Ứng dụng công nghệ cảm biến mạng không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm

Ứng dụng công nghệ cảm biến mạng không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN

THÔNGKHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

T I Ể U LU Ậ N

Ứ N G D Ụ N G C Ô N G N G H Ệ M Ạ N G C Ả M B I Ế N K H Ô N G D ÂY

C H O C Ả N H B Á O C H ÁY R Ừ N G S Ớ M

G V H D : P G S T R Ầ N C Ô N G H Ù N G

NỘI DUNG

Tóm tắt

I Giới thiệu

II Công trình liên quan

III Mô phỏng và đánh giá kết quả

IV Thiết kế phần cứng và phần mềm

V Kết luận

VI Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

chóng dự đoán một vụ cháy rừng bằng cách sử dụng mạng

cảm biến không dây

thiện PEGASIS cách để ngăn ngừa tổn thất điện năng của

PEGASIS cơ bản và tăng tuổi thọ của toàn bộ mạng

nhiên, giúp ngăn chặn cháy rừng hiệu ứng

I GIỚI THIỆU

R ng đóng m t vai trò quan tr ng trong cu c s ng c a con ừng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ọng trong cuộc sống của con ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ống của con ủa con

người và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái i và tài nguyên c a con ngủa con ười và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái i,…cân b ng h sinh thái ằng hệ sinh thái ệ sinh thái

c a trái đ t Tuy nhiên, vì s hành đ ng không ki m soát ủa con ất Tuy nhiên, vì sự hành động không kiểm soát ự hành động không kiểm soát ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ểm soát

được của con người và không thể dự đoán trước được thiên c c a con ngủa con ười và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái i và không th d đoán trểm soát ự hành động không kiểm soát ước được thiên c được của con người và không thể dự đoán trước được thiên c thiên nhiên do đó cháy r ng là m t đi u ph bi nừng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ều phổ biến ổ biến ến

Các phương pháp phổ biến để ngăn chặn là tuần tra, nhìn từ ng pháp ph bi n đ ngăn ch n là tu n tra, nhìn t ổ biến ến ểm soát ặn là tuần tra, nhìn từ ần tra, nhìn từ ừng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con tháp và trong nh ng năm g n đây là s d ng hình nh v ững năm gần đây là sử dụng hình ảnh vệ ần tra, nhìn từ ử dụng hình ảnh vệ ụng hình ảnh vệ ảnh vệ ệ sinh thái tinh

Các m ng c m bi n không dây bao g m các c m bi n nút ạng cảm biến không dây bao gồm các cảm biến nút ảnh vệ ến ồm các cảm biến nút ảnh vệ ến

nh , nó tiêu th ít năng lỏ, nó tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp thông qua các kết ụng hình ảnh vệ ược của con người và không thể dự đoán trước được thiên ng, giao ti p thông qua các k t ến ến

n i không dây, và có nhi m v c m bi n, đo lống của con ệ sinh thái ụng hình ảnh vệ ảnh vệ ến ười và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái ng, tính toán

t p trung vào thu th p, h i t d li u đ ra quy t đ nh toàn ập trung vào thu thập, hội tụ dữ liệu để ra quyết định toàn ập trung vào thu thập, hội tụ dữ liệu để ra quyết định toàn ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ụng hình ảnh vệ ững năm gần đây là sử dụng hình ảnh vệ ệ sinh thái ểm soát ến ịnh toàn

c u v môi trần tra, nhìn từ ều phổ biến ười và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái ng t nhiên [ 2 ] ự hành động không kiểm soát

M t nút c m bi n bao g m b n thành ph n c b n:ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ảnh vệ ến ồm các cảm biến nút ống của con ần tra, nhìn từ ơng pháp phổ biến để ngăn chặn là tuần tra, nhìn từ ảnh vệ

C m bi n, b vi x lý, b thu phát và b ph n cung c p đi n ảnh vệ ến ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ử dụng hình ảnh vệ ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con ập trung vào thu thập, hội tụ dữ liệu để ra quyết định toàn ất Tuy nhiên, vì sự hành động không kiểm soát ệ sinh thái Ngoài ra, h cũng có các ng d ng thành ph n b sung nh ọng trong cuộc sống của con ứng dụng thành phần bổ sung như ụng hình ảnh vệ ần tra, nhìn từ ổ biến ư

h th ng đ nh v , máy phát đi n và qu n lý di đ ng [3].ệ sinh thái ống của con ịnh toàn ịnh toàn ệ sinh thái ảnh vệ ột vai trò quan trọng trong cuộc sống của con

a. PEGASIS [4] c b n ơ bản ản

Các giao thức PEGASIS là một sự cải tiến so với Leach

Giao thức PEGASIS giải quyết vấn đề chi phí phát sinh trong quá hình thành các cụm Leach thông qua việc xây dựng chuỗi nút như minh họa trong hình 1 Chuỗi xây dựng thực hiện bằng thuật toán tham lam Mỗi nút sẽ chọn nút kế bên gần nhất để nhảy tiếp theo trong cấu trúc chuỗi lân cận Mỗi nút chỉ cần theo dõi các nút lân cận tiếp theo và trước nó Quá trình trong chuỗi được thực hiện tuần tự Mỗi nút trong chuỗi sẽ thu thập dữ liệu từ các nút láng giềng của nó cho đến khi tất cả các dữ liệu được tập hợp vào đầu của nút chuỗi

thông tin này đến các điểm thu gom thông qua một bước nhảy duy nhất.

a. PEGASIS [4] c b n ơ bản ản

- PEGASIS cung cấp năng lượng hiệu quả hơn giao thức Leach

- Tuy nhiên giao thức PEGASIS có độ trễ lớn hơn Leach vì dữ liệu phải được truyền tuần tự và nút bắt đầu phải chờ cho đến khi tất

cả các tin nhắn đã nhận được trước khi giao tiếp với các điểm thu gom

- Ngoài ra, các giao thức PEGASIS yêu cầu tất cả các thông tin trong chuỗi phải được tổng hợp thành một chủ đề duy nhất Điều này có thể gây ra sai trong thông tin gửi đến các điểm thu gom

b. PEGASIS [4] c i ti n ản ến

Trong thuật toán PEGASIS cơ bản, chúng tôi phát hiện ra rằng mặc

dù sức đã được chia sẻ giữa các nút, nhưng vẫn còn một số hạn chế:

-Các nút từ xa trạm BS sẽ khả năng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn

và do đó nhanh chóng chết

-Việc chậm trễ trong mạng là khá đáng kể, đặc biệt là nếu mạng lớn sau đó là chuỗi sẽ rất dài, do đó một số lượng rất cao bươc

nhảy cần thiết để truyền dữ liệu từ kết thúc đến các trạm gốc

-Ngoài ra, các nút trong chuỗi phải công nhận cấu hình của mạng

và đây không phải là luôn luôn dễ dàng cho mạng cảm biến

-Một vấn đề khác là sự tắc nghẽn tại các nút chính Có nghĩa là, khi

dữ liệu đến nút chính sau đó không có đủ sức mạnh để truyền đến trạm BS

c. Gi i pháp ản

-Để khắc phục những độ trễ, chúng ta có thể phân chia mạng thành nhiều tiểu vùng, từng khu vực sẽ thiết lập một chuỗi

-Trong mỗi tiểu khu vực chúng tôi sẽ có một nút cái không giới hạn nguồn năng lượng và có khả năng di chuyển khác nhau trên tiểu

vùng

-Tương ứng với mỗi chuỗi con sẽ có một nút chính Những nút chủ

sẽ gửi các dữ liệu thu thập được vào sink tương ứng

d Mô hình năng l ng ược của con người và không thể dự đoán trước được thiên

Sử dụng mô hình không dây

Việc tiếp nhận các dữ liệu cũng tốn một năng lượng tương đối cao,

vì vậy chúng tôi cần phải tối đa hóa số lượng truyền và nhận được trong mỗi node

e Xây d ng các chu i đa ự hành động không kiểm soát ỗi đa

Đề xuất này có 4 chuỗi hình thành như sau:

-Sink gửi "gói tin hello" đến tất cả các nút để có được thông tin của tất cả các nút

-Sink tìm nút xa nhất

-Hình thành một chuỗi bắt đầu từ xa nút, đây là nút gốc của chuỗi,

và các nút gốc sẽ tìm kiếm cho node gần nhất bao gồm nó trong chuỗi

-Sau đó, mỗi nút tìm đường dẫn đến nút gần nhất mà không kết nối trong chuỗi, sau đó kết nối nó với một tương tự tiếp cận

-Trong thứ tự, mỗi node i nhận dữ liệu từ nút j, hoạt động như

một nút cha tới nút j, trong khi đó nút j hoạt động như một nút

con đến nút i

Quá trình này cũng tạo ra các chuỗi lặp đi lặp lại trong cả bốn khu vực và do đó 4 chuỗi được tạo ra

f Ch n các nút chính trong chu i ọn các nút chính trong chuỗi ỗi

Chuỗi đã chọn nút chính trên cơ sở tỷ trọng Q gán cho mỗi

nút Nút có Q lớn nhất sẽ được chọn là nút chính của chuỗi chính

Sau khi hình thành chuỗi, mỗi nút i sẽ tính toán khoảng cách của

nó (dp) với nút cha và sau đó so sánh khoảng cách đó với khoảng cách từ nó đến chỗ sink (dbs) Nếu (dp)> (dbs) sau đó nút i đóng

vai trò như một nút hàng đầu và gửi dữ liệu thu thập sink thay vì gửi nó đến nút cha

h Thu t toán đ xu t cho nút cái di đ ng ật toán đề xuất cho nút cái di động ề xuất cho nút cái di động ất cho nút cái di động ộng

