Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn. Luận án được thực hiện hoàn toàn trong thời gian tôi là nghiên cứu sinh tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết quả, số liệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo từ các công trình đã được công bố đều được trích dẫn một cách rõ ràng và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 2 tháng 3 năm 2022 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SINH i
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến”, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, tập thể lãnh đạo, phòng đào tạo, các phòng ban chức năng, các cán bộ, chuyên viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy quý báu đó. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu, các nhà khoa học và cán bộ của Viện nơi tôi nghiên cứu đã tạo điều kiện, giúp đỡ và luôn động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn những người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, theo sát và luôn động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo cơ quan nơi tôi công tác cùng các đồng nghiệp, bạn bè đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình của tôi đã luôn động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận án ii
MỞ ĐẦU Động lực nghiên cứu Mạng cảm biến là một tập hợp phân tán các nút nhỏ có khả năng phối hợp hoạt động linh hoạt với nhau, ít cần sự tham gia của người dùng. Do có nhiều đặc điểm, tính năng vượt trội cùng sự phát triển của công nghệ không dây nên mạng cảm biến không dây gần đây đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều tiết giao thông, tự động hóa các tòa nhà, an ninh, quân sự, y tế, nông nghiệp, giám sát trong thương mại, giám sát cháy rừng, giám sát sinh thái,… Tuy nhiên, một hạn chế lớn của mạng cảm biến không dây là nguồn năng lượng. Các nút cảm biến không dây hiện có nguồn cung cấp chính mang theo là pin với dung lượng rất hạn chế. Pin cạn kiệt các nút cảm biến sẽ ngừng hoạt động dẫn đến mạng mất đi vùng phủ sóng và các chức năng mạng suy giảm, làm giảm chất lượng, phá vỡ cấu trúc mạng, mất vùng phủ sóng… và có thể dẫn đến mạng không còn tồn tại do nhiều nút bị hết năng lượng. Điều đó có nghĩa năng lượng liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề còn lại của mạng cảm biến. Vì vậy việc đảm bảo năng lượng duy trì hoạt động mạng là một vấn đề lớn khi triển khai ứng dụng mạng cảm biến Các giải pháp về năng lượng cho mạng cảm biến không dây cơ bản được xem xét theo các cấp độ nút và mạng. Cấp độ nút gồm các giải pháp như phát triển kỹ thuật phần cứng, phần mềm điều khiển tiết kiệm năng lượng, thu năng lượng từ môi trường cấp cho nút. Các giải pháp cấp độ mạng cơ bản như phát triển các giao thức tổ chức mạng, giao thức định tuyến, truyền thông, cơ chế lập lịch hoạt động tối ưu cho mạng. Các giải pháp đã góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm, thu thập bổ sung năng lượng và cải thiện tuổi thọ mạng cảm biến. Tuy nhiên, các giải pháp cấp độ nút phụ thuộc vào nhiều yếu tố công nghệ và khách quan như không gian, thời gian, thời tiết,…. Các giải pháp cấp độ mạng cũng phải tiêu hao nhiều năng lượng trong việc thực hiện các giao thức tổ chức mạng hoặc các cơ chế lập lịch. Như vậy điều đó là chưa đủ cho mục tiêu hoạt động của nút cảm biến và của toàn mạng trong dài hạn. Vì vậy vấn đề năng lượng của mạng cảm biến không dây vẫn rất cần được nghiên cứu và phát triển. Hơn nữa, các cơ chế lập lịch hoạt động tối ưu cho mạng chủ yếu giải quyết các bài toán đơn lẻ xác định và chưa xem xét đến quá trình năng lượng trong từng chế độ hoạt động của nút mạng. Trong khi đó, tối ưu hóa mạng cảm biến cho lớp bài toán ứng dụng là bài toán tối ưu hóa tổ hợp đa mục tiêu, nhiều ràng buộc đa dạng, phong phú và phức tạp đan xen nhau. Đây là lớp bài toán rất phức tạp, đòi hỏi đảm bảo mục tiêu yêu cầu của mạng đồng thời cần xem xét đến quá trình và mức tiêu thụ năng lượng ở từng chế độ của từng nút mạng để đảm bảo mạng hoạt động ổn định và lâu dài. Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong tự động hóa tòa nhà là một bài toán điển hình có nhiều mục tiêu, yêu cầu phức tạp liên quan đến năng lượng cần nghiên cứu để đưa ra giải pháp tối ưu. iii
Đề xuất và phạm vi nghiên cứu Trước vấn đề thực tế và được sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn. Luận án đề xuất nghiên cứu phát triển giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng mạng cảm biến có thể hoạt động ổn định lâu dài nhờ giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng đồng thời hỗ trợ các giải pháp năng lượng sẵn có hiệu quả hơn. Để thực hiện công việc nghiên cứu cần có công cụ chuyên dụng mô phỏng, giám sát quá trình năng lượng của mạng cảm biến và phát triển thuật toán tối ưu hóa. Luận án trình bày việc phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến liên quan đến năng lượng, phát triển thuật toán tối ưu hóa để tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng nhằm đảm bảo năng lượng hoạt động cho mạng cảm biến. Qua đó luận án thực hiện phương pháp giải bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng với sự kết hợp giữa nền tảng mô phỏng năng lượng và thuật toán tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến cho lớp bài toán ứng dụng. Đóng góp chính của luận án Luận án có hai đóng góp chính trong việc đưa ra giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng nhằm đảm bảo duy trì hoạt động cho mạng cảm biến: (1) Luận án nghiên cứu, đề xuất phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến tính đến yếu tố năng lượng. Nền tảng được phát triển có khả năng mô phỏng mạng và quá trình năng lượng, trạng thái và mức tiêu thụ năng lượng ở từng chế độ hoạt động của từng nút. Việc này giúp mô phỏng giám sát và hỗ trợ điều phối năng lượng cho mạng cũng như giải bài toán tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến. (2) Luận án đề xuất phát triển biến thể mới thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi (VLC-GA) cho bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng nhằm tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng đồng thời tối ưu hóa mục tiêu mạng với các ràng buộc. Bài toán tối ưu hóa được giải quyết