Khi áp dụng dải điện áp động ta phải chú ý để bộ điều khiển hoạt động theo các đặc điểm kỹ thuật của nó. Tồn tại tốc độ clock cực đại và cực tiểu cho mỗi thiết bị và tại mỗi tốc độ lại có ngƣỡng cực đại và cực tiểu phải tuân theo. Do đó, khi khơng có gì để xử lý thì các chế độ ngủ cũng vẫn là một lựa chọn. Muốn sử dụng điện áp tuỳ ý thì phải có bộ biến đổi DC –DC thực sự hiệu quả.
b. Tiêu thụ năng lượng của bộ nhớ
Trên góc nhìn năng lƣợng, loại thích hợp nhất là bộ nhớ trên chip của bộ vi điều khiển hay bộ nhớ FLASH, RAM ngồi chip rất ít khi sử dụng. Thực tế là công suất cần cho bộ nhớ trên chip thƣờng nằm trong lƣợng công suất tiêu thụ đã cho của các bộ điều khiển.
Do đó, phù hợp nhất vẫn là bộ nhớ FLASH, cấu trúc và các sử dụng của bộ nhớ FLASH có thể ảnh hƣởng nghiêm trọng tới tuổi thọ của nút. Các thơng số có liên quan là thời gian đọc, viết và năng lƣợng tiêu thụ.
58
Tất cả thơng tin này đều có thể biết đƣợc từ dải dữ liệu của nhà sản xuất và thay đổi phụ thuộc vào một số yếu tố. Thời gian đọc và năng lƣợng tiêu thụ cho việc đọc thƣờng tƣơng đƣơng nhau giữa các loại bộ nhớ FLASH khác nhau. Viết lại phức tạp hơn một chút, nó phụ thuộc vào loại dữ liệu mà nó truy cập (các byte riêng lẻ hay các trang có kích thƣớc khác nhau). Một phƣơng tiện dùng để so sánh là nhìn vào số lƣợng viết đè lên trên tồn chip. Sự khác nhau đáng kể là năng lƣợng tiêu thụ cho việc xoá và viết, tỉ lệ lên đến 900:1 giữa các loại bộ nhớ khác nhau.
Do đó, viết trong bộ nhớ FLASH có thể là nhiệm vụ tiêu tốn năng lƣợng và thời gian và tốt nhất là nên tránh, nếu có thể.
c. Tiêu thụ năng lượng của các bộ thu phát vô tuyến
Bộ thu phát vơ tuyến có hai nhiệm vụ cần thiết: truyền và nhận dữ liệu giữa các cặp nút. Tƣơng tự nhƣ các bộ vi điều khiển, các bộ thu phát vơ tuyến có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau, chế độ đơn giản nhất là tắt/bật. Để có đƣợc mức tổng năng lƣợng tiêu thụ thấp cần thiết, nó phải đƣợc tắt trong hầu hết thời gian và chỉ đƣợc kích hoạt khi cần thiết – nó làm việc với chu trình làm việc (duty cycle – là tỉ lệ thời gian hoạt động trên thời gian một chu kỳ) thấp. Nhƣng điều này sẽ làm tăng độ phức tạp, thời gian và năng lƣợng.
Mơ hình tiêu thụ năng lƣợng trong khi truyền:
Về mặt nguyên tắc, năng lƣợng dùng cho bộ phát lấy từ hai nguồn.Phần thứ nhất là do việc tạo tín hiệu RF, nó phụ thuộc chủ yếu vào sơ đồ điều chế và khoảng cách mục tiêu và do đó, cơng suất truyền dẫn Ptx là công suất phát xạ bởi antenna. Phần thứ hailà do các thiết bị điện cần để tổng hợp tần số, biến đổi tần số, các bộ lọc... Các giá trị này về cơ bản là không đổi.
Một trong những quyết định quan trọng nhất là khi nào truyền gói tin phụ thuộc vào việc chọn Ptx. Giả sử công suất truyền mong muốn Ptx đã biết, phụ thuộc vào các thông số của hệ thống nhƣ năng lƣợng/ nhiễu và tạp âm Eb /N0, hệ số băng thông ηBW, khoảng cách d
và hệ số suy hao đƣờng truyền γ.
