chương 1, đã giới thiệu tổng quan về đặc điểm, kiến trúc mạng cảm biến, phần cứng, phần mềm của nút và các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự cũng như quân sự, y tế, môi trường. Qua đó, ta thấy rõ được tầm quan trọng và tiềm năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến trong phát triển sản xuất, quản lý và vận hành xã hội, an ninh, quốc phòng hay. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến. Luan van 16 CHƯƠNG 2: NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1 Tổng quan về vấn đề năng lượng nút cảm biến Do các nút cảm biến thường có nguồn năng lượng giới hạn nên thời gian tồn tại của một mạng cảm biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nút mạng.
Mà năng lượng của mỗi nút mạng cũng bị hạn chế bởi bộ nguồn có kích cỡ giới hạn. Một ví dụ cụ thể, tổng năng lượng dự trữ trong một nút cảm biến thông mình là 1J, dòng điện trung bình cung cấp phải nhỏ hơn 30μA để đảm bảo thời gian sống dài. Các nút được cung cấp năng lượng từ pin lithium (Li) tiêu chuẩn hình đồng xu (đường kính 2.5cm dày 1cm). Tuy nhiên, có thể tăng thời gian sống của mỗi nút mạng cũng như toàn mạng mạng bằng cách cung cấp năng lượng bổ xung cho các nút mạng từ năng lượng thu được của môi trường.
Bộ thu phát của các nút cảm biến có thể là các thiết bị quang thụ động hoặc tích cực hoặc các thiết bị vô tuyến (RF). Truyền thông tần số vô tuyến yêu cầu điều chế, bộ lọc thông dải, giải điều chế và ghép kênh làm cho chúng trở nên đắt và phức tạp. Ngoài ra, suy hao đường truyền tín hiệu giữa hai nút cảm biến tỷ lệ theo lũy thừa bậc bốn của khoảng cách do các nút cản biến sử dụng antent đẳng hướng. Tuy nhiên, truyền thông vô tuyến được quan tâm trong hầu hết các dự án nghiên cứu vì các gói tin truyền trong mạng cảm biến có kích thước nhỏ, tốc độ số liệu thấp (thường nhỏ hơn 1Hz).
Mặc dù vây, thiết kế các mạch vô tuyến có hiệu quả về năng lượng và hệ số sử dụng thấp vẫn còn là một thách thức công nghệ. Các kĩ thuật vô tuyến dân dụng hiện nay không được đảm bảo cho mạng cảm biến không dây vì chúng tiêu thụ nhiều năng lượng và được cấp nguồn liên tục. Các nút cảm biến được triển khai dày đặc rất gần hoặc trực tiếp bên trong mục tiêu để quan sát. Vì thế, chúng thường hoạt động tự động tại các vùng cách xa.
Chúng có thể làm việc trong mọi môi trường, kể cả trong các môi trường khắc nghiệt nhất, có thể liệt kê như sau: Trong các phần tiếp giáp. Luan van 17 Bên trong các bộ phận lớn của máy móc. Bên trong các vùng thời tiết có diễn biến phức tạp. Trên mặt biển.
Các vùng ô nhiễm sinh hóa. Các vùng chiến sự. Gắn vào xe cộ. Trong các đường ống hay dòng sông theo dòng chảy.
Như vậy các nút cảm biến phải làm việc với các điều kiện rất khó khăn: trong điều kiện áp suất hay nhiệt độ cao, hoặc trong các môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Vì vậy với mỗi trường hợp phải có một kế hoạch thiết kế thích hợp. Trong một mạng cảm biến đa liên kết, các nút mạng thông tin với nhau qua môi trường không dây. Các liên kết này có thể là sóng vô tuyến, tín hiệu quang học.
