Thiết kế, chế tạo nút cảm biến có khả năng tùy biến phục vụ nghiên cứu, phát triển nền tảng mô phỏng mạng cảm biến

ái ngủ: tất cả các khối đo và khối truyền thông 
hoàn toàn không được cấp nguồn (thể hiện bị mờ) còn 
khối điều khiển ở trạng thái ngủ. Ở trạng thái này, nút cảm 
biến chỉ cần được cấp một mức năng lượng rất nhỏ, nên sẽ 
tiêu thụ năng lượng ít nhất (mức năng lượng tiêu thụ được 
tượng trưng là phần tô màu đậm) và phần năng lượng 
trong khối nguồn pin chỉ cung cấp một lượng rất nhỏ nên 
năng lượng còn nhiều và được tượng trưng bởi phần tô 
màu đậm với mức cao. 
Hình 2. Mức năng lượng tiêu thụ ở các trạng thái hoạt động của nút cảm biến 
Trạng thái sẵn sàng: các khối cảm biến và truyền thông 
cũng không được cấp nguồn giống ở trạng thái ngủ. Khối 
điều khiển được khởi động và sẵn sàng thực hiện các công 
việc theo các yếu tố kích thích. Ở trạng thái này, nút cảm 
biến sẽ tiêu thụ mức năng lượng nhiều hơn trạng thái ngủ. 
Trạng thái đo lường: ở trạng thái này, cả khối điều 
khiển và khối cảm biến đều được cấp nguồn năng lượng để 
làm việc. Khối truyền thông không được cấp nguồn. Mức 
năng lượng tiêu thụ của nút ở trạng thái đo lường sẽ lớn 
hơn hai trạng thái trên. 
Trạng thái truyền thông: khối điều khiển sẽ thực hiện 
lệnh không cấp nguồn cho khối cảm biến. Mặt khác, thực 
hiện cấp nguồn cho khối truyền thông. Ở trạng thái này, 
khối điều khiển và khối truyền thông cùng tiêu thụ năng 
lượng. Vì việc truyền thông đòi hỏi nhiều năng lượng nên ở 
trạng thái truyền thông nút cảm biến sẽ tiêu thụ năng 
lượng nhiều nhất (trên hình 2 thể hiện mức năng lượng 
trong nguồn cung cấp bị cạn đi nhiều hơn). 
Để thuận tiện cho việc sử dụng nút cảm biến trong các 
công việc đo năng lượng tiêu thụ của từng trạng thái hoạt 
động và chạy thử nghiệm, nút cảm biến được thiết kế với 
hai chế độ làm việc. Chế độ bằng tay thực hiện chuyển qua 
lại giữa bốn trạng thái hoạt động nhờ bàn phím. Chế độ tự 
động nút sẽ làm việc theo kịch bản với những ràng buộc về 
thời gian, số liệu đo hoặc tham số khác được cài đặt sẵn bởi 
người dùng. Như vậy, nút cảm biến sẽ được thiết kế và chế 
tạo với các mô đun chức năng, làm việc theo hai chế độ và 
hoạt động theo bốn trạng thái cơ bản nói trên. 
2.2. Chế tạo nút cảm biến 
Phục vụ cho việc thử nghiệm các chức năng, chế độ làm 
việc và đo năng lượng tiêu thụ ở từng trạng thái hoạt động 
của nút cảm biến, nhóm nghiên cứu thực hiện chế tạo nút 
cảm biến với đầu cảm biến cụ thể là đo nhiệt độ và độ ẩm. 