Công suất truyền đƣợc tạo bởi bộ khuếch đại của máy phát. Cơng suất tiêu thụ Pamp của nó phụ thuộc vào kiến trúc bộ khuếch đại nhƣng trên tất cả, nó phụ thuộc vào cơng suất mà nó tạo ra. Trong mơ hình đơn giản nhất, hai giá trị này tỉ lệ với nhau, nhƣng đây là trƣờng hợp q đơn giản. Với mơ hình phức tạp hơn, giả sử rằng mức cơng suất khơng đổi nào đó ln đƣợc yêu cầu, không phụ thuộc vào công suất phát xạ,cộng thêm độ lệch tỉ lệ:
amp= amp+ amp tx.
P P (2.6)
Trong đó amp, amp là các hằng số phụ thuộc vào công nghệ xử lý và kiến trúc bộ khuếch đại.
Ví dụ, theo Min và Chandrakasan, với các nút µAMPS-1, αamp = 174 mW và βamp =
5.0. Do đó, hiệu suất của bộ khuếch đại công suất ηPA với công suất phát xạ Ptx = 0 dBm =
59 tx PA amp 1 mW = 0 55 174 5 0 1 mW P . % P . * (2.7)
Mơ hình này cho thấy hiệu suất của bộ khuếch đại Ptx/ Pamp là tốt nhất khi công suất đầura đạt cực đại. Tuy nhiên, công suất cực đại không cần thiết trong các trƣờng hợp thông thƣờng nên thiết kế này khơng phải là cái có lợi nhất. Ví dụ, trong các hệ thống tế bào, bộ khuếch đại thƣờng không hoạt động ở công suất đầu ra cực đại. Trong khi không hiểu tại sao lại đƣa điều này vào các WSN nhƣng nó đã đem lại kết quả thật bất ngờ đối với các mạng dày đặc khi sử dụng các bộ khuếch đại có các đặc tính hiệu suất khác nhau.
Sau đây ta sẽ xem xét mơ hình trong phƣơng trình (2.6). Ngồi bộ khuếch đại, mạch khác cũng sẽ đƣợc cấp nguồn trong q trình truyền dẫn, ví dụ nhƣ các bộ xử lý băng tần cơ bản. Nguồn này đƣợc gọi là PtxElec.
Năng lƣợng để truyền gói tin có độ dài n bit (bao gồm tất cả các header) khi đó phụ thuộc vào thời gian gửi gói tin, đƣợc xác định bởi tốc độ bit danh định R, tốc độ mã hoá Rcode
và tổng năng lƣợng tiêu thụ trong quá trình truyền dẫn. Nếu bộ thu phát đƣợc bật trƣớc khi truyền thì chi phí khởi động cũng phải tính đến (hầu hết dùng để sắp xếp các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng lặp khố pha). Phƣơng trình (2.8) tổng kết tất các hoạt động này :
tx code amp start start txElec amp
code
n
E n, R , P T .P P P
R.R (2.8)
Trong đó Tstart, Pstart là thời gian và năng lƣợng để khởi động. Ta thấy rằng phƣơng trình này khơng phụ thuộc vào sơ đồ điều chế đƣợc chọn cho quá trình truyền dẫn. Các phép đo dựa trên phần cứng IEEE 802.11 đã chỉ ra rằng có chút phụ thuộc vào sơ đồ điều chế, nhƣng sự khác nhau giữa 1 Mbit/s và 11 Mbit/s nhỏ hơn 10% cho tất cả các giá trị công suất truyền dẫn đƣợc tính đến. Vì vậy, đây là một sự đơn giản hố có thể chấp nhận đƣợc.
Tuy nhiên, với giả thiết là chi phí mã hố chỉ phụ thuộc vào tốc độ mã thì đây là một giả thiết có thể chấp nhận đƣợc. Trong mơ hình này, khơng xét đến hiệu quả của antenna, tức ta đã giả thiết rằng có một antenna hồn hảo. Nếu khơng sẽ có sự suy giảm cơng suất giữa đầu ra của PA và cơng suất phát xạ.
