Mục tiêu nghiên cứu phát triển mạng cảm biến không dây tự chủ năng lượng theo hướng tối ưu hóa sử dụng năng lượng, mỗi nút cảm biến trong mạng ngoài tác vụ thực hiện chức năng cảm biến, truyền thông giao tiếp với các nút khác trong mạng để cộng tác giải quyết công việc chung của toàn mạng, cần có khả năng thu thập năng lượng từ môi trường, tích lũy năng lượng và có khả năng chủ động điều phối việc sử dụng năng lượng trong quá trình hoạt động. Ví dụ như nút có thể chuyển về chế độ ngủ khi không cần thiết làm việc hoặc thức dậy làm việc khi có các sự kiện được yêu cầu, nút có thể chủ động trong việc ra các quyết định khi tương tác với môi trường như quyết định thu thập năng lượng từ môi trường hay không hoặc quyết định truyền thông hay không với các nút khác, chia sẻ thông tin hoặc năng lượng nhằm đảm bảo mục tiêu của bài toán ứng dụng mạng cảm biến, ...
Mỗi nút cảm biến có một mô đun điều khiển để quản lý và điều phối chung tất cả các hoạt động của nút. Hơn nữa, các nghiên cứu phát triển về cấu trúc phần cứng của nút cảm biến như đã trình bày ở chương 2, đặc biệt là các cấu trúc nút liên quan đến vấn đề tiết kiệm năng lượng đều đưa ra cấu trúc nút bao gồm 5 mô đun chức năng là pin, cảm biến, thu năng lượng từ môi trường, truyền thông và điều khiển. Thực tế, các nút cảm biến cũng đã được chế tạo theo cấu trúc gồm 5 mô đun này nhằm phục vụ cho việc thực hiện các thuật toán tiết kiệm năng lượng tại nút được thuận tiện. Nghiên cứu phát triển tối ưu hóa mạng cảm biến trong các bài toán ứng dụng đòi hỏi việc mô phỏng phải phản ánh các yêu cầu của thực tế, tức là mô hình nút trong các phần mềm mô phỏng phải thể hiện được sự tương đồng về cấu trúc cũng như các thuộc tính, phương thức giống nút trong thực tế.
Tuy nhiên, các phần mềm mô phỏng sẵn có được thiết kế tập trung cho mô phỏng các vấn đề về truyền thông trong mạng cảm biến không dây như phân tích ở chương 2. Vì vậy, nút cảm biến cũng được mô hình hóa theo hướng phục vụ truyền thông, các mô hình phục vụ về mô phỏng năng lượng gần như chưa được quan tâm [106][107]. Mô hình thu năng lượng từ môi trường cho nút cảm biến không được đề cập [109]-[114]. Ví dụ như phần mềm mô phỏng mạng cảm biến SENS, nút được mô hình hóa với ba mô đun là ứng dụng, truyền thông mạng, vật lý [107]. Phần mềm mô phỏng mạng cảm biến SenSim [122], phát triển mở rộng cho OMNeT++ bằng cách cung cấp các mô đun cấp độ nút có phần cứng với các mô hình chức năng cảm biến và mô hình năng lượng. Mô hình năng lượng bao gồm một mô hình pin đơn giản
57 đóng vai trò nguồn cung cấp và các mô hình sử dụng năng lượng là vi điều khiển và truyền thông. Trình mô phỏng mạng cảm biến SENSE [119], phát triển nhằm cải thiện một số vấn đề của J-Sim, trong đó cung cấp mô hình nút bao gồm các mô đun cho truyền thông, mô đun pin, quản lý năng lượng, cảm biến và ứng dụng. Nhưng SENSE không mô hình hóa cảm biến với bất kỳ chi tiết nào và thiếu các mô-đun đã phát triển. Trình mô phỏng mạng cảm biến SensorSim [115] kế thừa một số lợi thế của NS-2 và đưa ra mô hình bao gồm các mô hình pin, truyền thông, điều khiển và cảm biến để phản ánh mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời thiết kế một số chế độ hoạt động trong mỗi mô hình. Ví dụ, mô hình truyền thông có năm chế độ khác nhau bao gồm Truyền, Nhận, Chờ, Ngủ và Tắt. Tuy nhiên, dự án phát triển SensorSim đã dừng lại khi chưa được hoàn thành.
