Chương 3 Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng
3.4.2.3. Đo công suất tiêu thụ của nút cảm biến
Các chế độ hoạt động của nút cảm biến có công suất tiêu thụ năng lượng thấp, thậm chí có thể chỉ vài mW và năng lượng biến động với tốc độ nhanh theo thời
gian. Vì vậy việc đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến đòi hỏi thiết bị đo phải có độ nhạy cao, độ phân giải và tốc độ lấy mẫu cao.
Trong thực nghiệm này, luận án sử dụng vỉ thu thập dữ liệu NI-DAQ/BNC2110 của hãng NI (National Instruments), có khả năng lấy mẫu tới 10.000 (mẫu/s). Bên cạnh đó, cần sử dụng phần mềm LabVIEW trên máy tính để đọc số liệu đo từ NI- DAQ/BNC-2110 và lưu dữ số liệu vào ổ cứng máy tính rồi có thể xuất dữ liệu ra file dưới dạng excel. Mô hình thực nghiệm cũng như quá trình thực hiện đo công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động của nút cảm biến được chỉ ra trong Hình 3.19
Hình 3.19.Mô hình thực nghiệm đo công suất tiêu thụ của nút
Công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động đều là công suất một chiều. Việc thu thập dữ liệu công suất tiêu thụ của các chế độ ngủ, chờ, đo lường sẽ được lấy mẫu theo một khoảng thời gian xác định. Trong thực nghiệm dữ liệu được thu thập với khoảng thời gian là 30s. Công suất tiêu thụ của chế độ truyền thông được đo trên một lần truyền thông cho một bản tin.
Trong thực nghiệm này, việc thực hiện đo và lấy mẫu đồng thời giá trị điện áp và dòng điện theo 2 kênh đo của vỉ thu thập NI-DAQ/BNC2110. Dữ liệu bao gồm giá trị của các tín hiệu và thời gian lấy mẫu được lưu vào tập dưới dạng excel. Việc thực nghiệm đo được thực hiện nhiều lần trên một phép đo ở các thời điểm khác nhau để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.
Sau khi thu thập, xử lý và gia công số liệu [124], công suất tiêu thụ trung bình của từng chế độ hoạt động được tính theo công thức 3.3.
(3.3)
Trong đó:
: công suất tiêu thụ trung bình (W)
: dòng điện tiêu thụ của nút ở lần lấy mẫu thứ (A) : thứ tự lần lấy mẫu
: số lần lấy mẫu.
Công đoạn tiếp theo là gia công số liệu để có kết quả [124], công đoạn này đòi hỏi phải tuân thủ theo nhiều bước như kiểm tra tính hợp lý nhằm phát hiện các sai sót gây nên bởi các bất hợp lý trong quá trình thu thập số liệu và thực hiện các phép bù sai số, thực hiện tính toán kết quả phải đảm bảo yêu cầu sai số tính toán không đáng kể, tính toán sai số,… Nội dung số liệu kết quả phép đo cần được trình bày theo cách sắp xếp có ý nghĩa về tính chính xác và lịch sử của các điểm đo.
Sau khi thực hiện nhiều lần, trong nhiều ngày khác nhau và lấy ngẫu nhiên số liệu của 10 lần thực nghiệm để tính toán công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động của nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm. Bảng 3.2 biểu diễn kết quả thực nghiệm đo công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động. Mỗi chế độ hoạt động được lấy ngẫu nhiên 10 kết quả của 10 lần đo trong tập kết quả đo của thực nghiệm. Các giá trị công suất của chế độ truyền thông là các giá trị công suất tiêu thụ trung bình của mỗi lần truyền một bản tin. Các giá trị công suất của các chế độ còn lại là công suất trung bình tính trên khoảng thời gian mà chế độ đó hoạt động. Công suất của các chế độ đo lường, chờ và ngủ khá ổn đinh, không bị biến động như chế độ truyền thông nên khoảng thời gian đo công suất cho ba chế độ này không phải là yếu tố quan trọng. Trong thực nghiệm khoảng thời gian này thường là 30s đến 40s.
Bảng 3.2. Kết quả thu thập công suất tiêu thụ của nút ở 10 lần thực nghiệm ngẫu nhiên
Công suất tiêu thụ Thực nghiệm Truyền thông 1 bản tin (mW) Chế độ đo lường (mW) Chế độ chờ (mW) Chế độ ngủ (W) 1 431,71 222,91 196,75 192,82 2 419,01 218,48 194,88 191,22 3 421,09 219,75 194,64 191,44 4 407,77 215,61 194,09 191,75 5 420,44 218,55 195,60 191,93 6 398,95 208,46 192,95 191,46 7 406,70 211,98 193,47 191,01 8 418,72 210,05 194,34 191,77 9 419,99 210,97 195,87 191,20 10 421,09 212,02 195,03 191,74
Để dễ quan sát công suất thụ năng lượng của nút ở mỗi chế độ hoạt động, có thể biểu diễn kết quả theo đồ thị và để ở thang đơn vị là W. Hình 3.21 biểu diễn công suất tiêu thụ trung bình ở các chế độ hoạt động của nút trong những thực nghiệm. Công suất truyền thông là lớn nhất và giao động từ 0.4W đến 0.45W. Công suất chế độ ngủ và chế độ chờ không khác nhau đáng kể. Đầu cảm biến được sử dụng cho nút cảm biến có công suất tiêu thụ nhỏ nên ở chế độ đo lường công suất tiêu thụ cũng không lớn hơn nhiều so với chế độ chờ.
