Các nút mạng cảm biến được phân bố và hoạt động với số lượng lớn ở các khu vực địa lý, môi trường khác nhau nên việc sạc lại hoặc thay thế nguồn điện cho các nút mạng là vô cùng khó khăn. Vì vậy, nhiều nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào cách tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của WSN trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Hiểu được tầm quan trọng của việc tăng hiệu quả sử dụng năng lượng cho WSN, trong luận án này tôi sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề: “Thâm nhập môi trường (MAC), hiệu quả sử dụng năng lượng cho các nút mạng”. cảm biến không dây".
TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
- Định nghĩa
- Các thành phần của mạng cảm biến không dây
- Nút cảm biến
- Mạng cảm biến
- Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
- Ưu điểm, nhược điểm của mạng cảm biến không dây
- Ưu điểm
- Nhược điểm
- Kết luận
Kế hoạch quản lý năng lượng: kiểm soát việc sử dụng năng lượng của nút cảm biến. Nhờ đó, các nút cảm biến có thể cân bằng được công suất và nhiệm vụ mà chúng thực hiện. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiều nhiệm vụ hơn các nút khác tùy thuộc vào mức công suất của chúng.
GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN THÂM NHẬP MÔI TRƢỜNG
Các thông số cần quan tâm khi thiết kế giao thức MAC cho WSN
MAC được thiết kế để giảm thời gian đánh thức bằng cách định kỳ đặt nút cảm biến vào chế độ ngủ. Sơ đồ trên yêu cầu đồng bộ hóa định kỳ giữa các nút cảm biến trong khu vực để tránh sai lệch về thời gian. Mỗi nút duy trì một bảng lưu trữ tất cả lịch trình của các nút lân cận mà nó biết.
Nó phát sóng lịch trình của nó trước khi đi ngủ. Khi nó biết lịch trình khác mà một số hàng xóm của nó tuân theo, nó vẫn có thể nói chuyện với họ. Cập nhật lịch biểu được thực hiện bằng cách trao đổi các gói SYNC.
Thời gian ngẫu nhiên để phát hiện sóng mang là rất quan trọng để tránh va chạm. Nếu một nút lân cận nhận được gói RTS hoặc CTS, nó sẽ chuyển sang chế độ ngủ trong suốt thời gian truyền tất cả các phân đoạn. Để truyền dữ liệu, các nút cảm biến phải bắt đầu vào thời điểm bắt đầu giai đoạn đánh thức được chỉ định trong lịch trình của chúng.
Thời gian cạnh tranh luôn được sử dụng ngay cả khi không có xung đột. Nếu điều này đúng, nút phát hiện sẽ đợi một thời gian ngắn trước khi gửi dữ liệu trở lại nút cơ sở. Tùy theo yêu cầu của từng ứng dụng thực tế mà chúng ta có thể tăng hoặc giảm thời gian rảnh của nút mạng.
Các nguyên nhân gây ra sự lãng phí năng lượng
Các giao thức MAC trong WSN
- CSMA (Đa truy cập cảm nhận sóng mang)
- S-MAC (Sensor - MAC)
- T-MAC (Time out - MAC)
Bước 2: Nếu một nút nhận được lịch trình từ nút lân cận trước khi chọn lịch trình riêng của mình, nút đó sẽ lấy lịch trình đó và đặt lịch trình riêng của mình. Bước 3: Nếu một nút nhận được một lịch trình khác sau khi nó đã chọn và thông báo lịch trình của riêng mình, nó sẽ chấp nhận cả hai (ví dụ: nó sẽ lên kế hoạch thức dậy vào các thời điểm trong cả hai lịch trình, lịch trình của chính nó và lịch trình của nút lân cận). Các nút sẽ cố gắng chọn lịch trình hiện có trước khi chọn lịch trình độc lập của riêng mình.
Đồng hồ hệ thống của nút sẽ nâng cao thời gian bắt đầu và chương trình phát sóng sẽ được đồng bộ hóa trong suốt lịch trình của nút đó. Mỗi phần lại được chia thành nhiều khe thời gian để các nút gửi thực hiện cảm biến sóng mang. Nút mới thực hiện quy trình để chọn một lưới có sẵn làm lưới của nó.
Ví dụ: giả sử nút lân cận nhận được RTS từ nút gửi hoặc CTS từ nút nhận thì nút đó sẽ chuyển sang chế độ ngủ trong toàn bộ thời gian được chỉ định trong tin nhắn. Trạng thái đánh thức kết thúc khi không có sự kiện kích hoạt nào xảy ra trong một khoảng thời gian TA. Vào lúc đó, cả những người hàng xóm có cùng thời gian biểu và những người hàng xóm chấp nhận thời gian biểu bổ sung đều thức giấc.
