Báo cáo Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua ddieeud khiển thâm nhập môi trường

-1- TRƯỜNG …………………. KHOA………………………. ---------- Báo cáo tốt nghiệp Đề tài: MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY VÀ ĐÁNH GIÁ BẰNG THỰC NGHIỆM MỘT SỐ THÔNG SỐ QUA DDIEEUD KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ Luận văn khoa học nào khác. Các số liệu được trích dẫn tha khảo từ bài báo, tài liệu gốc cụ thể. Người viết cam đoan Ngô Đức Nghị -3- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.........................................................................................................2 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .....................................................................................5 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN .............................................11 1.1. Giới thiệu .........................................................................................................11 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến .................................................................................12 1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến.....................................12 1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng............................................................................16 1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến ..................................................17 1.2.3.1. Cấu trúc phẳng .....................................................................................17 1.2.3.2. Cấu trúc tầng ........................................................................................18 1.3. Ứng dụng .........................................................................................................20 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội ............................................................................20 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường ........................................................................22 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ............................................................23 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình .............................................................................23 1.4. Kết luận............................................................................................................23 CHƯƠNG 2: CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG ..............................24 2.1 Tổng Quan ........................................................................................................24 2.2 Các giao thức MAC truyền thống....................................................................24 2.2.1 Aloha và CSMA ..........................................................................................24 2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện. .................................................................24 2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA). ...............................25 2.2.4 IEEE 802.11 MAC.......................................................................................26 2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC....................................................................................26 2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC .............................................27 2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 .......................................................27 2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) ..................27 2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi. ......................................28 2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp. ........................................................................28 2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp. ........................................................28 2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER) ..........................29 2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình ........................................................................31 -4- 2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ........................................................................................32 2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) ................................................................................32 2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC)...............................................................33 2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) ..................................................................33 2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) ................................................................34 2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ.........................................................................35 2.6 Các giao thức tự do tranh chấp .......................................................................36 2.6.1 MAC tình và sự khởi động (SMACS) ..........................................................37 2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS ............................................................................37 2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng.............................................................................38 2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lưọng (TRAMA) ...............................38 2.7 Lập lịch không tập trung .................................................................................40 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG...............................................................................42 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: .................................................................42 3.1.1. Mục đích:....................................................................................................42 3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm: .................................................................................42 3.2. Các thiết bị thực nghiệm: ................................................................................42 3.3 Giới thiệu VDK CC1010: .................................................................................43 3.4 Tiến hành thực nghiệm ....................................................................................46 3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm và thuật toán: .................................................................46 3.4.1.1 Đo khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng có thể liên lạc được với nhau : ...........................................................................................46 3.4.1.2 Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở..............49 3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ, truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung. ...............................................54 KẾT LUẬN ................................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78 PHỤ LỤC ...................................................................................................................80 -5- DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tên tiếng Anh 1 ACKs Acknowledgement 2 ADC Analog To Digital Converter 3 AEA Adaptive Election Algorithm 4 BFS Breadth-First 5 CAP Contention Access Period 6 CCA Clear Channel Assessment 7 CDMA Code Division Multiple Access 8 CFP Collision-Free Period 9 CRC Cyclical Redundancy Check 10 CSMA Carrier Sense Medium Access 11 CTS Clear To Send 12 DCF Distributed Coordination Function 13 DESS Delay-Efficient Sleep Scheduling 14 DFS Depth-First 15 DIFS Distributed Inter-Frame Spacing 16 D-MAC Data-Gathering Media Access Control 17 FDMA Frequency Division Multiple Access 18 GTS Guaranteed Time Slots 19 ID Identification 20 IEEE Institute Of Electrical And Electronics Engineers 21 LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks 22 MAC Media Access Control -6- 23 MACA Medium Access With Collision Avoidance 24 NAV Network Allocation Vector 25 NP Neighbor Protocol 26 PAMAS Power Aware Medium-Access With Signalling 27 PAN Personal Area Network 28 PCF Point Coordination Function 29 RF Radio Frequency 30 RICER Receiver-Initiated Cycle Receiver 31 RTS Request To Send 32 SEP Schedule Exchange Protocol 33 S-MAC Sensor Media Access Control 34 SMACS Stationary Mac And Startup 35 TDMA Time Division Multiple-Access 36 TICER Transmitter -Initiated Cycle Receptions 37 T-MAC Timeout Media Access Control 38 TRAMA Traffic-Adaptive Medium Access 39 WSF Wake-Up Schedule Function 40 WSN Wireless Sensor Network -7- DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến ......................................................................................... 12 Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến. ............................................................................................ 13 Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến........................................................................ 16 Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến........................................................................ 17 Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến ........................................................................... 18 Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp ........................................................... 18 Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội ....................................................................................... 21 Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường ................................................................................... 22 Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe ....................................................................... 23 Hình 2.1. Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây :................................ 25 Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC............................................................... 27 Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu. ............................................. 29 Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER................................................................... 30 Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER ................................................................. 30 Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng. ............................... 31 Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC ........................................................... 32 Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole trong D-MAC ............................................................................. 34 Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho các khe đánh thức không đồng bộ .......................................... 36 Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho một cấy thu thập dữ liệu ......................................... 37 Hình 2.10: Thủ tục TRAMA ................................................................................................. 