Đặt vấn đề Cảm biến có vai trò rất lớn trong các lĩnh vực khoa học, công nghiệp và đời sống; rất đa dạng và phong phú về chủng loại. Những năm gần đây, mạng cảm biến không dây có những bước tiến lớn trong kỹ thuật công nghệ và ứng dụng. Mạng cảm biến không dây được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng thực tiễn với nhiều đặc điểm và tính năng vượt trội như không cần hệ thống dây cấp nguồn và dây tín hiệu cho các nút cảm biến, khả năng tùy biến cao, hệ thống cảm biến có tính mềm dẻo linh hoạt, dễ triển khai trên diện rộng và trong các môi trường phức tạp. Hơn nữa, mạng cảm biến có khả năng tự tổ chức, hoạt động mà ít cần thiết hoặc không cần sự can thiệp của con người.
Các giải pháp cho mạng cảm biến không dây cũng rất đa dạng, xoay quanh các vấn đề vùng phủ sóng, hiệu năng mạng, năng lượng và tuổi thọ mạng. Trong đó, vấn đề năng lượng cung cấp cho mạng cảm biến hoạt động liên quan và ảnh hưởng trực tiếp đến các vấn đề khác của mạng. Ví dụ, một số nút hết năng lượng thì mạng sẽ không đảm bảo toàn bộ vùng phủ sóng và khi số lượng nút hết năng lượng tăng đến một mức nào đó thì mạng không thể đảm bảo vùng phủ sóng tối thiểu để thực hiện các chức năng mạng hay nói cách khác mạng không còn tồn tại. Tuy nhiên, mạng cảm biến không dây được nghiên cứu và ứng dụng chủ yếu dùng nguồn năng lượng có giới hạn mang theo là pin cho các nút cảm biến.
Do đó, nguồn cung cấp cho mạng cảm biến không dây hoạt động có nhiều vấn đề hạn chế, khó khăn và không khả thi khi thực hiện trên diện rộng. Hơn nữa, mạng cảm biến là mạng hỗn tạp với số lượng nút cảm biến lớn và nhu cầu năng lượng của các nút lại khác nhau, phụ thuộc nhiều yếu tố nên thời gian làm việc của pin ở mỗi nút cảm biến trong mạng cũng khác nhau. Việc thay thế pin cho các nút cảm biến cũng là một vấn đề gặp phải nhiều khó khăn trở ngại lớn, xảy ra thường xuyên hàng ngày gây tốn kém về thời gian và kinh tế trong quá trình vận hành bảo dưỡng, đồng thời còn làm giảm chất lượng của toàn mạng. Vì vậy, việc đảm bảo nguồn năng lượng cho cảm biến cũng như việc giám sát và quản lý nguồn nuôi là một vấn đề khó khăn, phức tạp đòi hỏi cần sự quan tâm và nghiên cứu để đưa ra các giải pháp tối ưu khi sử dụng năng lượng nói riêng và tối ưu hóa mạng cảm biến không dây nói chung.
Đây là thách thức lớn trong việc đảm bảo cho mạng cảm biến không dây hoạt động ổn định trong thời gian đủ dài đáp ứng yêu cầu ứng dụng. Nhiều nghiên cứu và giải pháp nhằm nâng cao tuổi thọ của từng nút cảm biến và toàn mạng. Chẳng hạn các giải pháp nỗ lực trong phát triển phần mềm và phần cứng nhằm giảm năng lượng tiêu hao nội tại nút [1], giải pháp thu năng lượng từ môi trường [2], giải pháp liên quan đến tổ chức hoạt động mạng, giải pháp liên quan định tuyến truyền thông nhằm giảm hoạt động truyền thông trong mạng để tiết kiệm năng lượng cho các nút mạng [3], … Về cơ bản, giải pháp năng lượng cho mạng cảm biến không dây có thể xem xét với hai cấp độ là giải pháp năng lượng ở cấp độ nút và giải pháp ở cấp độ mạng. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Giải pháp năng lượng cho mạng cảm biến ở cấp độ nút nhằm giải quyết vấn đề năng lượng tại một nút cảm biến.
Những nỗ lực trong việc nghiên cứu và phát triển công nghệ pin nhằm tối thiểu hóa về kích thước và tối đa hóa về dung lượng, nhưng điều đó là không thể đủ. Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề năng lượng cho nút cảm biến được đẩy mạnh theo hướng tiết kiệm năng lượng nhằm kéo dài tuổi thọ như phát triển các loại cảm biến sử dụng năng lượng thấp với các chế độ làm việc tiết kiệm năng lượng [4][5]. Các nút cảm biến được thiết kế theo các phương thức hoạt động linh hoạt với các chế độ như ngủ, chờ, đo lường, truyền thông được điều phối theo các sự kiện để tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến [6][7]. Phương pháp này thực chất là việc cố gắng tiết kiệm pin của một nút cảm biến nên không thể giải quyết triệt để được vấn đề vì dung lượng pin rất hạn chế.
Một giải pháp khác cho vấn đề năng lượng của nút cảm biến được nghiên cứu phát triển là thực hiện thu năng lượng từ môi trường cho các nút cảm biến [8]. Môi trường xung quanh nút cảm biến có rất nhiều nguồn năng lượng như năng lượng mặt trời [9], năng lượng nhiệt [10], năng lượng rung động, năng lượng RF [11], năng lượng gió,. Các năng lượng từ môi trường sẽ được thu thập và biến đổi thành năng lượng điện sau đó chuẩn hóa thành nguồn cấp cho nút cảm biến hoạt động hoặc lưu trữ vào pin của nút cảm biến. Tuy nhiên, năng lượng thu từ môi trường xung quanh cảm biến phụ thuộc nhiều yếu tố như thời tiết, không gian, thời gian, … dẫn đến việc thu năng lượng cũng rất phức tạp, mật độ năng lượng biến đổi rất khó kiểm soát hoặc rất nhỏ khiến việc thu không đảm bảo công suất, không đảm bảo về hiệu suất thu năng lượng nên giải pháp này không thể đảm bảo cung cấp thường xuyên và đáp ứng được nhu cầu cần thiết về năng lượng cho các nút cảm biến và toàn mạng.
