Thuật toán động để lựa chọn tác vụ trong hệ thống IOTS

Nội dung text: Thuật toán động để lựa chọn tác vụ trong hệ thống IOTS

1. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 46 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh THUẬT TOÁN ĐỘNG ĐỂ LỰA CHỌN TÁC VỤ TRONG HỆ THỐNG IOTS DYNAMIC ALGORIZATION FOR SELECTING TASKS IN IOTS SYSTEM Trần Công Thịnh, Võ Minh Huân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Ngày toà soạn nhận bài 28/8/2020, ngày phản biện đánh giá 5/9/2020, ngày chấp nhận đăng 26/1/2021 TÓM TẮT Kéo dài thời lượng pin và tăng cường chất lượng thông tin thu thập của mạng cảm biến không dây sử dụng nguồn năng lượng tái tạo là một trong những vấn đề của hệ thống Intenet of Things (IoTs). Để cải thiện vấn đề trên, chúng tôi đề xuất một thuật toán sử dụng mạng Neural với mục đích dự đoán và chọn lựa tác vụ của nút cảm biến. Thuật toán có thể ứng dụng trên vi điều khiển với khả năng xử lý và lưu trữ hạn chế. Khác với các phương pháp trước đây chủ yếu tập trung vào chế độ ngủ sâu hay lập ra lịch trình cho các tác vụ, thuật toán chúng tôi đề xuất giúp nút cảm biến có tính thích nghi cao hơn với môi trường dựa trên các số liệu thời gian thực tại mỗi nút. Khi có sự chênh lệch số liệu lớn, lượng thông tin thu thập về sẽ tăng lên và khi không có sự thay đổi đáng kể, nút cảm biến được đưa về tác vụ tiêu tốn năng lượng thấp để đảm bảo được thời lượng pin. Các kết quả từ nghiên cứu cho thấy thuật toán thu thập được số lượng thông tin có ích nhiều hơn, thời lượng và tuổi thọ của pin cũng được cải thiện. Từ khóa: Mạng neural; IoTs; Mạng cảm biến không dây; Tuổi thọ pin; Chất lượng thông tin. ABSTRACT Extending the lifespan and improving the quality of information collected by wireless sensor networks using renewable energy is one of the problems of the Internet of Things (IoT) system. To improve the above problem, we propose an algorithm using a Neural network for the purpose of predicting and selecting sensor nodes and can be applied on microcontrollers with low processing and storage capacity. Unlike previous methods that mainly focus on scheduled or deep sleep tasks, the algorithm we recommend makes the sensor node more adaptable to the environment based on the metrics. Real-time at each node. When there is a large data discrepancy, the amount of collected information is increased and when there is no significant change, the sensor node is put into low power duty to ensure battery life. Results from the study show that the algorithm gathers more useful information and battery life is also improved. Keywords: Neural Network; IoTs; Wireless Sensor Network; battery-life; quality of service. động của một nút cảm biến trong mạng được 1. GIỚI THIỆU chia làm 3 phần: cảm biến, xử lý và truyền Trong các ứng dụng của Internet of dữ liệu. Trong ba nhiệm vụ trên, truyền dữ Things (IoTs), việc cung cấp các thiết bị thu liệu là hoạt động tiêu tốn nhiều năng lượng thập dữ liệu sử dụng mạng cảm biến không nhất (khoảng 80% năng lượng của nút) [3]. dây đóng vai trò quan trọng để phục vụ cho Việc kéo dài tuổi thọ hoạt động của mạng quan sát, phân tích và xử lý thông tin. Đa cảm biến nhưng vẫn nâng cao chất lượng của phần các thiết bị của mạng cảm biến không thông tin mà nút cảm biến thu thập được là dây ứng dụng trên vi điều khiển có khả năng vấn đề quan trọng cần được tập trung nâng tính toán, lưu trữ hạn chế và năng lượng sử cao. Trong các nghiên cứu gần đây, một số dụng của các thiết bị này phần lớn từ nguồn thuật toán đã đề xuất nhằm tối ưu năng lượng năng lượng tái tạo mặt trời [1], [2]. Hoạt sử dụng thuật toán lập lịch trình, quản lý
2. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 47 năng lượng tiêu thụ hay tối ưu định tuyến của Với những mạng cảm biến có khoảng cách mạng cảm biến [4]. Trong bài báo này, chúng ngắn và vật cản thấp thì phương pháp này tối tôi đề xuất một thuật toán sử dụng mạng ưu. Tuy nhiên, đối với những địa điểm có neural có thể thực hiện trên vi điều khiển để mạng cảm biến rộng và nhiều vật cản việc phân loại và dự đoán nhằm nâng cao chất mất thông tin cũng như chất lượng bị giảm lượng của thông tin nhưng vẫn kéo dài được một cách rõ rệt. Các vấn đề nêu trên được thời gian sống của nút. nhắc đến trong bài báo nhằm khảo sát về kỹ Trong nghiên cứu của tác giả A. Sinha thuật quản lý điện năng của mạng cảm biến và Chandrakasan [5], Wang và Xiao [6], tác thu thập năng lượng[12]. giả đề xuất phương pháp quản lý điện năng Ngoài các phương pháp trên, thuật toán nhưng hầu hết các cơ chế trên đều tận dụng lên lịch trình cho các tác vụ cũng được đề chế độ ngủ sâu để tiết kiệm năng lượng. Tuy cập trong [13]–[18]. Trong bài báo [13], tác nhiên, khi nút đang trong chế độ ngủ sâu thì giả Soledad Escolar đề xuất thuật toán lập một lượng thông tin sẽ bị mất và gây ra độ trình nhằm tối ưu mức tổng điện năng tiêu trễ cho mạng. Trong bài báo [6], tác giả L. thụ dựa trên tính có ích cũng như năng lượng Wang đề xuất thuật toán quản lý công suất tiêu thụ trên từng tác vụ. Thuật toán này lên động cho mạng cảm biến với năm chế độ. lịch cho các tác vụ, nó sử dụng thông tin dự Các chế độ này được thay đổi lặp lại dựa trên báo thời tiết có sẵn vào đầu mỗi khoảng thời mức năng lượng của pin. Trên thực tế, việc gian lập lịch (thường là một ngày) và mức chuyển đổi các trạng thái từ ngủ sâu sang pin hiện có lúc lập lịch, từ đó xác định một thức hay từ các chế độ nguồn này gây ra hao lịch trình tối ưu. Mục tiêu chính của phương phí về mặt năng lượng lớn hơn và có độ trễ. pháp [13] là tìm một lịch trình trung bình về Trong nghiên cứu của tác giả X. Fan [7], năng lượng, trong một khoảng thời gian dài. thuật toán tác giả đề xuất nâng cao việc tính Trong bài báo [14], M.Severini cũng trình toán các ngưỡng để quyết định nút có ngủ bày một thuật toán thực hiện thu thập các số sâu hay không được sử dụng trong bài báo liệu một cách trình tự, lập lịch trình như bài [5] chính xác hơn bằng cách xem xét giữa báo [13] nhưng sử dụng mô hình LSA (Lazy năng lượng tiêu thụ và năng lượng bổ sung Scheduling Algorithm). Mô hình LSA (Lazy khi đánh thức nút cảm biến trở lại trạng thái Scheduling Algorithm) là một thuật toán lập hoạt động. Trong bài báo [8], tác giả Sujesha trình để lập lịch trình hoạt động cho nút cảm Sudevalayam tối ưu thời gian sống của pin biến có thể sạc lại và giới hạn nhiệm vụ của trên nút cảm biến dựa trên nguồn năng lượng một nút cảm biến được nhắc đến trong bài nạp được cho pin. Tác giả thay đổi các thông báo [14] và [15]. LSA tạo ra một lịch trình số của nút dựa trên dự đoán mức năng lượng chạy cho các tác vụ chạy song song và sẽ của pin và mức năng lượng hiện tại trong pin chạy cố định theo lịch trình của tác giả Moser nhằm tối ưu thời gian của pin được sạc. được thực hiện trong bài báo [16]. Một số nghiên cứu khác được công bố nhằm tối ưu thời lượng của pin tại nút điển hình là phương pháp giảm tần số hoạt động của vi điều khiển [9] và giảm công suất trên cảm biến. Các cảm biến có độ chính xác cao được giảm hoặc thay thế với cảm biến có độ phân giải, độ chính xác thấp hơn. Phương pháp trên có nhược điểm làm ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của thông tin thu thập. Ngoài ra hạ thấp công suất truyền tín Hình 1. Thuật toán LSA hiệu của mạng cảm biến được tác giả G. Amato đề cập trong [10] và thay đổi chu kỳ Hình 1 mô tả chi tiết về thuật toán LSA lấy số liệu của X.Chen trong nghiên cứu [11]. lập lịch trình thực hiện tác vụ, khối Task
3. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 48 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh scheduler sẽ lập ra lịch trình thực hiện của Để cải thiện những bất cập ở trên, chúng các tác vụ J1, J2 dựa trên thông số energy tôi đề xuất một thuật toán sử dụng mạng Storage (C). Ngõ ra của thuật toán là một neural phân loại và dự đoán từ các dữ liệu danh sách các tác vụ sẽ thực hiện tuần tự và đầu vào bao gồm lượng pin, dòng sạc và độ sẽ không thay đổi được trong quá trình nút biến thiên của dữ liệu, từ đó lựa chọn các tác cảm biến chạy. Đây là một điểm chưa tối ưu vụ có mức độ suy hao về mặt năng lượng của thuật toán này. Tuy nhiên, vì LSA giảm khác nhau. Mô hình này phù hợp với những thiểu các yếu tố ngõ vào để tăng hiệu suất đề bài lập trình với thời gian thực theo chu của thuật toán và là một thuật toán tĩnh nên kỳ hoạt động và có thể thực hiện trên vi điều trong quá trình chạy tác vụ đã được lên lịch khiển. Chúng tôi thiết kế thuật toán hoạt trình thì nó không thêm các trạng thái bổ động linh hoạt hơn với các tác vụ thay đổi. sung ở ngõ vào từ đó không thể hủy ngang Thay vì lấy mẫu liên tục và gửi theo một chu lịch trình đã lên sẵn cũng như thêm tác vụ kỳ, mô hình này phụ thuộc vào dữ liệu ngõ trong lúc thực hiện được đề cập trong bài báo vào của nút để xác định tác vụ từ đó có tính [14], [15], [17]. Trong bài báo [18], tác giả thích nghi cao hơn so với nghiên cứu [13]. Caruso đề xuất một thuật toán động nhằm lập Để quyết định những điều trên, chúng tôi dựa trình lên lịch trình có thể thay đổi dựa trên trên một mô hình của mạng neural [20], [21]. thông số ngõ vào là pin và dòng sạc của pin. Thuật toán có thể thực hiện việc tính toán lan Vì thuật toán động này có thể thay đổi lịch truyền thuật trên phần cứng có tốc độ xử lý trình nên nó có tính thích nghi cao hơn so với và bộ nhớ hạn chế như các dòng vi điều LSA. Tuy nhiên với một thuật toán động việc khiển 32 bit arm-cortex, mà không cần thực quản lý vùng nhớ của thuật toán động rất hiện trên phần mềm của máy tính có tốc độ quan trọng. Nhằm giảm thiểu việc tính toán xử lý cao, phương án tính toán không bị lặp lặp lại khi sử dụng đệ quy thì các giá trị tính lại như khi sử dụng đệ quy và quản lý được toán trước đó của thuật toán động sẽ được vùng nhớ khi sử dụng các bài toán động [18]. đưa vào một mảng. Khi các nút cảm biến Bài báo nghiên cứu xem xét nhiều hơn trong thực hiện tính toán nhiều, bộ nhớ càng tăng mô hình và tập trung vào vấn đề lập trình lựa lên từ đó không quản lý được trong quá trình chọn tác vụ tối ưu ở từng nút cảm biến tại thuật toán tính toán. Từ đó có thể phát sinh thời điểm đó. Ngoài ra, thuật toán có thể hiện tượng treo hoặc khởi động lại khiến vi được thực hiện hiệu quả trong các nút công điều khiển phải tính toán lại từ đầu. suất thấp tại điều kiện thực tế. Các phương pháp đã nêu ở trên chưa xét Bài báo nghiên cứu được tổ chức theo 4 đến độ biến thiên của dữ liệu. Đây là một mục. Mục 1 giới thiệu và tổng quan về các trong những yếu tố quan trọng cho việc đưa ra nghiên cứu trước đây. Mục 2 mô tả quá trình dự đoán, quyết định chính xác. Trong một số thiết kế các bộ điều khiển neural network ứng dụng thực tiễn, điển hình như việc nuôi trên mô hình hệ thống Simulink. Mục 3 trình trồng thủy hải sản, các số liệu thay đổi đột bày và thảo luận kết quả đạt được khi sử ngột có nguy cơ gây hại rất lớn đến kinh tế. Ví dụng bộ neural network. Cuối cùng, kết luận dụ như trong mô hình nuôi tôm thẻ [19], nền và định hướng trong tương lai sẽ được đưa ra nhiệt độ và pH của nước cần đạt sự ổn định. trong mục 4. Khi dữ liệu có sự thay đổi đột biến của các giá 2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG trị trên, người chăn nuôi cần nhiều thông tin hơn nhằm dự đoán và đưa ra quyết định nhanh 2.1 Mô hình hệ thống chóng và chính xác. Trong ứng dụng thu thập Mô hình thuật toán của nút cảm biến sử dữ liệu trong rừng, chúng ta xét đến sự biến dụng được thể hiện trên hình 2, các thông số thiên của nhiệt độ có thể dự đoán các vấn đề ngõ vào cho bộ neural network bao gồm về cháy rừng và lũ lụt. Vì vậy, độ biến thiên dung lượng pin (energy), dòng sạc tấm pin của dữ liệu là thành phần đầu vào quan trọng năng lượng mặt trời (current) và độ biến trong mô hình thu thập dữ liệu. thiên của dữ liệu thu thập (delta). Trong mô
4. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 49 hình, dung lượng pin là phần trăm năng khác nhau (nơi có độ biến thiên nhiệt độ khác lượng còn lại trong pin, độ biến thiên của dữ nhau). liệu là độ lệch của dữ liệu trong một khoảng Kết quả mong muốn ở ngõ ra gồm 4 tác thời gian. Khi số liệu thay đổi đột ngột thì độ vụ tương ứng với 4 giá trị [1, 2, 3, 4] được lệch sẽ cao và ngược lại. Cuối cùng là dòng thiết kế phù hợp với thông số ngõ vào. Chức sạc của pin năng lượng mặt trời. Các dữ liệu năng các tác vụ, công suất tiêu hao và giá trị này sau khi qua bộ neural, giá trị dự đoán ngõ ra của các tác vụ được biểu diễn thông ngõ ra ợ đư c làm tròn. Ngõ ra cuối cùng sẽ qua bảng sau: cho khả năng dự đoán và cân đối tác vụ thích hợp nhất từ đó hệ thống sẽ thực hiện tác vụ Bảng 1. Các tác vụ đề xuất tiếp theo đã được chọn từ bộ neural trên. Số TT Công Suất Chức Năng Task tác vụ Trung Bình Calculator_data TASK 1 Không gửi dữ liệu Rất Thấp Kết thúc chu kỳ ngày gửi Energy 2 Thấp dữ liệu NEURAL Current Round OutTaskData Gửi dữ liệu theo chu kỳ CONTROLLER 3 Trung Bình với N mẫu Delta Gửi dữ liệu liên tục theo 4 Cao Hình 2. Thuật toán hệ thống 2N mẫu Trong các thông số ngõ vào, năng lượng 2.2 Phương án lấy số liệu pin là khoảng giá trị của dung lượng pin Các tập số liệu được lấy trực tiếp ở quận được giới hạn trong [0, 100], được đọc thông Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh. Chúng tôi thiết qua bộ ADC của vi điều khiển. Với mức pin kế một thiết bị như hình 3 sử dụng Arduino tối đa khi đầy là Vbat_full = 4,3V và khi cạn Pro Mini, pin Lithium 3V7 2000mAh, pin là Vbat_low = 3,7V. Từ đó có thể tính giá trị mặt trời 4.5W và mạch sạc dòng tối đa của pin dựa trên công thức sau đây: 250mA. Các số liệu thu thập về được tính − toán theo công thức (1), (2) và (3). = 푛표푤 푡_푙표푤 ∗ 100% (1) 푡_ 푙푙 − 푡_푙표푤 Dòng sạc của tấm pin [0, 250] mA được lấy từ cảm biến INA-219 dựa trên điện áp rơi trên điện trở shunt 푅푠푒푛푠𝑖푛 có giá trị 0.01Ω sai số thấp. 1 và 2 là điện áp trên 2 đầu điện trở shunt, G là hệ số khuếch đại (module INA-219 thực nghiệm giá trị này =1). ( 2− 1) ℎ 푒 = ∗ (2) 푅푠푒푛푠푖푛 Sai lệch dữ liệu Delta được xác định là độ lệch chuẩn của 1 chu kỳ lấy dữ liệu. Trong Hình 3. Bộ thu thập dữ liệu một chu kỳ có N mẫu được lấy trong thời gian T. Độ lệch chuẩn của dữ liệu trong 1 chu 2.3 Năng lượng tiêu hao thực tế kỳ được biểu diễn như sau: Các tác vụ được nêu trên tiêu hao một lượng năng lượng khác nhau với 4 mức khác ∑ ( − )2 푒푙푡 = µ√ 푖 푖 (3) nhau từ rất thấp đến cao. Các tác vụ này được −1 tính toán và đo lường bằng phương pháp lấy Hệ số µ là hệ số lựa chọn và hệ số này trung bình. Với nguồn pin đạt 100%, chúng được hiệu chỉnh với từng loại môi trường tôi tiến hành cho chạy duy nhất 1 tác vụ với
5. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 50 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh dòng sạc bằng 0 cho đến khi pin đạt còn 80%. vụ 1, tác vụ 2, tác vụ 3 và tác vụ 4 sẽ là [1 2 Với nguồn pin sử dụng cho hệ thống là 3 4]. Sau khi thu thập số liệu, chúng tôi tiến 2000mAh thì khi còn 80% pin đã tiêu thụ hành để huấn luyện cho mô hình bằng khoảng 400mAh. Sau đó lấy 400mAh chia Matlab với phương án học có giám sát. cho số chu kỳ mà tác vụ chạy được. Các con số được thống kê ở bảng sau: Bảng 2. Năng lượng tiêu hao Năng lượng Năng Mức Số Tác tiêu hao 1 lượng tiêu tiêu lượng Vụ chu kỳ hao 1 giờ hao mẫu (mAh) (mAh) Rất 1 >5000 ~0 ~0 Thấp Hình 5. Quá trình huấn luyện 2 Thấp 435 0.9195402 3.678160 Trong hình 5, thuật toán sử dụng để huấn Trung 3 105 3.8095238 15.23809 luyện mạng là lan truyền ngược đàn hồi Bình (resilient backpropagation). Thuật toán này 4 Cao 188 2.1276595 42.55319 nhằm mục đích chính là loại bỏ những tác động có hại của độ lớn các đạo hàm riêng. 2.4 Bộ Neural Network đề xuất Chỉ dấu của đạo hàm được sử dụng để xác Khác với thuật toán lập trình lịch trình định hướng cập nhật trọng số và độ lớn của tác vụ như thuật toán LSA đã đề cập ở mục 2, đạo hàm không ảnh hưởng đến việc cập nhật bộ phân loại sử dụng neural network đáp ứng trọng số. được khả năng thay đổi tác vụ làm việc của nó từ số liệu thay đổi từ ngõ vào. LSA sẽ 2.5 Đánh giá kết quả về mặt năng lượng chạy liên tục theo lịch trình đã được lập sẵn BẮT ĐẦU mà không thay đổi được tác vụ mong muốn. Với các ứng dụng đơn giản nhưng yêu cầu sự KHỞI TẠO Battery chính xác cao mà không cần tính toán quá (2000mah) nhiều thì mạng neural với số lớp ẩn và số lượng neural nhỏ thể hiện được sự ưu điểm LẤY GIÁ Đ của nó về tính toán hay bộ nhớ. Battery>0 TRỊ CẢM BIẾN S NEURAL End NETWORK Đ Battery- E Task1 Hình 4. Mô hình mạng neural đề xuất (task1) Mô hình mạng đề xuất ở hình 4. Chúng S Đ Battery- E tôi lựa chọn mạng có 3 lớp chính bao gồm 1 Task2 lớp ngõ vào, 1 lớp ẩn và 1 lớp ngõ ra. Các (task2) neural ở lớp ngõ vào lần lượt là dung lượng S Đ Battery- E Task3 của pin, hiệu số giữa dòng sạc, dòng tải trung (task3) bình của task đang chạy và cuối cùng là giá S trị độ lệch chuẩn của dữ liệu mới nhất với Battery- E trung bình của các dữ liệu. Lớp ngõ ra có 1 (task4) neural tương ứng với giá trị mà task tiếp theo sẽ thực hiện cho Node Sensor. Các giá trị ngõ Lưu đồ 1. Thuật toán kiểm chứng kết quả về ra cho việc huấn luyện tương ứng với các tác mặt năng lượng
6. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 51 Lưu đồ 1 bao gồm các giá trị khởi tạo pin 100%, giá trị nhiệt độ lấy thực tế ở phần 3.2. Tiến trình sẽ chạy liên tục khi nguồn pin vẫn còn. Khi nguồn pin hết, các giá trị nhận được sẽ được thống kê bao gồm số lượng tác vụ và khả năng tiết kiệm pin cũng như chất lượng thông tin thu được. 3. KẾT QUẢ 3.1 Đánh giá chất lượng của mạng neural Hình 8. Sai số với 1 lớp ẩn – 50 neural Trong hình 7 và 8, các giá trị hội tụ về 0.005 với trên 20.000 vòng lặp. Như vậy, ta có thể xác định 20 neural ở lớp ẩn thứ 1 là một lựa chọn tốt cho việc huấn luyện mạng do đó với số lượng neural và số lớp ẩn càng ít thì ở nút cảm biến sẽ càng giảm thiểu được sự cồng kềnh về tính toán cũng như bộ nhớ. Từ đó, ở các nút cảm biến có thể tối ưu về mặt năng lượng hơn. 3.2 Độ chính xác của mạng neural Hình 6. Sai số với 1 lớp ẩn – 20 neural Sau khi đã thực hiện các công việc đưa Với một mạng neural cơ bản 1 lớp ẩn có ra như trên, chúng tôi đã ra một model sử 20 neural như hình 6 thì kết quả cho chúng ta dụng một mạng neural tối ưu (1 lớp ẩn chứa thấy rằng giá trị sai số hội tụ về giá trị 0.05 20 neural) trong việc lựa chọn tác vụ mà sau 15611 vòng lặp. Giá trị hội tụ theo một chúng tôi đã đề xuất được thể hiện ở hình 9. đường tuyến tính. Hình 9. Mô hình Simulink trên Matlab Để có góc nhìn tổng quan nhất về việc model lựa chọn chính xác các tác vụ, chúng tôi tiếp tục thu thập thêm 10 và 100 mẫu dữ liệu ngẫu nhiên để đưa vào model Simulink nhằm xác nhận lại khả năng chính xác nhất của mô hình. Từ mô hình hệ thống trên, khi thực hiện Hình 7. Sai số với 1 lớp ẩn – 25 neural chúng tôi thu được kết quả:
7. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 52 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Từ hình 12, các giá trị sau khi làm tròn từ ngõ ra của mạng neural có 4/100 tác vụ sai nhưng giá trị vẫn chấp nhận được. Các số liệu đánh giá đựa lựa chọn từ bảng sau: Bảng 3. Tỉ lệ dự đoán của mô hình Số neural ở lớp Tỉ lệ lựa chọn chính xác từ ẩn mẫu ngẫu nhiên 20 96% 25 93% Hình 10. Kết quả của bộ phân loại với 10 50 97% mẫu ngẫu nhiên Kết quả thu được đạt 10/10 so với kết 3.3 Giá trị độ lệch của số liệu quả mong muốn được thể hiện ở hình 10. Với Giá trị delta thu được sau đây được lấy những kết quả đạt được ở trên, chúng tôi tiếp số liệu từ thực tế trong 3 ngày ngẫu nhiên tại tục tăng số lượng dữ liệu ngõ vào (100 mẫu một vị trí. Sau đó, giá trị này được tính toán nhằm đánh giá xác suất xảy ra lỗi). dựa theo công thức (3) với N slot lần lượt là 10 và 20. Từ số liệu trên ta thay đổi hệ số µ để tương ứng với nhiều môi trường khác nhau (ở đây chúng tôi thực hiện với giá trị µ = 1). Hình 11. Ngõ ra bộ neural với 100 mẫu Với 2 kết quả thu được (hình 10 và hình 11), ta thấy rằng với bộ neural network có độ chính xác khá cao và dữ liệu dự đoán ở ngõ Hình 13. Giá trị của delta với N = 10 ra bám tương đối sát với giá trị mong muốn Với giá trị của N slot bằng 10. Giá trị khi huấn luyện mạng. delta rơi từ 0 đến gần 3. Giá trị dao động mạnh vào từ 10h đến 13h. Hình 12. Ngõ ra bộ neural với 100 mẫu sau khi được làm tròn Hình 14. Giá trị của delta với N = 20
8. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 53 Các giá trị delta dao động nhiều trong 3.4 Năng lượng thu được của pin mặt trời khoảng giữa trưa từ 11h đến 14h. Các thuật Điện áp của pin được thu thập thông qua toán thường chỉ tính hệ số delta không xác bộ ADC nội của vi điều khiển và dòng điện định được rằng trong khoảng thời gian này sẽ từ pin qua một bộ lọc thông thấp (LPF) thụ thường xuyên có biến động đột biến nên giá động RC để giảm thiểu nhiễu của nguồn, giữ trị thường không được lấy nhiều hơn các thời lại thành phần chính DC. điểm khác. Đối với các khoảng thời gian từ 7h đến 9h các giá trị không cần lấy nhiều nguyên nhân các giá trị độ lệch delta không sai lệch nhiều. Các giữ liệu được đối chiếu với phương pháp quan trắc theo thông tư của bộ tài nguyên môi trường ngày 26/12/2018 quy định kỹ thuật về quan trắc và cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đối với trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng [22] và dựa trên nghiên cứu [11]. Các số liệu của môi trường này được lấy theo chu kỳ nhỏ nhất 1 đến 10 phút. Trung bình một mẫu được thu thập với chu kỳ 5 phút, trong một giờ ta có Hình 15. Điệp áp trung bình của pin giữa được 20 mẫu được thu thập dựa theo thông ngày râm và nắng tư trên. Các thông số được thể hiện ở bảng 4 sau đây: Điện áp của pin dao động không đều được thể hiện như hình 15 vì nhiều lý do Bảng 4. Số lượng mẫu thu thập được khách quan ví dụ như mây che phủ mặt trời. Chu kỳ 1 Chu kỳ 5 Thuật toán Thời gian Công suất của pin đạt được tối đa trong phút[11] phút[22] đề xuất khoảng thời gian giữa trưa. Những ngày 7h – 9h 120 60 31 mưa, pin sẽ không đạt được điện áp 6V. 11h – 13h 120 60 92 17h – 19h 120 60 57 21h – 3h 360 180 120 Từ các thông số ở bảng 4, với chu kỳ lấy mẫu là 1 phút, số lượng thông tin thu thập nhiều hơn rất nhiều, nhưng trong đó có rất nhiều thông tin trùng lặp, không có ích và năng lượng hao phí sẽ nhiều. Đối với phương pháp lấy mẫu theo chu kỳ liên tục trong với 5 phút, số lượng mẫu thu về đạt Hình 16. Năng lượng thu thập được của pin mức khá, nhưng khoảng thời gian có nền giữa ngày râm và nắng (Wh) nhiệt biến thiên không có sự thích nghi khi Với lượng pin đề xuất là 2000 mAh, khả mà trong khoảng thời gian đó chúng ta cần năng sạc đầy pin trong một ngày với điều thêm nhiều thông tin hơn. Còn với thuật kiện nắng lý tưởng đạt 100%. Với các ngày toán đề xuất, trong khoảng thời gian có biến độ phủ nắng thấp (2h- 4h/ngày) thì pin được động lớn về số liệu thì các giá trị thu thập nạp tối thiểu 80%. được nhiều hơn. Thời gian trong ngày nền 3.5 Đánh giá kết quả về mặt năng lượng nhiệt độ thay đổi ít thì số liệu được lấy ít hơn nhằm đảm bảo được tính năng lượng Tiến hành thực hiện thuật toán đề xuất của nút cảm biến. với điều kiện dòng sạc vào của pin bằng 0, điện áp của pin được thu thập đồng thời để
9. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 54 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh chứng minh khả năng đáp ứng về mặt năng Hình 18 là phần cứng để được thực hiện lượng của thuật toán. Ngoài ra, chúng tôi đối 2 phương pháp trên bao gồm một vi điều chiếu với phương pháp lấy mẫu theo chu kỳ khiển STM32F103, lora SX1278 433Mhz, 5 phút [22]. pin 2000mah, MCU quản lý sạc CN3065, pin mặt trời 6V 4.5W, cảm biến nhiệt độ DS18B20. Sau khi biên dịch chương trình, thuật toán đề xuất chiếm 12% dung lượng của bộ nhớ flash. 4. KẾT LUẬN Bài báo cáo trình bày tổng quan phương pháp phân loại sử dụng mạng neural và thiết kế bộ điều khiển neural cho việc phân loại. Kết quả mô phỏng được trình bày và phân tích thông qua Matlab bao gồm: Mạng neural với 1 mạng nhỏ bao gồm 1 lớp ngõ vào, 1 lớp ẩn và 1 lớp ngõ ra có kết quả ra rất khả quan và tương đối chính xác. Hình 17. So sánh điện áp của pin Tuy nhiên, với lượng neural ở lớp ẩn càng Trong khoảng thời gian đầu, lượng pin nhiều thì hệ thống tính toán càng nặng hơn, đang nhiều nên khi sử dụng thuật toán đề kéo theo đó năng lượng tiêu tốn trên nút xuất thì lượng pin hao hơn vì lúc này nút cảm nhiều hơn. Với 20 neural như đã chọn rút gọn biến đang sử dụng với tác vụ số 4 đạt với được nhiều tài nguyên từ bộ nhớ đến năng mong muốn ban đầu trong hình 17. Lượng lượng để tính toán ở các nút cảm biến. Khi pin hao hụt nhiều hơn nhưng số lượng mẫu tiến hành huấn luyện, việc lựa chọn hệ số tốc thu về là tối ưu. Về lâu dài, khi lượng pin độ học (Learning rate) khá quan trọng cho càng thấp ta có thể tối ưu 1 phần về mặt năng mô hình được huấn luyện đến điểm hội tụ lượng của nút vì khi đó tác vụ bị thay đổi thấp và nhanh nhất. xuống tác vụ ít tốn năng lượng hơn và kéo Mặt khác, thuật toán có tính cân đối tối dài được thời lượng và tuổi thọ của pin. ưu hơn giữa 2 yếu tố quan trọng của hệ thống thu thập dữ liệu năng lượng thấp là chất lượng của thông tin và tuổi thọ pin. Lượng pin mất đi tương đương với thuật toán cũ nhưng bù lại các số liệu ở những thời điểm có sự thay đổi lớn được lấy nhiều mẫu hơn và ít hơn khi các số liệu thay đổi không đáng kể. Ngoài ra, thuật toán có tính thích nghi tốt với từng môi trường vì các hệ số của mạng neural có thể được thay đổi dựa trên các Hình 18. Bộ thu thập số liệu thông tin thu thập được. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S. Escolar, S. Chessa, and J. Carretero, Optimization of Quality of Service in Wireless Sensor Networks Powered by Solar Cells. 2012. [2] A. A. Babayo, M. H. Anisi, and I. Ali, “A Review on energy management schemes in energy harvesting wireless sensor networks,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 76, pp. 1176–1184, 2017, doi:
10. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 55 [3] N. Kimura, V. Jolly, and S. Latifi, “Energy restrained data dissemination in wireless sensor networks,” Int. J. Distrib. Sens. Networks, vol. 2, no. 3, pp. 251–265, 2006, doi: 10.1080/15501320600642692. [4] S. Basagni, M. Y. Naderi, C. Petrioli, and D. Spenza, “Wireless Sensor Networks with Energy Harvesting,” in Mobile Ad Hoc Networking, Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2013, pp. 701–736. [5] A. Sinha and A. Chandrakasan, “Dynamic power management in wireless sensor networks,” IEEE Des. Test Comput., vol. 18, no. 