40 Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung ................................................................................. 41 Hình 3.1: Sơ đồ khối của CC1010. ........................................................................................ 44 Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận ..................................................... 45 Hình 3.3. Màn hình hiển thị kết quả đo ................................................................................. 45 Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN............................................................................... 46 Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN........................................................................ 47 Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN ngoài trời ......................................................................... 47 Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu giữa các nút mạng ............................. 48 Hình 3.9 Giải thuật nút cơ sở ................................................................................................ 55 Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận........................................................................................ 56 Hình 3.11. Thời gian hoạt động và ngủ của nút mạng Master và Slaver................................ 58 -8- Hình 3.12 Giải thuật nút cơ sở trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ .......................... 59 Hình 3.15 Giải thuật nút cảm nhận trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ .................... 63 Hình 3.16 Sơ đồ chip CC1010, vị trí đánh dấu màu đỏ đo dòng điện tiêu thụ ........................ 66 Hình 3.17 Thực hiện đo dòng điện trên chip CC1010............................................................ 67 Bảng 3.2 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng ngủ .............................................................. 70 Bảng 3.3 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng truyền dữ liệu.............................................. 70 Bảng 3.4 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng nhận dữ liệu ................................................ 71 Bảng 3.5 Đo cường độ dòng điện lúc nút mạng không truyền/nhận dữ liệu .......................... 71 Hình 3.18 Phần mềm viết trên môi trường Visual C++.......................................................... 72 Bảng 3.6 Bảng thống kê tổng hợp các chế độ hoạt động của nút mạng tham gia vào một phiên gửi dữ liệu từ nút cơ sở tới nút cảm nhận .............................................................................. 73 Hình 3.19 Đồ thị tuổi thọ nút mạng tỉ lệ nghịch với số nút trong mạng .................................. 75 theo hàm 38.062.0 1   N T .................................................................................................. 75 Hình 3.20 Sơ đồ lập lịch cải tiến ........................................................................................... 76 -9- MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các hệ thống mạng thông tin máy tính di động được phát triển mạnh mẽ. Đặc biệt là hệ thống mạng cảm biến di động (wireless mobile sensor network), dạng không cấu trúc (ad-hoc mobile network) mới xuất hiện, nhưng đã được nhiều nước, nhiều tổ chức xã hội, quốc phòng, an ninh, kinh tế… quan tâm. Một lĩnh vực nổi bật của mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network- WSN) là sự kết hợp việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ. Thông qua mạng hình lưới (mesh networking protocols), những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hàng trăm thiết bị như vậy yêu cầu là phải có công nghệ mới. Nhờ có những tiến bộ nhanh chóng trong khoa học và công nghệ sự phát triển của những mạng bao gồm các cảm biến giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng và đa chức năng đã nhận được những sự chú ý đáng kể. Hiện nay người ta đang tập trung triển khai các mạng cảm biến để áp dụng vào trong cuộc sống hàng ngày. Đó là các lĩnh vực về y tế, quân sự, môi trường, giao thông… Trong một tương lai không xa, các ứng dụng của mạng cảm biến sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống con người nếu chúng ta phát huy được hết các điểm mạnh mà không phải mạng nào cũng có được như mạng cảm biến. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có thể tự thiết lập cẩu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị. Tính chất không dây của WSN có ưu điểm mềm dẻo, giá rẻ nhưng có nhiều thách thức cần được giải quyết một trong những thách thức lớn nhất đó là nguồn năng lượng bị giới hạn, các nút mạng cảm biến lại hoạt động ngoài môi trường rất khó nạp lại năng lượng. Trong khi đó, yếu tố chủ yếu giới hạn thời gian sống của mạng cảm nhận là năng lượng cung cấp. Mỗi nút cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để tối đa thời gian sống của mạng. Trong trường hợp mạng an ninh, mỗi nút phải sống trong nhiều năm. Một nút bị lỗi sẽ làm tổn thương hệ thống an ninh.Hiện nay rất nhiều nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng của mạng cảm biến trong từng lĩnh vực khác nhau. Nhận thấy tầm quan trọng của trong việc hạn chế tiêu thụ năng lượng tối đa trong mạng cảm biến, tác giả đã đi vào nghiên cứu vấn đề “Mạng cảm nhận không dây và đánh giá bằng thực nghiệm một số thông số qua điều khiển thâm nhập môi trường.” -10- Luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục và tài liệu tham khảo. Chương 1: Giới thiệu mạng cảm nhận không dây sẽ giới thiệu một cách tổng quan về WSN, các dạng ứng dụng của WSN và đưa ra những tiêu chí đánh giá cho WSN cũng như tiêu chí đánh giá một nút mạng cảm nhận. Chương 2: Giới thiệu các thủ tục thâm nhập môi trường, chọn thủ tục lập lịch tập trung đi sâu nghiên cứu. Chương 3: Thực nghiệm đo kiểm mạng WSN sử dụng phương pháp lập lịch tập trung. Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt được đồng thời cũng đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS TS. Vương Đạo Vy, Khoa Điện tử viễn thông - Trường Đại học công nghệ - Đại học quốc gia Hà nội, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này. Tác giả Ngô Đức Nghị -11- CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN 1.1. Giới thiệu Trong những năm gần đây, rất nhiều mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viên, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ… Hơn nữa với sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹ thuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu…đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, công suất tiêu thụ thấp, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến nhỏ có giá thành thấp, và tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trung dữ liệu để đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên . Những nút cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phần : Các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn,bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc vào từng ứng dụng. Mạng cảm biến có một số đặc điểm sau:  Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người  Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop  Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến  Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào fading và hư hỏng ở các nút  Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán Chính những đặc tính này đã đưa ra những chiến lược mới và những yêu cầu thay đổi trong thiết kế mạng cảm biến. -12- 1.2. Cấu trúc mạng cảm biến 1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc mạng cảm biến Các cấu trúc hiện nay cho mạng Internet và mạng ad hoc không dây không dùng được cho mạng cảm biến không dây, do một số lý do sau:  Số lượng các nút cảm biến trong mạng cảm biến có thể lớn gấp nhiều lần số lượng nút trong mạng ad hoc.  Các nút cảm biến dễ bị lỗi.  Cấu trúc mạng cảm biến thay đổi khá thường xuyên.  Các nút cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong khi hầu hết các mạng ad hoc đều dựa trên việc truyền điểm- điểm.  Các nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ.  Các nút cảm biến có thể không có số nhận dạng toàn cầu (global identification) (ID) vì chúng có một số lượng lớn mào đầu và một số lượng lớn các nút cảm biến. Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ:  Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận. Các nút cảm biến được phân bố trong một sensor field như hình (1.1). Mỗi một nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Hình 1.1 Cấu trúc mạng cảm biến Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình vẽ trên. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager nút) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. -13- Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu . Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến ) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài nút cảm biến trong mạng. Giới thiệu về nút cảm biến: Cấu tạo của nút cảm biến như sau: Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như ở hình (1.2): đơn vị cảm biến (a sensing unit), đơn vị xử lý (a processing unit), đơn vị truyền dẫn (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power unit). Ngoài ra có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Hình 1.2 Cấu tạo nút cảm biến. Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số. Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi sensor được chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý. Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn. Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng. Một trong số các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn. Các bộ nguồn thường được hỗ trợ bởi các bộ phận lọc như là tế bào năng lượng mặt trời. Ngoài ra cũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã ấn định. -14- Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài kích cỡ ra các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động, và thích biến với sự biến đổi của môi trường. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến: Như trên ta đã biết đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, các nút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống. Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:  Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.  Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các nút này.  Giá thành sản xuất : Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn việc triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.  Ràng buộc về phần cứng : Ví số lượng các nút trong mạng rất nhiều nên các nút cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như sau : Kích thước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả nằng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, chi phí sản xuất thấp, có khả năng tự trị và hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường.  Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biển, hoặc trong những vùng ô nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.  Phương tiện truyền dẫn : Ở những mạng cảm biến multihop, các nút được kết nối bằng những phương tiện không dây. Các đường kết nối này có thể tạo nên -15- bởi sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới. Hiện tại nhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa vào thiết kế mạch RF. Những thiết bị cảm biến năng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz. Một cách khác mà các nút trong mạng giao tiếp với nhau là bằng hồng ngoại. Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giá thành rẻ và dễ dàng hơn. Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ phát và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thể truyền ánh sáng cho nhau được.  Cấu hình mạng cảm biến (network topology): Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn nút được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng hàng chục feet của mỗi nút. Mật độ các nút có thể lên tới 20 nút/m3. Do số lượng các nút cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lâp một cấu hình ổn định. Chúng ta có thể kiểm tra các vấn đề liên quan đến việc duy trì và thay đổi cấu hình ở 3 pha sau: o Pha tiền triển khai và triển khai: các nút cảm biến có thể đặt lộn xộn hoặc xếp theo trật tự trên trường cảm biến. Chúng có thể được triển khai bằng cách thả từ máy bay xuống, tên lửa, hoặc có thể do con người hoặc robot đặt từng cái một. o Pha hậu triển khai: sau khi triển khai, những sự thay đổi cấu hình phụ thuộc vào việc thay đổi vị trí các nút cảm biến, khả năng đạt trạng thái không kết nối (phụ thuộc vào nhiễu, việc di chuyển các vật cản…), năng lượng thích hợp, những sự cố, và nhiệm vụ cụ thể. o Pha triển khai lại: Sau khi triển khai cấu hình, ta vẫn có thể thêm vào các nút cảm biến khác để thay thế các nút gặp sự cố hoặc tùy thuộc vào sự thay đổi chức năng.  Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption) : Các nút cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0,5Ah, 1.2V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một nút đóng một vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây -16- ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến lại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Đó là lý do vì sao mà hiện nay người ta đang tập trung nghiên cứu về các giải thuật và giao thức để thiết kế nguồn cho mạng cảm biến. Nhiệm vụ chính của các nút cảm biến trong trường cảm biến là phát hiện ra các sự kiện, thực hiện xử lý dữ liệu cục bộ nhanh chóng, và sau đó truyền dữ liệu đi. Vì thế sự tiêu thụ năng lượng được chia ra làm 3 vùng: cảm nhận (sensing), giao tiếp (communicating), và xử lý dữ liệu (data processing). 1.2.2. Kiến trúc giao thức mạng Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình (1.3). Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý . Các mặt phẳng quản lý này làm cho các nút có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Hình 1.3 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến Mặt phẳng quản lý công suất : Quản lý cách cảm biến sử dụng nguồn năng lượng của nó. Ví dụ : nút cảm biến có thể tắt bộ thu sau khi nhận được một bản tin. Khi mức công suất của con cảm biến thấp, nó sẽ broadcast sang nút cảm biến bên cạnh thông báo rằng mức năng lượng của nó thấp và nó không thể tham gia vào quá trình định tuyến . Mặt phẳng quản lý di động : có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển động của các nút. Các nút giữ việc theo dõi xem ai là nút hàng xóm của chúng. Mặt phẳng quản lý : Cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Không phải tất cả các nút cảm biến đều thực hiện nhiệm vụ cảm nhận ở cùng một thời điểm. -17- Lớp vật lý : có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộng rãi trong mạng cảm biến. Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét ở lớp vật lý, ví dụ : điều biến M hoặc điều biến nhị phân. Lớp liên kết dữ liệu : lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung (frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận. Lớp mạng : Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc sau :  Hiệu quả năng lượng luôn luôn được coi là vấn đề quan trọng  Mạng cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu  Tích hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không cản trở sự cộng tác có hiệu quả của các nút cảm biến. Lớp truyền tải : chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác. Lớp ứng dụng : Tuỳ theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng. 1.2.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 1.2.3.1. Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architecture) (hình 1.4), tất cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các nút giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số… Hình 1.4 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến -18- 1.2.3.2. Cấu trúc tầng Trong cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5), các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop ( tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1.5 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các nút. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (hình 1.6). Cấp 2: Phân phối Cấp 1 : Tính toá Cấp 0: Cảm nhận Hình 1.6 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp -19- Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc phẳng, do các lý do sau: -Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí chi mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất, mỗi nút chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. Vì số lượng các nút cần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chi phí của toàn mạng vì thế sẽ không cao. Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các nút có chi phí thấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn các nút có chi phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị và đồng bộ thời gian, chi phí cho toàn mạng sẽ giảm đi. -Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dài, các nút tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng. -Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với với số lượng các nút yêu cầu thỏa mãn điều kiện về băng thông và thời gian sống. Với mạng cấu trúc phẳng, qua phân tích người ta đã xác định thông lượng tối ưu của mỗi nút trong mạng có n nút là n W , trong đó W là độ rộng băng tần của kênh chia sẻ. Do đó khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông lượng của mỗi nút sẽ giảm về 0. -Việc nghiên cứu các mạng cấu trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp, trong đó các nút ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh trạm gốc. Mỗi một trạm gốc đóng vai trò là cầu nối với cấp cao hơn, cấp này đảm bảo việc giao tiếp trong cụm thông qua các bộ phận hữu tuyến. Trong trường hợp này, dung lượng của mạng tăng tuyến tính với số lượng các cụm, với điều kiện là số lượng các cụm tăng ít nhất phải nhanh bằng n . Các nghiên cứu khác đã thử cách dùng các kênh khác nhau ở các mức khác nhau của cấu trúc phân cấp. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc lập với nhau. Tóm lại, việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được khi dùng cấu trúc tầng. Đặc biệt người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ. Những chức năng như vậy có thể phân phối đến mọi nút, một phần phân bố đến tập con của các nút. Giả thiết rằng các nút đều không cố định và phải thay đổi địa chỉ một cách định kì, sự cân bằng giữa những lựa chọn này phụ -20- thuộc vào tân số thích hợp của chức năng cập nhật và tìm kiếm. Hiện nay cũng đang có rất nhiều mô hình tìm kiếm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng. 1.3. Ứng dụng Như trên ta đã đề cập đến các lĩnh vực ứng dụng mạng cẳm biến không dây.Cụ thể ta sẽ xem xét kỹ một số ứng dụng như sau để hiểu rõ sự cần thiết của mạng cảm biến không dây. Các mạng cảm biến có thể bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến động đất, cảm biến từ trường tốc độ lấy mẫu thấp, cảm biến thị giác, cảm biến hồng ngoại, cảm biến âm thanh, radar… mà có thể quan sát vùng rộng các điều kiện xung quanh đa dạng bao gồm:  Nhiệt độ.  Độ ẩm.  Sự chuyển động của xe cộ.  Điều kiện ánh sáng.  Áp suất.  Sự hình thành đất.  Mức nhiễu.  Sự có mặt hay vắng mặt một đối tượng nào đó.  Mức ứng suất trên các đối tượng bị gắn.  Đặc tính hiện tại như tốc độ, chiều và kích thước của đối tượng. Các nút cảm biến có thể được sử dụng để cảm biến liên tục hoặc là phát hiện sự kiện, số nhận dạng sự kiện, cảm biến vị trí và điều khiển cục bộ bộ phận phát động. Khái niệm vi cảm biến và kết nối không dây của những nút này hứa hẹn nhiều vùng ứng dụng mới. Chúng ta phân loại các ứng dụng này trong quân đội, môi trường, sức khỏe, gia đình và các lĩnh vực thương mại khác. 1.3.1. Ứng dụng trong quân đội Mạng cảm biến không dây có thể tích là một phần tích hợp trong hệ thống điều khiển quân đội, giám sát, giao tiếp, tính toán thông minh, trinh sát, theo dõi mục tiêu. Đặc tính triển khai nhanh, tự tổ chức và có thể bị lỗi của mạng cảm biến làm cho chúng hứa hẹn kỹ thuật cảm biến cho hệ thống trong quân đội. Vì mạng cảm biến dựa trên sự triển khai dày đặc của các nút cảm biến có sẵn, chi phí thấp và sự phá hủy của một vài nút bởi quân địch không ảnh hưởng đến hoạt động của quân đội cũng như sự phá hủy các cảm biến truyền thống làm cho khái niệm mạng cảm biến là ứng dụng tốt đối với chiến trường. Một vài ứng dụng quân đội của mạng cảm biến là quan sát lực lượng, trang thiết bị, đạn dược, theo dõi chiến trường do thám địa hình và lực lượng quân địch, mục tiêu, việc đánh giá mức độ nguy hiểm của chiến trường, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hóa học, sinh học, hạt nhân. -21- Giám sát lực lượng , trang thiết bị và đạn dược: Các người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến. Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược có thể gắn liền với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái. Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút sink để gửi tới lãnh đạo trong quân đội. Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn. Giám sát chiến trường: địa hình hiểm trở, các tuyến đường , đường mòn và các chỗ eo hẹp có thể nhanh chóng được bao phủ bởi mạng cảm biến và gần như có thể theo dõi các hoạt động của quân địch. Khi các hoạt động này được mở rộng và kế hoạch hoạt động mới được chuẩn bị một mạng mới có thể được triển khai bất cứ thời gian nào khi theo dõi chiến trường. Giám sát địa hình và lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được triển khai ở những địa hình then chốt và một vài nơi quan trọng, các nút cảm biến cần nhanh chóng cảm nhận các dữ liệu và tập trung dữ liệu gửi về trong vài phút trước khi quân địch phát hiện và có thể chặn lại chúng. Hình (1.7) cho ta hình dung được về ứng dụng của mạng cảm biến trong hoạt động quân đội. Hình 1.7 Ứng dụng trong quân đội Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường: trước và sau khi tấn công mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu để nắm được mức độ nguy hiểm của chiến trường. Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân. Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan -22- trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấpcác thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng. 1.3.2. Ứng dụng trong môi trường Một vài ứng dụng môi trường của mạng cảm biến bao gồm theo dõi sự di cư của các loài chim, các động vật nhỏ, các loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng và vật nuôi; việc tưới tiêu, các thiết bị đo đạc lớn đối với việc quan sát diện tích lớn trên trái đất, sự thăm dò các hành tinh, phát hiện sinh-hóa, nông nghiệp chính xác, quan sát môi trường, trái đất, môi trường vùng biển và bầu khí quyển, phát hiện cháy rừng, nghiên cứu khí tượng học và địa lý, phát hiện lũ lụt, sắp đặt sự phức tạp về sinh học của môi trường và nghiên cứu sự ô nhiễm. Phát hiện cháy rừng: vì các nút cảm biến có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên, có chiến lược với mật độ cao trong rừng, các nút cảm biến sẽ dò tìm nguồn gốc của lửa để thông báo cho người sử dụng biết trước khi lửa lan rộng không kiểm soát được. Hàng triệu các nút cảm biến có thể được triển khai và tích hợp sử dụng hệ thống tần số không dây hoặc quang học. Cũng vậy, chúng có thể được trang bị cách thức sử dụng công suất có hiểu quả như là pin mặt trời bởi vì các nút cảm biến bị bỏ lại không có chủ hàng tháng và hàng năm. Các nút cảm biến sẽ cộng tác với nhau để thực hiện cảm biến phân bố và khắc phục khó khăn, như các cây và đá mà ngăn trở tầm nhìn thẳng của cảm biến có dây. Hình 1.8 Ứng dụng trong môi trường Phát hiện lũ lụt: một ví dụ đó là hệ thống báo động được triển khai tại Mỹ. Một vài loại cảm biến được triển khai trong hệ thống cảm biến lượng mưa, mức nước, -23- thời tiết. Những con cảm biến này cung cấp thông tin để tập trung hệ thống cơ sở dữ liệu đã được định nghĩa trước. 