Kiến trúc nodecảm biến

Một phần của tài liệu (LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây (Trang 38 - 42)

CHƢƠNG 3 TIÊU THỤ NĂNG LƢỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

3.1. Kiến trúc nodecảm biến

Node cảm biến là thành phần phần cứng không thể thiếu để tạo thành một mạng cảm biến không dây và cũng là thành phần tiêu hao một lƣợng năng lƣợng không hề nhỏ trong tổng năng lƣợng tiêu thụ của mạng, do đó thiết kế một nền tảng node cảm biến tiêu thụ điện năng hiệu quả là cơ sở để phát triển các phƣơng pháp tiết kiệm năng lƣợng khác nhƣ giao thức, định tuyến, phần mềm. Một node cảm biến thƣờng có 4 bộ phận cơ bản: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, bộ thu phát vô tuyến và đơn vị năng lƣợng. Dƣới đây là sơ đồ cơ bản của một node cảm biến.[19,21]

Hình 3.1. Sơ đồ cơ bản của một node cảm biến

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 thơng tin và trao đổi hoặc kiểm sốt 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 mô 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 không 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]

Một phần của tài liệu (LUẬN VĂN THẠC SĨ) Nghiên cứu giải pháp quản lý năng lượng cho mạng cảm biến không dây (Trang 38 - 42)