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

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình nghiên cứu
của tơi dưới sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn. Luận án được thực hiện hồn tồn
trong thời gian tơi là nghiên cứu sinh tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các kết
quả, số liệu trình bày trong luận án hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo từ các cơng trình đã
được cơng bố đều được trích dẫn một cách rõ ràng và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 2 tháng 3 năm 2022
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU SINH

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử
dụng năng lượng trong mạng cảm biến”, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp
đỡ và tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, tập thể lãnh đạo, phòng đào tạo, các phòng
ban chức năng, các cán bộ, chuyên viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi xin
được bày tỏ lời cảm ơn chân thành về sự quan tâm giúp đỡ đầy q báu đó.
Tơi 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 q trình nghiên cứu và hồn thành luận án.
Tơi 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 tơi hồn 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 q trình thực hiện luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình của tơi đã ln động viên, khích lệ, tạo điều
kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hồn thành luận án.

Tơi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận án

ii


MỞ ĐẦU
Động lực nghiên cứu
Mạng cảm biến là một tập hợp phân tán các nút nhỏ có khả năng phối hợp hoạt
động linh hoạt với nhau, ít cần sự tham gia của người dùng. Do có nhiều đặc điểm,
tính năng vượt trội cùng sự phát triển của công nghệ không dây nên mạng cảm biến
không dây gần đây đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều tiết giao
thơng, tự động hóa các tịa 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 khơng 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 khơng cịn 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 cịn 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 tốn rất phức tạp, địi 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 khơng dây trong tự động hóa tịa nhà là một bài tốn
điển hình có nhiều mục tiêu, u cầu phức tạp liên quan đến năng lượng cần nghiên
cứu để đưa ra giải pháp tối ưu.

iii


Đề xuất và phạm vi nghiên cứu
Trước vấn đề thực tế và được sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn. Luận án
đề xuất nghiên cứu phát triển giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong
mạng cảm biến. Nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng mạng cảm biến có thể hoạt động ổn định
lâu dài nhờ giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng đồng thời hỗ trợ các giải pháp
năng lượng sẵn có hiệu quả hơn. Để thực hiện cơng việc nghiên cứu cần có cơng cụ
chun dụng mơ phỏng, giám sát q 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 tốn 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 mơ phỏng năng lượng và thuật tốn tối ưu hóa hiệu quả

sử dụng năng lượng trong mạng cảm biến cho lớp bài tốn ứng dụng.
Đóng góp chính của luận án
Luận án có hai đóng góp chính trong việc đưa ra giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sử
dụng năng lượng nhằm đảm bảo duy trì hoạt động cho mạng cảm biến:
(1) Luận án nghiên cứu, đề xuất phát triển nền tảng mơ phỏng mạng cảm biến
tính đến yếu tố năng lượng. Nền tảng được phát triển có khả năng mơ 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 tốn tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong mạng cảm
biến.
(2) Luận án đề xuất phát triển biến thể mới thuật tốn di truyền với nhiễm sắc
thể có chiều dài thay đổi (VLC-GA) cho bài tốn 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 tốn tối ưu hóa được giải quyết thơng qua tối ưu hóa lịch trình mạng
bằng giải thuật di truyền biến thể mới với sự hỗ trợ của nền tảng mơ 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 mơ 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 tốn tối ưu hóa lịch
trình mạng. Phần kết luận trình bày tóm tắt các đóng góp của luận án và hướng phát
triển tiếp theo.

iv

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

...................................................................................................iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .......................... viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN .............................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... xi
Chương 1. Giới thiệu ............................................................................................. 1
1.1.

Đặt vấn đề .................................................................................................. 1

1.2.

Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng .............................. 3

1.2.1.

Mạng cảm biến không dây.................................................................... 3

1.2.2.

Nhu cầu năng lượng của mạng cảm biến và thách thức ....................... 8

1.3.

Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ........................................... 15

1.4.

Các nghiên cứu đề xuất ........................................................................... 17

Chương 2. Các nghiên cứu liên quan ................................................................. 19
2.1.

Nguồn năng lượng dự trữ của nút cảm biến ............................................ 19

2.2.