1.3.3. Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân, các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện. Theo dõi bác sĩ và bệnh nhân trong bệnh viện : mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi con cảm biến khác phát hiện áp suất máu, bác sĩ cũng có thể mang nút cảm biến để cho các bác sĩ khác xác định được vị trí của họ trong bệnh viện. Hình 1.9 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình Trong lĩnh vực tự động hóa gia đình, các nút cảm biến được đặt ở các phòng để đo nhiệt độ. Không những thế, chúng còn được dùng để phát hiện những sự dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà. 1.4. Kết luận Chương này đã giới thiệu tổng quan về kiến trúc mạng cảm biến 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 của mạng cảm biến với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ ngày nay sẽ hứa hẹn thêm nhiều ứng dụng mới của mạng cảm biến. -24- CHƯƠNG 2 CÁC THỦ TỤC THÂM NHẬP MÔI TRƯỜNG 2.1 Tổng Quan Một đặc tính chủ yếu của giao tiếp mạng không dây là nó cung cấp một môi trường chia sẻ kế thừa. Tất cả các giao thức điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) dành cho các mạng quản lý cách sử dụng giao diện sóng vô tuyến để đảm bảo hiệu quả sử dụng chia sẻ băng thông. Giao thức MAC thiết kế cho các mạng cảm biến không dây có thêm mục tiêu quản lý sóng vô tuyến tích cực để bảo toàn năng lượng. Vì vậy, trong khi các giao thức MAC truyền thống phải cân bằng thông lượng, độ trễ, và các quan hệ cân bằng, giao thức MAC của WSN đặt vấn đề nhấn mạnh hiệu quả năng lượng. Một chủ đề chung xuyên suốt tất cả các giao thức này là đặt các máy thu vô tuyến ở chế độ năng lượng thấp “mode ngủ” có chu kỳ hoặc bất kỳ khi nào có thể khi một nút không nhận hoặc không truyền. 2.2 Các giao thức MAC truyền thống. Các giao thức MAC cạnh tranh cơ bản có một ưu điểm hơn so với cạnh tranh tự do là lập lịch giao thức MAC trong trường hợp tốc độ dòng dữ liệu thấp, ở đó chúng có đặc tính thời gian chờ thấp hơn và đáp ứng tốt hơn những biến đổi lưu lượng nhanh.. 2.2.1 Aloha và CSMA Dạng đơn giản nhất của thâm nhập môi trường là phân khe Aloha và không phân khe Aloha. Trong không phân khe Aloha, mỗi nút được xem như độc lập và truyền một gói khi nó thâm nhập môi trường; nếu mà đụng độ xảy ra, các gói được truyền lại sau khoảng thời gian ngẫu nhiên. Phiên bản phân khe của Aloha làm việc cũng tương tự, nhưng nó cho phép truyền chỉ với những khe đồng bộ đặc biệt. Giao thức MAC cổ điển khác là giao thức thâm nhập cảm nhận sóng mang (CSMA). Trong CSMA, một nút muốn truyền đầu tiên phải lắng nghe kênh truyền xem nó có rỗi không. Nếu kênh đang rỗi, nút sẽ tiến hành truyền. Nếu kênh đang bận, nút sẽ đợi sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên và sẽ truyền lại. CSMA với dò tìm miền đụng độ là kỹ thuật cơ bản sẻ dụng trong IEEE 802.3/Ethernet. 2.2.2 Các vấn đề về nút ẩn và nút hiện. CSMA truyền thống không cảnh báo được miền đụng độ và không hiệu quả trong các mạng không dây do có 2 vấn đề chính : vấn đề các nút ẩn và các vấn đề các nút hiện. Vấn đề các nút ẩn minh hoạ ở hình 2.1(a), ở đây nút A truyền tới nút B. Nút C, nút mà nằm ngoài sóng của A, sẽ cảm nhận thấy kệnh truyền tới nút A đang rảnh và cũng bắt đầu truyền tới nút B. Trong trường hợp này CSMA không phát hiện cảnh báo xung đột được do A và C ẩn với nhau. Vấn đề nút hiện được minh hoạ bởi hình 2.1 (b). Ở đây, trong khi nút B truyền -25- tới nút A, nút C có một gói dành cho nút D. Tại vì nút C nằm trong vùng phủ sóng của nút B, nó sẽ cảm thấy là đường truyền đang bận và nó sẽ không truyền Tuy nhiên trên lý thuyết tại vì nút D nằm ngoài vùng phủ sóng của nút B, và A nằm ngoài vùng phủ sóng của C, có 2 phiên truyền mà không đụng độ với nhau. Việc trì hoãn việc truyền bởi C sẽ làm lãng phí băng thông. (a) (b) Hình 2.1. Các vấn đề với CSMA căn bản trong môi trường không dây : (a) nút ẩn , (b) nút hiện Có hai vấn đề cần quan tâm trong mỗi một cảm biến : ở nút ẩn vấn đề các gói bị đụng độ vì nút gửi không biết có nút khác đang sử dụng đường truyền, trong khi vấn đề của nút hiện có sự lãng phí cơ hội truyền một gói vì nhận biết sai lệch của truyền chống nhiễu. 2.2.3 Thâm nhập môi trường và cảnh báo đụng độ (MACA). Giao thức MACA chỉ ra việc sử dụng hai bản tin điều khiển,có thể giải quyết vấn đề nút ẩn và nút hiện. Các bản tin điều khiển gọi là yêu cầu gửi (RTS) và xoá gửi (CTS). Bản chất của hệ thống này là khi một nút muốn gửi một bản tin, sẽ phát ra một gói RTS tới nơi nhận của nó. Nếu mà nơi nhận của nó có thể nhận gói, nó sẽ phát ra một gói CTS. Khi nút gửi nhận được CTS, nó bắt đầu truyền gói. Khi một nút gần lắng nghe một địa chỉ RTS tới nút khác, nó sẽ ngăn chặn việc truyền của nó trong một khoảng thời gian, đợi đến khi CTS tương ứng. Nếu một CTS không được nhận biết, nút có thể bắt đầu việc truyền dữ liệu của nó. Nếu một CTS được nhận, bất chấp có hay không RTS được nghe trước đó, một nút ngăn chặn việc truyền của nó với một khoảng thời gian đủ để cho phép giao dịch dữ liệu tương ứng được hoàn thành. Với một số giả định lý tưởng (ví dụ: bỏ qua những đụng độ RTS/CTS có thể, giả sử rằng giao tiếp là 2 chiều, không mất gói, không có hiệu ứng bắt) chúng ta có thể nhận thấy rằng lược đồ MACA có thể giải quyết được cả vấn đề nút ẩn và nút hiện. Sử dụng các ví dụ đơn giản đầu tiên, nó có thể giải quyết vấn đề nút ẩn vì nút C có thể nhận biết bản tin CTS và ngăn cản việc tranh chấp truyền của nó. Giống như vậy với vấn đề nút hiện, mặc dù nút C nghe được RTS của nút B, nó sẽ không nhận CTS từ nút A và vì vậy có thể truyền các gói của nó sau khoảng đợi đủ thời gian. A  B C A  B C  D -26- 2.2.4 IEEE 802.11 MAC Liên quan tới MACA là việc sử dụng rộng rãi chuẩn IEEE 802.11 MAC. Thiết bị 802.11 có thể được điều khiển ở mode hạ tầng cơ sở (kết nối đơn hop và các điểm thâm nhập) hoặc adhoc mode (mạng đa hop). Nó có thể bao gồm 2 chức năng : chức năng phối hợp phân tán (DCF) và chức năng phối hợp điểm (PCF). DCF là giao thức CSMA-CA (thâm nhập đa cảm biến sóng mang với ngăn chặn đụng độ) với ACKs. Nút đầu tiên sẽ kiểm tra liệu nó sẽ bị ngăn chặn truyền hoặc gửi trả lại do môi trường đang bận; nếu môi trường không bận, nó sẽ đợi một khoảng DIFS (khoảng liên khung phân tán) trước khi truyền. Bộ nhận của bản tin gửi một ẠCK trước đây nhận thành công sau thời điểm SIFS (khoảng liên khung ngắn). Chức năng cảm nhận sóng mang ảo RTS/CTS từ MACA được dùng, nhưng chỉ cho các gói unicat. Các nút với chi phí thêm bản tin RTS/CTS ghi lại khoảng thời gian tráo đổi DATA-ACK tương ứng trong NAV của chúng (định hướng cấp phát mạng) và trì hoãn thâm nhập trong khoảng thời gian này. Ở chức năng thứ 2, PCF, một điểm thâm nhập trung tâm phối hợp với thâm nhập môi trường bằng hiệu ứng dò các nút khác cho các dữ liệu có chu kỳ. Nó rất hữu ích cho các ứng dụng thời gian thực do nó có thể sử dụng giới hạn trễ đảm bảo. 2.2.5 IEEE 802.15.4 MAC Chuẩn IEEE 802.15.4 MAC thiết kế cho các vùng mạng không dây cá nhân tốc độ thấp (LR-WPAN), bao gồm các ứng dụng cảm nhận được gắn vào. Hầu hết các đặc điểm của nó dành cho kích hoạt mode báo hiệu trong topo hình sao. Ở mode kích hoạt báo hiệu ở mạng hình sao, IEEE 802.15.4 MAC sử dụng cấu trúc siêu khung trong hình 2.2. Một siêu khung được xác định bởi tín hiệu báo hiệu chu kỳ được gửi bởi bộ phối hợp PAN. Trong khoảng thời gian siêu khung có một pha tích cực cho giao dịch giữa các nút, phối hợp PAN và pha không tích cực nó có thể điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ năng lương mong muốn. Thời điểm tích cực có 16 khe bao gồm 3 phần : phần báo hiệu, thời điểm thâm nhập tranh chấp(CAP) và thời điểm xung đột tự do(CFP) điều này cho phép cấp phát các khe đảm bảo thời gian (GTS). Sự xuất hiện miền đụng độ tự do cho phép dành riêng cho lập lịch thâm nhập. Các nút giao dịch chỉ trên các khe đảm bảo thời gian, các nút còn lại có thể ngủ và chỉ cần tỉnh dậy trước khi chúng được gán vào các khe GTS. Giao dịch trong thời điểm CAP là thuật toán CSMA-CA đơn giản nó cho phép một thời điểm nhỏ giảm tiêu thụ năng lượng lắng nghe kênh rỗi. Đánh giá giao thức này là sự thay đổi của nó và các thông số có thể được thiết lập. Trên lý thuyết chuẩn IEEE 802 có thể sử dụng cho các topo khác, mode kích hoạt báo hiệu không xác định được chúng. -27- Hình 2.2 Cấu trúc siêu khung IEEE 802.15.4 MAC 2.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC Hiệu quả năng lượng đạt được trong các giao thức MAC bởi việc tắt máy thu sang chế độ ngủ khi có thể để tiết kiệm tiêu thụ năng lượng. 2.3.1 Quản lý năng lượng trong IEEE 802.11 Có nhiều cách lựa chọn về quản lý năng lượng trong kiến trúc 802.11. Các nút thông báo cho các Access point biết khi nào chúng muốn đi vào trạng thái ngủ để mà bất kỳ bản tin nào muốn gửi tới chúng sẽ được đưa vào bộ đệm AP. Các nút sẽ thức dậy một cách định kỳ để kiểm tra bản tin bộ đệm. Vì vậy năng lượng sẽ được tiết kiệm tối đa. 2.3.2 Thâm nhập môi trường cảm nhận nguồn với tín hiệu (PAMAS) PAMAS là một phần mở rộng của kỹ thuật MACA, nơi tín hiệu RTS/CTS thực hiện trên một kênh vô tuyến riêng biệt từ việc trao đổi dữ liệu. Nó là một trong những giao thức MAC cảm nhận năng lượng đầu tiên đưa ra cho các mạng không dây đa hop. Trong PAMAS, các nút sẽ tắt máy thu sóng (đi vào trạng thái ngủ) bất kỳ khi nào chúng không nhận hoặc gửi thành công. Đặc biệt khi chúng đi vào trạng thái ngủ chúng vẫn nghe được một lan truyền lân cận tới nút khác, hoặc chúng xác định qua kênh tín hiệu điều khiển RTS/CTS, tín hiệu mà nút lân cận nhận được. Khoảng thời gian ngủ sẽ được đặt vào độ dài của phiên truyền đang diễn ra được hiện thị bởi tín hiệu điều khiển nhận được của kênh thứ cấp. Nếu một phiên truyền được bắt đầu trong khi một nút trong trạng thái ngủ, trước khi bị đánh thức, nút gửi các tín hiệu thăm dò tới để xác định khoảng thời gian truyền và bao lâu nó có thể quay lại trạng thái ngủ. Trong PAMAS, một nút chỉ có thể đặt vào trạng thái ngủ khi nó bị cấm nhận hoặc truyền theo bất kỳ đường nào, để cho chất lượng trễ /thông lượng của mạng không lỗi. Tuy nhiên có một vấn đề quan tâm là tổn hao năng lượng trong chế độ thu nhàn rỗi (tức là điều kiện để một nút không có gói nào gửi và không có tín hiệu nào trên kênh truyền). -28- 2.3.3 Mức tối thiểu hoá chi phí năng lượng thu nhàn rỗi. Trong khi PAMAS cung cấp các cách để tiết kiệm năng lượng , năng lượng có thể tiết kiệm hơn nữa bởi việc giảm chế độ rảnh nhận. Yếu tố chính của vấn đề này là cho phép bộ nhận ngủ trong phần lớn thời gian, trong khi vẫn đảm bảo một nút được đánh thức và nhận khi một gói truyền đến nó. Dựa trên nền tảng cơ sở của các phương pháp giải quyết vấn đề này, có 2 loại cạnh tranh cơ bản cho các giao thức MAC mạng