TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

I.GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN CC1010

Vi điều khiển CC1010 là một Module tích hợp vi điều khiển họ 8051 thông thường

với bộ truyền nhận RF không dây trên cùng một chip,vì thế khi ghép nối với đầu đo ,không

những có khả năng tạo thành các điểm đo thông số môi trường mà còn có thể xây dựng

thành một nút mạng trong cấu hình mạng cảm nhận không dây,cả nút mạng và nút gốc đều

được thiết kế với chip xử lý chính là vi điều khiển CC1010.

CC1010 với các đặc điểm,cấu tạo và đặc tính tiêu thụ điện năng thấp và

có chức năng xử lý như một máy vi tính có thêm các bộ thu phát RF,bộ mã hóa DES,bộ

biến đổi ADC,…phù hợp để ghép các cảm biển dể trở thành một nút mạng trong mạng cảm

nhận không dây .Mạch ứng dụng tương đối đơn giản CC1010 ,thuận tiện để tạo ra các nút

WSN hoạt động như một thiết bị độc lập.Việc lập trình cho CC1010 được sử dụng các thư

viện của 8051 và các bộ dịch cho 8051. Có thể sử dụng assemble hoặc C để lập trình cho

CC1010.Trong CC1010 có tích hợp một bộ gỡ rối,hỗ trợ mô trường phát triển KilVision2

qua cổng giao tiếp.

1. Các đặc điểm chính:

- Thu phát không dây 300 – 1000 MHz.

- Dòng tiêu thụ rất thấp (9.1 mA trong chế độ nhận).

- 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 Kbps.

- Cần thêm rất ít thành phần ngoài.

- Đo được cường độ RF (RSSI).

- Tương thích họ VĐK 8051.

- 32kB Flash, 2048 + 128Byte SRAM.

- 3 kênh ADC 10bít, 4 timers / 2PWMs, 2UARTs, RTC, watchdog, SPI, mã hoá

DES, 26 cổng I/O.

- Có khả năng gỡ lỗi sử dụng chương trình dịch Keil uVision2 IDE qua cổng nối

tiếp.

1

- Điện áp sử dụng là: 2.7 – 3.6 V.

- 64-lead TQFP (Thin Quad Flat Pack).

Hình 1: Sơ đồ khối vi điều khiển CC1010

2. Cổng

Có 4 cổng I/O P0, P1, P2, P3 với 26 chân cổng. Mỗi cổng có 2 thanh ghi tương

ứng: thanh ghi cổng P0, P1, P2, P3 và thanh ghi hướng P0DIR, P1DIR, P2DIR, P3DIR.

Mỗi bit trong thanh ghi Px có một bit hướng tương ứng trong thanh ghi PxDIR.y.

Đặt PxDIR.y = 1 sẽ làm cho Px.y là cổng nhận dữ liệu (input).

Đặt PxDIR.y = 0 sẽ làm cho Px.y là cổng xuất dữ liệu (output).

2

3. Ngắt

CC1010 có tổng cộng 15 nguồn ngắt, chia sẻ 12 đường ngắt. Mỗi ngắt có một mức

ưu tiên, vector ngắt, cờ cho phép ngắt và cờ báo ngắt.

3

Bảng 1. Các tham số ngắt

Mặt nạ ngắt:

IE.EA là cờ cho phép toàn bộ các ngắt, ngoại trừ ngắt Flash/Debug. Khi IE.EA

được thiết lập, mỗi ngắt được che bởi cờ cho phép ngắt được liệt kê trong bảng 2.1.

Khi cờ IE.EA bị xoá, tất cả các ngắt bị che, ngoại trừ ngắt Flash/Debug có bít che ngắt

riêng EICON.FDIE

Xử lý ngắt

Khi một ngắt được cho phép xảy ra, CPU nhảy tới địa chỉ phục vụ ngắt tương ứng

với ngắt đó (ISR), như chỉ ra ở bảng 1. CC1010 thực hiện ISR để hoàn thành trừ khi một

ngắt khác có mức ưu tiên cao hơn xảy ra. Mỗi ISR kết thúc với lệnh RETI. Sau khi thực

hiện lệnh RETI, CC1010 quay trở lại lệnh tiếp theo sau lệnh đã được thực hiện trước khi

xảy ra ngắt. Nếu lệnh đang thực hiện là RETI, hay đang ghi vào các thanh ghi IP, IE, EIP,

EIE, CC1010 hoàn thành thêm một lệnh trước khi phục vụ ngắt.

Thứ tự ưu tiên

Các ngắt có 2 giai đoạn ưu tiên: mức ngắt và mức tự nhiên. Mức ngắt được ưu tiên

trước mức tự nhiên.

