câu 1: khái ni m m ng c m bi n không dây ế
M ng c m bi n không y (wireless sensor network) m t k t c u h t ng bao g m ế ế
các thành ph n c m nh n, tính toán truy n thông nh m cung c p cho ng i qu n tr ườ
kh năng đo đ c, quan sát và tác đ ng l i v i các s ki n hi n t ng trong môi tr ng xác ượ ườ
đ nh.
M t m ng c m bi n kng y bao g m nhi u t m ng. các t m ng th ng c ế ườ
thi t b đ n gi n, nh g n, giá thành th p, s l ng l n th ng đ c phân b trênế ơ ượ ườ ượ
di n tích r ng, s d ng ngu n năng l ng h n ch nên th i gian s ng c a m i t ượ ế
ng n, th vài tháng đ n năm th ho t đ ng trong môi tr ng kh c nghi t, ế ườ
đ c h i.
c t c m bi n th ng phân b r i rác trong c môi tr ng k t n i t i nút g c ế ườ ườ ế
( còn g i là nút Sink/Gateway).
c nút m ng c m bi n v a kh năng thu th p d li u môi tr ng v a th làm ế ườ
b đ nh tuy n d li u. ( nói them v hình). ế
câu 2: nh ng thách th c đ i v i m ng c m bi n không dây ế
a) Thách th c c p đ nút.
ng su t tiêu th , kích th c v t ướ , giá thành nguyên v t li u, môi tr ng tài ngun ườ
h n ch (b nh ), kh năng x lý vi đi u kh n h n ch là nh ng thách th c c p đ nút ế ế
c n ph i gi i quy t h p lý. ế
ng su t tiêu th m t y u t quan tr ng đ i v i c nút m ng c m bi n không dây ế ế
b i chúng th ng s d ng ngu n năng l ng pin ho c m t ngu n năng l ng th p ườ ượ ượ
n ngoài. Kích th c v t lý cũng r t quan tr ng b i vì các y u t kích th c và hình th cướ ế ướ
quy t đ nh đ n các ng d ng ti m năng cho m ng c m bi n không dây, các nút m ng c mế ế ế
bi n không y ph i ch th c nh g n. Giá thành cũng quan tr ng đ i v i c nútế ướ
m ng c m bi n kng y b i m ng c m bi n không dây th ng đ c tri n khai v i ế ế ườ ượ
quy l n. V i vi c tri n khai hàng ngàn các t m ng c m bi n thì vi c ti t ki m giá ế ế
thành cho m i nút s cho pp ti t ki m đ c m t kho n ti n đáng k . ế ượ
V i chi phí th p, kích th c v t nh , công su t tiêu th th p thì c b vi x ướ
trên đó c ph n m m ho t đ ng tr nên nh g n h n, t c đ tính toán và kích th c b ơ ướ
nh c a các b vi x lý cũng b gi m b t. Các nhà thi t k ph n mem cho m t h th ng ế ế
m ng c m bi n không y th ng ch i ngàn Byte b nh đ làm vi c so v i ng ế ườ
tri u ho c hàng t Byte b nh trong các h th ng máy tính tng d ng. Do đó, ph n m m
cho các nút m ng c m bi n không dây không ch can hi u qu năng l ng mà còn ph i ế ượ
kh ng ch y trong m t môi tr ng h n ch nghiêm ng t vei nguyên. ườ ế
( phânch them)
b) thách th c c p đ m ng
quy t ch c m ng c m bi n không dây s l ng t v i quy mô l n thì các nút ế ượ
chuy n ti p lien t c làm vi c v i công su t cao. Có s nh h ng c a c p đ nút c ng các ế
nh truy n không đáng tin c y d n đ n thi t k giao th c đ nh tuy n kkhăn. ế ế ế ế
ch th c m ng nh h ng đ n vi c thi t k giao th c đ nh tuy n trong m ng c mướ ưở ế ế ế ế
bi n không y. Đ nh tuy n quá trình m ng xác đ nh nh ng tuy n đ ng t t nh t đế ế ế ườ
truy n b n tin qua m ng.