cảm nhận. Phương pháp tiếp cận đầu tiên là việc không đồng bộ hoàn toàn và trả lời sử dụng một bộ nhận hoặc kỹ thuật lắng nghe công suất thấp có chu kỳ để đảm bảo rằng bộ nhận được đánh thức mỗi khi có tin truyền tới. Phương pháp tiếp cận thứ hai, với nhiều biến thể khác nhau, sử dụng chu trình lập lịch ngủ chu kỳ cho các nút. Hầu hết các bộ lập lịch kết hợp với một phương thức, đó là các bộ truyền nhận biết về thời gian khi các bộ nhận của chúng được đánh thức. 2.4 Kỹ thuật ngủ không đồng bộ Trong các kỹ thuật này , các nút thường giữ tỉ lệ chế độ ngủ mặc định, về chỉ thức dậy trong một thời gian ngắn để kiểm tra các lưu lượng và gửi nhận bản tin. 2.4.1. Đánh thức máy thu thứ cấp. Các nút cần kích hoạt chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng khi chúng không có giao dịch và được đánh thức khi cần có các liên lạc cần thiết. Giải pháp đầu tiên là một phần cứng trang bị cho mỗi nút cảm nhận với 2 máy thu. Trong mỗi phần cứng thiết kế, máy thu sơ cấp là máy thu dữ liệu chính, phần còn lại đặt ở chế độ ngủ mặc định. Máy thu thứ cấp là máy thu thức dậy công suất thấp được giữ nguyên hầu hết thời gian. Nếu máy thu thức giấc của một nút, nhận được tín hiệu thức giấc của nút khác, nó sẽ trả lời bằng việc thức dậy máy thu chính và bắt đầu nhận. Điều này đảm bảo rằng máy thu sơ cấp chỉ được kích hoạt khi nút có dữ liệu gửi và nhận.Giả định cơ bản để thúc đẩy cho vấn đề này là thiết kế của nó, khi tín hiệu thức giấc không cần phải xử lý tín hiệu phức tạp, nó có thể được thiết kế tiêu thụ công suất thấp. Tuy nhiên một vấn đề được đặt ra là tất cả các nút trong miền quảng bá tín hiệu của các nút truyền có thể bị đánh thức. 2.4.2 Mẫu lắng nghe mở đầu công suất thấp. El Hoiydi và Hill và Culler phát triển độc lập cơ cấu giống nhau việc đánh thức các máy thu ngủ. Trong kỹ thuật này, đề cập đến mẫu mở đầu hoặc lắng nghe công suất thấp, bộ nhận thức giấc có chu kỳ để cảm nhận kênh truyền. Nếu không có tín hiệu truyền nó sẽ tiếp tục ngủ. Nếu một nút muốn truyền, nó gửi một tín hiệu ưu tiên đầu tiên để truyền gói. Trước khi phát hiện ra tín hiệu đầu, nút nhận sẽ thay đổi tới chế độ nhận tích cực đầy đủ. Kỹ thuật được minh hoạ ở hình 2.3. Tín hiệu thức giấc có thể được gửi với giao diện gói mức cao; tuy nhiên một phương thức tiếp cận hiệu quả cao hơn là việc thực thi điều này trực tiếp trên lớp vật lý – vì vậy tín hiệu thức giấc có thể không dài hơn xung RF. Nút dò sau đó chỉ kiểm tra -29- năng lượng máy thu trên kênh để xác định khi nào tín hiệu hiện hữu. Hill và Culler đã tranh luận điều này có thể giảm bộ nhận kiểm tra chu trình hoạt động thấp bằng 0.00125%, cho phép thời gian sống tăng gấp 2000 lần so với một việc đánh thức gói cùng mức(từ 1 tuần lên 38 năm). Chúng ta chú ý là biếu đồ này có khả năng đánh thức các bộ nhận có thể trong một miền lân cận của bộ truyền đưa ra, tuy nhiên các cơ chế này như là một thông tin trong tiêu đề có thể sử dụng đặt chúng quay trở lại trạng thái ngủ nếu không có giao dịch nào cho chúng. Hình 2.3 Kỹ thuật lắng nghe công suất thấp của mẫu mào đầu. 2.4.3 WiseMAC Mẫu mở đầu lắng nghe công suất thấp có một khả năng thiếu sót : mẫu mở đầu mà dài làm làm cho giảm thông lượng và tiêu thụ năng lượng cả bộ nhận và bộ gửi. Giao thức WiseMAC được thiết lập trước tín hiệu mào đầu để sửa nhược điểm này. Việc sử dụng thêm các gói ACK. Mỗi nút sẽ học nhiều lần mẫu chu kỳ của các nút hàng xóm, và sử dụng các thông tin này để gửi mẫu đánh thức ngắn tới kịp thời gian. Khoảng thời gian của mẫu được xác định bởi độ lệch của xung đồng hồ kể từ mẫu đồng bộ cuối cùng. Giả sử Tw là thời điểm mẫu nhận,  độ lệch xung đồng hồ, và L là khoảng thời gian giữa các giao tiếp, vì vậy khoảng thời gian của mẫu cần chỉ khi : Các gói trong WiseMAC chứa hơn một bit (điều này đã nói trong chuẩn IEEE 802.11 giao thức tiết kiệm năng lượng) bộ truyền sử dụng để phát tín hiệu tới bộ nhận nếu nó cần bộ nhận nhận tin. 2.4.4 Khởi động việc truyền nhận chu kỳ nhận (TICER/RICER) Giống như mẫu lắng nghe/mào đầu tiết kiệm năng lượng là kỹ thuật TICER/RICER. Trong đó bộ truyền khởi động chu trình nhận (TICER) hình 6.4(a), như là trong lắng nghe công suất thấp, các nút nhận sẽ thức giấc có chu kỳ và quan sát kênh cho các tín hiệu từ bộ phát đến (điều này là yêu cầu đánh thức để gửi tín hiệu RTS). Bộ Preamble Send data message Preamble sampling Active to receive message Sender Receive R S -30- gửi sẽ gửi chuỗi tín hiệu RTS trong một thời gian ngắn khi nó quét kênh truyền. Khi bộ nhận phát hiện ra một tín hiệu RTS, nó sẽ trả lời lại với một tín hiệu CTS. Nếu bộ nhận phát hiện một tín hiệu CTS tương ứng với RTS của nó, nó sẽ bắt đầu truyền các gói. Do vậy vấn đề khác nhau cơ bản của mẫu mào đầu là trong TICER bộ gửi sẽ gửi một chuỗi tín hiệu ngắn quãng thay vì một mẫu đơn lẻ dài, và đợi một tín hiệu rõ ràng từ bộ nhận trước khi truyền dữ liệu. Hình 2.4(a) Ngủ không đồng bộ sử dụng TICER Hình 2.4(b) Ngủ không đồng bộ sử dụng RICER Trong kỹ thuật bộ khởi động nhận chu trình (RICER), tranh chấp trong hình 2.4(b), một nút nhận thức dậy có chu kỳ để thực hiện một quan sát 3 pha gửi tín hiệu đánh thức quan sát tuần tự. Một nguồn muốn đánh thức truyền và ở trạng thái quán sát. Khi nó nghe nghe tín hiệu thức giấc từ bộ nhận, nó bắt đầu truyền dữ liệu. Bộ nhận trong trạng thái quan sát sẽ xem xét phần bắt đầu của gói dữ liệu còn lại cho đến khi gói được nhận hoàn thành. Tuy nhiên, một vấn đề chi tiết gắn với kỹ thuật TICER/RICER là trong khi tín hiệu đánh thức phức tạp RTS/CTS rất dễ bổ sung ở mức gói cao hơn, nó có thể thêm khó khăn để thực hiện tín hiệu tương tự RF công suất thấp. Điều này buộc tín hiệu truyền tới bộ nhận đúng, bộ nhận cần tự nó xác định duy nhất tới bộ truyền. Sender Receive R S RTS RTS RTS CTS Data Sleep Sleep Sleep Sender Receive R S Beacon Beacon Beacon Data Sleep Sleep Sleep -31- 2.4.5 Giao thức MAC tái cấu hình Một bổ sung của lớp giao thức MAC công suất thấp khả năng tái cấu hình cao và giao thức B-MAC. Nó cung cấp một giới hạn thiết lập chức năng lõi và một giao diện cho phép các thành phần lõi được chỉnh và cấu hình phụ thuộc vào lớp cao hơn. Lõi của B-MAC bao gồm các đặc điểm sau có thể bật tắt và sử dụng trong bất kỳ kết hợp nào thoả mãn :  Lắng nghe công suất thấp, thực thi kỹ thuật đánh thức mào đầu cơ bản thoả mãn các điều trên, nó cho phép các nút ngủ ở chế độ mặc định, giúp cho bảo tồn năng lượng . Sự khác nhau giữa khoảng thời gian mẫu kênh và khoảng thời gian khởi đầu có thể được chọn bởi lớp cao hơn.  Đánh giá kênh sạch (CCA), xác định liệu kênh có bận hay không bởi việc kiểm tra mẫu gần kề và sử dụng kỹ thuật dò tiếp cận ngoài. Nếu tính năng CCA bị tắt, một giao thức lập lịch có thể được bổ sung trên B- MAC. Nếu nó được kích hoạt, khoảng thời gian sau đó (trong trường hợp kênh bận) có thể được chọn bởi các lớp cao hơn. CCA sử dụng cho lắng nghe công suất thấp.  Tín hiệu (ACK: Nếu ACK được kích hoạt, một đáp ứng sẽ được gửi bổ sung sau khi nhận gói unicast. Các thành phần B-MAC ROM RAM Basic B-MAC 3046 166 Basic B-MAC LPL 4092 170 Basic B-MAC LPL ACK 4386 172 Basic B-MAC LPL ACK RTS/CTS 4616 277 Hình 2.5 Các thành phần của B-MAC và các thiết bị bộ nhớ của chúng. Các tín hiệu đặt trước kênh RTS/CTS có thể được bổ sung trên B-MAC sử dụng giao diện điều khiển của nó, nhưng nó không là một phần lõi của B-MAC Việc đơn giản hoá, hiệu quả và khả năng cấu hình của B-MAC (hình 2.5) có nghĩa là nó giống như việc sử dụng nhiều tiện ích. Một thoả mãn của B-MAC là thiết kế trong một modun trình diễn và cung cấp chức năng lõi. Điều này dễ dàng bổ sung giao thức MAC phức tạp hơn trên B-MAC, bao gồm nhiều chu trình ngủ cơ bản và các giao thức lập lịch tự do tranh chấp. -32- 2.5 Kỹ thuật lập lịch ngủ 2.5.1 Sensor MAC (S-MAC) Giao thức S-MAC là giao thức MAC không dây thiết kế cho WSN. Như trình bày ở hình 2.6 , nó sử dụng chu trình tuần hoàn mỗi nút ngủ và thức sau một khoảng thời gian, Các chu trình hoạt động của bộ lập lịch ngủ lắng nghe giả sử giống nhau ở tất cả các nút, đảm bảo giảm tiêu tốn năng lượng. Trong khi khởi động, các nút còn lại sẽ thức và đợi một thời điểm ngẫu nhiên để lắng nghe cho các bản tin cung cấp lịch lắng nghe ngủ của một trong những hàng xóm của chúng. Nếu chúng không nhận được bản tin nào, nó sẽ trở thành các nút đồng bộ, lựa chọn bộ lập lịch của chúng và quảng bá chúng tới các hàng xóm của chúng. Các nút nghe các lịch của hàng xóm và chấp nhận các lịch đó gọi là nút chuyển tiếp. Một số nút biên hoặc chấp nhận On Off On Off …….. On Off On Off On Off On Off Hình 2.6 Chu trình hoạt động ngủ thức trong S-MAC nhiều lịch hoặc chấp nhận lịch của một hàng xóm ( để mà phân phát các bản tin thành công, các nút biên cần biết lịch của tất cả hàng xóm ). Các nút truyền có chu kỳ các lịch này để thông báo cho các nút mới tham gia vào mạng. Mặc dù các nút phải trao đổi gói định kỳ với hàng xóm để đồng bộ, điều này không phải mối lo lắng chính do thời điểm lắng nghe có đặc thù rất rộng so với độ lệch của xung đồng hồ. Các lịch ngủ không được chuyển tiếp trong khi truyền dữ liệu. Một mở rộng của biểu đồ S- MAC cơ bản gọi là nghe thích ứng cho phép các thời điểm tích cực được biến đổi chiều dài, để làm giảm độ ngủ trễ của một số mở rộng. Ngoài ra từ một lịch ngủ, S-MAC giống như cạnh tranh thâm nhập môi trường trong IEEE 802.11, ở đó nó sử dụng gói RTS/CTS. Cả bộ cảm nhận sóng mang vật lý và bộ cảm nhận sóng mang ảo đều dựa vào NAV được sử dụng. S-MAC thực hiện lắng nghe xa, nhờ đó giao diện các nút được gửi để ngủ với điều kiện là NAV khác không (NAV trong 802.11, được đặt trước việc nhận của các gói RTS/CTS tương ứng với phiên truyền). Vì thế S-MAC cung cấp viêc phân mảnh từng phần của các gói dữ liệu lớn thành các gói nhỏ, với tất cả các gói nhỏ đó chỉ có trao đổi RTS/CTS được sử dụng. Chú ý rằng tiết kiệm năng lượng trong S-MAC là mở rộng tiềm năng ý nghĩa của ngủ trễ : một gói đi qua mạng sẽ cần dừng lại (một vài hope, phụ thuộc vào việc cài đặt) trong khi thởi ngủ của các nút trung gian. -33- 2.5.2 Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) Thời gian chờ đợi MAC (T-MAC) là một giao thức chu trình hoạt động giống như nhiều đặc điểm đối với S-MAC, và giống như lắng nghe thích ứng, cho phép chỉnh sửa các chu trình hoạt động. Chiều dài của mỗi chu trình luôn được giữ bằng hằng số, nhưng cuối mỗi thời điểm hoạt động đều được xác định động do sử dụng cơ chế thời gian đợi. Nếu bộ nhận không nhận bất kỳ bản tin nào (dữ liệu hoặc điều khiển) trong khoảng thời gian chờ đợi, nó sẽ vào trạng thái ngủ; nếu nó nhận một vài bản tin, thời gian sẽ bắt đầu lại một lần nữa. Cơ chế làm mới này cho phép dễ dàng thích ứng với biến đổi về không gian và thời gian của lưu lượng. Biểu đồ T-MAC cơ bản được gọi là vấn đề ngủ sớm, như vậy nó sẽ giảm được thông lượng, điển hình trong trường hợp dòng một chiều. Khi một nút đang ở trạng thái yên tĩnh được bổ sung vào chu trình định sẵn, nó không thể gửi bất kỳ bản tin nào tới bộ nhận định trước của nó để ngắt thời gian chờ đợi. Khi bộ gửi có thể gửi sau khi thời điểm tranh chấp kết thúc, bộ nhận định trước sẽ đi vào trạng thái sẵn sàng ngủ. Có hai giải pháp cho vấn đề ngủ sớm được đưa ra. Giải pháp đầu tiên là sử dụng FRTS (yêu cầu gửi sắp tới) ngắn gọn rõ ràng điều khiển các bản tin cái có thể giao tiếp với các nơi nhận định trước, các bộ nhận này hỏi nó đợi thêm một thời gian chờ đợi nữa. Giải pháp thứ 2 được là “ưu tiên bộ đệm đầy” ở đó một nút muốn gửi hơn là nhận khi bộ đệm của nó đã đầy. Với lược đồ này, một nút có mức ưu tiên cao hơn để gửi các gói của nó thay vì nhận các gói khác và có thể ngắt thời gian chờ đợi bộ nhận định trước của nó. 2.5.3 MAC thu thập số liệu (D-MAC) Với các gói cần đi qua nhiều hop, cả S-MAC và T-MAC cung cấp tiết kiệm năng lượng tại thời điểm mở rộng việc tăng độ trễ. Điều này làm cho các gói có thể đi qua chỉ một vài hope trong mỗi chu trình trước khi nó tới nút mà nút đó đã vào trạng thái ngủ. Điều này được xem như vấn đề ngắt chuyển tiếp dữ liệu. Giải pháp cho ứng dụng này được cung cấp bởi giao thức D-MAC, nó áp dụng chỉ với dòng cây thu thập số liệu xác định đến từ các nút mạng biến đổi tới một bộ nhận chung. Bản chất của D-MAC là áp dụng một biểu đồ ngủ so le, nơi mà các nút làm cho sơ đồ cây theo tuần tự nhận truyền ngủ thành công dịch chuyển sang phải. Các chu trình này được chỉnh để mà một nút tại mức k trong trạng thái nhận khi nút dưới nó trên cây tại mức k+1 đang truyền. Minh hoạ ở hình 2.7. Biểu đồ sole của D-MAC có nhiều ưu điểm, nó cho phép dữ liệu và các gói điều khiển (như là yêu cầu cho thích ứng mở rộng của các thời điểm tích cực) đi tuần tự qua các đường trên cây với trễ nhỏ nhất; nó cho phép yêu cầu tới các thích ứng mở rộng của các thời điểm tích cực được truyền theo các đường trên cây; nó giảm nhiễu các thời điểm riêng biệt tại các mức khác nhau; nó chỉ ra rằng để giảm số các nút cần đánh thức khi chu trình tương ứng xuất hiện. Để giải quyết với kết nối và nhiễu, D-MAC bao gồm các thành phần không bắt buộc như là dự báo dữ liệu và sử dụng cácgói yêu cầu gửi thêm. -34- Rx Tx Sleep Rx Tx Sleep Rx Tx Sleep Hình 2.7 Lập lịch ngủ sole trong D-MAC Để thoả mãn các ưu điểm trên, bản thân D-MAC không có địa chỉ MAC chung như nó áp dụng với phương thức các cây thu thập dữ liệu. Tuy nhiên, chú ý rằng lập lịch tại các thời điểm đánh thức theo cách độ trễ nhỏ nhất có thể mở rộng cho các cài đặt khác. 2.5.4 Lập lịch ngủ trễ hiệu suất (DESS) Vấn đề lập lịch ngủ trễ hiệu suất của chu trình ngủ được đưa ra như là vấn đề tối ưu các liên kết. Vấn đề đưa ra như sau : mỗi nút lựa chọn duy nhất một khe ngoài k khe để sử dụng như là khe nhận và thông báo cho các hàng xóm của nó. Bất kỳ ai trong chúng muốn truyền tới nút này trong bất kỳ chu trình nào, chúng đánh thức khe này trong chu trình để truyền. Trên đường đi nhiều hope, độ trễ là một gói sẽ va chạm với mỗi hope là một chức năng thuần tuý của các thời điểm khe nhận tương ứng với 2 nút. Với mỗi gói được gửi từ nút i gần kề nút j với khe nhận xi, xj tương ứng, độ trễ sẽ là xj-xi mod k nếu xi#xj. Đường đi trễ là tổng tất cả các trễ theo đường đi trên hope. Trễ điểm điểm giữa 2 nút là trễ đường đi ngắn nhất. Vấn đề tối ưu hoá kết nối trong lập lịch ngủ trễ hiệu suất như sau : Vấn đề 1 : Đưa ra một biểu đồ giao tiếp, thiết kế một trong k các khe nhận riêng biệt tới mỗi nút trong mạng để trễ điểm điểm giữa các cặp các nút trong mạng được nhỏ nhất. Nó chỉ ra rằng DESS là một vấn đề lớn NP cho các biểu đồ tuỳ ý, nhưng các giả pháp tối ưu được biết trong trường hợp cây và biểu đồ vòng cơ bản và xấp xỉ tốt có thể được xây dựng trong lưới mạng. Nếu các nút cho phép chấp nhận nhiều lịch, thậm chí có thể tăng ý nghĩa trong độ trễ có thể đạt được; trong một lưới một nút có thể gán 4 lịch của k khe (mỗi một khe có thể tới hàng xóm truyền trái phải trên dưới ), lặp lại có chu kỳ. Trên một lưới, sử dụng nhiều lịch có thể giảm trễ giữa 2 nút, xa hơn là d hop trên biểu đồ O(d+k), trong khi trung bình phân số của số lần thức là l/k. Trên một biểu đồ giao tiếp tuỳ ý với n nút, việc sử dụng 2 lịch trên một cây lồng nhau cho phép trễ có thể là O(d+k).logn, trong khi tỉ lệ ngủ thức suy trì giống như l/k. A B C D F E -35- 2.5.5 Lập lịch ngủ không đồng bộ Trong lập lịch không đồng bộ trong quá trình ngủ thức đồng bộ tương hỗ nút được loại bỏ. Trong trường hợp này, thiết kế đối tượng là thiết kế lịch ngủ thức độc lập cho các nút riêng lẻ, đảm bảo hoạt động các khoảng thời gian giữa 2 sự kiện cho các hàng xóm chồng nhau. Trong khi yêu cầu số lần thức dậy dài hơn, có thể có những mở rộng thiết kế và bổ sung trong những mạng biến động cao, nơi rất khó đồng bộ lịch giữa các nút. Một chức năng lập lịch đánh thức (WSF) fu cho một nút u được xác định như là véc tơ nhị phân của T khe hiển thị k khe tích cực trong khi nút u được đánh thức. Cho số dịch chuyển bất biến của các khe tích cực chống nhau giữa fu và fv là C(u,v). Vấn đề của thiết kế WSFs cho tất cả các nút là chúng sẽ chồng lên nhau tối thiểu m lần có thể được đưa ra như một vấn đề tổ hợp : Vấn đề 2 : Với một biểu đồ mạng G=(V,E), một giá trị T cho WSF của mỗi nút, k nhỏ nhất là. EvumvuC  ),(,),( . Với V k k iVi  . là trung bình toàn bộ số các khe tích cực trong mỗi chu trình. Vấn đề này có thể được đưa ra cho thiết kế không đối xứng (nới các nút khác nhauncó thể có các chức năng vị trí thức giấc khác nhau) giống như thiết kế đối xứng (nới các nút có cùng WSF, ngoại trừ cho các dịch thời gian chu trình). Định lý: Với bất kỳ thiết kế WSF tuỳ ý, điều kiện cần cho mvuC ),( là TmKK uv ..  . Với mỗi thiết kế WSF đối xứng, cho phép TmK . . Vì vậy, cho mỗi chồng chất đơn khe, thiết kế phải có số khe tích cực tối thiểu bằng căn bậc hai tổng số khe của chu trình. WSF được thiết kế liên quan tới lý thuyết của thiết kế khối tổ hợp. Trong trường hợp cụ thể, bộ (T,k,m) thiết kế khối đối xứng tương đương với thiết kế đối xứng WSF có T khe, với k khe tích cực để m khe trong chúng chống chất giữa bất kỳ 2 trong chúng. Xa hơn nữa, nó chỉ ra rằng các kỹ thuật từ lý thuyết thiết kế khối có thể được sử dụng để tính toán các thiết kế WSF thoả mãn. Trong trường hợp ngoại lệ, nếu p là công suất đầu tiền, sẽ tồn tại một thiết kế ( ).1,1,1( 2  ppp Hình 2.8 chỉ ra nột ví dụ thiết kế (7,3,1). -36- Nút 1 Nút 2 Nút 3 Nút 4 Nút 5 Nút 6 Nút 7 Hình 2.8 A(7,3,1) thiết kế cho các khe đánh thức không đồng bộ 2.6 Các giao thức tự do tranh chấp Những giao thức này bao gồm việc cấp phát các khe thời gian cho kỹ thuật thâm nhập chia sẻ thời gian (TDMA) (hoặc các kênh theo tần số cho FDMA, mã hoá/bước nhảy riêng biệt tuần tự cho CDMA) tới các nút trong mạng trong khi vẫn thoả mãn các ràng buộc. Việc đảm bảo giao diện sử dụng chung (được thừa nhận dựa trên dạng kênh lý tưởng hoá một phần) yêu cầu không có các nút trong phạm vi 2 hop của chúng có thể sử dụng khe giống nhau. Hai nút không có các đụng độ ẩn. Hầu hết các lược đồ lập lịch đưa ra và nghiên cứu trong bối cảnh của WSN là các kỹ thuật TDMA. Trong khi các kỹ thuật thiết kế TDMA truyền thống không đặt mục tiêu duy trì năng lượng, nó không chú trọng đưa ra vấn đề tiết kiệm năng lượng với các kỹ thuật này vì các mẫu giao tiếp dự báo trước của chúng, tất cả thứ nó cần là đảm bảo mỗi nút ngủ bất kỳ khi nào không có lịch truyền và nhận. Một điều dễ nhận biết vấn đề thiết kế một số lượng các kênh nhỏ nhất cho một biểu đồ tuỳ ý trong khi vẫn đảm bảo ràng buộc hai hop được thoả mãn là vấn đề ảnh hưởng của nút hàng lân cận. Tuy nhiên nó có thể cung cấp các giải pháp hiệu quả trong thực tiễn sử dụng cho các thiết lập phỏng đoán. Một tiếp cận thiết lập các khe thời gian là thực hiện nó theo một phương thức tập trung, yêu cầu một điểm cơ bản là tập hợp tôpô mạng đầy đủ, thực hiện thiết lập ngoại tuyến, sau đó phân bổ nó lại trong mạng. Tuy nhiên, các giải pháp này không cân bằng tốt với kích cỡ mạng, biển động của môi trường trong các hoàn cảnh cụ thể. Vì vậy -37- vấn đề phân tấn được yêu cầu đặt ra. 2.6.1 MAC tĩnh và sự khởi động (SMACS) Phương pháp phân quyền là MAC tĩnh và thuật toán khởi động được đưa ra. Trong thuật toán này, mỗi nút chỉ duy trì đồng bộ nội bộ. Trong khi bắt đầu một pha mới, mỗi nút lựa chọn một khe giao tiếp chung với một nút hàng xóm qua bắt tay trên một kệnh điều khiển chung. Mỗi liên kết sử dụng một tần số chọn ngẫu nhiên duy nhất hoặc tần số CDMA- mã hoá hopping. Giả sử rằng có đủ nhiều tần số/mã hoá để đảm bảo rằng không có thiết lập tần số thời gian chung trong phạm vi giao thoa, và kể từ đây không có tranh chấp. Khe được sử dụng định kỳ, mỗi lần một chu trình, cho các giao tiếp giữa hai nút. 2.6.2 Lập lịch cơ bản BFS/DFS Một phương pháp thực hiện thiết lập được sử dụng theo chiều rộng(BFS) và theo chiều sâu (DFS) của cây thu thập dữ liệu. Trong các giao thức này các nút đơn lẻ sẽ đưa ra một khe duy nhất, có nghĩa là không sử dụng lại không gian của một khe. Nó đảm bảo mỗi nút được đưa ra rất nhiều khe. Biểu đồ cấp phát các khe cơ bản theo chiều rộng và theo chiều sâu thể hiện ở hình 2.9 Có nhiều biến đôi với mỗi phương pháp. Với BFS, mỗi nút lấy các khe thời gian liền kề nhau, điều này có ưu điểm nếu năng lượng cần để chuyển máy thu từ hoạt động sang trạng thái ngủ, khi đó nó giảm tối thiểu việc truyền tại mỗi nút ` Hình 2.9 Các cấp phát khe thời gian cho một cấy thu thập dữ liệu Với DFS mỗi nút không có các khe liền kề nhau, nhưng các khe từ mỗi cảm biến nguồn tới sink là liên tục, đảm bảo các bộ đệm các nút trung gian không bị đầy trong khi thu thập số liệu. Điều này đưa ra trễ thấp cho một số mở rộng; mặc dù dữ liệu phải ở lại 6 4 5 7 9 10 8 11 S B A C È E D S B A C È E D 1 4 7 6 9 3 11 8 2 5 10 1 2 3 -38- xếp hàng tại các nút cảm nhận cho đến khi các khe truyền của nó, một lần dữ liệu được truyền đi nó được đảm bảo tới được sink với nhiều bước khác nhau như là số các hop. BFS sử dụng cho thiết lập kênh "đóng gói" chặt hơn cho cây thu thập dữ liệu trong hoàn cảnh giao diện phải được ràng buộc để đưa ra mô tả để cung cấp việc dùng lại không gian. Trong lược đồ cấp phát khe này, mỗi nút thực hiện thiết lập khe tuần tự. Tại vòng quay của mỗi nút, nó chọn các khe thời gian từ số khe có thể sớm nhất cho các con của chúng.Bản tin nội bộ trao đổi đảm bảo rằng khe không giao thoa với bất kỳ thiết lập tồn tại tới các nút trong phạm vi hai hop của con. Số các khe được gán cho mỗi nút được định trước dựa trên một pha cấp phát băng thông lớn nhỏ hợp lý. Với kỹ thuật này nó sẽ giữ cho yêu cầu đồng bộ chung. 