Thu năng lượng từ môi trường cho cảm biến .......................................... 22

2.2.1.

Phương pháp thu năng lượng mặt trời ................................................ 24

2.2.2.

Phương pháp thu năng lượng từ rung động cơ học ............................ 27

2.2.3.

Phương pháp thu năng lượng nhiệt ..................................................... 30

2.2.4.

Phương pháp thu năng lượng RF ........................................................ 32

2.3.

Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến ................................... 34

2.3.1.

Kiến trúc và chế độ làm việc linh hoạt của nút tiết kiệm năng lượng 35

2.3.2.

Cảm biến tiêu thụ công suất thấp........................................................ 36

2.4.

Các nghiên cứu về tối ưu hóa sử dụng năng lượng cho mạng cảm biến . 37

2.4.1.

Các nghiên cứu phát triển về thuật toán giao thức định tuyến ........... 38

2.4.2.

Các phương pháp tối ưu hóa ............................................................... 40

2.5.

Mô phỏng mạng cảm biến ....................................................................... 42

2.5.1.

Phần mềm mô phỏng NS: ................................................................... 42

2.5.2.

Phần mềm mô phỏng SENS ............................................................... 43

2.5.3.

Phần mềm mô phỏng OMNeT ++: ..................................................... 44

2.5.4.

Phần mềm mô phỏng OPNET ............................................................ 45

2.5.5.

Phần mềm mô phỏng J-Sim ................................................................ 46

2.5.6.

Phần mềm mô phỏng SENSE ............................................................. 46
v


2.6.

Kết luận chương ...................................................................................... 48

Chương 3. Thiết kế và triển khai nền tảng mơ phỏng mạng cảm biến khơng

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 mơ phỏng............................................ 55

3.2.

Phát triển nền tảng mơ phỏng mạng cảm biến ........................................ 56

3.2.1.

Mơ 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 mơ phỏng q trình năng lượng của các nút hoạt động độc lập
và khơng có truyền thông ................................................................................. 87
3.4.5.

Kết quả mô phỏng truyền thông theo cơ chế quảng bá ...................... 88

3.4.6.

Kết quả mô phỏng truyền thông trong mạng theo cấu trúc cây.......... 90

3.4.7. Kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của các nút mạng với các
hoạt động đo, truyền thông và thu thập năng lượng ........................................ 91
3.5.

Kết luận chương ...................................................................................... 94

Chương 4. Tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến .............................................. 96
4.1. Một số cơ chế lập lịch nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến
................................... ............................................................................................... 97
4.1.1.

Cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp ...................................... 98

4.1.2.

Cơ chế lập lịch cho mạng cảm biến phân cấp .................................... 99

4.1.3.

Cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp .......................................... 99
vi


4.2.

Đặt vấn đề cho bài tốn tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến ............... 101

4.3.

Tổng quan thuật tốn 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. Mơ hình hóa bài tốn tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng
thuật tốn di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài cố định .......................... 105
4.4.2.

Kết quả trên nền tảng mơ phỏng tính đến yếu tố năng lượng .......... 106

4.5. Tối ưu hóa lịch trình mạng sử dụng thuật tốn di truyền với nhiễm sắc thể
có chiều dài thay đổi ............................................................................................... 110

4.5.1. Mơ hình hóa bài tốn tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng
thuật tốn di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi......................... 111
4.5.2.

Giải bài tốn 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 cơng trình đã cơng bố của luận án ............................................. 131
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 133

vii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

Developed Distributed Energy
Efficient Clustering
Distributed Energy Efficient
Clustering
Flexible Length ChromosomeGenetic Algorithms

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang số
Phân cụm năng lượng phân tán
hiệu quả phát triển
Phân cụm năng lượng phân tán
hiệu quả
Giải thuật di truyền với nhiễm
sắc thể có chiều dài cố định

GAs

Genetic Algorithms

Giải thuật di truyền

JSIM

Java-based simulation

LEACH

Low Energy Adaptive

Clustering Hierarchy

Nền tảng mô phỏng dựa trên
Java
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

