Đồ Án Thiết kế bộ đánh thức cho mạng cảm biến không dây

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin,
công nghệ vi mạch điện tử và viễn thông, đặc biệt trong lĩnh vực vô tuyến đã đem
lại nhiều ứng dụng mới, cho phép chúng ta dễ dàng thu thập các thông tin ở bất kỳ
vùng địa lý nào và tại bất kỳ thời điểm nào. Hiện nay xuất hiện ngày càng nhiều các
phương pháp thu thập thông tin khác nhau, trong đó các ứng dụng của mạng cảm
biến không dây (Wireless Sensor Network) được phát triển ngày càng rộng khắp
trên thế giới cũng như ở nước ta.
Quá trình thiết kế và xây dựng mạng cảm biến không dây đặt ra một số vấn
đề như vấn đề năng lượng tiêu thụ, vấn đề đồng bộ cảm biến, vấn đề mở rộng
mạng Năng lượng luôn là yếu tô quan trọng của bất kì loại mạng nào. Với mạng
cảm biến không dây, do đặc thù của mạng có thể được triển khai và hoạt động ở
mọi lúc mọi nơi nên yêu cầu mỗi nút mạng phải có khả năng hoạt động liên tục
trong một thời gian dài. Do đó năng lương tiêu thụ là vấn đề được quan tâm hàng
đầu trong việc duy trì thời gian hoạt động của một nút mạng .
Mỗi một nút cảm biến là một thiết bị điện rất nhỏ, nên chỉ được trang bị
nguồn năng lượng hạn chế, trong hầu hết các ứng dụng, do đặc thù nên việc tiếp
thêm năng lượng là không thể thực hiện được. Cho nên thời gian tồn tại của nút cảm
biến phụ thuộc vào tuổi thọ của nguồn năng lượng. Trong mạng cảm biến đa kết
nối, mỗi nút vừa đóng vai trò là điểm khởi đầu số liệu và định tuyến số liệu. Sự trục
trặc của vài nút có thể là nguyên nhân quan trọng của việc thay đổi hình thái mạng,
phải định tuyến lại gói tin và phải tổ chức lại mạng. Do đó việc bảo tồn nguồn năng
lượng và quản lý nguồn năng lượng là rất quan trọng. Vì lý do đó, mà đã có nhiều
nhà nghiên cứu cố gắng đi tìm giải pháp để quản lý và sử dụng năng lượng một
cách có hiêu quả. Và một số phương án đã được đưa ra:
ã Nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng mới.
ã Tính toán, thiết kế các thuật toán, giao thức ít tiêu tốn năng lượng.
ã Thiết kế, tối ưu phần cứng của từng nút mạng.
i




Trong đồ án này, một giải pháp tổng thể đã được đưa ra để tối ưu năng lượng
tiêu thụ của toàn mạng. Đó là kết hợp giữa việc tối ưu phần cứng với việc lựa chọn,
ứng dụng một giao thức truy nhập phù hợp. Thông thường, để để điều khiển truy
nhập giữa các nút mạng, người ta sử dụng chu trình điều khiển mà trong đó cả nút
thu mà phát sẽ được bật tắt theo chu kỳ được xác định bởi tín hiệu đồng bộ. Tuy
nhiên giữa nút thu và nút phát thường mất đồng bộ, dẫn tới các nút này được bật lên
không đúng thời điểm, tiêu tốn năng lượng vô ích. Thay vì như vậy, một đề xuất
được đưa ra là sử dụng một bộ thu phụ có chức năng giống như bộ thu chính tuy
nhiên nó có cấu tạo đơn giản hơn và tiêu thụ năng lượng cực nhỏ, nó sẽ liên tục
giám sát kênh truyền, xử lý báo hiệu và gửi tín hiệu nhằm khởi động (đánh thức) bộ
thu phát chính khi cần thiết. Bộ thu phụ này còn gọi là bộ đánh thức.
Mục đích của đồ án là phân tích thiết kế bộ đánh thức tiêu thụ công suất thấp
500àW, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz cho mạng cảm biến không dây. Đặc biệt bộ
đánh thức này sẽ được thiết kế chế tạo dựa trên nền tảng công nghệ CMOS 130 nm.
Đồ án gồm 4 chương:
 Chương 1. Lý thuyết chung
Trong chương đầu tiên này sẽ trình bày tổng quan về mạng cảm biến không
dây như là khái niệm, cấu trúc, ứng dụng. Những cơ sở lý thuyết chung nhất về các
linh kiện điện tử cơ bản như tụ điện, điện trở, cuộn cảm, transistor, lý thuyết về
công nghệ CMOS, đặc biệt là ảnh hưởng của tín hiệu tần số cao tới đặc tính của các
linh kiện cũng sẽ được trình bày trong chương này. Phần cuối cùng sẽ trình bày sơ
lược về phần mềm Cadence đã sử dụng trong quá trình phân tích thiết kế.
 Chương 2. Phân tích thiết kế bộ đánh thức
Chương này sẽ trình bày những phân tích các yếu tố kỹ thuật như: công suất
tiêu thụ, độ nhạy, độ ổn định của các loại bộ thu từ đó đề xuất một cấu trúc phù hợp
cho bộ đánh thức. Sau đó, những vấn đề sơ lược nhất về các khối của cấu trúc bộ
đánh thức đã chọn sẽ được trình bày.
 Chương 3. Thiết kế khối khuếch đại tạp âm thấp (LNA).
 Chương 4. Thiết kế khối tách biên (ED)
Hai chương này sẽ trình bày chi tiết về quá trình phân tích, thiết kế hai khối
quan trọng nhất của bộ đánh thức: khối khuếch đại tạp âm thấp và khối tách biên
ii




bao gồm cả những kết đạt được như: sơ đồ mạch, nguyên lý, các thông đã tối ưu, sơ
đồ layout
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ
từ các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cũng như bè bạn trong viện, đặc biệt
phải kể đến sự tận tâm, nhiệt tình của TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan giáo viên
trực tiếp chịu trách nhiệm hướng dẫn đồ án tốt nghiệp.
Chúng tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới TS. Phạm Nguyễn Thanh
Loan, các thầy cô trong viện Điện tử - Viễn thông cùng toàn thể các cá nhân, tập
thể đã có những giúp đỡ kịp thời cũng như những ý kiến đóng góp quý báu cùng
góp phần hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu mà đề tài đặt ra.