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

1. B O
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ
TRƯỜNG ĐẠ Ọ Ộ
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
HÀ VĂN PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA
HI S D
ỆU QUẢ Ử ỤNG NĂNG LƯỢ Ạ Ả Ế
NG TRONG M NG C M BI N
LU N ÁN TI
Ậ ẾN SĨ
K THU N VÀ T NG HÓA
Ỹ ẬT ĐIỀU KHIỂ Ự ĐỘ
Hà N i – 22
ộ 20

2. B O
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ
TRƯỜNG ĐẠ Ọ Ộ
I H C BÁCH KHOA HÀ N I
HÀ VĂN PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA
HI S D
ỆU QUẢ Ử ỤNG NĂNG LƯỢ Ạ Ả Ế
NG TRONG M NG C M BI N
Ngành: K thu u khi n và t ng hóa
ỹ ật điề ể ự độ
Mã s :
ố 9520216
LU N ÁN TI
Ậ ẾN SĨ
K THU N VÀ T NG HÓA
Ỹ ẬT ĐIỀU KHIỂ Ự ĐỘ
NGƯỜI HƯỚ Ẫ Ọ
NG D N KHOA H C:
1. . TS. LÊ MINH HOÀNG
PGS
2. PGS. TS. ĐÀO TRUNG KIÊN
Hà N i - 2022
ộ

3. i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin t qu trình bày trong lu n án là công trình nghiên c
cam đoan các kế ả ậ ứu
của tôi dướ ự
i s hướ ẫ ủ ầ
ng d n c a các th y hư n án đư
ớ ẫ ậ
ng d n. Lu ợ ự ệ
c th c hi n hoàn toàn
trong th i gian tôi là nghiên c u sinh t i h hoa Hà N i. Các k
ờ ứ ại trường Đạ ọc Bách K ộ ết
qu li trong
ả, số ệu trình bày trong luận án hoàn toàn trung thự ợ
c và chưa đư c công bố
b t k t qu s d ng tham kh o t
ấ ỳ công trình nào trước đây. Các kế ả ử ụ ả ừ các công trình đã
đượ ố đều đượ ẫ ột cách rõ ràng và theo đúng quy đị
c công b c trích d n m nh.
Hà N i
ộ , ngày 2 tháng 5 năm 2022
N U SINH
GHIÊN CỨ
Hà Văn Phương
NGƯỜI HƯỚ Ẫ Ọ
NG D N KHOA H C
PGS.TS. Lê Minh Hoàng PGS. TS. Đào Trung Kiên

4. ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình th tài “Nghiên c u gi i pháp t u qu
ực hiện đề ứ ả ối ưu hóa hiệ ả ử
s
dụng năng lượ ạ ả ế
ng trong m ng c m bi n”, tôi đã nhận đượ ấ ề ự
c r t nhi u s quan tâm, giúp
đỡ ạo điề ệ ủ ệ ậ ể lãnh đạ phòng đào tạ
và t u ki n c a Ban Giám hi u, t p th o, o, các phòng
ban ch i h Bách K Hà N
ức năng, các cán bộ, chuyên viên trường Đạ ọc hoa ội. Tôi xin
đượ ỏ ờ ảm ơn chân thành về ự iúp đỡ đầ đó.
c bày t l i c s quan tâm g y quý báu
Tôi xin chân thành c o Vi n nghiên c u qu MICA, phòng
ảm ơn Ban lãnh đạ ệ ứ ốc tế
Môi trườ ả ụ
ng c m th và tương tác, các nhà khoa học và cán bộ c i
ủa V ện nơi tôi nghiên
c u. Ng TS.
ứ Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biế ớ
t ơn t i GS.TS. Phạm Thị ọc Yến và
Nguyễn Việ ạo điề
t Sơn đã t u kiện, giúp đỡ và luôn độ ố
ng viên tôi trong su t quá trình
nghiên c u và hoàn thành lu n án.
ứ ậ
Tôi xin bày t lòng bi i y giáo PGS.TS. Lê Minh Hoàng và
ỏ ết ơn sâu sắc tớ các thầ
PGS.TS. Đào Trung Kiên những ngườ đã trự ếp hướ ẫ ỉ ả
i c ti ng d n, ch b o, theo sát và
luôn tôi t
động viên trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu để ôi hoàn thành luận
án này.
Tôi xin chân thành c p th i h
ảm ơn Ban Giám hiệu, tậ ể Khoa Điện trường Đạ ọc
Công nghi p Hà N ng nghi u ki
ệ ội cùng các đồ ệp, bạ bè đã tạo điề
n ện và giúp đỡ tôi
trong su t quá trình th c hi n lu n án.
ố ự ệ ậ
Sau cùng, tôi xin đượ ỏ ết ơn với gia đình của tôi. Đặ ệ ảm ơn
c bày t lòng bi c bi t c
b tr
ố và mẹ kính yêu của tôi, người đã luôn hỗ ợ, khuyến khích, quan tâm, dõi theo
từng bước đi củ ạo độ ự ể ố ắ ọ ậ ả ợ
a tôi và luôn t ng l c đ tôi c g ng trong h c t p. C m ơn v
của tôi Trần Thị Kim Lan, người luôn thông cảm, luôn bên cạnh động viên, chia sẻ
cùng tôi nh ng thu n l u r t quan tr ng là bên
ữ ậ ợi cũng như những khó khăn. Một điề ấ ọ
cạnh tôi có các con tôi Hà Phương Nguyên và Hà Trung Sơn luôn cổ vũ tôi vớ ữ
i nh ng
nụ cười đầy yêu thương. Công việc này của tôi trở nên thật tuyệt vời bởi những tình
yêu mà họ đã dành cho tôi.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà N i
ộ , ngày 2 tháng 5 năm 2022
Tác gi lu n án
ả ậ
Hà Văn Phương

5. iii
M C
ỤC LỤ
L ............................................................................................. i
ỜI CAM ĐOAN
L I C ................................................................................................. ii
Ờ ẢM ƠN
DANH M C CH VI T T D NG TRONG LU N ÁN .......................vii
Ụ Ữ Ế ẮT SỬ Ụ Ậ
DANH M C CÁC KÝ HI U S D NG TRONG LU N ÁN.......................... ix
Ụ Ệ Ử Ụ Ậ
DANH M C CÁC B NG................................................................................ x
Ụ Ả
DANH M C CÁC HÌNH V TH ............................................................ xi
Ụ Ẽ, ĐỒ Ị
M U………………... .............................................................................xiv
Ở ĐẦ
Chương 1. ớ ệ
Gi i thi u ..................................................................................1
1.1. Đặt vấ ề
n đ ............................................................................1
1.2. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng.....3
1.2.1. M ng c n không dây.................................................................... 3
ạ ảm biế
1.2.1.1. M ng c n hình.............................................. 3
ạ ảm biến không dây điể
1.2.1.2. C u trúc c a nút c m bi n không dây............................................. 5
ấ ủ ả ế
1.2.1.3. Ki n trúc giao th ng c m bi n không dây .............................. 6
ế ức mạ ả ế
1.2.1.4. C u trúc liên k t và ki u liên k ng c m bi n không dây......... 7
ấ ế ể ết mạ ả ế
1.2.2. Nhu c ng c ng c n và thách th c....................... 8
ầu năng lượ ủa mạ ảm biế ứ
1.2.2.1. ng tiêu th c nút c m bi n.................................... 9
Năng lượ ụ ở ấp độ ả ế
1.2.2.2. ng tiêu th c m ..............................................12
Năng lượ ụ ở ấp độ ạng
1.2.2.3. Thách th ng trong m ng c m bi n không
ức của vấn đề năng lượ ạ ả ế
dây ……. ......................................................................................................14
1.3. u
Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứ .................15
1.4. t
Các nghiên cứ ề
u đ xuấ ....................................................17
Chương 2. ứ
Các nghiên c u liên quan.....................................................19
2.1. c n
Nguồ ợ
n năng lư ng dự trữ ủa nút cảm biế ...................19
2.2. Thu năng lượng từ môi trườ ả ế
ng cho c m bi n ................22
2.2.1. ng m t tr i................................................ 24
Phương pháp thu năng lượ ặ ờ
2.2.2. ng t c ............................ 27
Phương pháp thu năng lượ ừ rung động cơ họ
2.2.3. ng nhi t..................................................... 30
Phương pháp thu năng lượ ệ
2.2.4. ng RF........................................................32
Phương pháp thu năng lượ
2.3. Giải pháp tiết kiệ ợ
m năng lư ng cho nút cảm biến..........34
2.3.1. Ki n trúc và ch làm vi c linh ho t c a nút ti t ki m 35
ế ế độ ệ ạ ủ ế ệ năng lượng
2.3.2. C m bi n tiêu th công su t th p........................................................ 36
ả ế ụ ấ ấ

6. iv
2.4. t
Các nghiên cứu về ố ử ụ ợ
i ưu hóa s d ng năng lư ng cho
m n
ạng cảm biế ................................................................................37
2.4.1. Các nghiên c u phát tri n v thu t toán giao th nh tuy n ........... 38
ứ ể ề ậ ức đị ế
2.4.2. ............................................................... 40
Các phương pháp tối ưu hóa
2.5. n
Mô phỏng mạng cảm biế .................................................42
2.5.1. n m m mô ph ................................................................... 42
Phầ ề ỏng NS:
2.5.2. n m m mô ph ng SENS ............................................................... 43
Phầ ề ỏ
2.5.3. n m m mô ph ng OMNeT ++:..................................................... 44
Phầ ề ỏ
2.5.4. n m m mô ph ............................................................ 45
Phầ ề ỏng OPNET
2.5.5. n m m mô ph ng J- ................................................................ 46
Phầ ề ỏ Sim
2.5.6. n m m mô ph ng SENSE............................................................. 46
Phầ ề ỏ
2.6. Kết luận chương................................................................48
Chương 3. ế ế ể ề ả ỏ ạ ả ế
Thi t k và tri n khai n n t ng mô ph ng m ng c m bi n
không dây có tính đế ế ố năng lượ
n y u t ng..............................................49
3.1. Thiết kế chứ ề
c năng n n tả ỏ
ng mô ph ng..........................49
3.1.1. Ch ng mô ph ng........................................................... 50
ức năng nền tả ỏ
3.1.2. Ch t l p m ng................................................................... 52
ức năng thiế ậ ạ
3.1.3. Ch t l ng.......................................... 54
ức năng thiế ập môi trường đặt mạ
3.1.4. Ch ng............................................ 55
ức năng chạy chương trình mô phỏ
3.2. Phát triển nền t ng m ng c
ảng mô phỏ ạ ảm biến ...............56
3.2.1. Mô hình nút c n......................................................................... 56
ảm biế
3.2.2. ng ............................................................................... 59
Các lớp đối tượ
3.2.3. ho ng................................................................................ 61
Cơ chế ạt độ
3.3. Phát triể ệ ề
n thư vi n các mô đun cho n n tảng mô phỏng63
3.3.1. Phát tri .......................................................................... 63
ển mô đun pin
3.3.2. ................................................. 65
Phát triển mô đun nguồn năng lượng
3.3.3. .......................................................... 66
Phát triển mô đun truyền thông
3.3.4. ................................................................ 68
Phát triển mô đun cảm biến
3.4. Kết quả thử nghiệm với nền tả ỏ
ng mô ph ng...................69
3.4.1. K t qu th nghi m mô ph ng pin ..................................................... 69
ế ả ử ệ ỏ
3.4.2. K t qu th c nghi m ph ki m nghi n c n
ế ả ự ệ ục vụ ể ệm tính đúng đắ ủa nề
t ng trong mô ph ng tiêu th c a nút m ng................................. 71
ả ỏng năng lượ ụ ủ ạ
3.4.2.1. Ch m bi n s d ng trong th c nghi m ................... 72
ức năng nút cả ế ử ụ ự ệ
3.4.2.2. Ch t o nút c m bi ng............... 75
ế ạ ả ến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trườ
3.4.2.3. t tiêu th c a nút c n ........................................ 77
Đo công suấ ụ ủ ảm biế