Mức ngắt có 2 mức: thấp và cao. Ngắt có mức ưu tiên là cao sẽ có thể ngắt ngang

chương trình phục vụ ngắt có mức ưu tiên thấp hơn. Nếu các ngắt có cùng mức ưu tiên mà

cùng xảy ra đồng thời, ngắt nào có mức ưu tiên tự nhiên thấp nhất sẽ được phục vụ trước.

4

4. Biến đổi ADC

Bộ biến đổi ADC của CC1010 có độ phân giải 10 bit, được điều khiển bởi các

thanh ghi ADCON và ADCON2. Có ba kênh vào ADC là AD0, AD1 và AD2, các

kênh này được chọn bởi thanh ghi ADCON.ADADR. Thanh ghi này cũng được sử

dụng để chọn chân AD1 như là điện áp tham chiếu ngoài (khi sử dụng AD0). Khi chân

AD1 được dùng như tham chiếu ngoài, chỉ có hai lối vào AD0 và AD2 của ADC được

sử dụng. Đầu ra của ADC là đơn cực, nghĩa là giá trị 0 tương ứng với 0V, giá trị 1023

(tức 210

) tương ứng với điện áp tham chiếu, điện áp tham chiếu có thể được chọn bằng

1.25V hoặc VDD phụ thuộc vào bit ADCREF. Điện áp tham chiếu analog được điều

khiển bởi ADCON.ADCREF. Để tiết kiệm năng lượng thì cần đặt bit

ADCON.AD_PD = 1 khi không sử dụng ADC.

Biến đổi ADC được bắt đầu sau 5μs sau khi xoá bit điều khiển

ADCON.ADCRUN nếu sử dụng VDD hay nguồn tham chiếu ngoài, hoặc bắt đầu sau

100μs nếu sử dụng tham chiếu trong 1.25V

5. Bộ định thời

CC1010 có 4 bộ định thời Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3 hoạt động như là bộ

định thời hay bộ đếm (Timer/Counter) trong đó Timer2 và Timer3 còn có thể hoạt

động như bộ điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation).

6. Bộ thu phát không dây (RF Transceiver)

6.1 Miêu tả chung

Bộ thu phát CC1010 UHF RF được thiết kế cho những ứng dụng tiêu thụ năng

lượng thấp và điện áp thấp. Mạch thu phát được dành cho ISM (công nghiệp, khoa học và

y học) và SRD (Short Range Device) dải tần 315, 433, 868 và 915 MHz, nhưng có thể

dễ dàng lập trình để hoạt động trong dải tần 300-1000 MHz. Các thông số chính của

CC1010 có thể được lập trình thông qua các thanh ghi chức năng đặc biệt (Special

Function Registers - SFRs), làm cho CC1010 rất mềm dẻo và dễ sử dụng bộ thu phát vô

tuyến. Rất ít các thành phần tích cực đòi hỏi cho hoạt động của bộ thu phát RF.

Một sơ đồ khối được đơn giản hoá của bộ thu phát RF được thể hiện ở hình 2. Chỉ

có các chân tín hiệu analog được thể hiện cùng với bus dữ liệu SFR bên trong để thiết lập

giao tiếp RF và để truyền và nhận dữ liệu.

5

Hình 2. Sơ đồ khối của bộ thu phát RF

Chỉ các chân tín hiệu analog được thể hiện cùng với bus dữ liệu SFR bên trong để

thiết lập giao tiếp RF và để truyền và nhận dữ liệu.Trong chế độ nhận, CC1010 được

cấu hình như bộ thu đổi tần truyền thống. Tín hiệu lối vào RF được khuếh đại bởi bộ

khuếch đại ồn thấp LNA (low-noise amplifier) và chuyển xuống thành trung tần

(intermediate frequency – IF) bởi bộ trộn MIXER. Trong trạng thái trung tần (IF

STAGE) các tín hiệu chuyển đổi này được khuếch đại và lọc trước khi đưa tới bộ giải

điều chế DEMOD. Một tín hiệu RSSI hay tín hiệu trung tần IF sau khi được trộn được

đưa vào chân AD2 (RSSI/IF). Sau giải điều chế, tín hiệu số được chuyển vào thanh ghi

RFBUF. Các ngắt có thể được phát ứng với mỗi bit hoặc byte nhận được

(EXIF.RFIF).

