Chương 2 Các nghiên cứu liên quan
2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến
Sự hạn chế về nguồn nuôi dẫn đến hạn chế rất lớn về tiềm năng ứng dụng của mạng cảm biến. Một giải pháp sớm được nghiên cứu phát triển và triển khai là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho nút cảm biến, với nhiều phương thức khác nhau nhằm nâng cao tuổi thọ cho nút cảm biến như phát triển cấu trúc nút cũng như sử dụng linh kiện công suất thấp, phát triển nút cảm biến với các chế độ làm việc linh hoạt nhằm tiết kiệm năng lượng.
2.3.1.Kiến trúc và chế độ làm việc linh hoạt của nút tiết kiệm năng lượng
Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến liên quan đến kiến trúc phần cứng của nút, việc thiết kế phần cứng theo hướng mô đun hóa các thành phần chức
năng, tối thiểu hóa kích thước sẽ làm giảm năng lượng tiêu thụ của nút, các công nghệ và linh kiện điện tử tiêu thụ năng lượng thấp cũng được ứng dụng nhằm giảm mức tiêu thụ của nút. Mark Hempstead và các cộng sự đã đưa ra kiến trúc phần cứng cho nút cảm biến không dây mang tính hướng sự kiện với những khối chức năng có phần cứng riêng biệt nhằm cung cấp hoạt động hiệu quả và cho phép kiểm soát công suất tiêu thụ của nút [77]. Kiến trúc này được thể hiện trong Hình 2.15.
Hình 2.15. Sơ đồ kiến trúc nút tiết kiệm năng lượng [77].
Kiến trúc định riêng một thành phần chức năng xử lý theo hướng sự kiện, tất cả các sự kiện được báo về từ các thành phần khác thông qua ngắt. Bộ vi điều khiển sẽ tùy theo các sự kiện và các cơ chế hoạt động chung của nút mà quyết định gọi các chương trình con tương ứng để thực hiện công việc cần thiết tại thời điểm nhất định. Do nút có kiến trúc với các đường bus chuyên trách theo chức năng rõ ràng, hoạt động theo nhiệm vụ chuyên trách hướng sự kiện nên khi một hoạt động được kích hoạt thì các thành phần khác không có nhiệm vụ trong hoạt động này có thể được nghỉ và không tiêu tốn năng lượng, điều này sẽ tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến. Trên cơ sở cấu trúc nút theo thành phần nhiệm vụ chuyên trách, việc phát triển các chương trình phần mềm điều khiển hoạt động của nút nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng được thuận tiện và hiệu quả. Các hoạt động của nút mang tính hướng sự kiện và mức tiêu thụ năng lượng của các hoạt động này cũng khác nhau. Nút cảm biến thường được thiết kế và lập trình để có các chế độ hoạt động khác nhau như chế độ ngủ, chế độ chờ, chế độ đo lường và chế độ truyền thông. Trong đó, chế độ ngủ tiêu thụ năng lượng ít nhất và chế độ truyền thông tiêu tốn năng lượng nhiều nhất. Các chương trình điều khiển hoạt động của nút cảm biến được lập trình theo kịch bản làm việc luân chuyển giữa các chế độ này sao cho tiết kiệm năng lượng nhất có thể, tức là nút chỉ thực hiện đo lường hay truyền thông khi cần thiết, còn không nút sẽ ở chế độ ngủ. Điều này đã mở ra hướng phát triển điều phối tối ưu năng lượng trong từng nút theo sự kiện nhằm tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến.
2.3.2.Cảm biến tiêu thụ công suất thấp
Bên cạnh việc phát triển cấu trúc nút nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng, hướng nghiên cứu và phát triển cảm biến tiêu thụ năng lượng thấp đang được triển khai tích cực [78][79][80]. Trên cơ sở cấu trúc nút tiết kiệm năng lượng, các cảm biến này được thiết kế và triển khai dựa trên các linh kiện có mức tiêu thụ năng lượng thấp và đặc biệt là được lập trình với một cơ chế hoạt động linh hoạt, phù hợp với từng đại lượng đo và mục đích sử dụng, tùy vào tính chất, sự thay đổi của đại lượng cần đo, cảm biến có thể hoạt động ở chế độ đo lường, truyền thông hoặc ngủ. Ví dụ, khi giám sát nhiệt độ và độ ẩm của môi trường sống, việc đo và thu thập số liệu giữa các lần có thể cách nhau một khoảng thời gian từ vài phút đến hàng chục phút và thời gian còn lại cảm biến có thể ngủ, trong khi ở quá trình sấy gỗ thì công việc đo và thu thập số liệu có thể phải thực hiện thường xuyên liên tục. Ở chế độ ngủ cảm biến sẽ tiêu thụ năng lượng rất nhỏ chỉ từ vài µA đến vài chục µA. Khi truyền thông cảm biến sẽ tiêu tốn năng lượng gấp rất nhiều lần so với các hoạt động khác, nên việc truyền nhận sẽ theo một lịch trình hoặc các điều kiện hay sự kiện nào đó của nút mạng, ví dụ như khi một nút cảm biến đo nhiệt độ và thấy có sự chênh lệch nhiệt độ so với lần đo trước một giá trị nhất định thì mới thực hiện truyền dữ liệu mới còn không thì sẽ không thực hiện truyền dữ liệu đo. Việc này giúp tiết kiệm năng lượng rất đáng kể cho nút cảm biến và toàn mạng.
Trong một nghiên cứu khác của Ahmed. S và các cộng sự về kỹ thuật năng lượng cho các vấn đề định tuyến trong mạng cảm biến không dây [81], nhóm tác giả đã đề cập đến mức tiêu thụ năng lượng trong từng hoạt động của một số nút cảm biến thực nghiệm với các bộ xử lý và các chuẩn truyền thông cụ thể nhằm hạn chế công suất tiêu thụ trung bình được chỉ ra trong Bảng 2.7.
Bảng 2.7. Mức tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của một số nút cảm biến [81].
Tên nút Chế độ
MicaZ Sunspot WiSMote IRIS IMote2 Waspmote
Ngủ 15µA 33 µA 12 µA 8 µA 390 µA 55 µA
Xử lý 8mA 104 mA 2.2 mA 8 mA 31-53 mA 15 mA
Nhận 19.7 mA 40 mA 18.5 mA 16 mA 44 mA 30 mA
Truyền 17.4 mA 40 mA 18.5 mA 15 mA 44 mA 30 mA
Nguồn cấp 2.7 V 4.5-5.5V 2.2-3.6V 2.7-3.3V 3.2V 3.3-4.2V
Nghiên cứu khảo sát của Sordiashie E về quản lý nguồn năng lượng tiêu thụ của cảm biến [82], tác giả đã tổng hợp số liệu về mức tiêu thụ năng lượng trong chế độ truyền thông và chế độ ngủ của một số nút cảm biến giám sát năng lượng công suất thấp như được chỉ ra trong Bảng 2.8.
Tên sản phẩm Dòng điện tiêu thụ Điện áp nguồn cấp (V) Công suất tiêu thụ (mW) Chế độ truyền (mA) Chế độ nhận (mA) Chế độ ngủ (µA) RCS-S09U Universal ISM Band FSK
Transceiver Module
15- 26 11-15 0.3 2.2-3.8 33- 78
G-Link 2.4 GHz Wireless
Accelerometer Node (Micro Strain)
25 25 0.5 3.7 92.5
IMOTE2 (Crossbow) 33 33 390 3.2- 4.5 127.05
XBEE Zigbee/802.15. 4 Modules (DigiInternational)
50 50 10 2.8- 3.4 155
DataBridge wireless I/O modules 37- 120 37- 120 <100 2.7- 3.6 116.55-378
Apex and Apex LT Modules 170 37 5 2.1- 3.6 105.45-484.5
Lt Series Transceiver Module 12- 14 12- 14 11.5- 20 2.1- 3.6 34.2- 39.9
Si4420 Universal ISM Band FSK Transceiver
13- 26 11- 15 0.3 2.2- 5.4 41.8- 98.8
Các nghiên cứu về cấu trúc nút và nỗ lực trong việc phát triển kỹ thuật cảm biến tiêu thụ công suất thấp cũng góp phần làm giảm mức tiêu thụ trung bình và nâng cao tuổi thọ của nút cảm biến. Tuy nhiên, theo các số liệu của các nghiên cứu, dòng tiêu thụ ở các hoạt động của nút thường là vài mA đến hàng chục mA, các hoạt động truyền thông thường vài chục mA. Trong khi thực tế các nguồn pin thông dụng có thể sử dụng cho nút cảm biến chỉ có dung lượng từ vài chục đến vài trăm mAh. Do đó, các nút cảm biến sẽ rất nhanh hết pin nếu không có thêm các giải pháp khác hỗ trợ trong việc quản lý và điều phối sử dụng năng lượng một cách tối ưu.