thông qua tối ưu hóa lịch trình mạng bằng giải thuật di truyền biến thể mới với sự hỗ trợ của nền tảng mô phỏng tính đến yếu tố năng lượng. Sau đó, kết quả lịch trình tối ưu sẽ được cài đặt cho mạng thực hoạt động. Cấu trúc của luận án Phần “Mở đầu” trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án. Chương 1 giới thiệu, đặt vấn đề, phân tích về nhu cầu năng lượng của mạng cảm biến và thách thức. Từ đó đưa ra hướng tiếp cận và đề xuất nghiên cứu. Chương 2 đề cập, phân tích một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng của mạng cảm biến cũng như một số kết quả được công bố của các nghiên cứu sẽ được sử dụng trong quá trình thực hiện luận án. Chương 3 trình bày đề xuất và phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến tính đến yếu tố năng lượng. Chương 4 trình bày đề xuất và phát triển biến thể mới giải thuật di truyền cho bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng. Phần kết luận trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát triển tiếp theo. iv
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .......................... viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .............................. ix DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... xi Chương 1. Giới thiệu ............................................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 1 1.2. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng .............................. 3 1.2.1. Mạng cảm biến không dây.................................................................... 3 1.2.2. Nhu cầu năng lượng của mạng cảm biến và thách thức ....................... 8 1.3. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................... 15 1.4. Các nghiên cứu đề xuất ........................................................................... 17 Chương 2. Các nghiên cứu liên quan ................................................................. 19 2.1. Nguồn năng lượng dự trữ của nút cảm biến ............................................ 19 2.2. Thu năng lượng từ môi trường cho cảm biến .......................................... 22 2.2.1. Phương pháp thu năng lượng mặt trời ................................................ 24 2.2.2. Phương pháp thu năng lượng từ rung động cơ học ............................ 27 2.2.3. Phương pháp thu năng lượng nhiệt ..................................................... 30 2.2.4. Phương pháp thu năng lượng RF ........................................................ 32 2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến ................................... 34 2.3.1. Kiến trúc và chế độ làm việc linh hoạt của nút tiết kiệm năng lượng 35 2.3.2. Cảm biến tiêu thụ công suất thấp........................................................ 36 2.4. Các nghiên cứu về tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến . 37 2.4.1. Các nghiên cứu phát triển về thuật toán giao thức định tuyến ........... 38 2.4.2. Các phương pháp tối ưu hóa ............................................................... 40 2.5. Mô phỏng mạng cảm biến ....................................................................... 42 2.5.1. Phần mềm mô phỏng NS: ................................................................... 42 2.5.2. Phần mềm mô phỏng SENS ............................................................... 43 2.5.3. Phần mềm mô phỏng OMNeT ++: ..................................................... 44 2.5.4. Phần mềm mô phỏng OPNET ............................................................ 45 2.5.5. Phần mềm mô phỏng J-Sim ................................................................ 46 2.5.6. Phần mềm mô phỏng SENSE ............................................................. 46 v
2.6. Kết luận chương ...................................................................................... 48 Chương 3. Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng lượng ........................................................................ 49 3.1. Thiết kế chức năng nền tảng mô phỏng ................................................... 49 3.1.1. Chức năng nền tảng mô phỏng ........................................................... 50 3.1.2. Chức năng thiết lập mạng ................................................................... 52 3.1.3. Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng .......................................... 54 3.1.4. Chức năng chạy chương trình mô phỏng............................................ 55 3.2. Phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến ........................................ 56 3.2.1. Mô hình nút cảm biến ......................................................................... 56 3.2.2. Các lớp đối tượng ............................................................................... 59 3.2.3. Cơ chế hoạt động ................................................................................ 61 3.3. Phát triển thư viện các mô đun cho nền tảng mô phỏng ......................... 63 3.3.1. Phát triển mô đun pin.......................................................................... 63 3.3.2. Phát triển mô đun nguồn năng lượng ................................................. 65 3.3.3. Phát triển mô đun truyền thông .......................................................... 66 3.3.4. Phát triển mô đun cảm biến ................................................................ 68 3.4. Kết quả thử nghiệm với nền tảng mô phỏng ........................................... 69 3.4.1. Kết quả thử nghiệm mô phỏng pin ..................................................... 69 3.4.2. Kết quả thực nghiệm phục vụ kiểm nghiệm tính đúng đắn của nền tảng trong mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút mạng ................................. 71 3.4.3. Kết quả mô phỏng giám sát mức năng lượng của các nút cảm biến trong mạng ....................................................................................................... 85 3.4.4. Kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của các nút hoạt động độc lập và không có truyền thông ................................................................................. 