3.4.1. Kết quả thử nghiệm mô phỏng pin
Thử nghiệm có mục đích so sánh kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của pin với dữ liệu được công bố bởi nhà sản xuất. Qua đó kiểm nghiệm tính đúng đắn của nền tảng về khả năng mô phỏng quá trình năng lượng.
Thử nghiệm thứ nhất: thực hiện nhằm mục đích mô phỏng quá trình sạc của pin Panasonic BK-60AAAH và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu được công bố
chính thức của nhà sản xuất [128]. Đây là loại pin Ni-MH có khả năng sạc với các đặc điểm
chính bao gồm điện áp danh định 1,2V, dung lượng 550mAh, điện áp ở trạng thái hết pin là 1V. Hình 3.12 so sánh đặc tính quá trình sạc của pin Panasonic BK- 60AAAH giữa kết quả được mô phỏng bởi nền tảng và dữ liệu công bố của nhà sản xuất. Đường nét đứt là đặc tính theo dữ liệu được công bố, đường đặc tính nét liền là kết quả mô phỏng. 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.1 0 -0.1 -0.2 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Thoi gian (h)
Hình 3.12. So sánh quá trình sạc pin Panasonic BK-60AAAH
Trong mô phỏng này, pin được sạc từ trạng thái cạn năng lượng đến trạng thái đầy với dòng sạc không đổi là 50mA. Trạng thái sạc (SOC) tăng dần từ 0% lên đến 100% trong 16h. Điện áp của pin cũng tăng dần, và khi đến mức đầy pin thì điện áp là 1,47V với sai số bình quân phương (RMSE) là 0,049V.
Thử nghiệm thứ hai: thực hiện mô phỏng quá trình xả của pin Panasonic BK- 60AAAH và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu được công bố chính thức của nhà sản xuất [128] được biểu diễn như trên Hình 3.13. Pin được xả từ trạng thái đầy đến trạng thái cạn kiệt với dòng điện xả không đổi 100mA. Trạng thái SOC của pin giảm dần từ 100% xuống 0% trong 5,7h và điện áp giảm từ điện áp được sạc đầy xuống 1V với RMSE là 0,026V.
Du lieu cong bo Mo phong S a i l e ch ( V ) S O C ( % ) D ie n a p (V )
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.1 0 -0.1 -0.2 100 50 0 0 1 2 3 4 5 Thoi gian (h)
Hình 3.13. So sánh quá trình xả pin Panasonic BK-60AAAH
Trong cả hai trường hợp, lỗi cao nhất xảy ra khi pin ở các trạng thái trong vùng bắt đầu sạc hoặc kết thúc xả, tức là SOC quá thấp và điện áp tăng hoặc giảm nhanh. Nếu chúng ta loại trừ vùng này và chỉ xem xét vùng danh định đến vùng đầy, thường được coi là vùng làm việc của pin, thì điện áp có sai số RMSE để sạc và xả lần lượt là 0,025V và 0,001V.
Qua thử nghiệm cho thấy nền tảng mô phỏng có thể mô phỏng quá trình năng lượng, cụ thể là quá trình sạc hoặc xả của pin có kết quả xác thực. Các kết quả mô phỏng về đặc tính năng lượng của pin cho thấy độ sai lệch giữa mô phỏng và thực tế là nhỏ. Điều này khẳng định độ tin cậy của nền tảng trong mô phỏng về năng lượng.
3.4.2. Kết quả thực nghiệm phục vụ kiểm nghiệm tính đúng đắn củanền tảng trong mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút mạng nền tảng trong mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút mạng
Các nút cảm biến không dây trên thực tế thường có bốn chế độ hoạt động bao gồm các chế độ ngủ, chờ, đo lường và truyền thông. Để thử nghiệm mô phỏng về năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến cần phải đo công suất tiêu thụ của nút ở từng chế độ hoạt động để làm tham số đầu vào cho mô phỏng. Việc thu thập dữ liệu về năng lượng ở từng chế độ hoạt động trong quá trình thử nghiệm phải làm đi làm lại nhiều lần, nên cần nút cảm biến hoạt động ở các chế độ một cách chủ động, trong một khoảng thời gian xác định để thực hiện các thực nghiệm cho riêng một chế độ hoạt động cụ thể được thuận tiện. Tuy nhiên, các nút cảm biến sẵn có thường hoạt động theo một chu trình qua các chế độ, khó để biết được thời gian chuyển giữa các chế độ. Người dùng không thể tác động để nút cảm biến hoạt động ở các chế độ theo ý Du lieu cong bo Mo phong S a i l e ch ( V ) S O C ( % ) D ie n a p ( V )
muốn. Do đó, việc khảo sát và đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến sẵn có trên thị trường gặp khó khăn.