Network Based Environment
for Modelling and Simulation
Optical Micro-Networks Plus
Plus
Optimized Network
Engineering Tools

Mơi trường mạng cho mơ hình
hóa và mô phỏng

ADC
DDEEC
DEEC
FLC-GA

NETSIM
OMNET++

Analog to Digital Converter

Nền tảng mô phỏng mạng

PSM

Power Save Mode

PTIP

Periodic Terminal Initiated

Polling

Bộ công cụ mô phỏng kỹ thuật
mạng được tối ưu hóa
Giao thức chế độ tiết kiệm năng
lượng
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

Sensor, Environment and
Network Simulator
SEnsor Network Simulator and
Emulator

Trình mơ phỏng và giả lập mạng
cảm biến

SOC

State Of Charge

Trạng thái sạc

VLC-GA

Variable Length Chromosome
– Genetic Algorithms

Giải thuật di truyền với nhiễm
sắc thể có chiều dài thay đổi

OPNET

SENS
SENSE

Trình mơ phỏng mạng cảm biến

viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
Ký hiệu
BS
BI
BM
BC
BFV

Δ
P(Δ)
𝑆̂
𝑆𝑖
𝑠𝑖
𝑚𝑗𝑖
𝑡𝑗𝑖
𝑀
𝑀
q
𝑞
𝐶
𝑞 𝑖
𝐶
𝑞 𝑖
𝑚𝑗
𝑞 𝑖
𝑡𝑗

q

C (k )

q1

q

Ci (k )

mij ( k )

 MC
 MI
 MR
 MS



T
 i
Ls
Ls
Qmin
Qmax
ΔQ
Δtmax

Ý Nghĩa
Biến chọn chế độ ngủ cho nút
Biến chọn chế độ chờ cho nút
Biến chọn chế độ đo lường cho nút
Biến chọn chế độ truyền thông cho nút
Giá trị hàm mục tiêu tốt nhất
Sai số phép đo
Xác suất sai số
Lịch trình mạng
Lịch trình của nút i
Độ dài của dãy trạng thái lịch trình nút i
Chế độ ở trạng thái j của nút i
Thời điểm bắt đầu trạng thái j của nút i

Chế độ hoạt động với mức tiêu thụ điện năng cao hơn
Chế độ ngủ có mức tiêu thụ năng lượng thấp
Cá thể trong quần thể lịch trình
Lịch trình mạng 𝑞 trong quần thể lịch trình
Đoạn gen tương ứng lịch trình nút 𝑖 trong lịch trình mạng 𝑞
Trạng thái 𝑗 của nút 𝑖 của cá thể 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
Dung lượng nhỏ nhất trong ngày
Dung lượng lớn nhất trong ngày
Mức giảm dung lượng so với mức ban đầu tính trên cả chu kỳ mơ phỏng
Thời gian lớn nhất giữa hai lần đo liên tiếp tính trên cả chu kỳ mơ phỏng
ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1.Ví dụ về sự đa dạng của pin NI-MH ......................................................... 22

Bảng 2.2. Đặc điểm một số nút cảm biến thu năng lượng mặt trời. ......................... 26
Bảng 2.3. Một số thiết bị thu năng lượng rung động. .............................................. 29
Bảng 2.4. Đặc điểm của một số nút thu năng lượng nhiệt khác nhau. ..................... 31
Bảng 2.5. Mức năng lượng thu được từ một số nguồn RF .
......... 33
Bảng 2.6. So sánh một số phương pháp thu năng lượng . ........................................ 34
Bảng 2.7. Mức tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của một số nút cảm biến . ............. 36
Bảng 2.8. Mức tiêu thụ của một số cảm biến giám sát năng lượng . ....................... 37
Bảng 3.1. Định thời gian các chế độ hoạt động theo 4 chu kỳ ................................. 74
Bảng 3.2. Kết quả đo công suất tiêu thụ của nút ở 10 lần thực nghiệm ngẫu nhiên 79
Bảng 3.3. So sánh kết quả năng lượng giữa thực nghiệm và mô phỏng .................. 85
Bảng 3.4. Các thông số ban đầu về năng lượng cho từng nút. ................................. 87
Bảng 3.5. Số liệu quá trình hoạt động của các nút ................................................... 93
Bảng 4.1. Tham số các nút mạng của kịch bản ...................................................... 107
Bảng 4.2. Kết quả mô phỏng mạng theo lich trình tối ưu trong 3 ngày ................. 109
Bảng 4.3. Các thơng số chính của nút cảm biến..................................................... 117
Bảng 4.4. Các tham số sử dụng trong VLC-GA..................................................... 117
Bảng 4.5. Kết quả các lần chạy thuật toán trong các trường hợp ........................... 122
Bảng 4.6. Kết quả tối ưu hóa mạng của VLC-GA và FLC-GA ............................. 125