7. v
3.4.2.4. K t qu th nghi m mô ph ng ng tiêu th c a nút c m
ế ả ử ệ ỏ năng lượ ụ ủ ả
bi n ho ng theo l ch trình v i các kho i gian c nh ................. 82
ế ạt độ ị ớ ảng thờ ố đị
3.4.2.5. K t qu th nghi m mô ph ng tiêu th c a nút c m
ế ả ử ệ ỏng năng lượ ụ ủ ả
bi n ho ng theo l ch trình và kho ng th i gian ng u nhiên ................... 83
ế ạt độ ị ả ờ ẫ
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. K t qu mô ph ng bá ...................... 88
ế ả ỏng truyền thông theo cơ chế quả
3.4.6. K t qu mô ph n thông trong m ng theo c u trúc cây.......... 90
ế ả ỏng truyề ạ ấ
3.4.7. K t qu mô ph ng c a các nút m ng v
ế ả ỏng quá trình năng lượ ủ ạ ới các
ho n thông và thu th ng ........................................ 91
ạt động đo, truyề ập năng lượ
3.5. Kết luận chương................................................................94
Chương 4. ối ưu hóa lị ạ ả ế
T ch trình m ng c m bi n...................................96
4.1. Một số cơ chế lập lịch nhằm tiết kiệ ợ
m năng lư ng trong
m n
ạng cảm biế ………......................................................................97
4.1.1. l ch trong m ng không phân c p ...................................... 98
Cơ chế ập lị ạ ấ
4.1.2. l ch cho m ng c m bi n phân c p .................................... 99
Cơ chế ập lị ạ ả ế ấ
4.1.3. l ch h p tác d a trên giao ti p.......................................... 99
Cơ chế ập lị ợ ự ế
4.2. m
Đặt vấ ề
n đ cho bài toán tố ị
i ưu hóa l ch trình mạng cả
biến 101
4.3. Tổng quan thuật toán di truyền ......................................103
4.4. Tố ị
i ưu hóa l ch trình mạng cảm biến sử ụ
d ng thuật toán
di truyền với nhiễ ắ
m s c thể ề
có chi u dài cố định .......................105
4.4.1. Mô hình hóa bài toán t ch trình m ng c m bi s d ng
ối ưu hóa lị ạ ả ến ử ụ
thu t toán di truy i nhi m s u dài c nh.......................... 105
ậ ền vớ ễ ắc thể có chiề ố đị
4.4.2. K t qu trên n n t ng mô ph n y ..........106
ế ả ề ả ỏng tính đế ếu tố năng lượng
4.5. T d
ố ị
i ưu hóa l ch trình mạng sử ụng thuật toán di truyền
với nhiễm sắ ể ề
c th có chi u dài thay đổi......................................110
4.5.1. Mô hình hóa bài toán t ch trình m ng c m bi d ng
ối ưu hóa lị ạ ả ến sử ụ
thu t toán di truy i nhi m s i......................... 111
ậ ền vớ ễ ắc thể có chiều dài thay đổ
4.5.2. Gi i bài toán t ch trình m ng........................................... 114
ả ối ưu hóa lị ạ
4.5.3. K t qu th nghi m v i m t nút c m bi n ....................................... 115
ế ả ử ệ ớ ộ ả ế
4.5.4. K t qu th nghi m v i nhi u nút c m bi n.....................................123
ế ả ử ệ ớ ề ả ế
4.6. Kết luận chương..............................................................126
K t lu ng phát tri n
ế ậ ớ
n và hư ể .................................................................128

8. vi
Danh m c
ục các công trình đã công bố ủa luận án...............................131
Tài li u tham kh o
ệ ả ...................................................................................133

9. vii
DANH MỤ CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
C
Ch vi t t t ng Anh ng Vi t
ữ ế ắ Nghĩa tiế Nghĩa tiế ệ
ADC Analog to Digital Converter
B chuy i tín hi
ộ ển đổ ệu tương tự
sang số
DDEEC
Developed Distributed Energy
Efficient Clustering
Phân c ng phân tán
ụm năng lượ
hi u qu phát tri n
ệ ả ể
DEEC
Distributed Energy Efficient
Clustering
Phân c ng phân tán
ụm năng lượ
hi u qu
ệ ả
FLC-GA
Flexible Length Chromosome-
Genetic Algorithms
Gi i thu truy i nhi m
ả ật di ền vớ ễ
s c th u dài c nh
ắ ể có chiề ố đị
GAs Genetic Algorithms Gi i thu t di truy n
ả ậ ề
JSIM Java-based simulation
N n t ng mô ph ng d a trên
ề ả ỏ ự
Java
LEACH
Low Energy Adaptive
Clustering Hierarchy
Giao th c phân c p theo c m
ứ ấ ụ
thích ng th p
ứng năng lượ ấ
MAC Media Access Control Giao th c ki p
ứ ểm soát đa truy cậ
MCU Micro Controler Unit B n
ộ vi điều khiể
NS2 Network Simulator version2 Mô ph ng m ng phiên b n 2
ỏ ạ ả
NS3 Network Simulator version3 Mô ph ng m ng phiên b n 3
ỏ ạ ả
NETSIM
Network Based Environment
for Modelling and Simulation
Môi trườ ạ
ng m ng cho mô hình
hóa và mô ph ng
ỏ
OMNET++
Optical Micro-Networks Plus
Plus
N n t ng mô ph ng m ng
ề ả ỏ ạ
OPNET
Optimized Network
Engineering Tools
B công c mô ph thu t
ộ ụ ỏng kỹ ậ
mạng được tối ưu hóa
PSM Power Save Mode
Giao th ti t ki
ức chế độ ế ệm năng
lượng
PTIP
Periodic Terminal Initiated
Polling
Giao th nh k thi t
ức thăm dò đị ỳ ế
b u cu i
ị đầ ố
RMSE Root Mean Square Error Sai số bình quân phương
SEP Stable Election Protocol Giao th nh
ức lựa chọn ổn đị
SENS
Sensor, Environment and
Network Simulator
Trình mô ph ng và gi l p m ng
ỏ ả ậ ạ
c m bi n
ả ế
SENSE
SEnsor Network Simulator and
Emulator
Trình mô ph m bi n
ỏng mạng cả ế
SOC State Of Charge Tr ng thái s c
ạ ạ
VLC-GA
Variable Length Chromosome
– Genetic Algorithms
Gi i thu t di truy i nhi m
ả ậ ền vớ ễ
s c th i
ắ ể có chiều dài thay đổ

10. viii
DE Differential Evolution Ti n hóa vi phân
ế
ACO Ant Colony Optimization Thu n
ật toán đàn kiế
EHO Elephant Herding Optimization Thuật toán đàn voi
GOA Grasshopper Optimization
Algorithm
Thu t toán châu ch u
ậ ấ
EWA Earthworm Optimization
Algorithm
Thu t
ật toán giun đấ
PSO Particle Swarm Optimization Thu t toán b
ậ ầy đàn

11. ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hi u
ệ Ý Nghĩa
BS Bi n ch n ch cho nút
ế ọ ế độ ngủ
BI Bi n ch n ch cho nút
ế ọ ế độ chờ
BM Bi n ch n ch ng cho nút
ế ọ ế độ đo lườ
BC Bi n ch n ch truy n thông cho nút
ế ọ ế độ ề
BFV Giá tr c tiêu t t nh t
ị hàm mụ ố ấ
Δ Sai số phép đo
P(Δ) Xác su t sai s
ấ ố

󰆹 L ch trình m ng
ị ạ

 L ch trình c a nút
ị ủ i

 Độ ủ ạ ị
dài c a dãy tr ng thái l ch trình nút i

 Ch tr ng thái c a nút
ế độ ở ạ j ủ i


 Th u tr ng thái c
ời điểm bắt đầ ạ j ủa nút i
 Ch ho ng v c tiêu th
ế độ ạt độ ới mứ ụ điện năng cao hơn
 Ch ng có m c tiêu th ng th p
ế độ ủ ứ ụ năng lượ ấ
q Cá th trong qu n l ch trình
ể ầ thể ị


L ch trình m ng n th l ch trình
ị ạ  trong quầ ể ị


Đoạ tương ứ ị ị ạ
n gen ng l ch trình nút trong l
 ch trình m ng 


 Tr ng thái c a nút c
ạ  ủ  ủa cá thể 



 Th i gian c a tr ng thái c a nút c
ờ ủ ạ  ủ  ủa cá thể 
τ Kho ng th i gian c nh trong l ch trình FLC-GA
ả ờ ố đị ị
Nhi m s c trong th h
ễ ắc thể ủa cá thể  ế ệ 
Đoạ ủ ễ ắ ể ủ ể
n gen c a nhi m s c th c a cá th q1 th h ch trình
ở ể ệ k tương ứng lị
nút i
Tr ng thái c a nút c trong th h
ạ  ủ  ủa cá thể  ế ệ 
Xác su t phép sao chép gen
ấ
Xác su t phép chèn gen
ấ
Xác su t phép lo
ấ ại bỏ gen
Xác su t phép d ch chuy n gen
ấ ị ể
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 lượ ớ ấ
ng l n nh t trong ngày
ΔQ M c gi ng so v i m u tính trên c chu k mô ph ng
ứ ảm dung lượ ớ ức ban đầ ả ỳ ỏ
Δtmax Th i gian l n nh t gi a hai l p tính trên c chu k mô ph ng
ờ ớ ấ ữ ần đo liên tiế ả ỳ ỏ
( )
q
C k
( )
1
q i
C k
( )
q i
j
m k
C
M
ρ
I
M
ρ
R
M
ρ
S
M
ρ
η
T

i
τ
∆
s
L
s
L

12. x
DANH MỤC CÁC BẢNG
B ng 2.1.Ví d v s ng c a pin NI-MH......................................................... 22
ả ụ ề ự đa dạ ủ
B m m t s nút c m bi ng m t tr i.......................... 26
ảng 2.2. Đặc điể ộ ố ả ến thu năng lượ ặ ờ
B ng 2.3. M t s thi ng. ..............................................29
ả ộ ố ết bị thu năng lượng rung độ
B m c t s ng nhi t khác nhau...................... 31
ảng 2.4. Đặc điể ủa mộ ố nút thu năng lượ ệ
B ng 2.5. M m t s ngu ......... 33
ả ức năng lượng thu được từ ộ ố ồn RF .
B ng 2.6. So sánh m ng ......................................... 34
ả ột số phương pháp thu năng lượ
B ng 2.7. M c tiêu th ho ng c t s nút c m bi n .............. 36
ả ứ ụ ở các chế độ ạt độ ủa mộ ố ả ế
B ng 2.8. M c tiêu th c t s c m bi ng . .......................37
ả ứ ụ ủa mộ ố ả ến giám sát năng lượ
B nh th i gian các ch ho ng theo 4 chu k ................................. 74
ảng 3.1. Đị ờ ế độ ạt độ ỳ
B ng 3.2. K t qu t tiêu th c a nút 10 l n th c nghi m ng u nhiên 79
ả ế ả đo công suấ ụ ủ ở ầ ự ệ ẫ
B ng 3.3. So sánh k ng gi a th c nghi m và mô ph .................. 85
ả ết quả năng lượ ữ ự ệ ỏng
B ng 3.4. Các thông s u v ng cho t ng nút.................................. 87
ả ố ban đầ ề năng lượ ừ
B ng 3.5. S li u quá trình ho ng c ................................................... 93
ả ố ệ ạt độ ủa các nút
B ng 4.1. Tham s các nút m ng c n ...................................................... 107
ả ố ạ ủa kịch bả
B ng 4.2. K t qu ng m ng theo lich trình t ................. 109
ả ế ả mô phỏ ạ ối ưu trong 3 ngày
B ng 4.3. Các thông s chính c a nút c n.....................................................117
ả ố ủ ảm biế
B ng 4.4. Các tham s s d ng trong VLC- .....................................................117
ả ố ử ụ GA
B ng 4.5. K t qu n ch y thu ng h p........................... 122
ả ế ả các lầ ạ ật toán trong các trườ ợ
B ng 4.6. K t qu t ng c a VLC-GA và FLC-GA............................. 125
ả ế ả ối ưu hóa mạ ủ

13. xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. M t m ng c m bi .................................................. 4
ộ ạ ả ến không dây điển hình
Hình 1.2. C n m t nút c m bi n không dây............................................ 5
ấu trúc cơ bả ộ ả ế
Hình 1.3. Ki n trúc giao th ng c m bi n không dây . ................................. 6
ế ức của mạ ả ế
Hình 1.4. C t m ng c m bi u hình cây . .......................................8
ấu trúc liên kế ạ ả ến kiể
Hình 1.5. C t m ng c m bi u m .................................... 8
ấu trúc liên kế ạ ả ến kiể ạng lưới .
Hình 1.6 ng tiêu th d ki n cho các ho a nút c m bi n . ........ 11
. Năng lượ ụ ự ế ạt động củ ả ế
Hình 1.7. Năng lượ ụ ụ ề ủ ả ế
ng tiêu th cho tác v truy n thông c a nút c m bi n .............. 12
Hình 1.8. Các công vi c chính th c hi n nghiên c u............................................... 17
ệ ự ệ ứ
Hình 2.1. M a pin ...................................................................... 19
ạch tương đương củ
Hình 2.2. Đặ g điể ủ
c tính phón n hình c a pin ............................................................ 20
Hình 2.3. Đặ ạp điể ủ ộ ố ạ
c tính n n hình c a m t s lo i pin . ............................................ 21
Hình 2.4. Pin Ni-MH và Lithium ............................................................................. 21
Hình 2.5. Các ngu ng cho m ng c m bi n. ...................................... 23
ồn thu năng lượ ạ ả ế
Hình 2.6. Sơ đồ ố ệ ống thu năng lượ ừ môi trườ
kh i nguyên lý h th ng t ng................ 23
Hình 2.7 S nguyên lý k thu u khi ng m t tr i ................. 25
ơ đồ ỹ ật điề ển thu năng lượ ặ ờ
Hình 2.8. Thu năng lượ ặ ờ ả ế
ng m t tr i cho nút c m bi n không dây ........................... 26
Hình 2.9. Mô hình phát điệ ế
n quán tính tuy n tính ..................................................27
Hình 2.10. M t s ng t ng...................................... 29
ộ ố ứng dụng thu năng lượ ừ rung độ
Hình 2.11. C u trúc b thu và bi i nhi ............................... 30
ấ ộ ến đổ ệt thành điện năng .
Hình 2.12. Thu năng lượ ệ ả ế
ng nhi t cho c m bi n không dây .................................... 31
Hình 2.13. Sơ đồ ộ thu năng lượ
nguyên lý b ng RF ................................................. 32
Hình 2.14. Mô hình tương đương của ăng ten ........................................................32
Hình 2.15. Sơ đồ ế ế ệm năng lượ
ki n trúc nút ti t ki ng .............................................. 35
Hình 2.16. Phân lo i k thu t t .................................................................. 41
ạ ỹ ậ ối ưu hóa
Hình 2.17. C n c a NS2 ....................................................................... 42
ấu trúc cơ bả ủ
Hình 2.18. C n c a NS3 ....................................................................... 43
ấu trúc cơ bả ủ
Hình 2.19. C n c .................................................................... 43
ấu trúc cơ bả ủa SENS
Hình 2.20. C u trúc logic c a trình mô ph ..................................... 44
ấ ủ ỏng OMNeT++
Hình 2.21. T c phân c ng OPNET ........................................ 45
ổ chứ ấp trong môi trườ
Hình 2.22. Mô hình môi trường WSNs điể ủ
n hình c a J- .................................. 46
Sim
Hình 2.23. C u trúc nút trong SENSE ..................................................................... 47
ấ
Hình 3.1. Bi n t ng.............................................. 51
ểu đồ chức năng của nề ảng mô phỏ
Hình 3.2. Bi p m ng............................................................ 52
ểu đồ chức năng thiết lậ ạ
Hình 3.3. Bi t m ng. .................................. 54
ểu đồ chức năng thiết lập môi trường đặ ạ
Hình 3.4. Bi y mô ph ng. ......................................................... 55
ểu đồ chức năng chạ ỏ
Hình 3.5. Các mô đun cấ ộ ả ế
u thành m t nút c m bi n. ................................................ 57
Hình 3.6. Sơ đồ ớp cơ bả ủ ề ả
l n c a n n t ng.................................................................. 59
Hình 3.7. Nguyên t ong h
ắc hoạt động hướ ự ệ
ng theo s ki n tr ệ ố ấ
th ng phân c p ....... 62
Hình 3.8. Sơ đồ ớp mô đun pin.
l .............................................................................. 64
Hình 3.9. Sơ đồ ớ ồn năng lượ
l p ngu ng. ................................................................... 65
Hình 3.10. Sơ đồ ớ ề
l p truy n thông ........................................................................... 66
Hình 3.11. Sơ đồ ớp mô đun cả ế
l m bi n.................................................................... 68
Hình 3.12. So sánh quá trình s c pin Panasonic BK-60AAAH ............................... 70
ạ
Hình 3.13. So sánh quá trình x pin Panasonic BK-60AAAH................................. 71
ả

