Nghiên cứu kiến trúc mạng và phương pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến không dây phục vụ công tác cảnh báo cháy rừng

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói

chung và công nghệ thông tin và truyền thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của khoa học công nghệ Một trong các lĩnh

vực của mạng cảm biến không dây là sự kết hợp của việc cảm biến, tính toán và

truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người.

Cảnh báo cháy rừng đóng vai trò rất quan trọng trong công tác bảo vệ rừng Nhờ có cảnh báo sớm, chúng ta có thé biết được mức độ nguy cơ có thê xảy ra cháy

rừng dé từ đó chủ động phương án đối phó cũng như giảm thiêu tối đa những thiệt

hại mà cháy rừng gây ra.

Một mạng cảm biến không dây có thé góp phần đắc lực cho mục đích thu thập thông tin (như nhiệt độ, khói, ), chuyên tiếp dữ liệu thu được về trung tâm xử

lý để đưa ra các cảnh báo sớm về nguy cơ bùng phát cháy Đây là một vấn đề cấp

thiết trong thực tiễn hiện nay, khi công tác giám sát chưa đủ và toàn diện, nhân lực và phương tiện kiểm tra còn thiếu không có khả năng trải trên một địa bàn rộng.

Hiện tại có một số cảm biến có thé giúp chúng ta đo: nhiệt độ, độ am không khí, lượng mưa, sức gió Căn cứ vào các kết quả đo được, ví dụ nhiệt độ, độ am

không khí, khói, chúng ta có thé đánh giá, dự đoán được kha năng xảy ra cháy rừng dé có cảnh báo sớm nguy cơ Một mang cảm biến không dây có thé được xây dựng phục vụ cho mục đích nêu trên Mạng có thể gồm nhiều cảm biến làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu đo Các bộ cảm biến này sẽ chuyên dữ liệu đo được về trung tâm giám sát theo các kênh truyền vô tuyến Tại trung tâm giám sát, các dữ liệu đo được

sẽ được tông hợp, phân tích, đánh giá dé từ đó đưa ra cảnh báo.

Hai vấn đề có thể nhận thấy khi thiết kế một mạng phục vụ cho mục đích nêu

trên là: 1) Cần đặt các bộ cảm biến ở vị trí nào để phủ được một diện tích rộng cần giám sat; 2) Lam thé nao dé viéc van chuyén dữ liệu do được về trung tâm giám sát một cách thuận lợi nhất Hai vấn đề trên có sự liên quan mật thiết với nhau Nếu khoảng cách giữa các bộ cảm biên quá xa nhau và xa trung tâm giám sát thì chỉ có

cách truyền trực tiếp dữ liệu từ các bộ cảm biến qua vi dụ kênh thông tin của mạng

di động GSM hoặc qua kênh truyền tin nhắn SMS về trung tâm giám sát Nếu

khoảng cách giữa các bộ cảm biến gần nhau hoặc nếu đặt thêm các trạm trung chuyền (tương tự các bộ định tuyến trong mạng máy tính) thì có thể chuyên tiếp dữ

liệu giữa các bộ cảm biến về trạm trung chuyền rồi tập hợp dữ liệu ở đó dé chuyên tiếp về trung tâm giám sát Phương án thứ nhất đòi hỏi nhiều kênh truyền, thậm chí có vị trí bộ cảm biến khó lòng chuyền trực tiếp được đữ liệu về trung tâm nếu

không có sóng phủ tới Phương án thứ hai sẽ hiệu quả hơn vì đỡ tốn kênh truyền,

song phải tính đến việc định tuyến, chuyên tiếp đữ liệu giữa các bộ cảm biến Mặt khác, cần xem xét một thực tế là số lượng bộ cảm biến được đặt trong một khu vực diện tích là có hạn Các bộ cảm biến sẽ tạo thành một mạng cảm biến thưa thớt và phương thức chuyên tiếp dữ liệu về trung tâm sẽ có một vai trò hết sức quan trọng.

Vì những lý do nêu trên, mục tiêu của luận văn này là nghiên cứu về kiến

trúc mang cảm biến thu thập dữ liệu và phương pháp chuyền tiếp dữ liệu về trung tâm giám sát Việc thu thập dữ liệu để đánh giá phân tích mức độ nguy cơ có thể

cháy rừng là rất cần thiết Phạm vi của bài luận văn chỉ tập trung vào phần xây dựng kiến trúc mạng và phương pháp chuyên tiếp dữ liệu chứ không đi sâu vào phần tông

hop dé liệu dé xử lý, cảnh báo.

