theo.
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, TÍNH TỐN NĂNG LƢỢNG CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN CHO MỘT MẠNG CẢM BIẾN
Trong chƣơng này, luận văn trình bày các phƣơng pháp khả dĩ để khảo sát năng lƣợng tiêu thụ trong node cảm biến nói riêng và của tồn mạng nói chung, đồng thời cũng trình bày một số yếu tố ảnh hƣởng đến tiêu thụ năng lƣợng trong mạng cảm biến không dây. Trên cơ sở khảo sát, đánh giá đề xuất giải pháp quản lý năng lƣợng mạng phù hợp với từng ứng dụng cụ thể và môi trƣờng hoạt động thực tế.
4.1. Năng lƣợng mạng
Năng lƣợng là một phần quan trọng của mạng cảm biến không dâyảnh hƣởng đến chất lƣợng và tuổi thọ mạng.Tùy thuộc vào cấu trúc và từng ứng dụng cụ thể mà lƣợng năng lƣợng tiêu thụ của mạng là khác nhau.Năng lƣợng tiêu thụ đƣợc tính bởi cơng thức cơ bản nhƣ sau:
E = P * t = (V * I)*t (4.1)
Sử dụng cơng thức trên ta có thể theo dõi từng hoạt động ở các trạng thái khác nhau, ghi lại thời gian và mức năng lƣợng tƣơng ứng từ đó xác định đƣợc năng lƣợng tiêu thụ. Nhƣ vậy, năng lƣợng tiêu thụ trong một khoảng thời gian cụ thể là một hàm tuyến tính theo thời gian.
Khi xây dựng mơ hình năng lƣợng cần quan tâm đến các thiết bị ngoại vi đƣợc