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

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN

Ngành:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Tài liệu này trình bày luận án tiến sĩ về "NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN" thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Luận án xuất phát từ thực trạng mạng cảm biến không dây (WSNs) đối mặt với thách thức lớn về nguồn năng lượng hạn chế, trong khi các giải pháp hiện có thường chỉ giải quyết các bài toán đơn lẻ và chưa xem xét toàn diện quá trình năng lượng trong từng chế độ hoạt động của nút.

Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất và phát triển các giải pháp tối ưu hóa sử dụng năng lượng nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ mạng. Luận án có hai đóng góp chính: (1) Phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến có tính đến yếu tố năng lượng, cho phép tính toán, giám sát quá trình năng lượng, trạng thái và mức tiêu thụ năng lượng ở từng chế độ hoạt động của mỗi nút. Nền tảng này hỗ trợ mô phỏng giám sát và điều phối năng lượng cho mạng, khắc phục hạn chế của các phần mềm mô phỏng hiện có. (2) Đề xuất và phát triển biến thể mới của thuật toán di truyền (VLC-GA) với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi, nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng. Thuật toán này, được hỗ trợ bởi nền tảng mô phỏng, tối ưu hóa mục tiêu mạng đồng thời đáp ứng các ràng buộc về năng lượng, giúp nâng cao tuổi thọ mạng cảm biến.

Các kết quả thử nghiệm cho thấy nền tảng mô phỏng có độ chính xác cao trong việc mô phỏng quá trình năng lượng của pin và nút cảm biến. Đồng thời, thuật toán VLC-GA đã chứng minh hiệu quả vượt trội so với FLC-GA trong việc tối ưu hóa lịch trình mạng, mang lại giá trị hàm mục tiêu tốt hơn và giúp các nút mạng hoạt động ổn định, lâu dài hơn. Nghiên cứu hứa hẹn giải quyết hiệu quả các bài toán tối ưu hóa cho các lớp ứng dụng và triển khai mạng cảm biến trong thực tế.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

  • Động lực nghiên cứu
  • Phạm vi nghiên cứu
  • Đóng góp chính của luận án
  • Cấu trúc của luận án

• Chương 1. Giới thiệu

  • 1.1. Đặt vấn đề

  • 1.2. Mạng cảm biến không dây và nhu cầu năng lượng

    • 1.2.1. Mạng cảm biến không dây
    • 1.2.2. Nhu cầu năng lượng của mạng cảm biến và thách thức

  • 1.3. Hướng tiếp cận

  • 1.4. Các nghiên cứu đề xuất

• Chương 2. Các nghiên cứu liên quan

  • 2.1. Nguồn năng lượng dự trữ của nút cảm biến

  • 2.2. Thu năng lượng từ môi trường cho cảm biến

  • 2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nút cảm biến

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

  • 2.5. Mô phỏng mạng cảm biến

  • 2.6. Kết luận chương

• Chương 3. Thiết kế và triển khai nền tảng mô phỏng mạng cảm biến không dây có tính đến yếu tố năng lượng

  • 3.1. Thiết kế chức năng nền tảng mô phỏng

    • 3.1.1. Chức năng nền tảng mô phỏng
    • 3.1.2. Chức năng thiết lập mạng
    • 3.1.3. Chức năng thiết lập môi trường đặt mạng
    • 3.1.4. Chức năng chạy chương trình mô phỏng

  • 3.2. Phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến

    • 3.2.1. Mô hình nút cảm biến
    • 3.2.2. Các lớp đối tượng
    • 3.2.3. Cơ chế hoạt động

  • 3.3. Phát triển thư viện mô đun cho nền tảng mô phỏng

    • 3.3.1. Phát triển mô đun pin
    • 3.3.2. Phát triển mô đun nguồn năng lượng
    • 3.3.3. Phát triển mô đun truyền thông
    • 3.3.4. Phát triển mô đun cảm biến

  • 3.4. Kết quả thử nghiệm với nền tảng mô phỏng

    • 3.4.1. Kết quả thử nghiệm mô phỏng pin
    • 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
    • 3.4.2.1. Chức năng nút cảm biến sử dụng trong thực nghiệm
    • 3.4.2.2. Chế tạo nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường
    • 3.4.2.3. Đo công suất tiêu thụ của nút cảm biến
    • 3.4.2.4. Kết quả thử nghiệm mô phỏng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến hoạt động theo lịch trình với các khoảng thời gian cố định
    • 3.4.3. Kết quả mô phỏng giám sát mức năng lượng của các nút cảm biến trong mạng
    • 3.4.4. Kết quả mô phỏng quá trình năng lượng của các nút hoạt động độc lập và không có truyền thông
    • 3.4.5. Kết quả mô phỏng truyền thông theo cơ chế quảng bá
    • 3.4.6. Kết quả mô phỏng truyền thông trong mạng theo cấu trúc cây
    • 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

  • 3.5. Kết luận chương

• Chương 4. Tối ưu hóa lịch trình mạng

  • 4.1. Một số cơ chế lập lịch nhằm tiết kiệm năng lượng trong mạng cảm biến

    • 4.1.1. Cơ chế lập lịch trong mạng không phân cấp
    • 4.1.2. Cơ chế lập lịch cho mạng cảm biến phân cấp
    • 4.1.3. Cơ chế lập lịch hợp tác dựa trên giao tiếp

  • 4.2. Đặt vấn đề cho bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến

  • 4.3. Tổng quan thuật toán di truyền

  • 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

    • 4.4.1. Mô hình hóa bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài cố định
    • 4.4.2. Kết quả trên nền tảng mô phỏng tính đến yếu tố năng lượng

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

    • 4.5.1. Mô hình hóa bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng cảm biến sử dụng thuật toán di truyền với nhiễm sắc thể có chiều dài thay đổi
    • 4.5.2. Giải bài toán tối ưu hóa lịch trình mạng
    • 4.5.3. Kết quả thử nghiệm với một nút cảm biến
    • 4.5.4. Kết quả thử nghiệm với nhiều nút cảm biến

  • 4.6. Kết luận chương

• Kết luận và hướng phát triển

  • Kết luận
  • Hướng phát triển

• Tài liệu tham khảo

• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN