(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến
Trang 1LỜI 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
Trang 2Tôi 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
Trang 3MỞ 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
Trang 4Đề 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
(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
Trang 5MỤC 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
Trang 62.6 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
Trang 74.2 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
Trang 8DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang số DDEEC Developed Distributed Energy
JSIM Java-based simulation Nền tảng mô phỏng dựa trên
Java LEACH Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Giao thức phân cấp theo cụm 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 NETSIM Network Based Environment
for Modelling and Simulation
Môi trường mạng cho mô hình hóa và mô phỏng
OMNET++ Optical Micro-Networks Plus
Polling
Giao thức thăm dò định kỳ thiết
bị đầu cuối RMSE Root Mean Square Error Sai số bình quân phương
SEP Stable Election Protocol Giao thức lựa chọn ổn định SENS Sensor, Environment and
Network Simulator
Trình mô phỏng và giả lập mạng cảm biến
SENSE SEnsor Network Simulator and
VLC-GA Variable Length Chromosome
– Genetic Algorithms
Giải thuật di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi
Trang 9DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
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
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 Thời gian của trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 𝑞
Khoảng thời gian cố định trong lịch trình FLC-GA
Nhiễm sắc thể của cá thể 𝑞 trong thế hệ 𝑘
Đoạn gen của nhiễm sắc thể của cá thể q1 ở thể hệ k tương ứng lịch trình
nút i
Trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 𝑞 trong thế hệ 𝑘
Xác suất phép sao chép gen
Xác suất phép chèn gen
Xác suất phép loại bỏ gen
Xác suất phép dịch chuyển gen
Tổng phép đo
Thời gian cạn pin
Chênh lệch thời gian giữa hai lần đo liên tiếp
Mức pin ban đầu trong ngày
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
Trang 10DANH 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
Trang 11DANH 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
Trang 12Hình 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
Trang 13Hình 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
Trang 14Chương 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
Trang 15Giải 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
Trang 36Hình 2.5 Các nguồn thu năng lượng cho mạng cảm biến [48]
Hình 2.6 Sơ đồ khối nguyên lý hệ thống thu năng lượng từ môi trường
Tùy thuộc vào loại năng lượng của môi trường sẽ có phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau Có thể cùng một loại năng lượng cũng sẽ có các phương pháp, kỹ thuật và công nghệ thu khác nhau Điều quan trọng nhất là công nghệ thu năng lượng vì nó quyết định rất lớn đến hiệu suất thu năng lượng Một vấn đề nữa là các nút cảm biến không dây yêu cầu kích thước nhỏ gọn để tiết kiệm năng lượng nên cũng yêu cầu kích thước của bộ phận thu năng lượng từ môi trường càng nhỏ càng tốt Về cơ bản, cấu trúc của nút cảm biến không dây có khả năng thu năng lượng từ môi trường không khác nút cảm biến không dây thông thường, sự khác biệt là có thêm bộ phận thu năng lượng [52][53][54] Thiết bị thu năng lượng từ môi trường có nhiệm vụ thu thập năng lượng sẵn có trong môi trường xung quanh nút cảm biến, rồi biến đổi và chuẩn hóa thành nguồn năng lượng một chiều, sau đó có thể cấp cho cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ Năng lượng của nút bao gồm nguồn nội tại và nguồn năng lượng thu thập từ môi trường sẽ được quản lí và điều phối bởi bộ vi điều khiển trung tâm của nút, chẳng hạn như khi cảm biến thu thập được năng lượng từ môi trường, tùy thuộc vào trạng thái và điều kiện cụ thể về năng lượng của nút cảm biến