Vì vậy, luận án thực hiện thiết kế và chế tạo nút cảm biến để phục vụ cho thử nghiệm nền tảng mô phỏng. Nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường được thiết kế với các mô đun cơ bản theo cấu trúc nút thực tế. Nút cảm biến thực nghiệm giúp có thể dễ dàng thực hiện đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động nhờ các thiết kế đặc biệt của phần cứng và phần mềm điều khiển, sẽ được trình bày cụ thể sau đây.
3.4.2.1. Chức năng nút cảm biến sử dụng trong thực nghiệm
Luận án thiết kế chế tạo nút cảm biến cơ sở với cấu trúc bao gồm các mô đun chức năng tương tự như mô hình nút trong nền tảng mô phỏng. Tuy nhiên, công việc chính là quan tâm đến năng lượng tiêu thụ của nút, nên trong thiết kế này không đề cập đến thành phần thu năng lượng. Nút cảm biến được thiết kế với các mô đun cơ bản như nguồn cung cấp, cảm biến, truyền thông và điều khiển. Sơ đồ khối của nút có thể được chỉ ra trên Hình 3.14. Trên cơ sở đó có thể tạo ra nhiều nút cảm biến có chức năng đo, thu thập nhiều đại lượng từ môi trường khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, rung động, nồng độ chất khí, ... bằng cách thay đổi đầu cảm biến đo các đại lượng khác nhau.
Hình 3.14. Cấu trúc cơ bản nút cảm biến thực nghiệm.
Mô đun nguồn cung cấp sẽ cung cấp năng lượng cho tất cả các mô đun khác trong nút cảm biến hoạt động. Mô đun cảm biến có nhiệm vụ thu thập tín hiệu đo và biến đổi tín hiệu phù hợp với đầu vào mô đun điều khiển. Mô đun truyền thông thực hiện việc truyền nhận thông tin cũng như giao tiếp với các nút khác trong mạng. Mô đun điều khiển đóng vai trò rất quan trọng, thu thập thông tin đo từ cảm biến và xử lý tín hiệu, đồng thời điều phối các chế độ hoạt động cũng như việc sử dụng năng lượng của các mô đun khác.
Thực nghiệm này thực hiện chế tạo nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm với bốn chế độ hoạt động như ngủ, chờ, đo lường và truyền thông. Mức tiêu thụ năng lượng của nút ở các chế độ hoạt động khác nhau là khác nhau và có thể được nhìn nhận một cách định tính ở từng chế độ hoạt động [123] được biểu diễn như trong Hình 3.15. Ở mỗi chế độ hoạt động sẽ có những mô đun làm việc được biểu thị bởi khối hiện rõ và những mô đun không làm việc được biểu thị bởi khối bị mờ. Khi một mô đun làm việc sẽ tiêu tốn một mức năng lượng nhất định được tượng trưng bởi phần được tô đậm.
Cảm
biến Vi điều khiển Truyềnthông
Nguồn cung cấp
Cảm
biến Vi điềukhiển Truyềnthông
Nguồn cung cấp
Chế độ ngủ Chế độ chờ
Chế độ đo lường Chế độ truyền thông Cảm
biến Vi điềukhiển Truyềnthông
Nguồn cung cấp
Cảm
biến Vi điềukhiển Truyềnthông Nguồn cung cấp
Hình 3.15. Mức năng lượng tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của nút cảm biến.
Chế độ ngủ: các mô đun cảm biến và truyền thông hoàn toàn không hoạt động (thể hiện bị mờ), còn mô đun điều khiển ở trang thái ngủ. Ở chế độ này chỉ cần cung cấp một mức năng lượng rất nhỏ nên sẽ tiêu thụ năng lượng ít nhất (mức năng lượng tiêu thụ được tượng trưng là phần tô đậm) và phần năng lượng trong mô đun nguồn cung cấp thể hiện còn ở mức cao.
Chế độ chờ: các mô đun cảm biến và truyền thông cũng không làm việc giống ở chế độ ngủ. Mô đun điều khiển được khởi động và chờ thực hiện các công việc theo các yếu tố kích thích. Ở chế độ này nút cảm biến sẽ tiêu thụ mức năng lượng nhiều hơn chế độ ngủ.