x


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Một mạng cảm biến khơng 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 khơng 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 thơng của nút cảm biến . ............. 12
Hình 1.8. Các cơng 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 mơi 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 khơng dây ........................... 26
Hình 2.9. Mơ hình phát điện qn 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 khơng dây .................................... 31
Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý bộ thu năng lượng RF ................................................. 32
Hình 2.14. Mơ 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 mơ phỏng OMNeT++ ..................................... 44
Hình 2.21. Tổ chức phân cấp trong mơi trường OPNET ........................................ 45
Hình 2.22. Mơ hình mơi 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 mơ phỏng.............................................. 51
Hình 3.2. Biểu đồ chức năng thiết lập mạng. ........................................................... 52
Hình 3.3. Biểu đồ chức năng thiết lập mơi trường đặt mạng. .................................. 54
Hình 3.4. Biểu đồ chức năng chạy mơ phỏng. ......................................................... 55
Hình 3.5. Các mơ 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 mơ đun pin. .............................................................................. 64
Hình 3.9. Sơ đồ lớp nguồn năng lượng. ................................................................... 65
Hình 3.10. Sơ đồ lớp truyền thơng ........................................................................... 66
Hình 3.11. Sơ đồ lớp mơ đun cảm biến. ................................................................... 68
Hình 3.12. So sánh quá trình sạc pin Panasonic BK-60AAAH ............................... 70
Hình 3.13. So sánh quá trình xả pin Panasonic BK-60AAAH................................. 71
xi


Hình 3.14. Cấu trúc cơ bản nút cảm biến thực nghiệm. ........................................... 72
Hình 3.15. Mức năng lượng tiêu thụ ở các chế độ hoạt động của nút cảm biến. ..... 73
Hình 3.16. Sơ đồ khối nút cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm. ........................................ 75
Hình 3.17. Sơ đồ mạch nguyên lý nút thực nghiệm đo nhiệt độ và độ ẩm. ............. 76
Hình 3.18. Lưu đồ thuật tốn nút thực nghiệm đo nhiệt độ và độ ẩm...................... 77
Hình 3.19. Mơ hình thực nghiệm đo cơng suất tiêu thụ của nút .............................. 78
Hình 3.20. Cơng 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 thơng một bản tin . 80
Hình 3.22. Cơng 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 mơ 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. Mơ phỏng q 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 thơng với ràng buộc 10 bước, khoảng cách 10m. ........ 90
Hình 3.31. Quá trình truyền thơng từ nút 35 đến nút chủ theo định tuyến có.......... 91
Hình 3.32. Q trình truyền thơng 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. Dịng năng lượng trong một nút điển hình. ............................................ 102
Hình 4.2. Lưu đồ thuật tốn di truyền. ................................................................... 104
Hình 4.3. Vùng kiểm sốt trong kịch bản tối ưu lịch trình mạng. .......................... 107
Hình 4.4. Giá trị hàm mục tiêu tốt nhất sau 100 thế hệ. ......................................... 108
Hình 4.5. Lịch trình mạng tương ứng giá trị hàm mục tiêu tốt nhất. ..................... 108
Hình 4.6. Dung lượng pin của 3 nút với lịch trình tốt nhất. ................................... 109
Hình 4.7. Số phép đo tối đa trong kịch bản mô phỏng. .......................................... 110
Hình 4.8. Biểu đồ biểu diễn lịch trình của một nút cảm biến ................................. 112
Hình 4.9. Hoạt động lai ghép giữa hai đoạn gen .................................................... 113
Hình 4.10. Hoạt động đột biến gen của nhiễm sắc thể ........................................... 114
Hình 4.11.Quy trình thực hiện tối ưu hóa lịch trình mạng ..................................... 115
Hình 4.12. Sự tiến triển giá trị hàm mục tiêu với VLC-GA và FLC-GA .............. 118
Hình 4.13. Lịch trình mạng tốt nhất trong trường hợp với một nút cảm biến........ 119
Hình 4.14. Diễn biến năng lượng của nút khi làm việc theo lịch trình tốt nhất trong
các trường hợp là kết quả của VLC-GA và FLC-GA ............................................ 120
Hình 4.15. Số lần đo lường theo thời gian trong trường hợp một nút .................... 121
Hình 4.16. Sự tiến triển của giá trị hàm mục tiêu tốt nhất khi sử dụng VLC-GA và
FLC-GA trong trường hợp nhiều nút. .................................................................... 123
Hình 4.17. Lịch trình mạng tốt nhất mỗi ngày trong trường hợp ba nút cảm biến 124
Hình 4.18. Diễn biến năng lượng của các nút khi làm việc theo lịch trình tối ưu là các
kết quả của VLC-GA và FLC-GA.......................................................................... 124

