XÂY DỰNG hệ THỐNG CẢNH báo CHÁY RỪNG sớm DÙNG CÔNG NGHỆ cảm BIẾN KHÔNG dây (có code)

Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng như có thểgiám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị.Công nghệ điều khiển và cảm biến có t

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY RỪNG SỚM DÙNG CÔNG NGHỆ CẢM

BIẾN KHÔNG DÂY

ADC Analog to Digital converter

CAP Contention Access Period

CCA Clear Channel Assessment

CFP Contention Free Period

CPU Central Processing Unit

CSMA Carrier Sense Multiple Access

DARPA Defense Advanced Research Projects Agency

GTS Guaranteed Time Slot

IEEE Institute of Electrical and Eleactronics Engineers

LEACH Low Energy Adaptive Clustering hierachy

LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks

MAC Medium Access Control

MEMS Micro Electro Mechanical Systems

PEGASIS Power Efficient Gathering in Sensor Information System

WSN Wireless Sensor Networks

WPAN Wireless Personal Area Networks

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kỳ Sự pháttriển của nền khoa học ứng dụng đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗichúng ta Khoa học công nghệ không chỉ tiếp cận con người mà còn phải quan tâm,tiếp cận đến những khu rừng xanh lá phổi của mẹ thiên nhiên Cháy rừng hiện nay làmối đe dọa cấp bách vì vậy cần phải có các biện pháp phòng chống cháy rừng xảy ra

Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ con người,dựa trên những ý tưởng đó, đồ án này sẽ đưa ra biện pháp thu thập dữ liệu về nhiệt độ

và độ ẩm để đưa ra cảnh báo thích hợp về vấn đề cháy rừng

Đồ án được trình bày theo bố cục sau:

- Chương 1 trình bày sơ lược về lý do chọn đề tài, mục tiêu của đồ án và phươngpháp nghiên cứu

- Chương 2 trình bày về tổng quan về mạng cảm biến không dây

- Chương 3 trình bày về mô hình công nghệ mạng ZigBee

- Chương 4 trình bày về chương trình mô phỏng, thiết kế phần cứng, phần mềmcủa hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng

- Chương 5 trình bày kết quả, hạn chế, hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Lý do chọn đề tài

Bạn phải mất bao lâu thời gian để có thể biết một vụ hỏa hoạn đang xảy ra trongrừng? Và có phải khi ai để ý đến ngọn lửa thì đã quá muộn vì lửa đã lan rộng

Rừng là một phần quan trọng và là nguồn tài nguyên không thể thiếu cho sựsống của con người, phát triển xã hội và bảo vệ sự cân bằng của hệ sinh thái Tuynhiên, do một số hoạt động của con người không kiểm soát được và sự ấm lên toàncầu, cháy rừng thường xuyên xảy ra Cháy rừng là một trong những hiểm họa nghiêmtrọng nhất đối với nguồn tài nguyên và môi trường của con người

Trong những năm gần đây, tần suất của các vụ cháy rừng đã tăng lên đáng kể do

biến đổi khí hậu, các hoạt động con người và các yếu tố khác “Trong năm 2016, cả

nước có 490 vụ cháy rừng, tăng 13 vụ so với cùng kỳ năm ngoái Nguyên nhân chủ yếu

dó thời tiết phức tạp, nắng nóng xảy ra hầu hết các tỉnh thành, đồng thời một số khu vực nắng nóng cục bộ, nhiệt độ tăng cao đã làm khô nỏ vật liệu cháy nguy cơ cháy rừng rất cao; hơn thế nữa, do ảnh hưởng của đợt rét đậm, rét hại đầu năm đã làm cho thảm thực vật rừng bị chết, gãy đổ hàng loạt, tạo lớp vật liệu cháy khổng lồ trong rừng” [1] Và gần đây nhất “Trong 9 tháng đầu năm 2018, gần 3000 vụ cháy rừng trên

cả nước” [2].

1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung vàngành Điện Tử - Viễn Thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là một trongnhững thành tựu cao của khoa học công nghệ Một trong các lĩnh vực của mạng cảmbiến không dây là sự kết hợp của cảm biến, tính toán và truyền thông vào các thiết bịnhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao, cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợiích của con người Sức mạnh của Wireless Sensor Network (WSN) nằm ở chỗ khảnăng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của

hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng như có thểgiám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị.

Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học

và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụngliên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường,năng lượng, an toàn cháy nổ, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng cuộcsống và kinh tế…

Trước sự phát triển của mạng cảm biến không dây và những thiếu sót của giámsát truyền thống trong công tác phòng chống cháy rừng, căn cứ vào tình hình thực tếcủa nước ta đang cần một biện pháp giám sát rừng tốt hơn để giảm thiệt hại do cháy

rừng gây ra Luận văn đã chọn hướng nghiên cứu là “Xây dựng hệ thống cảnh báo

cháy rừng sớm dùng công nghệ mạng cảm biến không dây”.

1.3 Mục tiêu

- Nắm rõ về mạng cảm biến không dây và công nghệ mạng ZIGBEE

- Phân tích và xây dựng chương trình mô phỏng giải pháp định tuyến PEGASIS đachuỗi

- Xây dựng mô hình của hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng

- Hoàn thiện và viết báo cáo

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích và tổng hợp các thông tin

- Phân tích các đặc tính của hệ thống

- Phân tích đánh giá kết quả

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

2.1 Các thành phần cơ bản của mạng cảm biến không dây

Hình 2.1 Các thành phần của node cảm biếnMột node cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản: Bộ phận cảm biến,

bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lượng Ngoài ra, chúngcũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể

Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận: cảm biến và bộ phân chuyểnđổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số Tín hiệu tương tụ được sản sinh bởi nhữngthành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi

bộ ADC, sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý Bộ phận xử lý thường liên quan đếnmột bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho node cảm biến hợp tác vớinhau để thực hiện một nhiệm vụ cảm biến định trước Bộ phận thu phát kết nối nodevới mạng Một trong những thành phần quan trọng của một node cảm biến là bộ phậncung cấp năng lượng Node cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác tùy thuộcvào ứng dụng Hầu hết kỹ thuật định tuyến cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏikiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao cho nên các node cảm biến thường có hệthống định vị vị trí

Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, node cảm biến có thể được trang bị một bộ phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được yêu cầu để thực hiện nhiệm

vụ định trước

Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một module nhỏ gọn

2.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây

- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người.

- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến

- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào hư hỏng ở các node

- Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán

- WSN đã kế thừa những ưu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểmriêng của mạng cảm biến, nó có thể được ứng dụng vào mạng gồm một số lượng lớnthiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng có khả năng xử lý, tính toán vàgiao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể

2.3 Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây

- Thời kỳ chiến tranh lạnh: các mạng ngầm được phát triển rộng rãi ở Mỹ dùngtrong giám sát ngầm dưới đáy biển Mạng trên không phòng thủ radar được triển khai ởBắc Mỹ

- Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biển vào đầu những năm 1980với chương trình Defense Advanced Research Project Agency (DARPA)

- Ngày nay nghiên cứu mạng cảm biến là thế hệ thứ hai của ứng dụng thương mại,bước tiến trong tính toán và truyền thông vào cuối những năm 1990 và đầu những năm

2000 đã tạo nên kỹ thật mạng cảm biến thế hệ mới Các cảm biến mới được chế tạo cógiá thành thấp, số lượng lớn theo công nghệ MEMS, nanoscale electromechanicalsystems (NEMS) và sự xuất hiện các tiêu chuẩn là chìa khóa cho sự phát triển củaWSNs (ngoài ra còn có Internet-Web, video số MPEG-4, mạng tế bào, VoIP)

Bảng 2.1 Tóm tắt các giai đoạn phát triển của mạng cảm biến không dây

2.4 Kỹ thuật cảm biến không dây

2.4.1 Khái quát về NODE cảm biến

Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố và phân tán bao phủ một vùng địa lý.Các node (cảm biến nodes hay còn gọi là WNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với cácnode lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng vàbắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm Chức năng cơbản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năngchính:

- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt Như có thể trả về nhiệt độ,

áp suất, cường độ ánh sáng tại nơi khảo sát

- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông sốcủa sự kiện đó Như mạng WSNs dùng trong giám sát giao thông, cảm biến nhận biết

được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiệnđang lưu thông…

- Phân biệt các đối tượng Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biếtđược là gì? Xe con, xe tải, hay xe buýt…

- Theo dấu các đối tượng Ví dụ trong mạng WSNs quân sự, mạng cảm biếnphải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trongvùng bao phủ của mạng…

Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu vàmục đích của thông tin cần thu thập

Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học, quang,chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khói… Cảm biến có thể được đưa ra bên ngoài môitrường nguy hại; môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóachất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robot tự động hay trong hệ thống nhà xưởngsản xuất Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm điện và từ, cảm biến sóng radio,cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers, cảm biến vị trí hay định vị, cảm biến hướngmục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa…

Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tincậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế

2.4.2 Phần cứng và phần mềm

Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có: chứcnăng cơ bản của node; chức năng xử lý tín hiệu gồm xử lý tín hiệu, nén, phát hiện vàsửa lỗi, điều khiển; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin; tự kết hợp; địnhtuyến; và quản lý kết nối Để có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảmbiển và bộ phận thực thi, bộ xử lý, nguồn và các phần phục vụ cho chức năng khác

Phần cứng gồm 4 nhóm chính:

- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ, vàitháng hay vài năm

- Lưu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lý, điều chế số, địnhtuyến…

- Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin

- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm

2.4.3 Môi trường hoạt động của cảm biến node (WNs):

Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:

- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụnghiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSNs

- Liên lạc: Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền.Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệthống

- Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn Điều này ảnhhưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node

- Sự không chắc chắn các thông số: dự liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu

từ môi trường Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu Sự sắp đặt các node gây sailệch hoạt động node

2.5 Những hạn chế trong việc phát triển mạng WSN

Xác đinh rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặpphải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng như tiện ích từ nhữngứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến trong cuộc sống Những hạn chế củamạng cảm biến:

- Năng lương hạn chế: Khi các thiệt bị tăng hiệu suất, khả năng tính toán nănglượng tiêu thụ càng tăng, sự tiêu thụ năng lương của mạng cảm biến không dây giốngnhư một node cổ chai Các cảm biến có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triểnkhai hàng nghìn cảm biến trong mạng, không thể nối dây từ các cảm biến này đếnnguồn năng lượng Đồng thời để có thể tự vận hành, các cảm biến cần phải có nguồnpin Lượng năng lượng có sẵn trong mỗi cảm biến bị giới hạn ở một mức nào đó nên sựđồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ năng lượng cho hoạt động hiệu quả của cáccảm biến này

Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng hạt Mica

- Dải thông giới hạn: Trong mạng cảm biến, năng lượng cho xử lý dữ liệu ít hơnnhiều so với việc truyền nó đi Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc

độ dữ liệu khoảng 10 – 100 Kbits/s Sự giới hạ về băng thông này ảnh hưởng trực tiếpđến việc truyền thông tin giữa các cảm biến Và nếu không có sự truyền thông tin nàythì không thể đồng bộ hóa được.

- Phần cứng giới hạn: Phần cứng của các node cảm biến thường bị giới hạn dokích cữ nhỏ của nó Một node cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 có mộtpin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, vàphạm vi truyền dưới 50m Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữđặt ra một thách thức to lớn Đó là ta không thể tăng kích cỡ của node cảm biến vì chiphí sẽ tăng và tiêu thụ thêm nặng lượng, gây khó khăn trong triển khai hàng nghìn nodetrong mạng

- Kết nối mạng không ổn định: Ưu điểm của mạng cảm biến là tính di động,nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm sau:

+ Giới hạn trong phạm vi truyền của các cảm biến di động (khoảng 1000m), dẫnđến việc truyền thông tin giữa các node cảm biến trờ nên khó khăn

+ Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoàinên có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin

+ Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục

+ Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các nodenên việc định lại cấu hình động trờ nên cần thiết

2.6 Ứng dụng của cảm biến không dây[3]

2.6.1 Ứng dụng trong môi trường

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim,động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi vàcảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũlụt…Một số ứng dụng quan trọng như:

- Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các node cảm biến trong rừng, mộtmạng Adhoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi node cảm biến có thể thu thập nhiều

thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói…Các dữ liệu thu thập đượctruyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnhbáo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.

- Cảnh báo lũ lụt: hệ thông này bao gồm các node cảm biến về lượng mưa, mựcnước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báolụt sớm

- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: các cảm biến về độ rung đặt rảirác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núilửa để giảm sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

2.6.2 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bêntrong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnhnhân trong bệnh viện

2.6.3 Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các node cảm biến được đặt ở các phòng để

đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin nàyđến thiệt bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

2.6.4 Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữhàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các node cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kìlưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng bảntin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm củachúng Ngày cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể đượctruyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng node Cảm biến còn có thể đượcdùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu

một ai đó cố dịch kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiệt bị cảm báo.Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.