Bài luận văn gồm ba chương chính với các nội dung chủ yếu như sau.

- Chương | trình bay tổng quan về mang cảm biến không dây, kiến trúc

mạng, cau trúc các bộ cảm biến thu thập dữ liệu, tóm lược về vấn đề truyền dit liệu

trong mạng cảm biến.

- Chương 2 trình bày về việc xây dựng kiến trúc mạng cảm biến không dây,

phương pháp chuyền tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến không dây Luận văn mô tả

một giao thức điển hình cho định tuyến, chuyền tiếp dit liệu trong mạng cảm biến

không dây là giao thức LEACH.

- Chương 3 trình bày một số kết quả thử nghiệm hệ thống.

CHƯƠNG I: TONG QUAN VE MẠNG CAM BIEN KHÔNG

1.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network -WSN) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại

hoặc quang học) dé phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dir liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây có thê liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây có thé được triển khai cho các mục đích

chuyên dụng như điều khiến giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không

gian sống thông minh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế; Lợi thế chủ yếu của chúng là khả năng triển khai hầu như trong bat kì loại hình địa ly nào ké cả các môi trường nguy hiểm không thé sử dụng mạng cảm

biến có dây truyền thống [7]

Các thiết bị cảm biến không dây liên kết thành một mạng đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các thiết bị vô tuyến rất nhỏ gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích thước rất nhỏ, tiết kiệm về

không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường dày đặc với khả năng xử lý

tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, cảnh báo cháy rừng, kiểm tra giám sát hệ sinh thái và môi trường sinh vật

phức tạp, điều khiển giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong đời sống hàng ngày.

1.2 Câu trúc nút mang cảm biến không dây [7][8]

1.2.1 Yêu cầu chung của một nút cảm biễn không dây

1.2.2 Chức năng của một nút cảm biến không dây 1.2.3 Các thành phần cấu tạo của một nút cảm biến

1.2.4 Phân cứng và phân mêm của một nút cảm biễn

1.3 Kiến trúc mạng cảm biến không dây

1.3.1.Kién trúc phẳng (Flat Structure)

Trong cấu trúc phăng được minh hoa trên Hình 1.2, tat cả các nút đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các nút giao tiếp với sink qua

multihop sử dụng các nút ngang hàng làm bộ tiếp sóng.

Với phạm vi truyền cố định, các nút gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ

tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả các nguồn đều dùng

cùng một tần số đề truyền dữ liệu, vì vậy có thê chia sẻ thời gian Tuy nhiên phương pháp này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, như thời gian, tần

số [7][8]

Hình 1.2: Cấu trúc phẳng trong mạng cảm biến không dây

1.3.2.Kiến trúc tang (Tiered Structure)

Trong cau trúc tang minh họa trên Hình 1.3, các cum được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dt liệu singlehop hay multihop (tay thuộc vào kích

cỡ của cụm) đến một nút định sẵn, thường gọi là nút chủ (cluster head- CH) Trong cấu trúc này các nút tạo thành một hệ thong cap bậc mà ở đó mỗi nút ở một mức

xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn [7][§].

Hình 1.3: Cấu trúc tầng trong mạng cảm biến không dây

1.3.3.Kién trúc phân cấp trong mang cảm biễn không dây

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu

không đồng đều giữa các nút [7][8] Những chức năng này có thé phân theo cấp,

cấp thấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, va

cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu minh họa trên Hình 1.4

Cam nhận — ˆ se @F @F | ve 9/ & @)

“sey “sey “ey on ae

Hình 1.4: Cấu trúc phân cấp trong mạng cảm biến không dây

1.4 Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây

1.5 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.5.1 Một số ứng dụng điển hình

> Giám sát môi trường:

> Điều khiển:

> Giảm sát giao thông:

> Ứng dụng trong sinh hoạt đời sống:

1.5.2 Vi dụ về một số dự án ứng dung mang cảm biến không dây [27]

> Dwan trong nho ở Tây Ban Nha sử dung cam biến để thu hoạch nho sạch

> Dự án Thành phố thông minh tai Serbia dé theo dõi môi trường bằng giao thông

công cộng

1.6 Các vẫn đề cần quan tâm trong thiết kế mạng cảm biến không dây

1.6.1 Thời gian sống bên ngoài môi trường của nút mạng cảm biến 1.6.2 Khả năng đáp ứng của nút mạng cảm biến

1.6.3 Khả năng chịu lỗi của nút mạng cảm biến

1.6.4 Hiệu suất

1.6.5 Khả năng mở rộng mạng cảm biến

1.6.6 Tính không đồng nhất của mạng cảm biến

1.6.7 Khả năng tự câu hình của nút mạng 1.6.8 Khả năng tự tối ưu và tự thích nghỉ 1.6.9 Thiết kế có tính hệ thống cao

1.6.10 Khả năng cách ly và bảo mật

1.6.11 Lựa chọn công nghệ truyền dẫn

1.6.12 Phương thức định tuyến và chuyền tiếp dữ liệu

1.7 Kết luận chương

Khả năng ứng dụng rộng và chi phí triển khai mạng thấp là hai yéu tổ quan trọng khiến WSN trở thành một trong những chủ đề được quan tâm nhiều trong thời gian qua Kết quả là rất nhiều vấn đề của mạng cảm biến đã tìm ra được giải pháp

khắc phục như: Khả năng xử lý, truyền thông của các nút cảm biến, khả năng xử

dụng hiệu quả nguồn năng lượng hạn chế, Từ đó, WSN ngày càng được ứng

dụng rộng rãi trong thực tê, và nhu câu triên khai mạng với quy mô lớn nảy sinh.

Tuy nhiên, do đặc điểm vùng giám sát thường rộng với một số lượng nút

mạng cảm biên hạn chê, việc xây dựng một kiên trúc mạng phù hợp với các trạm

trung chuyên và phương thức chuyên tiếp đữ liệu về trung tâm giám sát là một yêu cầu cần thiết và phụ thuộc vào nhu cầu của từng ứng dụng thực tiến Chương tiếp theo của bài sẽ trình bày chỉ tiết hơn về các nội dung này.

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU KIÊN TRÚC MẠNG VA

PHƯƠNG PHÁP CHUYEN TIẾP DU LIEU TRONG XÂY

DỰNG MẠNG CAM BIEN KHONG DAY

2.1 Tiêu chí kỹ thuật trong xây dung mang cảm biến không dây

Các yêu cầu thiết kế mạng cảm biến không dây sẽ khác nhau đối với những ứng dụng khác nhau Đề mục này sẽ nêu ra những yêu cầu cơ bản trong việc thiết kế mạng cảm biến không dây cho các ứng dụng.

2.1.1 Tiêu thu năng lượng

2.1.2 Kết noi mang 2.1.3 Truyền thông

2.2 Truyền dẫn trong mạng cảm biến không dây

Như đã nêu ở trên, mạng WSNs có thể sử dụng một số công nghệ truyền dẫn

không dây được thiết kê sẵn (wireless COTS) như là Bluetooth/Personal Area

Networks (PANs), ZigBee, wireless LANs (WLAN)/hotspots, broadband wireless

access (BWA) AVimax, va 3G [7][8].

2.3 Kiến trúc mạng don bước và mang đa bước

Mang đơn bước đơn giản là từ nút con ta có thé gửi dữ liệu trực tiếp về nút

cơ sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ, thông thường trường hợp mạng đơn bước

được coi là một trường hợp đặc biệt của mạng đa bước khi xem xét trên một phạm

vi nhỏ Trong trường hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thé gửi trực tiếp từ nút con

về nút cơ sở thì dữ liệu sẽ được gửi qua các nút trung gian trước khi tới nút cơ sở, ta gọi đây là truyền đa bước Đôi khi không phải vì không thê truyền trực tiếp từ nút

con tới nút cơ sở mà người ta mới dùng nút trung gian, do dùng nút trung gian để

giảm công suât và chia đêu tiêu tan năng lượng giữa các nút.

@ lãm we @ Tram con @ Tm afc na @ Tram trung gian

Hình 2.3: Mang đơn bước va mang da bước

Như vậy các nút con ngoài nhiệm vụ thu nhận đữ liệu còn phải chuyên tiếp

dữ liệu về trạm cơ sở Tuy truyền đa bước có thê giải quyết bài toán về khoảng cách nhưng lại gặp phải vấn đề là sử dụng năng lượng hiệu quả, và xung đột khi có quá nhiều nút có yêu cầu gửi dữ liệu tới một trạm dé chuyén tiép, vi dụ trong một topo

mang pho biến dang cây, dạng lưới thì những nút càng gần tram gốc thi càng phải chuyên tiếp nhiều gói tin Để nâng cao hiệu suất trong truyền đa bước thường người ta can thiệp bằng thuật toán định tuyến, hoặc dựa trên việc nút truyền tiếp lưu và xử lý nhiều gói tin thành một khung đữ liệu mới trước khi chuyền tiếp đi.