Thi t k các giao th c đ nh tuy n r t quan tr ng b i nh h ng đ n c hi uế ế ế ưở ế
năng m ng xét ve l ng d li u m ng có th duy trì cũng nh t c đ d li u đ ượ ư
th n chuy n d li u thành công qua m ng h n h t kho ng th i gian t n t i c a ơ ế
m ng đ c đ m b o. Trong m ng c m bi n không dây, vi c truy n thông tin đòi h i năng ượ ế
l ng. c nút th c hi n truy n thông tin nhi u s m t năng l ng nhanh h n so v i cượ ượ ơ
nút khác th ng ch đ ng .ườ ế
nh ch t không đáng tin cây c a m ng c m bi n khôngy đ c g i là "t n hao". T n ế ượ
hao nên đ c coi nh là m t đ c tính v n có trong m ng c m bi n không dây. V n đe t nượ ư ế
hao trong m ng c m bi n không dây m t thách th c đ i v i c giao th c đ nh tuy n. ế ế
c giao th c đ nh tuy n ph i tính toán v n đe t n hao khi quy t đ nh tuy n đ ng đ ế ế ế ườ
truy n các b n tin th b n tin can ph i đ c g i l i. Các b n tin s đ c đ nh tuy n ượ ượ ế
sao cho các nguy c m t mát b n tin là th p nh t.ơ
T n hao là m t thu c tính khó xác đ nh, đ c bi ttrong các m ng không y. T n hao
b nh h ng b i c y u t môi tr ng nh nhi t đ đ m c a không khí cũng nh ưở ế ườ ư ư
i tr ng v t lý xung quanh c a các m ng c m bi n khôngy.ườ ế
nh ch t quy mô l n c a các m ng c m bi n không dây làm ph c t p thêm vi c đ nh ế
đ a ch c nút. Trong m t m ng quy l n, m i t ph i có đ a ch riêng đ các b n tin
th đ c g i t i nó. Các đ a ch can đ dài đ l n sao cho m i t trong các m ng ượ
quy mô l n ph i có m t đ a ch riêng bi t.
Vi c qu n lý m ng đ i v i m ng c m bi n khôngy quy mô l nế m t thách
th c cùng khó khăn. V i m ng c m bi n không y th bao g m ng ngàn nút thì ế
vi c th c hi n qu n lý m ng theo cách truy n th ng không th áp d ng ngay đ c. Qu n ượ
theo ch truy n th ng đòi h i s đi u ch nh c s h tang m ng th ng b i m t ơ
qu n tr viên h th ng.
M t m ng c m bi n không y cũng ph i cung c p các c ch truy c p t bên ngi. ế ơ ế
nh ng tr ng h p m t m ng c m bi n không dây đ c s d ng l p, nh ng ườ ế ượ ư
thông th ng các d li u t o ra b i các m ng c m bi n không y can ph i đ c l y raườ ế ượ
đ x lý ho c đ c l u tr m t n i khác. ượ ư ơ
c) s chu n hóa
Tiêu chu n m t y u t then ch t đ i v i ch t l ng đ n s thành công c a s n ế ượ ế
ph m c m bi n khôngy. ế
c công ngh s n xu t khác nhau có nh ng tiêu chu n khác nhau.
N u không có s chu n hóa thì các nhà s n xu t thi t b và các nhàch h p h th ng c nế ế
ph i y d ng toàn b h th ng đ i v i m i h th ng m i đ ci đ t. Ngi ra, nhà s n ượ
xu t và nhà tích h p s s d ng m t công ngh đ c quy n t m t nhà cung c p riêng l .
Đ nh d ng b n tin ph i th ng nh t gi a các nút, c ng tác t ng thích v i nhau ươ
tuân theo đi u kho n m i bên.
câu 3: C u trúc ph n c ng m ng c m bi n không dây ế
B cm bi n: ế
Cho phép các nút c m bi n có kh năng t ng tác v i th gi i v t lý. Các nút c m bi n ế ươ ế ế
không dây t ng tác v i môi tr ng v t lý nhươ ườ các c m bi n. Các c m bi n đ cn trênế ế ượ
nút c m bi n không dây có th t r t đ n gi n đ n r t ph c t p. Nhi u b c m bi n đ n ế ơ ế ế ơ
gi n v c hình th c ch c năng. Ví d nh các c m bi n nhi t đ m t bi n tr ư ế ế
tr kháng c a nó thay đ i theo nhi t đ môi tr ng. ườ
Ngun đin:
Cung c p năng l ng cho t c m bi n ho t đ ng. M t nút c m bi n không y bao ượ ế ế
g m nhi u thi t b đi n t các thi t b đi n t can năng l ng. y, m i nút c m ế ế ượ
bi n can m t ngu n cung c p năng l ng. Ngày nay, các ngu n năng l ng ph bi n ế ượ ượ ế
pin nh ng trong m t s tr ng h p s d ng c t bào năng l ng m t tr i, áp đi n ư ườ ế ượ
cácnh th c tích tr năng l ng khác. ượ
Thi t b truy n tng:ế
Cho phép các nút c m bi n có th truy n thông v i nhau. Thi t b truy n thông th ng ế ế ườ
là m t b thu phát vô tuy n đ c k t n i v i m t anten.. M t b thu phát vô tuy n c ế ượ ế ế
hai ch c năng đóv a phát v a nn b n tin tuy n. ế
thành ph n tiêu th năng l ng ngu n nuôi l n nh t. Nguyên nhân do yêu c u ượ
x lý đi u ch và gi i đi u ch tín hi u vô tuy n. Đ i v i b thu phát vô tuy n công su t ế ế ế ế
th p thì ch m t ph n nh công su t tiêu th đ c s d ng đ g i tín hi u vô tuy n. ượ ế
Thêm n a thu phát c a c t xa t vài ch c t đ n i trăm mét nh ng b c ế ư ướ
song ng n.
VD: kh o sát th c t t i tr ng do th y phân b m ng v i đ a nh nh ktx thì th y ế ườ
r ng vi c tuy n t i d li u cũng nh s ho t đ ng lien t c c a các nút c m bi n d n đ n ư ế ế
m t s t trung tâm truy n t i h t pin tr c so v i các t kc. ế ướ
B vi đi u khi n:
B vi đi u khi n đi u khi n c hành vi ho t đ ng c a t c m bi n. Nó m t b vi ế
x lý nh trên đó ch y các ch ng trình ph n m m c a nút c m bi n và đ c k t n i v i ươ ế ượ ế
b thu phát tuy n c c m bi n. Vi đi u khi n m t b vi x b nh trong, ế ế
b đ nh th i ph n c ng đ k t n i v i c thi t b bên ngoài nh các c m bi n b ế ế ư ế
thu phát tuy n.ế
Do h n ch ve giá thành năng l ng nên c vi đi u khi n đ c s d ng trong các ế ượ ượ
nút c m bi n đ n gi n h n nhi u so các b vi x đ c s d ng trong c máy tính ế ơ ơ ượ
nhân. Thông th ng, m t b vi đi u khi n s d ng trong nút c m bi n có vài KB b nhườ ế
c a chip và ho t đ ng t c đ xung nh p m t vài MHz.
Vi đi u khi n có hai lo i b nh : B nh ch đ c (ROM) b nh truy nh p ng u ế
nhiên (RAM). ROM đ c s d ng đ l u tr mã ch ng trình phan m m còn RAM đ cượ ư ươ ượ
s d ng choc d li u t m th i c a ch ng trình phan m m. ươ
câu 4: Gi i pháp thi t k ph n c ng TUmote cho m ng c m bi n ế ế ế
Modun TUmote hai tham s đo nhi t đ đ m c a môi tr ng. s d ng modun ườ
CC 2420EM, b vi đi u khi n MSP430, b nh ngoài, k t n i m r ng,c ng giao ti p ế ế
USB, ngu n cung c p là s d ng ngu n pin ho c l y ngu n t y tính qua c ng USB.
Vi đi u khi n MSP430
Đây b vi đi u khi n r t ti t ki m năng l ng c a ng Texas Instruments. B vi ế ượ
đi u khi n MSP430 F161110KB b nh RAM, 48KB b nh Flash. B vi đi u khi n
MSP430 F1611 đ c thi t k cho nh ng ng d ng tiêu th năng l ng th p s d ngượ ế ế ượ
đ c nhi u ch đ ho t đ ng kc nhau.ượ ế TUmoteth t ng tch d ng v i các h ươ
đi u hành ph bi n hi n nay nh TinyOS, Contiki. Vi c cài đ t h đi u hành trên phan ế ư
c ng TUmote s cho phép l p trình phan m m ng d ng đ c thu n ti n vàc tài ngun ượ
phan c ng trên nút c m bi n cũng đ c qu n m t cách hi u qu t đó ti t ki m đ c ế ượ ế ượ
năng l ng tiêu th . ượ
B thu phát vô tuy n CC2420 ế
Chip CC2420 m t chip thu phát tín hi u tuy n công su t th p theo chu n IEEE ế
802.15.4. Tuy nhiên, vi c ch t o m ch in ế tan s 2,4 GHz m t v n đe khó khăn đ i
v i công ngh ch t o m ch in trong n c. nút c m bi n TUmote s d ng ế ướ ế module thu
phát tuy n CC2424EM c a hãng Texas Instruments. Trên ế moduley đã đ c tích h pượ
s n chip CC2420.