Sơ đồ khối của nút cảm biến này được chỉ ra trên hình 3. 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 4 (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 28
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Hình 3. Sơ đồ khối nút cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm 
Đầu cảm biến được sử dụng là DHT11 sẽ đo nhiệt độ và 
độ ẩm môi trường. Đây là đầu cảm biến tiêu thụ năng 
lượng thấp, dòng tiêu thụ lớn nhất là 2,5mA. Môđun 
Sim800L chịu trách nhiệm việc truyền thông dữ liệu. Bộ 
điều khiển (sử dụng loại ATmega8A) chịu trách nhiệm thu 
thập, xử lí dữ liệu và điều phối chung cho mọi hoạt động 
của nút cảm biến như nhận lệnh tương tác với người dùng 
từ bàn phím, điều khiển cấp nguồn cũng như ra lệnh cho 
các khối chức năng của nút. Môđun nguồn cung cấp sẽ cấp 
điện cho toàn bộ cảm biến làm việc. Để thực hiện điều phối 
năng lượng ở các trạng thái hoạt động cho các môđun 
chức năng sẽ được bộ điều khiển điều phối thông qua 
môđun đổi nối cấp nguồn. 
 Hình 4. Lưu đồ thuật toán của nút cảm biến 
Với chế độ tự động, người dùng có thể cài đặt kịch bản 
hoạt động cho nút cảm biến theo thời gian thực, tham số 
nhiệt độ và độ ẩm của môi trường một cách tùy ý. Có thể 
chia một ngày thành các khoảng thời gian và trong mỗi 
khoảng thời gian đó có thể đặt thời lượng cho các trạng 
thái hoạt động của nút (thời gian đo: Tg_đo, thời gian ngủ: 
Tg_ngủ, thời gian sẵn sàng: Tg_SS). Có thể ưu tiên hoạt 
động theo các sự kiện về nhiệt độ hoặc độ ẩm của môi 
trường. Tức là mặc dù nút đang làm việc theo các sự kiện 
thời gian nhưng khi có sự kiện về nhiệt độ hoặc độ ẩm (giá 
trị nhiệt độ có sự thay đổi một lượng ΔT, hoặc giá trị độ ẩm 
một lượng ΔH) thì sẽ chuyển sang hoạt động ở trạng thái 
truyền thông để truyền dữ liệu hiện tại này về phục vụ các 
xử lí của mạng. Lưu đồ thuật toán cho nút cảm biến được 
chỉ ra trong hình 4. 
Chế độ bằng tay sẽ dùng chương trình con cho từng 
trạng thái hoạt động, các trạng thái hoạt động này không 
quan tâm đến vấn đề thời gian hay các điều kiện khác mà 
hoàn toàn phụ thuộc vào tác động của người dùng từ bàn 
phím. Việc này giúp có thể chủ động trong việc thực hiện 
đo năng lượng tiêu thụ ở từng trạng thái hoạt động của 
nút. Nút cảm biến cung cấp điểm đo phục vụ việc đo năng 
lượng tiêu thụ ở các trạng thái hoạt động. Nút cảm biến đo 
nhiệt độ và độ ẩm sau khi hoàn tất có hình ảnh như hình 5. 
Hình 5. Hình ảnh thực nút cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm 
2.3. Đo công suất và năng lượng tiêu thụ 
của nút cảm biến 
Do mức năng lượng tiêu thụ ở các trạng 
thái hoạt động của nút cảm biến này tương 
đối thấp, ở trạng thái ngủ dòng tiêu thụ 
nhỏ có thể chỉ vài mA đến vài chục mA. Vì 
vậy việc đo năng lượng tiêu thụ ở từng 
trạng thái hoạt động của nút cảm biến đòi 
hỏi thiết bị đo phải có độ nhạy cao, độ phân 
giải cao và tốc độ lấy mẫu cao. Trong thực 
nghiệm này, nhóm nghiên cứu sử dụng bộ 
thu thập dữ liệu NI-DAQ/BNC2110 của hãng 
National Instruments, có khả năng lấy mẫu 
tới 10.000 (mẫu/s). Bên cạnh đó, phần mềm 
LabVIEW trên máy tính được sử dụng để 
đọc số liệu đo từ NI-DAQ/BNC-2110 và lưu 
dữ số liệu vào ổ cứng máy tính sau đó năng 
lượng tiêu thụ sẽ được tính toán theo công 
thức (1). 