87 3.4.5. Kết quả mô phỏng truyền thông theo cơ chế quảng bá ...................... 88 3.4.6. Kết quả mô phỏng truyền thông trong mạng theo cấu trúc cây.......... 90 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 ........................................ 91 3.5. Kết luận chương ...................................................................................... 94 Chương 4. Tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến .............................................. 96 4.1. Một số cơ chế lập lịch nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến ................................... ............................................................................................... 97 4.1.1. Cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp ...................................... 98 4.1.2. Cơ chế lập lịch cho mạng cảm biến phân cấp .................................... 99 4.1.3. Cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp .......................................... 99 vi
4.2. Đặt vấn đề cho bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến ............... 101 4.3. Tổng quan thuật toán di truyền .............................................................. 103 4.4. Tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài cố định ......................................................................... 105 4.4.1. Mô hình hóa bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài cố định .......................... 105 4.4.2. Kết quả trên nền tảng mô phỏng tính đến yếu tố năng lượng .......... 106 4.5. Tối ưu hóa lịch trình mạng sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi ............................................................................................... 110 4.5.1. Mô hình hóa bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi......................... 111 4.5.2. Giải bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng ........................................... 114 4.5.3. Kết quả thử nghiệm với một nút cảm biến ....................................... 115 4.5.4. Kết quả thử nghiệm với nhiều nút cảm biến..................................... 123 4.6. Kết luận chương .................................................................................... 126 Kết luận và hướng phát triển .............................................................................. 128 Danh mục các công trình đã công bố của luận án ............................................. 131 Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 133 vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự ADC Analog to Digital Converter sang số Developed Distributed Energy Phân cụm năng lượng phân tán DDEEC Efficient Clustering hiệu quả phát triển Distributed Energy Efficient Phân cụm năng lượng phân tán DEEC Clustering hiệu quả Flexible Length Chromosome- Giải thuật di truyền với nhiễm FLC-GA Genetic Algorithms sắc thể có chiều dài cố định GAs Genetic Algorithms Giải thuật di truyền Nền tảng mô phỏng dựa trên JSIM Java-based simulation Java Low Energy Adaptive Giao thức phân cấp theo cụm LEACH Clustering Hierarchy thích ứng năng lượng thấp MAC Media Access Control Giao thức kiểm soát đa truy cập MCU Micro Controler Unit Bộ vi điều khiển NS2 Network Simulator version2 Mô phỏng mạng phiên bản 2 NS3 Network Simulator version3 Mô phỏng mạng phiên bản 3 Network Based Environment Môi trường mạng cho mô hình NETSIM for Modelling and Simulation hóa và mô phỏng Optical Micro-Networks Plus OMNET++ Nền tảng mô phỏng mạng Plus Optimized Network Bộ công cụ mô phỏng kỹ thuật OPNET Engineering Tools mạng được tối ưu hóa Giao thức chế độ tiết kiệm năng PSM Power Save Mode lượng Periodic Terminal Initiated Giao thức thăm dò định kỳ thiết PTIP Polling bị đầu cuối RMSE Root Mean Square Error Sai số bình quân phương SEP Stable Election Protocol Giao thức lựa chọn ổn định Sensor, Environment and Trình mô phỏng và giả lập mạng SENS Network Simulator cảm biến SEnsor Network Simulator and SENSE Trình mô phỏng mạng cảm biến Emulator SOC State Of Charge Trạng thái sạc Variable Length Chromosome Giải thuật di truyền với nhiễm VLC-GA – Genetic Algorithms sắc thể có chiều dài thay đổi viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Ý Nghĩa BS Biến chọn chế độ ngủ cho nút BI Biến chọn chế độ chờ cho nút BM Biến chọn chế độ đo lường cho nút BC Biến chọn chế độ truyền thông cho nút BFV Giá trị hàm mục tiêu tốt nhất Δ Sai số phép đo P(Δ) Xác suất sai số 𝑆̂ Lịch trình mạng 𝑆𝑖 Lịch trình của nút i 𝑠𝑖 Độ dài của dãy trạng thái lịch trình nút i 𝑚𝑗𝑖 Chế độ ở trạng thái j của nút i 𝑡𝑗𝑖 Thời điểm bắt đầu trạng thái j của nút i 𝑀 Chế độ hoạt động với mức tiêu thụ điện năng cao hơn 𝑀 Chế độ ngủ có mức tiêu thụ năng lượng thấp q Cá thể trong quần thể lịch trình 𝑞 𝐶 Lịch trình mạng 𝑞 trong quần thể lịch trình 𝑞 𝑖 𝐶 Đoạn gen tương ứng lịch trình nút 𝑖 trong lịch trình mạng 𝑞 𝑞 𝑖 Trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 𝑞 𝑚𝑗 𝑞 𝑖 Thời gian của trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 𝑞 𝑡𝑗  Khoảng thời gian cố định trong lịch trình FLC-GA q C (k ) Nhiễm sắc thể của cá thể 𝑞 trong thế hệ 𝑘 q1 Ci (k ) Đoạn gen của nhiễm sắc thể của cá thể q1 ở thể hệ k tương ứng lịch trình nút i q mij ( k ) Trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 𝑞 trong thế hệ 𝑘  MC Xác suất phép sao chép gen  MI Xác suất phép chèn gen  MR Xác suất phép loại bỏ gen  MS Xác suất phép dịch chuyển gen  Tổng phép đo T Thời gian cạn pin  i Chênh lệch thời gian giữa hai lần đo liên tiếp Ls Mức pin ban đầu trong ngày Ls Mức pin cuối cùng trong ngày Qmin Dung lượng nhỏ nhất trong ngày Qmax Dung lượng lớn nhất trong ngày ΔQ Mức giảm dung lượng so với mức ban đầu tính trên cả chu kỳ mô phỏng Δtmax Thời gian lớn nhất giữa hai lần đo liên tiếp tính trên cả chu kỳ mô phỏng ix