Những node cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý cáccontainer ở cảng Mỗi một container là một node mạng trong mạng cảm biến và có thểghi nhớ thông tin của nó một các xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thểthực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đền container khác Tập hợp cáccontainer tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu

có thể dễ dàng xác định vị trí chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn cóthể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ mà không cần phải truy cập vào dữ liệutoàn cầu

2.6.5 Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ảnhsáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm

để người nồng dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp

Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị cáccảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

2.6.6 Ứng dụng trong quân đội

- Giám sát lực lượng, trang thiệt bị và đạn dược.

- Giám sát chiến trường

- Giám sát địa hình và lực lượng quân địch

- Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường

Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quantrọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển khai

ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thểcung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vongnghiêm trọng

2.7 Kết luận

Chương này đã trình bày một cách khái quát về hệ thống mạng cảm biến khôngdây Với những ưu điểm về mặt công nghệ, khả năng triển khai một số lượng lớn cácthiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống Sử dụng những thiệt bị này

để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấutrúc hoặc tình trạng thiết bị…Vì vậy mà luận văn đã chọn nghiên cứu theo hướng côngnghệ mạng cảm biến không dây

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ MẠNG ZIGBEE/IEEE 802.15.4

3.1 Giới thiệu

ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới phát triển gần đây Công nghệ này xâydựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY vàMAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, vì thế nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4, đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng caovới các môi trường mạng

Hình 3.1 Mô hình công nghệ ZigBee

3.2 Tầng điều khiển dữ liệu (MAC)[4]

Tầng điều khiển truy cập cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lyMAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tâng MAC(MLMESAP) Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối giaothức dữ liệu MAC (MPDU) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY Nhiệm vụ của tầng MAC

là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trongmạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian GTS, điều khiển kết nối và giảiphóng kết nối, phát khung ACK

3.2.1 Cấu trúc siêu khung

LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung Định dạng củasiêu khung được định rõ bởi PAN coordinator Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng

mạng và được chia thành 16 khe như nhau Cột mốc báo hiệu dò đường beacon đượcgửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung Nếu một PAN coordinator không muốn

sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc phát mốc beacon Mốc này có nhiệm vụ đồng

bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêukhung

Hình 3.2 Cấu trúc siêu khungSiêu khung có 2 phần “hoạt động và “nghỉ” Trong trạng thái “nghỉ” thì PANcoordinator không giao tiếp với các thiết bị trong mạng PAN, và làm việc ở mode côngsuất thấp Phần “hoạt động” gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tranh chấp trong mạng chính làkhoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ hội dùng một kênh truyền hoặc tàinguyên trên mạng Bất kỳ thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải cạnhtranh với các thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA

PAN coordinator có thể định vị được bảy số trong số các GTSs, và mỗi mộtGTS chiếm nhiều hơn một khe thời gian

Khoảng thời gian tồn tại của các phần khác nhau của siêu khung được địnhnghĩa bởi giá trị của macBeaconOrder và macSuperFrameOrder MacBeaconOrder mô

tả khoảng thời gian mà bộ điều phối coordinator truyền khung báo hiệu tìm đường.Khoảng thời gian giữa hai mốc beacon BI (beacon interval) có quan hệ tớimacBeaconOrder (BO) theo biểu thức sau:

BI = aBaseSuperFrameDuratuon * 2BOsymbol, với 0 ≥ BO ≤ 14

Lưu ý rằng siêu khung được bỏ qua nếu BO = 15

Giá trị của macSuperFrameOrder cho biết độ dài của phần tích cực của siêukhung Khoảng thời gian siêu khung SD (superframe duration) có quan hệmacSuperFrameOrder (SO) theo biểu thức sau:

SD = aBaseSuperFrameDuratuon * 2BOsymbol

Nếu SO = 15 thì siêu khung vẫn ó thể ở phần “nghỉ” sau mốc beacon của khung.Phần tích cực của mỗi siêu khung được chia thành 3 phần CAP, CFP và beacon.Mốc beacon được phát vào đầu ở khe số 0 mà không cần sử dụng CSMA

3.2.1.1 Khung CAP

CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP Nếu độdài của phần CFP = 0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung CAP sẽ có tối thiềuaMinCAPLength symbol trừ trường hợp phần không gian thêm vào được dùng để điềuchỉnh việc tăng độ dài của khung beacon để vẫn có thể duy trì được GTS và điều chỉnhlinh động tăng hay giảm kích thước của CFP