14. xii
Hình 3.14. C n nút c m bi n th m............................................ 72
ấu trúc cơ bả ả ế ực nghiệ
Hình 3.15. M ng tiêu th ho ng c a nút c m bi n...... 73
ức năng lượ ụ ở các chế độ ạt độ ủ ả ế
Hình 3.16. Sơ đồ ố ả ến đo nhiệt độ độ ẩ
kh i nút c m bi - m......................................... 75
Hình 3.17. Sơ đồ ạ ự ệm đo nhiệt độ và độ ẩ
m ch nguyên lý nút th c nghi m. ............. 76
Hình 3.18. Lưu đồ ậ ự ệm đo nhiệt độ và độ ẩ
thu t toán nút th c nghi m...................... 77
Hình 3.19. Mô hình th c nghi t tiêu th c a nút .............................. 78
ự ệm đo công suấ ụ ủ
Hình 3.20. Công su t tiêu th trung bình c ho ng c a nút ........... 80
ấ ụ ủa các chế độ ạt độ ủ
Hình 3.21. Công su t tiêu th c a nút th c nghi m khi truy n thông m t b n tin . 80
ấ ụ ủ ự ệ ề ộ ả
Hình 3.22. Công su t tiêu th ng, ch và ng ........................... 81
ấ ụ ở các chế độ đo lườ ờ ủ
Hình 3.23. Bi l ch trình ho ng c a nút th c nghi m. ................................ 82
ểu đồ ị ạt độ ủ ự ệ
Hình 3.24. So sánh kết quả năng lượ ụ
ng tiêu th c ng
ủa nút khi thực nghiệm và mô phỏ
trong kho ng th i gian 500s..................................................................................... 83
ả ờ
Hình 3.25. So sánh kết quả năng lượ ụ
ng tiêu th c ng
ủa nút khi thực nghiệm và mô phỏ
trong kho ng th i gian 1h......................................................................................... 84
ả ờ
Hình 3.26. So sánh kết quả năng lượ ụ
ng tiêu th c th ng
ủa nút khi ực nghiệm và mô phỏ
trong kho ng th i gian 6h......................................................................................... 85
ả ờ
Hình 3.27. Mô ph ng và m ng hi n t i c a nút c
ỏng quá trình đo lườ ức năng lượ ệ ạ ủ ảm
bi n ........................................................................................................................... 86
ế
Hình 3.28. Quá trình tiêu th ng và thu n p ng m t tr i.............. 87
ụ năng lượ ạ năng lượ ặ ờ
Hình 3.29. K ch b n truy n thông v i ràng bu c, kho c 5m.... 89
ị ả ề ớ ộc 5 bướ ảng cách bướ
Hình 3.30. K ch b n truy n thông v i ràng bu c, kho ng cách 10m......... 90
ị ả ề ớ ộc 10 bướ ả
Hình 3.31. Quá trình truy n thông t n nút ch nh tuy n có.......... 91
ề ừ nút 35 đế ủ theo đị ế
Hình 3.32. Quá trình truy n thông c n nút ch th nh tuy n...........92
ề ủa các nút đế ủ eo đị ế
Hình 3.33. Quá trình năng lượ ừ ạ
ng trong t ng nút m ng............................................ 92
Hình 4.1. Dòng năng lượ ột nút điể
ng trong m n hình............................................. 102
Hình 4.2. Lưu đồ ậ ề
thu t toán di truy n. ................................................................... 104
Hình 4.3. Vùng ki m soát trong k ch b n t ch trình m ng........................... 107
ể ị ả ối ưu lị ạ
Hình 4.4. Giá tr c tiêu t t nh t sau 100 th h .......................................... 108
ị hàm mụ ố ấ ế ệ
Hình 4.5. L ch trình m ng giá tr hàm m c tiêu t t nh t. ..................... 108
ị ạng tương ứ ị ụ ố ấ
Hình 4.6. Dung lượ ủ ớ ị ố ấ
ng pin c a 3 nút v i l ch trình t t nh t.................................... 109
Hình 4.7. S ch b n mô ph ng...........................................110
ố phép đo tối đa trong kị ả ỏ
Hình 4.8. Bi bi u di n l ch trình c t nút c m bi n................................. 112
ểu đồ ể ễ ị ủa mộ ả ế
Hình 4.9. Ho ng lai ghép gi n gen.................................................... 113
ạt độ ữa hai đoạ
Hình 4.10. Ho t bi n gen c a nhi c th ........................................... 114
ạt động độ ế ủ ễm sắ ể
Hình 4.11.Quy trình th c hi n t ch trình m ng..................................... 115
ự ệ ối ưu hóa lị ạ
Hình 4.12. S ti n tri n giá tr hàm m c tiêu v i VLC-GA và FLC- .............. 118
ự ế ể ị ụ ớ GA
Hình 4.13. L ch trình m ng t t nh ng h i m t nút c m bi n........119
ị ạ ố ất trong trườ ợp vớ ộ ả ế
Hình 4.14. Di n bi ng c a nút khi làm vi c theo l ch trình t t nh t trong
ễ ến năng lượ ủ ệ ị ố ấ
các trườ ợ ế ả ủ
ng h p là k t qu c a VLC-GA và FLC-GA ............................................120
Hình 4.15. S l n ng theo th ng h p m t nút.................... 121
ố ầ đo lườ ời gian trong trườ ợ ộ
Hình 4.16. S n tri n c a giá tr hàm m c tiêu t t khi s ng VLC GA và
ự ế
ti ể ủ ị ụ ốt nhấ ử ụ
d -
FLC- p nhi u nút. ....................................................................123
GA trong trường hợ ề
Hình 4.17. L ch trình m ng t t nh t m ng h m bi n 124
ị ạ ố ấ ỗi ngày trong trườ ợp ba nút cả ế
Hình 4.18. n bi
Diễ ến năng lượ ủ ệ ị ố
ng c a các nút khi làm vi c theo l ch trình t i ưu là các
k t qu c -GA và FLC-GA.......................................................................... 124
ế ả ủa VLC

15. xiii
Hình 4.19. S ng giá tr ng theo th i gian c ng g m ba nút v i l
ố lượ ị đo lườ ờ ủa mạ ồ ớ ịch
trình c a VLC- -GA.............................................................................. 125
ủ GA và FLC

16. xiv
MỞ ĐẦU
Độ ự ứ
ng l c nghiên c u
M có kh ph p ho
ạng cảm biến là một tập hợp phân tán các nút nhỏ ả năng ối hợ ạt
độ ạ ớ ầ ự ủa ngườ ều đặc điể
ng linh ho t v i nhau, ít c n s tham gia c i dùng. Do có nhi m,
tính năng vượ ộ ự ể ủ ệ ạ ả ế
t tr i cùng s phát tri n c a công ngh không dây nên m ng c m bi n
không dây gần đây đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều tiết giao
thông, t ng hóa các tòa nhà, an ninh,
ự độ quân sự ế ệ
, y t , nông nghi p, giám sát trong
thương mạ ừ
i, giám sát cháy r ng, giám sát sinh thái,…
Tuy nhiên, m t h n ch l n c ng c m bi n không dây là ngu ng.
ộ ạ ế ớ ủa mạ ả ế ồn năng lượ
C n
ác nút cảm biến không dây hiệ có ngu n cung c p chính mang theo là pin
ồ ấ v i dung
ớ
lượ ấ ạ ế ạ ệ ả ế ẽ ừ ạt độ ẫn đế ạ
ng r t h n ch . Pin c n ki t các nút c m bi n s ng ng ho ng d n m ng
mất đi vùng phủ ức năng mạ ả ả ấ ợ ỡ
sóng và các ch ng suy gi m, làm gi m ch t lư ng, phá v
c d
ấu trúc mạng, mất vùng phủ sóng… và có thể ẫn đến mạng không còn tồn tại do
nhi h
ều nút bị ết năng lượ Điều đó có nghĩa năng lượ ảnh hưở
ng. ng liên quan và ng
tr n. m b o
ực tiế ế
p đ n các vấ ề
n đ còn lại của mạng cảm biế Vì vậy việ ả
c đ ả năng lượng
duy trì ho ng là m t v l n khi tri n khai ng d ng m ng c m bi n
ạt động mạ ộ ấn đề ớ ể ứ ụ ạ ả ế
Các gi i pháp v
ả ề năng lượ ạ ả ến không dây cơ bả
ng cho m ng c m bi n được xem xét
theo các c m các gi
ấp độ ạ ấp độ ồ
nút và m ng. C nút g ải pháp như phát triể ỹ ậ
n k thu t
ph n
ần cứ g, phần mềm điều khiển tiết kiệm năng lượng, thu năng lượ ừ
ng t môi trường
c m
ấp cho nút. Các giải pháp cấp độ ạng cơ bản như phát triển các giao thức tổ chức
mạng, giao thứ ị
c đ nh tuyến, truyền thông, cơ chế ậ ị ạ
l p l ch ho t độ ối ưu cho mạ
ng t ng.
Các gi i pháp
ả đã góp phần đáng kể ệ ế ệ ậ ổ sung năng lượ
trong vi c ti t ki m, thu th p b ng
và c i thi n tu i th ng c n. Tuy nhiên, các gi i pháp c nút ph
ả ệ ổ ọ ạ
m ảm biế ả ấ ộ
p đ ụ ộ
thu c
vào nhi u y u t công ngh i gian, th i ti
ề ế ố ệ và khách quan như không gian, thờ ờ ết,….
Các gi i pháp c i tiêu hao nhi ng trong vi c th c hi
ả ấ ộ ạng cũng phả
p đ m ều năng lượ ệ ự ện
các giao thức tổ chứ ạ ặ
c m ng ho c các cơ chế ậ ịch. Như vậ ều đó là chưa đủ
l p l y đi cho
m n
ục tiêu hoạt động của nút cảm biến và của toàn mạng trong dài hạ . Vì vậy vấn đề
năng lượ ủ ạ ả ế ẫ ấ ần đượ ứ ể
ng c a m ng c m bi n không dây v n r t c c nghiên c u và phát tri n.
Hơn nữ ế ậ ị ạt độ ối ưu cho mạ ủ ế ả ế
a, các cơ ch l p l ch ho ng t ng ch y u gi i quy t các
bài toán đơn lẻ ịnh và chưa xem xét đến quá trình năng lượ ừ ế độ
xác đ ng trong t ng ch
hoạt động của nút mạng. Trong khi đó, tối ưu hóa mạng cảm biến cho lớp bài toán
ứ ụ ối ưu hóa tổ ợp đa mụ ề ộ ạ
ng d ng là bài toán t h c tiêu, nhi u ràng bu c đa d ng, phong
phú và phức tạp đan xen nhau. Đây là lớ ấ ứ ạp, đòi hỏ ả ả ụ
p bài toán r t ph c t i đ m b o m c
tiêu yêu c ng th uá trình và m c tiêu th
ầu của mạ ồ
ng đ ời cần xem xét đến q ứ ụ năng
lượ ở ừ ế độ ủ ừ ạng để đả ả ạ ạ ộ ổn đị
ng t ng ch c a t ng nút m m b o m ng ho t đ ng nh và lâu
dài. Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong tự động hóa tòa nhà là một bài toán
điể ề ụ ầ ứ ạp liên quan đến năng lượ ầ
n hình có nhi u m c tiêu, yêu c u ph c t ng c n nghiên
c i pháp t
ứu để đưa ra giả ối ưu.

