Chương 3 Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng
3.4.2.5. Kết quả thử nghiệm mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến hoạt động theo lịch trình và khoảng thời gian ngẫu nhiên
Thử nghiệm có mục đích giống như thử nghiệm trên Tuy nhiên kịch bản thử nghiệm này được thực hiện với lịch trình ngẫu nhiên Các chế độ được lựa chọn hoạt động ngẫu nhiên trong bốn chế độ Các khoảng thời gian hoạt động của các chế độ ngủ chờ và đo lường cũng ngẫu nhiên nhưng không nhỏ hơn 3s Khoảng thời gian hoạt động cho chế độ truyền thông được xác định là 35s để đảm bảo thời gian truyền một bản tin được hoàn tất
Kết quả đo năng lượng tiêu thụ của nút thực và trên mô phỏng được thể hiện như trong Hình 3 25 với khoảng thời gian thực hiện thử nghiệm 1h Các chế độ hoạt động được lựa chọn ngẫu nhiên cùng với khoảng thời gian cũng ngẫu nhiên trừ khoảng thời gian của chế độ truyền thông được thể hiện trên phần biểu đồ trạng thái Kết quả năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến nhận được từ hai quá trình thực nghiệm và mô phỏng sau một khoảng thời gian 1h có sai lệch lớn nhất là 0 0109Wh và sai số bình quân phương là 0 0057Wh
Kết quả đo năng lượng tiêu thụ của nút thực và trên mô phỏng được thể hiện như trong Hình 3 26 với khoảng thời gian thử nghiệm 6h Tuy nhiên biểu đồ trạng thái các chế độ trong khoảng thời gian 6h sẽ rất khó để quan sát do lịch trình dày đặc theo trục thời gian hạn chế của khổ giấy A4 nên không được trình bày Kết quả về năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến nhận được từ hai quá trình thực nghiệm và mô phỏng sau một khoảng thời gian 6h có sai lệch lớn nhất là 0 0962Wh và sai số bình quân phương là 0 0503Wh
Hình 3 25 So sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút khi thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng thời gian 1h
Hình 3 26 So sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút khi thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng thời gian 6h
Kết quả của cá thử nghiệm có thể được tổng hợp theo Bảng 3 3
Bảng 3 3 So sánh kết quả năng lượng giữa thực nghiệm và mô phỏng
Khoảng thời gian thử
nghiệm
Năng lượng tiêu thụ đo được từ nút thực nghiệm (Wh) Năng lượng tiêu thụ trên mô phỏng (Wh) Sai lệch lớn nhất (Wh) Sai số bình quân phương (Wh) 500s 42 78×10-3 41 67×10-3 1 18×10-3 0 553×10-3 1h 0 322 0 311 0 0109 0 0057 6h 1 961 1 872 0 0962 0 0503
Các kết quả thử nghiệm đo năng lượng tiêu thụ của nút thực và so sánh với năng lượng tiêu thụ của nút khi mô phỏng cho thấy nền tảng mô phỏng có khả năng mô phỏng được quá trình năng lượng cũng như mức năng lượng tiêu thụ của các nút cảm biến với độ chính xác khá cao Điều này khẳng định nền tảng được phát triển trong luận án có thể sử dụng để mô phỏng về năng lượng cho mạng cảm biến và trợ giúp trong nghiên cứu phát triển ứng dụng mạng cảm biến cho lớp bài toán thực tế
3.4.3.Kết quả mô phỏng giám sát mức năng lượng của các nút cảm biến trong mạng
Kịch bản có mục đích mô phỏng việc đo thông số môi trường và đồng thời giám sát mức năng lượng còn lại của các nút cảm biến
Một mạng đơn giản được thiết lập với 3 nút cảm biến đo thông số môi trường đã được xây dựng trong thư viện của nền tảng Các nút bao gồm nút cảm biến ánh sáng (nút ligth) nút cảm biến nhiệt độ (nút temperature) và nút cảm biến độ ẩm (nút humidity) Kịch bản mô phỏng mạng với các hoạt động như sau:
Các nút cảm biến hoạt động độc lập sử dụng năng lượng là pin có giá trị dung lượng ban đầu mặc định là lớn nhất (100%) Các thông số của nút sẽ được cập nhật hiển thị về mức năng lượng còn lại của pin và giá trị thông số môi trường theo chu kỳ thời gian mà người dùng cài đặt