Chế độ đo lường: các mô đun điều khiển và cảm biến đều hoạt động. Mô đun truyền thông không hoạt động. Mức năng lượng tiêu thụ của nút ở chế độ đo lường sẽ lớn hơn hai chế độ trên.
Chế độ truyền thông: mô đun điều khiển và truyền thông cùng hoạt động. Mô đun cảm biến không hoạt động. Ở chế độ này, mô đun điều khiển và truyền thông tiêu thụ năng lượng. Vì việc truyền thông đòi hỏi nhiều năng lượng như đã phân tích ở chương 1, nên ở chế độ truyền thông nút cảm biến sẽ tiêu thụ năng lượng nhiều nhất (trên Hình 3.15 thể hiện năng lượng trong nguồn cung cấp bị cạn xuống mức thấp nhất).
Nút cảm biến được thiết kế hỗ trợ các thao tác đo năng lượng tiêu thụ của nút được thuận tiện bởi các cổng đầu ra để đo năng lượng và các phím chức năng để lựa chọn các chế độ hoạt động và cài đặt các tham số. Nút cảm biến được thiết kế với hai chế độ làm việc bằng tay và tự động để thuận tiện cho việc sử dụng nút cảm biến trong các công việc thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ của từng chế độ hoạt động và chạy thử nghiệm.
Chế độ bằng tay được thiết kế nhằm mục đích thực hiện chuyển qua lại giữa bốn chế độ hoạt động nhờ bàn phím. Việc này giúp chủ động để nút làm việc ở bất kỳ chế độ hoạt động nào và trong khoảng thời gian bao nhiêu tùy ý. Do đó, việc thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ của từng chế độ hoạt động của nút sẽ hoàn toàn được chủ động.
Chế độ tự động được thiết kế cho nút cảm biến làm việc theo lịch trình với những ràng buộc về thời gian, số liệu đo hoặc tham số khác được cài đặt sẵn. Nghĩa là, nút sẽ ở các chế độ hoạt động theo các sự kiện về thời gian hoặc dữ liệu đo được
trường như nhiệt độ và độ ẩm. Các sự kiện này được cài đặt tùy ý nhờ các phím chức năng. Giả sử nút có j chế độ hoạt động, một ngày được chia thành n chu kỳ, mỗi chu kỳ có khoảng thời gian hoạt động ở các chế độ khác nhau và khác với các chu kỳ khác, khi đó có thể biểu diễn lịch trình làm việc của nút trong một ngày theo như biểu thức 3.2. �1 �2 �11 �12 �13 ⋯ �1� �21 �22 �23 ⋯ �2� ⋮= ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ với ∑� �24ℎ� = ( 3.2) �� ��1 �2� �3� ⋯ ��� �=1 ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ ⋮ Trong đó: [��] [��1 ��2 ��3 ⋯ ���]
��: chu kỳ thứ i trong một ngày
���: thời gian hoạt động của chế độ j trong chu kỳ i (h) �: số chu kỳ trong một ngày (� = 1 … �)
�: số chế độ hoạt động của nút.
Ví dụ chia ngày thành 4 chu kỳ (n=4), khi đó T1 + T2 + T3 + T4 = 24h, trong khoảng thời gian Ti (i =1..4) thì thời gian hoạt động ở các chế độ đo lường, ngủ, chờ và truyền thông có thể đặt tùy ý. Việc đặt thời gian cho các chế độ hoạt động của nút theo các chu kỳ có thể biểu diễn như Bảng 3.1 với một ngày chia làm 4 chu kỳ. Các thời lượng cài đặt cho các chế độ hoạt động ở các chu kỳ khác nhau là khác nhau và các chế độ hoạt động sẽ được luân chuyển theo thời lượng cài đặt cho đến khi hết chu kỳ sẽ chuyển sang hoạt động theo chu kỳ tiếp theo. Tuy nhiên, trong một chu kỳ sẽ ưu tiên hoạt động theo các sự kiện về ngưỡng nhiệt độ hoặc độ ẩm của môi trường. Nghĩa là mặc dù nút đang làm việc theo lịch trình với các mốc thời gian được cài đặt trước cho từng chế độ hoạt động, nhưng khi có sự thay đổi vượt ngưỡng nhiệt độ hoặc độ ẩm thì sẽ chuyển sang chế độ truyền thông để truyền dữ liệu hiện tại này về trạm gốc.