2.6.3 MAC đồng bộ dành riêng. Một khó khăn của nhiều lược đồ TDMA là cung cấp các khe đảm bảo cho tất cả các nút, điều này không mềm dẻo về mặt cho phép các lưu lượng từ mỗi nút thay đổi theo thời gian. Lược đồ dành riêng như Resync cung cấp mềm dẻo hơn. Trong Resync, mỗi nút trong mạng duy trì quan điểm của giai đoạn dựa trên thời gian nội bộ riêng của nó, nhưng nó giả sử rằng giai đoạn của mỗi nút kéo dài trong các khoảng thời gian giống nhau (hoặc có thể đồng bộ với các hàng xóm gần kề). Mỗi nút lựa chọn một thời gian đúng mỗi giai đoạn dựa trên xung đồng hồ nội bộ để gửi một mấu tin ngắn. Giả sử rằng việc chọn lựa thành công và không có đụng độ vì các mẩu tin tồn tại rất ngắn. Bằng việc nghe đủ dài, mỗi nút được học xa hơn khi hàng xóm gửi mẩu tin để nó có thể thức giấc đúng giờ để lắng nghe chúng. Khi một nút muốn truyền tới một nút khác, nó biểu thị trong mẩu tin khi nó dự định truyền dữ liệu (thời gian truyền dữ liệu này được chọn ngẫu nhiên và hiển thị như là một số gia hơn là giới hạn tuyệt đối). Nơi nhận được dự định sẽ thức dậy tại thời gian tương ứng (nó được tính toán dưa trên xung đồng hồ nội bộ) để mà nhận bản tin. Resync không kết hợp chặt chẽ với một cơ chế RTS/CTS để ngăn chặn đụng độ bản tin do vấn đề các nút ẩn; tuy nhiên khi dữ liệu truyền và lập lịch ngẫu nhiên, bất kỳ đụng độ nào không được duy trì liên tục. 2.6.4 Thâm nhập môi trường thích ứng lưu lượng (TRAMA) Giao thức thâm nhập môi trường thích ứng lưu lượng là kỹ thuật TDMA phân tán cho phép mềm dẻo và lập lịch động cho các khe thời gian. Các giai đoạn thời gian được chia thành tập hợp các khe tín hiệu ngắn, theo bởi tập hợp các khe truyền dài hơn. TRAMA bao gồm 3 phần chính: -39- 1. Giao thức hàng xóm (NP) : các nút trao đổi thông tin một hop hàng xóm trong khoảng ngẫu nhiên thâm nhập các khe tín hiệu. Các khe tín hiệu đủ dài để đảm bảo rằng thông tin được truyền thật sự và các nút có thông tin chắc chắn vùng lân cận. 2. Giao thức trao đổi lập lịch (SEP): Mỗi nút sẽ thông báo lịch của nút trong giai đoạn khe sử dụng của nút tại mỗi giai đoạn. Lịch sử dụng ảnh nhị phân để chứng tỏ hiệu quả nơi nhận mong đợi (unicast hoặc broadcast) cho mỗi gói tương lai của nó trong giai đoạn tiếp theo. Nêu số các gói một nút muốn gửi thấp hơn số khe ssang sử dụng trong một thời điểm, nó sẽ từ bỏ các khe thừa (được đóng gói tại cuối thời điêm với nhau giữa khe sử dụng,hướng đến sự thay đổi khe, và lịch cuối cùng phổ biến tên các khe . Việc thay đổi khe được sử dụng đồng bộ: vì vậy các hàng xóm được yêu cầu thức giấc và lắng nghe nó.) Nút ngủ tại tất cả các thời điểm khi nút không được yêu cầu truyền nhận. 3. Thuật toán lựa chọn thích ứng (AEA) : thuật toán này sử dụng chức năng băm dựa trên ID nút và thời gian để đảm bảo rằng có duy nất mức ưu tiên của nút giữa các nút trong phạm vi vùng 2 hop tại mỗi thời điểm. TRong phiên bản đơn giản nhất của thuật toán này, một nút truyền nếu và chỉ nếu nó có mức ưu tiên cao nhất giữa các nút trong phạm vi vùng lân cận 2 hop của nó. Tuy niên, để làm giảm các lãng phí của một khe nếu không có dữ liệu truyền. TRAMA ràng buộc một mở rộng phức tạp cho phép dùng lại khe. Thủ tục TRAMA thực hiện việc phân công cho phép các nút truy cập kênh truyền để tránh xung đột, giao thức này giả sử tất cả các nút đều đồng bộ thời gian và chia thời gian thời gian được chia thành thời điểm truy cập ngẫu nhiên. Một nút sẽ quảng bá thông tin của nó tới các nút hàng xóm, bao gồm cả thông tin về lập lịch của nó. Dựa và các thông tin này các nút sẽ sử dụng thuật toán phân tán để xác định khe thời gian và kế hoạch thâm nhập để truyền - nhận dữ liệu và kế hoạch chuyển sang trạng thái ngủ của nó. Nhược điểm của thủ tục này khá nặng về tính toán và bộ nhớ bởi vậy yêu cầu mạng có tài nguyên đủ lớn. -40- Hình 2.10: Thủ tục TRAMA 2.7 Lập lịch tập trung Trong thủ tục lập lịch tập trung, mạng sẽ chia thành 2 thành phần : nút cơ sở và nút cảm nhận. Nút cơ sở: sẽ hoạt động theo chu kỳ với thời gian hoạt động và thời gian nghỉ là cố định: thoạt động và tnghỉ . Trong thời gian hoạt động, nút cơ sở sẽ gửi yêu cầu tới từng nút cảm nhận, sau khi gửi yêu cầu thì nút cơ sở chuyển sang trạng thái nhận, nếu nhận được thì sẽ xử lý số liệu rồi chuyển sang yêu cầu nút tiếp theo. Nếu ko nhận được dữ liệu từ nút đã yêu cầu thì sẽ nhận lại trong khoảng thời gian tx nào đó, nếu trong thời gian đó vẫn không nhận được thì chuyển sang yêu cầu nút tiếp theo. Nút cảm nhận: sau khi khởi tạo, nút cảm nhận tiến hành nhận dữ liệu từ môi trường, nếu không nhận được thì nhận lại cho đến khi nhận được 1 gói tin bất kỳ. khi quá trình nhận thành công chứng tỏ bên ngoài môi trường các nút đang ở trong trạng thái hoạt động. Lúc này, nút cảm nhận bắt đầu tiến hành chu trình hoạt động của mình. Nhận dữ liệu từ môi trường, nếu không nhận được thì nhận lại cho tới khi nhận được gói tin. Khi nhận được gói tin thì tiến hành kiểm tra địa chỉ và yêu cầu xem có phải yêu cầu nó gửi dữ liệu đi hay không, nếu ko phải thì lại quay lại nhận dữ liệu. nếu đúng thì tiến hành lấy dữ liệu rồi truyền cho nút cơ sở. Nếu ko nhận được dữ liệu liên tiếp trong một khoảng thời gian thì chuyển sang chế độ nghỉ. Thời gian nghỉ ở đây tính là tnghỉ1 = tnghỉ - t1. Sau khi nghỉ xong, tức là kết thúc 1 chu kỳ làm việc đầu tiên, nút cảm nhận đã bám được vào chu kỳ làm việc của nút cơ sở. Các chu kỳ tiếp theo, nút cảm nhận sẽ hoạt động dựa vào các khoảng thời gian thoạt động và tnghỉ y như nút cơ sở. Nhưng nếu hoạt động mãi như vậy thì sau 1 khoảng dài sẽ bị lệch khe thời gian. Vì thế, sau -41- khoảng 30chu kỳ (1 số lần nào đó) hoạt động và nghỉ, nó sẽ quay trở lại thực hiện như chu kỳ đầu tiên, tức là tiến hành việc bám vào khhung làm việc, sau đó mới lại tiến hành làm việc và nghỉ theo khoảng thời gian giống như nút cơ sở. Như vậy thì nút cảm nhận sẽ tiến hành bám lại vào chu kỳ làm việc sau 1 số lần hoạt động để đảm bảo việc khớp về mặt khe thời gian. Hình 2.11 Thuật toán lập lịch tập trung T T Khởi tạo Add=1 Nhận ok? Và tx<1s Gửi yêu cầu Nhận Xử lý và hiển thị Trế Add++ Add<max F F -42- CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM ĐO KIỂM MẠNG WSN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LẬP LỊCH TẬP TRUNG 3.1. Mục đích và yêu cầu thực nghiệm: 3.1.1. Mục đích: Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của module CC1010 (sử dụng vi điều khiển CC1010 để xây dựng nút mạng trong mạng cảm nhận). Trên cở sở đó viết phần mềm nhúng cho các nút mạng và xây dựng mô hình thí nghiệm khảo sát quá trình hoạt động, đo hiệu quả truyền nhận gói tin của mạng WSN, đánh giá hiệu quả năng lượng theo phương pháp lập lịch tập trung, từ đó rút ra kết luận so sánh và đánh giá. 3.1.2. Yêu cầu thực nghiệm: Hai thực nghiệm sau cần được thực hiện:  Đo cường độ tín hiệu nhận được giữa các nút mạng WSN  Đo hiệu quả nhận gói tin giữa các nút mạng WSN Các thí nghiệm cần được đo đạc nhiều lần ở các môi trường truyền nhận và khoảng cách khác nhau để chỉ ra rõ sự tác động của chúng đến cường độ nhận và hiệu quả truyền nhận gói tin. 3.2. Các thiết bị thực nghiệm: Hệ thống WSN được kết nối với máy tính thông qua cáp nối RS232, do đó việc thu nhận dữ liệu từ nút mạng về máy tính sẽ thực hiện truyền qua giao tiếp RS232 (cổng COM). Ngôn ngữ lập trình được sử dụng ở đây là ngôn ngữ C, chương trình dịch là Keil µVision2.0/3.0. Vi điều khiển (VĐK) được lựa chọn để xây dựng nút mạng ở đây là CC1010. Việc chọn VĐK hợp lý sẽ làm cho quá trình xây dựng hệ thống được rút ngắn, hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy và đạt các chỉ tiêu đề ra:  Tiêu thụ năng lượng thấp.  Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự.  Bộ nhớ chương trình cũng như bộ nhớ dữ liệu có kích thước hợp lý.  Kích thước vật lý nhỏ.  Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ dàng và -43- thuận tiện như: sử dụng ngôn ngữ cấp cao, có các thư viện hỗ trợ cho việc cảm nhận cũng như truyền nhận không dây, hỗ trợ gỡ lỗi…  Giá thành rẻ. 3.3 Giới thiệu VDK CC1010: Các đặc điểm chính của VDK CC1010:  Thu phát không dây 300-1000 MHz.  Độ nhạy cao (-107 dBm).  Có thể lập trình cho công suất đầu ra tới +10 dBm.  Tốc độ truyền RF có thể đạt 76.8 kbit/s.  Đo được cường độ RF (RSSI).  Tương thích họ VĐK 8051, tốc độ xử lý bằng 2,5 lần vi điều khiển 8051 chuẩn.  32 kB Flash, 2048 + 128 Byte SRAM.  3 kênh ADC 10 bit, 4 bộ định thời / 2PWMs, 2 UARTs, RTC, Watchdog, SPI, mã hoá DES, 26 chân I/O.  Có khả năng gỡ lỗi sử dụng chương trình dịch Keil µVision2.0/3.0 IDE qua cổng nối tiếp.  Điện áp nguồn cung cấp 2.7 - 3.6 VDC. -44- Hình 3.1: Sơ đồ khối của CC1010. -45- Hình 3.2 Chip CC1010 dùng thiết kế nút mạng cảm nhận Hình 3.3. Màn hình hiển thị kết quả đo -46- 3.4 Tiến hành thực nghiệm 3.4.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 3.4 Sơ đồ thực nghiệm mạng WSN Nút CC1010 nối trực tiếp với máy tính qua cổng RS232 (gọi là nút cơ sở) nhận kết quả từ nút cảm nhận (có thể di động xa nút cơ sở). Nút cơ sở sẽ phát tín hiệu yêu cầu thu thập dữ liệu từ các nút cảm nhận theo nguyên tắc hỏi vòng, các nút cảm nhận sau khi nhận được yêu cầu từ nút cơ sở sẽ gửi trả lời Thí nghiệm tiến hành các phép đo sau : 1. Khoảng cách D lớn nhất có để nút cảm nhân và nút cơ sở còn có thể truyền tín hiệu được cho nhau. 2. Thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở. 3. Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ, truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung. 3.4.1.1 Xác định khoảng cách D lớn nhất giữa các nút mạng để chúng còn có thể truyền nhận có hiệu quả : a. Chuẩn bị thí nghiệm : - Địa điểm đo : tại sân trường Đại Học Công Nghệ - Nạp phần mềm nhúng cho các nút mạng. - Chuẩn bị các phụ kiện : thước dây, máy ảnh… 2 1 3 4 Nút cơ sở Master RS232 Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) -47- Hình 3.5 Nạp phần mềm cho nút mạng WSN Hình 3.6 Chuẩn bị đo mạng WSN ngoài trời -48- b. Mô tả quá trình đo đạc : Dùng thước dây để xác định các mốc cần đo, khởi động các nút mạng. Nút cơ sở phát tín hiệu tại một vị trí cố định, sau đó ta di chuyển nút mạng cảm nhận trên các mốc xác định trước, quan sát kết quả trên màn hình LED của nút mạng cơ sở. c. Kết quả đo : Lần đo thứ Khoảng cách (M) Số gói yêu cầu nút cơ sở truyền đi Số gói trả lời nút cơ sở nhận được Tỉ lệ % nhận được 50 100 100 100% 90 100 100 100% 95 100 80 80% 1 110 100 0 0% 50 100 100 100% 90 100 100 100% 95 100 80 80% 96 100 77 77% 97 100 74 74% 100 100 70 70% 2 105 100 5 5% 94 100 100 100 100 100 79 79% 3 102 100 0 0% Bảng 3.1 Bảng số liệu đo khoảng cách truyền tín hiệu giữa các nút mạng d. Kết luận :  Đo ngoài trời khoảng cách D giữa nút cơ sở và nút cảm nhận : D < 95m : nhận 100% 95m < D < 100m : nhận 70% - 80% D > 100m : không truyền nhận được dữ liệu -49- Công suất phát của chip C1010 với nguồn nuôi 3.3V truyền với khoảng cách D<100 các nút mạng còn nhận được tín hiệu. 3.4.1.2 Xác định thời gian truyền nhận dữ liệu giữa nút cảm nhận và nút cơ sở của mạng WSN trên cơ sở CC1010. a. Các bước chuẩn bị thí nghiệm: - Nạp phần mềm cho các nút mạng - Nối nút mạng cơ sở giao tiếp với máy tính qua cổng RS232 - Chạy phần mềm .. để đón kết quả b. Mô tả thí nghiệm và quá trình đo - Sử dụng bộ định thời tích hợp sẵn trong vi điều khiển CC1010. - Cấu trúc của gói dữ liệu đã được sử dụng trong chương trình có dạng như sau: 7 byte 2 byte 2 byte 2 byte 2 byte 2 byte Preamble NútID Data Target Type CRC Trong đó: Preamble : các byte dẫn đường dùng để đồng bộ ngưỡng cho bộ thu RF NútID: Địa chỉ của nút truyền. Data: Thông tin dữ liệu truyền về. Target: Địa chỉ nút nhận. Type: Loại gói dữ liệu (điều khiển/dữ liệu). CRC : Byte chứa thông tin kiểm tra lỗi dư thừa vòng. . Quy trình truyền nhận : bao gồm hai pha Phase 1: pha truyền  Truyền 7 byte dẫn đường  Truyền từng byte và tính CRC cho hết 8 byte  Truyền 2 byte CRC Phase 2 : Pha nhận  Nhận 7 byte dẫn đường -50-  Nhận 8 byte dữ liệu  Nhận 2 byte CRC  Kiểm tra CRC Các bước sử dụng timer để đo, ở đây sử dụng timer0  Khởi tạo timer0 chạy ở chế độ định thời, bộ đếm timer0 sẽ tăng lên mỗi chu kỳ máy(0.2713µs, với tần số thạch anh là 14,746Mhz). Với CC1010 thì một chu kỳ máy = 4 chu kỳ thạch anh  Gọi hàm truyền, đồng thời kích hoạt timer0 bắt đầu đếm.  Khi hàm truyền kết thúc thì cho timer0 dừng đếm.  Giá trị đếm được của timer0 được lưu lại, nhân với 0.2713µs và hiển thị lên màn hình.  Làm tương tự với các phép đo khác (như đo thời gian nhận, tính CRC…) Chương trình khởi tạo timer0: // Khởi tạo timer0 mode 1 TMOD = (TMOD&0xF0)|0x01; INT_ENABLE(INUM_TIMER0, INT_ON); INT_GLOBAL_ENABLE(TRUE); // Các biến đếm byte xdata counter = 0; ulong xdata timeout; word xdata tCounter; unsigned int xdata value = 0; //Reset biến đếm và cho timer chạy tại thời điểm bắt đầu đo counter = 0; TH0 = 0x00; TL0 = 0x00; TF0 = 0; -51- TIMER0_RUN(TRUE); // Dừng timer khi kết thúc đo và in ra thông báo về thời gian đếm được TIMER0_RUN(FALSE); value = TH0;// thanh ghi đếm của Timer 0 value <<= 8; value |= TL0; fTemp = (value*0.2713 + 65535*counter); // printf("\n\nThoi gian đếm được là: %4.1f us", fTemp); // Hàm ngắt timer0 để tăng biến đếm mỗi khi tmer0 tràn // Timer0 sẽ đếm từ 0, giá trị đếm tăng lên mỗi 0.2713us, giá trị đếm đạt 65535 thì timer0 tràn, báo ngắt void TIMER0_ISR() interrupt INUM_TIMER0 { // Reset the timer to generate another interrupt INT_SETFLAG (INUM_TIMER0, INT_CLR); TIMER0_RUN(FALSE); TH0 = 0x00; TL0 = 0x00; TIMER0_RUN(TRUE); counter++; } // TIMER0_ISR  Chương trình đo thời gian từ nút truyền đến nút nhận counter = 0; TH0 = 0x00; TL0 = 0x00; TF0 = 0; TIMER0_RUN(TRUE); // Tổng thời gian từ lúc bắt đầu truyền đến lúc hết hàm truyền halRFSendPacket2(PREAMBLE_BYTE_COUNT, txDataBuffer.buffer, PACKET_LENGTH); -52- TIMER0_RUN(FALSE); value = TH0; value <<= 8; value |= TL0; fTemp = (value*0.2713 + 65535*counter); printf("\n\nThoi gian truyen het 7 byte preamale + 8 byte data + 2 byte CRC16: %4.1f us", fTemp); Kết quả đo : thời gian truyền hết 137ms Hình 3.7 Thời gian truyền hết 17 byte dữ liệu từ nút truyền đến nút nhận  Xác định thời gian nhận và xử lý dữ liệu tại nút nhận counter = 0; TH0 = 0x00; -53- TL0 = 0x00; TF0 = 0; TIMER0_RUN(TRUE); // Tổng thời gian từ lúc bắt đầu nhận đến lúc hết hàm nhận halRFReceivePacket2(byte timeOut, byte* packetData, byte maxLength); TIMER0_RUN(FALSE); value = TH0; value <<= 8; value |= TL0; fTemp = (value*0.2713 + 65535*counter); printf("\n\nThoi gian nhan het 7 byte preamale + 8 byte data + 2 byte CRC16: %4.1f us", fTemp); Kết quả đo thời gian nút nhận và phân tích dữ liệu: 138ms Hình 3.8 Thời gian truyền hết 17 byte dữ liệu từ nút truyền đến nút nhận -54- d. Kết luận Vậy Tổng thời gian thời gian nút truyền bắt đầu gửi dữ liệu 17 byte cho đến khi nút nhận nhận và phân tích xong dữ liệu là : 137 + 138 = 275 ms 3.4.1.3 Đo cường độ dòng điện của các nút mạng các trạng thái : ngủ, truyền, nhận dữ liệu ở chế độ lập lịch tập trung. a. Chế độ lập lịch tập trung Lập lịch tập trung là một trong nhiều cách tổ chức hoạt động của các nút mạng trong mạng WSN. Với lập lịch tập trung, hoạt động của mạng sẽ do nút cơ sở điều khiển. Tất cả các nút cảm nhận khác trong mạng sẽ hoạt động theo yêu cầu của nút mạng cơ sở, các yêu cầu điều khiển này đã được nút mạng cơ sở sắp xếp cố định và trở thành một lịch trình hoạt động cho mạng đó.  Hoạt động:  Nút cơ sở: Sẽ lần lượt yêu cầu từng nút mạng gửi dữ liệu truyền về. Mỗi nút mạng khi nhận được yêu cầu sẽ phải gửi dữ liệu phản hồi về cho nút cơ sở. Ban đầu, nút cơ sở gửi yêu cầu tới một nút cảm nhận n (NútID=n). Sau khi gửi gói tin yêu cầu nút n ra ngoài môi trường thì các nút mạng khác cũng đều nhận được yêu cầu đó chứ không riêng nút n nhận được. Tiếp theo nút mạng cơ sở chuyển sang chế độ nhận dữ liệu từ nút mạng cảm nhận truyền về. Lúc này, nút mạng cơ sở sẽ nhận dữ liệu, nếu nhận không thành công thì nhận lại lần nữa. Tuy nhiên, quá trình nhận lại này sẽ được giới hạn về mặt thời gian. Tức là với mỗi một nút cảm nhận, nút cơ sở chỉ dành cho một lượng thời gian nhất định, nếu sau khoảng thời gian đó mà vẫn không nhận được gói dữ liệu truyền về thì tức là nút mạng được yêu cầu đó đã không nhận được yêu cầu hoặc là gói dữ liệu truyền vễ đã gặp phải lỗi truyền nào đó ngoài môi trường dẫn tới nút cơ sở không thể nhận được. Lúc này nút cơ sở sẽ phải bỏ qua nút đó để chuyển tiếp sang yêu cầu nút khác. Nếu trong thời gian đó mà nút cơ sở nhận được thành công gói dữ liệu của nút cảm nhận truyền về thì sẽ tiến hành xử lý gói tin và hiển thị hoặc lưu trữ dữ liệu nhận được đó. Sau khi xử lý xong gói tin, trước khi chuyển sang yêu cầu nút tiếp theo (n+1) thì nút cơ sở sẽ trễ một khoảng tdelay. Lý do phải có khoảng trễ này sẽ được giải thích tại phần hoạt động của nút cảm nhận. Như vậy là nút cơ sở đã hoàn thành việc yêu cầu và nhận gói tin từ một nút cảm nhận trong mạng. Sau đó nút cơ sở sẽ tăng thêm 1 vào địa chỉ của nút sẽ yêu cầu, tức là sẽ yêu cầu nút cảm nhận tiếp theo. Quá trình được lặp lại liên tục, nút cơ sở yêu cầu và nhận dữ liệu của lần lượt từng nút trong mạng, sau khi hết một lượt lại tiến hành quay lại với nút đầu -55- tiên. while (TRUE) { for(i=1;i<max;i++) // max là số nút mạng { tbcTransmit(i,0xFF);// gửi yêu cầu cho nút I, loại gói tin điều khiển t = (int) sppGetTime(); // lấy thời gian trước khi nhận do{ //Nếu nhận không thành công sẽ nhận lại cho //toi khi hết 800ms thì thôi. tbcReceive(); }while((RXI.status != SPP_RX_FINISHED)&&( ((int) sppGetTime()-t)<80)); tbcPrintTable(); // xử lý gói tin delay(10000);//Thời gian Master đợi các Slave tính toán, xử lý dữ liệu } } Giải thuật của nút cơ sở: Hình 3.9 Giải thuật nút cơ sở Khởi tạo Addr = 1 Gửi yêu cầu Nhận dữ liệu Nhận ok? & tRx<0.8s Xử lý Trễ Addr++ Addr>max? Đ S S Đ -56-  Nút cảm nhận: Luôn ở trạng thái sẵn sàng nhận yêu cầu của nút cơ sở. Ngay sau khi nhận được yêu cầu sẽ tiến hành gửi dữ liệu trở về. Ban đầu, nút cảm nhận sẽ luôn ở trong trạng thái nhận dữ liệu, nếu nhận không thành công thì nhận lại cho tới khi nhận được gói dữ liệu thành công. Sau khi nhận được gói, nút cảm nhận tiến hành tách từng trường dữ liệu của gói đã nhận được và kiểm tra xem đó có phải nút cơ sở yêu cầu chính nó hay không. Nếu đúng thì nút cảm nhận sẽ trễ một khoảng thời gian ngắn rồi mới tiến hành gửi dữ liệu trở về cho nút cơ sở. Rồi sau đó lại quay trở lại quá trình nhận yêu cầu để chờ tín hiệu yêu cầu lần tiếp theo. Nếu gói tin nhận được không phải gói yêu cầu nó gửi dữ liệu thì có 2 khả năng: hoặc đó là gói tin yêu cầu của nút cơ sở tới một nút khác, hoặc đó là gói tin dữ liệu của một nút cảm nhận khác đang truyền về. Khi đó, nó sẽ quay trở lại việc nhận dữ liệu từ môi trường. Nhưng sau mỗi quá trình nhận thì nút cảm nhận lại phải tiến hành tách các trường dữ liệu trong gói tin nhận được và kiểm tra các trường đó. Các công việc này sẽ tốn một khoảng thời gian và khiến cho nút cảm nhận quay trở lại quá trình nhận yêu cầu muộn hơn nút cảm nhận vừa nhận được yêu cầu và đã gửi dữ liệu đi. Và cũng chính vì quá trình xử lý mất một khoảng thời gian nên nút cơ sở phải trễ đi một khoảng để khi gửi tin yêu cầu thì các nút cảm nhận khác có thể nhận được. Giải thuật nút cảm nhận: Hình 3.10 Giải thuật nút cảm nhận Đ Khởi tạo Nhận yêu cầu Nhận ok? Kiểm tra địa chỉ Trễ Truyền dữ liệu Đ S S -57- while (TRUE) { do{ tbcReceive(); }while(RXI.status != SPP_RX_FINISHED); if((nútTarget[n]==1)&& (nútType[n]==0xFF)) { delay(20000); // Trễ để tbcTransmit(0xFFFF,0xFF00); } } Ơ b. Lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ: Trên thực tế, mạng cảm nhận không dây là mạng có tần suất truyền nhận thấp. Các gói tin truyền trong mạng không đòi hỏi phải có tốc độ nhanh. Trong một số ứng dụng như theo dõi thông tin từ môi trường thì thậm chí còn được sắp xếp một lịch hoạt động và lịch ngủ đều đặn theo chu kỳ. Việc đưa lịch ngủ vào quá trình hoạt động với 2 1 3 4 Nút cơ sở Master RS232 Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) Các nút cảm nhận (Slave) -58- thời gian hợp lý sẽ giải quyết được vấn đề tiết kiệm năng lượng mà lại không ảnh hưởng tới việc giám sát thông tin môi trường của mạng. Ý tưởng cho mô hình này như sau: Nút cơ sở sẽ có một lịch hoạt động và lịch nghỉ đan xen nhau và cố định về mặt thời gian. Các nút cảm nhận khác sẽ phải có biện pháp nào đó để có thể hoạt động và nghỉ gần như trùng khớp với lịch hoạt động và lịch nghỉ của nút cơ sở. Như vậy thì toàn mạng sẽ có một khoảng thời gian hoạt động và thơi gian nghỉ tương đối là đều đặn. Trong thời gian hoạt động, mạng sẽ hoạt động dựa trên cơ chế lập lịch tập trung mà ta đã giới thiệu ở trên. Trên thực tế, khoảng thời gian hoạt động và nghỉ của các nút mạng sẽ phụ thuộc vào các yếu tố: yêu cầu đòi hỏi của ứng dụng cho phép thời gian nghỉ là bao lâu, số lượng nút mạng cảm nhận là bao nhiêu sẽ yêu cầu một khoảng thời gian hoạt động tối thiểu đủ để nút cơ sở thu thập dữ liệu có thể thu thập dữ liệu từ tất cả các nút trong mạng. Giải quyết bài toán: Ta thấy, nút cơ sở sẽ một quá trình hoạt động khá đơn giản, đan xen giữa làm việc và nghỉ. Vấn đề khó khăn ở đây đó là làm sao để các nút cảm nhận có thể cùng làm việc và cùng nghỉ với nút cơ sở một cách tương đối chính xác. Các nút cảm nhận hoàn toàn tách biệt với nút cơ sở và chỉ có thể giao tiếp bằng truyền nhận không dây khiến cho việc đồng bộ thời gian giữa các nút mạng ở đây gặp nhiều khó khăn. Giản đồ mô tả quá trình hoạt động của các nút trong mạng như sau sẽ giải quyết được vấn đề khó khăn đó: Hình 3.11. Thời gian hoạt động và ngủ của nút mạng Master và Slaver - Quá trình làm việc của nút cơ sở: nút cơ sở sẽ hoạt động đều đặn với thời gian làm việc là tactive và sẽ nghỉ một khoảng tsleep. Sau đó lại lặp lại quá trình làm việc và nghỉ. Trong quá trình làm việc, nút cơ sở sẽ hoạt động với cơ chế lập lịch tập trung như đã đưa ra ở trên. Giải thuật cho nút cơ sở: N tx tsl tactive tsleep T Master Slaver -59- Hình 3.12 Giải thuật nút cơ sở trong lập lịch tập trung kết hợp với lịch ngủ Đoạn chương trình viết cho chu trình hoạt động, sau chu trình này là chuyển sang chế độ nghỉ: Thời gian nhận tối đa dành cho một nút là không quá 800ms, tổng số nút cảm nhận là max, tổng thời gian làm việc là time_active. t3 = (int)sppGetTime(); do{ for(i=1;i<max;i++) { tbcTransmit(i,0xFF); Đ Khởi tạo Addr = 1 Gửi yêu cầu Nhận dữ liệu Nhận ok? & tRx<0.8s Xử lý Trễ Addr++ S Đ Addr > N Nghỉ tsleep S -60- t2 = (int) sppGetTime(); do{ tbcReceive(); }while((RXI.status != SPP_RX_FINISHED)&&( ((int) sppGetTime()- t2)<80)); tbcPrintTable(); delay(10000); if(((int)sppGetTime()-t3)>time_active) break; } }while( ((int)sppGetTime()-t3) < time_active ); - Nút cảm nhận: cũng sẽ có khoảng thời gian làm việc và khoảng nghỉ đan xen lẫn nhau. Tuy nhiên để có thể đồng bộ thời gian với hoạt động của nút cơ sở thì nút cảm nhận sẽ phải mất một khoảng thời gian làm việc nhiều hơn chu kỳ làm việc bình thường để xác định điểm làm việc trùng với nút cơ sở. Ngay sau khi được khởi động, nút cơ sở sẽ tiến hành việc bám vào chu trình làm việc của nút cơ sở. Nút cảm nhận sẽ tiến hành nhận gói tin, nếu nhận lỗi thì nhận lại, tới khi nào nhận thành công (có thể là nút mạng cơ sở gửi yêu cầu một nút nào đó, có thể là một nút mạng cảm nhận đang truyền dữ liệu về) thì chứng tỏ mạng đang trong khoảng thời gian làm việc. Lúc này nút cơ sở đó mới bắt đầu đi vào một chu trình làm việc cụ thể. Chu trình làm việc của nút cảm nhận sẽ được chia làm N chu trình làm việc nhỏ. Trong đó có chu kỳ đầu tiên sẽ khác biệt so với các chu kỳ còn lại và (N-1) các chu kỳ tiếp theo sẽ giống nhau. Chu kỳ đầu tiên: nút cảm nhận sẽ nhận gói tin yêu cầu và đáp ứng các yêu cầu nhận được theo đúng như cơ chế lập lịch tập trung cho nút mạng cảm nhận đã giới thiệu ở trên. Tuy nhiên, đây chính là chu kỳ làm việc để nút cảm nhận có thể xác định được thời điểm làm việc và thời điểm nghỉ của mình trong các chu kỳ tiếp theo. Việc xác định được làm như sau: Nút cảm nhận hoạt động bình thường, nhưng nếu khi nhận yêu cầu lỗi thì bắt đầu lấy thời gian tại thời điểm đó lưu vào một biến t1. Sau mỗi một lần nhận gói tin không thành công thì sẽ tiến hành kiểm tra xem lần nhận trước đó có thành công hay không. Nếu có thì tiến hành lấy thời gian tại thời điểm hiện tại vào t1. Nếu trước đó cũng không nhận thành công thì tiến hành kiểm tra khoảng thời gian hiện tại so với t1, nếu như vượt tx thì -61- chuyển qua trạng thái ngủ. Như vậy tx là khoảng thời gian mà nút cảm nhận liên tiếp không nhận thành công một gói tin nào. Điều đó cũng có nghĩa là các nút mạng đã trong trạng thái nghỉ được một khoảng tx. Sau đó nút cảm nhận sẽ chuyển sang trạng thái ngủ, nhưng sẽ ngủ với một khoảng thời gian tsl = tsleep – tx. Khi hết thời gian ngủ cũng là hết chu kỳ làm việc đầu tiên. Khi nút cảm nhận này thức dậy, lúc đó các nút mạng khác cũng thức dậy cùng lúc. Như vậy chu kỳ này đã hoàn thành được nhiệm vụ xác định mốc thời gian. N-1 chu kỳ hoạt động tiếp theo: Nút cảm nhận sẽ hoạt