Giá thành thấp và sự tiêu thụ năng lượng thấp là những vấn đề của mạng cảm biến không dây, nó hết sức quan trọng trong việc thiết kế hệ thống cung cấp nguồn trong một node cảm biến.
Vấn đề quản lý nguồn công suất được kết hợp cùng các node trong mạng cảm biến, dựa trên sự cung cấp và tiêu thụ. Khi có một sự cung cấp năng lượng, node phải tiêu thụ nó ở tốc độ thấp nhất có thể. Vấn đề trở nên phức tạp, bởi cấu trúc năng lượng được cung cấp bởi nguồn sơ cấp thì hiếm khi tối ưu cho nhận và truyền số liệu. Hơn nữa, công suất khả dụng từ nguồn và sự tiêu thụ trong việc truyền nhận dữ liệu khác nhau ở mọi thời điểm, việc truyền nhận dữ liệu phải được cung cấp hợp lý tại tất cả thời gian để đảm bảo vận hành đúng.
Có rất nhiều các nguồn công suất khác nhau và các thiết bị có độ biến động lớn, do đó không có một hệ thống cung cấp công suất riêng lẻ nào được tối ưu cho các node mạng cảm biến không dây. Thay vào đó thiết kế hệ thống cần phù hợp giữa nguồn công suất với mạch nạp dữ liệu. Khi các nguồn điện (như là pin) hoặc các nguồn khác cùng sự hạn chế về năng lượng được sử dụng thì hệ thống phải được thiết kế để vận hành với sự tiêu thụ công suất nhỏ nhất có thể. Do đó sẽ tối đa chu kỳ sống của node. Khi công nghệ nguồn sạch (energy - scavenging) được sử dụng, sẽ mở rộng thời gian tồn tại của nút mạng. Nếu ở một thời điểm nào đó công suất nguồn lớn hơn giá trị được yêu cầu thì một vài thủ tục về điều kiện nguồn sẽ
yêu cầu nguồn năng lượng thứ cấp. Tất nhiên, giá thành và hiệu quả của hệ thống lưu trữ thứ cấp phải bao gồm trong việc thiết kế node mạng.
Sự thiết kế bất kỳ hệ thống cung cấp công suất nào đều bắt đầu cùng sự lựa chọn nguồn công suất. Đề cập trong lựa chọn một nguồn công suất bao gồm: độ khả dụng, giá ban đầu và giá vận hành, thời gian giữa các dịch vụ, khả năng chịu đựng bên trong, điện áp khả dụng, kích thước và mối quan tâm tới sinh thái học. Một sự lựa chọn các nguồn công suất điện thu gọn được đề cập cho các ứng dụng nguồn thấp.
Rõ ràng, khả năng làm việc của nguồn công suất là điều quan trọng đầu tiên. Tuy nhiên ta phải xét đến sự tương quan giữa khả năng làm việc với giá thành của nguồn. Đặc biệt là với nguồn một chiều. Đây là loại nguồn có giá thành tương đối thấp và hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Thời gian giữa các lần bảo dưỡng cũng hết sức quan trọng đặc biệt đối với một mạng lớn. việc lựa chọn một quy tắc tốt được áp dụng để chia khoảng thời gian trung bình giữa các lần bảo dưỡng mỗi node là hết sức quan trọng để duy trì mạng. Quy tắc này là tiêu điểm của các thiết kế trên quan điểm của người sử dụng.
Điện trở trong của nguồn là hết sức quan trọng, bởi dòng điện chạy trong các node mạng cảm biến là khá nhỏ. Hơn nữa, các cảm biến thường ở trạng thái nghỉ trong khoảng thời gian dài sau một chu kỳ hoạt động của node mạng và các cảm biến cùng các hoạt động, nhưng không đáp ứng được dòng đỉnh cao. Nguồn công suất phải có khả năng cung cấp dòng cao cần thiết mà không có hiện tượng rơi điện áp ngoài.