3.2.1.2 Khung CFP

Phần CFP sẽ được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beaconcủa khung kế tiếp Nếu bất kỳ một GTSs nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạngPAN, chúng sẽ được đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau.Bởi vậy nên kích thước của phần CFP sẽ do tổng độ dài các khe GTSs này quyết định

3.2.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS)

Khoảng thời gian IFS là thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý một gói tin nhậnđược Khung tin được truyền theo chu kỳ IFS, trong đó có đồ dài của chu kỳ IFS phụthuộc vào kích thước của khung vừa được truyền đi Khung có độ dài phụ thuốc vàoaMaxSIFSFrameSize sẽ tuần theo chu kỳ SIFS (là khoảng thời gian tối thiểuaMinSIFSPeriod sysmbols), và các khung có độ dài lớn hơn aMaxSIFSFrameSize sẽtuân theo chu kỳ LIFS (là khoảng thời gian tối hiểu aMinLIFSPeriod sysmbols).

3.2.2 Các mô hình truyền dữ liệu

Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hìnhtruyền dữ liệu:

- Từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường

- Từ thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator

- Giữa các thiết bị cùng loại

Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu mạng

đó có hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không

Hình 3.3: Liên lạc trong mạng không dây hỗ trợ beaconKhi một thiết bị muốn truyền dữ liệu trong một mạng không dây hỗ trợ việcphát beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phốibằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian Thiết bị điều phối coordinator

trả lời bằng khung ACK như hình 3.3.

Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợbeacon Lúc đầu nó sẽ chờ báo hiệu beacon của mạng Khi thiết bị nhận được báo hiệubeacon, nó sẽ sử dụng tín hiệu này để đồng bộ các siêu khung Đồng thời, nó cũng phát

dữ liệu sử dụng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian và kết thúc quá trình truyềntin bằng khung tin xác nhận ACK

Hình 3.4: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beaconCác ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị trongmạng PAN hơn là được điều khiển bởi thiết bị điều phối mạng Chính khả năng nàycung cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee Khi thiết bị điều phốimuốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon, khi

đó nó sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang truyền dữ liệu Các thiết bịtrong mạng luôn luôn lắng nghe các thông tin báo hiệu beacon một cách định kỳ, khiphát hiện ra có dữ liệu liên quan tới nó đang được truyền, nó sẽ phát lệnh yêu cầu dữ

liệu này Công viêc này được mô tả bằng hình 3.5, trong hình này thì khung tin ACK

của thiết bị điều phối cho biết rằng gói tin đã được truyền thành công, việc truyền gói

tin sử dụng kỹ thuật gán khe thời gian CSMA-CA, khung ACK thiêt bị thường trả lời

là nhận gói tin thành công Vào lúc nhận khung tin ACK từ thiết bị thường thì bản tin

sẽ được xóa khỏi danh sách bản tin trong thông tin báo hiệu beacon

Hình 3.5 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon

Trong trường hợp mạng không hỡ trợ phát beacon như hình 3.6 thiết bị điều

phối muốn truyền dữ liệu tới các thiết bị khác, nó sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bịliên quan có thể yêu cầu và tiếp xúc với dự liệu đó Thiế bị có thể tiếp xúc được với dữliệu liên quan đến nó bằng cách phát đi lệnh yêu cầu dữ liệu tới thiết bị điều phối, sửdụng thuật toán không gán khe thời gian CSMA-CA Nếu dữ liệu đang được truyền, thìthiết bị điều phối sẽ phát khung tin bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thờigian CSMA-CA, nếu dữ liệu không được truyền thì thiết bị điều phối sẽ phát đi khungtin không có nội dung để chỉ ra rằng dữ liệu không được phát đi

Hình 3.6 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon

Có hai cách để thực hiện việc kết nối Cách thứ nhất là node trong mạng liên tụclắng nghe và phát dữ liệu của nó bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gianCSMA-CA Cách thử hai là các node tự đồng bộ với các node khác để có thể tiết kiệmnăng lương

3.2.3 Phát thông tin báo hiệu beacon

Một thiết bị FFD hoạt động trong chế độ không phát thông tin báo hiệu hoặc cóthể phát thông tin báo hiệu giống như là thiết bị điều phối mạng Một thiết bị FFDkhông phải là thiết bị điều phối mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo hiệubeacon chỉ khi nó kết nối với thiết bị điều phối PAN Các tham số macBeaconOrder vàmacSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai thông tin báo hiệu và khoảngthời gian của phần hoạt động và phần nghỉ Thời gian phát báo hiệu liền trước được ghilại trong tham số macBeaconTxTime và được tính toán để giá trị của tham số nàygiống như giá trị trong khung thông tin báo hiệu beacon

3.2.4 Định dạng khung tin MAC

Mỗi khung bao gồm các thành phần sau:

- Đầu khung MHR (MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiểnkhung tin, số chuỗi và trường địa chỉ

- Tải trọng khung (MAC payload): chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung.Khung tin của bản tin xác nhận ACK không có phần này.