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1.Ví dụ về sự đa dạng của pin NI-MH ......................................................... 22 Bảng 2.2. Đặc điểm một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời. ......................... 26 Bảng 2.3. Một số thiết bị thu năng lượng rung động. .............................................. 29 Bảng 2.4. Đặc điểm của một số nút thu năng lượng nhiệt khác nhau. ..................... 31 Bảng 2.5. Mức năng lượng thu được từ một số nguồn RF . ......... 33 Bảng 2.6. So sánh một số phương pháp thu năng lượng . ........................................ 34 Bảng 2.7. Mức tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của một số nút cảm biến . ............. 36 Bảng 2.8. Mức tiêu thụ của một số cảm biến giám sát năng lượng . ....................... 37 Bảng 3.1. Định thời gian các chế độ hoạt động theo 4 chu kỳ ................................. 74 Bảng 3.2. Kết quả đo công suất tiêu thụ của nút ở 10 lần thực nghiệm ngẫu nhiên 79 Bảng 3.3. So sánh kết quả năng lượng giữa thực nghiệm và mô phỏng .................. 85 Bảng 3.4. Các thông số ban đầu về năng lượng cho từng nút. ................................. 87 Bảng 3.5. Số liệu quá trình hoạt động của các nút ................................................... 93 Bảng 4.1. Tham số các nút mạng của kịch bản ...................................................... 107 Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng mạng theo lich trình tối ưu trong 3 ngày ................. 109 Bảng 4.3. Các thông số chính của nút cảm biến..................................................... 117 Bảng 4.4. Các tham số sử dụng trong VLC-GA..................................................... 117 Bảng 4.5. Kết quả các lần chạy thuật toán trong các trường hợp ........................... 122 Bảng 4.6. Kết quả tối ưu hóa mạng của VLC-GA và FLC-GA ............................. 125 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Một mạng cảm biến không dây điển hình .................................................. 4 Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản một nút cảm biến không dây ............................................ 5 Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây . ................................. 6 Hình 1.4. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến kiểu hình cây . ....................................... 8 Hình 1.5. Cấu trúc liên kết mạng cảm biến kiểu mạng lưới . .................................... 8 Hình 1.6. Năng lượng tiêu thụ dự kiến cho các hoạt động của nút cảm biến . ........ 11 Hình 1.7. Năng lượng tiêu thụ cho tác vụ truyền thông của nút cảm biến . ............. 12 Hình 1.8. Các công việc chính thực hiện nghiên cứu ............................................... 17 Hình 2.1. Mạch tương đương của pin ...................................................................... 19 Hình 2.2. Đặc tính phóng điển hình của pin . ........................................................... 20 Hình 2.3. Đặc tính nạp điển hình của một số loại pin . ............................................ 21 Hình 2.4. Pin Ni-MH và Lithium ............................................................................. 21 Hình 2.5. Các nguồn thu năng lượng cho mạng cảm biến. ...................................... 23 Hình 2.6. Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống thu năng lượng từ môi trường ................ 23 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật điều khiển thu năng lượng mặt trời . ................ 25 Hình 2.8. Thu năng lượng mặt trời cho nút cảm biến không dây ........................... 26 Hình 2.9. Mô hình phát điện quán tính tuyến tính .................................................. 27 Hình 2.10. Một số ứng dụng thu năng lượng từ rung động. ..................................... 29 Hình 2.11. Cấu trúc bộ thu và biến đổi nhiệt thành điện năng . ............................... 30 Hình 2.12. Thu năng lượng nhiệt cho cảm biến không dây .................................... 31 Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý bộ thu năng lượng RF ................................................. 32 Hình 2.14. Mô hình tương đương của ăng ten ........................................................ 32 Hình 2.15. Sơ đồ kiến trúc nút tiết kiệm năng lượng .............................................. 35 Hình 2.16. Phân loại kỹ thuật tối ưu hóa .................................................................. 41 Hình 2.17. Cấu trúc cơ bản của NS2 ....................................................................... 42 Hình 2.18. Cấu trúc cơ bản của NS3 ....................................................................... 43 Hình 2.19. Cấu trúc cơ bản của SENS .................................................................... 43 Hình 2.20. Cấu trúc logic của trình mô phỏng OMNeT++ ..................................... 44 Hình 2.21. Tổ chức phân cấp trong môi trường OPNET ........................................ 45 Hình 2.22. Mô hình môi trường WSNs điển hình của J-Sim .................................. 46 Hình 2.23. Cấu trúc nút trong SENSE ..................................................................... 47 Hình 3.1. Biểu đồ chức năng của nền tảng mô phỏng.............................................. 51 Hình 3.2. Biểu đồ chức năng thiết lập mạng. ........................................................... 52 Hình 3.3. Biểu đồ chức năng thiết lập môi trường đặt mạng. .................................. 54 Hình 3.4. Biểu đồ chức năng chạy mô phỏng. ......................................................... 55 Hình 3.5. Các mô đun cấu thành một nút cảm biến. ................................................ 57 Hình 3.6. Sơ đồ lớp cơ bản của nền tảng.................................................................. 59 Hình 3.7. Nguyên tắc hoạt động hướng theo sự kiện trong hệ thống phân cấp ....... 62 Hình 3.8. Sơ đồ lớp mô đun pin. .............................................................................. 64 Hình 3.9. Sơ đồ lớp nguồn năng lượng. ................................................................... 65 Hình 3.10. Sơ đồ lớp truyền thông ........................................................................... 66 Hình 3.11. Sơ đồ lớp mô đun cảm biến. ................................................................... 68 Hình 3.12. So sánh quá trình sạc pin Panasonic BK-60AAAH ............................... 70 Hình 3.13. So sánh quá trình xả pin Panasonic BK-60AAAH................................. 71 xi