Mô đun thu năng lượng môi trường
Bộ thu thập năng lượng
Năng lượng từ môi trường
Chuẩn hóa
Trang 37mà bộ vi điều khiển sẽ quyết định sử dụng năng lượng thu được như thế nào, lưu trữ hay sử dụng vào các quá trình hoạt động của cảm biến, …
Tuy nhiên, thực tế không phải nguồn năng lượng nào từ môi trường cũng phù hợp cho việc thu thập cho cảm biến Các nguồn năng lượng được thu từ môi trường phải đảm bảo các yếu tố cơ bản như tính sẵn có và phổ biến trong môi trường đặt cảm biến, hệ thống thu thập năng lượng đơn giản và nhỏ gọn, có khả năng thu được năng lượng thường xuyên và mật độ năng lượng phải đủ lớn Hiện nay, một số nguồn năng lượng từ môi trường đã được đề xuất nghiên cứu và thực hiện thu cho cảm biến có những thành quả nhất định như năng lượng mặt trời, năng lượng rung động, năng lượng nhiệt, năng lượng RF
2.2.1 Phương pháp thu năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được nghiên cứu và phát triển từ lâu Năng lượng mặt trời sẵn có và mật độ năng lượng lớn Kỹ thuật và công nghệ thu năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện Pin mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một lượng lớn các photodiode có khả năng hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, hiện tượng này gọi là hiệu ứng quang điện Năng lượng, hiệu điện thế hoặc cường độ dòng điện được tạo ra phụ thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang điện Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp tại một mức chiếu sáng nhất định [55] của một tế bào quang điện được biểu diễn theo biểu thức 2.7
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠[𝑒𝑥𝑝 (𝑏
𝑛(𝑉 + 𝐼𝑅𝑠)) − 1] − 𝐺𝑠ℎ(𝑉 + 𝐼𝑅𝑠) (2.7)
Trong đó:
𝐼 : dòng điện được tạo ra bởi tế bào quang điện (A)
𝑉 : điện áp được tạo ra bởi tế bào quang điện (V)
𝐼𝑝ℎ : dòng quang điện (A)
𝐼𝑠 : dòng bão hòa của diode (A)
𝑛 : hệ số chất lượng diode
𝑅𝑠 : điện trở nối tiếp diode (Ω)
𝐺𝑠ℎ : điện dẫn của trở shunt (Ω-1)
Vấn đề hiệu suất thu năng lượng được các nghiên cứu phát triển với nhiều phương pháp khác nhau dựa trên vật liệu nhạy ánh sáng và các kỹ thuật mạch điện tử Nghiên cứu của Oscar López-Lapeña và cộng sự [56] đưa ra phương pháp thu năng lượng mặt trời công suất thấp cho các ứng dụng có công suất tiêu thụ nhỏ Một sơ đồ khối nguyên lý thu năng lượng mặt trời được chỉ ra trong Hình 2.7, phương pháp này sử dụng một tụ điện ở đầu vào (Cin) nối song song với tấm pin năng lượng mặt trời, bộ
so sánh điện áp sẽ cung cấp tín hiệu cho bộ chuyển đổi DC-DC
Trang 38Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật điều khiển thu năng lượng mặt trời [56]
Trong khoảng thời gian sạc (Tcharge), chuyển mạch M1và M2 bị ngắt, và dòng điện của tấm pin sẽ sạc cho tụ điện Cin cho đến khi điện áp của tấm pin đạt giá trị mức cao VH = vm +VTH Sau đó điện áp tại chân phản hồi (VFB) sẽ ở mức cao và kích hoạt lần lượt các chuyển mạch M1 và M2 trong khoảng thời gian xả (Tdisch), để chuyển điện tích từ tụ điện Cin đến đầu ra, cho đến khi điện áp của tấm pin giảm xuống mức thấp
VL = vm-VTL Chu trình cứ thế sẽ được lặp lại, thời gian để một chu trình hoàn tất được gọi là Tcycle, khi đó Tcycle = Tcharge + Tdisch
Công suất đầu ra của tấm pin (Ps) trong khoảng thời gian Tcharge bằng công suất vào của Cin được biểu diễn bằng biểu thức 2.8
𝑃𝑠 : công suất đầu ra của tấm pin (W)
𝑃̅ : công suất trung bình đầu ra của tấm pin (W) 𝑠
𝑣𝑠 : điện áp ra của tấm pin (V)
𝑖𝑠 : dòng điện ra của tấm pin (A)
𝐶𝑖𝑛: điện dung tụ điện đầu vào mạch thu năng lượng (F)
𝑡0 : thời điểm mốc thời gian tùy ý (s)
𝑇 : khoảng thời gian chu kỳ thực hiện nạp-phóng (s)
Bộ khuếch đại và biến đổi DC/DC
Pin có khả năng sạc
Trang 39Với điều kiện thực tế về môi trường, kỹ thuật và công nghệ của pin mặt trời cũng như công suất thu năng lượng rất phù hợp làm nguồn năng lượng bổ sung cho nút cảm biến trong nhiều ứng dụng nhất là những ứng dụng ngoài trời hoặc những nơi có thể tiếp xúc với nguồn ánh sáng đủ mạnh Nhiều nghiên cứu đã mang lại kết quả đáng
