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.
Hình 3.28. Quá trình tiêu thụ năng lượng và thu nạp năng lượng mặt trời
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Thoi gian (h) D u n g l u o n g p in (m Ah ) Q nut temperature Q nut humidity Q nut light
20%Qmax nut temprature 20%Qmax nut humidity 20%Qmax nut light
88 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.