các hoạt động đo, truyền thông và thu thập năng lượng
Mục đích thử nghiệm là mô phỏng quá trình năng lượng của các nút cảm biến khi hoạt động kết hợp giữa các chế độ đo lường, truyền thông, thu thập năng lượng mặt trời và sạc cho pin.
Một mạng được thiết lập với 150 nút cảm biến trong phạm vi 30m×30m. Trong đó, nút 1 là nút chủ và có tọa độ là (15,15), các nút còn lại sẽ được gán tọa độ ngẫu nhiên khi chạy mô phỏng. Tọa độ của các nút cũng như định tuyến truyền thông từ các nút đến nút chủ được cố định trong suốt quá trình mô phỏng.
Kịch bản được cài đặt cho tất cả các nút trong mạng đều hoạt động với các chế độ đo lường, truyền thông, thu thập năng lượng mặt trời và sạc cho pin. Trong kịch bản để đơn giản, giả sử cường độ ánh sáng giữa các ngày là ổn định và giống nhau.
Các nút sử dụng cùng một loại pin có dung lượng lớn nhất là 3500mAh và ban đầu có cùng dung lượng là 2500mAh. Các nút hoạt động luân chuyển giữa hai chế độ đo lường và truyền thông theo chu kỳ thời gian được cài đặt trước. Việc thu thập năng lượng được hoạt động liên tục trong khoảng thời gian là ban ngày. Hoạt động truyền thông trong mạng có định tuyến theo cấu trúc hình cây.
Kết quả mô phỏng hoạt động truyền thông của mạng được thể hiện như trong Hình 3.32, đồng thời quá trình diễn biến về dung lượng pin cũng như thu thập năng lượng mặt trời được thể hiện như trong Hình 3.33.
Hình 3.32. Quá trình truyền thông của các nút đến nút chủ theo định tuyến có cấu trúc hình cây
Kết quả mô phỏng truyền thông, theo quan sát trên Hình 3.32 cho thấy các nút được đinh tuyến truyền thông có cấu trúc hình cây. Các bản tin đều được truyền về nút chủ (nút 1) ở trung tâm có tọa độ (15, 15) theo các tuyến đường cố định. Các nút có màu càng đậm thể hiện số bản tin nhận được càng nhiều. Điều này có thể cũng có nghĩa vai trò, mức độ quan trọng về truyền thông của nút trong mạng càng cao. Ví dụ như nút 30, nút 69 và nút 62… Tuy nhiên, hình ảnh trực quan chỉ thị về màu cho ý nghĩa này chỉ mạng tính tương đối, không đúng cho tất cả các nút. Ví dụ, trường hợp của nút 31, vai trò của nút có mức độ quan trọng rất cao thể hiện có nhiều định tuyến qua nó, nhưng trong mô phỏng này màu của nó lại nhạt. Nguyên nhân do nút này đã sớm bị hết pin thể hiện trên Hình 3.33, nên số lượng bản tin nhận được trong cả quá trình mô phỏng sẽ không nhiều.
Kết quả mô phỏng trên Hình 3.33 biểu diễn quá trình năng lượng của các nút mạng trong khoảng thời gian 6 ngày (144h). Các khoảng nền màu trắng thể hiện thời gian ban ngày và các khoảng nền màu xám là ban đêm. Đồ thị ở phần dưới cùng biểu diễn cường độ bức xạ ánh sáng theo thời gian trong ngày. Phần đồ thị ở trên cùng và ở giữa biểu diễn dung lượng pin và năng lượng thu được từ mặt trời của từng nút. Để dễ quan sát, kết quả mô phỏng được trích xuất cho 7 nút đại diện cho các nút với vị trí và vai trò cơ bản trong mạng bao gồm các nút 1, 30, 31, 69, 77, 82, 107. Số liệu cơ bản về quá trình hoạt động của các nút này được biểu diễn như trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5. Số liệu quá trình hoạt động của các nút
Số liệu quá trình
hoạt động Nút 1 Nút 30 Nút 31 Nút 69 Nút 77 Nút 82 Nút 107
Số nút có định tuyến qua 149 30 47 24 16 0 0
Số bản tin truyền 0 15608 3431 13437 9020 668 662
Số bản tin nhận 57550 16646 3698 14200 9356 0 0
Dung lượng pin lớn nhất
(mAh) 3500 3444,1 2500 3500 3500 3500 3500
Dung lượng pin nhỏ nhất
(mAh) 1149,3 1268,5 0 1796,1 2160,2 2417,0 2410,5
Nút 1 là nút chủ phải tham gia công việc truyền thông và nhận tất cả các bản tin của các nút gửi về nên tiêu thụ năng lượng lớn và dung lượng pin luôn giảm nhanh. Các nút gần nút chủ và đóng vai trò trung gian truyền thông cho nhiều nút khác nên mức tiêu thụ cũng rất lớn như các nút 30, 31, 69. Các nút tiêu thụ năng lượng lớn thì mức thu năng lượng cũng sẽ lớn được biểu thị trên phần hình ở giữa tương ứng.
Kết quả cho thấy nút 30 và nút 69 đảm nhiệm truyền thông cho các nhánh mạng và tiêu tốn nhiều năng lượng. Nhưng do các hoạt động đo lường và truyền thông của các nút trong các nhánh này theo một chu kỳ phù hợp, dẫn đến các thời điểm pin của hai nút này giảm xuống thấp thì cũng đúng vào lúc trời sáng nên thu thập được năng lượng đủ dùng cho ban đêm. Mặt khác, nhánh do nút 31 đảm nhiệm trung gian truyền thông có thể sự hoạt động truyền thông quá lớn, chu kỳ hoạt động của các nút trong nhánh này không phù hợp nên nút 31 đã bị giảm dung lượng pin nhanh vào thời điểm gần bắt đầu ban đêm và không thu được năng lượng nên nút đã bị dừng hoạt động.
Kết quả của thử nghiệm này cho thấy nền tảng có thể mô phỏng được hoạt động của một mạng cảm biến với các hoạt động của các nút trong mạng, đồng thời mô phỏng được quá trình năng lượng của nút cũng như quá trình thu thập năng lượng từ môi trường với các yếu tố ràng buộc về thời gian và môi trường. Qua đó cũng cho thấy nếu mạng được định tuyến tốt, các nút trong mạng có sự hoạt động theo một chu kỳ hợp lý thì các nút mạng có thể sẽ được bổ sung năng lượng kịp thời và không rơi vào trạng thái hết pin giúp cho mạng có thể hoạt động ổn định lâu dài.