xii

Hình 4.19. Số lượng giá trị đo lường theo thời gian của mạng gồm ba nút với lịch
trình của VLC-GA và FLC-GA .............................................................................. 125

xiii


Chương 1.

Giới thiệu

1.1. Đặt vấn đề
Cảm biến có vai trị 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 khơng
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 khơng 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 khơng 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 khơng đảm bảo tồn bộ vùng phủ sóng và khi số lượng nút hết năng lượng
tăng đến một mức nào đó thì mạng khơng thể đảm bảo vùng phủ sóng tối thiểu để
thực hiện các chức năng mạng hay nói cách khác mạng khơng cịn tồn tại.
Tuy nhiên, mạng cảm biến khơng 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 khơng dây hoạt động có nhiều vấn đề hạn chế,
khó khăn và khơng 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 cịn làm giảm
chất lượng của tồn 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 địi
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 khơng 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 khơng dây có thể xem xét với hai cấp độ là giải
pháp năng lượng ở cấp độ nút và giải pháp ở cấp độ mạng.
1


Giải pháp năng lượng cho mạng cảm biến ở cấp độ nút nhằm giải quyết vấn đề
năng lượng tại một nút cảm biến. Những nỗ lực trong việc nghiên cứu và phát triển
cơng nghệ pin nhằm tối thiểu hóa về kích thước và tối đa hóa về dung lượng, nhưng
điều đó là khơng 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 khơng 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 sốt 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 cịn đề cập đến việc truyền năng
lượng khơng 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 tốn định tuyến,
giao thức truyền thơng [12] nhằm tiết kiệm năng lượng để nâng tuổi thọ cho mạng
cảm biến khơng dây như giao thức MAC [13], thuật tốn 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 thơng khi cần thiết, việc này sẽ được thực hiện theo cơ chế
mà thuật toán đưa ra phụ thuộc vào mục tiêu mạng, phải đảm bảo các điều kiện ràng
buộc của mạng cụ thể và nhằm đạt được tuổi thọ mạng cao nhất có thể [16][17]. Các
giải thuật tối ưu hóa cũng được các nghiên cứu ứng dụng trong tối ưu hóa các vấn đề
nhất định cho mạng cảm biến. Ví dụ, tối ưu hóa trong việc thu thập dữ liệu trong

mạng cảm biến [18].
Các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thu năng lượng từ môi trường cho nút cảm
biến hay các nỗ lực tìm cách sử dụng linh kiện điện tử tiêu thụ công suất thấp cũng
chỉ kéo dài tuổi thọ cho các nút với mức độ nhất định không thể đáp ứng được nhu
cầu về năng lượng của mạng trong các ứng dụng thực tế. Mặc dù giải pháp sử dụng
các thuật tốn tối ưu trong truyền thơng của mạng cảm biến sẽ giúp tiết kiệm năng
2