17. xv
Đề ấ ạ ứ
xu t và ph m vi nghiên c u
Trướ ấ ề ự ế và đượ ự định hướ ủ ầy giáo hướ ẫ ậ
c v n đ th c t c s ng c a th ng d n. Lu n án
đề ấ
xu t nghiên c u phát tri n gi i pháp t
ứ ể ả ối ưu hóa hiệ ả
u qu s d
ử ụng năng lượng trong
m n. ng m n ho ng nh
ạng cảm biế Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằ ạng cảm biế có thể ạt độ ổ ị
n đ
lâu dài nh i pháp t ng th i h i pháp
ờ ả
gi ối ưu hóa sử ụng năng lượng đồ
d ờ ỗ ợ ả
tr các gi
năng lượ ẵ ệ ả . Để ự ệ ệ ứ ầ ụ
ng s n có hi u qu hơn th c hi n công vi c nghiên c u c n có công c
chuyên d ng mô ph , giám sát quá trình ng c m bi
ụ ỏng ng c m
năng lượ ủa ạ ả ến và phát
tri n thu
ể ật toán tối ưu hóa. Lu c
ận án trình bày việ phát triển nền tảng mô phỏng mạng
cảm biến liên quan đến năng lượ ể ậ ối ưu hóa để ối ưu hiệ ả
ng, phát tri n thu t toán t t u qu
s d
ử ụng năng lượ ạ ằ ả ảo năng lượ ạ ộ ạ ả
ng trong m ng nh m đ m b ng ho t đ ng cho m ng c m
bi i l ng
ến. Qua đó luận án thực hiện phương pháp giả bài toán tối ưu hóa ịch trình mạ
v i s k t h p gi ng mô ph ng và thu t toán t u qu
ớ ự ế ợ ữa nền tả ỏng năng lượ ậ ối ưu hóa hiệ ả
s d ng trong m ng c m bi n cho l p bài toán ng d .
ử ụng năng lượ ạ ả ế ớ ứ ụng
Đóng góp chính củ ậ
a lu n án
Lu hi s
ận án có hai đóng góp chính trong việc đưa ra giải pháp tối ưu hóa ệu quả ử
d ng nh m b o duy trì ho ng cho m ng c n:
ụng năng lượ ằm đả ả ạt độ ạ ảm biế
(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 cho bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng nhằm tối
(VLC-GA)
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.
C a lu
ấu trúc củ ận án
Phầ ở đầ ự
n “M u” trình bày lý do l a chọn đề ụ ạ ứ ủ
tài, m c tiêu và ph m vi nghiên c u c a
lu gi i thi u, t v , phân tích v nhu c ng c ng
ận án. Chương 1 ớ ệ đặ ấn đề ề ầu năng lượ ủa mạ
c xu
ảm biến và thách thức. Từ đó đưa ra hướng tiếp cận và đề ất nghiên cứu. Chương
2 c p a m ng
đề ậ , phân tích một số nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng củ ạ
c n
ảm biế cũng như mộ ố
t s k c
ết quả được công bố ủa các nghiên cứu sẽ đượ ử ụ
c s d ng
trong t và ng
quá trình thực hiện luận án. Chương 3 trình bày đề xuấ phát triển nền tả
mô ph ng m ng c m bi
ỏ ạ ả ến tính đế ế ố năng lượng. Chương 4 đề
n y u t trình bày xuất và
phát tri n bi n th i gi t di truy n cho bài toán t ch trình m
ể ế ể ớ
m ải thuậ ề ối ưu hóa lị ạng.
Phầ ế ậ ắt các đóng góp củ ận án và hướ ể ế
n k t lu n trình bày tóm t a lu ng phát tri n ti p
theo.

18. 1
Chương 1. Giới thiệu
1.1. Đặt vấn đề
Cảm biến có vai trò rất lớn trong các lĩnh vự ọ ệ
c khoa h c, công nghi p và đờ ố
i s ng;
r ng và phong phú v ng lo ng c m bi n không
ất đa dạ ề chủ ại. Những năm gần đây, mạ ả ế
dây có nh c ti n l n trong k t công ngh ng d ng c
ững bướ ế ớ ỹ ậ
thu ệ ứ
và ụ ạ
ng. M ảm biến
không dây đượ ử ụ ề ứ ụ ự ễ ớ ề ặ
c s d ng ngày càng nhi u trong các ng d ng th c ti n v i nhi u đ c
điểm và tính năng vượ ội như không cầ ệ ố ấ ồ ệ
t tr n h th ng dây c p ngu n và dây tín hi u
cho các nút c n, kh
ảm biế ả năng tùy biế ệ
n cao, h thống cảm biến có tính mềm dẻo linh
ho tri a ng
ạt, dễ ển khai trên diện rộng và trong các môi trường phức tạp. Hơn nữ , mạ
c t
ảm biến có khả năng tự ổ chức, hoạt động mà ít cần thiết hoặc không cần sự can
thi i. ng,
ệp của con ngườ Các giải pháp cho mạng cảm biến không dây cũng rất đa dạ
xoay quanh các v vùng ph
ấ ề
n đ ủ sóng, hiệu năng mạng, năng lượ ổ ọ
ng và tu i th m ng.
ạ
Trong đó, vấ ề
n đ năng lượng cung cấp cho mạng cảm biến hoạ ộ
t đ ng liên quan và
ảnh hưở ự ế ế ấ ề ủ ạ ụ ộ ố
ng tr c ti p đ n các v n đ khác c a m ng. Ví d , m t s nút hết năng lượng
thì m ng s
ạ ẽ không đả ả ộ
m b o toàn b vùng phủ sóng và khi số lượ ết năng lượ
ng nút h ng
tăng đế ộ ứ nào đó thì mạ ể đả ả ủ ố ểu để
n m t m c ng không th m b o vùng ph sóng t i thi
th c hi ng hay nói cách khác m ng không còn t n t i.
ự ện các chức năng mạ ạ ồ ạ
Tuy nhiên c nghiên c u và ng d ng ch
, mạng c m bi
ả ến không dây đượ ứ ứ ụ ủ ế
y u
dùng ngu ng có gi n mang theo là pin ch m bi
ồn năng lượ ới hạ o các nút cả ế Do đó,
n.
ngu n cung c m ho nhi v h ,
ồ ấp cho ạng cảm biến không dây ạt động có ều ấn đề ạn chế
khó khăn và không khả ự ệ ệ ộng. Hơn nữ ạ ả ế
thi khi th c hi n trên di n r a, m ng c m bi n là
m ng nút c
ạng hỗn tạp với số lượ ảm biến lớn và nhu cầu năng lượng của các nút lại
khác nhau c nhi u y nên th a pin
, ph thu
ụ ộ ề ếu tố ời gian làm việc củ ở ỗ
m i nút cảm biến
trong m . Vi c thay th pin cho các nút c m bi m t v n
ạng cũng khác nhau ệ ế ả ến cũng là ộ ấ
đề gặp phải nhiều khó khăn trở ng n, x
ại lớ ảy ra thườ ố
ng xuyên hàng ngày gây t n kém
v th và
ề ời gian kinh tế trong quá trình vận hành bả ỡng, đồ
o dư ng thời còn làm giảm
chất lượ ủ ạ ậ ệ ả
ng c a toàn m ng. Vì v y, vi c đ m bả ồn năng lượ ả ế
o ngu ng cho c m bi n
cũng như việ ả ồ ộ ấn đề khó khăn, phứ ạp đòi
c giám sát và qu n lý ngu n nuôi là m t v c t
h d
ỏi cần sự quan tâm và nghiên cứu để đưa ra các giải pháp tối ưu khi sử ụng năng
lượ ối ưu hóa mạ ả ến không dây nói chung. Đây ứ
ng nói riêng và t ng c m bi là thách th c
l ng
ớn trong việ ả
c đ m bảo cho mạng cảm biến không dây hoạt độ ổn định trong thời
gian đủ dài đáp ứ ầ ứ ụ ề ứ ả ằ
ng yêu c u ng d ng. Nhi u nghiên c u và gi i pháp nh m nâng
cao tu i th ng nút c m bi n và toàn m ng. Ch ng h i pháp n
ổ ọ ủ
c a từ ả ế ạ ẳ ạn các giả ỗ ự
l c
trong phát tri n ph m và ph n c ng nh m gi
ể ần mề ầ ứ ằ ảm năng lượ ộ ạ
ng tiêu hao n i t i nút
[1], gi ng t ng [2], gi
ải pháp thu năng lượ ừ trườ
môi ải pháp liên quan đế ổ
n t chứ ạ
c ho t
độ ạ ải pháp liên quan đị ế ề ằ ả ạ
ng m ng, gi nh tuy n truy n thông nh m gi m ho t độ ề
ng truy n
thông trong m t ki ng cho các nút m ng [3], … n, gi
ạng để ế
ti ệm năng lượ ạ Về cơ bả ải
pháp năng lượ ạ ả ế ể ớ ấ ộ ả
ng cho m ng c m bi n không dây có th xem xét v i hai c p đ là gi i
pháp năng lượ ở ấp độ ả ở ấp độ ạ
ng c nút và gi i pháp c m ng.

19. 2
Gi n c
ải pháp năng lượng cho mạng cảm biế ở ấp độ nút nhằm giải quyết vấ ề
n đ
năng lượ ạ ộ ả ế ữ ỗ ự ệ ứ ể
ng t i m t nút c m bi n. Nh ng n l c trong vi c nghiên c u và phát tri n
công nghệ pin nhằm tối thiểu hóa về kích thước và tối đa hóa về dung lượng, nhưng
điều đó là không thể đủ ứu liên quan đế ấn đề năng lượ
. Các nghiên c n v ng cho nút
cảm biến đư c đ
ợ ẩ ạnh theo hướ ế ệm năng lượ ằ ổ ọ như
y m ng ti t ki ng nh m kéo dài tu i th
phát tri i c m bi n s ng th p v làm vi c ti
ển các loạ ả ế ử ụng năng lượ
d ấ ới các chế độ ệ ết
ki ng [4][5]. i
ệm năng lượ Các nút cảm b ến được thiết kế theo các phương thức hoạt
độ ạ ớ ế độ như ngủ ờ đo lườ ền thông được điề ố
ng linh ho t v i các ch , ch , ng, truy u ph i
theo các sự ện để ế ệm năng lượ ả ế
ki ti t ki ng cho nút c m bi n [6][7]. Phương pháp này
th g
ực chất là việc cố ắng tiết kiệm pin của một nút cảm biến nên không thể giả ế
i quy t
triệt để được vấn đề vì dung lượng pin rất hạn chế. Một giải pháp khác cho vấn đề
năng lượ ủ ả ế đượ ứ ể ự ện thu năng lượ
ng c a nút c m bi n c nghiên c u phát tri n là th c hi ng
t n [8]
ừ môi trường cho các nút cảm biế . 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 lượ ừ
ng t môi
trườ ẽ đượ ậ ến đổi thành năng lượng điện sau đó chuẩ
ng s c thu th p và bi n hóa thành
nguồn cấp cho nút cảm biến hoạ ộ
t đ ng hoặc lưu trữ vào pin của nút cảm biến. Tuy
nhiên, thu
năng lượng thu từ môi trường xung quanh cảm biến phụ ộc nhiều yếu tố
như thờ ế ờ ẫn đế ệc thu năng lượng cũng rấ ứ
i ti t, không gian, th i gian, … d n vi t ph c
t p, m ng bi t khó ki m soát ho t nh khi n vi c thu không
ạ ật độ năng lượ ến đổi rấ ể ặc rấ ỏ ế ệ
đả ả ất, không đả ả ề ệ ất thu năng lượ ả
m b o công su m b o v hi u su ng i
nên g i pháp này
không thể đảm bảo cung cấp thường xuyên và đáp ứng được nhu cầu cần thiết về
năng lượng cho các nút c m bi n và toàn m ng. Ngoài ra, bên c nh vi ng phát
ả ế ạ ạ ệc cố ắ
g
triển và ứng dụng các linh kiện điện tử công suất thấ ể
p đ nhằm tiết kiệm phần nào
năng lượ ả ế ần đây có nghiên cứu còn đề ập đế ệ ền năng
ng cho c m bi n, g c n vi c truy
lượ ạ ả ến, nhưng đế ệ ạ ệ ả ả
ng không dây trong m ng c m bi n hi n t i tính hi u qu và kh thi
v ng d c trong th .
ẫn chưa thể ứ ụng đượ ực tế
Gi ng c m ng t y
ải pháp năng lượ ở ấp độ ạ ập trung chủ ếu giải quyết tiết kiệm năng
lượ ấ ề
ng trong v n đ truy u
ền thông. Các nghiên cứ đã đưa ra các thuật toán đị ế
nh tuy n,
giao th c truy n thông [12] nh m ti t ki nâng tu i th
ứ ề ằ ế ệm năng lượng để ổ ọ ạ
cho m ng
cảm biến không dây như giao thức MAC [13], thuật toán cân bằng năng lượng của
giao th c LEACH cho m ng c m bi n không dây [14], giao th
ứ ạ ả ế ức sử dụng năng lượng
hi c , cá ng
ệu quả [15]. Bên ạnh đó c nghiên cứ ậ
u đưa ra các thu t toán lập lịch hoạt độ
ho ho
ặ ế
c cơ ch ạt động cho mạng theo một kịch bản nhằm tiết kiệm năng lượng. Ví
d truy
ụ các nút sẽ chỉ ền thông khi cần thiết, việc này sẽ được thực hiện theo cơ chế
mà thu thu c vào m
ật toán đưa ra phụ ộ ụ ạ ải đả ả các điề ệ
c tiêu m ng, ph m b o u ki n ràng
bu ng c và nh c tu i th m ng cao nh t có th [16][17]. Các
ộc của mạ ụ thể ằm đạt đượ ổ ọ ạ ấ ể
gi t t c các nghiên c u
ải thuậ ối ưu hóa cũng đượ ứ ứng dụng trong tối ưu hóa các vấ ề
n đ
nh nh n. V , t óa li
ất đị cho mạng cảm biế í dụ ối ưu h trong việc thu thập dữ ệu trong
m ng c m bi n [18].
ạ ả ế
Các gi i
ả pháp tiết kiệm năng lượng và thu năng lượ ừ môi trườ ả
ng t ng cho nút c m
bi n hay l d p
ế các nỗ ực tìm cách sử ụng linh kiện điện tử tiêu thụ công suất thấ cũng
chỉ ổ ọ ớ ứ
kéo dài tu i th v
cho các nút i m c độ ất đị ể đáp ứng đượ
nh nh không th c nhu
c . M d ng
ầu về năng lượng của mạng trong các ứng dụng thực tế ặc dù giải pháp sử ụ
các thuậ ối ưu trong truyề ủ
t toán t n thông c a mạ ả ế ẽ ế ệm năng
ng c m bi n s giúp ti t ki