2, pp. 62–74, 2001, doi: 10.1109/54.914626. [6] L. Wang and Y. Xiao, “A Survey of Energy-Efficient Scheduling Mechanisms in Sensor Networks,” MONET, vol. 11, pp. 723–740, Oct. 2006, doi: 10.1007/s11036-006-7798-5. [7] X. Fan, “Sensors Dynamic Energy Management in WSN,” Wirel. Sens. Netw., vol. 02, pp. 698–702, Jan. 2010, doi: 10.4236/wsn.2010.29084. [8] S. Sudevalayam and P. Kulkarni, “Energy harvesting sensor nodes: Survey and implications,” IEEE Commun. Surv. Tutorials, vol. 13, no. 3, pp. 443–461, Sep. 2011, doi: 10.1109/SURV.2011.060710.00094. [9] P. Pillai and K. Shin, “Real-Time Dynamic Voltage Scaling for Low-Power Embedded Operating Systems,” ACM SIGOPS Oper. Syst. Rev., vol. 35, Sep. 2001, doi: 10.1145/502034.502044. [10] G. Amato, A. Caruso, and S. Chessa, “Application-driven, energy-efficient communication in wireless sensor networks,” Comput. Commun., vol. 32, pp. 896–906, Mar. 2009, doi: 10.1016/j.comcom.2008.12.022. [11] X. Chen, H.-B. Chen, W. Ma, X. Li, and S. X.-. Tan, “Energy-efficient wireless temperature sensoring for smart building applications,” in 2016 13th IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2016, pp. 680– 683, doi: 10.1109/ICSICT.2016.7999010. [12] J. Khan, H. Qureshi, and A. Iqbal, “Energy management in Wireless Sensor Networks: A survey,” Comput. Electr. Eng., vol. 41, Jul. 2014, doi: 10.1016/j.compeleceng.2014.06.009. [13] S. Escolar, A. Caruso, S. Chessa, X. Del Toro, F. J. Villanueva, and J. C. Lopez, “Statistical Energy Neutrality in IoT Hybrid Energy-Harvesting Networks,” Proc. - IEEE Symp. Comput. Commun., vol. 2018-June, pp. 444–449, 2018, doi: 10.1109/ISCC.2018.8538532. [14] M. Severini, S. Squartini, and F. Piazza, “Energy Aware Lazy Scheduling Algorithm for Energy-Harvesting Sensor Nodes,” Neural Comput. Appl., vol. 23, Dec. 2013, doi: 10.1007/s00521-012-1088-x. [15] C. Moser, J. Chen, and L. Thiele, “Dynamic power management in environmentally powered systems,” in 2010 15th Asia and South Pacific Design Automation Conference (ASP-DAC), 2010, pp. 81–88, doi: 10.1109/ASPDAC.2010.5419916. [16] C. Moser, D. Brunelli, L. Thiele, and L. Benini, Lazy Scheduling for Energy Harvesting Sensor Nodes. 2006. [17] C. Moser, L. Thiele, D. Brunelli, and L. Benini, “Adaptive Power Management in Energy Harvesting Systems,” in Proceedings of the Conference on Design, Automation and Test in Europe, 2007, pp. 773–778. [18] A. Caruso, S. Chessa, S. Escolar, X. Del Toro, and J. C. López, “A dynamic programming algorithm for high-level task scheduling in energy harvesting IoT,” IEEE Internet Things J., vol. 5, no. 3, pp. 2234–2248, 2018, doi: 10.1109/JIOT.2018.2828943. [19] P. Zhang, X. Zhang, J. Li, and G. Huang, “The effects of body weight, temperature, salinity, pH, light intensity and feeding condition on lethal DO levels of whiteleg shrimp,
11. Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 63 (04/2021) 56 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Litopenaeus vannamei (Boone, 1931),” Aquaculture, vol. 256, no. 1, pp. 579–587, 2006, doi: [20] R. E. Uhrig, “Introduction to artificial neural networks,” in Proceedings of IECON ’95 - 21st Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, vol. 1, pp. 33–37, doi: 10.1109/IECON.1995.483329. [21] A. K. Jain, J. Mao, and K. M. Mohiuddin, “Artificial neural networks: A tutorial,” Computer, vol. 29, no. 3. pp. 31–44, Mar. 1996, doi: 10.1109/2.485891. [22] Lê Công Thành, “Quy định kỹ thuật về quan trắc và cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đối với trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng,” 2018. Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: Võ Minh Huân Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh Email: huanvm@hcmute.edu.vn