Bảng 3.1. Định thời gian các chế độ hoạt động theo 4 chu kỳ
CĐHĐ Chu kỳ Thời gian truyền thông (Tg_C) Thời gian đo lường (Tg_M) Thời gian chờ (Tg_I) Thời gian ngủ (Tg_S) T1 T11 T12 T13 T14 T2 T21 T22 T23 T24 T3 T31 T32 T33 T34 T4 T41 T42 T43 T44
Nút cảm biến được thiết kế với 2 chế độ nhằm phục vụ 2 mục đích, chế độ bằng tay phục vụ mục đích thực hiện đo năng lượng tiêu thụ của nút ở các chế độ hoạt
động để lấy dữ liệu về năng lượng cài đặt cho nút trong nền tảng mô phỏng chạy thử nghiệm một cách chủ động. Chế độ tự động nhằm thử nghiệm cho nút chạy theo lịch trình để có thể giám sát năng lượng tiêu thụ trong một khoảng thời gian.
Bộ điều khiển Môđun Đổi nối Môđun Nguồn cung cấp Môđun Sim800L Điểm đo năng lượng tiêu thụ Cảm biến DHT11 Bàn phím
3.4.2.2. Chế tạo nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường
Nút cảm biến thực nghiệm với đầu cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm có các chức năng, chế độ hoạt động và mục tiêu đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động như đã xác định tại mục (3.4.2.1) có sơ đồ khối được chỉ ra như Hình 3.16.
Hình 3.16. Sơ đồ khối nút cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm.
Mô đun nguồn cung cấp sẽ cấp điện cho toàn bộ cảm biến làm việc. Mô đun cảm biến được sử dụng là DHT11 có khả năng đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường với mức tiêu thụ năng lượng thấp, dòng tiêu thụ lớn nhất là 2.5mA. Mô đun Sim800L chịu trách nhiệm việc truyền thông dữ liệu. Mô đun điều khiển (bộ điều khiển) sử dụng vi điều khiển ATmega8A, đảm nhiệm thu thập, xử lí dữ liệu và điều phối chung cho mọi hoạt động của nút cảm biến như nhận lệnh tương tác với người dùng từ bàn phím, điều khiển cấp nguồn cũng như ra lệnh cho các mô đun khác của nút. Việc điều phối năng lượng ở các chế độ hoạt động cho các mô đun chức năng sẽ được bộ điều khiển thực hiện thông qua mô đun đổi nối cấp nguồn, thực chất là điều khiển việc đóng ngắt các transistor để cấp nguồn hay không cho các mô đun chức năng của nút.
Ngoài ra, còn có thêm một màn hình LCD được thiết kế như một mô đun độc lập. Năng lượng tiêu thụ của nó cũng độc lập, không liên quan tới các mô đun khác nên không ảnh hưởng đến năng lượng tiêu thụ của các chế độ hoạt động của nút cần đo trong quá trình thực nghiệm. Màn hình chỉ có ý nghĩa để hiển thị các giá trị đo và các chế độ hoạt động của nút cảm biến. Quá trình thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ của nút cần quan sát hiện nút đang làm việc ở chế độ nào để biết đang thực hiện đo năng lượng của chế độ hoạt động nào của nút. Sơ đồ mạch nguyên lý của nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường được chỉ ra trong Hình 3.17.
Hình 3.17. Sơ đồ mạch nguyên lý nút thực nghiệm đo nhiệt độ và độ ẩm.
Bước tiếp theo là việc viết chương trình điều khiển cho nút cảm biến theo hai chế độ làm việc:
Chế độ bằng tay được thực hiện bằng cách dùng chương trình con cho từng chế độ hoạt động và không quan tâm đến vấn đề thời gian hay các điều kiện khác mà hoàn toàn phụ thuộc vào tác động của người dùng từ bàn phím. Các chế độ làm việc cũng như chuyển chế độ hoạt động cho nút cảm biến được lựa chọn một cách tùy ý. Khi nút được chọn ở chế độ hoạt động nào thì năng lượng được đo ở đầu ra sẽ tương ứng của chế độ đó. Việc này giúp có thể chủ động trong việc thực hiện đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động của nút.
Đối với chế độ tự động, nút cảm biến được cài đặt lịch trình hoạt động theo thời