Trong chế độ truyền, tín hiệu ra của một bộ dao động điều khiển bằng điện áp

VCO (Voltage Controlled Oscilator) được đưa trực tiếp tới bộ khuếch đại công suất

PA. Lối ra RF là khoá dịch chuyển đổi tần số FSK bởi luồng bít được đưa tới thanh ghi

RFBUF. Tại đây các ngắt cũng có thể được sinh ra ứng với mỗi bit hay byte.Mạch

chuyển đổi nội tại T/R giúp cho việc giao tiếp với anten dễ dàng hơn mà chỉ sử dụng

rất ít các thành phàn ngoại vi.

Bộ tổ hợp tần số tạo ra tín hiệu dao động bên trong và đưa tín hiệu này tới bộ

6

MIXER ở chế độ nhận hoặc đưa tới PA ở chế độ truyền. Bộ tổ hợp tần số bao gồm

một bộ dao động thạch anh XOSC, một bộ dò pha PD, bộ bơm nạp, bộ lọc, VCO và

các bộ chia tần (/N và /R). Một tinh thể ngoài có thể được nối vào XOSC. VCO chỉ cần

một cuộn cảm ngoài Mạch ứng dụng RF.

6.2 Mạch ứng dụng RF

Bộ thu phát RF đòi hỏi rất ít các thiết bị ngoại vi. Một mạch ứng dụng điển hình

được thể hiện ở hình 3.

Hình 3:Mạch ứng dụng RF điển hình.

Tương ứng vào/ra: Cặp C31/L32 là đầu vào của bộ nhận, nội trở của L32 có tác

dụng định thiên một chiều. C41, L41 và C42 được dùng để tương ứng với bộ truyền có

trở kháng 50Ω. Bộ chuyển T/R làm cho nó có thể nối với lối vào và ra với nhau và

7

tương thích với bộ truyền 50Ω ở cả hai chế độ RX và TX.

VCO được tích hợp hoàn toàn trừ cuộn cảm L101.

Nguồn cung cấp: các tụ tách và lọc nguồn cung cấp cần được sử dụng (trong sơ

đồ mạch ứng dụng không chỉ ra phần này). Các tụ này càng đặt gần chân nguồn càng

tốt. Vị trí và kích thước của tụ tách và lọc nguồn cần được chú ý để đạt được độ nhạy tốt

nhất.

Lọc: Các thành phần bên ngoài (ví dụ RF LC hay lọc răng cưa) có thể được sử

dụng để cải tiến hiệu năng cho các ứng dụng riêng biệt. Nếu lọc răng cưa được sử dụng, nó

chỉ có tác dụng cho RX (phải sử dụng chuyển mạch ngoài RX/TX).

7. Module CC1010EM.

Để dễ dàng và thuận tiện cho việc phát triển các ứng dụng sử dụng vi điều khiển

CC1010, hãng Chipcon cũng cung cấp module CC1010EM (Evaluation Module) trên

đó có tích hợp hầu hết các linh kiện cần cho việc xây dựng một nút mạng như:

- Vi điều khiển CC1010.

- Dao động thạch anh.

- Antena.

- Một cảm biến nhiệt độ đưa vào chân AD1.

- Các chân cổng.

Module được mô tả trên hình 4. Việc xây dựng thử nghiệm trong khuôn khổ khoá

luận này chúng tôi cũng dùng module CC1010EM. Việc thử nghiệm sau này đã

cho thấy rằng module này đã đáp ứng được các chức năng cơ bản của nút mạng

đó là hai chức năng mạng và cảm nhận.

8

Hình 4: Module CC1010EM

8. Mô hình mạng sử dụng nút mạng là vi điều khiển CC1010 trong mạng WSN

WSN gồm nhiều nút mạng CC1010 giao tiếp với nhau qua sóng vô

tuyến tần số 300-1000MHz.có ba loại nút mạng:Trạm gốc,nút cảm nhận,va

nút chuyển tiếp.Các nút cảm nhận có gắn đầu đo vừa trực tiếp đo số liệu và truyền về trạm

gốc vừa chuyển tiếp dữ liệu nhận được từ các nút con trong topolopy dạng cây, gửi về cho

nút cha

9

Hình5: mô hình triển khai của mạng cảm nhận sử dụng CC1010

Hình6: mô hình triển khai của mạng cảm nhận khi trạm gốc xa trung tâm

Vi điều khiển CC1010 với những ưu điểm đã được phân tích ở trên tỏ ra

khá thích hợp với mô hình mạng cảm nhận không dây.Dùng vi điều khiển

CC101 có thể xây dựng được nhiều ứng dụng hấp dẫn với sơ đồ thiết kế không quá phức

tạp.Phần mềm nhúng có thể đi theo hướng hệ điều hành hoặc đơn giản hơn là các phương

10

trình nhỏ có thể viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng như ASM,C … và nạp cho

vi điều khiển

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]Chipcon, CC1010 Datasheet, www.chipcon.com

[2]Chipcon, CC1010IDE Manual, www.chipcon.com

[3]http://123doc.vn

Đề tài: Nghiên cứu quản lý năng lượng của mạng cảm nhận không dây

I. MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY1. Khái niệm:

Mạng cảm nhận không dây là mạng sử dụng phương thức truyền nhận bằng sóng Radio mà các nút mạng được tích hợp bộ vi điều khiển và bộ cảm biến.