- Cuối khung MFR (MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS (frame checksequence)

khung

Chuỗi kiểmtra khung(FCS)Trường địa chỉ

trọng Cuối khungMFRBảng 3.1 Định dạng khung MAC

3.3 Kết luận

Chương 3 đã nghiên cứu cấu trúc và cơ chế của tầng điều khiển dữ liệu của môhình công nghệ mạng ZigBee Đầu chương 4 ta sẽ tìm hiểu về giao thức định tuyếnPEGASIS và xây dựng “Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng” với hiệu suất cao

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG CẢNH BÁO SỚM CHÁY RỪNG

4.1 Bài toán hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng – Phân tích giải pháp PEGASIS

4.1.1 Đặc điểm hệ thống

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng hoạt động trong môi trường rừng núi, khôngchủ động về nguồn năng lượng nên cần phải đảm bảo hoạt động ổn định, ít xảy ra sự

cố, cung cấp thông tin về trung tâm chính xác, cảnh báo sớm khi có cháy rừng

Hệ thông gồm các cảm biến: Nhiệt dộ, độ ẩm Các cảm biến này liên tục gửi cácthông số dữ liệu về mạch trung tâm theo thời gian thực, khi giá trị của các cảm biến tạicác node vượt quá ngưỡng cho phép đinh trước tại mạch sẽ phát ra cảnh báo

4.1.2 Yêu cầu của hệ thống

- Khả năng chịu lỗi: Hệ thông cảnh báo vẫn đảm bảo hoạt động khi một số node

mạng không hoạt động

- Sự tiêu thụ năng lượng: Các node của hệ thống cảnh báo sớm được đặt trongrừng, để đảm bảo các node hoạt động lâu dài thì các node khi hoạt động phải tiêu tốnnguồn năng lượng thấp nhất, được trang bị nguồn năng lượng sử dụng lâu dài

- Truyền, nhận thông tin của các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm gửi về trung tâm mộtcách chính xác, cảnh báo kịp thời theo thời gian thực khi có cháy rừng xảy ra

4.1.3 Giải pháp định tuyến của hệ thống

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng với những yêu cầu đặc thù nên luận văn đãchọn xây dụng mạng cảm biến theo phương thức định tuyến PEGASIS đa chuỗi, phùhợp với xây dựng thực tế

4.1.3.1 Giao thức LEACH[5]

LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Đây là giaothức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở

Mục tiêu chính của LEACH là:

- Mở rộng thời gian sống của mạng

- Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi node mạng

- Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng

LEACH thông qua mô hình phân cấp để tổ chức mạng thành các cụm, mỗi cụmđược quản lý bởi node chủ Node chủ thực hiện nhiều nhiệm vụ Đầu tiên là thu lượm

dữ liệu theo chu kỳ từ các node thành viên, trong quá trình tập trung dữ liệu node chủ

sẽ cố gắng tập hợp dữ liệu để giảm dư thừa về những dữ liệu giống nhau Nhiệm vụ thứhai đó là node chủ sẽ trược tiếp truyền dữ liệu đã tập hợp lại đến các trạm cơ sở

Hình 4.1 Mô hình mạng LEACHLEACH cũng có một số khuyết điểm sau:

- Giả sử rằng tất cả các node chủ trong mạng đều truyền đến trạm cơ sở thôngqua một bước nhảy là không thực tế, vì dự trữ năng lượng và khả năng của các nodethay đổi theo thời gian từ node này đến node khác Hơn nửa khoảng chu kỳ ổn địnhtrạng thái là vấn đề then chốt để đạt được giảm năng lượng cần thiết để bù đắp lượngnăng lượng xử lý lựa chọn cụm

- LEACH có đặc tính giúp tiết kiệm năng lượng, yêu cầu về năng lượng trongLEACH được phân bố cho tất cả các node trong mạng vì giả sử rằng vai trò node chủđược luân chuyển vòng tròn dựa trên năng lượng còn lại trên mỗi node LEACH là

thuật toán phân tán hoàn toàn và không yêu cầu sự điều khiển bởi trạm cơ sở Việcquản lý cụm là cục bộ và không cần sự hiểu biết về mạng toàn cục Việc tập trung dữliệu theo cụm cũng tiết kiệm năng lượng đáng kể vì các node không yêu cầu gửi trựctiếp dữ liệu đến sink.

