Thông qua mô phỏng, kết quả thực nghiệm cũng cho thấy giải pháp này có sự cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng so với hệ thống cũ. Sẽ trình bày thực nghiệm ở phần tiếp theo 5.3.
5.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP BẰNG MÔ PHỎNG
5.3.1 Thí nghiệm mô phỏng
- Trước hết cần phải viết thêm mô đun để mô phỏng độ ẩm không khí và cập nhật vào bộ mô phỏng NS-2 add on Mannasim framework. Trên cơ sở bộ mô phỏng NS-2 + Mannasim framework, tôi đã viết các lớp ứng dụng để mô phỏng cho ứng dụng độ ẩm không khí:
humidityDataGenerator.h, humidityDataGenerator.cc, humidityAppData.h, humidityAppData.cc và sửa chữa một số lớp liên quan khác.
Kịch bản và các thông số: - Các thông số chính:
Bảng 5.6 Các thông số chính
Loại Số liệu Ghi chú
Vùng mô phỏng 200m x 200m 40.000m2
Thời gian mô phỏng 10 phút
Kiểu mạng Phân cụm
Kiểu triển khai Ngẫu nhiên
Sink 1
Accesspoint 1
30
Cluster head 4
Sensor 20
Năng lượng khởi đầu mỗi nút 10J
Antenna TwoRay MAC 802_11 rxPower 28.8mW transitionPower 22.2mW idlePower sleepPower 0.1mW transitionTime 0.005s processingPower 0.024mW instructionsPerSecond 8000000 - Các kiểu thu thập dữ liệu
Bảng 5.7 Các kiểu thu thập dữ liệu và tần suất
Kiểu dữ liệu Tần suất Ghi chú
Liên tục (continue)
Theo chu kỳ (period) 5 giây Theo yêu cầu (on demand) Trung bình 15 lần/10
phút
Theo sự kiện (event driven) Trung bình 5 lần/10 phút
- Các mức tiêu thụ năng lượng truyền của radio
Để tiến hành thí nghiệm ta giả định CPU và sensor làm việc bình thường, nguồn năng lượng tiêu tốn cố định. Ta có 5 mức công suất phát tùy vào cường độ nhận và khoảng cách:
Bảng 5.8 Các mức tiêu thụ năng lượng của radio [6]
Công suất Điện năng tiêu thụ Công suất tiêu thụ P =0.01mW (-20dBm) 5.3/8.6 mA 15.9mW P =0.3mW (-5dBm) 8.9/13.8 mA 26.7mW P =1mW (0dBm) 10.04/16.5 mA 30.1mW P =3mW (5dBm) 14.8/25.4 mA 44.4mW P =10mW (10dBm) 26.7 mA 80.1mW
- Viết script (Phụ lục), tiến hành chạy thử nghiệm 10 lần, lấy giá trị trung bình.
- Xuất ra kết quả tệp trace.
- Sử dụng các công cụ trích lọc, tính toán số liệu và tổng hợp thành bảng, vẽ biểu đồ.
31
5.3.2 Kết quả và đánh giá
a) Kết quả:
- Hình ảnh khi chạy thí nghiệm mô phỏng thông qua NAM:
- Dữ liệu đầu ra dạng têp vết (trace file).
- Tốc độ giảm năng lượng của nút sensor: Ta tiến hành trích ra diễn biến tiêu thụ năng lượng của một nút đối với hai trường hợp là một mức và nhiều mức, vẽ biểu đồ ta được: Ở đây tôi đã thí nghiệm cho 4 dạng thu thập dữ liệu, tuy nhiên xin trích vẽ hai dạng thu thập dữ liệu là continue và period.
+ Kiểu thu thập dữ liệu định kỳ: + Kiểu thu thập dữ liệu liên tục:
- Tổng mức năng lượng của các nút tham gia mô phỏng:
Bảng 5.9 Liệt kê năng lượng còn lại của các nút sensor sau 10 phút mô phỏng radio 5 mức radio đơn mức Chênh lệch Tỷ lệ % Period 5.3161693 5.598137 0.2819677 5.30 Continue 9.75689 11.116402 1.3595120 13.93 On demand 3.10545 3.132655 0.0272050 0.88 Event driven 2.985711 2.995817 0.0101060 0.34
Hình 5.10 Mức chênh lệch tiêu tốn năng lượng của hai trường hợp radio một mức công suất và 5 mức công suất đối với 4 kiểu thu thập dữ liệu
b) Đánh giá
32
Qua các bảng số liệu trên ta thấy rằng ở giải pháp sử dụng nhiều mức công suất tiêu thụ, năng lượng còn lại lớn hơn, có nghĩa là khi ta thực hiện điều chỉnh công suất phát ở nhiều mức khác nhau theo ngưỡng nhận và khoảng cách giữa các nút sensor thì công suất tiêu thụ sẽ giảm.
Tỷ lệ năng lượng tiết kiệm được phụ thuộc vào loại thu thập dữ liệu được triển khai. Bảng trên cho thấy đối với kiểu thu thập dữ liệu liên tục thì tiết kiệm được khoảng 14%, đối với kiểu theo chu kỳ thì tuy thuộc vào độ lớn chu kỳ, trong thí nghiệm thì chu kỳ = 5s, tiết kiệm được khoảng 5,3%. Đối với kiểu thu thập theo yêu cầu hay theo sự kiện thì tiết kiệm được khá ít, lý do là nhu cầu gửi gói tin của 2 kiểu này rất ít.
