Chương 3 Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng
3.1. Thiết kế chức năng nền tảng mô phỏng
Xuất phát từ thực tế và yêu cầu của đề tài, luận án đề xuất phát triển nền tảng mô phỏng có thể sử dụng để mô phỏng mạng cảm biến hoạt động với những kịch bản theo hướng giám sát, quản lý và điều phối năng lượng trong từng nút và toàn
mạng nhằm hỗ trợ giải bài toán tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến với các nhiệm vụ cơ bản sau:
Cho phép người dùng có thể thiết lập được mạng cảm biến bao gồm các nút với những thông số theo yêu cầu cụ thể của từng bài toán, thiết lập được môi trường giả định cho bài toán cần mô phỏng và chạy mô phỏng theo kịch bản mà người dùng mong muốn.
Tạo ra một thư viện các mô đun chức năng cơ bản của nút nói riêng và của mạng nói chung để người dùng có thể sử dụng thiết lập mạng theo mục đích riêng. Nút được mô hình hóa với năm mô đun thành phần độc lập theo cấu trúc nút trong thực tế. Người dùng có thể thêm một nút mới vào mạng và cấu hình các thuộc tính cơ bản cho mỗi nút như vị trí đặt, các thông số kỹ thuật, khả năng thu thập năng lượng từ môi trường, … hoặc thiết lập một nút mới theo yêu cầu ứng dụng người dùng từ thư viện mô đun thành phần nút.
Cho phép người dùng thiết lập các chương trình quản lí về năng lượng cho nút và mạng. Thông qua việc đánh giá mức độ thu thập năng lượng từ môi trường, giám sát quá trình năng lượng, mức tiêu thụ năng lượng ở từng chế độ hoạt động của từng nút cảm biến và ước lượng về thời gian mà nguồn năng lượng của nút cảm biến có thể đáp ứng. Từ đó, có thể phát triển bài toán điều phối tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến và phát triển tối ưu hóa mạng cảm biến.
Cung cấp công cụ hỗ trợ để người dùng có thể tự thiết lập thêm các mô đun mới cho thư viện nhằm phục vụ các mục đích người dùng cũng như tiếp tục phát triển nền tảng mô phỏng.
Để phát triển nền tảng mô phỏng với mục tiêu và nhiệm vụ như đã đề xuất, cần phân tích rất kỹ lưỡng và rõ ràng từ tổng thể đến từng đối tượng cụ thể, từ các chức năng và các mối quan hệ ở mức tổng quát đến mức cụ thể cũng như các mối quan hệ giữa các chức năng, các thực thể của hệ thống. Việc thực hiện phát triển nền tảng mô phỏng đòi hỏi phải can thiệp ở mức chi tiết đến từng chức năng và thực thể với các thuộc tính và phương thức cụ thể.
3.1.1.Chức năng nền tảng mô phỏng
Để thực hiện được các nhiệm vụ trên, cũng giống như các phần mềm mô phỏng mạng cảm biến khác, nền tảng mô phỏng phải có ba chức năng cơ bản sau:
Chức năng thiết lập mạng
Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng Chức năng chạy chương trình mô phỏng
Hình 3.1. Biểu đồ chức năng của nền tảng mô phỏng
Chức năng thiết lập mạng cung cấp cho người dùng khả năng thiết lập mô hình mạng cảm biến theo mục đích bài toán ứng dụng cụ thể. Người dùng sử dụng thư viện của nền tảng để thêm các nút có sẵn hoặc thiết lập các nút mới từ các mô đun thành phần của nút. Chức năng thiết lập mạng cho phép người dùng có thể cấu hình các thuộc tính cơ bản cho mỗi nút và cài đặt các thông số cho từng nút cảm biến. Việc thiết lập mạng bao gồm cả việc lên kịch bản mô phỏng mạng theo mục đích bài toán mà người dùng mong muốn. Kịch bản mô phỏng được thiết kế dựa trên mục tiêu và các ràng buộc của bài toán. Kịch bản được xác định thông qua việc cài đặt các tham số, thông số, mối liên quan giữa các nút trong toàn mạng, … Ví dụ, nút đo thông số nhiệt độ được cài đặt với một tần suất đo và gửi dữ liệu xác định, mức ưu tiên hay vai trò trong một nhóm cũng được cài đặt, vai trò cố định hay thay đổi phụ thuộc vào yếu tố nào, nút có thể thu năng lượng nào từ môi trường và quá trình thu năng lượng phụ thuộc yếu tố nào, … tất cả các thông số, tham số liên quan đến thiết lập nút và mạng sẽ được cài đặt bởi người dùng. Kết quả sẽ tạo nên một kịch bản mô phỏng nhằm thực hiện mục tiêu bài toán.
Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng cho phép người dùng tạo ra môi trường đặt mạng giả lập với các tham số giả định theo môi trường thực tế. Môi trường đặt mạng giả lập được cài đặt bởi người dùng để tạo nên một môi trường mô phỏng với các tham số như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, tọa độ trong không gian, thời gian, … và sự phụ thuộc của các tham số theo không gian, thời gian hay thời tiết được cài đặt nhằm thực hiện mục đích mô phỏng bài toán người dùng mong muốn.
Chức năng chạy chương trình mô phỏng cung cấp cho người dùng công cụ thực hiện chạy chương trình mô phỏng. Mô hình mạng và môi trường đặt mạng sau khi được thiết lập, người dùng sẽ thao tác chạy chương trình mô phỏng và hệ thống sẽ trả về kết quả mô phỏng trên màn hình.
3.1.2.Chức năng thiết lập mạng
Chức năng thiết lập mạng cung cấp người dùng ba khả năng chính là thêm một nút mới vào mạng, định nghĩa nút mới và phát triển các thành phân chức năng mới. Biểu đồ chức năng thiết lập mạng được thể hiện như Hình 3.2.
Chức năng thêm nút mới vào mạng là chức năng cơ bản cần có trong các phần mềm mô phỏng mạng cảm biến. Nền tảng mô phỏng cung cấp một thư viện, người dùng có thể mở và lựa chọn thêm nút mới vào mạng. Thư viện có sẵn các nút cảm biến đã được thiết kế và mô phỏng theo các thuộc tính, đặc điểm và thông số của nút cảm biến thực tế, đặc biệt là các thuộc tính liên quan đến năng lượng.
Một nút mới sau khi được thêm vào mạng, người dùng sẽ cài đặt các tham số cho nút cảm biến để xác định nút cảm biến trong mạng như đặt tên cho nút cảm biến, loại cảm biến, gán mã số cho nút, chọn vị trí đặt cho nút cảm biến trong không gian của mạng cảm biến. Người dùng có thể cài đặt các thông số kỹ thuật hoặc thay đổi các thuộc tính của cảm biến để phù hợp với yêu cầu bài toán như các thông số liên quan đến nhiệm vụ thu thập tín hiệu hoặc thông số liên quan đến năng lượng của nút như loại pin, dung lượng lớn nhất của pin, công suất tiêu thụ của cảm biến hoặc các thông số liên quan đến việc thu thập năng lượng từ môi trường của nút, hoặc lựa chọn các thông số liên quan đến việc truyền thông của nút cảm biến, … Các thông số của nút sẽ được cài đặt bởi người dùng để phù hợp mục tiêu bài toán cần mô phỏng.
Tuy nhiên, cảm biến rất đa dạng phong phú về chủng loại, việc xây dựng thư viện nút cảm biến đòi hỏi phải khảo sát kỹ lưỡng và đầy đủ các thông số kỹ thuật của từng nút cảm biến dẫn đến mất rất nhiều thời gian. Hơn nữa, thực tế không phải nút cảm biến nào cũng có thể khảo sát được đầy đủ các thông số kỹ thuật. Vì vậy, luận án chỉ xây dựng một số loại cảm biến phổ biến và hữu dụng cho mục tiêu đề tài. Người dùng có thể tự xây dựng thêm cảm biến theo yêu cầu riêng với sự hỗ trợ bởi chức năng định nghĩa nút mới của nền tảng.
Chức năng định nghĩa nút mới cho phép người dùng định nghĩa một nút mới với các thuộc tính và thông số kỹ thuật theo yêu cầu người dùng. Luận án mô hình hóa năm mô đun cơ bản cấu thành nút cảm biến là mô đun (1) pin, (2) cảm biến, (3) truyền thông, (4) nguồn năng lượng thu từ môi trường và (5) bộ điều khiển (chi tiết sẽ được trình bày trong mục 3.2). Năm mô đun này được xây dựng trong thư viện của nền tảng, người dùng có thể lựa chọn và kết hợp các mô đun để tạo ra một nút mới theo mục đích riêng.
Việc tạo ra nút mới không nhất thiết phải có đủ năm mô đun thành phần, các mô đun được lựa chọn tùy thuộc yêu cầu cụ thể của nút được sử dụng. Ví dụ, một nút có thể vì lý do nào đó mà không thể thu được năng lượng từ môi trường thì khi tạo nút không cần có mô đun thu năng lượng từ môi trường. Như vậy, một nút mới được tạo ra theo yêu cầu riêng bởi người dùng một cách dễ dàng và linh hoạt với thư viện các mô đun cơ bản. Tuy nhiên, mỗi mô đun có rất nhiều mô hình khác nhau, ví dụ như mô đun pin có nhiều loại pin với các mô hình pin khác nhau như pin Lithium-Ion, Lead-Acid, Nickel-Metal-Hydride (NiMH) và Nickel-Cadmium (NiCd), … nên việc xây dựng thư viện cho các mô đun cũng đòi hỏi mất nhiều thời gian và công sức. Vì vậy, nền tảng cung cấp chức năng hỗ trợ người dùng phát triển các mô đun chức năng mới.
Chức năng phát triển các mô đun chức năng mới dựa trên cơ sở những gì đã có sẵn của nền tảng mô phỏng như thư viện công cụ, người dùng có thể tự mình thiết lập các mô đun chức năng mới khác để phục vụ mục đích bài toán của mình. Mặc dù, trong thư viện nền tảng đã có những mô đun chức năng, nhưng chưa thể đáp ứng được yêu cầu và mục đích đa dạng của người dùng, nên việc xây dựng các mô hình mô đun chức năng mới là điều cần thiết. Vì vậy, nền tảng hỗ trợ người dùng có thể xây dựng mô hình pin mới, mô hình thu năng lượng mới, mô hình truyền thông mới, mô hình cảm biến mới và mô hình bộ điều khiển mới nhằm đáp ứng mục đích riêng cũng như phát triển hoàn thiện hơn cho nền tảng mô phỏng.
3.1.3.Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng
Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng cung cấp cho người dùng khả năng lựa chọn và xác định môi trường đặt mạng hoặc có thể phát triển một môi trường đặt mạng theo yêu cầu riêng. Biểu đồ chức năng thiết lập môi trường đặt mạng được mô tả như Hình 3.3.
Hình 3.3. Biểu đồ chức năng thiết lập môi trường đặt mạng.
Nền tảng cung cấp môi trường đặt mạng, người dùng có thể cài đặt những tham số, thông số môi trường nhằm giả định theo điều kiện của môi trường, nơi mà người dùng sẽ đặt mạng cảm biến trong thực tế để hệ thống chạy và mô phỏng theo một kịch bản trong điều kiện giống như thực tế mà người dùng mong muốn. Ví dụ, người dùng có thể đặt kích thước không gian nơi sẽ đặt mạng cảm biến, đặt các tham số, thông số liên quan đến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng hay cài đặt các thông số liên quan đến vấn đề nguồn năng lượng xung quanh cảm biến, ... Ngoài ra, người dùng còn có thể cài đặt các tham số để xác định về không gian và thời gian cho môi trường đặt mạng, vì điều này sẽ liên quan đến tọa độ của mạng trong không gian,
liên quan đến vị trí tương đối của mạng so với mặt trời nên sẽ liên quan đến việc thu năng lượng từ mặt trời của mạng cảm biến. Mặt khác, việc cài đặt thời gian để mạng hoạt động theo thời gian thực cũng quyết định trực tiếp đến mức thu năng lượng từ mặt trời, chẳng hạn ban ngày mật độ năng lượng mặt trời cao mức thu sẽ lớn, còn ban đêm thì không thể thu được năng lượng này.
Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng không chỉ cung cấp môi trường đặt mạng có sẵn trong thư viện, mà còn cung cấp khả năng phát triển môi trường nhằm hỗ trợ người dùng để có thể tự mình phát triển các môi trường đặt mạng với bộ thông số, tham số môi trường cũng như các sự kiện phù hợp với môi trường yêu cầu bài toán thực tế cụ thể mà người dùng phải giải quyết.
3.1.4. Chức năng chạy chương trình mô phỏng
Chức năng chạy chương trình mô phỏng cung cấp công cụ để người dùng thực hiện các thao tác chạy chương trình mô phỏng như chạy chương trình, dừng chương trình. Các thao tác này được thực hiện sau khi người dùng đã thiết lập mạng và thiết lập môi trường đặt mạng cũng như kịch bản mô phỏng để lấy kết quả. Chức năng cung cấp tác vụ hiển thị kết quả mô phỏng trên màn hình và lưu trữ dữ liệu kết quả mô phỏng trong bộ nhớ máy tính. Mặt khác, sẽ đưa ra các thông báo chẳng hạn như các thông báo về thời gian chạy mô phỏng, kết thúc mô phỏng hoặc các thông báo về lỗi chương trình. Biểu đồ chức năng chạy chương trình mô phỏng được thể hiện như Hình 3.4.
Các chức năng cơ bản của nền tảng mô phỏng được phân tích và thiết kế như trên đảm bảo để người dùng có thể thiết lập, cài đặt được mạng cảm biến và môi trường đặt mạng với các thông số, tham số để chạy mô phỏng mạng cảm biến theo một kịch bản mà người dùng xác định. Hơn nữa, người dùng có thể phát triển được các chức năng nhằm phù hợp với yêu cầu riêng của bài toán cụ thể cũng như các phát triển nhằm hoàn thiện hơn cho nền tảng.