20. 3
lượ ệ ền thông, nhưng các nghiên cứu thường hướ ớ ự ệ
ng trong vi c truy ng t i th c hi n cho
bài toán đơn lẻ v c,
ới mục tiêu, các ràng buộ các giả định xác đị ụ
nh và khi áp d ng cho
các bài toán khác tuy có mục tiêu tương tự nhưng vớ ộ
i các ràng bu c không hoàn toàn
gi i, thì c n ph
ống ví dụ như số lượng các ràng buộc thay đổ ầ ải xem xét lại tính hiệu
qu t liên
ả và tính khả thi của thuật toán. Như vậy các vấ ề
n đ ổng thể quan đến năng
lượng cũng như tối ưu hóa cho mạ ả ế ấ ần đượ ứ
ng c m bi n r t c c quan tâm nghiên c u và
phát tri n.
ể
Trướ ự ế đó, ậ
c th c t lu n án đề ấ ể ả ối ưu hóa liên quan đế
xu t và phát tri n gi i pháp t n
năng lượ ạ ả ế ả ẽ ỗ ợ ế ợ ớ ả
ng cho m ng c m bi n không dây. Gi i pháp s h tr , k t h p v i các gi i
pháp năng lượ ẵ ự ệ ả ớ ối ưu hóa cho mạ ả ế
ng s n có và th c hi n gi i l p bài toán t ng c m bi n.
Trong lu n án này, m t t p h p bao g m các nút c m bi n không dây ho
ậ ộ ậ ợ ồ ả ế ặc tập hợp
các nút c m bi
ả ến không dây và có dây đều đượ ọ ạ ả ế
c g i là m ng c m bi n không dây, có
nghĩa rằ ạ ả ế ẫ ể
ng trong m ng c m bi n không dây v n có th có nh ng nút c m bi n có dây.
ữ ả ế
Mạng cảm biến không dây được nghiên cứu là một mạng hỗn tạp bao gồm các nút
khác nhau v n cung c ng v t và ch ng lo i c m bi Ngoài ra,
ề ồ
ngu ấ ạ
p, đa d ề ỹ ậ
k thu ủ ạ ả ến.
các nút có th kh
ể khác nhau về ả năng thu năng lượng từ môi trường, khác nhau về
kh n thông, …
ả năng truyề
1.2. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng
1.2.1. M ng c m bi n không dây
ạ ả ế
M th
ạng cảm biến không dây thực chất là hệ ống thu thập tín hiệu và truyền thông
trên m t vùng bao ph , có tính ch t c ng và m ng truy n s
ộ ủ ấ ủa một hệ ống đo lườ
th ạ ề ố
liệu không dây giữa các nút mạng chính là những nút cảm biến. Mạng cảm biến không
dây có ki n trúc giao th u trúc liên k t m ng truy n thông nói chung.
ế ức và cấ ế ủ
t c a mộ ạ ề
Các nút c m bi a thu th p tín hi u t ng t
ả ế ừa đóng vai trò nút mạ
n v ng vừ ậ ệ ừ môi trườ ạo
ra ngu n d li u truy n thông trong m ng.
ồ ữ ệ ề ạ
1.2.1.1. Mạng cảm biế ể
n không dây đi n hình
M ng c m bi n không dây là m ng có tính h n t p, bao g m nhi u nút c m bi
ạ ả ế ạ ỗ ạ ồ ề ả ến
đa dạ ề ủ ạ ững nút có dây đượ ấ
ng v ch ng lo i, ngoài các nút không dây còn có nh c c p
nguồn điện lưới. Các nút trong mạng cảm biến hỗn tạp có khả năng giao tiếp không
dây v i nhau t o thành m ng c n bao ph t vùng không gian nh
ớ ạ ạ ảm biế ủ ộ
m ất định để
thu th p các thông s m, ánh sáng, n
ậ ố môi trường như nhiệt độ, độ ẩ ồng độ ấ
ch t, …
nhằm mục đích giám sát, điề ể
u khi n và quản lí vùng không gian đó ỗ ả ế
. M i nút c m bi n
trong m ng có kh thông tin, lí d và truy n thông tin v
ạ ả năng thu thập xử ữ ệ
li u ề ề ạ
tr m
cơ sở ả ế ạ ạ
thông qua các nút c m bi n khác trong m ng. Tr m cơ sở ức năng nhậ
có ch n
d li
ữ ệu từ các nút cảm biến và xử lí tín hiệu sau đó sẽ được chuyển tới người dùng
thông qua Internet, đồ ời đị ế ả ạ ừ ạ
ng th nh tuy n các b n tin m ng theo các thông tin t tr m
cơ sở đế ả ế ạ ể ả ộ ạ ả
n các nút c m bi n trong m ng [19][20][21], có th mô t m t m ng c m
bi Hình 1.1.
ến điển hình như

21. 4
Hình 1.1. M t m ng c m bi n không dây n hình
ộ ạ ả ế điể
Nhìn nh n v khía c nh truy n tin, m ng c m bi không dây n v
ậ ề ạ ề ạ ả ến được biết đế ới
nhi n h th
ề ặ ểm và tính năng
u đ c đi vượt trội như không cầ ệ ống dây cấp nguồn và dây
tín hi u cho các nút c m bi
ệ ả ến, khả năng tùy biế ệ
n cao, h th m
ống cảm biến có tính mề
d tri
ẻo linh hoạt, dễ ển khai trên di n r
ệ ộng và trong các môi trườ ứ ạ ạ
ng ph c t p. M ng có
kh t ng
ả năng tự ổ chức, hoạt độ mà ít cần thiết hoặc không cần sự can thiệp của con
ngườ ấ ạng thường xuyên thay đổ ụ ộ ế ố tác độ ủ
i. C u hình m i ph thu c vào các y u t ng c a
môi trườ ụ ủa ngườ ặ ế ố thay đổ ạng như sự
ng, m c đích c i dùng ho c các y u t i trong m di
chuy ng, x l i t i không
ển các nút, sự hư hỏ ảy ra ỗ ạ các nút cảm biến. Mạng cảm biến
dây có th i s ng l n các nút trên vùng không gian bao ph
ể ển khai dày đặ
tri c vớ ố lượ ớ ủ.
M n d bi ng nhi
ạng cảm biế ngày càng được sử ụng phổ ến trong các ứng dụ ở ều
lĩnh vự ở ỗi lĩnh vự ứ ụ ạ ỏ ạ ả ế ải đáp ứ ữ
c và m c ng d ng l i đòi h i m ng c m bi n ph ng nh ng
đặc thù riêng. Để ể đưa ra được đáp ứ ứ ời cho ngườ ấ ề
có th ng t c th i dùng thì r t nhi u
y n ng
ếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ồ ộ
ng đ chất, khói, năng lượng tiêu thụ, trạ
thái các thi t b u ch p hành, ho ng c
ế ị ấ
và cơ c ấ ạ ộ
t đ ủa người dùng, … cần được theo
dõi và giám sát theo th i gian th c trong nh ng không gian có kh
ờ ự ữ ả năng tuỳ biến cao,
nên m thi
ạng cảm biến không dây đang dần trở thành một thành phần không thể ếu
[22]. Mạng cảm biến được ứ ụ ả ệ
ng d ng trong giám sát và b o v môi trường [23]. M ng
ạ
c hi
ảm biến thể ện được nhiều ưu điểm trong phát hiện chất độc trong môi trường,
chất lượ , giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa, phát hiệ ễ ấ ả
ng không khí [24] n ô nhi m, ch t th i
đặ ệ ớ ồn nướ ạ ệ ố ể ện độ đấ
c bi t v i các ngu c t i các h th ng sông ngòi và bi n. Phát hi ng t
và ho ng c a núi l a, giám sát cháy r
ạ ộ
t đ ủ ử ừng cũng như hoạt độ ủ ộ ậ
ng c a đ ng v t hoang
dã trong r ng và di chuy n c a các loài cá ngoài bi Ngoài ra, vi c giám sát các
ừ ể ủ ển. ệ
thông s ng s t h u ích cho nông nghi p thông minh. Các thông s
ố môi trườ ẽ ấ
r ữ ệ ố môi
trườ như độ ẩ ệ độ ồng độ ất,... đượ ổ ợp để ệ ống đưa ra các
ng m, nhi t , n ch c t ng h h th
quy i. ng
ết định nhằm chăm sóc cây trồng hoặc vật nuôi trong trang trạ Các ứng dụ
trong y tế được sử dụng để theo dõi, giám sát nh nhân và h
bệ ỗ trợ chăm sóc sứ ẻ
c kho
ngườ ờ
i nh các cả ến đượ ắ
m bi c g n lên cơ thể ụ
[25]. Ví d như theo dõi ngườ ắ ệ
i m c b nh
Alzheimer, theo dõi tình tr ng hô h p, t hô h p, nh p tim, huy t áp và truy
về ạ ấ ốc độ ấ ị ế ền
d li . M d
ữ ệu về máy phân tích [26] ạng cảm biến không dây được sử ụng rất hiệu quả
trong h nh nhân
ỗ ợ chăm sóc ệ
tr b trong ng
các bênh viện hoặc tại nhà, giám sát trọ
Internet
Người dùng
Nút trạm
Vùng không gian
đặt cảm biến
Nút cảm biến
Liên kết truyền thông

22. 5
lượng cơ thể, theo dõi lượng đườ ủ ệ ểu đườ
ng trong máu c a b nh nhân ti ng. Trong
những năm gần đây, nghiên cứ ứ ụ ạ ả ế
u và ng d ng m ng c m bi n không dây trong tự động
hóa tòa nhà c phát tri n m nh m [27][28]. m vi
đượ ể ạ ẽ Đây là bài toán có phạ ứng dụng
rất rộng, phong phú và đa dạ ầ ế ợ ều bài toán đo lường và điề ể ớ
ng c n k t h p nhi u khi n v i
nhi th , qu n,
ều hệ ống chức năng như quản lý thông tin năng lượng tòa nhà ản lý điệ
nướ ủ đ ề ể điề ể
c c a tòa nhà, i u khi n ánh sáng, u hòa thông gió, ki m soát vào ra, an ninh
tòa nhà nh báo và phòng cháy ch , .. có nhi i tòa nhà v
, cả ữa cháy . a,
Hơn nữ ề ạ
u lo ới
nh th
ững công năng khác nhau dẫn đến những vấn đề đặt ra cho hệ ống tự động hóa
cũng có những đặ ẽ ữ ầ ụ ể khác nhau đố ớ
c thù riêng, nên s có nh ng yêu c u c th i v i các
h th c
ệ ống chứ năng [29][30][31]. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cũng được ứng
d th
ụng trong các hệ ống giao thông nhằm điề ế ồng phương tiệ
u ti t, phân lu n giao thông
công c ng ho c giám sát s c giao thông, h nh v nh tuy n trong giao
ộ ặ ự ắ
ách t ỗ ợ đị
tr ị, đị ế
thông; trong an ninh, giám sát và điề ể ệp và thương mạ
u khi n trong công nghi i.
Mạng cảm biến không dây đang được phát triển và ứng dụng trong các lĩnh vực
th m nh m ng.
ực tế ột cách mạ ẽ và triển vọ Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây cũng
có nh ng h n ch
ữ ạ ế nhất định như truyền thông có độ tin c y không cao, qu ng bá trong
ậ ả
ph v b r
ạm vi hẹp. Các nút hạn chế ề ộ nhớ và khả năng tính toán xử lí. Một vấ ề
n đ ất
l n c ng và tu i th c ng c n.
ớ ần quan tâm là năng lượ ổ ọ ủa mạ ảm biế
1.2.1.2. Cấu trúc của nút cảm biến không dây
Các nút c m bi n là thành ph u thành m ng c m bi n không dây. C
ả ế ần chính cấ ạ ả ế ảm
biến rấ ạ
t đa d ng về ứng dụng và phóng phú về chủng loại. Tuy nhiên, cấu trúc cơ bản
c c b n
ủa một nút cảm biến không dây được cấu thành bởi 5 mô đun ơ ả 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.
Hình 1.2. C n m t nút c n không dây
ấu trúc cơ bả ộ ảm biế
Mô đun ồ ự ữ ẽ ấp năng lượ ấ ả các mô đun
ngu n d tr s cung c ng cho t t c trong nút
c ng. c p
ảm biến hoạt độ Mô đun ảm biến có nhiệm vụ thu thậ tín hiệu đo và biến đổi
chuẩn hóa tín hiệu phù hợp vớ ầu vào mô đun điề ể
i đ u khi n để ử
x lí và điề ạ
u hành ho t
độ ủ Mô đun ề ự ệ ệ ề ậ ế
ng c a nút. truy n thông th c hi n vi c truy n nh n thông tin giao ti
, p
v ng. mô
ới các nút khác trong mạ Các năng lượng từ môi trường được thu thập nhờ
đun thu năng lượ ế
ng và bi n đổi thành năng lượ ấ ả ế ệ
ng cung c p cho nút c m bi n làm vi c
Nguồn
dự trữ
Cảm biến Truyền thông
ADC
MCU
Bộ thu phát
Thu
năng
lượng
Quản lý
năng lượng
Năng lượng
từ môi trường