Bao gồm ba bước sau: Trước tiên là tính độ dài cấu hình Sau đó dựa vào độ dài còn lại, sink bắt đầu di động bằng cách xác định tọa

độ là (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m) và (66m, 75m) tất cả bao bọc một yêu cầu cụ thể như trước Tổng thời gian lưu trú của 4 nơi trong phạm vi 1 vòng tròn là như sau:

Trong đó T s là tổng thời gian lưu trú của một vòng Mục tiêu đầu tiên là cải thiện thời gian sống của mạng bằng cách tăng tổng thời gian lưu trú, trong khi mục tiêu thứ hai là đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu truyền giữa dòng và các nút chính của chuỗi Vì vậy, vấn đề là phải tối đa hóa:

h Thu t toán đ xu t cho nút cái di đ ng ật toán đề xuất cho nút cái di động ề xuất cho nút cái di động ất cho nút cái di động ộng

Trong đó Xij được đo bằng bit giữa nút chính và sink với các vị trí

tiềm năng i và j, 1 ≤ i, j ≥ 4 D là tổng số dữ liệu chuyển giao giữa các nút chính và sink trong thời gian ở Vị trí tiềm năng phụ thuộc vào bốn lĩnh vực không thay đổi Các nút chính của chuỗi truyền

dữ liệu đến dòng là cũng ở một vị trí đặc biệt

III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Đối với phần này chúng ta sẽ sử dụng ngôn ngữ MATLAB để mô phỏng một mạng lưới 100m x 100m Thông số các mô phỏng như sau:

+ Quy mô mạng lưới: 100m x 100m

III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Căn cứ vào kết quả của mục [5] so với kết quả mô phỏng, chúng ta thấy rằng các nút bắt đầu chết trong PEGASIS chỉ trong khoảng

675 vòng Trong khi ở PEGASIS nhiều loại, nút chỉ bắt đầu chết khi đạt vòng 1400 Khi cả mạng chết, tất cả các nút là trống rỗng bởi vòng thời gian đạt 1544 trong PEGASIS, trong khi ở PEGASIS nhiều loại, các nút chỉ chết khi chiếc vòng 4615 là đạt

Qua đó chúng ta thấy cuộc đời của mạng dưới PEGASIS nhiều loại được cải thiện đáng kể, so với các giao thức định tuyến trước như Leach, PEGASIS Do đó, nó rất thích hợp để xây dựng một mạng lưới các hệ thống "cảnh báo sớm cháy rừng "

sát từ xa thông qua một máy tính khác

Dựa trên các trang tài liệu tham khảo [6] [7], chúng tôi đề xuất các

mô hình

-Sơ đồ khối chi tiết mạch

Khối chức năng:

- Khối thạch anh: dao động cho PIC16F886

- Đặt lại khối: Kết nối các chân reset của PIC để khởi động lại các PIC

- Khối bấm phím: Các phím chức năng giúp khởi động và dừng

-Kết quả thực tế

Hệ thống này bao gồm hai loại mạch:

+ Mạch có cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là phân phối trong mạng lưới rừng để tuyền dữ liệu trở lại trung tâm

Hệ thống mạch sử dụng được pin 9v

+ Các mạch bo mạch chủ sẽ thu thập các dữ liệu đã gửi bởi mạch tại trạm kiểm lâm, gắn cảnh báo cháy rừng thiết bị (đèn, loa).

Bài viết này đã được nghiên cứu định nghĩa rộng nhất của cảm biến mạng, các giao thức định tuyến thường được sử dụng trong các

mạng cảm biến, nghiên cứu và định tuyến đề xuất giao thức

Pegasis đa luồng Xây dựng một việc mua lại tín hiệu thành công

hệ thống từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến sử dụng mạng không dây, mạng lưới hoạt động ổn định và các thông số thu thập được trên cảm biến là tương đối chính xác

Trong các nghiên cứu trong tương lai tiếp tục giao thức định tuyến cho cảm biến mạng lưới, kiểm tra chất lượng kênh và xử lý sự cố trên đường dây truyền tải, sử dụng các cảm biến vị trí và GIS Công nghệ Đưa ra các giải pháp cho các cảm biến tiết kiệm năng lượng nút, giảm giá thành sản phẩm được áp dụng trong thực tế