 W = ∫ u. i. dt


(Wh) (1) 
trong đó: 
W: Năng lượng tiêu thụ (Wh) 
u: Điện áp nút cảm biến sử dụng (V) 
t1-t2: Thời gian tiêu thụ năng lượng (h) 
i: Dòng điện tiêu thụ của nút (A) 
Nhằm thực hiện phép đo công suất và năng lượng tiêu 
thụ của nút cảm biến, một thực nghiệm được cài đặt như 
hình 6. 
Cảm biến
DHT11
Môđun
Sim800L
Môđun
Nguồn cung cấp
Môđun
Đổi nối
Bộ điều 
khiển
Bàn phím
Điểm đo 
năng 
lượng 
tiêu thụ 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 4 (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29
Hình 6. Thực nghiệm đo công suất và năng lượng của nút cảm biến 
Trong thực nghiệm này, nhóm nghiên cứu thực hiện đo 
và lấy mẫu đồng thời giá trị điện áp và dòng điện theo hai 
kênh đo của NI-DAQ/BNC2110, dữ liệu bao gồm giá trị tín 
hiệu và thời gian lấy mẫu được lưu vào tập dưới dạng excel, 
từ đó dựa trên công thức (1) tính toán được năng lượng 
tiêu thụ của nút cảm biến. Giả sử thời gian lấy mẫu là 
Δt/mẫu và trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 lấy được n 
mẫu thì năng lượng tiêu thụ có thể tính theo công thức (2). 
 W = ∑ U. I. ∆t

 (Wh) (2) 
trong đó: 
W: Năng lượng tiêu thụ (Wh) 
Uk: Điện áp nút sử dụng lần lấy mẫu k (V) 
Δt: Thời gian lấy mẫu (s) 
Ik : Dòng tiêu thụ của nút lần lấy mẫu k (A) 
n: Số lần lấy mẫu. 
Tuy nhiên, ngoài việc tính toán được công suất và năng 
lượng tiêu thụ của nút ở mỗi trạng thái hoạt động, cũng có 
thể vẽ được đồ thị công suất và năng lượng tiêu thụ ở từng 
trạng thái hoạt động của nút cảm biến. 
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Trong quá trình thực nghiệm, nút sẽ được chọn làm việc 
ở chế độ bằng tay. Các nút nhấn được sử dụng để chủ 
động trong việc chọn chế độ đo năng lượng tiêu thụ của 
từng trạng thái hoạt động. Với các trạng thái hoạt động 
như đo lường, sẵn sàng và ngủ của nút cảm biến, năng 
lượng tiêu thụ sẽ được đo trong một khoảng thời gian tùy 
ý, còn trạng thái truyền thông thì chỉ được đo cho mỗi một 
lần truyền tin để biết mỗi lần truyền tiêu tốn hết bao nhiêu 
năng lượng. Trong thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ 
này, tốc độ lấy mẫu được sử dụng là 1000 mẫu mỗi giây. 
Theo thực nghiệm, ở chế độ truyền thông, nội dung bản tin 
được gửi về gồm thời điểm đo, giá trị nhiệt độ và độ ẩm. 
Mỗi lần truyền thông sẽ mất khoảng thời gian Ttt (thời gian 
thực hiện một lần truyền thông). Hình 7 chỉ ra năng lượng 
tiêu thụ ở trạng thái truyền thông của một trong những lần 
thực nghiệm. 
Kết quả thực nghiệm về đo năng lượng tiêu thụ ở các 
trạng thái đo lường, sẵn sàng và ngủ được trình bày trong 
hình 8, trong đó P1 là công suất tiêu thụ khi nút cảm biến 
làm việc ở trạng thái đo lường, P2 là công suất tiêu thụ khi 
nút ở trạng thái sẵn sàng và P3 là công suất tiêu thụ khi nút 
ở trạng thái ngủ. 
