MỞ ĐẦU Mạng không dây đang là xu thế phát triển hiện nay và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây hiện nay. Mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Networks – WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông tin. WSN đƣợc sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và công nghiệp, với đặc điểm chung nổi bật là không cần thao tác của con ngƣời. Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trƣờng và đƣa ra các thông báo có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát các khu vực quân sự,… Nhiều ứng dụng khác của WSN đang đƣợc nghiên cứu và có xu hƣớng phát triển rộng khắp.
Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần phải có là gọn nhẹ và nút mạng thực hiện đƣợc cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm nhận. Để đảm bảo cho hoạt động của mỗi nút, ngƣời ta chế tạo một nguồn năng lƣợng đƣợc thiết kế với kích thƣớc nhỏ đi kèm. Hoạt động của mỗi nút cảm nhận đƣợc thực hiện qua các bƣớc cơ bản: cảm nhận, đo đạc, truyền dữ liệu. Chi phí triển khai cho WSN đƣợc giảm thiểu vì thay cho hệ thống dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, ngƣời ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết.
Mạng có thể đƣợc mở rộng đơn giản bằng cách thêm vào các thiết bị, không cần các thao tác phức tạp, mạng sau đó hoạt động không cần sự can thiệp của con ngƣời. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm, mỗi nút mạng chỉ cần một nguồn pin duy nhất. Một trong những vấn đề hiện nay cần quan tâm là tiêu thụ năng lƣợng cho từng nút mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin. Đây là một hƣớng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 nghiên cứu đang đƣợc chú trọng để cải thiện chất lƣợng mạng không dây.
Khi kích thƣớc vật lý giảm, cũng làm giảm khả năng tích trữ năng lƣợng. Các ràng buộc về năng lƣợng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lƣu trữ dẫn đến phải có kiến trúc mới. Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình mạng và mạng cần có sự chuyển đổi giữa các chế độ làm việc nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng. Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết kiệm nguồn năng lƣợng cho các nút trong mạng cảm nhận không dây.
Cụ thể: - Chƣơng 1: “Tổng quan về mạng cảm nhận không dây” sẽ đƣa ra những định nghĩa cơ bản, những ứng dụng của WSN, các loại giao thức định tuyến trong WSN. Chƣơng này còn trình bày các yêu cầu đối với một nút mạng cảm nhận, trong những yêu cầu đó thì yêu cầu sử dụng năng lƣợng tiết kiệm là quan trọng nhất. Xuất phát từ đó, tác giả định hƣớng cho đề tài nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho WSN. Phần cuối của chƣơng sẽ xây dựng một mạng WSN thực tế sử dụng vi điều khiển CC1010 làm các nút mạng.
Vi điều khiển này sẽ là đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tiết kiệm năng lƣợng ở các chƣơng sau. - Chƣơng 2: “Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển CC1010”. Trong phần đầu sẽ trình bày các nguyên nhân gây tổn thất năng lƣợng đối với nút mạng từ đó đƣa ra hƣớng hạn chế các nguyên nhân đó. Có nhiều cách khác nhau để tiết kiệm năng lƣợng cho nút WSN nhƣ xây dựng các giao thức MAC tiêu thụ ít năng lƣợng, lập trình cho vi điều khiển chuyển sang hoạt động ở chế độ năng lƣợng thấp khi không cần truyền dữ liệu.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Các phần sau của chƣơng sẽ đƣa ra giải pháp cụ thể, tuy nhiên chỉ một trong số đó đƣợc chọn để nghiên cứu sâu và giải pháp lập trình cho nút mạng đƣợc chọn do có tính khả thi nhất trong phạm vi nghiên cứu của một luận văn. Các đặc tính tiết kiệm năng lƣợng của vi điều khiển CC1010 đƣợc nghiên cứu và khai thác, là tiền đề cho việc xây dựng thuật toán và viết chƣơng trình cụ thể trong chƣơng 3. - Chƣơng 3: “Nghiên cứu, thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng lượng trên vi điều khiển CC1010” giới thiệu các bƣớc cơ bản để xây dựng một phần mềm nhúng, đƣa ra tƣ tƣởng thuật toán cho cơ chế truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lƣợng tại nút mạng. Từ thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh đƣợc viết và chạy thử nghiệm.