23. 6
ho ng d
ặc lưu trữ vào pin. Năng lượ được thu thập và sử ụng trong nút cảm biến sẽ
đượ ản lý và điề ố ởi mô đun điề ể ệ ập năng lượ ừ
c qu u ph i b u khi n. Vi c thu th ng t môi
trườ ần đượ ết đị ởi các điề ệ ề ả thi như khi thu năng lượ
ng c c quy nh b u ki n v tính kh ng
m d
ặt trời thì phải là thờ ể
i đi m ban ngày. Ngoài ra, việc sử ụng năng lượng cũng được
điề ố ế độ ạt độ ủ ả ế ề ủ ấ
u ph i theo các ch ho ng c a nút c m bi n. Truy n thông c a nút là v n
đề ứ ạ ất và cũng tiêu tố ều năng lượ ất, nên đòi hỏi mô đun ử
ph c t p nh n nhi ng nh x lí
ph p
ải làm việc với những thuật toán phức tạ nhằ ục đích
m m tiết kiệm năng lượng cho
nút và nâng cao tu i th m ng.
ổ ọ ạ
1.2.1.3. Ki n trúc giao th
ế ức mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây đượ ự ả như trong
c xây d ng và mô t
Hình 1.3, bao g t ph
ồm các lớp và các mặ ẳng quản lí [34][35].
Hình 1.3. n trúc giao th a m ng c
Kiế ức củ ạ ảm biến không dây [35].
Các mặ ẳ ả ẽ
t ph ng qu n lí s giúp các nút trong m ng ph i h p v
ạ ố ợ ới nhau để thực hiện
công vi c chung c nh tuy n d và chia s
ệ ủa mạ đị
ng, ế ữ ệ
li u ẻ tài nguyên giữa các nút cảm
bi n trong m ng.
ế ạ
- :
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 đến nhau. Không phải tất cả các nút cảm biến đều
liên quan
Lớp ứng dụng
Lớp truyền tải
Lớp mạng
Lớp liên kết dữ liệu
Lớp vật lý
Mặt
phẳng
quản
lý
năng
lượng
Mặt
phẳng
quản
lý
di
động
Mặt
phẳng
quản
lý
dịch
vụ

24. 7
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 ( ). Mặt khác, hiệu quả về năng
base station/sink
lượng luôn là vấn đề được quan tâm. Định tuyến hiệu quả năng lượng trong mạng
cảm biến đã được nhiều nghiên cứu quan t phát triển với các
âm 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. C t và ki t m
ấu trúc liên kế ểu liên kế ạng cảm biến không dây
M c m
ạng cảm biến không dây có đầy đủ ấu trúc liên kết của ạng truyền thông,
bao g có nhi u ki u trúc tr c tuy n ( u trúc
ồm ề ểu cấu trúc khác nhau như cấ ụ ế Bus), cấ
hình sao (Star), c u trúc hình cây (Tree), c u trúc hình vòng tròn (Ring), c u trúc hình
ấ ấ ấ
vùng tròn (Circular), cấu trúc lướ ấ ắt lướ
i (Mesh), c u trúc m i (Grid) [36][36]. Mỗi cấu
trúc liên kế ề
t đ u có những ưu nhượ ể ấ ụ ế ễ
c đi m riêng. C u trúc tr c tuy n d cài đặt nhưng
lại rất dễ xung đột và tắc nghẽn đường truyền khi số lượng nút trong mạng tăng lên
nhi u. C n và kh t ki ng cao,
ề ấu trúc hình sao có ưu điểm đơn giả ả năng tiế ệm năng lượ
nhưng vùng ủ ẽ ẹ ớ ạ ột nút cơ sở ấ
bao ph s h p v i m ng có m . C u trúc cây chia các nút
thành các nhóm và nút trưở ị ệ ệ ế ủ ả
ng nhóm ch u trách nhi m vi c giao ti p c a c nhóm, nên
có th m c ng công vi
ể ắ
kh c phục nhược điể ủa cấu trúc sao nhưng gánh nặ ệc truyền
thông l ng nhóm và khi n các nút này nhanh chóng h
ại đặt lên các nút trưở ế ết năng
lượ ấ ể đượ ả như trong
ng. C u trúc cây có th c mô t Hình 1.4.

25. 8
Hình 1.4. C u trúc liên k ng c u hình [36].
ấ ết mạ ảm biến kiể cây
Cấu trúc vòng tròn có ưu điểm định tuyến truyền thông đơn giản và tiết kiệm năng
lượng trong hoạt động truyền thông do không phải quảng bá hay dò tìm đích, nhưng
tính an toàn mạng lại không cao vì khi sự cố xảy ra ở bất kỳ nút nào cũng phá vỡ
vòng lặp và có thể làm dừng hoạt động của toàn mạng. Cấu trúc mạng lưới có ưu
điểm hơn so với các cấu trúc khác về sự linh hoạt, khả năng mở rộng và tự tổ chức
mạng, phạm vi của mạng không nhất thiết phải giới hạn bởi phạm vi giữa các nút
đơn. iệc mở rộng mạng cũng rất đơn giản bằng cách thêm nhiều nút vào hệ thống.
V
Tuy nhiên, nhược điểm của loại cấu trúc mạng này là tiêu thụ điện năng cho các nút
thực hiện truyền thông thường cao hơn nên sẽ gặp phải vấn đề lớn về năng lượng.
Việc đảm bảo năng lượng để mạng hoạt động lâu dài sẽ rất khó khăn. Hơn nữa, khi
số luồng truyền thông tới điểm đến tăng, thời gian để truyền thông điệp cũng tăng
lên, sẽ cần đặc biệt quan tâm đến yêu cầu mức năng lượng hoạt động của các nút phải
thấp để tiết kiệm năng lượng cho từng nút nói riêng và cho toàn mạng nói chung. Cấu
trúc liên kết mạng lưới có thể được mô tả như trên Hình 1.5.
Hình 1.5. C u trúc liên k ng c u m [36].
ấ ết mạ ảm biến kiể ạng lưới
Vi th mà
ệc lựa chọn cấu trúc liên kết cho mạng tùy thuộc vào các ứng dụng cụ ể
ngườ ể ắ
i dùng có th cân nh c l a ch
ự ọ ợ ầ ự
n phù h p yêu c u bài toán. Th c tế ấ
, c u trúc cây
và c u t c xem là phù h ng c m bi n không dây. Bên c
ấ rúc lưới đượ ợp hơn cho mạ ả ế ạnh
đó, mạ ả ế ể ế ền thông cơ bả ế
ng c m bi n không dây có ba ki u liên k t truy n là liên k t
Điể Điể ết Điể Đa điể ết Đa điể Điể
m- m, liên k m- m và liên k m- m [38]. Các liên kết này
th hi d
ể ện phương thức liên kết giữa các nút trong mạng, được sử ụng một cách linh
hoạt theo các giao thức truyền thông, đị ế ằ
nh tuy n nh m đả ả ế ệm năng lượ
m b o ti t ki ng,
nâng cao tu i th và hi ng.
ổ ọ ệu năng mạ
1.2.2. Nhu c u
ầ năng lượng c ng c m bi n c
ủa mạ ả ế và thách thứ
Vấn đề năng lượ ủ ạ ả ến không dây thường được phân đị ả
ng c a m ng c m bi nh và gi i
quy m
ết theo cấp độ nút và cấp độ ạng. Cấp độ nút được xem xét đến những vấn đề
Nút cảm biến
Sink

26. 9
liên quan ti t ki
ế ệm năng lượ ữ ạ ộ ộ ạ ủ ả
ng trong nh ng ho t đ ng n i t i c a nút và các gi i pháp
thu năng lượ ừ môi trườ ổ ả ế ấ ộ ạng đượ
ng t ng b sung cho nút c m bi n. C p đ m c nghiên
cứu và giải quyết theo các giải pháp liên quan đến đị ế ề ậ ị
nh tuy n truy n thông và l p l ch
t ng nh t ki ng cho nút và toàn m ng.
ối ưu cho mạ ằm tiế ệm năng lượ ạ
Tuy nhiên, s ng nút trong m n và m i nút c m bi n trong m ng có nhu
ố lượ ạng lớ ỗ ả ế ạ
c ng khác nhau. Các nút c m bi c thi t k và s d ng linh ki
ầu năng lượ ả ến đượ ế ế ử ụ ện điện
tử có thể khác nhau, cấu tạo, nguyên lí làm việc cũng như thuật toán hoạt động của
các nút, khả năng làm việ ứ ụ
c khác nhau nên m c tiêu th năng lượ ẽ ặ
ng s khác nhau. M t
khác, các nút c m bi n trong m ng t
ả ế ạng cũng có khả năng thu năng lượ ừ môi trường
khác nhau ph c nhi u y ng, ... Nhi u nghiên c
ụ ộ
thu ề ế ố như kỹ ật, môi trườ
u t thu ề ứu đã
xem xét v ng ho làm vi a nút c m bi n cùng v
ề ạt độ
các ho ặc chế độ ệc củ ả ế ới các mức
tiêu thụ năng lượng, để từ đó có thể ả ở
tìm ra các gi i pháp cấp độ ấ ộ ạ
nút và c p đ m ng
cho v ng c m bi n không dây.
ấn đề năng lượng của mạ ả ế
1.2.2.1. c n
Năng lượng tiêu thụ ở ấ ộ
p đ nút cảm biế
Các gi i pháp v ng c a nút c m bi n ph u t c nghiên
ả ề năng lượ ủ ả ế ải được bắt đầ ừ ệ
vi
c c
ứu từng hoạt động tiêu thụ năng lượng của nút, khi đánh giá được mức tiêu thụ ủa
t ti n.
ừng hoạt động sẽ tìm ra các phương thứ ể
c đ ết kiệm phù hợp cho nút cảm biế
Các nghiên c ng theo các thành ph n ho c theo các ho
ứu đã mô hình hóa năng lượ ầ ặ ạt
độ ủ ả ế ền đề ứ ải pháp năng lượ
ng c a nút c m bi n làm ti cho nghiên c u gi ng cho nút.
Nghiên c a Halgamuge cùng các c ng s
ứu củ ộ ự [39] đã đưa ra mô hình và tính toán
năng lượ ụ ừ ạ ộ ủ ả ế ứ
ng tiêu th cho t ng ho t đ ng c a nút c m bi n. Trong nghiên c u này tác
giả xem xét nút với các hoạt động tiêu tốn năng lượng như khởi động nút, thu thập
d li d
ữ ệu, xử lí và điều khiển, lưu trữ ữ liệu, truyền thông, chuyển tiếp giữa các chế
độ ệ ủ ự ụ ới đối tượ
làm vi c c a nút và th c thi tác v v ng bên ngoài.
Ho li
ạt động thu thập dữ ệu bao gồm các công việc lấy mẫu tín hiệu, biến đổi từ
tín hi u v t lí thành tín hi u ch u và chuy i tín hi u t
ệ ậ ệu điện, điề ế ệ
tín hi ể ổ
n đ ệ ừ tương tự
sang tín hi u s tiêu hao cho ho ng thu th p d u v i gói d
ệ ố. Năng lượng ạt độ ậ ữ ệ
li ớ ữ ệ
li u
b bít ph n cung c p cho nút n tiêu t
ụ ộ
thu c nguồ ấ , dòng điệ hụ khi hoạt độ ậ ữ
ng thu th p d
li li
ệu và khoảng thời gian thực hiện hoạt động thu thập dữ liệu của gói dữ ệu b bít.
Năng lượ ạ
ng tiêu hao cho ho t độ ậ
ng thu th p dữ liệu đượ ể ễn như biể ứ
c bi u di u th c 1.1.
EsensN (b) = bVsupIsensTsens (1.1)
Trong đó:


(b): năng lượ ủ ậ ữ ệ
ng tiêu hao c a nút N khi thu th p gói d li u b bít (J)


: ngu n cung c p c a nút c m bi n (V)
ồ ấ ủ ả ế


: dòng điệ ạt độ ậ ữ ệ ủ
n khi ho ng thu th p d li u c a nút (A)


: kho ng th i gian th c hi n thu th p li u b bít (s).
ả ờ ự ệ ậ gói dữ ệ
Nghiên c ra ho u khi n tiêu th ng ch
ứu cũng chỉ ạt động xử lí và điề ể ụ năng lượ ủ
yếu cho bộ vi điều khiển, và được quy cho hai thành phần là tiêu hao năng lượng do
hoạt động của các chuyển đổi điện tử trong vi điều khiển và tổn thất năng lượng do
dòng rò. T u khi n c a nút c m bi n làm vi
ổng năng lượng tiêu hao cho vi điề ể ủ ả ế ệ ể
c đ
x lí gói d li c tính theo bi u th 1.2.
ử ữ ệu b bít đượ ể ức

27. 10

( ,
 

) = 
+ 
= 





+ 
󰇧


󰇨󰇡


󰇢 (1.2)
Trong đó:

: t u khi n x lí gói d li u b bít (J)
ổng năng lượng tiêu hao để vi điề ể ử ữ ệ


: năng lượ ệ ển đổi điệ ử trong vi điề ể
ng tiêu hao cho vi c chuy n t u khi n (J)

: t n th ng do dòng rò (J)
ổ ất năng lượ
: s chu k p cho m i tác v
ố ỳ xung nhị ỗ ụ

: điệ ển đổ ỗ ỳ
n dung trung bình chuy i trên m i chu k (F)

 : dòng rò (A)

 : h ng s ph thu c vào b x lí
ằ ố ụ ộ ộ ử

 n áp sinh ra do ng c (V)
: điệ tác độ ủa nhiệt độ
 : t n s c m bi n (Hz).
ầ ố ả ế
Năng lượ ử
ng s dụng cho hoạ ộng lưu trữ
t đ dữ liệu của cảm biến được xem xét để
đọ ữ ệ ồ ộ ớ. Năng lượ ụ ạt độ
c gói d li u g m b bít và ghi vào b nh ng tiêu th cho ho ng này
ph thu c li
ụ ộc vào năng lượng tiêu thụ ho việ ọ
c đ c, ghi gói dữ ệu gồm b bít, dòng điện
cho vi c, ghi 1 byte d u và th i gian th c hi c, ghi 1 byte d
ệ ọ
c đ ữ ệ
li ờ ự ện đọ ữ ệ Năng
li u.
lượ ụ ạt động lưu trữ ữ ệ ủ ộ ả ế ỗ ỳ
ng tiêu th cho ho d li u c a m t nút c m bi n trên m i chu k
đượ ở ứ
c tính b i công th c 1.3.