Mơ hình này có thể dễ dàng đƣợc nâng cấp bằng các tác dụng của mã hoá sửa lỗi trƣớc (FEC - Forward Error Correction). FEC sẽ tăng số lƣợng bit đƣợc hiệu chỉnh mà năng lƣợng cho việc mã hố lại khơng đáng kể.
Mơ hình tiêu thụ năng lƣợng trong khi nhận:
Tƣơng tự nhƣ bộ phát, bộ thu cũng có thể tắt hoặc bật. Khi bật, nó có thể chủ động nhận tin hoặc nghỉ, quan sát kênh truyền và sẵn sàng nhận. Hiển nhiên, tiêu thụ năng lƣợng trong khi tắt là không đáng kể. Sự khác nhau giữa trạng thái nhận và nghỉ là rất nhỏ, thậm chí trong hầu hết mục đích, nó đƣợc giả thiết bằng 0 (tức khơng có sự khác nhau).
Để giải thích, năng lƣợng Prcvd yêu cầu để nhận tin có thành phần khởi động TstartPstart
60
truyền và nhận). Nó cũng là thành phần tỉ lệ với thời gian gói tin n/R.Rcode. Trong thời gian nhận thực tế này, mạch bộ thu đƣợc nối với nguồn, ví dụ nó u cầu nguồn PrxElec để điều khiển LNA trong đầu vào RF. Thành phần cuối cùng là chi phí giải mã EdecBit, nó có ở mọi bit, chi phí giải mã này có thể phụ thuộc đáng kể vào FEC mà nó sử dụng. Phƣơng trình (2.9) sẽ tổng kết các thành phần này :
rcvd start start rxElec decBit
code n
E T P P nE
R.R (2.9)
Năng lƣợng giải mã tƣơng đối phức tạp đối với mơ hình, nó phụ thuộc vào các tham số của phần cứng và hệ thống (ví dụ nhƣ nó có thể đƣợc thực hiện trong phần cứng chuyên dụng nhƣ bộ giải mã Viterbi chuyên dụng cho các mã chập), nguồn cung cấp, thời gian giải mã/bit (phụ thuộc vào tốc độ xử lý, bị ảnh hƣởng bởi các kỹ thuật nhƣ DVS), độ dài ràng buộc K của mã đang sử dụng và các tham số khác.
Bảng 2.2 Một số tham số về tiêu thụ năng lƣợng của bộ thu phát (N/A : không cho phép)
Ký hiệu Mơ tả Ví dụ về bộ thu phát
AMPS-1 WINS DEDUSA-II
amp Phƣơng trình (2.6) 174 mW N/A N/A
amp Phƣơng trình (2.6) 5.0 8.9 7.43
Pamp Bộ khuếch đại công suất 179-674 mW N/A N/A
PrxElec Năng lƣợng nhận 279 mW 368.3 mW 12.48 mW
PrxIdle Nghỉ để nhận N/A 344.2 mW 12.34 mW
PStart Năng lƣợng khởi động 58.7 mW N/A N/A
PtxElec Năng lƣợng truyền 151 mW 386 mW 11.61 mW
R Tốc độ truyền 1 Mbps 100 kbps OOK 30 kpbs
ASK 115.2 kbps
TStart Thời gian khởi động 466 s N/A N/A
d. Mối quan hệ giữa tính tốn và liên lạc
Nhìn vào tổng số tiêu thụ năng lƣợng của các bộ vi điều khiển và bộ thu phát vô tuyến, một câu hỏi đặt ra là cách tốt nhất để sử dụng các nguồn năng lƣợng quý báu của nút cảm biến là gì? Gửi dữ liệu đi hay tính tốn nó sẽ tốt hơn? Mối quan hệ về tiêu thụ năng lƣợng giữa việc gửi dữ liệu và tính tốn là gì?