Hình 3.14. Cấu trúc cơ bản nút cảm biến thực nghiệm. ........................................... 72 Hình 3.15. Mức năng lượng tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của nút cảm biến. ..... 73 Hình 3.16. Sơ đồ khối nút cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm. ........................................ 75 Hình 3.17. Sơ đồ mạch nguyên lý nút thực nghiệm đo nhiệt độ và độ ẩm. ............. 76 Hình 3.18. Lưu đồ thuật toán nút thực nghiệm đo nhiệt độ và độ ẩm...................... 77 Hình 3.19. Mô hình thực nghiệm đo công suất tiêu thụ của nút .............................. 78 Hình 3.20. Công suất tiêu thụ trung bình của các chế độ hoạt động của nút ........... 80 Hình 3.21. Công suất tiêu thụ của nút thực nghiệm khi truyền thông một bản tin . 80 Hình 3.22. Công suất tiêu thụ ở các chế độ đo lường, chờ và ngủ. .......................... 81 Hình 3.23. Biểu đồ lịch trình hoạt động của nút thực nghiệm. ................................ 82 Hình 3.24. So sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút khi thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng thời gian 500s. .................................................................................... 83 Hình 3.25. So sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút khi thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng thời gian 1h. ........................................................................................ 84 Hình 3.26. So sánh kết quả năng lượng tiêu thụ của nút khi thực nghiệm và mô phỏng trong khoảng thời gian 6h. ........................................................................................ 85 Hình 3.27. Mô phỏng quá trình đo lường và mức năng lượng hiện tại của nút cảm biến ........................................................................................................................... 86 Hình 3.28. Quá trình tiêu thụ năng lượng và thu nạp năng lượng mặt trời .............. 87 Hình 3.29. Kịch bản truyền thông với ràng buộc 5 bước, khoảng cách bước 5m.... 89 Hình 3.30. Kịch bản truyền thông với ràng buộc 10 bước, khoảng cách 10m. ........ 90 Hình 3.31. Quá trình truyền thông từ nút 35 đến nút chủ theo định tuyến có.......... 91 Hình 3.32. Quá trình truyền thông của các nút đến nút chủ theo định tuyến ........... 92 Hình 3.33. Quá trình năng lượng trong từng nút mạng ............................................ 92 Hình 4.1. Dòng năng lượng trong một nút điển hình. ............................................ 102 Hình 4.2. Lưu đồ thuật toán di truyền. ................................................................... 104 Hình 4.3. Vùng kiểm soát trong kịch bản tối ưu lịch trình mạng. .......................... 107 Hình 4.4. Giá trị hàm mục tiêu tốt nhất sau 100 thế hệ. ......................................... 108 Hình 4.5. Lịch trình mạng tương ứng giá trị hàm mục tiêu tốt nhất. ..................... 108 Hình 4.6. Dung lượng pin của 3 nút với lịch trình tốt nhất. ................................... 109 Hình 4.7. Số phép đo tối đa trong kịch bản mô phỏng. .......................................... 110 Hình 4.8. Biểu đồ biểu diễn lịch trình của một nút cảm biến ................................. 112 Hình 4.9. Hoạt động lai ghép giữa hai đoạn gen .................................................... 113 Hình 4.10. Hoạt động đột biến gen của nhiễm sắc thể ........................................... 114 Hình 4.11.Quy trình thực hiện tối ưu hóa lịch trình mạng ..................................... 115 Hình 4.12. Sự tiến triển giá trị hàm mục tiêu với VLC-GA và FLC-GA .............. 118 Hình 4.13. Lịch trình mạng tốt nhất trong trường hợp với một nút cảm biến........ 119 Hình 4.14. Diễn biến năng lượng của nút khi làm việc theo lịch trình tốt nhất trong các trường hợp là kết quả của VLC-GA và FLC-GA ............................................ 120 Hình 4.15. Số lần đo lường theo thời gian trong trường hợp một nút .................... 121 Hình 4.16. Sự tiến triển của giá trị hàm mục tiêu tốt nhất khi sử dụng VLC-GA và FLC-GA trong trường hợp nhiều nút. .................................................................... 123 Hình 4.17. Lịch trình mạng tốt nhất mỗi ngày trong trường hợp ba nút cảm biến 124 Hình 4.18. Diễn biến năng lượng của các nút khi làm việc theo lịch trình tối ưu là các kết quả của VLC-GA và FLC-GA.......................................................................... 124 xii
Hình 4.19. Số lượng giá trị đo lường theo thời gian của mạng gồm ba nút với lịch trình của VLC-GA và FLC-GA .............................................................................. 125 xiii
Chương 1. Giới thiệu 1.1. Đặt vấn đề Cảm biến có vai trò rất lớn trong các lĩnh vực khoa học, công nghiệp và đời sống; rất đa dạng và phong phú về chủng loại. Những năm gần đây, mạng cảm biến không dây có những bước tiến lớn trong kỹ thuật công nghệ và ứng dụng. Mạng cảm biến không dây được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng thực tiễn với nhiều đặc điểm và tính năng vượt trội như không cần hệ thống dây cấp nguồn và dây tín hiệu cho các nút cảm biến, khả năng tùy biến cao, hệ thống cảm biến có tính mềm dẻo linh hoạt, dễ triển khai trên diện rộng và trong các môi trường phức tạp. Hơn nữa, mạng cảm biến có khả năng tự tổ chức, hoạt động mà ít cần thiết hoặc không cần sự can thiệp của con người. Các giải pháp cho mạng cảm biến không dây cũng rất đa dạng, xoay quanh các vấn đề vùng phủ sóng, hiệu năng mạng, năng lượng và tuổi thọ mạng. Trong đó, vấn đề năng lượng cung cấp cho mạng cảm biến hoạt động liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề khác của mạng. Ví dụ, một số nút hết năng lượng thì mạng sẽ không đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng và khi số lượng nút hết năng lượng tăng đến một mức nào đó thì mạng không thể đảm bảo vùng phủ sóng tối thiểu để thực hiện các chức năng mạng hay nói cách khác mạng không còn tồn tại. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây được nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu dùng nguồn năng lượng có giới hạn mang theo là pin cho các nút cảm biến. Do đó, nguồn cung cấp cho mạng cảm biến không dây hoạt động có nhiều vấn đề hạn chế, khó khăn và không khả thi khi thực hiện trên diện rộng. Hơn nữa, mạng cảm biến là mạng hỗn tạp với số lượng nút cảm biến lớn và nhu cầu năng lượng của các nút lại khác nhau, phụ thuộc nhiều yếu tố nên thời gian làm việc của pin ở mỗi nút cảm biến trong mạng cũng khác nhau. Việc thay thế pin cho các nút cảm biến cũng là một vấn đề gặp phải nhiều khó khăn trở ngại lớn, xảy ra thường xuyên hàng ngày gây tốn kém về thời gian và kinh tế trong quá trình vận hành bảo dưỡng, đồng thời còn làm giảm chất lượng của toàn mạng. Vì vậy, việc đảm bảo nguồn năng lượng cho cảm biến cũng như việc giám sát và quản lý nguồn nuôi là một vấn đề khó khăn, phức tạp đòi hỏi cần sự quan tâm và nghiên cứu để đưa ra các giải pháp tối ưu khi sử dụng năng lượng nói riêng và tối ưu hóa mạng cảm biến không dây nói chung. Đây là thách thức lớn trong việc đảm bảo cho mạng cảm biến không dây hoạt động ổn định trong thời gian đủ dài đáp ứng yêu cầu ứng dụng. Nhiều nghiên cứu và giải pháp nhằm nâng cao tuổi thọ của từng nút cảm biến và toàn mạng. Chẳng hạn các giải pháp nỗ lực trong phát triển phần mềm và phần cứng nhằm giảm năng lượng tiêu hao nội tại nút [1], giải pháp thu năng lượng từ môi trường [2], giải pháp liên quan đến tổ chức hoạt động mạng, giải pháp liên quan định tuyến truyền thông nhằm giảm hoạt động truyền thông trong mạng để tiết kiệm năng lượng cho các nút mạng [3], … Về cơ bản, giải pháp năng lượng cho mạng cảm biến không dây có thể xem xét với hai cấp độ là giải pháp năng lượng ở cấp độ nút và giải pháp ở cấp độ mạng. 1
Giải pháp năng lượng cho mạng cảm biến ở cấp độ nút nhằm giải quyết vấn đề năng lượng tại một nút cảm biến. Những nỗ lực trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ pin nhằm tối thiểu hóa về kích thước và tối đa hóa về dung lượng, nhưng điều đó là không thể đủ. Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng cho nút cảm biến được đẩy mạnh theo hướng tiết kiệm năng lượng nhằm kéo dài tuổi thọ như phát triển các loại cảm biến sử dụng năng lượng thấp với các chế độ làm việc tiết kiệm năng lượng [4][5]. Các nút cảm biến được thiết kế theo các phương thức hoạt động linh hoạt với các chế độ như ngủ, chờ, đo lường, truyền thông được điều phối theo các sự kiện để tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến [6][7]. Phương pháp này thực chất là việc cố gắng tiết kiệm pin của một nút cảm biến nên không thể giải quyết triệt để được vấn đề vì dung lượng pin rất hạn chế. Một giải pháp khác cho vấn đề năng lượng của nút cảm biến được nghiên cứu phát triển là thực hiện thu năng lượng từ môi trường cho các nút cảm biến [8]. Môi trường xung quanh nút cảm biến có rất nhiều nguồn năng lượng như năng lượng mặt trời [9], năng lượng nhiệt [10], năng lượng rung động, năng lượng RF [11], năng lượng gió, ... Các năng lượng từ môi trường sẽ được thu thập và biến đổi thành năng lượng điện sau đó chuẩn hóa thành nguồn cấp cho nút cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ vào pin của nút cảm biến. Tuy nhiên, năng lượng thu từ môi trường xung quanh cảm biến phụ thuộc nhiều yếu tố như thời tiết, không gian, thời gian, … dẫn đến việc thu năng lượng cũng rất phức tạp, mật độ năng lượng biến đổi rất khó kiểm soát hoặc rất nhỏ khiến việc thu không đảm bảo công suất, không đảm bảo về hiệu suất thu năng lượng nên giải pháp này không thể đảm bảo cung cấp thường xuyên và đáp ứng được nhu cầu cần thiết về năng lượng cho các nút cảm biến và toàn mạng. Ngoài ra, bên cạnh việc cố gắng phát triển và ứng dụng các linh kiện điện tử công suất thấp để nhằm tiết kiệm phần nào năng lượng cho cảm biến, gần đây có nghiên cứu còn đề cập đến việc truyền năng lượng không dây trong mạng cảm biến, nhưng đến hiện tại tính hiệu quả và khả thi vẫn chưa thể ứng dụng được trong thực tế. Giải pháp năng lượng ở cấp độ mạng tập trung chủ yếu giải quyết tiết kiệm năng lượng trong vấn đề truyền thông. Các nghiên cứu đã đưa ra các thuật toán định tuyến, giao thức truyền thông [12] nhằm tiết kiệm năng lượng để nâng tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây như giao thức MAC [13], thuật toán cân bằng năng lượng của giao thức LEACH cho mạng cảm biến không dây [14], giao thức sử dụng năng lượng hiệu quả [15]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu đưa ra các thuật toán lập lịch hoạt động hoặc cơ chế hoạt động cho mạng theo một kịch bản nhằm tiết kiệm năng lượng. Ví dụ các nút sẽ chỉ truyền thông khi cần thiết, việc này sẽ được thực hiện theo cơ chế mà thuật toán đưa ra phụ thuộc vào mục tiêu mạng, phải đảm bảo các điều kiện ràng buộc của mạng cụ thể và nhằm đạt được tuổi thọ mạng cao nhất có thể [16][17]. Các giải thuật tối ưu hóa cũng được các nghiên cứu ứng dụng trong tối ưu hóa các vấn đề nhất định cho mạng cảm biến. Ví dụ, tối ưu hóa trong việc thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến [18]. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thu năng lượng từ môi trường cho nút cảm biến hay các nỗ lực tìm cách sử dụng linh kiện điện tử tiêu thụ công suất thấp cũng chỉ kéo dài tuổi thọ cho các nút với mức độ nhất định không thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của mạng trong các ứng dụng thực tế. Mặc dù giải pháp sử dụng các thuật toán tối ưu trong truyền thông của mạng cảm biến sẽ giúp tiết kiệm năng 2