Khi bắt đầu chạy chương trình sẽ đưa ra thông tin về tên nút mã nút và thời gian bắt đầu hoạt động của tất cả các nút trong mạng Mỗi thông tin cập nhật của nút sẽ kèm theo các trường thông tin như thời gian tên nút mã số của nút giá trị đo hoặc mức năng lượng còn lại của nút cảm biến
Kết quả mô phỏng được thể hiện như trong Hình 3 27 là một phần của quá trình mô phỏng biểu diễn các thông tin của mạng cần mô phỏng theo yêu cầu kịch bản hiển thị trên giao diện mô phỏng
Hình 3 27 Mô phỏng quá trình đo lường và mức năng lượng hiện tại của nút cảm biến
Ví dụ với nút cảm biến đo độ ẩm (humidity) bắt đầu được khởi động tại thời điểm 2021-05-23 09:00:1 235 với mã số nút là (45) Sự cập nhật các thông số có thể quan sát thấy như sau:
Tại thời điểm 2021-05-23 09:10:27 466 mức năng lượng còn lại là 99 9% Tại thời điểm 2021-05-23 09:10:31 980 giá trị độ ẩm đo được là 83 25% Tại thời điểm 2021-05-23 09:31:0 949 mức năng lượng còn lại là 98 1% Tại thời điểm 2021-05-23 09:31:5 318 giá trị độ ẩm đo được là 83 65%
Kết quả kịch bản mô phỏng thể hiện nền tảng có thể mô phỏng hoạt động của một mạng cảm biến theo hướng quan tâm đến năng lượng của các nút và toàn mạng Việc mô phỏng và giám sát được mức năng lượng của từng nút sẽ là tính năng hữu ích khi xem xét tối ưu hóa mạng cảm biến với các ràng buộc về năng lượng và tuổi thọ mạng
3.4.4.Kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của các nút hoạt động độc lập và không có truyền thông
Kịch bản có mục đích mô phỏng diễn biến năng lượng của các nút cảm biến trong mạng với sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và thời gian
Một mạng đơn giản tương tự được thiết lập với 3 nút cảm biến đo thông số môi trường bao gồm nút cảm biến ánh sáng (nút light) nút cảm biến nhiệt độ (nút temperature) và nút cảm biến độ ẩm (nút humidity) Kịch bản mô phỏng mạng với các hoạt động như sau:
Ba nút cảm biến hoạt động độc lập đo các thông số môi trường liên tục và không có sự truyền thông Năng lượng các nút tiêu thụ trong kịch bản là năng lượng phục vụ công việc đo lường các thông số môi trường
Các nút có công suất tiêu thụ năng lượng và dung lượng pin khác nhau Mỗi nút đều có thể thu thập được năng lượng mặt trời Sự kiện để kích hoạt chế độ thu năng lượng mặt trời của các nút là khi dung lượng pin còn lại giảm chạm ngưỡng 20% dung lượng lớn nhất của pin (Qmax) Chế độ thu thập năng lượng và sạc cho pin sẽ dừng khi pin đạt dung lượng bằng Qmax Các nút được cài đặt các thông số ban đầu về năng lượng theo Bảng 3 4
Bảng 3 4 Các thông số ban đầu về năng lượng cho từng nút
Nút
Dung lượng pin ban đầu
Qmax (mAh) Điện áp nút sử dụng (V) Công suất tiêu thụ của nút (mW)
Ngưỡng dung lượng pin kích hoạt thu
năng lượng (%Qmax) Loại năng lượng thu từ môi trường light 2500 3 6 220 20 Mặt trời temprature 3500 3 6 400 20 Mặt trời humidity 4000 3 6 350 20 Mặt trời
Kết quả mô phỏng diễn biến về năng lượng của từng nút được thể hiện như trong Hình 3 28
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Thoi gian (h) D un g lu on g pi n (m A h) Q nut temperature Q nut humidity Q nut light 20%Qmax nut temprature 20%Qmax nut humidity 20%Qmax nut light
Hình 3 28 Quá trình tiêu thụ năng lượng và thu nạp năng lượng mặt trời
Kết quả mô phỏng diễn biến năng lượng các nút mạng được thực hiện mô phỏng trong 7 ngày (168h) Trên giao diện mô phỏng kết quả các vạch màu trắng thể hiện khoảng thời gian ban ngày khi các nút có thể thu được năng lượng mặt trời Các khoảng màu xám thể hiện thời gian ban đêm khi các nút không thể thu được năng lượng mặt trời