(
) = 
+ 
=



(



+ 



) (1.3)
Trong đó:


: năng lượ ử ụ ạt động lưu trữ ữ ệ ủ ả ế
ng s d ng cho ho d li u c a c m bi n (J)


: năng lượ ụ ệc đọ ữ ệ ồ
ng tiêu th cho vi c gói d li u g m b bít (J)


: năng lượ ụ ệ ữ ệ
ng tiêu th cho vi c ghi d li u (J)


: dòng điệ ệc đọ ữ ệ
n cho vi c 1 byte d li u (A)


: dòng điệ ệ ữ ệ
n cho vi c ghi 1 byte d li u (A)


: th i gian th c hi c 1 byte d li u (s)
ờ ự ện đọ ữ ệ


: th i gian th c hi n ghi 1 byte d li u (s).
ờ ự ệ ữ ệ
Hoạt động truyền thông của nút cảm biến tiêu hao phần lớn năng lượng của nút.
Năng lượ ạt độ ận gói tin có độ ự ất là năng
ng tiêu hao cho ho ng nh dài b bít th c ch
lượ ạch điệ
ng tiêu hao cho m n tử ậ
nh n dữ ệu. Năng lượ
li ng tiêu hao để truyền một gói
tin b bít v i kho ng cách truy t nút c m bi
ớ ả ền từ ộ
m ả ế ế
n đ n một trưởng nhóm được tính
theo hai ph ng tiêu hao trong m
ầ ồm năng lượ
n bao g ạ ệ
ch đi n tử ề ặ ậ ữ
truy n ho c nh n d
li khu
ệu và năng lượng tiêu hao bởi bộ ếch đại công suất. Tổng năng lượng cho hoạt
độ ền thông này đượ ể ễ ể ứ
ng truy c bi u di n trong bi u th c 1.4.
󰇫


( ) =
 




 
, 
= 

+ 



(1.4)
Trong đó:


: năng lượng tiêu hao để ậ ữ ệ
nh n d li u (J)


: năng lượ ề ộ ớ ả ề
ng tiêu hao truy n m t gói tin b bít v i kho ng cách truy n dij(J)


: năng lượ ạch điệ ử ề ặ ậ ữ ệ
ng tiêu hao trong m n t truy n ho c nh n d li u (J)

28. 11

 : năng lượ ở ộ ếch đạ ấ
ng tiêu hao b i b khu i công su t (J)
 : kho ng cách truy n (m)
ả ề
 : h s ng truy
ệ ố mũ suy hao đườ ền.
Ngoài ra, nút c m bi
ả ến còn có các hoạt động khác cũng tiêu thụ năng lượng như
kh i
ở động nút và thực thi các tác vụ chẳng hạn gửi tín hiệu hay điều khiển một đối
tượ ằ ự ệ ệ ụ nào đó. Trong ấ ả ạt độ ủ
ng bên ngoài nh m th c hi n nhi m v t t c ho
các ng c a
nút, hoạ ộ
t đ ng truyền thông tiêu thụ năng lượng lớn nhất. Halgamuge và các cộng sự
đã đưa ra ức năng lượ ụ ủ ạt độ ủ ả ến đượ ỉ
m ng tiêu th c a các ho ng c a nút c m bi c ch ra
như trong ứu đưa ra dự ế ỷ ệ ề ứ ụ năng lượ
Hình 1.6. Nghiên c ki n t l v m c tiêu th ng cho
hoạt động truyền thông chiếm 51% trên tổng toàn bộ năng lượng của nút cảm biến,
ho ng thu th p d u chi m 6%, ho ng bi i 8%, ho ng x lý chi
ạt độ ậ ữ liệ ế ạt độ ến đổ ạt độ ử ếm
12%, ho u 14%, ho ng ch n gi ng thái làm
ạt động lưu trữ ữ ệ
d li ạt độ ờ ể
chuy ữa các trạ
vi i bi m
ệc ch ếm 10%. Trong thực tế, tác vụ ến đổi có thể coi là hoạt động của khối cả
bi n, ho d li u có th coi là ho ng c i x
ế ạt động lưu trữ ữ ệ ể ạt độ ủa khố ử lý.
Hình 1.6 ng tiêu th d n cho các ho ng c a nút c n [39].
. Năng lượ ụ ự kiế ạt độ ủ ảm biế
Nghiên c u ch ra m ng yêu c u s ng cho ho
ứ ỉ ức năng lượ ầ ử ụ
d ạt độ ề ậ
ng truy n nh n
thông tin chi t ph n l là 51%
ếm mộ ầ ớn tr t
ên ổng năng lượ ụ
ng tiêu th của nút c n
ảm biế .
Vì v y các nghiên c n v m bi
ậ ứu liên quan đế ấn đề năng lượ ủ
ng c a mạng cả ến không
dây thườ ập trung vào năng lượ ử ụ ề ộ ố ứ
ng t ng s d ng cho truy n thông. M t s nghiên c u
chuyên sâu về năng lượ ủ ạ
ng c a ho t độ ề ẳ ạn như nghiên cứ ủ
ng truy n thông ch ng h u c a
Jan M. Rabaey ng s phân ph ng tiêu th
và các cộ ự đã chỉ ự
[40] ra s ối năng lượ ụ cho
các tác vụ ệ ề ủ ả ế ả đưa ra mức năng
trong vi c truy n thông c a nút c m bi n. Các tác gi
lượ ộ ử ệ ế ổng năng lượ ầ ủ ề
ng cho b vi x lý làm vi c chi m 30% trên t ng yêu c u c a truy n
thông, ho ng c u hình 25%, tác v ng b n tin 1%, ho
ạt độ ấ ụ đồ ộ hóa 14%, đáp ứng nhậ ạt
độ ậ ế ề ền thông băng tầ
ng nh n tin chi m 12%, truy n tin 5% và truy n cơ sở 13%. Hình
1.7 v s
mô tả ề ự phân ph i m ng tiêu th trong ho
ố ức năng lượ ụ ự ế
d ki n cho các tác vụ ạt
độ ề ủ ộ ả ế
ng truy n thông c a m t nút c m bi n.

29. 12
Hình m bi
1.7. N ng tiêu th cho tác v truy n thông c a nút c
ăng lượ ụ ụ ề ủ ả ến .
[40]
Các nghiên cứu đưa ra tương đối đầy đủ các hoạt động tiêu hao năng lượng của
một nút cảm biến không dây hoặc chi tiết hóa các mức năng lượ ầ ử
ng c n s dụng trong
các tác vụ ủ ệ ề ủ ả ế ề
c a công vi c truy n thông c a nút c m bi n. Tuy nhiên, mô hình hóa v
m ng
ức năng lượ tiêu thụ trong các hoạ ộ
t đ ng của nút cảm biến mang tính ướ ợ
c lư ng.
Th v và ng, c n
ực tế, cảm biến rất phong phú đa dạng cả ề công nghệ ứng dụ ảm biế
đượ ế ế ế
c thi t k , ch t ph
ạo khác nhau về ần cứng và phần mềm. Mức tiêu thụ năng lượng
trong các ho ng s c vào nhi u y u t n t , linh ki
ạt độ ẽ ụ ộ
ph thu ề ế ố như mạch điệ
khác ử ện
s d
ử ụng, loại vi xử lí được dùng hoặc thuật toán làm việc của nút cảm biến, ... Các
mô hình này có ý nghĩa trong nghiên cứ ể ế ạ ả ế ế ệ
u, phát tri n ch t o c m bi n ti t ki m năng
lượ ệ ứ ụ ả ế ở ự ế ẽ ể ậ
ng. Trong khi vi c ng d ng c m bi n các bài toán th c t s không th nh n
bi ng x lý
ết, tách bạch được từng hoạt động này của nút trong quá trình hoạt độ để ử
hay tìm cách gi c tiêu th ng c a nút. S tiêu th ng c
ả ứ
m m ụ năng lượ ủ ự ụ năng lượ ủa nút
chỉ đượ ạ ộ ủ ạ ế độ
c tính toán trong quá trình ho t đ ng c a m ng khi nút có các ch làm việc
rõ ràng và các chế độ đó phải đượ ể ằ ự
c ki m soát b ng các s kiện nhấ ị
t đ nh bởi bộ vi xử
lí trung tâm c a nút.
ủ
Vì v y, các nút c m bi
ậ ả ế ụ
n ph c vụ các ứ ụng thườ đượ ế ế
ng d ng c thi t k v i b n
ớ ố chế
độ làm vi c bao g
ệ ồm chế độ ngủ, chế độ chờ ế độ
, ch đo lường và chế độ truyền thông.
Trong đó, ở ế độ ủ ả ế ụ năng lượ ấ ấ ần như không
ch ng nút c m bi n tiêu th ng th p nh t g
đáng kể ế
. Ch độ đo lường sẽ yêu cầu mức năng lượ ều hơn.
ng nhi Chế độ truyền thông
sẽ tiêu thụ năng lượng lớn nhất. Bộ vi xử lí trung tâm của nút cảm biến sẽ đóng vai
trò giám sát và điề ố ạt độ ố ế độ ờ ự ện như giá
u ph i nút ho ng theo b n ch này nh các s ki
tr ki th
ị đo lường, sự ện về ời gian hoặc các tín hiệu từ bên ngoài tác động đến nút.
Việc đi m năng l
ề ố ằ ế ệ
u ph i này nh m ti t ki ượ ả ế
ng cho nút c m bi n. Các nghiên cứu phát
tri n t s c g , t o l
ể và các hãng sản xuấ ẽ ố ắng thiết kế chế ạ cũng như nỗ ực tìm kiếm và
s d ti ng m
ử ụng các linh kiện điện tử cho nút cảm biến để ết kiệm năng lượ ở ức cao
nh t nh m m t ng c nút c kéo
ấ ằ ục tiêu ối thiểu hóa mức năng lượ tiêu thụ ủa ảm biến để
dài tu i th c ng nút nói riêng và c ng nói chung.
ổ ọ ủa từ ủa toàn mạ
1.2.2.2. Năng lượ ụ ở ấ ộ ạ
ng tiêu th c p đ m ng
Các nghiên cứu đề ỉ
u ch ra rằng mức năng lượ ụ
ng tiêu th trong truy n thông chi
ề ếm
ph c m
ần lớn trên tổng năng lượng tiêu thụ ủa nút cảm biến, nên các giải pháp tiết kiệ
năng lượ ạ ỗ ự ả ệ ức đị ế ạ ế ệ ề
ng cho m ng là n l c c i thi n giao th nh tuy n và h n ch vi c truy n

30. 13
thông gi t ki m b o m c tiêu
ữ ể ế
a các nút đ ti ệm năng lượng. Tuy nhiên, để đả ả ụ ứng
d ng
ụng của mạng cảm biến, hoạt động truyền thông giữa các nút phải xảy ra thườ
xuyên. Do đó, các nghiên cứ ầ ề ớng đế ể ả ế ứ
u ph n nhi u hư n phát tri n, c i ti n các giao th c
truy h
ền thông, định tuyến, các thuật toán tối ưu hóa trong truyền thông mạng để ạn
chế ệ ề ủ ạ ế ố ầ ề ối ưu hóa đườ
vi c truy n thông c a các nút, h n ch s l n truy n thông, t ng
truyền, ... nhằm mục tiêu giảm thiểu năng lượ ề ộ
ng trong truy n thông. Trong m t
nghiên c A. El ng s
ứu của -Hoiydi và các cộ ự ề ộ
v m t số ứ ụ năng lượ
giao th c tiêu th ng
th ,
ấp [41] năng lượ ụ ủ ề ức thườ
ng tiêu th c a truy n thông trong các giao th ng được xem
xét và phân b theo công t tiêu th ng thái ch n thông, công su t tiêu
ổ suấ ụ ở ạ
tr ờ ề
truy ấ
th t ph thu
ụ khi nhận, công suất tiêu thụ khi truyền. Năng lượng tiêu thụ ổng sẽ ụ ộc
vào các kho y ra các ho
ả ờ ả
ng th i gian x ạ ộ ụ năng lượng đó như thờ
t đ ng tiêu th i gian
chuy tr li
ển từ ạng thái chờ sang trạng thái truyền hoặc nhận dữ ệu, thời gian để đóng
gói dữ li u chu
ệ ẩn bị cho việ ề ả ờ ự ệ ề
c truy n thông và kho ng th i gian th c hi n truy n thông,
… Công su t tiêu th khi truy n thông b n tin t giao th c tí
ấ ụ ề ả c m
ủa ộ ức lý tưở đượ
ng nh
theo công th c 1.5.
ứ


= 
 +


(



) 

.