Một lần nữa, mối quan hệ này phụ thuộc phần lớn và phần cứng riêng biệt đang sử dụng. Việc tính một lệnh đơn trên bộ vi điều khiển yêu cầu khoảng 1 nJ. 1 nJ đủ để giữ một mẫu đơn trong bộ thu phát vô tuyến. Các bộ thu phát bluetooth cho rằng yêu cầu 100 nJ để truyền một bit đơn. Đối với phần cứng khác, tỉ lệ tiêu thụ năng lƣợng để gửi một bit so với việc tính một lệnh đơn khoảng từ 1500 đến 2700 đối với các nút Rockwell, từ 220 đến 2900 đối với các nút MEDUSA II và khoảng 1400 đối với các nút WINS NG 2.0.
Rõ ràng là liên lạc tốn nhiều năng lƣợng hơn tính tốn nhƣng năng lƣợng dùng để tính tốn khơng thể dễ dàng bỏ qua.
61
e. Tiêu thụ năng lượng của các cảm biến và cơ cấu chấp hành
Đƣa ra nguyên tắc về tiêu thụ năng lƣợng của các cảm biến và cơ cấu chấp hành thực tế là điều khơng thể vì chúng rất đa dạng, ví dụ nhƣ các cảm biến nhiệt độ hay ánh sáng thụ động thì năng lƣợng tiêu thụ có thể bỏ qua so với các thiết bị khác trên nút vơ tuyến. Với các thiết bị tích cực, ví dụ nhƣ nhƣ rada siêu âm, thì năng lƣợng tiêu thụ lại đáng kể và phải xét đến kích thƣớc của nguồn cung cấp trên nút cảm biến, không đƣợc hoạt động quá mức của pin.
Hơn nữa, tốc độ mẫu thực sự quan trọng, khơng chỉ mẫu có tần số càng lớn thì yêu cầu năng lƣợng từ các cảm biến càng nhiều mà dữ liệu phải xử lý cũng tăng lên và có thể phải liên lạc đến một nơi nào đó nữa.
Bảng 2.3 Ví dụ về một số đặc tính của các cảm biến Cảm biến Độ chính xác Tính hốn đổi Tốc độ mẫu (Hz) Khởi động (ms) Dịng (mA)
Điện trở quang N/A 10 % 2000 10 1.235
Nhiệt độ I2C 1 K 0.2 K 2 500 0.15
Khí áp 1.5 mbar 0.5 % 10 500 0.01
Bar. áp suất. nhiệt độ 0.8 K 0.24 K 10 500 0.01
Độ ẩm 2 % 3 % 500 500-3000 0.775
Pin nhiệt điện 3K 5 % 2000 200 0.17
Nhiệt kế 5K 10 % 2000 10 0.126
2.3 Các hệ điều hành và môi trƣờng hoạt động
2.3.1 Các hệ điều hành nhúng
Nhiệm vụ thông thƣờng của một hệ điều hành là điều khiển và bảo vệ truy cập tới các tài nguyên (bao gồm sự hỗ trợ cho đầu vào/đầu ra), quản lý sự cấp phát đến các ngƣời dùng khác nhau và hỗ trợ việc thực hiện cùng lúc của một số quá trình và liên lạc giữa các quá trình này. Tuy nhiên, các nhiệm vụ này chỉ đƣợc yêu cầu một phần trong hệ thống nhúng vì việc thực hiện mã lệnh có nhiều hạn chế và thƣờng phù hợp hơn trong các hệ thống đa dụng.
Đúng hơn, một hệ điều hành hay môi trƣờng thực hiện càng đơn giản thì càng phù hợp. WSN sẽ hỗ trợ các nhu cầu chuyên dụng của chúng. Đặc biệt, nhu cầu về hiệu quả năng lƣợng sẽ yêu cầu sự hỗ trợ để quản lý năng lƣợng, ví dụ nhƣ điều khiển tắt của các thành phần riêng rẽ hay kỹ thuật phạm vi điện áp động (DVS). Các thành phần bên ngồi nhƣ các cảm biến, modem vơ tuyến hay các bộ định thời phải đƣợc xử lý một cách dễ dàng và có hiệu quả, phải xử lý đƣợc thông tin không đồng bộ (tại thời điểm bất kỳ).
