I. Tổng Quan Về Tiết Kiệm Năng Lượng Từ Công Nghệ Điện Tử
Mạng không dây đang là xu thế phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn thay thế nhiều ứng dụng đang sử dụng mạng có dây hiện nay. Mạng cảm nhận không dây (WSN) ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng những thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử và công nghệ thông tin. WSN được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, cả quân sự, dân sự và công nghiệp, với đặc điểm chung nổi bật là không cần thao tác của con người. Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường và đưa ra các thông báo có ích; điều khiển trong công nghiệp, điều khiển phản ứng hạt nhân; quan sát, giám sát các khu vực quân sự… Nhiều ứng dụng khác của WSN đang được nghiên cứu và có xu hướng phát triển rộng khắp. Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần có là gọn nhẹ và nút mạng thực hiện được cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm nhận.
1.1. Định Nghĩa Mạng Cảm Nhận Không Dây Tiềm Năng Ứng Dụng
Mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng được cấu thành từ các thiết bị hoạt động độc lập đặt trong không gian. Các thiết bị này thu thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyển động,… Các vi điều khiển khi được nạp phần mềm nhúng, sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và ở những vị trí địa lý khác nhau. Mỗi vi điều khiển khi được tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến và bộ cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng. Tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi nhất định được gọi là mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network - WSN).
1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Mạng Cảm Nhận Không Dây Là Gì
Chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu vì thay cho hệ thống dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người ta chỉ việc đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi cần thiết. Mạng có thể được mở rộng đơn giản bằng cách thêm vào các thiết bị, không cần các thao tác phức tạp, mạng sau đó hoạt động không cần sự can thiệp của con người. Hệ thống cũng có khả năng hoạt động trong vài năm, mỗi nút mạng chỉ cần một nguồn pin duy nhất. Theo tài liệu, "nhiều ứng dụng khác của WSN đang được nghiên cứu và có xu hướng phát triển rộng khắp". Sự ra đời của WSN xuất phát từ nhu cầu phát triển các ứng dụng trong quân sự như giám sát các khu vực an ninh quốc gia, biên giới.
II. Thách Thức Tiêu Hao Năng Lượng Của Công Nghệ Điện Tử
Một trong những vấn đề hiện nay cần quan tâm là tiêu thụ năng lượng cho từng nút mạng, tăng tuổi thọ cho nút mạng dùng pin. Đây là một hướng nghiên cứu đang được chú trọng để cải thiện chất lượng mạng không dây. Khi kích thước vật lý giảm, cũng làm giảm khả năng tích trữ năng lượng. Các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên giới hạn về tính toán và lưu trữ dẫn đến phải có kiến trúc mới. Cần phải có cơ chế thích nghi theo sự thay đổi mô hình mạng và mạng cần có sự chuyển đổi giữa các chế độ làm việc nhằm đạt mục tiêu tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, kéo dài thời gian sống của hệ thống mạng. Luận văn này nghiên cứu về mạng cảm nhận không dây đặc biệt là mạng cảm nhận không dây sử dụng IC1010 và đặt ra vấn đề sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng cho các nút trong mạng cảm nhận không dây.
2.1. Tại Sao Tiết Kiệm Năng Lượng Quan Trọng Với Mạng Cảm Nhận
Năng lượng là nguồn tài sản quan trọng nhất của WSN, và nó quyết định thời gian sống của WSN. Các WSN được triển khai với số lượng lớn và trong nhiều môi trường khác nhau với đặc điểm là truyền thông đặc biệt không thể dự tính trước. Vì lý do này nên các thuật toán và giao thức cần tập trung vào các điểm sau: Thời gian sống được tối đa hóa, Chịu lỗi tốt, Khả năng tự cấu hình.
2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Tiêu Thụ Năng Lượng Phân Tích Chi Tiết
Nghiên cứu kỹ các yêu cầu đó sẽ là cơ sở để lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp sử dụng cho từng ứng dụng mạng cảm nhận không dây. Cụ thể trong đề tài này đã lựa chọn vi điều khiển IC1010 làm đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong mạng cảm nhận theo dõi thông tin về môi trường. Theo tài liệu, "Ở WSN, những đặc điểm quan trọng cần có là gọn nhẹ và nút mạng thực hiện được cả 2 chức năng: chức năng mạng và chức năng cảm nhận."
III. Cách Lập Trình Vi Điều Khiển IC1010 Tiết Kiệm Năng Lượng
Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển IC1010. Trong phần đầu sẽ trình bày các nguyên nhân gây tổn thất năng lượng đối với nút mạng từ đó đưa ra hướng hạn chế các nguyên nhân đó. Có nhiều cách khác nhau để tiết kiệm năng lượng cho nút WSN như xây dựng các giao thức MAC tiêu thụ ít năng lượng, lập trình cho vi điều khiển chuyển sang hoạt động ở chế độ năng lượng thấp khi không cần truyền dữ liệu. Các phần sau của chương sẽ đưa ra giải pháp cụ thể, tuy nhiên chỉ một trong số đó được chọn để nghiên cứu sâu và giải pháp lập trình cho nút mạng được chọn do có tính khả thi nhất trong phạm vi nghiên cứu của một luận văn.