2.4 Định tuyến trong mang cảm biến không dây [8][9]

Căn cứ vào mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến, chúng ta có thé phan chia

các giao thức định tuyến thành 3 loại: Giao thức trung tâm dữ liệu, giao thức phan

cap va giao thức dựa trên vi trí.

2.4.1 Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu

Trong nhiều ứng dụng của mạng cảm biến thì việc xác định số nhận dạng toàn câu cho từng nut là không khả thi Việc thiêu sô nhận dạng toàn câu cùng với

việc triển khai ngẫu nhiên các nút gây khó khăn trong việc chọn ra một tập hợp các

nút chuyên dụng Vì thế, đữ liệu được truyền từ mọi nút trong vùng triển khai tới sink Tuy nhiên, các nút sẽ gửi dit liệu với độ dư thừa đáng ké vì không có cơ chế quản lý vị trí Do vậy, người ta đã đưa ra các giao thức định tuyến mà có khả năng chọn ra tập hợp các nút và thực hiện tập trung đữ liệu trong suốt quá trình truyền Ý tưởng này đã được nghiên cứu và phát triển dé rồi thiết kế thành giao thức trung tâm

dtr liệu.

Trong loại giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến các vùng xác định

và đợi dữ liệu từ các sensor được chọn trước trong vùng SPIN là giao thức đầu tiên thuộc loại này mà đã dé cập đến việc dàn xếp dit liệu giữa các nút dé giảm bớt sự dư thừa dữ liệu và tiết kiệm năng lượng Sau đó Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) được phát triển và là một giao thức rất đáng chú ý trong loại định tuyến trung

tâm dữ liệu.

2.4.2 Giao thức định tuyến phân cấp

2.4.3 Giao thức định tuyễn dựa trên vị trí

2.5 Giao thức LEACH và phương pháp chuyển tiếp dữ liệu trong mang cảm biến không dây

2.5.1 Giới thiệu giao thức LEACH

LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy-Centralized) là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp Trong giao thức LEACH, các nút cảm biến được tập hợp thành từng cụm, thực hiện chức năng thu thập va truyền

dữ liệu tới các sink hoặc trạm gốc thông qua nút chủ.

LEACH dựa trên thuật toán phân nhóm, trong đó, các nút có thể phân bố

ngẫu nhiên, và tự hình thành cụm (sefl configuring cluster formation) Nút chủ cum

có chức năng điều khiển các nút trong cụm gửi dữ liệu đến nó theo một chu kỳ nhất định Tại nút chủ, dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý ở nhiều mức độ khác nhau, tùy thuộc vào từng ứng dụng, trước khi gửi tới trạm gốc[8][9].

Một trong những đặc điểm phô biến của các ứng dụng mang WSN là dữ liệu

của nút gửi về, thông thường, có mối tương quan với nhau, người dùng cuối không cần yêu cau tat cả dữ liệu (các dữ liệu có thé giống nhau - Redundant), hoặc chỉ cần

những thông tin đã được xử lý, mô tả về những sự kiện xuất hiện trong môi trường mà nút cảm biến được Giao thức định tuyến LEACH rat phù hợp với những ứng

dụng có đặc điểm như vậy Trong giao thức LEACH, vì đữ liệu cảm biến được gửi từ các nút đặt gần nhau có sự tương quan rất lớn, nên tat ca dữ liệu từ các nút trong

phạm vi cụm sẽ được xử lý cục bộ tại nút chủ trước khi gửi về trạm gốc, giảm được

lượng thông tin dư thừa lưu thông trên mạng, do đó, tiết kiệm được năng lượng của

Một trong những đặc trưng cơ bản của LEACH là nút mạng tự tô chức thành

các cụm, trong đó một nút sẽ đóng vai trò là nút chủ - CH (Cluster Head) Tất cả những nút không phải là nút chủ sẽ phải truyền đữ liệu của nó tới nút chủ, nút chủ nhận dé liệu từ nút thành viên trong cụm, thực hiện xử lý dé liệu cục bộ, rồi truyền tới BS (Basic Station) Bởi vậy, nút chủ sẽ tiêu hao nhiều năng lượng hơn các nút

thông thường Mà năng lượng của nút cảm biến là giới hạn, nên nếu nút chủ được chọn có định trong suốt thời gian sống của mạng thì nút chủ sẽ hết năng lượng rat

nhanh.