(1.5)
Trong đó:


: c (W)
ông suất tiêu thụ lí tưởng

 : c (W)
ông suất tiêu thụ ở trạng thái chờ truyền thông


 (W)
: công suất tiêu thụ khi nhận


 (W)
: công suất tiêu thụ khi truyền

 : thời gian để chuyển từ trạng thái chờ sang trạng thái nhận hoặc
(s)
truyền tín hiệu

 (s)
: thời gian để đóng gói dữ liệu

 : t soát gói tin (s)
hời gian để kiểm

 : t (s)
hời gian để xử lí yêu cầu chuyển đổi trạng thái giữa thu và phát
 : kho ng th i gian truy n thông (s).
ả ờ ề
Các tác giả đã phát triể ứ ụ
n, mô hình hóa các m c tiêu th năng lượ ạ
ng trong các ho t
độ ền thông và đưa ra các công
ng truy thức tính công suất tiêu thụ trung bình của giao
thức WiseMAC (Wireless Sensor MAC), giao thức PTIP (Periodic Terminal Initiated
Polling) và giao th c PSM (Power Save Mode) ra trong các bi
ứ n
được lầ lượt chỉ ểu
th c 1.6, 1.7 và 1.8.
ứ


=  +


 󰇡



󰇢


+

 󰇡


 
  
󰇢

 

+ 
 (  1)
(
  
 )


(1.6)


=  + 



 
  

 (  
 
)

+


   

 (  
  
)

(1.7)

 =  + 20
 +


 (
)


+

 
 
 (
)

(1.8)
C ng
ác nghiên cứu khác xung quanh vấn đề các giao thức truyền thông cho mạ
c v t
ảm biến không dây ừa có mục tiêu truyền thông hiệu quả, vừa có mục đích tiế

31. 14
ki m
ệ năng lượ trong quá trình trao đổ ủ ạ ứ ểm soát đa
ng i thông tin c a m ng. Giao th c ki
truy cập (MAC_ )
Media Access Control đã góp phầ ả ể
n gi m thi u năng lượ ạ
ng cho m ng
cảm biến đáng kể [42]. Giao th ng k t l y m u khung d
ức sử ụ
d ỹ ậ
thu ấ ẫu trườ ở đầ
ng m ữ
liệu. Mỗi gói tin được đóng gói ở nút phát có trườ ở đầ
ng m u vớ ục đích đánh thứ
i m c
nút nh n. Gi s ng thái ng ng tiêu th m ng
ậ ả ử các nút đang trong trạ ủ và năng lượ ụ ột lượ
rất nhỏ, trường mở đầu này sẽ đảm bảo rằng nút nhận sẽ được đánh thức khi phần
đầ ủ ữ ệ này đượ ử ới nó. Như vậ ứ ể
u c a khung d li u c g i t y các nút thay vì th c đ nghe
thông tin thì s i th làm vi c, k
ẽ ủ và đợi cho đến khi có gói tin đế
ng n mớ ức dậ ể
y đ ệ ỹ
thu t này cung c c làm vi c ti t ki ng cho các nút c
ậ ấp một phương phứ ệ ế ệm năng lượ ảm
bi th li
ến không dây. Tuy nhiên, giao ức có hạn chế là sẽ làm khung dữ ệu dài hơn gây
hạn chế thông lượng và cũng làm tăng năng lượng tiêu thụ trong quá trình truyền
thông.
Trong m t nghiên c u khác, giao th c ki m soát truy c
ộ ứ ứ ể ập trung bình được nghiên
cứu phát triển nhằm giảm thiểu năng lượng tiêu thụ dùng cho mạng cảm biến không
dây [43]. Giao th c này d a trên k ng m u khung d u k
ứ ự ỹ ậ
thu t l y m
ấ ẫu trườ ở đầ ữ ệ
li ết
h l ch
ợp việc giảm thiểu thời lượng của phần mở đầu bằng cách khai thác hồ sơ về ị
trình l y m u c a nh ng nút lân c n tr c ti i t nút s ng li
ấ ẫ ủ ữ ậ ự ếp vớ mình. Mộ ẽ có được bả ệt
kê kho ng th i gian l y m u c a các nút lân c
ả ờ ấ ẫ ủ ậ ểm đến thông thườ
n là các đi ng của
b d truy
ản tin mà nó gửi đi. Sử ụng thông tin này, nút cảm biến sẽ ền một gói tin vào
đúng thời điể ớ ầ ở đầu đánh thức có kích thướ ố ểu. Như vậ ẽ ắ
m, v i ph n m c t i thi y s kh c
phục được nhược điểm mà giao thức kiểm soát đa truy cập thông thường. Các nút
nhận không mất nhiều thời lượng cho việc xử lý mẫu trường mở đầu, tiết kiệm được
thông lượng qua đó giảm lãng phí năng lượng.
1.2.2.3. Thách thứ ủ ấ ề ng lượ ạ ả ế
c c a v n đ nă ng trong m ng c m bi n không dây
V ng
ấn đề đảm bảo năng lượng để duy trì hoạt độ ổn định lâu dài của mạng cảm
biến không dây là thách thức rất lớn trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng mạng
c nút
ảm biến. Thách thức có thể được nhìn nhận theo cấ ộ
p đ và cấp độ ạ ữ
m ng. Nh ng
thách th c chính nút là làm th i quy c bài toán công su
ứ ở ấ ộ
c p đ ế nào để ả
gi ết đượ ất
tiêu th t lí, ch ng kh c nghi t và giá thành h p lí
ụ, kích thước vậ ịu được các môi trườ ắ ệ ợ .
Vấn đề l t
ớn nhất và quan trọng nhấ ở đây là công suấ ụ ủ ả ế ứ
t tiêu th c a nút c m bi n. M c
tiêu th n h u h khác khi tri n khai m
ụ năng lượ ảnh hưởng đế
ng ầ ết các vấn đề ể ạng như
vi c thi n c ng, ph m, giao th ng và ki n trúc m ng. Vi c thi t k
ệ ết kế phầ ứ ần mề ức mạ ế ạ ệ ế ế
ph t
ần cứng trong chế ạo cảm biến phả ả
i đ m bảo tối giản hóa kích thước và tối ưu hóa
các chức năng. Phầ ềm điề ạt độ ả ế ả ế ệm năng
n m u hành ho ng nút c m bi n ph i ti t ki
lượng thông qua các cơ chế ạt độ ế ệm năng lượ ụ như nút cả ế
ho ng ti t ki ng, ví d m bi n
có th ng khi không c n ho ng hay ho ki n, ...
ể ủ ầ ạt độ ạt động hướng sự ệ
Mặc dù các giải pháp thu thập năng lượng từ môi trường cho nút cảm biến được
phát tri n v i nhi u ngu i m i nút c m bi n, m i v
ể ớ ề ồn năng lượng, nhưng không phả ọ ả ế ọ ị
trí đặ ả ến cũng như mọ ời điểm, điề ện đề ợ ệ ậ
t c m bi i th u ki u thích h p cho vi c thu th p
năng lượ ừ môi trườ ặ ật độ năng lượ ủ ồn năng lượ
ng t ng. M t khác, m ng c a các ngu ng
t ng cho nút
ừ môi trường thường không liên tục hoặc nhỏ, nên việc thu thập năng lượ
c mang
ảm biến cũng chỉ tính bổ sung thêm năng lượng cho cảm biến mà chưa giải

32. 15
quy a nút c
ết triệ ể
t đ được vấn đề năng lượng củ ảm biến. Đây là vấ ề ỏ
n đ không nh và
r t c n có nh ng nghiên c u, phát tri gi i quy t.
ấ ầ ữ ứ ển để ả ế
Trong khi thách th nút là c n gi t v quy mô nh a ngu
ức cấp độ ầ ả ế
i quy ấ ề
n đ ỏ ủ
c ồn
tài nguyên s có thì thách th
ẵn ứ ở
c cấp độ ạ ầ ả ế ấ ề
m ng là c n gi i quy t v n đ ở l
quy mô ớn
và khả năng tùy biế ủ ạ ớ ự ộ ố ở ấn đề năng lượ
n cao c a m ng v i s ràng bu c, chi ph i b i v ng
h . M
ạn chế ạng cảm biến không dây có tiềm năng rất lớn về quy mô, số lượng nút
m li
ạng và dữ ệu được tạo ra bởi mỗi nút. Sự thay đổ ề ố
i v s lượ ức năng, ứ
ng nút, ch ng
d ng
ụ và yêu cầu người dùng đòi hỏ ạ ả
i m ng ph i có độ linh ho t và tùy bi n cao.
ạ ế Nghiên
c n nh thi
ứu và phát triể ững vấn đề quan trọng của mạng cảm biến như ết kế các giao
th n l th
ứ ị
c đ nh tuyế , các cơ chế ập lịch cho mạng để ực hiện các mục tiêu liên quan
đế ủ ố ộ ề dung lượ ữ ệ ất lượ ạ ầ
n vùng ph sóng, t c đ truy n, ng d li u và ch ng m ng, … c n
ph ng b tr n tu
ải đặc biệt tính đến vấn đề năng lượ ởi nó liên quan ực tiếp đế ổi thọ và
hiệu năng mạng. Ở ấ ộ ạ
c p đ m ng, năng lượng tiêu t n ch
ố ủ yếu là do truyền thông giữa
các nút n các y
. Vì v nh tuy
ậ ứ ị
y, giao th c đ ến phải xét đầy đủ đế ế ố liên quan đế
u t n
vấn đề năng lượng của từng nút mạng và của toàn mạng. Hơn nữa, các nút cảm biến
h v b nh
ạn chế ề ộ ớ nên giao thức đị ế ả
nh tuy n ph i xác đ n đ
ị ự ọ
nh và l a ch ể gi l
ữ ại thông
tin c n thi t v t lân c n và lo các thông tin không c n thi
ầ ế ề ạ
m ng, các nú ậ ại bỏ ầ ế ệ
t. Vi c
lập lịch hoạt động cho mạng cảm biến không đồng nhất liên quan đến rất nhiều yếu
tố như mục tiêu và các ràng buộc. Như vậy, việc tổ chức và quản lí mạng cần được
xem xét th t k ng và làm th ng s ng nh
ậ ỹ lưỡ ế để ối ưu hóa được năng lượ
nào t ử ụ
d ằm
ti t ki ng và nâng cao tu i th m u thách th
ế ệm năng lượ ổ ọ ạng. Đây là vấn đề còn nhiề ức
đố ớ ứ ể ứ ụ ạ ả ế ự ế
i v i nghiên c u, phát tri n và ng d ng m ng c m bi n không dây trong th c t .
1.3. u
Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứ
Các yêu c ng d ng c
ầ ứ
u ụng cũng như ấn đề năng lượ
v ủa mạ ả ế
ng c m bi n có tính
chất đa dạ ứ
ng và ph c t i các b
ạ ạ ả ế ớ
p. M ng c m bi n v ộ ố như môi trường đặ
thông s t
m thu
ạng, yêu cầu kỹ ật triển khai các nút mạng, khả năng ứ ụ ủ ả ế
ng d ng c a các c m bi n,
kh h
ả năng và triển vọng về năng lượng của các nút mạng, mục tiêu mạng và tổ ợp
các ràng bu Vì v bài toán t
ộc, … ậy, ối ưu hóa cho mạ ả ế ấ ạ
ng c m bi n cũng r t đa d ng và
ph p c
ức tạ , đa mục tiêu và nhiều ràng buộ . Tuy nhiên, các mục tiêu tối ưu hóa trong
m m ng và
ạng cảm biến đa phần liên quan đến tuổi thọ ạ vùng phủ sóng nên cần đặc
bi n v a, t ng c m bi n trong ng
ệt quan tâm đế ấn đề năng lượng. Hơn nữ ối ưu hóa mạ ả ế ứ
d n bi p c
ụ g thực tế là bài toán rất phổ ến và thường gặ . Do đó, vấn đề ần giải quyết là
đưa ra và thự ệ ả ớ ố ạ ả ế
c hi n gi i pháp cho các l p bài toán t i ưu hóa m ng c m bi n thay vì
giải các bài toán tối ưu riêng lẻ ệ ẽ ậ ện hơn, ầ ế ệ
. Vi c này s giúp thu n ti góp ph n ti t ki m
th ng
ời gian và tài chính trong quá trình thiết kế, cài đặt mạng cảm biến cho các ứ
d ng th .
ụ ực tế
Hướ ế ậ
ng ti p c n
Các bài toán tối ưu hóa mạ ả ế ầ ế ặ ẽ đế ấn đề
ng c m bi n h u h t liên quan ch t ch n v
năng lượ ủ ả ến. Do đó, nghiên cứu bài toán này đòi hỏ ả ể
ng c a nút c m bi i ph i ki m soát