kể và được ứng dụng tích cực trong vấn đề thu năng lượng mặt trời cho cảm biến như thu năng lượng cho nút cảm biến không dây [57], thực hiện thu và sử dụng năng lượng mặt trời trong mạng cảm biến không dây [58][59], thiết kế hệ thống nhúng không dây thu năng lượng mặt trời [60] Trong một nghiên cứu và đánh giá của FK Shaikh và các cộng sự về thu thập năng lượng cho mạng cảm biến không dây đã đề cập đến các nghiên cứu và tổng hợp một số sản phẩm về thu thập năng lượng mặt trời [61] Hình 2.8 chỉ ra một số kết quả công nghệ thu năng lượng mặt trời cho nút cảm biến không dây
Hình 2.8 Thu năng lượng mặt trời cho nút cảm biến không dây [61]
Các nút cảm biến khác nhau có hiệu suất thu năng lượng mặt trời là khác nhau, thể hiện mức năng lượng thu được trên đơn vị diện tích tấm pin Hiệu suất và mức năng lượng thu thập phụ thuộc nhiều yếu tố như cường độ ánh sáng chiếu tới, độ nhạy của tế bào quang điện của vật liệu sử dụng làm pin mặt trời và kích thước tấm pin Bảng 2.2 so sánh đặc điểm về kích thước tấm pin và mức năng lượng thu được của một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời
Bảng 2.2 Đặc điểm một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời [61]
Nút thực
nghiệm
Kích thước tấm pin (in x in)
Công suất thu (mW)
Loại lưu trữ điện IRN 3.75x2.5 400 Tụ
độ ánh sáng cao như ngoài trời hoặc vị trí gần cửa sổ vào những khoảng thời gian ban ngày khi có mặt trời Ngoài ra, việc thu thập năng lượng từ mặt trời muốn có công suất thu cao đòi hỏi phải có kích thước tấm pin lớn, điều này sẽ gây trở ngại, không phù hợp khi mà các nút cảm biến ngày càng yêu cầu kích thước nhỏ gọn Do đó, nguồn năng lượng này cũng không liên tục, nghĩa là nút cảm biến dù có thể thu thập
Trang 40được năng lượng từ mặt trời vẫn có thể bị hết pin bất cứ lúc nào nếu không có sự điều phối sử dụng năng lượng cho nút theo một cách tối ưu hóa nhằm tiết kiệm năng lượng
2.2.2 Phương pháp thu năng lượng từ rung động cơ học
Trong thực tế, cảm biến thường được đặt tại các nơi có nguồn rung động cơ học
và các nguồn phổ biến như các rung động do máy móc trong công nghiệp, các chuyển động của động vật hoặc con người [62], … Vì vậy đây cũng là nguồn năng lượng có thể thu thập cho các nút cảm biến trong các ứng dụng thực tế Nguyên lý thông dụng của kỹ thuật thu thập năng lượng này là thông qua sự rung động cơ học sẽ tạo ra chuyển động tương đối giữa nam châm và cuộn dây kết quả sẽ tạo ra sức điện động cảm ứng và nối kín mạch sẽ tạo ra dòng điện [63], hoặc ứng dụng hiệu ứng áp điện của các vật liệu có tính chất áp điện cũng tạo ra năng lượng, nguyên lý sinh ra điện của hiệu ứng này rất đơn giản Từ các chuyển động sinh ra lực cơ học tác động làm biến dạng tấm vật liệu sẽ sinh ra các điện tích trái dấu trên hai bề mặt tấm vật liệu và kết quả là tạo ra một hiệu điện thế giữa hai mặt tấm vật liệu này, lượng điện tích sinh
ra phụ thuộc vào độ biến dạng của tấm vật liệu Tấm vật liệu có tính chất áp điện sẽ được cấu tạo bởi ba chất là chì, titan và zirconia Một nghiên cứu của N.G Stephen
về thu năng lượng từ rung động của môi trường xung quanh [64], hệ thống thu thập
và biến đổi năng lượng rung động thành năng lượng điện còn được gọi là máy phát điện quán tính Hình 2.9 mô tả một mô hình máy phát điện quán tính tuyến tính và
mô hình hóa mạch điện, khối vật chất có khối lượng 𝑚 chính là khối nam châm sẽ dao động khi có kích thích cơ học để tạo ra dòng điện trên cuộn dây Khi có kích thích
m sẽ dao động theo dao động của lò xo với độ cứng là 𝑘 và dao động này được ổn định hơn nhờ bộ giảm chấn có hệ số giảm chấn 𝑐, nên khi dao động khối 𝑚 sẽ chịu
cả hai lực tác động này
Hình 2.9 Mô hình phát điện quán tính tuyến tính [64]
Giả sử rung động cơ học tạo ra một dao động với trạng thái ổn định có phương trình được biểu diễn như 2.10