4.1.3.2 PEGASIS cơ bản[6]

Giao thức PEGASIS là giao thức dựa trên chuỗi gần như tối ưu và là một sự cảitiến hơn so với giao thức LEACH Giao thức PEGASIS giải quyết vấn đề chi phí phátsinh trong quá trình hình thành cụm của giao thưc LEACH thông qua việc xây dụng

các chuỗi node như minh họa trong hình 4.2.

Hình 4.2 Cấu trúc chuỗi của PEGASISGiao thức PEGASIS đem lại hiệu quả về mặt năng lượng hơn so với giao thứcLEACH Điều này có được là nhờ giảm chi phí về năng lượng truyền thông trongchuỗi Tuy nhiên, giao thức PEGASIS lại có độ trễ lớn hơn so với giao thức LEACHbởi vì bản tin dữ liệu phải được truyền tuần tự trong chuỗi và node đầu chuỗi phải đợicho đến khi tất cả các bản tin nhận được trước khi truyền thông với điểm thu thập

Ngoài ra, giao thức PEGASIS yêu cầu tất cả thông tin trong chuỗi cần phải được tổnghợp vào một bản tin duy nhất Điều này có thể gây ra sự thiếu chính xác trong thông tinđược gửi đến điểm thu thập.

4.1.3.3 PEGASIS cải tiến[6]

Trong giải thuật PEGASIS cơ bản, chúng ta thấy rằng mặc dù năng lượng đãđược chia sẽ cho các node nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế sau:

- Các node ở xa trạm BS sẽ bị tiêu thụ năng lượng nhiều hơn và do đó nhanhchóng chết đi

- Trễ trong mạng khá lớn đặc biệt là nếu kích thước mạng lớn thì chuỗi sẽ rất dài

và số lượng bước nhảy rất cao khi truyền dữ liệu từ cuối chuỗi đến trạm cơ sở

- Thêm vào đó, các node trong chuỗi phải biết cấu hình mạng và điều này khôngphải luôn dễ dàng đối với mạng cảm biến

- Xảy ra hiện tượng thắt cổ chai tại node chủ Tức là dữ liệu tập hợp được đếnnode chỉ thì node chủ không còn đủ năng lượng truyền tới trạm BS nữa

 Giải pháp:

- Để khắc phục trễ chúng ta có thể chia mạng ra thành nhiều khu vực con, mỗi

khu vực con này sẽ thiết lập nên một chuỗi

- Trong mỗi khu vực con ta sẽ có 1 sink không hạn chế về nguồn năng lượng và

có thể di động qua khu vực con khác

- Tương ứng với mỗi chuỗi con sẽ có một node chủ Cấc node chủ này sẽ gửi dữ

liệu tập hợp được tới sink tương ứng

Hình 4.3 PEGASIS cải tiến.

4.2 Mô hình tổng quan hệ thống[7][8]

4.2.1 Giới thiệu mô hình

Xây dựng ứng dụng mô hình mạng cảm biến cảnh báo sớm cháy rừng gồm thiết

kế mạch thu thập dữ liệu từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sau đó dữ liệu được truyềnđến mạch trung tâm qua mạng không dây và sẽ được truyền qua cổng giao tiếp hiển thịtrên máy tính

Hình 4.4 Sơ đồ tổng quan hệ thốngThiết lập phần mềm trên máy tính, lập trình kết nối phần cứng và giao tiếp quamạng Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý trên phần mềm, hệ thống sẽ phát ra cảnhbảo nếu nhiệt độ, độ ẩm vượt ngưỡng cho phép.