2. Cảm biến:Các cảm biến là những thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu hay kích thích. Bộ cảm biến thực hiện chức năng thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự thay đổi của các biến trạng thái như nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, áp suất, momen...Vấn đề quản lý năng lượng

Nguyên nhân quản lý năng lượng— Nút mạng hoạt động được nhờ năng lượng— Nút mạng đặt ngoài môi trường, ít sự can thiệp người quản trị

Nguyên nhân hao phí năng lượng— Hao phí điện năng trong quá trình xung đột.— Phí tổn điều khiển gói tin.— Nghe lỏm truyền thông không cần thiết.— Thời gian nghỉ kéo dài

Tiêu thụ năng lượng nút cảm biến phụ thuộc chế độ hoạt động: Trong WINS, Tx: Rx : Sleep = 1080mW : 750mW : 64mW Trong Mica Mote, Tx: Rx : Sleep = 25mW : 22mW : 0.02mW Đánh giá :

11

Chế độ ngủ tiêu thụ ít năng lượng nhất, Tx tiêu thụ nhiều năng lượng nhất Radio cần tắt để giữ năng lượng giống cũng như hạn chế thời gian nghỉ mạng cảm

biến. Phân bố năng lượng

Bộ xử lý Radio Sensors và ADC

B.Các nguồn năng lượng• Nguồn năng lượng mặt trời• Nguồn năng lượng rung động cơ học• Nguồn năng lượng từ pin… Chọn nguồn năng:— Thời gian sản xuất— Khả năng thay thế— Giá cả ban đầu và giá cả phát sinh— Thời gian hoạt động, điện trở trong, giá trị điện áp, kích thước, ảnh hưởng sinh học. Hấp thụ năng lượng

— Pin quang điện— Rung động cơ học— Nguồn hấp thụ năng lượng khác1. Giao thức điều đình (Mediation Device- MD)2. Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút

mạng (Sleep- Listen)3. Giải thuật LEACH4. Cấu hình năng lượng tối thiểu (MPC-Minimum

Power Configuration) Nút mạng tiêu thụ điện năng

12

trung bình theo thời gianP= α . P0 + (1- α) . Ps

P = năng lượng tiêu thụ trung bình theo thờigian (đơn vị W)α = Chu trình tác vụP0 = Năng lượng tiêu thụ khi hoạt động tích cực (Đơn vị W)Ps = Năng lượng tiêu thụ trong chế độ chờ standby (Đơn vị W)

Giảm P thì giảm P0 và Ps

Phương thức hạn chế chu trình làm việc của nút mạng(Sleep- Listen)

Lược đồ cơ bản

Lựa chọn và duy trì lịch trình— Tự đưa ra lịch trình— Theo lịch trình nút lân cận— Nhận lịch trình của nút khác khi đã có lịch trình— Duy trì sự đồng bộ hóa

Cơ chế tránh xung đột và nghe lỏm1. Cơ chế tránh xung đột.2. Cơ chế tránh nghe lỏm

13

Nút nào phải ngủ khi A đang truyền thông với B ?Giải thuật LEACHKiến trúc mạng liên kết bó:

Nút đầu bó tiêu thụ điện năng lớn hơn những nút trong bó. Quay vòng đầu bó.

Thao tác LEACH chia làm nhiều vòng và mỗi vòng có 4 giai đoạn:1. Giai đoạn thông báo (Advertisement Phase)2. Giai đoạn thiết lập Cluster (Cluster Set-up Phase )3. Tạo bảng lịch trình (Schedule Creation)

4. Truyền dữ liệu (Data Transmission) Mạng WSN cần phải giảm năng lượng tiêu thụ trong mỗi trạng thái năng lượng của

radio (trạng thái truyền, nhận, và nghỉ). MPC giảm đến mức tối thiểu năng lượng tiêu thụ trong tất

cả trạng thái năng lượngVí dụ minh họa

truyền thông từ a tới c: a → c hoặc a → b → c.-Trường hợp 1: a truyền trực tiếp tới c sử dụng dãy truyền|ac| khi b đang ngủ.-Trường hợp 2: a truyền tới b sử dụng dãy truyền |ab| và bchuyển tiếp dữ liệu từ a tới c