Tất cả điều này yêu cầu một mơ hình lập trình phù hợp, một phƣơng pháp rõ ràng để xây dựng ngăn xếp giao thức và hỗ trợ rõ ràng cho việc quản lý năng lƣợng.
62
a. Các mơ hình lập trình
Lập trình đồng thời:
Câu hỏi đầu tiên cho mơ hình lập trình là nó hỗ trợ thực hiện cùng lúcnhƣ thế nào? Hỗ trợ thực hiện cùng lúc là điều cốt yếu của các nút WSN vì chúng sử dụng dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau (từ nhiều cảm biến hay bộ thu phát vơ tuyến) tại các thời điểm bất kỳ. Ví dụ, hệ thống có thể thăm dị cảm biến để quyết định xem dữ liệu có sẵn có và đƣợc xử lý đúng cách hay khơng, sau đó thăm dị bộ thu phát để kiểm tra xem liệu gói tin có sẵn có khơng rồi xử lý gói tin ngay lập tức… (hình 2.5). Mơ hình tuần tự đơn giản nhƣ vậy (hình 2.5(a)) sẽ hoạt động với nguy cơ bị mất dữ liệu trong khi một gói tin đƣợc xử lý hoặc khi mất một gói tin thơng tin từ cảm biến đang đƣợc xử lý. Nguy cơ này sẽ cao nếu quá trình xử lý dữ liệu từ cảm biến hay các gói tin đến chiếm một lƣợng lớn thời gian. Do đó, mơ hình lập trình tuần tự, đơn giản rõ ràng là khơng hiệu quả.
Hình 2.5.Hai mơ hình khơng tƣơng thích với hệ điều hành WSN Thực hiện sự đồng thờidựa trên quá trình:
Phần lớn các hệ điều hành đa dụng hiện đại nhất hỗ trợ thực hiện cùng lúc nhiều quá trình trên CPU đơn lẻ. Do đó, phƣơng pháp dựa trên q trình là lựa chọn đầu tiên để hỗ trợ sự đồng thời trong một nút cảm biến, nó đƣợc mơ tả trong phần (b) hình 2.5. Trong khi phƣơng pháp này làm việc bình thƣờng thì ánh xạ một mơ hình thực hiện các tiến trình (process) cùng lúc nhƣ vậy tới một nút cảm biến lại cho thấy một số điểm không phù hợp: việc làm cân bằng các chức nănghoặc lớp giao thức riêng lẻ với các tiến trình riêng lẻsẽ địi hỏi chi phícao khi chuyển từ tiến trình này sang tiếntrình khác. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng nếu các tác vụ thƣờng xuyên phải đƣợc thực hiện là nhỏ so với chi phí dùng để chuyển giữa các tác vụ - trƣờng hợp này thƣờng xảy ra trong các mạng cảm biến. Ngồi ra mỗi tiến trình u cầu một không gian ngăn xếp riêng trong bộ nhớ, điều này không phù hợp với ràng
Cảm biến hỏi vòng Xử lý dữ liệu cảm biến Bộ thu phát hỏi vòng Xử lý gói tin nhận Mơ hình lập trình tuần tự (a) Xử lý quá trình
cảm biến Xử lý quá trình gói tin
Chuyển q trình OS trung gian
Mơ hình lập trình dựa trên q trình (b)
63 buộc nghiêm ngặt về bộ nhớ của các nút cảm biến.
Lập trình dựa trên sự kiện:
Với các lý do này, mơ hình lập trình hơi khác một chút dƣờng nhƣ thích hợp hơn. Ý tƣởng này dùng đặc tính phản ứng tự nhiêncủa một nút WSN và tích hợp nó trong thiết kế hệ điều hành. Hệ thống cần đợi sự kiện xảy ra trong khi sự kiện có thể là sự có mặt của dữ liệu