C m bi n nhi t đ , đ m ế
s d ng c m bi n SHT 11. C m bi n y đ c s n xu t b i hãng Sensirion AG. C m ế ế ượ
bi n y cung c p d li u đau ra s . C m bi n đ c ch t o theo quy trình CMOS ế ế ượ ế
đ c k t h p v i b chuy n đ i A/D 14-bit. Đây lo i c m bi n tiêu th năng l ngượ ế ế ượ
th p và có ch th c nh g n. C m bi n này th đ c s d ng cho nhi u ng d ng ướ ế ượ
giám sáti tr ng.ườ
B nh ngi
B nh ngoài cho phép TUmote tăng kh năng l u tr ngoài b nh ROM và RAM trên ư
vi đi u khi n MSP430 F1611. TUmote s d ng b nh ST M25P80. B nh này ch a
1024kB cho d li u đ c chia thành 16 ượ segments, m i segment có kích th c 64kB.ướ
B nh này chia s c đ ng truy n tng SPI v i b thu phát vô tuy n CC2420. ườ ế
Ket n i m r ng
Cho phép TUmote k t n i v i các c m bi n t ng t , n hình LCD c thi t bế ế ươ ế
ngo i vi khác thông qua 18 chân k t n i m r ng. ế
Giao ti p USBế
TUmote s d ng FT232BM c a hãng FTDI đ truy n thông v i máy tính. Đe th c hi n
truy n thông v i TUmote thì FTDI driver can ph i đ c cài đ t trên y tính. M t ng ượ
d ng th truy n thông v i TUmote b ng vi c m c ng COM đ c n cho TUmote. ượ
TUmote truy n thông v i y tính thông qua USART1 trên vi đi u khi n MSP430. Vi c
l p trình cho TUmote có th thông qua giao ti p USB ho c ế JTAG.
Ngu n cung c p
S d ng hai pin AA có đi n áp m t chi u n m trong d i t 2,7V đ n 3,6V. Ngu n nuôi ế
cũng có th l y tr c ti p t máy tính khi nút c m bi n đ c k t n i v i máy tính. ế ế ượ ế
câu 5: Công c ph n m m đi u khi n thu th p d li u TU2C
ng c phan m m TU2C (Thainguyen University Control and Collection) bao g m hai
thành phan chính đó là: Phan đi u khi n phan thu th p d li u. ng c phan m m
TU2C cho pp ng i dùng th c hi n m t s ch c năng sau:ườ
Cu hình mng: Tng qua giao di n phan m m TU2C, ng i dùng có th c u hình các ườ
tham s m ng nh s lan truy n l i gói tin, tan su t g i gói tin. ư
Lp trình cho nút cm bien: Công c phan m m TU2C cho phép phát hi n t đ ng
các nút đang đ c k t n i v i y tính cũng nh cho phép ng i dùng k t n i ho c ng tượ ế ư ườ ế
k t n i gi a c nút c m bi n v i y tính. Ch ng trình ng d ng trên nút c m bi nế ế ươ ế
th đ c biên d ch và n p choc nút c m bi n thông qua giao di n phan m m TU2C. ượ ế
Điu khien các t cm bien: Ng i ng có th g i các l nh đi u khi n đ n c nútườ ế
m ng trong tr ng c m bi n nh thi t l p t Sink, g i l nh b t đau thu th p d li u, ườ ế ư ế
d ng thu th p d li u...
L a ch n các s li u th ng kê và v bi u đ : D li u nhi t đ , đ m i tr ngườ
và các thông s m ng nh ng su t tiêu th trung bình c a các nút m ng, s lan truy n kỳ ư
v ng ETX, s gói tin nhân đ c, s i tin b m t... s đ c g i ve máy tính và đ c l u ư ượ ượ ư
tr trong c s d li u. Ng i ng có th l a ch n đ quan t c đ th , các s li u ơ ườ
th ng kê ve m ng.
Ch ng 3: h đi u hành cho m ng c m bi n không dâyươ ế
câu 6: Nh ng thách th c nh h ng đ n thi t k h đi u hành m ng ư ế ế ế
c m bi n không dây ế
Nh ng thách th c ch y u nh h ng đ n vi c thi t k h đi u hành là: ế ưở ế ế ế
Dung l ng nh : ượ V i b nh b gi i h n ch i KB trên nút c m bi n, đòi h i h ế
đi u hành đ c thi t k v i dung l ng r t nh . Đây đ c đi m c b n c a h đi u ượ ế ế ượ ơ
nh m ng c m bi n và đó cũng là lý do chính mà t i sao nhi u h đi u hành nhúng không ế
th d dàng cài đ t trên nút c m bi n. ế
Hi u qu năng l ng: ư c nút c m bi n th i gian s d ng c a pin r t h n ch . ế ế
M t khác, các m ng c m bi n b o đ m m c tiêu là vân hành t 3 đ n 5 năm. Đi u này có ế ế
nghĩa , h đi u hành m ng c m bi n đ c tri n khai m t lan k ho ch vân nh ế ượ ế
trong m t th i gian dài.
H tr th i gian th c: Hau h t c ng d ng c m bi n nh ph c v giám sát th ngế ế ư ườ
nh y c m v i th i gian. Trongc ng d ng đó, cáci tin can đ c chuy n ti p và g i đi ượ ế
m t cách k p th i, v n đ đ m b o th i gian th c c n thi t đ đáp ng cho c ng ế
d ng đó.
Kh năng cu hình li: Là đi u can thi t đ các nút c m bi n có th đ c l p trình l i ế ế ượ
sau khi m ng c m bi n không dây đã đ c tri n khai. Kh năng c u nh l i h th ng ế ượ