Việc rơi điện áp có thể gây ra việc khởi động lại bộ vi xử lý, mất dữ liệu, hoặc các tác động có hại khác. Các nguồn cùng với điện trở trong cao cần phải được điều hòa, thông thường việc điều dưới dạng một tụ điện hoặc một nguồn một chiều điện trở trong thấp làm trung gian để hỗ trợ cho các dòng đỉnh, hơn nữa chúng cũng có khả năng cung cấp dòng trung bình dễ dàng. Các nguồn có điện trở trong tăng theo thời gian sẽ có thời gian sống không phụ thuộc vào sự dự trữ năng lượng của
* Thời gian tồn tại
Tiêu chuẩn đầu tiên trong thiết kế linh kiện nguồn một chiều là sự giới hạn thời gian sống, điều này quyết định việc nguồn một chiều được thay thế hoặc nạp lại. Các tế bào sơ cấp thì không thể nạp lại và sẽ tiêu tốn đáng kể trong việc vận hành nếu được sử dụng trong một mạng lớn. Các tế bào thứ cấp thì có thể được nạp lại để tránh phải mua lượng thấp hơn các tế bào sơ cấp, do đó với hai tế bào cùng kích thước việc nạp lại tế bào thứ cấp phải thường xuyên hơn việc thay thế các tế bào sơ cấp.
* Phát hiện nguồn thấp “Low Battery”
Bởi mỗi nguồn có một thời gian tồn tại thời hạn, để tránh node hỏng khi vận hành, phải có chỉ thị khi nguồn một chiều gần hết thời gian sống, khi đó ta có thể thay thế chúng. Mỗi loại nguồn có một cách biểu hiện khác nhau khi sắp kết thúc chu kỳ sống, vì vậy nguyên lý xác định năng lượng còn lại của nguồn phải phù hợp với chất hóa học cấu thành lên nguồn.
Việc xác định rõ thời gian tồn tại còn lại không chỉ là chức năng của nguồn mà còn là chức năng của tải trọng (the load). Nói đúng ra, tải trọng sẽ xác định điểm kết thúc thời gian sống của nguồn, bởi việc xác định thời điểm mà nguồn không cung cấp đủ năng lượng cần cho tải trọng. Thông thường là không cung cấp đủ điện áp tiêu chuẩn, tải trọng cũng xác định dòng điện tại điện áp này được đảm bảo, dòng điện cho bởi các node mạng cảm biến thì rất bất ổn cùng dòng đỉnh khá cao gián đoạn với các chu kỳ khá dài của sự tiêu thụ dòng thấp. Tuy nhiên hiện trạng dòng này không làm giảm thời gian sống của nguồn.
Do đó mạch phát điện nguồn thấp (Low Battery) là hết sức quan trọng để giám sát việc vượt ngưỡng tạm thời. Một cách để thực hiện điều này là chỉ kích hoạt mạch phát hiện nguồn thấp sau chu kỳ dòng đỉnh cao khi đó điện áp nguồn có giá trị thấp nhất. Mạch phát hiện nguồn thấp được vận hành như tầng đầu của thủ tục “giảm ấm” (warm down) chúng được sử dụng để làm các node mạng từ chế độ tích cực sang chế độ nghỉ. Một ưu điểm của cách tiếp cận này là chỉ một công suất được
sử dụng cho mạch phát hiện. Dù nhỏ nhưng nó cũng là đáng kể khi so sánh với công suất trung bình tiêu thụ bởi node mạng. Một ưu điểm khác là điện áp nguồn sẽ ổn định hơn điều này dẫn tới sự vận hành tin cậy hơn của việc cảnh báo nguồn thấp.
Để nâng cao thời gian sống của nguồn, tỉ lệ dòng trung bình trên dòng đỉnh được làm giảm ở cuối thời gian sống của nguồn để dòng đỉnh được giảm. Điều này được thực hiện bằng cách xen kẽ các hoạt động của mạch nguồn cao để chúng không hoạt động đồng thời, bằng cách làm giảm tải dòng đỉnh trên nguồn, ngay lập tức điện áp rơi dọc điện trở trong của nguồn có thể được giảm khi đó điện áp cực sẽ lớn hơn ngưỡng nguồn thấp (Low Batterry).
Mạch phát hiện nguồn thấp rất quan trọng trong việc xác định một ngưỡng chính xác. Một node mạng cảm biến có thể có thời gian sống của nguồn là 1 năm. Nếu quá thời gian này, điện áp cực của nó dưới 0.5v và nếu cho rằng điện áp rơi là tuyến tính theo thời gian thì điện áp sẽ sụt khoảng 1,37mV/ngày, tương đương với 10mV/tuần. Một sai số ngưỡng dương (ngưỡng lớn hơn giá trị yêu cầu) sẽ làm tăng thời gian sống của node mạng.