Liên kết vô tuyến sử dụng các dải tần trong công nghiệp, khoa học và y học (Industrial Scientific and Medical - ISM) được qui định ở phạm vi quốc tế. Các dải tần này được thông tin quảng bá trong hầu hết các nước. Bảng phân phối tần số quốc tế trong quy định tần dải tần dành cho các ứng dụng ISM (bảng 2.1: Các dải tần dành cho các ứng dụng ISM. Dải tần Tần số trung tâm 6765 – 6795 kHz 6780 kHz 13553 kHz – 13567 kHz 13560 kHz 26957 – 27283 kHz 27120 kHz 4066 – 4070 MHz 4068 MHz 43305 – 43429 MHz 43392 MHz 902 – 928 NHz 915 MHz 2400 – 2500 MHz 2450 MHz Luan van 18 5725 – 5875 MHz 5800 MHz 244 – 246 GHz 245 GHz 244 – 246 GHz 245 GHz Một số dải tần này đã được sử dụng cho các hệ thống điện thoại cầm tay và mạng nội bộ không dây (Wireless LAN).
Các mạng cảm biến sử dụng bộ thu phát kích cỡ nhỏ, giá rẻ và công suất tiêu thụ cực thấp. Do các hạn chế về phần cứng và sự cân bằng giữa hiệu quả antent và công suất tiêu thụ giới hạn nên phải lựa chọn sóng mang thuộc dải tần rất cao (UHF). Các bộ thu phát sử dụng dải tần 433MHz ISM ở Châu Âu và 915 MHz ở Bắc Mỹ. Thuận lợi chính của các dải tần ISM là sử dụng tự do, phổ rộng và thông dụng.
Chúng không vượt khỏi các tiêu chuẩn riêng, do đó có thể phù hợp với các kế hoạch tiết kiệm năng lượng. Mặt khác, còn có các hạn chế khác như giới hạn công suất và nhiễu gây hại từ các ứng dụng đã triển khai do các dải tần ISM không được quản lý. Một kiểu truyền thông khác trong mạng cảm biến là sử dụng hồng ngoại. Thông tin hồng ngoại được sử dụng tự do và có khả năng chống nhiễu từ các thiết bị điện tử.
Các bộ thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ và dễ chế tạo. Ngày nay, các máy tính xách tay, máy tính cầm tay và điện thoại di động đều có cổng giao tiếp hồng ngoại. Trở ngại chính của việc sử dụng hồng ngoại là yêu cầu phải có một đường nhìn thẳng giữa nơi gửi và nơi nhận. điều này làm cho hồng ngoại khó được sử dụng trong trường hợp mạng cảm biến.
Một xu hướng phát triển đáng quan tâm là các vi hạt thông minh (smart dust mote), một hệ thống cảm biến, tính toán và thông tin tự động, sử dụng môi trường truyền dẫn quang học. Có hai phương pháp truyền thông tin: - Thứ nhất là truyền thông thụ động sử dụng một máy phản chiếu có dạng tam diện chữ nhật. Luan van 19 - Thứ hai là truyền thông tích cực sử dụng các diode lazer và các gương chuyển động, các diode tại nơi phát được gắn trên bảng mạch, có thể chuyển động lái chùm sáng vào chính xác nơi nhận. Các ứng dụng đặc biệt đòi hỏi môi trường truyền dẫn phức tạp hơn.
Ví dụ, với các ứng dụng dưới đáy biển thì môi trường truyền dẫn là môi trường nước. Do đó phải sử dụng bức xạ bước sóng dài để đi xuyên trong nước. Với các vùng khí hậu khắc nghiệt hay các vùng chiến sự, thì phải vượt qua được các sai lỗi và nhiễu lớn. Ngoài ra, các antent của cảm biến thấp hơn và có công suất bức xạ nhỏ hơn các thiết bị vô tuyến khác.
