Chương 3 Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng
3.4.2.1. 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.
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
từ môi 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.
= với ( 3.2)
Trong đó:
: 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 ()
: 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.