Việc mô hình hóa nút trong các phần mềm có sẵn theo hướng phục vụ truyền thông và chưa quan tâm đến các mô hình năng lượng của nút trong quá trình hoạt động dẫn đến rất khó khăn thậm chí không thể phát triển mô phỏng về năng lượng cho mạng cảm biến, nên không phù hợp để ứng dụng trong hỗ trợ giải bài toán tối ưu hóa sử dụng năng lượng của mạng, do cần thiết phải xem xét đến quá trình năng lượng, mức tiêu thụ năng lượng trong từng mô đun hoặc từng chế độ làm việc của nút cảm biến.
Luận án xây dựng mô hình nút cảm biến với 5 mô đun chính tương đồng cấu trúc của một nút cảm biến trong thực tế, bao gồm pin (Battery), nguồn năng lượng (Power), cảm biến (Sensor), truyền thông (Comm) và điều khiển (Control). Hình 3.5 biểu diễn cấu trúc nút cảm biến của nền tảng mô phỏng.
Hình 3.5. Các mô đun cấu thành một nút cảm biến.
Mô đun Pin (Battery): là thành phần dự trữ và cung cấp năng lượng cho nút cảm biến hoạt động. Các thông số, tham số cơ bản cần quan tâm là loại pin (pin lithium, pin nikel hay pin acid, ...), điện áp danh định, dòng danh định, dòng xả, dòng sạc, điện áp đầy, dung lượng pin (dung lượng lớn nhất, dung lượng hiện tại). Như vậy trong hoạt động thiết lập mạng, người dùng có thể lựa chọn và có thể thay đổi các thông số mô đun pin cho từng nút cảm biến để phù hợp với nút thực tế của ứng dụng.
78 Trong thực nghiệm này, luận án sử dụng vỉ thu thập dữ liệu NI-DAQ/BNC2110 của hãng NI (National Instruments), có khả năng lấy mẫu tới 10.000 (mẫu/s). Bên cạnh đó, cần sử dụng phần mềm LabVIEW trên máy tính để đọc số liệu đo từ NI- DAQ/BNC-2110 và lưu dữ số liệu vào ổ cứng máy tính rồi có thể xuất dữ liệu ra file dưới dạng excel. Mô hình thực nghiệm cũng như quá trình thực hiện đo công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động của nút cảm biến được chỉ ra trong Hình 3.19
Hình 3.19.Mô hình thực nghiệm đo công suất tiêu thụ của nút
Công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động đều là công suất một chiều. Việc thu thập dữ liệu công suất tiêu thụ của các chế độ ngủ, chờ, đo lường sẽ được lấy mẫu theo một khoảng thời gian xác định. Trong thực nghiệm dữ liệu được thu thập với khoảng thời gian là 30s. Công suất tiêu thụ của chế độ truyền thông được đo trên một lần truyền thông cho một bản tin.
Trong thực nghiệm này, việc thực hiện đo và lấy mẫu đồng thời giá trị điện áp và dòng điện theo 2 kênh đo của vỉ thu thập NI-DAQ/BNC2110. Dữ liệu bao gồm giá trị của các tín hiệu và thời gian lấy mẫu được lưu vào tập dưới dạng excel. Việc thực nghiệm đo được thực hiện nhiều lần trên một phép đo ở các thời điểm khác nhau để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy.
Sau khi thu thập, xử lý và gia công số liệu [124], công suất tiêu thụ trung bình của từng chế độ hoạt động được tính theo công thức 3.3.
𝑃 =∑𝑛𝑘=1𝑈𝑘.𝐼𝑘
𝑛 (3.3)
Trong đó:
𝑃: công suất tiêu thụ trung bình (W)
𝑈𝑘: điện áp nút cảm biến sử dụng ở lần lấy mẫu thứ 𝑘 (V) 𝐼𝑘: dòng điện tiêu thụ của nút ở lần lấy mẫu thứ 𝑘 (A)
79 𝑘 : thứ tự lần lấy mẫu
𝑛 : số lần lấy mẫu.
Công đoạn tiếp theo là gia công số liệu để có kết quả [124], công đoạn này đòi hỏi phải tuân thủ theo nhiều bước như kiểm tra tính hợp lý nhằm phát hiện các sai sót gây nên bởi các bất hợp lý trong quá trình thu thập số liệu và thực hiện các phép bù sai số, thực hiện tính toán kết quả phải đảm bảo yêu cầu sai số tính toán không đáng kể, tính toán sai số,… Nội dung số liệu kết quả phép đo cần được trình bày theo cách sắp xếp có ý nghĩa về tính chính xác và lịch sử của các điểm đo.