Tương lai tiếp theo của mạng cảm biến:Mạng cảm biến thường làm việc ở mức tốt nhất nếu biết bố trí cấu trúc mạng phù

14

hợp với ứng dụng nhất, chẳng hạn như nếu ứng dụng của bạn cần kiểu mạng điểm-điểm, thì việc gi bạn phải đi tìm một kiểu mạng khác.Tiềm năng của việc đưa web vào thế giới cảm biến là vô cùng lớn. Web sẽ giúp cảm biến hoạt động hợp tác với nhau tạo nên một kiểu mạng thông minh để giải quyết những tồn tại hiện này mà mạng cảm biến đang gặp phải, hay những yêu cầu nảy sinh trong tương lai. Khi công nghệ phần mềm và phần cứng trưởng thành hơn nữa chúng ta sẽ được chứng kiến nhiều hơn công nghệ web trong sàn máy.

Bài viết tham khảo tài liệu tổng hợp từ internet.

Liên quan đến mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) tác giả

và các cộng sự đã có một số bài viết cho tạp chí trong nhiều số phát hành trước đây,

bài này nhằm giới thiệu cấu trúc các lớp chức năng của mạng, đặc biệt ở lớp liên kết

dữ liệu (data link layer).

Đây là lớp quan trọng, có ảnh hưởng quyết định đến việc tiêu thụ năng lượng từng

nút mạng và vì vậy ảnh hưởng đến thời gian sống của toàn mạng WSN. Tìm hiểu

vấn đề này, giúp chúng ta có tầm nhìn chi tiết hơn về thiết kế mạng cảm biến không

dây WSN theo tinh thần đồng thiết kế sử dụng FPGA để đạt mục tiêu tiết kiệm năng

lượng.

1. Các thủ tục điều khiển thâm nhập môi trường (MAC)

MAC là chức năng quan trọng được hỗ trợ bởi lớp liên kết dữ liệu - data link. Thủ

tục MAC được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên những nguyên tắc khác

nhau. Một số theo hướng tập trung: trạm cơ sở điều khiển thâm nhập; Một số theo

hướng phân tán; một số lại sử dụng một kênh duy nhất, một số sử dụng nhiều kênh;

Một số sử dụng các cách điều khiển thâm nhập ngẫu nhiên khác nhau; một số lại sử

dụng hội thoại và lập lịch. Chúng nhằm tối ưu các thông thông số: công suất, độ trễ,

thông lượng, độ đồng đều, chất lượng dịch vụ, nhiều loại dịch vụ. Một cơ cấu MAC

có mức tiêu thụ năng lượng siêu thấp đã được trình bày [1]. Trong đó một số kỹ

thuật đã được sử dụng. Băng thông được đổi lấy hiệu quả công suất, đồng thời vứt

bỏ các dư thừa để tiết kiệm năng lượng. Thuật giải là phân tán và không yêu cầu

đồng bộ. Nhu cầu là thiết kế MAC trong lớp liên kết dữ liệu sao cho thu được tiêu

thụ năng lượng thấp hơn.

15

Bây giờ xem xét một thực tế, đó là đề án PICO-RADIO, thiết kế mạng vô tuyến

Pico tại trung tâm nghiên cứu không dây Berkeley (BWRC), đó  là mạng ad-hoc

không dây, công suất siêu thấp. Theo dự án, tiêu thụ công suất mỗi nút mạng là

100µW, giá thành không đến 50 cents, kích thước 1cm3. Tiêu thụ công suất giảm

thiểu trong toàn mạng. Như vậy công suất không chỉ tối ưu cho một lớp riêng, và

không chỉ cho một nút mạng mà cho toàn mạng. Tất cả các nút mạng phải có cùng

một tập thủ tục và chúng đều được thiết kế nhằm tiết kiệm năng lượng. Lớp ứng

dụng cấu hình theo yêu cầu của ứng dụng. Thí dụ để điều khiển môi trường nhà ở,

phải có nút thực hiện chức năng bất kỳ trong 4 loại chức năng sau: nút điều khiển,

nút cảm nhận, nút chấp hành và nút giao diện. Nút điều khiển đòi hỏi dữ liệu từ nút

cảm nhận. Dựa vào thông tin nhận được nó ra lệnh cho nút chấp hành thực hiện

thao tác. Nút giao diện dùng để giám sát trạng thái mạng. Nó còn được dùng như

một gateway đối với mạng khác, thí dụ Internet. Việc xếp các chức năng vào cấu

trúc vật lý không nhất thiết là một-một. Thí dụ nút điều khiển và nút cảm nhận có

thế ở trong cùng một nút vật lý.