3.1. Giao Thức MAC Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Mạng Cảm Nhận
Tại lớp liên kết dữ liệu, giao thức điều khiển truy cập môi trường (MAC) phải tối ưu sử dụng năng lượng và có khả năng giảm thiểu xung đột giữa các nút mạng khi truy cập môi trường. Thiết kế giao thức MAC là rất quan trọng vì nó quyết định nhiều đến việc tiêu thụ năng lượng của nút mạng. Giao thức MAC tiết kiệm năng lượng có thể giúp giảm thiểu sự lãng phí năng lượng khi các nút mạng ở trạng thái chờ (idle listening).
3.2. Tối Ưu Hóa Chế Độ Hoạt Động Của Vi Điều Khiển IC1010
Các đặc tính tiết kiệm năng lượng của vi điều khiển IC1010 được nghiên cứu và khai thác, là tiền đề cho việc xây dựng thuật toán và viết chương trình cụ thể trong chương 3. Cần phân tích đặc trưng của vi điều khiển IC1010, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho IC1010 từ đó để tối ưu hoá chế độ hoạt động để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.
3.3. Lập Trình Nhúng Thuật Toán Tiết Kiệm Năng Lượng Hiệu Quả
Nghiên cứu, thử nghiệm chương trình tiết kiệm năng lượng trên vi điều khiển IC1010 giới thiệu các bước cơ bản để xây dựng một phần mềm nhúng, đưa ra tư tưởng thuật toán cho cơ chế truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lượng tại nút mạng. Từ thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh được viết và chạy thử nghiệm. Các kết quả đạt được sẽ được phân tích và qua đó chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng của giải pháp.
IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Tiết Kiệm Năng Lượng Thử Nghiệm IC1010
Chương này giới thiệu về các bước cơ bản để xây dựng một phần mềm nhúng, đưa ra tư tưởng thuật toán cho cơ chế truyền nhận có chức năng tiết kiệm năng lượng tại nút mạng. Từ thuật toán đã xây dựng, phần mềm hoàn chỉnh được viết và chạy thử nghiệm. Các kết quả đạt được sẽ được phân tích và qua đó chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng của giải pháp. Theo tài liệu gốc, các thí nghiệm được tiến hành trên vi điều khiển IC1010EM để theo dõi nhiệt độ.
4.1. Xây Dựng Phần Mềm Nhúng Tiết Kiệm Năng Lượng Các Bước Thực Hiện
Để xây dựng phần mềm nhúng, cần thực hiện các bước sau: Xác định yêu cầu bài toán, Thiết kế thuật toán, Lựa chọn công cụ phát triển (IDE), Viết mã chương trình, Gỡ lỗi và thử nghiệm. Thuật toán phần mềm nhúng tiết kiệm năng lượng cho nút mạng đo nhiệt độ IC1010EM là quan trọng. Chi tiết phần mềm nhúng thực hiện thuật toán.
4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Tiết Kiệm Năng Lượng Kết Quả Thử Nghiệm Thực Tế
Phần này sẽ trình bày chi tiết về quá trình thử nghiệm và các kết quả thu được. Các kết quả thử nghiệm sẽ được so sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng của giải pháp. Các kết quả sẽ được phân tích, so sánh hiệu quả tiết kiệm năng lượng có đạt được như mong muốn hay không và đưa ra nhận xét và đánh giá chung.
V. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Công Nghệ Điện Tử Tiết Kiệm
Phần Kết luận sẽ đánh giá lại toàn bộ luận văn, khái quát những nội dung chính, những ưu điểm và hạn chế của luận văn đồng thời đưa ra các hướng nghiên cứu sâu hơn của đề tài này. Các nội dung trên sẽ được trình bày một cách rõ ràng và logic, mỗi chủ đề nhỏ đều có đánh giá và gợi mở, dẫn dắt đến nội dung của phần tiếp theo tạo nên sự gắn kết và đồng nhất xuyên suốt cả luận văn.
5.1. Tổng Kết Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng Điểm Mạnh Và Hạn Chế
Luận văn đã trình bày một giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây sử dụng vi điều khiển IC1010. Giải pháp này có những ưu điểm như dễ triển khai, hiệu quả cao trong việc giảm tiêu thụ năng lượng. Tuy nhiên, giải pháp cũng có những hạn chế như phụ thuộc vào kiến trúc mạng và yêu cầu về độ chính xác của dữ liệu.
5.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Ứng Dụng Công Nghệ Điện Tử Bền Vững
Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây. Các hướng nghiên cứu có thể tập trung vào việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, phát triển các giao thức truyền thông hiệu quả hơn và tối ưu hóa phần mềm nhúng. Nghiên cứu các giải pháp về pin năng lượng mặt trời cho các thiết bị điện tử nhỏ giúp chúng hoạt động lâu hơn và ít phải thay thế hơn.