Tt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 C o n g s u a t ti e u t h u t ru n g b in h ( W ) Lan do Truyen thong Do luong Cho Ngu
Hình 3.20. Công suất tiêu thụ trung bình của các chế độ hoạt động của nút
Mặt khác, công suất tiêu thụ của nút ở các chế độ có thể được biểu diễn dưới dạng quá trình theo thời gian để có thể quan sát được đặc tính công suất tiêu thụ của từng chế độ. Một bản tin được truyền sẽ mất một khoảng thời gian, công suất tiêu thụ của chế độ truyền thông được đo trong khoảng thời gian đó và được vẽ riêng một đồ thị như trong Hình 3.21. Mỗi lần truyền thông để gửi bản tin về thời điểm đo, giá trị nhiệt độ và độ ẩm sẽ mất khoảng thời gian Ttt. Các lần thực nghiệm đều thấy Ttt nằm trong khoảng từ 31s đến 33s. Ba chế độ còn lại, việc đo thử nghiệm được thực hiện chủ động trong khoảng thời gian tùy ý. Dữ liệu của lần thực nghiệm này được thực hiện trong khoảng 40s cho cả ba chế độ và vẽ chung trên một đồ thị được biểu diễn như trong Hình 3.22. Từ kết quả đo và quan sát trên đồ thị theo thời gian thấy rằng trong quá trình truyền thông một bản tin, công suất tiêu thụ biến động lớn, còn các chế độ khác tương đối ổn định. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Thoi gian (s) P ( W )
0 5 10 15 20 25 30 35 400.19 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 Thoi gian (s) P ( W ) P1 khi do luong P2 khi cho P3 khi ngu P2 P3 P1
Hình 3.22. Công suất tiêu thụ ở các chế độ đo lường, chờ và ngủ.
Kết quả của một trong những lần thực nghiệm về đo công suất tiêu thụ ở các chế độ đo lường, chờ và ngủ như trong Hình 3.22. Trong đó đường P1 là công suất tiêu thụ khi nút cảm biến làm việc ở chế độ đo lường, đường P2 là công suất tiêu thụ khi nút ở chế độ chờ và đường P3 là công suất tiêu thụ khi nút ở chế độ ngủ. Thực tế, sau nhiều lần đo và tính toán công suất tiêu thụ ở các chế độ hoạt động, cho thấy các kết quả tương đối giống nhau và ổn định, và cũng nhận thấy rằng công suất tiêu thụ cho truyền thông lớn hơn nhiều so với các chế độ hoạt động khác của nút cảm biến. Đối với chế độ truyền thông, các lần thực nghiệm cho đặc tính công suất tiêu thụ khi truyền thông một bản tin tương đối giống nhau và ổn định về giá trị và thời gian hoàn tất một lần truyền thông.
Để thuận tiện cho việc sử dụng các kết quả trong các công việc thử nghiệm mô phỏng tiếp theo, công suất được tính toán theo công suất tiêu thụ trung bình () ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến như sau:
Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ ngủ:
ngủ = 191,63 (mW); Δ(-1,18mW, +0,62mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ chờ:
chờ = 194,76 (mW); Δ(-1,99mW, +1,81mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ đo lường:
đo lường = 214,88 (mW); Δ(-8,03mW, +6,42mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ truyền thông:
truyền thông = 416,55 (mW); Δ(-15,16mW,+17,60mW); P(Δ) = 0,95. Với kết quả thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến sẽ góp phần quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề liên quan đến năng lượng mạng cảm biến. Kết quả này đặt biệt có ích trong việc xây
dựng và triển khai nền tảng mô phỏng tính đến yếu tố năng lượng của mạng cảm biến, là bộ dữ liệu cơ sở giúp tính toán mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút, làm tiền đề để so sánh giữa việc mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá nền tảng, đặc biệt là khả năng mô phỏng về năng lượng của nền tảng.
Các kết quả công suất tiêu thụ của thực nghiệm này cũng được sử dụng cho các kịch bản thử nghiệm trong tối ứu hóa lịch trình mạng, sẽ được trình bày trong chương 4. Trên cơ sở đó sẽ phát triển về điều phối tối ưu năng lượng và tối ưu hóa cho mạng cảm biến.