Lớp mạng sử dụng cơ cấu phân tuyến đa bước nhảy dựa vào xác suất chuyển tiếp.

Có nhiều đường dẫn trong quá trình phát hiện tuyến, nhưng xác suất nhận tuyến bất

kỳ tỉ lệ ngược với năng lượng tiêu thụ trên đường dẫn đó. Có nghĩa là xác suất chọn

đường rất cao nếu năng lượng trên tuyến đó là tối thiểu, những đường khác thỉnh

thoảng có thể sử dụng và có thể chọn tuyến khác khi mạng được bổ sung thêm nút

mạng. Trong hầu hết thời gian tuyến tối ưu sẽ được sử dụng, tuy nhiên khi có nút

hỏng trên tuyến thì chọn tuyến thay thế. Khi thiết kế như vậy cần quảng bá thông tin

về thay đổi cấu hình mạng theo hướng, nghĩa là thông báo tới những nút chịu ảnh

hưởng của thay đổi cấu hình.

Lớp liên kết dữ liệu đủ thông minh để điều khiển mọi thứ trong một bước nhảy. Từ

thuật giải được phát triển, sử dụng ngôn ngữ UML (Unified Modeling Language) để

xác định yêu cầu cho lớp. Sau đó sử dụng OPNET và MATLAB để mô phỏng. Sau

khi thuật giải đã được đánh giá, UML lại được sử dụng để mô tả các chức năng.

Mỗi chức năng được sắp xếp theo mô hình thuộc tính để đồng thiết kế các thành

phần ảo (Virtual Component Co-Design - VCC). Cũng có thể thực hiện việc mô

phỏng chức năng với các lớp mạng khác (ứng dụng, mạng). Đồng thiết kế các thành

phần ảo VCC có thể tạo mã VHDL (Verilog Hardware escription Language) cho

16

các mô hình thực hiện trong FPGA (Field Programmable Gate Array), theo giản đồ

sau:

Mạch RF chứa một ma trận đa dạng các mạch lọc chất lượng cao trên chip (các

mạch lọc FBAR). Năng lượng nhận có thể giảm đến 1 hoặc 2 bậc, bằng cách điều

khiển khuếch đại tạp âm thấp để ngắt vô tuyến khi không có thông báo truyền tới.

2. Đặt các giả thiết cho thiết kế

Giả thiết tốc độ dữ liệu trung bình và chu trình vô tuyến làm việc cũng thấp. Sử

dụng băng thông không bản quyền và không bị hạn chế. Mật độ nút mạng cao để

khoảng cách giữa chúng dưới 10m. Các nút hầu hết ở trạng thái tĩnh. Nếu có nút di

động thì tốc độ thấp (đi bộ). Dữ liệu cảm nhận có mối tương quan cao về thời gian

và không gian. Các ứng dụng chịu được độ trễ cao.

Hình 1: Quá trình kết hợp thiết kế các thành phần

3. Chức năng lớp liên kết

Lớp liên kết dữ liệu vô tuyến pico có một bộ chức năng và mối liên quan giữa

chúng thể hiện trong giản đồ UML như sau:

Mỗi phân hệ/ khối trong giản đồ hỗ trợ một chức năng và mũi tên chỉ sự phụ thuộc

giữa các phân hệ. Thí dụ phân hệ truyền dữ liệu phụ thuộc vaò phân hệ MAC để

biết khi nào truyền và kênh nào được sử dụng. Phân hệ MAC điều khiển thâm nhập,

nó xác định thời gian nút có thể truyền và kênh được dùng để truyền. Phân hệ điều

khiển lỗi, sử dụng mã phát hiện và sửa lỗi xác định để mã hóa và giải mã dữ liệu.

Phân hệ truyền dữ liệu truyền dữ liệu đến lớp vật lý. Phân hệ địa chỉ cục bộ chịu

trách nhiệm sắp xếp địa chỉ cục bộ thống nhất cho nút. Phân hệ cục bộ tính toán

chính xác vị trí nút theo vị trí của riêng nó (hoặc vị trí được giả định của nó), theo vị

trí nút láng giềng và theo khoảng cách giữa các láng giềng và nó. Phân hệ xử lý dữ

liệu xử lý dữ liệu từ lớp vật lý. Phân hệ liệt kê láng giềng khởi tạo và duy trì bảng

liệt kê láng giềng. Trong bảng liệt kê này có các thông tin sau: vị trí, địa chỉ cục bộ

17

và số đo liên kết. Phân hệ di động hỗ trợ nút di động. Phân hệ đo liên kết cung cấp

số đo cho mỗi liên kết, lớp mạng sử dụng để tính toán chọn đường. Phân hệ này

cũng lưu các trạng thái kênh (cần cho phân hệ MAC) và số đo cường độ tín hiệu

nhận (RSSI) cần thiết cho phân hệ vị trí. Phân hệ điều khiển công suất quy định

mức công suất truyền.