Sau khi thực hiện nhiều lần, trong nhiều ngày khác nhau và lấy ngẫu nhiên số liệu của 10 lần thực nghiệm để tính toán công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động của nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm. Bảng 3.2 biểu diễn kết quả thực nghiệm đo công suất tiêu thụ của các chế độ hoạt động. Mỗi chế độ hoạt động được lấy ngẫu nhiên 10 kết quả của 10 lần đo trong tập kết quả đo của thực nghiệm. Các giá trị công suất của chế độ truyền thông là các giá trị công suất tiêu thụ trung bình của mỗi lần truyền một bản tin. Các giá trị công suất của các chế độ còn lại là công suất trung bình tính trên khoảng thời gian mà chế độ đó hoạt động. Công suất của các chế độ đo lường, chờ và ngủ khá ổn đinh, không bị biến động như chế độ truyền thông nên khoảng thời gian đo công suất cho ba chế độ này không phải là yếu tố quan trọng. Trong thực nghiệm khoảng thời gian này thường là 30s đến 40s.
Bảng 3.2. Kết quả thu thập công suất tiêu thụ của nút ở 10 lần thực nghiệm ngẫu nhiên
Công suất tiêu thụ Thực nghiệm Truyền thông 1 bản tin (mW) Chế độ đo lường (mW) Chế độ chờ (mW) Chế độ ngủ (W) 1 431,71 222,91 196,75 192,82 2 419,01 218,48 194,88 191,22 3 421,09 219,75 194,64 191,44 4 407,77 215,61 194,09 191,75 5 420,44 218,55 195,60 191,93 6 398,95 208,46 192,95 191,46 7 406,70 211,98 193,47 191,01 8 418,72 210,05 194,34 191,77 9 419,99 210,97 195,87 191,20 10 421,09 212,02 195,03 191,74
Để dễ quan sát công suất thụ năng lượng của nút ở mỗi chế độ hoạt động, có thể biểu diễn kết quả theo đồ thị và để ở thang đơn vị là W. Hình 3.21 biểu diễn công suất tiêu thụ trung bình ở các chế độ hoạt động của nút trong những thực nghiệm. Công suất truyền thông là lớn nhất và giao động từ 0.4W đến 0.45W. Công suất chế độ ngủ và chế độ chờ không khác nhau đáng kể. Đầu cảm biến được sử dụng cho nút cảm biến có công suất tiêu thụ nhỏ nên ở chế độ đo lường công suất tiêu thụ cũng không lớn hơn nhiều so với chế độ chờ.
80
Hình 3.20. Công suất tiêu thụ trung bình của các chế độ hoạt động của nút
Mặt khác, công suất tiêu thụ của nút ở các chế độ có thể được biểu diễn dưới dạng quá trình theo thời gian để có thể quan sát được đặc tính công suất tiêu thụ của từng chế độ. Một bản tin được truyền sẽ mất một khoảng thời gian, công suất tiêu thụ của chế độ truyền thông được đo trong khoảng thời gian đó và được vẽ riêng một đồ thị như trong Hình 3.21. Mỗi lần truyền thông để gửi bản tin về thời điểm đo, giá trị nhiệt độ và độ ẩm sẽ mất khoảng thời gian Ttt. Các lần thực nghiệm đều thấy Ttt nằm trong khoảng từ 31s đến 33s. Ba chế độ còn lại, việc đo thử nghiệm được thực hiện chủ động trong khoảng thời gian tùy ý. Dữ liệu của lần thực nghiệm này được thực hiện trong khoảng 40s cho cả ba chế độ và vẽ chung trên một đồ thị được biểu diễn như trong Hình 3.22. Từ kết quả đo và quan sát trên đồ thị theo thời gian thấy rằng trong quá trình truyền thông một bản tin, công suất tiêu thụ biến động lớn, còn các chế độ khác tương đối ổn định.
Hình 3.21. Công suất tiêu thụ của nút thực nghiệm khi truyền thông một bản tin
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 C o n g s u a t ti e u t h u t ru n g b in h ( W ) Lan do Truyen thong Do luong Cho Ngu 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Thoi gian (s) P ( W ) Ttt
81 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.22. Công suất tiêu thụ ở các chế độ đo lường, chờ và ngủ.