Thai gian

Hình 2.5: Time-line hoạt động cua LEACH

Khi nút chủ chết, tất cả nút trong cum sẽ không có khả năng trao đôi thông tin nữa Vì vậy, LEACH thực hiện ngẫu nhiên quay vòng vai trò nút chủ trong tất cả

các nút mạng đê tránh tiêu hao năng lượng trên một sô nút cô định.

Quá trình cảm biến và truyền thông trong giao thức LEACH được thiết kế thích hợp nhằm giảm tối thiểu năng lượng tiêu hao cho nút không phải là nút chủ Khi các nút chủ biết được tất cả nút thành viên trong cụm của nó, nó sẽ gửi bản tin định thời TDMA dé thông báo cho mỗi nút chính xác khi nào thì thực hiện nhiệm

vụ cảm biến và truyền đữ liệu đến nút chủ Cơ chế này cho phép nút thông thường

sẽ tồn tại ở trạng thái nghỉ (Sleep State) trong phần lớn thời gian, chỉ khi đến thời điểm phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến và gửi dữ liệu thì nút mới phải hoạt động.

Hơn nữa, dùng bản tin TDMA cho việc truyền dữ liệu còn giúp tránh được hiện

tượng xung đột (collision) xảy ra trong cụm [9][10][12].

Trong chương hai, luận văn đã trình bày các nghiên cứu về kiến trúc mạng

cảm biến không dây và phương pháp chuyền tiếp dữ liệu trong mạng cảm biến không dây:

Kiến trúc mạng đơn bước đơn giản là từ nút con ta có thể gửi đữ liệu trực tiếp về nút cơ sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ.Trong trường hợp trên phạm vi

lớn dữ liệu không thé gửi trực tiếp từ nút con về nút cơ sở thi dit liệu sẽ được gửi

qua các nút trung gian trước khi tới nút cơ sở, ta gọi đây là truyền đa bước

Phương pháp chuyền tiếp dir liệu được trình bày trên nền tảng một số giao

thức định tuyến phổ biến, trong đó giao thức LEACH là giao thức được chọn do các

đặc điểm ưu việt của nó đối với mạng cảm biến không dây Toàn bộ ý tưởng, cơ chế

và các pha hoạt động của giao thức LEACH đã được trình bày một cách chỉ tiết.

Xuất phát từ quá trình nghiên cứu LEACH, chương này cũng chỉ ra một số ưu điểm

và nhược điểm của giao thức, và đề xuất hướng khắc phục những nhược điểm đó là sử dụng hai giao thức LEACH-C và LEACH-E.

CHUONG III XÂY DỰNG MẠNG CAM BIEN KHONG DAY

CHO GIAM SAT, CANH BAO CHAY RUNG

3.1 Các yêu cầu đặt ra

Ở Việt Nam, công tác phòng chống cháy rừng hiện nay vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp thủ công, sử dụng lực lượng kiểm lâm tuần tra giám sát các khu

vực có kha năng cao xay ra cháy Với phương pháp này, hiệu quả giám sát không cao, phạm vi theo đối bi giới hạn do yếu tố địa hình, quy mô lực lượng, khả năng dự

báo cháy kém.

Trong khi đó, trên thế giới, nhiều giải pháp ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông mới đã được triển khai áp dụng, ví dụ sử dụng hệ thống giám sát thông

qua vệ tinh, sử dung các mạng cảm biến không dây Với sự hỗ trợ đắc lực của công

nghệ, các giải pháp này có độ tin cậy cao, đáp ứng nhanh trong công tác dự báo và

phòng chống cháy rừng Mạng cảm biến không dây đảm bảo cung cấp một giải

pháp tối ưu trong công tác phòng chống cháy rừng, đáp ứng tốt khả năng dự báo sớm xay ra cháy rừng cũng như chi phi vận hành thấp hơn so với các phương pháp hiện đại khác.

Trong chương nay, bài luận văn sẽ trình bày một kiến trúc mạng cảm biến không dây cho giám sát, cảnh báo cháy rừng Nội dung trọng tâm của chương là tiêu chí thiết kế mạng, đưa ra các thành phan kiến trúc mạng, xây dựng kiến trúc

mang, đưa ra phương thức chuyền tiếp dữ liệu từ các nút mang cảm biến về trung

tâm giám sát phục vụ cho việc dự báo cảnh báo dựa vào dir liệu tong hop thu thap duoc qua cac nut mang cam bién.