Các nút có điều kiện đặc tính kỹ thuật hoạt động cũng như mức tiêu thụ năng lượng khác nhau Do đó thời điểm dung lượng pin giảm chạm ngưỡng 20% Qmax
và kích hoạt chế độ thu thập năng lượng mặt trời sẽ khác nhau Sự kiện này của mỗi nút có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong ngày Tuy nhiên việc thu năng lượng mặt trời phụ thuộc vào thời gian thu là ngày hay đêm Công suất thu năng lượng cũng phụ thuộc vào vị trí tương đối với mặt trời theo thời điểm và thời tiết trong ngày Các thời gian chuyển ngày/đêm và vị trí của mặt trời được tính toán bằng các công thức thiên văn học [125][126][127]
Kết quả mô phỏng quá trình diễn biến dung lượng pin của cảm biến đo nhiệt độ (đường nét liền đậm) Tại thời điểm xảy ra sự kiện dung lượng pin giảm chạm mức 20% Qmax và nút chuyển sang chế độ sạc từ năng lượng mặt trời Vì thời điểm này đã sắp chuyển sang ban đêm nên mức năng lượng thu được nhỏ dần và không đủ để sạc đầy cho pin trong khi đó cảm biến vẫn liên tục tiêu thụ năng lượng Kết quả dẫn đến pin sẽ bị cạn kiệt trước khi trời sáng và cảm biến nhiệt độ bị ngừng hoạt động Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với nút cảm biến độ ẩm (đường nét đứt đậm) Nút cảm biến này xảy ra sự kiện kích hoạt thu năng lượng đúng vào thời điểm bắt đầu chuyển sang ban đêm nên không thể thu được năng lượng và nút nhanh chóng bị hết pin Trường hợp của nút cảm biến ánh sáng (đường chấm chấm đậm) thời điểm xảy ra sự kiện kích hoạt thu năng lượng là bắt đầu ban ngày nên thu thập được năng lượng trong thời gian dài và pin được sạc đầy nên nút có năng lượng để hoạt động được nhiều ngày Điều này không phải luôn xảy ra với cảm biến
ánh sáng này bởi ngẫu nhiên sẽ có lúc trạng thái còn 20% pin đúng vào lúc bắt đầu ban đêm và nút cảm biến cũng bị hết pin trước khi trời sáng Tuy nhiên đây chỉ là một trường hợp mang tính minh họa còn nhiều trường hợp khác nữa để mô phỏng quá trình tiêu thụ và thu nạp năng lượng từ mặt trời nói riêng và từ môi trường nói chung
Kết quả của kịch bản cho thấy nền tảng mô phỏng có thể thực hiện tính toán xử lý và giám sát các quá trình năng lượng bao gồm quá trình tiêu thụ năng lượng quá trình thu thập năng lượng và sạc cho pin của nút cảm biến Mô phỏng được quá trình diễn biến năng lượng trong từng nút mạng với những yếu tố ảnh hưởng từ môi trường thời gian không gian và đặc tính kỹ thuật của nút cảm biến Điều này cần thiết để nền tảng có khả năng hỗ trợ trong nghiên cứu phát triển giải bài toán tối ưu năng lượng nhằm duy trì hoạt động mạng ổn định lâu dài
3.4.5.Kết quả mô phỏng truyền thông theo cơ chế quảng bá
Kịch bản có mục đích thử nghiệm mô phỏng quá trình truyền thông theo cơ chế quảng bá (broadcast) với các ràng buộc về số bước truyền thông và khoảng cách mỗi bước truyền Một mạng cảm biến bao gồm 150 nút được thiết lập trong phạm vi 30m×30m Trong đó nút 1 là nút chủ có toạ độ (0 0) và có nhiệm vụ nhận thông tin từ các nút khác trong mạng gửi về Các nút còn lại sẽ được gán tọa độ ngẫu nhiên khi chạy chương trình mô phỏng
Kịch bản được cài đặt để mô phỏng quá trình truyền thông từ nút 2 có tọa độ (20 20) đến nút 1 Quá trình truyền thông được thực hiện bằng cơ chế quảng bá với ràng buộc bản tin chỉ gửi đi trong 5 bước và khoảng cách truyền thông mỗi bước là 5m Bản tin được phát đi từ nút 2 và quảng bá tới các nút xung quanh Một nút khi nhận được một bản tin sẽ tiếp tục chuyển tiếp cho tất cả các nút xung quanh nó Mỗi nút chỉ quảng bá bản tin này tối đa một lần để tránh dư thừa thông tin cũng như lãng phí về năng lượng Sự chuyển tiếp bản tin được thực hiện cho đến khi nút 1 nhận được hoặc hết 5 bước quảng bá bản tin Kết quả của kịch bản truyền thông này được biểu diễn trên Hình 3 29
Hình 3 29 Kịch bản truyền thông với ràng buộc 5 bước khoảng cách bước 5m
Kết quả nhận được khi chạy mô phỏng theo kịch bản với ràng buộc 5 bước và khoảng cách bước 5m cho thấy:
Khi bắt đầu chạy mô phỏng 150 nút cảm biến được thiết lập trong vùng không gian mạng 30m×30m Các nút được gán mã số nút và tọa độ của nút trong vùng không gian mạng trong đó nút 2 có tọa độ là (20 20)
Bản tin được quảng bá từ nút 2 đến các nút xung quanh và tiếp tục được truyền đi theo các đường nét liền mảnh nối giữa các nút Để việc theo dõi được dễ ràng nút 2 có thêm vòng tròn bằng nét liền mảnh bao bên ngoài Các nút nhận bản tin ở bước tiếp theo sẽ có màu nhạt dần và các nút nhận bản tin ở bước cuối cùng sẽ có thêm đường nét đứt bao quanh
Kết quả trên giao diện cho thấy bản tin không thể được truyền từ nút 2 tới nút 1 Nguyên nhân do khoảng cách giữa nút 2 và nút 1 xa hơn 5 bước truyền thông được ràng buộc trong kịch bản mô phỏng này
Thử nghiệm mở rộng bằng cách giữ nguyên kịch bản nhưng tăng khoảng cách truyền thông lên 10m và số bước truyền lên 10 bước Kết quả mô phỏng nhận được thể hiện như trên Hình 3 30 cho thấy trong trường hợp này bản tin truyền từ nút 2 đến được nút 1 mà không phải cần truyền đến 10 bước
Hình 3 30 Kịch bản truyền thông với ràng buộc 10 bước khoảng cách 10m
Kết quả mô phỏng của kịch bản cho thấy nền tảng có khả năng mô phỏng truyền thông trong mạng cảm biến theo những cơ chế giao thức truyền thông được thiết lập bởi người dùng Kết quả này là một phần của công việc thực hiện phát triển nền tảng mô phỏng
3.4.6.Kết quả mô phỏng truyền thông trong mạng theo cấu trúc cây
Kịch bản có mục đích mô phỏng quá trình truyền thông trong mạng có định tuyến theo cấu trúc hình cây Một mạng được thiết lập với 150 nút trong phạm vi 30m×30m Trong đó nút 1 là nút chủ và có tọa độ là (15 15) các nút còn lại sẽ được gán tọa độ ngẫu nhiên khi chạy mô phỏng Việc định tuyến truyền thông được xác định khi chạy mô phỏng Mỗi tuyến truyền thông từ một nút trong mạng đến nút chủ được xác định và giữ cố định trong suốt quá trình của lần chạy mô phỏng Trong kịch bản này cài đặt để mô phỏng định tuyến và truyền thông từ nút 35 về nút chủ Kết quả mô phỏng được thể hiện trên Hình 3 31 Bản tin truyền thông từ nút 35 về nút chủ được định tuyến qua lần lượt các nút 101 138 và 69 Các nút trên tuyến đường truyền này được tô màu và nhạt dần sau mỗi bước truyền để dễ ràng trong việc quan sát
Hình 3 31 Quá trình truyền thông từ nút 35 đến nút chủ theo định tuyến có cấu trúc hình cây
Qua kết quả mô phỏng của kịch bản cho thấy nền tảng có thể mô phỏng các cấu trúc mạng định tuyến truyền thông đồng thời mô phỏng quá trình truyền thông theo định tuyến có cấu trúc nhất định Giao diện mô phỏng thể hiện được kết quả một cách rõ ràng và trực quan Khả năng này kết hợp với khả năng mô phỏng về năng lượng của mạng cảm biến sẽ trợ giúp hữu ích cho việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề về tối ưu hóa năng lượng trong truyền thông của mạng cảm biến
3.4.7.Kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của các nút mạng với các hoạt động đo truyền thông và thu thập năng lượng
Mục đích thử nghiệm là mô phỏng quá trình năng lượng của các nút cảm biến khi hoạt động kết hợp giữa các chế độ đo lường truyền thông thu thập năng lượng mặt trời và sạc cho pin
Một mạng được thiết lập với 150 nút cảm biến trong phạm vi 30m×30m Trong đó nút 1 là nút chủ và có tọa độ là (15 15) các nút còn lại sẽ được gán tọa độ