Kết quả của một trong những lần thực nghiệm về đo công suất tiêu thụ ở các chế độ đo lường, chờ và ngủ như trong Hình 3.22. Trong đó đường P1 là công suất tiêu thụ khi nút cảm biến làm việc ở chế độ đo lường, đường P2 là công suất tiêu thụ khi nút ở chế độ chờ và đường P3 là công suất tiêu thụ khi nút ở chế độ ngủ. Thực tế, sau nhiều lần đo và tính toán công suất tiêu thụ ở các chế độ hoạt động, cho thấy các kết quả tương đối giống nhau và ổn định, và cũng nhận thấy rằng công suất tiêu thụ cho truyền thông lớn hơn nhiều so với các chế độ hoạt động khác của nút cảm biến. Đối với chế độ truyền thông, các lần thực nghiệm cho đặc tính công suất tiêu thụ khi truyền thông một bản tin tương đối giống nhau và ổn định về giá trị và thời gian hoàn tất một lần truyền thông.
Để thuận tiện cho việc sử dụng các kết quả trong các công việc thử nghiệm mô phỏng tiếp theo, công suất được tính toán theo công suất tiêu thụ trung bình (𝑃̅) ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến như sau:
Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ ngủ:
𝑃̅ngủ = 191,63 (mW); Δ(-1,18mW, +0,62mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ chờ:
𝑃̅chờ = 194,76 (mW); Δ(-1,99mW, +1,81mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ đo lường:
𝑃̅đo lường = 214,88 (mW); Δ(-8,03mW, +6,42mW); P(Δ) = 0,95. Công suất tiêu thụ trung bình ở chế độ truyền thông:
𝑃̅truyền thông = 416,55 (mW); Δ(-15,16mW,+17,60mW); P(Δ) = 0,95. Với kết quả thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ ở từng chế độ hoạt động của nút cảm biến sẽ góp phần quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề liên quan đến năng lượng mạng cảm biến. Kết quả này đặt biệt có ích trong việc xây dựng
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0.19 0.195 0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 Thoi gian (s) P ( W ) P1 khi do luong P2 khi cho P3 khi ngu P2 P3 P1
82 và triển khai nền tảng mô phỏng tính đến yếu tố năng lượng của mạng cảm biến, là bộ dữ liệu cơ sở giúp tính toán mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút, làm tiền đề để so sánh giữa việc mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá nền tảng, đặc biệt là khả năng mô phỏng về năng lượng của nền tảng.
Các kết quả công suất tiêu thụ của thực nghiệm này cũng được sử dụng cho các kịch bản thử nghiệm trong tối ứu hóa lịch trình mạng, sẽ được trình bày trong chương 4. Trên cơ sở đó sẽ phát triển về điều phối tối ưu năng lượng và tối ưu hóa cho mạng cảm biến.
3.4.2.4. Kết quả thử nghiệm mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến hoạt động theo lịch trình với các khoảng thời gian cố định
Thử nghiệm này nhằm mục đích xác thực mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến. Để việc thử nghiệm được đơn giản, kịch bản thực hiện với một nút cảm biến thực nghiệm. Nút được cài đặt hoạt động luân phiên giữa bốn chế độ ngủ, chờ, đo lường và truyền thông với một lịch trình theo thời gian. Các khoảng thời gian của mỗi chế độ hoạt động là cố định. Năng lượng tiêu thụ của nút được đo liên tục trong các chu kỳ lịch trình bằng phương pháp đo và thiết bị đo như đã trình bày tại mục (3.4.2.3).
Mặt khác, kịch bản này cũng được thiết lập trên nền tảng mô phỏng cho nút cảm biến này hoạt động theo lịch trình giống nút thực, đồng thời đo và giám sát năng lượng tiêu thụ của nút. Mô hình thực nghiệm và mô phỏng sẽ hoạt động với cùng một khoảng thời gian. Sau đó so sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến giữa mô phỏng và thực nghiệm.
Nút cảm biến được sử dụng chính là nút đo nhiệt độ và độ ẩm được chế tạo như đã trình bày trong mục (3.4.2.2). Lịch trình hoạt động cho nút như sau: khi được khởi động, nút hoạt động ở chế độ chờ 10s sau đó chuyển sang hoạt động ở chế độ đo lường 20s, tiếp theo chuyển sang truyền thông 35s, sau đó chuyển về chế độ ngủ 60s. Chu kỳ hoạt động được lặp lại cho đến khi tác động dừng trên nút cảm biến. Hình 3.23 biểu diễn lịch trình với các chế độ hoạt động của nút cảm biến thực nghiệm.