lượng trong việc truyền thông, nhưng các nghiên cứu thường hướng tới thực hiện cho bài toán đơn lẻ với mục tiêu, các ràng buộc, các giả định xác định và khi áp dụng cho các bài toán khác tuy có mục tiêu tương tự nhưng với các ràng buộc không hoàn toàn giống ví dụ như số lượng các ràng buộc thay đổi, thì cần phải xem xét lại tính hiệu quả và tính khả thi của thuật toán. Như vậy các vấn đề tổng thể liên quan đến năng lượng cũng như tối ưu hóa cho mạng cảm biến rất cần được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Trước thực tế đó, luận án đề xuất và phát triển giải pháp tối ưu hóa liên quan đến năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Giải pháp sẽ hỗ trợ, kết hợp với các giải pháp năng lượng sẵn có và thực hiện giải lớp bài toán tối ưu hóa cho mạng cảm biến. Trong luận án này, một tập hợp bao gồm các nút cảm biến không dây hoặc tập hợp các nút cảm biến không dây và có dây đều được gọi là mạng cảm biến không dây, có nghĩa rằng trong mạng cảm biến không dây vẫn có thể có những nút cảm biến có dây. Mạng cảm biến không dây được nghiên cứu là một mạng hỗn tạp bao gồm các nút khác nhau về nguồn cung cấp, đa dạng về kỹ thuật và chủng loại cảm biến. Ngoài ra, các nút có thể khác nhau về khả năng thu năng lượng từ môi trường, khác nhau về khả năng truyền thông, … 1.2. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng 1.2.1. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây thực chất là hệ thống thu thập tín hiệu và truyền thông trên một vùng bao phủ, có tính chất của một hệ thống đo lường và mạng truyền số liệu không dây giữa các nút mạng chính là những nút cảm biến. Mạng cảm biến không dây có kiến trúc giao thức và cấu trúc liên kết của một mạng truyền thông nói chung. Các nút cảm biến vừa đóng vai trò nút mạng vừa thu thập tín hiệu từ môi trường tạo ra nguồn dữ liệu truyền thông trong mạng. 1.2.1.1. Mạng cảm biến không dây điển hình Mạng cảm biến không dây là mạng có tính hỗn tạp, bao gồm nhiều nút cảm biến đa dạng về chủng loại, ngoài các nút không dây còn có những nút có dây được cấp nguồn điện lưới. Các nút trong mạng cảm biến hỗn tạp có khả năng giao tiếp không dây với nhau tạo thành mạng cảm biến bao phủ một vùng không gian nhất định để thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ chất, … nhằm mục đích giám sát, điều khiển và quản lí vùng không gian đó. Mỗi nút cảm biến trong mạng có khả năng thu thập thông tin, xử lí dữ liệu và truyền thông tin về trạm cơ sở thông qua các nút cảm biến khác trong mạng. Trạm cơ sở có chức năng nhận dữ liệu từ các nút cảm biến và xử lí tín hiệu sau đó sẽ được chuyển tới người dùng thông qua Internet, đồng thời định tuyến các bản tin mạng theo các thông tin từ trạm cơ sở đến các nút cảm biến trong mạng [19][20][21], có thể mô tả một mạng cảm biến điển hình như Hình 1.1. 3
Vùng không gian đặt cảm biến Internet Nút trạm Người dùng Liên kết truyền thông Nút cảm biến Hình 1.1. Một mạng cảm biến không dây điển hình Nhìn nhận về khía cạnh truyền tin, mạng cảm biến không dây được biết đến với nhiều đặc điểm và tính năng vượt trội như không cần hệ thống dây cấp nguồn và dây tín hiệu cho các nút cảm biến, khả năng tùy biến cao, hệ thống cảm biến có tính mềm dẻo linh hoạt, dễ triển khai trên diện rộng và trong các môi trường phức tạp. Mạng có khả năng tự tổ chức, hoạt động mà ít cần thiết hoặc không cần sự can thiệp của con người. Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động của môi trường, mục đích của người dùng hoặc các yếu tố thay đổi trong mạng như sự di chuyển các nút, sự hư hỏng, xảy ra lỗi tại các nút cảm biến. Mạng cảm biến không dây có thể triển khai dày đặc với số lượng lớn các nút trên vùng không gian bao phủ. Mạng cảm biến ngày càng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng ở nhiều lĩnh vực và ở mỗi lĩnh vực ứng dụng lại đòi hỏi mạng cảm biến phải đáp ứng những đặc thù riêng. Để có thể đưa ra được đáp ứng tức thời cho người dùng thì rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ chất, khói, năng lượng tiêu thụ, trạng thái các thiết bị và cơ cấu chấp hành, hoạt động của người dùng, … cần được theo dõi và giám sát theo thời gian thực trong những không gian có khả năng tuỳ biến cao, nên mạng cảm biến không dây đang dần trở thành một thành phần không thể thiếu [22]. Mạng cảm biến được ứng dụng trong giám sát và bảo vệ môi trường [23]. Mạng cảm biến thể hiện được nhiều ưu điểm trong phát hiện chất độc trong môi trường, chất lượng không khí [24], giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiện ô nhiễm, chất thải đặc biệt với các nguồn nước tại các hệ thống sông ngòi và biển. Phát hiện động đất và hoạt động của núi lửa, giám sát cháy rừng cũng như hoạt động của động vật hoang dã trong rừng và di chuyển của các loài cá ngoài biển. Ngoài ra, việc giám sát các thông số môi trường sẽ rất hữu ích cho nông nghiệp thông minh. Các thông số môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ chất,... được tổng hợp để hệ thống đưa ra các quyết định nhằm chăm sóc cây trồng hoặc vật nuôi trong trang trại. Các ứng dụng trong y tế được sử dụng để theo dõi, giám sát bệnh nhân và hỗ trợ chăm sóc sức khoẻ người nhờ các cảm biến được gắn lên cơ thể [25]. Ví dụ như theo dõi người mắc bệnh Alzheimer, theo dõi về tình trạng hô hấp, tốc độ hô hấp, nhịp tim, huyết áp và truyền dữ liệu về máy phân tích [26]. Mạng cảm biến không dây được sử dụng rất hiệu quả trong hỗ trợ chăm sóc bệnh nhân trong các bênh viện hoặc tại nhà, giám sát trọng 4
lượng cơ thể, theo dõi lượng đường trong máu của bệnh nhân tiểu đường. Trong những năm gần đây, nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm biến không dây trong tự động hóa tòa nhà được phát triển mạnh mẽ [27][28]. Đây là bài toán có phạm vi ứng dụng rất rộng, phong phú và đa dạng cần kết hợp nhiều bài toán đo lường và điều khiển với nhiều hệ thống chức năng như quản lý thông tin năng lượng tòa nhà, quản lý điện, nước của tòa nhà, điều khiển ánh sáng, điều hòa thông gió, kiểm soát vào ra, an ninh tòa nhà, cảnh báo và phòng cháy chữa cháy, ... Hơn nữa, có nhiều loại tòa nhà với những công năng khác nhau dẫn đến những vấn đề đặt ra cho hệ thống tự động hóa cũng có những đặc thù riêng, nên sẽ có những yêu cầu cụ thể khác nhau đối với các hệ thống chức năng [29][30][31]. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cũng được ứng dụng trong các hệ thống giao thông nhằm điều tiết, phân luồng phương tiện giao thông công cộng hoặc giám sát sự ách tắc giao thông, hỗ trợ định vị, định tuyến trong giao thông; trong an ninh, giám sát và điều khiển trong công nghiệp và thương mại. Mạng cảm biến không dây đang được phát triển và ứng dụng trong các lĩnh vực thực tế một cách mạnh mẽ và triển vọng. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây cũng có những hạn chế nhất định như truyền thông có độ tin cậy không cao, quảng bá trong phạm vi hẹp. Các nút hạn chế về bộ nhớ và khả năng tính toán xử lí. Một vấn đề rất lớn cần quan tâm là năng lượng và tuổi thọ của mạng cảm biến. 1.2.1.2. Cấu trúc của nút cảm biến không dây Các nút cảm biến là thành phần chính cấu thành mạng cảm biến không dây. Cảm biến rất đa dạng về ứng dụng và phóng phú về chủng loại. Tuy nhiên, cấu trúc cơ bản của một nút cảm biến không dây được cấu thành bởi 5 mô đun cơ bản là nguồn dự trữ, cảm biến, điều khiển, truyền thông và thu năng lượng từ môi trường [32][33]. Cấu trúc cơ bản của một nút cảm biến không dây điển hình có thể được mô tả như Hình 1.2. ADC Cảm biến MCU Truyền thông Bộ thu phát Quản lý Năng lượng Thu năng lượng từ môi trường năng lượng Nguồn dự trữ Hình 1.2. Cấu trúc cơ bản một nút cảm biến không dây Mô đun nguồn dự trữ sẽ cung cấp năng lượng cho tất cả các mô đun trong nút cảm biến hoạt động. Mô đun cảm biến có nhiệm vụ thu thập tín hiệu đo và biến đổi chuẩn hóa tín hiệu phù hợp với đầu vào mô đun điều khiển để xử lí và điều hành hoạt động của nút. Mô đun truyền thông thực hiện việc truyền nhận thông tin, giao tiếp với các nút khác trong mạng. Các năng lượng từ môi trường được thu thập nhờ mô đun thu năng lượng và biến đổi thành năng lượng cung cấp cho nút cảm biến làm việc 5
hoặc lưu trữ vào pin. Năng lượng được thu thập và sử dụng trong nút cảm biến sẽ được quản lý và điều phối bởi mô đun điều khiển. Việc thu thập năng lượng từ môi trường cần được quyết định bởi các điều kiện về tính khả thi như khi thu năng lượng mặt trời thì phải là thời điểm ban ngày. Ngoài ra, việc sử dụng năng lượng cũng được điều phối theo các chế độ hoạt động của nút cảm biến. Truyền thông của nút là vấn đề phức tạp nhất và cũng tiêu tốn nhiều năng lượng nhất, nên đòi hỏi mô đun xử lí phải làm việc với những thuật toán phức tạp nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng cho nút và nâng cao tuổi thọ mạng. 1.2.1.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây được xây dựng và mô tả như trong Hình 1.3, bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lí [34][35]. Mặt phẳng quản lý dịch vụ Mặt phẳng quản lý di động Mặt phẳng quản lý Lớp ứng dụng năng lượng Lớp truyền tải Lớp mạng Lớp liên kết dữ liệu Lớp vật lý Hình 1.3. Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây [35]. Các mặt phẳng quản lí sẽ giúp các nút trong mạng phối hợp với nhau để thực hiện công việc chung của mạng, định tuyến dữ liệu và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến trong mạng. - Mặt phẳng quản lí năng lượng: việc sử dụng nguồn năng lượng của nút cảm biến được quản lí bởi mặt phẳng này. Năng lượng của nút cảm biến được phân chia cho từng bộ phận trong nút cảm biến, cho từng khâu và từng chế độ hoạt động của cảm biến. Vì vậy, bản thân mỗi nút cảm biến có thể biết được nhu cầu năng lượng và năng lượng hiện tại của mình tại mỗi thời điểm, từ đó sẽ có những thông báo về nguồn năng lượng cho các nút xung quanh để các nút xung quanh có những xử lí công việc thích hợp, chẳng hạn nếu một nút đã thông báo rằng năng lượng của nó hiện thấp không đủ cho hoạt động thì các nút khác sẽ không kết nối để truyền dữ liệu với nút này nữa mà sẽ tìm một nút khác trong mạng để tiếp tục công việc cần thiết, tránh được kết nối không cần thiết và lãng phí năng lượng vô ích. - Mặt phẳng quản lí di động: nhiệm vụ của mặt phẳng này là phát hiện và ghi nhận sự chuyển động của các nút để biết xem nút nào là nút lân cận của mình. - Mặt phẳng quản lí dịch vụ: chức năng của mặt phẳng này là điều phối công việc, hợp tác làm việc giữa các nút cảm biến trong một vùng mà ở đó các nút phải thực hiện các nhiệm vụ có sự liên quan đến nhau. Không phải tất cả các nút cảm biến đều 6
phải thu thập tín hiệu tại cùng một thời điểm, các nút cảm biến sẽ thực hiện các nhiệm vụ của riêng mình và kết hợp với nhau để thực hiện công việc chung của toàn mạng. Sự điều phối này sẽ tạo ra quá trình làm việc nhịp nhàng hơn và tránh những sự chồng chéo trong công việc không cần thiết gây lãng phí về thời gian và năng lượng của các nút và toàn mạng. - Lớp vật lý: nhiệm vụ của lớp vật lý là lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát tín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu. - Lớp liên kết dữ liệu: nhiệm vụ của lớp này là ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường truyền thông có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy cập môi trường cần phải xét đến vấn đề công suất và khả năng tối thiểu hóa việc xung đột với thông tin của các nút cảm biến khác trong mạng. - Lớp mạng: mạng cảm biến không có cấu trúc hạ tầng cơ sở, đa luồng, mỗi nút cảm biến trong mạng có thể thu thập dữ liệu như một nút nguồn và có thể đóng vai trò là nút chuyển tiếp dữ liệu của các nút khác tới nút trạm. Do đó, lớp mạng có nhiệm vụ định tuyến dữ liệu về phía trạm cơ sở (base station, sink). Mặt khác, hiệu quả về năng lượng luôn là vấn đề được quan tâm. Định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng cảm biến đã được nhiều nghiên cứu quan tâm phát triển với các thuật toán định tuyến nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng trong truyền thông của mạng cảm biến. - Lớp truyền tải: lớp này cần thiết khi hệ thống được lên kế hoạch để truy cập thông qua mạng internet hoặc các mạng bên ngoài khác. - Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng khác nhau có thể được xây dựng và ứng dụng ở lớp ứng dụng. 1.2.1.4. Cấu trúc liên kết và kiểu liên kết mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây có đầy đủ cấu trúc liên kết của mạng truyền thông, bao gồm có nhiều kiểu cấu trúc khác nhau như cấu trúc trục tuyến (Bus), cấu trúc hình sao (Star), cấu trúc hình cây (Tree), cấu trúc hình vòng tròn (Ring), cấu trúc hình vùng tròn (Circular), cấu trúc lưới (Mesh), cấu trúc mắt lưới (Grid) [36][36]. Mỗi cấu trúc liên kết đều có những ưu nhược điểm riêng. Cấu trúc trục tuyến dễ cài đặt nhưng lại rất dễ xung đột và tắc nghẽn đường truyền khi số lượng nút trong mạng tăng lên nhiều. Cấu trúc hình sao có ưu điểm đơn giản và khả năng tiết kiệm năng lượng cao, nhưng vùng bao phủ sẽ hẹp với mạng có một nút cơ sở. Cấu trúc cây chia các nút thành các nhóm và nút trưởng nhóm chịu trách nhiệm việc giao tiếp của cả nhóm, nên có thể khắc phục nhược điểm của cấu trúc sao nhưng gánh nặng công việc truyền thông lại đặt lên các nút trưởng nhóm và khiến các nút này nhanh chóng hết năng lượng. Cấu trúc cây có thể được mô tả như trong Hình 1.4. 7