Hiện tượng trễ trong mạch phát hiện nguồn thấp cũng rất quan trọng. Một điện áp rơi ít hơn 10nV/tuần là sự thay đổi rất chậm, đặc biệt là với công nghệ SoC (system-on-a-chip). Tuy nhiên điện áp nguồn chịu ảnh hưởng của một lượng nhiễu đáng kể gây ra bởi nhiều nguyên nhân trong mạch số. Nhiễu này gây ra hiện tượng sai lệch trong cảnh báo nguồn thấp (Low Battery) khi điện áp nguồn gần với giá trị ngưỡng. Do điện áp rơi là rất chậm nên hiện tượng sai lệch này có thể duy trì nhiều hơn một tuần.
Một giải pháp đưa ra là chốt cảnh báo nguồn thấp tại lần đầu tiên vượt ngưỡng thì không được mong đợi. Điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của nguồn mà còn không xác định được chính xác các tác động gây ra bởi nhiễu. Một giải pháp giải quyết vấn đề này là sử dụng hiện tượng trễ trong mạch phát hiện nguồn thấp (low battery). Hiện tượng trễ này có thể lấy ít nhất 2 khuôn dạng: continuous- time hoặc sampled hysteresis.
* Cảnh báo “Low Battery”
Có nhiều tín hiệu cảnh báo nguồn được tạo ra, nó phải trực tiếp tác động tới người sử dụng để quản lý các hoạt động của nguồn. Các biểu tượng quen thuộc về tín hiệu cảnh báo nguồn thấp (Low Battery) được thấy trên camera, cellphone và các PDA có thể được sử dụng trong các ứng dụng như nguyên lý máy tính cá nhân không dây (Wireless PC) nơi mà người sử dụng chờ để thấy tín hiệu cảnh báo. Chú ý rằng người sử dụng có thể gặp nhiều vấn đề ở các node mạng không được hiển thị và ở những nơi khó để quản lý. Thường thì bức điện cảnh báo được gửi luân phiên thông qua mạng cảm biến tới một node đang chạy các tiện ích trạng thái mạng.
Một tiện ích trạng thái mạng là một cổng nơi mà người sử dụng có thể quản lý trạng thái của mạng. Phụ thuộc vào các ứng dụng, tiện ích trạng thái mạng có thể là:
- Một xử lý nền chạy trên một node mạng.
- Một xử lý đang chạy trên phần chuyên dụng của phần cứng (như là Laptop hoặc PDA) được định kỳ truy cập vào mạng.
- Một xử lý đang chạy tại cổng node mạng (nếu có), ở đây người sử dụng có thể truy cập các tiện ích thông qua mạng Internet.
Trong nhiều các ứng dụng, tiện ích trạng thái mạng là vấn đề then chốt quyết định tới thành công của việc thiết kế mạng. Mặc dù mạng có thể tự tổ chức và tự vận hành nhưng người sử dụng một mạng lớn vấn phải chắc chắn mạng đảm bảo các chức năng của nó. Hơn nữa trong nhiều các ứng dụng đặc biệt trong trường hợp khẩn cấp trạng thái mạng phải hữu dụng.
Nếu cảnh báo nguồn thấp được gửi thông qua chính mạng cảm biến, thì node mạng phải được thiết kế để chức năng thu phát là chức năng sau cùng trong các điều khiển. Còn các chức năng khác của node như sự vận hành cảm biến, Actuators và giao diện người sử dụng phải chấp nhận sử dụng nguồn thấp để đảm bảo cho chức năng truyền nhận được thực hiện và tín hiệu cảnh báo nguồn thấp được gửi.
Các nguyên lý thiết kế node mạng cảm biến để node có khả năng điều hòa nguồn thấp:
- Node mạng chỉ gửi bức điện “thay đổi dấu trạng thái” đơn tới vị trí trung tâm chỉ khi nào cảnh báo nguồn thấp được thiết lập. Nguyên lý này tối ưu hóa mào đầu lưu lượng mạng nhưng cũng cung cấp một thông tin tối thiểu.
- Node mạng có thể gửi bức điện “ cập nhật trạng thái mạng” một cách định kỳ tới gốc mạng. Mặc dù nguyên lý này làm dài bức điện vận hành mạng nhưng nó cung cấp thông tin quan trọng tới người sử dụng.
- Nếu mạng không hỗ trợ bức điện “cập nhật trạng thái mạng”, node có thể chia sẻ thông tin trạng thái nguồn tới tất cả các node lân cận. Node này có thể trả lời các truy vấn liên quan tới trạng thái của nó nếu nó có thể thực hiện điều này. Khi nguồn của nó hỏng các node lân cận sẽ thông báo cho mạng lý do node hỏng.