4. Các trường hợp sử dụng lớp liên kết dữ liệu.

Các phân hệ trên làm việc cùng nhau để thực hiện chức năng lớp liên kết dữ liệu.

Giản đồ mức hệ thống UML chỉ rõ các lớp khác sử dụng lớp liên kết dụ lệu thế nào.

Hình người trong giản đồ là yếu tố chấp hành giao diện với lớp liên kết dữ liệu. Thí

dụ , lớp mạng sử dụng lớp liên kết để truyền dữ liệu đến lớp vật lý và nhận dữ liệu

từ nó. Lớp mạng cũng tìm trong bảng liệt kê láng giềng ở lớp liên kết dữ liệu về

thông tin láng giềng riêng.

5. Các đòi hỏi để thiết kế các phân hệ.

Có nhiều cách để thiết kế mỗi phân hệ. Tuy nhiên số lượng các phân hệ là bao nhiêu

và chia chúng thành các phân hệ thế nào là vấn đề đang được nghiên cứu. Khả năng

sử dụng thước đo thiết kế là cơ sở để so sánh. Các mã điều khiển lỗi tuy có thêm

những bít dư thừa nhưng đưa lại hiệu quả công suất cao hơn. Bởi vì giá băng thông

không quan trọng với WSN. Cần thỏa hiệp giữa độ phức tạp mã hóa, giải mã và

hiệu quả công suất truyền. Vì khoảng cách giữa các nút láng giềng là ngắn, làm sao

để công suất tính toán có thể so sánh với công suất truyền.

Phân hệ truyền dữ liệu bổ sung thông tin điều khiển liên kết dữ liệu vào tải và sử

dụng phân hệ điều khiển lỗi để mã hóa toàn bộ gói. Nó cũng thực hiện cơ cấu

truyền lại. Để truyền dữ liệu từ lớp mạng đến một điểm nhận, phân hệ truyền cũng

duy trì hàng đợi cho mỗi láng giềng. Nhiều gói cho cùng một láng giềng được tổ

hợp lại thành một gói lớn hơn để giảm thông tin tiêu đề.

Việc sử dụng địa chỉ cục bộ duy nhất không những sẽ giảm được số bít cần thiết thể

hiện địa chỉ mà còn tạo kích thước mạng. Phân hệ địa chỉ cục bộ duy trì bảng liệt kê

địa chỉ nút. Bảng này ghi mọi địa chỉ có thể. Nếu một địa chỉ là không thể, bảng liệt

kê thông tin số lần nó được sử dụng trong láng giềng 2 bước nhảy của nút. Sự duy

18

nhất cục bộ không chỉ có ý nghĩa địa chỉ nút là khác với địa chỉ nút láng giềng bất

kỳ mà còn thể hiện rằng 2 láng giềng của cùng một nút phải có địa chỉ khác nhau

thậm chí chúng không phải là láng giềng của nhau. Để bảo đảm điều kiện thứ 2 là

được phép địa chỉ nút là khác địa chỉ láng giềng của láng giềng của nó. Kết quả,

một nút cần đánh dấu tất cả các địa chỉ đã sử dụng trong láng giềng 2 bước nhảy của

nó như địa chỉ không có giá trị. Khi nó cần tự sắp xếp địa chỉ nó nhặt ngẫu nhiên

một địa chỉ có giá trị từ bảng liệt kê. Nếu láng giềng của nó chuyển ra ngoài vùng

láng giềng, địa chỉ chỉ có giá trị nếu không có láng giềng nào khác trong vùng láng

giềng 2 bước nhảy của nó đang sử dụng cùng địa chỉ. Nếu khác thế, số lần địa chỉ

sử dụng sẽ giảm đi một đơn vị. 