Nguồn pin

Hình 4.6 Sơ đồ mạch thuChức năng các khối:

- Khối thạch anh: Tạo dao động cho ATMEGA 328

- Khối reset: Nối vào chân reset của ATMEGA để khởi động lại cho ATMEGA

- Khối phím nhấn: Phím chức năng giúp khởi động và ngững hoạt động của hệthống

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện ổn định cho vi điều khiển và các thiết bị trênmạch

- Khối cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm, có chức năng thunhận các thông số từ môi trường để đưa vào ATMAGA xử lý

- Khối thu phát NRF24L01: có chức năng truyền và nhận tín hiệu bằng sóng vôtuyến

- Máy tính: Nhận dữ liệu từ bo mạch chính, đưa dữ liệu lên máy tính phân tích

4.3 Thiết kế phần cứng[9]

4.3.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Hình 4.7 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT10Cảm biến SHT10 là một loại cảm biến kết hợp đo thông số nhiệt độ và độ ẩm có

độ chính xác cao, tích hợp bộ chuyển đổi kỹ thuật số đầu ra 14 bit

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến

4.3.2 Mạch nhận dữ liệu từ cảm biến và truyền đi

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch phát

Đề tài sử dụng module NRF24L01+ từ hãng Nordic với nhiều cải tiến so với thế

hệ cũ về tốc độ truyền, khoảng cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers và tínhnăng auto-retransmit… NRF24L01+ hoạt động trên dải tần 2.4 GHz và sử dụng giaotiếp SPI, khoảng cách tối đa trong điều kiện không vật cản lên đến 100m, trong điềukiện có vật cản hạn chế ở (50 – 70m)

Các đặc tính của NRF24L01+:

- Điện thế hoạt động từ 1.9v đến 3.6v

- Truyền được 100m trong môi trường mở với 250kbps baud

- Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps đến 2Mbps

- Có chế độ auto handshake (Auto Acknowledge)

- Tự động truyền lại khi bị lỗi (Auto Re-transmit)

- Multiceiver – 6 Data Pipes

- Bộ đệm dữ liệu riêng cho từ kênh truyền nhận

4.3.3 Mạch trung tâm thu giữ dữ liệu và xử lý

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý mạch thu

Đề tài sử dụng vi điều khiển ATMEGA 328 có những ưu điểm sau:

- Tốc độ tối đa: 16 MHz

- Bộ nhớ EEPROM: 512 Byte

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 8 KB

- Dung lượng bộ nhớ RAM: 1 KB

- Timer 8 bit: 2

- Timer 16 bit: 1

- Bộ chuyển đổi ADC: 6 kênh, 10 bit.

- Giao tiếp: I2C, UART, SPI

- Các port giao tiếp:

+ Chân 0 và chân 1 (TX – RX): dùng để truyền dữ liệu nối tiếp giữa thiết bịngoại vi và ATMEGA 328

+ Chân 2 – 4, 5 – 13: xuất dữ liệu số, có một số chân hỗ trợ xuất dữ liệu PWM.+ Chân 23 – 28: hỗ trợ xuất dữ liệu tương tự

+ Chân 9,10: Dùng để nối vào thạch anh

+ Các chân còn lại gồm VCC và GND

Hình 4.11 Sơ đồ thuật toán mạch phát – node phụ

Khởi tạo các biến,Khai báo các hàm

Khởi động

hệ thống

Nhận các thông số từ cáccảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Xử lý các thông sốthu được

Gửi dữ liệu thu thập đếnmodule NRF24L01 truyền đi

Dừng hệthống

Hình 4.12 Sơ đồ thuật toán mạch phát – node chính

Khởi tạo các biến,Khai báo các hàm

Khởi động

hệ thống

Nhận dữ liệu từ các node phụqua module NRF24L01

Nhận các thông số từ cáccảm biến nhiệt độ và độ ẩm

Xử lý các thông số thu được

Gửi dữ liệu thu thập đếnmodule NRF24L01 truyền đi

Dừng hệ thống

Hình 4.13 Sơ đồ thuật toán máy server

Khởi tạo các biến, giao tiếpserial với mạch trung tâm

Khởi động hệ thống,kết nối module

Nhận dữ liệu từ mạch trung

tâm truyền lên

Xử lý các thông số thu được vàchuyển đổi dữ liệu

Hiển thị các thông số ramàn hình máy tính, vẽ đồthị và lưu trữ cơ sở dữ liệu

Dừng hệ thống

Hình 4.14 Sơ đồ thuật toán máy client

Khởi tạo các biến, giao tiếp qua

mạng

Khởi động hệ thống, truycập vào cơ sở dữ liệu

Nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu

Hiển thị các thông số ramàn hình máy tính, vẽ đồ

thị

Dừng hệ thống