Ngoài ra, bên cạnh việc cố gắng phát triển và ứng dụng các linh kiện điện tử công suất thấp để nhằm tiết kiệm phần nào năng lượng cho cảm biến, gần đây có nghiên cứu còn đề cập đến việc truyền năng lượng không dây trong mạng cảm biến, nhưng đến hiện tại tính hiệu quả và khả thi vẫn chưa thể ứng dụng được trong thực tế. Giải pháp năng lượng ở cấp độ mạng tập trung chủ yếu giải quyết tiết kiệm năng lượng trong vấn đề truyền thông. Các nghiên cứu đã đưa ra các thuật toán định tuyến, giao thức truyền thông [12] nhằm tiết kiệm năng lượng để nâng tuổi thọ cho mạng cảm biến không dây như giao thức MAC [13], thuật toán cân bằng năng lượng của giao thức LEACH cho mạng cảm biến không dây [14], giao thức sử dụng năng lượng hiệu quả [15]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu đưa ra các thuật toán lập lịch hoạt động hoặc cơ chế hoạt động cho mạng theo một kịch bản nhằm tiết kiệm năng lượng.
Ví dụ các nút sẽ chỉ truyền thông khi cần thiết, việc này sẽ được thực hiện theo cơ chế mà thuật toán đưa ra phụ thuộc vào mục tiêu mạng, phải đảm bảo các điều kiện ràng buộc của mạng cụ thể và nhằm đạt được tuổi thọ mạng cao nhất có thể [16][17]. Các giải thuật tối ưu hóa cũng được các nghiên cứu ứng dụng trong tối ưu hóa các vấn đề nhất định cho mạng cảm biến. Ví dụ, tối ưu hóa trong việc thu thập dữ liệu trong mạng cảm biến [18]. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng và thu năng lượng từ môi trường cho nút cảm biến hay các nỗ lực tìm cách sử dụng linh kiện điện tử tiêu thụ công suất thấp cũng chỉ kéo dài tuổi thọ cho các nút với mức độ nhất định không thể đáp ứng được nhu cầu về năng lượng của mạng trong các ứng dụng thực tế.
Mặc dù giải pháp sử dụng các thuật toán tối ưu trong truyền thông của mạng cảm biến sẽ giúp tiết kiệm năng 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lượng trong việc truyền thông, nhưng các nghiên cứu thường hướng tới thực hiện cho bài toán đơn lẻ với mục tiêu, các ràng buộc, các giả định xác định và khi áp dụng cho các bài toán khác tuy có mục tiêu tương tự nhưng với các ràng buộc không hoàn toàn giống ví dụ như số lượng các ràng buộc thay đổi, thì cần phải xem xét lại tính hiệu quả và tính khả thi của thuật toán. Như vậy các vấn đề tổng thể liên quan đến năng lượng cũng như tối ưu hóa cho mạng cảm biến rất cần được quan tâm nghiên cứu và phát triển. Trước thực tế đó, luận án đề xuất và phát triển giải pháp tối ưu hóa liên quan đến năng lượng cho mạng cảm biến không dây. Giải pháp sẽ hỗ trợ, kết hợp với các giải pháp năng lượng sẵn có và thực hiện giải lớp bài toán tối ưu hóa cho mạng cảm biến.
Trong luận án này, một tập hợp bao gồm các nút cảm biến không dây hoặc tập hợp các nút cảm biến không dây và có dây đều được gọi là mạng cảm biến không dây, có nghĩa rằng trong mạng cảm biến không dây vẫn có thể có những nút cảm biến có dây. Mạng cảm biến không dây được nghiên cứu là một mạng hỗn tạp bao gồm các nút khác nhau về nguồn cung cấp, đa dạng về kỹ thuật và chủng loại cảm biến. Ngoài ra, các nút có thể khác nhau về khả năng thu năng lượng từ môi trường, khác nhau về khả năng truyền thông, … 1. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu về năng lượng 1.
Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây thực chất là hệ thống thu thập tín hiệu và truyền thông trên một vùng bao phủ, có tính chất của một hệ thống đo lường và mạng truyền số liệu không dây giữa các nút mạng chính là những nút cảm biến. Mạng cảm biến không dây có kiến trúc giao thức và cấu trúc liên kết của một mạng truyền thông nói chung. Các nút cảm biến vừa đóng vai trò nút mạng vừa thu thập tín hiệu từ môi trường tạo ra nguồn dữ liệu truyền thông trong mạng. Mạng cảm biến không dây điển hình Mạng cảm biến không dây là mạng có tính hỗn tạp, bao gồm nhiều nút cảm biến đa dạng về chủng loại, ngoài các nút không dây còn có những nút có dây được cấp nguồn điện lưới.
Các nút trong mạng cảm biến hỗn tạp có khả năng giao tiếp không dây với nhau tạo thành mạng cảm biến bao phủ một vùng không gian nhất định để thu thập các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, nồng độ chất, … nhằm mục đích giám sát, điều khiển và quản lí vùng không gian đó. Mỗi nút cảm biến trong mạng có khả năng thu thập thông tin, xử lí dữ liệu và truyền thông tin về trạm cơ sở thông qua các nút cảm biến khác trong mạng.