Hình 7. Năng lượng tiêu thụ một lần truyền thông của nút cảm biến 
Trong quá trình thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thực 
hiện đo và tính toán các kết quả năng lượng tiêu thụ ở các 
trạng thái hoạt động nhiều lần. Các kết quả nhận được 
tương đối ổn định và cũng nhận thấy rằng năng lượng sử 
dụng cho truyền thông lớn hơn nhiều so với các trạng thái 
hoạt động khác của nút cảm biến. Đối với trạng thái truyền 
thông, các lần thực nghiệm đo cho thấy khoảng thời gian 
và năng lượng tiêu tốn để truyền thông tương đối ổn định. 
Hình 8. Năng lượng tiêu thụ ở các trạng thái đo lường, sẵn sàng và ngủ 
Vấn đề năng lượng tiêu thụ khi truyền thông của nút 
cảm biến trong quá trình làm việc được xem xét theo số lần 
truyền thông, nên nhóm nghiên cứu đã thực hiện đo và 
tính toán năng lượng tiêu thụ trung bình  cho mỗi lần 
truyền thông của nút. Còn đối với các trạng thái còn lại 
mức năng lượng tiêu thụ là tương đối ổn định theo thời 
gian, để thuận tiện cho việc sử dụng sau này, nhóm nghiên 
cứu sẽ đo và tính toán công suất tiêu thụ trung bình  của 
từng chế độ này. Trong thực nghiệm, nhóm nghiên cứu đã 
đo nhiều lần, với các thời điểm khác nhau và điều kiện môi 
trường khác nhau về nhiệt độ và độ ẩm. Sau đó tính toán, 
gia công kết quả [15] và được các kết quả như sau: 
Công suất tiêu thụ trung bình ở trạng thái ngủ: 
 ngủ = 192,132 (mW) 
Δ(-7,997mW, +7,997mW); P(Δ) = 0,95 
Công suất tiêu thụ trung bình ở trạng thái sẵn sàng: 
0 5 10 15 20 25 30 35
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Time (s)
P
o
w
e
r 
(W
)
0 5 10 15 20 25 30 35
0.19
0.195
0.2
0.205
0.21
0.215
0.22
0.225
Time (s)
P
o
w
e
r 
(W
)
P2 P3
P1
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 4 (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 30
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
  sẵn sàng = 195,215 (mW) 
 Δ(-8,228mW, +8,228mW); P(Δ) = 0,95 
Công suất tiêu thụ trung bình ở trạng thái đo lường: 
  đo lường = 218,562 (mW) 
Δ(-6,942mW, +6,942mW); P(Δ) = 0,95 
Năng lượng tiêu thụ trung bình ở trạng thái truyền thông: 
 truyền thông = 3,650 (mWh) 
Δ(-0,215mWh,+0,215mWh); P(Δ) = 0,95 
Kết quả thực nghiệm đo năng lượng tiêu thụ ở từng 
trạng thái hoạt động của nút cảm biến sẽ góp phần rất 
quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề 
liên quan đến năng lượng mạng cảm biến. Kết quả này đặt 
biệt có ích trong việc xây dựng và triển khai nền tảng mô 
phỏng năng lượng của mạng cảm biến, là bộ cơ sở dữ liệu 
giúp tính toán mô phỏng và so sánh giữa việc mô phỏng và 
thực nghiệm để đánh giá về nền tảng mô phỏng. Từ đó 
phát triển về tối ưu hóa, điều phối tối ưu năng lượng cho 
mạng cảm biến. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo này đã trình bày về việc thực hiện thiết kế chế 
tạo nút cảm biến với khả năng tùy biến và thực nghiệm đo 
năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến. Với nút cảm biến 
này, nhóm tác giả đã thực hiện đo và phân tích năng lượng 
tiêu thụ ở từng trạng thái hoạt động của nút cảm biến. Từ 
đó chúng ta có thể tham số hóa được năng lượng của nút 
cảm biến, thực hiện việc giám sát tới từng trạng thái hoạt 
động và mức năng lượng của từng nút và toàn mạng. 
 Hướng phát triển tiếp theo của bài báo này là thực hiện 
xây dựng nền tảng mô phỏng cho mạng cảm biến quan 
tâm đến năng lượng, đồng thời so sánh, đánh giá giữa thực 
tế và mô phỏng về năng lượng tiêu thụ của từng nút cũng 
như của toàn mạng cảm biến. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Srivastava N., 2010. Challenges of next-generation wireless sensor 
networks and its impact on society. Journal of Telecommunications, pp. 128-133. 
[2]. Noel A. B., Abdaoui A., Elfouly T., Ahmed M. H., Badawy A., Shehata M. 
S., 2017. Structural health monitoring using wireless sensor networks: 
A comprehensive survey. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 19(3), 
1403-1423. 
[3]. Guinard A., McGibney A., Pesch D. 2009. A wireless sensor network design 
tool to support building energy management. In Proceedings of the First ACM 
Workshop on Embedded Sensing Systems for Energy-Efficiency in Buildings (pp. 
25-30). ACM. 
[4]. Pompili D., Akyildiz I. F. 2009. Overview of networking protocols for 
underwater wireless communications. IEEE Communications Magazine, 47(1), 
97-102. 
[5]. Siraj S., Gupta A., Badgujar R. 2012. Network simulation tools survey. 
International Journal of Advanced Research in Computer and Communication 
Engineering, 1(4), 199-206. 
[6]. Xian X., Shi W., Huang H., 2008. Comparison of OMNET++ and other 
simulator for WSN simulation. In 2008 3rd IEEE Conference on Industrial 
Electronics and Applications (pp. 1439-1443). IEEE. 
[7]. Shaikh F. K., Zeadally S., 2016. Energy harvesting in wireless sensor 
networks: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 
55, 1041-1054. 
[8]. Sharma S., Kumar D., Kishore K., 2013. Wireless sensor networks - 
A review on topologies and node architecture. International Journal of Computer 
Sciences and Engineering, 1(2), 19-25. 
[9]. Han Q., Liu P., Zhang H., Cai Z., 2019. A wireless sensor network for 
monitoring environmental quality in the manufacturing industry. IEEE Access, 7, 
78108-78119. 
[10]. Zrelli A., Ezzedine T., 2018. Design of optical and wireless sensors for 
underground mining monitoring system. Optik, 170, 376-383. 
[11]. Lee Y., Blaauw D., Sylvester D., 2016. Ultralow power circuit design for 
wireless sensor nodes for structural health monitoring. Proceedings of the IEEE, 
104(8), 1529-1546. 
[12]. Lynch J. P., Law K. H., Kiremidjian A. S., Carryer E., Farrar C. R., Sohn H., 
Wait J. R., 2004. Design and performance validation of a wireless sensing unit for 
structural monitoring applications. Structural Engineering and Mechanics, 17(3-
4), 393-408. 
[13]. Shoichi Oshima, Kenichi Matsunaga, Toshihiko Kondo, Hiroki 
Morimura, 2015. Ultralow power Sensor Node with Nanowatt Wireless Circuit 
Technology. NTT Technical Review, Vol. 13 No. 1 Jan. 2015. 
[14]. Wang Q., Hempstead M., Yang W., 2006. A realistic power consumption 
model for wireless sensor network devices. In 2006 3rd annual IEEE 
communications society on sensor and ad hoc communications and networks 
(Vol. 1, pp. 286-295). IEEE. 
[15]. Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Thị Lan Hương, Phạm Thị Ngọc Yến, 2009. 
Cơ sở kỹ thuật đo. NXB Khoa học và Kỹ thuật 
AUTHORS INFORMATION 
Ha Van Phuong1,2, Pham Thi Ngoc Yen1, Le Minh Hoang1, 
Dao Trung Kien1, Nguyen Thanh Huong1 
1MICA Institute, Hanoi University of Science and Technology 
2Hanoi University of Industry