Để xây dựng bảng liệt kê địa chỉ, một loạt giao tiếp cần được thực hiện khi các nút

đưa vào mạng lần đầu. Nó gửi yêu cầu đến tất cả các láng giềng, mỗi láng giềng gửi

trả lời địa chỉ của nó và địa chỉ các láng giềng của nó. Nút sẽ cập nhật thông tin này

vào bảng liệt kê. Sau khi các láng giềng đã trả lời, nút tự sắp xếp một địa chỉ trên cơ

sở bản liệt kê địa chỉ của nó. Hoàn thiện thông tin vùng láng giêng là cần thiết để

bảo đảm địa chỉ được sắp xếp là duy nhất tại đó. Tính chất của truyền không dây và

sự kiện kết nối thêm nhiều nút mới thường làm cho một nút mạng không có thông

tin đầy đủ về láng giềng. Vì thế việc bắt tay thêm là cần thiết để tránh va chạm địa

chỉ và chỉ thực hiện một lần khi cấu hình mạng không thay đổi.

Thuật giải sắp xếp địa chỉ cục bộ không làm việc được với các nút di động di

chuyển thường xuyên từ vùng láng giềng này sang láng giềng khác. Vì thế có sự

khác nhau khi sắp xếp địa chỉ cho nút di động và nút tĩnh. Các nút di động được

nhóm lại trong một cluster để giảm quá trình giao tiếp (handshakes). Nguồn nuôi

cho nút di động cũng dễ thay thế hơn so với nút tĩnh (thí dụ nút tĩnh nằm trong

tường nhà). Phân hệ di động khai thác đặc điểm này để tăng khả năng tải.

Thước đo trong phân hệ đo cung cấp thông tin tiêu tốn năng lượng hiện thời trên

liên kết. Do vậy đường dẫn tối ưu được chọn trên lớp mạng là đường tiêu tốn năng

lượng ít nhất. Thời gian sống toàn mạng không phải của riêng một nút mạng.

Đường dẫn phải chọn sao cho duy trì được thời gian sống cực đại của toàn mạng.

Đánh giá định lượng về thời gian sống của mạng vẫn là một vấn đề bỏ ngỏ. Khi

chọn đường truyền dữ liệu tối ưu phải lưu ý sao cho một nút không tham gia vào

quá nhiều đường, nếu không nguồn pin của nút này sẽ cạn sớm nhất, các đường qua

19

nó đều bị ảnh hưởng. Thời gian sống của mạng còn liên quan đến kết nối, nếu mạng

có nhiều đường dẫn, có thể sử dụng chúng làm phương án thay thế khi một nút bị

hết năng lượng. Tóm lại thời gian sống của mạng liên quan đến năng lượng của

đường dẫn, sự cân bằng tải và cấu hình mạng. Phân hệ đo liên kết cung cấp khả

năng đo thời gian sống cực đại của mạng.

Mức công suất được quy định bởi phân hệ điều khiển công suất cho một nút, cho

một liên kết hoặc cho gói này sang gói kia phụ thuộc vào điều khiển như thế nào.

Việc điều chỉnh mức công suất dựa vào kết nối, vào giao thoa và tiêu thụ năng

lượng. Việc giảm thiểu công suất truyền có thể giảm được công suất tiêu thụ trên

một bước nhảy. Sử dụng công suất truyền cao hơn sẽ cải thiện được kết nối và dẫn

đến tiêu thụ công suất toàn bộ thấp hơn, đặc biệt trường hợp truyền tràn ngập

(flooding). Giảm thiểu công suất trên một kết nối rất cần thiết để duy trì sự sống của

mạng, còn điều khiển công suất nhằm điều chỉnh lại công suất khi số láng giềng

thay đổi.

Như vậy rõ ràng các phân hệ khác nhau không những làm việc cùng nhau để hoàn

thành một nhiệm vụ mà việc tối ưu thiết kế chúng có mối liên quan rất mật thiết. Vì

vậy việc đồng thiết kế sẽ mạng lại tối ưu chung cho toàn mạng.

Kết luận:

Mạng cảm nhận không dây có rất nhiều ứng dụng, trong đó có nhiều ứng dụng

20

trong quân sự. Lớp liên kết dữ liệu được thiết kế đặc biệt được trình bày ở trên

nhằm giảm thiểu công suất tiêu thụ, tăng thời gian sống cho mạng. Vấn đề là phải

xác định thước đo liên kết nhằm tối ưu hóa thời gian sống của mạng và định danh

các thước đo thiết kế để định lượng thuộc tính mạng

Tham khảo:

1.    “An ultra-low power and distributed access protocol for broadband wireless

sensor networks”, L. C. Zhong, R. Shah, C. Guo and J. Rabaey,   2001.

2.    DATA LINK LAYER DESIGN FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS, 

Lizhi Charlie Zhong, Jan Rabaey, Chunlong Guo, Rahul Shah

21