Chỉ khi đường truyền không hoạt động trong thời gian đó thì họ mới khởi động lại việc truyền tải. Nút nhận gói FRTS biết rằng nó sẽ nhận được tin nhắn RTS tiếp theo, vì vậy nó phải lập lịch trước thời điểm đó. Để bản tin FRTS (được truyền bởi C) không can thiệp vào việc trao đổi dữ liệu (giữa A và B) sau bản tin CTS, dữ liệu phải bị trễ trong suốt thời gian truyền FRTS.
Kết luận
THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
Chế độ lập lịch tập trung
Nút cơ sở: Mỗi nút mạng sẽ lần lượt yêu cầu gửi dữ liệu được truyền đi. Mỗi nút mạng phải gửi dữ liệu phản hồi trở lại nút cơ sở sau khi nhận được yêu cầu. Trong thời gian này, nút gốc sẽ phải bỏ qua nút này để chuyển tiếp yêu cầu của nút khác.
Sau khi xử lý gói, nút cơ sở sẽ trì hoãn tdelay trước khi tiếp tục yêu cầu của nút tiếp theo (n+1). Như vậy nút cơ sở đã hoàn tất việc yêu cầu và nhận các gói tin từ nút cảm biến trong mạng. Quá trình lặp lại liên tục, với nút cơ sở lần lượt yêu cầu và nhận dữ liệu từ từng nút trong mạng, quay lại nút đầu tiên khi kết thúc một lượt.
Nút cảm biến: Luôn ở trạng thái chờ để nhận yêu cầu từ nút cơ sở. Ngay sau khi nhận được yêu cầu, dữ liệu sẽ được trả về. Sau khi nhận được gói, nút cảm biến tiếp tục phân tích từng trường dữ liệu của gói nhận được và kiểm tra xem đó có phải là yêu cầu gửi dữ liệu từ nút cơ sở mà nó yêu cầu hay không.
Và cũng vì quá trình xử lý mất một khoảng thời gian nên nút cơ sở cần đợi một lúc sau khi xử lý dữ liệu để các nút cảm biến khác có thể nhận được khi gửi tin nhắn yêu cầu.
Thiết lập thực nghiệm
Nút cơ sở báo hiệu yêu cầu thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến theo nguyên tắc thăm dò. Sau khi nhận được yêu cầu từ nút cơ sở, các nút cảm biến sẽ gửi phản hồi. Kết nối PCB với máy tính để tải các chương trình nhúng cho các nút mạng thông qua PCB này. Sử dụng trình biên dịch Keil µVision 2.0 để dịch chương trình thử nghiệm trên máy tính từ ngôn ngữ C sang mã máy, chúng ta được file .hex để nạp vào các nút bấm.
Bật nguồn pin trên PCB vừa gắn vào nút mạng, mở chương trình Chipcon CC1010 Flash Programmer để tải file .hex vừa dịch sang nút mạng.
Tiến hành thực nghiệm và đánh giá kết quả
Để có thể đo mức tiêu thụ hiện tại của một nút mạng ở chế độ nhận dữ liệu, chúng ta sẽ phải làm cho nút mạng chỉ hoạt động ở chế độ này bằng cách tải chương trình để nút đó luôn ở chế độ nhận dữ liệu rồi đo dòng điện. cấp độ hiện tại. Để nút mạng hoạt động ở chế độ nhận dữ liệu, tải chương trình sao cho luôn ở chế độ truyền tín hiệu, sau đó đo cường độ dòng điện. Đặt nút mạng vào chế độ ngủ, tải chương trình để giữ nút mạng ở chế độ ngủ, sau đó đo dòng điện.
Tương tự như trên, chúng ta cũng đặt nút mạng ở chế độ không truyền - nhận dữ liệu bằng cách tải chương trình cho nút mạng ở chế độ không truyền - nhận dữ liệu rồi tiến hành đo. Đặt chế độ của mô-đun ADC và kích hoạt ADC, không kích hoạt mô-đun RF, chỉ CPU ở chế độ lệnh. Từ kết quả thu được ở trên, chúng ta thấy chương trình đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng rất rõ ràng.
Dòng điện tiêu thụ ở chế độ ngủ nhỏ hơn 1% dòng điện tiêu thụ khi nút mạng ở chế độ hoạt động. Vì vậy, nếu nút mạng ở chế độ ngủ trong thời gian dài sẽ tiết kiệm được rất nhiều năng lượng. Căn cứ vào nhu cầu thực tế, chúng ta có thể can thiệp vào thời gian nhàn rỗi của nút mạng để đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng nhất.
Nghiên cứu về mạng cảm biến không dây là một chủ đề mới, chưa được nhiều người làm trong lĩnh vực công nghệ thông tin biết đến. 1] Đỗ Thị Tuyết (2008), “Nghiên cứu và mô phỏng giao thức định tuyến Pagassis trong mạng cảm biến”, Đại học Bách Khoa Hà Nội. 3] Phạm Mạnh Toàn (2009), “Nghiên cứu hiệu quả năng lượng của một số giao thức kiểm soát xâm nhập môi trường trong mạng cảm biến không dây”, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Hà Nội.