Các kết quả đạt đƣợc sẽ đƣợc phân tích và qua đó chứng minh khả năng tiết kiệm năng lƣợng của giải pháp. - Phần Kết luận sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính, những ƣu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đƣa ra các hƣớng nghiên cứu sâu hơn của đề tài này. Các nội dung trên sẽ đƣợc trình bày một cách rõ ràng và logic, mỗi chủ đề nhỏ đều có đánh giá và gợi mở, dẫn dắt đến nội dung của phần tiếp theo tạo nên sự gắn kết và đồng nhất xuyên suốt cả luận văn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY Chƣơng này sẽ đƣa ra những định nghĩa cơ bản về mạng cảm nhận không dây, các đặc điểm, ý nghĩa và khả năng ứng dụng to lớn của nó vào thực tiễn. Sau khi có những khái niệm cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc giao thức và các loại định tuyến trong mạng cũng nhƣ các yêu cầu đối với một hệ thống mạng cảm nhận không dây tốt. Nghiên cứu kỹ các yêu cầu đó sẽ là cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp sử dụng cho từng ứng dụng mạng cảm nhận không dây. Cụ thể trong đề tài này đã lựa chọn vi điều khiển CC1010 làm đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tối ƣu hóa sử dụng năng lƣợng trong mạng cảm nhận theo dõi thông tin về môi trƣờng.
Dƣới đây sẽ lần lƣợt xét từng vấn đề nêu trên. Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bƣớc phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lƣợng ít và giá thành thấp. Khi đƣợc nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trƣờng và ở những vị trí địa lý khác nhau. Mỗi vi điều khiển khi đƣợc tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định đƣợc gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Sensor Network).
Nhƣ vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng đƣợc cấu thành từ các thiết bị hoạt động độc lập đặt trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,… LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 Nút cảm nhận Trạm gốc (gateway) Hình 1. Mô hình khái quát mạng cảm nhận không dây Trong hệ thống WSN còn có các trạm gốc và trung tâm điều khiển. Trạm gốc đóng vai trò cổng kết nối giữa các nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau. Các nút mạng truyền thông tin theo kiểu nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc.
Từ trạm gốc có thể gửi thông tin cho ngƣời sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách nhƣ trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng internet, qua vệ tinh… nhờ đó ngƣời giám sát có thể nhận đƣợc thông tin dù đang ở bất cứ đâu. Sự ra đời của WSN xuất phát từ nhu cầu phát triển các ứng dụng trong quân sự nhƣ giám sát các khu vực an ninh quốc gia, biên giới. Tuy vậy, WSN hiện nay đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhƣ giám sát môi trƣờng, các ứng dụng chăm sóc sức khoẻ, tự động hoá các thiết bị gia đình và điều khiển luồng giao thông. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Một mô hình triển khai mạng WSN Mỗi nút mạng trong WSN gồm các thành phần: một hoặc nhiều thiết bị cảm biến; một đầu thu phát sóng vô tuyến; một vi điều khiển và một nguồn năng lƣợng (thông thƣờng dùng pin). Một nút mạng cảm nhận không dây LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 Một số nút mạng cảm nhận có thể có thêm bộ nạp năng lƣợng, bộ vi điều khiển thứ hai, cũng có thể có bộ thu phát vô tuyến thứ hai. Kích thƣớc của một nút mạng cảm nhận khá đa dạng, giá thành mỗi nút mạng cảm nhận cũng khác nhau, phụ thuộc vào kích thƣớc và độ phức tạp của mỗi loại. Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây [10] Từ đặc điểm mô tả về WSN ở trên, ta có thể thấy ứng dụng của WSN rất phong phú, nó có thể ứng dụng trong dân dụng, thƣơng mại, công nghiệp hoặc quân sự để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không thực hiện đƣợc hoặc thực hiện với chi phí cao.
WSN có thể đƣợc triển khai trong những khu vực rộng lớn hoang vu, ở đó chúng có thể tồn tại mà không cần con ngƣời can thiệp trong vài năm. Một mô hình ứng dụng của WSN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.