Mức năng lượng tiết kiệm được phụ thuộc vào mô hình triển khai, khả năng đa mức công suất phát của radio và kiểu thu thập dữ liệu.
Hạn chế của đề xuất này là đối với mô hình triển khai đều chẳng hạn mô hình triển khai theo dạng grid và địa hình bằng phẳng môi trường truyền dẫn đồng đều thì giải pháp này không tiết kiệm được năng lượng. Khi thay đổi mức công suất phát thì cần một thời gian trễ nhất định để thiết lập.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này tôi đã tiến hành nghiên cứu kiến trúc hệ thống tiêu thụ ít năng cho lượng mạng cảm biến, nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng và đề xuất giải pháp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng.
Một số kết quả cụ thể:
Về lý thuyết: Trình bày về tổng quan mạng WSN, các chuẩn không dây; Kiến trúc hệ thống WSN, sự tiêu tốn năng lượng của nút sensor; Một số giải pháp nhằm hạn chế sự tiêu tốn năng lượng cho mạng sensor. Nghiên cứu, đề xuất sử dụng radio nhiều mức công suất phát khác nhau.
Về thực nghiệm: Đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu, cài đặt một số bộ công cụ mô phỏng, lựa chọn bộ mô phỏng NS-2 và mô đun MANNASIM để mô phỏng WSN, viết thêm lớp để mô phỏng ứng dụng đo độ ẩm không khí. Tiến hành làm các thí nghiệm mô phỏng. Đánh giá sự tiêu tốn năng lượng của thành phần trong nút sensor. Đề xuất cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng WSN. Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp của tôi đề xuất có thể tiết kiệm được 0,34 đến 13,93% tùy thuộc vào kiểu thu thập dữ liệu của ứng dụng.
Tôi cùng cộng sự đã có báo cáo khoa học “Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho mạng sensor” trình bày tại Hội thảo Quốc gia XIV “Một số vấn đề chọn lọc của Công nghệ thông tin và Truyền thông” tổ chức tại Cần Thơ, tháng 10 năm 2011.
33
- Xây dựng thêm các lớp để mô phỏng ứng dụng cho WSN như áp suất, âm thanh… để làm phong phú thêm công cụ mô phỏng NS2 + Mannasim.
- Tiến hành triển khai đề xuất trên mạng thực để đánh giá so sánh kết quả.
- Nghiên cứu đề xuất thêm giải pháp tiết kiệm năng lượng như giao thức tiết kiệm năng lượng, thu thập dữ liệu thông minh, giao thức tầng MAC.
- Nghiên cứu vấn đề an ninh cho WSN.
- Nghiên cứu về vấn đề định vị mỗi nút sensor trong mạng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. PGS - TS. Trần Hồng Quân (2010), Bài giảng mạng không dây và di động. 2. PGS - TS. Nguyễn Đình Việt (2010), Bài giảng Đánh giá hiệu năng mạng.
Tiếng Anh
3. Andrea Goldsmith (2005), Wireless Communication, Cambridge University Press, pp 30 - 31.
4. Anis Koubâa, Mário Alves, Eduardo Tovar (2005), IEEE 802.15.4 for Wireless Sensor Networks: A Technical Overview.
5. Anna Hác (2003), Wireless Sensor Network Designs, Jonh Wiley and Sons, pp 165-170, 323-355.
6. Chipcon (2005), CC1000 data sheet, pp 5-10.
7. Edgar H. Callaway (2004), Wireless Sensor Network: Architectures and Protocol, CRC Press, pp 45 – 80.
8. Holger Karl and Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons.
9. Injong Rhee, Ajit Warrier, Mahesh Aia and Jeongki Min (2007), Z-MAC: a Hybrid MAC for Wireless Sensor Networks.
10. Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007), WIRELESS SENSOR NETWORKS: Technology, Protocols, and Applications, John Wiley & Sons.
11. Mark Hempstead, Nikhil Tripathi, Patrick Mauro, Gu-Yeon Wei, David Brooks (2005), An Ultra Low Power System Architecture for Sensor Network Applications.
12. Miloš Jevtić, Nikola Zogović, Goran Dimić (2009), Evaluation of Wireless Sensor Network Simulators, 17th Telecommunication forum
34
13. Tijs van Dam, Koen Langendoen (November 2003), An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks. in Proc. of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor
Systems (ACM SenSys).
14. The Manna Research Group (2006), Mannasim Framework Classes Manual.
15. S. Lindsey and C. Raghavendra (2002), PEGASIS: Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems, IEEE Aerospace Conf. Proc., vol. 3, 9-16.
16. Shio Kumar Singh, M P Singh and D K Singh (2010), Routing Protocols in Wireless Sensor Networks A Survey, Vol.1, No.2 (IJCSES).
17. Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer (2010), USA Fundamentals of Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, pp 47-57.
18. Wei Ye, John Heidemann, Deborah Estrin (June 2002), An Energy- Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks. In 21st Conference of the IEEE Computer and Communications Societies
(INFOCOM). 19. www.castalia.npc.nicta.com.au. 20. www.en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15 21. www.isi.edu/nsnam/ns. 22. www.mannasim.dcc.ufmg.br. 23. www.omnetpp.org. 24. www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf