ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Điêu Tiến Thọ

GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
CHO MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
VÀ THỬ NGHIỆM VỚI VI ĐIỀU KHIỂN CC1010
Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử
và thông tin liên lạc
Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VƯƠNG ĐẠO VY


2
2.2.3. Các giao thức MAC tiết kiệm năng lƣợng trong mạng cảm nhận
không dây 41
2.2.4. Kết luận 45
2.3. Tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng bằng lập trình thay đổi chế độ làm
việc 46
2.3.1. Phân tích các đặc trƣng của vi điều khiển CC1010 46
2.3.2. Các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng cho CC1010 55
2.4. Kết luận 58
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH TIẾT
KIỆM NĂNG LƢỢNG TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 59
3.1. Phần mềm nhúng viết cho vi điều khiển CC1010 59
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng 59
3.1.2. Các công cụ hỗ trợ lập trình cho CC1010 60
3.1.3. Thuật toán phần mềm nhúng tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng
đo nhiệt độ CC1010EM 63
3.1.4. Chi tiết phần mềm nhúng thực hiện thuật toán 67
3.2. Thử nghiệm và đánh giá kết quả 71
3.3. Kết luận 77
KẾT LUẬN 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 82

3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh

CUL
Chipcon Utility Library
Thƣ viện tiện ích Chipcon
FDMA
Frequency Division
Multiple Access
Đa truy cập môi trƣờng phân
chia theo tần số
HAL
Hardware Abstraction
Library
Thƣ viện phần cứng Chipcon
HDF
Hardware Difinition File
File định nghĩa phần cứng
MAC
Media Access Control
Điều khiển truy cập môi trƣờng
MCU
Microcontroller
Vi điều khiển
RF
Radio Frequency
Bộ thu phát vô tuyến
RTC
Real Time clock
Đồng hồ thời gian thực
TDMA
Time Division Multiple
Access

5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình khái quát mạng cảm nhận không dây
10
Hình 1.2. Một mô hình triển khai mạng cảm nhận không dây
11
Hình 1.3. Một nút mạng cảm nhận không dây
11
Hình 1.4. Một mô hình ứng dụng mạng cảm nhận không dây
12
Hình 1.5. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây
16
Hình 1.6. Mạng WSN có topology kết hợp dạng cây và dạng tuyến tính
28
Hình 1.7. Mô hình triển khai WSN theo dõi nhiệt độ sử dụng CC1010
29
Hình 2.1. Vi điều khiển CC1010
47
Hình 2.2. Mối quan hệ tuyến tính giữa dòng tiêu thụ và tần số
50
Hình 3.1. Mô hình phần mềm nhúng cho CC1010
61
Hình 3.2. Thuật toán làm việc của nút mạng cảm nhận
63

dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, ngƣời ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào
nơi cần thiết. Mạng có thể đƣợc mở rộng đơn giản bằng cách thêm vào các
thiết bị, không cần các thao tác phức tạp, mạng sau đó hoạt động không cần
sự can thiệp của con ngƣời. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài
năm, mỗi nút mạng chỉ cần một nguồn pin duy nhất.
Một trong những vấn đề hiện nay cần quan tâm là tiêu thụ năng lƣợng
cho từng nút mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin. Đây là một hƣớng

7
nghiên cứu đang đƣợc chú trọng để cải thiện chất lƣợng mạng không dây. Khi
kích thƣớc vật lý giảm, cũng làm giảm khả năng tích trữ năng lƣợng. Các ràng
buộc về năng lƣợng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lƣu trữ dẫn đến phải
có kiến trúc mới. Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình
mạng và mạng cần có sự chuyển đổi giữa các chế độ làm việc nhằm đạt mục
tiêu tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng.
Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là
mạng cảm nhận không dây sử dụng CC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết
kiệm nguồn năng lƣợng cho các nút trong mạng cảm nhận không dây. Cụ thể:
- Chƣơng 1: “Tổng quan về mạng cảm nhận không dây” sẽ đƣa ra
những định nghĩa cơ bản, những ứng dụng của WSN, các loại giao
thức định tuyến trong WSN. Chƣơng này còn trình bày các yêu cầu
đối với một nút mạng cảm nhận, trong những yêu cầu đó thì yêu cầu
sử dụng năng lƣợng tiết kiệm là quan trọng nhất. Xuất phát từ đó, tác
giả định hƣớng cho đề tài nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm năng
lƣợng cho WSN. Phần cuối của chƣơng sẽ xây dựng một mạng
WSN thực tế sử dụng vi điều khiển CC1010 làm các nút mạng. Vi
điều khiển này sẽ là đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tiết kiệm
năng lƣợng ở các chƣơng sau.
- Chƣơng 2: “Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận
không dây sử dụng vi điều khiển CC1010”. Trong phần đầu sẽ trình
9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
Chƣơng này sẽ đƣa ra những định nghĩa cơ bản về mạng cảm nhận
không dây, các đặc điểm, ý nghĩa và khả năng ứng dụng to lớn của nó vào
thực tiễn. Sau khi có những khái niệm cơ bản, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc
giao thức và các loại định tuyến trong mạng cũng nhƣ các yêu cầu đối với một
hệ thống mạng cảm nhận không dây tốt. Nghiên cứu kỹ các yêu cầu đó sẽ là
cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp sử dụng cho từng ứng dụng
mạng cảm nhận không dây. Cụ thể trong đề tài này đã lựa chọn vi điều khiển
CC1010 làm đối tƣợng nghiên cứu và thử nghiệm tối ƣu hóa sử dụng năng
lƣợng trong mạng cảm nhận theo dõi thông tin về môi trƣờng. Dƣới đây sẽ lần
lƣợt xét từng vấn đề nêu trên.
1.1. Những khái niệm cơ bản về mạng cảm nhận không dây
Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bƣớc phát triển mạnh với mật độ
tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lƣợng ít và giá thành thấp.
Khi đƣợc nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập
trong các loại môi trƣờng và ở những vị trí địa lý khác nhau. Mỗi vi điều
khiển khi đƣợc tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo
thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định
đƣợc gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Sensor Network).
Nhƣ vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng đƣợc cấu
thành từ các thiết bị hoạt động độc lập đặt trong không gian, các thiết bị thu
thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trƣờng
nhƣ nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,…

10

Hình 1.1. Mô hình khái quát mạng cảm nhận không dây

cũng khác nhau, phụ thuộc vào kích thƣớc và độ phức tạp của mỗi loại.
 Ứng dụng của mạng cảm nhận không dây [10]
Từ đặc điểm mô tả về WSN ở trên, ta có thể thấy ứng dụng của WSN
rất phong phú, nó có thể ứng dụng trong dân dụng, thƣơng mại, công nghiệp
hoặc quân sự để giám sát và gửi dữ liệu mà mạng có dây không thực hiện
đƣợc hoặc thực hiện với chi phí cao. WSN có thể đƣợc triển khai trong những
khu vực rộng lớn hoang vu, ở đó chúng có thể tồn tại mà không cần con
ngƣời can thiệp trong vài năm.

Hình 1.4. Một mô hình ứng dụng của WSN

13
Cụ thể, một số ứng dụng của WSN gồm theo dõi và cảnh báo các mức
độ của môi trƣờng nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi sự chuyển dịch nhƣ
giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân,…
 Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây
Các đặc điểm của WSN gồm:
- Các nút mạng cảm nhận có kích thƣớc nhỏ
- Năng lƣợng nạp đƣợc và lƣu đƣợc bị giới hạn
- Hoạt động ở các điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt không cần can
thiệp của con ngƣời
- Dễ xảy ra lỗi tại nút mạng, dễ xảy ra lỗi trong truyền dữ liệu
- Các nút mạng cảm nhận có thể dịch chuyển đƣợc mà không cần thay
đổi cấu hình
- Mô hình mạng động, linh hoạt
- Các nút mạng hỗn hợp
- Cho phép khả năng mở rộng cao
 Nền tảng
Phần cứng
Thách thức chính là việc sản xuất đƣợc các nút mạng cảm nhận có giá

thời gian thực, trong khi đó hệ điều hành dành cho mạng cảm nhận không hỗ
trợ thời gian thực.
Có thể nói TinyOS là hệ điều hành đầu tiên đƣợc thiết kế riêng biệt cho
WSN. TinyOS có kích thƣớc nhỏ, mã nguồn mở, dùng mô hình hƣớng sự
kiện, bộ lập dịch đơn giản cho phép vi điều khiển xử lý nhiều tác vụ song

15
song với nguồn tài nguyên hạn chế. TinyOS sử dụng bộ lập trình thao tác kiểu
FIFO kết nối mềm dẻo giữa phần cứng và ứng dụng.
Ngôn ngữ lập trình
Lập trình cho các nút mạng cảm nhận khó hơn so với lập trình trên hệ
thống máy tính thông thƣờng. Sự hạn chế về nguồn tài nguyên trên nút mạng
dẫn đến phát triển một số ngôn ngữ lập trình mới cho WSN. Tuy vậy ngôn
ngữ phổ biến hiện nay để lập trình cho nút mạng cảm nhận là ngôn ngữ C.
Một số ngôn ngữ dành cho nút mạng cảm nhận là: c@t (Computation at a
point in space (@) Time), DCL (Distributed Compositional Language), galsC,
nesC, Protothreads, SNACK, SQRL.
Thuật toán
WSN đƣợc hình thành từ một số lƣợng lớn các nút cảm nhận do đó
thuật toán cho WSN hoàn toàn là thuật toán phân phối (distributed algorithm).
Trong WSN yếu tố tài nguyên đáng quan tâm nhất là năng lƣợng và một trong
những hoạt động tiêu tốn nhiều năng lƣợng nhất là truyền dữ liệu. Do đó,
trong WSN chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế các thuật toán tối ƣu sử
dụng năng lƣợng khi dữ liệu đƣợc truyền từ các nút mạng đến trạm gốc. Dữ
liệu truyền đi trong mạng thông thƣờng theo kiểu nhiều chặng (từ nút đến nút,
sau đó chuyển tiếp lên trạm gốc) với mục đích tiết kiệm năng lƣợng, do nếu
truyền với khoảng cách xa thì nút mạng sẽ tiêu tốn nhiều năng lƣợng hơn.
1.2. Kiến trúc giao thức và hoạt động định tuyến trong mạng cảm
nhận không dây
1.2.1. Kiến trúc giao thức của mạng cảm nhận không dây

Lớp truyền tải
Lớp vật lý

Lớp ứng dụng
Lớp liên kết số liệu
Lớp mạng
Phần quản lý nhiệm
vụ

Phần quản lý di
chuyển

Phần quản lý năng
lƣợng 17
cảm nhận. Những phần này giúp các nút cảm nhận phối hợp nhiệm vụ cảm
biến và tiêu thụ năng lƣợng tổng thể thấp hơn.
Phần quản lý năng lƣợng điều khiển việc sử dụng năng lƣợng của nút
mạng. Ví dụ, nút mạng có thể tắt khối thu của nó sau khi thu đƣợc một bản tin
từ một nút lân cận, điều này giúp tránh việc nhận các bản tin trùng lặp dƣ thừa
không cần thiết. Còn khi mức năng lƣợng của nút mạng thấp, nó sẽ phát
quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức năng lƣợng thấp và
không thể tham gia vào các bản tin định tuyến. Phần năng lƣợng còn lại sẽ
dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.
Phần quản lý di chuyển phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút
cảm nhận để duy trì tuyến tới ngƣời sử dụng và các nút có thể lƣu vết của các
nút cảm nhận lân cận. Nhờ xác định đƣợc các nút lân cận, các nút cảm nhận
có thể cân bằng giữa cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.

và cùng truyền về trung tâm. Do đó dữ liệu dƣ thừa đó cần đƣợc giao thức
định tuyến loại bỏ để tiết kiệm năng lƣợng cho nút mạng và tăng băng thông.
Nguyên nhân thứ tƣ khiến việc định tuyến trong WSN là một thách
thức là do mỗi nút mạng cảm nhận đều có năng lƣợng, khả năng tính toán và
bộ nhớ hạn chế.
Do những khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến mới cho WSN đã
đƣợc nghiên cứu và ứng dụng. Các giao thức đó có thể đƣợc chia thành các
loại chính là: ngang hàng, phân cấp và định vị [7].

19
Trong giao thức ngang hàng, tất cả các nút thƣờng có vai trò hoặc chức
năng nhƣ nhau. Hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi đáp, phụ thuộc vào
việc đặt tên các gói dữ liệu do đó loại bỏ đƣợc việc gửi dƣ thừa dữ liệu trong
mạng.
Giao thức phân cấp dựa trên việc chia mạng thành các cụm, mỗi cụm
có một nút làm chủ có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu của các thành viên lại và loại
những dữ liệu không cần thiết trƣớc khi truyền. Nút chủ sẽ đƣợc thay đổi khi
bắt đầu chu kỳ làm việc mới và sẽ thay bằng nút khác có khả năng đảm nhận
chức năng này.
Giao thức định vị sử dụng các thông tin về vị trí của các nút để truyền
dữ liệu cho các nút cần thiết thay vì truyền cho tất cả các nút trong mạng.
Một giao thức định tuyến đƣợc coi là thích ứng nếu các tham số của hệ
thống có thể điều khiển đƣợc để phù hợp với các trạng thái mạng hiện tại và
các mức năng lƣợng khả dụng. Một số giao thức định tuyến đã phát huy hiệu
quả tiết kiệm tiêu thụ năng lƣợng nhƣ: LEACH, TEEN & APTEEN, MECN
& SVECN, PEGASIS thuộc định tuyến phân cấp; SPIN, CADR, CUGAR
thuộc định tuyến ngang hàng.
1.3. Các yêu cầu đối với hệ thống mạng cảm nhận không dây
Xuất phát từ các đặc điểm và kiến trúc của hệ thống WSN đã phân tích
trong các phần trên, ta có thể đƣa ra các yêu cầu để xây dựng một mạng WSN

có thuận lợi là khả năng triển khai một mạng trên một vùng rộng lớn. Kỹ

21
thuật truyền đa chặng (multi-hop) cho phép mở rộng độ bao phủ của mạng, về
mặt lý thuyết chúng có khả năng mở rộng vô hạn, ngƣời dùng có thể triển
khai một mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút. Tuy nhiên, khi
khoảng cách truyền tăng, giao thức mạng multi-hop làm tăng năng lƣợng tiêu
thụ của các nút do đó sẽ làm giảm thời gian sống của mạng. Hơn nữa, mở
rộng mạng cũng sẽ làm tăng chi phí triển khai.
Khả năng triển khai
Ƣu điểm lớn nhất của WSN là dễ triển khai. Ngƣời sử dụng không cần
phải hiểu về mạng và cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Mạng cảm
nhận có khả năng tự cấu hình, các nút đƣợc đặt vào môi trƣờng và có thể hoạt
động ngay. Trong thực tế, một phần năng lƣợng đƣợc dành cho kiểm tra và
bảo trì hệ thống. Việc tạo ra thông tin chẩn đoán và tái cấu hình sẽ làm giảm
thời gian sống của mạng, đồng thời cũng làm giảm tốc độ lấy mẫu.
Thời gian đáp ứng
Trong các ứng dụng cảnh báo hoặc điều khiển, thời gian đáp ứng hệ
thống là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống. Một thông báo cần
đƣợc tạo ra ngay lập tức khi nút mạng cảm nhận đƣợc sự kiện. Dù đang hoạt
động ở mức năng lƣợng thấp, các nút cần phải có khả năng truyền tức thời các
thông điệp qua mạng càng nhanh càng tốt.
Yếu tố thời gian đáp ứng nhanh lại xung đột với các kỹ thuật làm tăng
thời gian sống của mạng bởi vì thời gian sống của mạng có thể tăng bằng cách
để các nút chỉ hoạt động ở chế độ truyền nhận radio trong thời gian ngắn.
Thời gian đáp ứng có thể cải thiện bằng cách cấp nguồn cho một số nút trong
toàn bộ thời gian. Tuy nhiên điều này sẽ làm giảm tính dễ triển khai hệ thống.
Độ chính xác thời gian

22

cảnh khác nhau. Mỗi một ứng dụng sẽ yêu cầu về thời gian sống, tốc độ lấy
mẫu, thời gian đáp ứng và xử lý nội mạng khác nhau. Một kiến trúc WSN cần
phải đủ mềm dẻo để cung cấp một dải rộng các ứng dụng. Thêm vào đó, vì lý
do chi phí mỗi thiết bị sẽ chỉ có phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng
cụ thể. Kiến trúc cần đơn giản để kết hợp giữa phần cứng và phần mềm. Vì
vậy, những thiết bị này đòi hỏi một mức độ cao về tính modul của phần cứng
và phần mềm trong khi vẫn giữ đƣợc tính hiệu quả.
Sức mạnh
Để hỗ trợ cho các yêu cầu về thời gian sống, mỗi nút cần phải càng
mạnh càng tốt. Module hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ
thống. Bằng cách chia chức năng hệ thống thành các thành phần con độc lập,
mỗi chức năng có thể đƣợc kiểm tra đầy đủ trƣớc khi kết hợp chúng thành
một ứng dụng hoàn chỉnh. Để làm điều này, các thành phần hệ thống phải độc
lập đến mức có thể và có giao tiếp chặt chẽ, để ngăn chặn các tƣơng tác không
mong đợi. Để tăng sức mạnh hệ thống khi nút bị lỗi, một WSN cũng cần có
khả năng đối phó với nhiễu ngoài từ các mạng không dây khác. Khả năng
tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu để đảm bảo triển khai mạng thành công.
Tính bảo mật
Các nút riêng lẻ cần có khả năng mã hoá và xác thực. Truyền dữ liệu
không dây có độ bảo mật rất thấp, cách bảo mật dữ liệu là mã hoá toàn bộ dữ
liệu truyền, CPU cần có khả năng tự thực hiện các thao tác mật mã.

24
Truyền thông
Một chỉ tiêu đánh giá cho bất kỳ WSN nào là tốc độ truyền, năng lƣợng
tiêu thụ và khoảng cách. Nếu các nút đƣợc đặt rất xa nhau, chúng không thể
tạo đƣợc kết nối có độ tin cậy cao. Tốc độ truyền cũng có ảnh hƣởng lớn đến
hiệu suất của nút mạng. Tốc độ truyền cao làm cho khả năng lấy mẫu hiệu
quả hơn và năng lƣợng tiêu thụ của mạng ít hơn do việc truyền mất ít thời
gian hơn. Tuy nhiên, khi tăng tốc độ cũng thƣờng làm tăng năng lƣợng tiêu