Các yêu câu thiết kê mạng cảm biên không dây sẽ khác nhau đôi với những

ứng dụng khác nhau Đê mục nảy sẽ nêu ra những yêu câu cơ bản trong việc thiệt kêmạng cảm biên không dây cho ứng dụng giám sát cháy rừng.

Nhăm đáp ứng nhu câu giám sát cảnh báo cháy rừng, nút cảm biên cân có

khả năng thu thập một số loại dữ liệu khác nhau như ánh sáng, nhiệt độ, độ âm, khói

và có thể xử lý tín hiệu và truyền các gói tin về nút thu thập dữ liệu trung tâm.

Mặt khác, sự tiêu thụ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thông cảm biến không dây giám sát cháy rừng, do các nút cảm biến dùng để thu thập dtr liệu từ môi trường sẽ được phân tán vào trong các khu vực rừng núi hẻo lánh, khó khăn trongviệc tiếp cận dé thay thé nguồn điện, do đó bản thiết kế phải đảm bảo được mục tiêu tiêu thụ và tiết kiệm năng lượng, bằng cách tối ưu hóa thiết

kê phân cứng và các thuật toán phân mêm.

Kết nối mạng đóng một vai trò quan trọng trong sự vận hành của một hệ

thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây Bat cứ lúc nao, tai

bất cứ đâu có thể có một hoặc vài nút cảm biến gây ra hiện tượng mất hoặc trễ gói

tin do nguồn điện yếu, yếu tố địa hình tac động, hư hỏng Trong nhiều trường hợp, các gói tin bị trễ hoặc mat làm ảnh hưởng tới mức độ chính xác và tin cậy của cả hệ

thống, làm công tác cứu hộ bị ảnh hưởng Do đó, thiết kế cần phải đảm bảo cho hệ

thống hoặc động trơn tru và linh hoạt trong moi tình huống.

Kiên trúc mạng cân được thiệt kê sao cho việc vận chuyên dt liệu đo được là

phù hợp, thuận lợi nhất.

Mạng cảm biến không dây có ba loại truyền thông chính Loại thứ nhất là

loại truyền thông 1 chiều chỉ hỗ trợ truyền dữ liệu từ nút cảm biến về trạm gốc Loại

thứ hai là loại truyền thông hai chiều, có thé giao tiếp 2 chiều giữa nút và trạm gốc Loại cuối cùng là truyền thông đa chiều, các nút có thé giao tiếp lẫn nhau dé truyền tải thông tin Nhằm hạ giá thành và nâng cao hiệu quả làm việc.

Lựa chọn kênh truyền dẫn cũng là một van dé quan trọng đối với vận chuyển

dir liệu đo được từ các nút mang cảm biên chuyên về trung tâm giám sát Ngoài ra,cân xem xét phương thức chuyên tiép dữ liệu qua các nút mạng trung gian nham

phát huy tối đa hiệu quả thu thập dữ liệu và chuyên tiếp.

Nhằm nâng cao độ chính xác và tính tin cậy trong việc cảnh báo cháy rừng, hệ thống đòi hỏi phải tích hợp một số loại cảm biến khác nhau, như cảm biến nhiệt

độ, độ 4m, ánh sáng, khói, đồng thời qua đó kết hợp tối ưu hóa các thuật toán định

tuyên ,các quá trình xử lý tín hiệu sô tại các nút cảm biên, giúp tiệt kiệm năng lượng

trong việc truyền nhận dit liệu.

3.2 Xây dựng kiến trúc mạng WSN giám sát và cảnh báo

3.2.1 Mô hình kiến trúc mạng WSN

Đề mục này cung cấp một mô hình thiết kế cho hệ thống giám sát và cảnh

báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây dựa trên những yêu cầu hệ thống

đã được đề cập ở đề mục trên, phần này sẽ tập trung trình bày mô hình tông quát

nhất của hệ thống như trên hình 2.4 và nguyên tắc hoạt động của các thành phần trong hệ thống.

Trường cảm biên:

Trung tâm xử lý và hiến thịcấp cản báo lên Web.

Jing dung Web:

—y Node chủDir liệu ban đâư La

og (>) Node cảm biên

———P Dé liệu tong Hợp `

Hình 3.1: Mô hình kiến trúc mạng WSN giám sát và cảnh báo