Do đó, môi trường truyền thông phải được hỗ trợ bằng các phương thức điều chế và mã hóa chống lỗi phù hợp với đặc điểm từng loại kênh truyền.2 Sự tiêu thụ năng lượng Nhiệm vụ chính của một nút cảm biến trong trường cảm biến là theo dõi các sự kiện, xử lý nhanh số liệu cục bộ và truyền thông số liệu. Công suất tiêu thụ bởi ba thành phần chính: cảm biến, truyền thông và xử lý số liệu.1 Năng lượng cho nhiệm vụ cảm biến Năng lượng tiêu thụ của bộ cảm biến và các thành phần của nó có thể tùy thuộc theo từng ứng dụng cụ thể. Việc cảm biến rời rạc sẽ tiêu thụ công suất nhỏ hơn so với việc theo dõi các đối tượng một cách liên tục. Độ phức tạp của nhiệm vụ quan sát đối tượng đóng vai trò quyết định trong việc xác định mức năng lượng tiêu hao.
Các mức tạp âm biên độ cao là nguyên nhân làm tăng độ phức tạp trong việc quan sát đối tượng của các cảm biến. Do đó, làm tăng công suất tiêu thụ cho quá trình cảm biến.2 Năng lượng cho truyền thông Trong ba thành phần nêu trên trong một nút cảm biến, phần truyền thông số liệu tiêu thụ năng lượng nhiều nhất, bao gồm cả phát và thu số liệu. Đặc điểm truyền thông trong mạng cảm biến là phạm vi ngắn và công suất bức xạ thấp, tiêu hao năng lượng cho việc phát và thu là gần như nhau. Trong mạch thu phát, các bộ Luan van 20 trộn, các bộ tổng hợp tần số, các bộ dao động điều khiển bằng điện áp, các vòng khóa pha (PLL) và các bộ khuếch đại công suất tiêu thụ công suất đáng kể.
Điều quan trọng là tính toán này không chỉ quan tâm đến công suất tích cực mà còn xem xét đến tiêu thụ công suất khởi phát trở nên đáng kể. Giá trị cao của thời gian khởi phát được cho là do thời gian khóa của vòng khóa pha (PLL). Khi kích cỡ gói tin truyền giảm nhỏ thì công suất khởi phát sẽ chiếm ưu thế so với công suất tích cực. Kết quả là việc chuyển trạng thái (thu, phát) giữa ON và OFF không hiệu quả vì sẽ tiêu thụ một lượng năng lượng lớn mỗi lần chuyển trạng thái về ON.
Công suất tiêu thụ được tính như sau: PC NT PT TON TST POUT TON N R PR RON RST (2.1) Trong đó, PT / R là công suất tiêu thụ bởi bộ phát/bộ thu, POUT là công suất đầu ra của bộ phát, TON / RON là khoảng thời gian phát/thu trạng trái ON, TST / RST là khoảng thời gian khởi phát tại mạch phát/thu, NT / N R là số lần mạch phát/thu chuyển sang ON trong một đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nhiệm vụ và phương án điều khiển truy nhập môi trường. Năng lượng cho xử lý Năng lượng tiêu thụ cho xử lý số liệu nhỏ hơn nhiều so với năng lượng dành cho truyền thông số liệu. Do ảnh hưởng của chức năng và do sự suy giảm đường truyền theo khoảng cách nút cảm biến nên công suất tiêu thụ của bộ thu phát lớn khi khoảng cách truyền thông tăng. Trong khi đó, bộ xử lý thường không phức tạp và tốc độ không cao nên tiêu thụ công suất nhỏ.
Một nút cảm biến phải có khả năng tính toán và tương tác với môi trường xung quanh. Giới hạn về chi phí và kích thước dẫn đến sự lựa chọn công nghệ bán dẫn oxit kim loại (CMOS) cho bộ vi xử lý. Tuy nhiên, công nghệ này lại bị hạn chế về hiệu quả năng lượng. Luan van 21 Ngoài ra, trong nút cảm biến còn có các mạch mã hóa và giải mã, các mạch tích hợp các ứng dụng đặc biệt.