Bài tập môn học mô hình hóa mô phỏng Đề tài mô hình mạng cảm biến khí gas

Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao đôi thông tin tin cậy, công nghệ mạng cảm biến không dây wireless sensor network đang ngày càng chứng tỏ được ưu điểm của nó trong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THĂNG LONG

THANG LONG

_ BAI TAP MON HOC

MO HINH HOA MO PHONG

DE TAI:

MO HiNH MANG CAM BIEN KHi GAS

Giáo viên hướng dẫn: Ths.Vũ Lê Quỳnh Giang

A41148 Dinh Tién Dat

A38670 Vũ Minh Mạnh

Hà Nội - 2024

MỤC LỤC

1.1 Các loại mạng cảm biến khơng đây: 5 s1 E1 1821211212121 rrreg 3

Fe Ưu điểm và nhược điểm S S22 3S S125 111515115155 E Hy 4 1.2 _ Ứng dụng của mạng cảm biến khơng đây: s- s2 EExeErrtkrrerrrrrres 5 1.4 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến khơng đây 5 ca 6 1.4.1 Communication ProtOCỌs - - n 1 111211211111 121 11111111111 11 11111111 k nga 6 1.4.2 Management ProfoCol§ - c1 2212221212111 1E 2111195 111tr key 7 1.5 Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận khơng đây 7

2 Phân tích mơ hình - 20 2 211212212211 11111512 1181111101 11111111111 111111111111 11 11 Hay 8

"9 5 ee reece nee ttee tees sesaeetateecieseseaeeesetsseeentiags 9 2.2 Neuyén li hoat dOnge nec cccccc cece ce reecsecesseeseceeeeeseeessseeseetieeeensiees 9

3 Kich ban m6 phong ccc ccc 1 2112211212111 111 11118111211 1111 181150111 H ng k ng key 10

4 Mơ phỏng bằng matlab - 5-56 SE EE118111111111112111 2.2111 1 re ll 4.1 Kịch bản mơ phỏng Ì: 2 2c 1221221111211 1211151112 1501 1112 11H kg ll

4.2 Kịch bản mơ phỏng 2: L0 2201122111211 121 1112111211111 1 1511281111118 112k rườu 14 4.2.1 Phân tích: c1 1211212111 118111111 212111112112 011 1 1 TH HH HH ướt 15

4.3 Kịch bản mơ phỏng 3: L0 1211121111211 12121 112111511101 11 1115111 kx ra 16 4.3.1 Phân tích: - :c tc t2 1121211 118111111121 111111 2112111 11H TH Hệ 18

“ơn 19

5 Kết luận và hướng phát triỂn - 5c s c 111 1111 01121121111 2211011 ng trêu 20

LỜI NÓI ĐẦU Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ân nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Mặc dù đã có nhiều biện pháp và hệ thông được đưa ra đề phát hiện và cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại về người và của Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thông cảnh báo cháy tự động nào được triển khai Do đó, nêu dé xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn, thời gian đề khắc phục hậu quả mât nhiêu thời gian và tiền của

Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao đôi thông tin tin cậy, công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) đang ngày càng chứng tỏ được

ưu điểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường tự động

Từ thực tế công tác trong nhiều năm giáng đạy và quản lý mạng máy tính của nhiều đơn vị,em đã chọn đề tài: “Hệ thống cảnh báo cháy tự động sử dụng công nghệ mạng cam bién khéng day (wireless sensor network)”, với mong muốn xây đựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ cháy, giúp hạn chê tôi đa hậu quả do hỏa hoạn gây ra

Đề hoàn thành được đồ án này.Chúng em xin chân thành cảm ơn ThS Hoàng Mạnh Thắng đã tận tâm hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình chúng em thực hiện bài tập lớn này

Chương T : giới thiệu chung

1 Giới thiệu :

Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triên mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và những vị trí địa lý khác nhau Mỗi vi điều khiển khi được tích hợp với bộ thu phát sóng vô tuyến

và bộ cảm biến sẽ tạo thành một nút mạng, tập hợp các nút mạng đó trong một phạm vi

nhất định, được gọi là mạng cảm nhận không dây (WSN - Wireless Senser Network)

Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) là một mạng được cầu thành từ các thiết bị hoạt động độc lập trong không gian, các thiết bị thu thập và truyền về trung tâm giám sát các thông tin về điều kiện môi trường như nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, sự chuyên động (Hình l)

Hình 1 - 1ô hình khải quát mạng cảm nhận không dây

Oo nhìu

Trong hệ thông WSN còn có các trạm gốc và trung tâm điều khiển Trạm gốc đóng vai trò công kết nối giữa nút mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận thông tin của các nút mạng và chuyên tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác nhau Các nút mạng truyền tin theo kiêu nhiều chặng, từ nút mạng này sang nút mạng khác và về trạm gốc Từ trạm gốc có thê gửi thông tin cho người sử dụng (trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng Internet, qua vệ tinh nhờ đó người giám sát

có thê nhận được thông tin du đang ở bat cur dau

2

+ Dưới đây là một số đặc điểm chính của mang cảm biến không dây:

o_ Tỉnh Phân tán: Mạng cảm biễn không dây thường bao gồm một số lượng lớn

các nút cảm biên được phân tán trong một khu vực hoặc môi trường nhất định

o_ Cảm Biến và Phan Cung Nho Gon: Các nút cảm biến thường có kích thước

nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng đề hoạt động trong thời gian dài

o Kết Nối Không Dây: Các nút cảm biến kết nối với nhau thông qua kết nối không dây như WI-FI, Bluetooth, Zigbee, hoặc LoRa

o_ Tiêu Thụ Năng Lượng Thấp: Một trong những thách thức lớn nhất của mạng cảm biên không đây là tiêu thụ năng lượng Do đó, quản lý năng lượng và tiết kiệm năng lượng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và triển khai của mạng

o_ Chất Lượng Dữ Liệu: Do hạn chế về tài nguyên của các nút cảm biến, việc xử

lý và truyền đỡ liệu thường phải được thực hiện một cách hiệu quả dé dam bao

chất lượng đữ liệu

© Ứng Dụng Đa Dạng: Mạng cảm biến không đây có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, môi trường, công nghiệp, nông nghiệp thông minh, giám sát cấu trúc, và hơn thế nữa

o Bao Mat: Bao mat thông tin là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong mạng cảm biến không dây để ngăn chặn các tấn công như đánh cắp thông tin

hoặc xâm nhập vào hệ thông

> Mang cam biên không dây đang phát triển và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, mang lại nhiều lợi ích đáng kể trong việc giám sát và quản lý môi trường, tài nguyên và hạ tầng

1.1 Các loại mạng cảm biến không dây:

Có nhiều loại mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) duge phat triên đề phục vụ cho các ứng dụng và môi trường khác nhau Dưới đây là một số loại phố bién cua WSNs:

Mang Cam Bién Da Loai (Heterogeneous Sensor Networks): Trong mang nay, cac nut cảm biến có thể là các loại khác nhau, với các chức năng và khả năng phát hiện khác nhau Ví dụ, một mạng có thể bao gồm các nút cảm biến nhiệt độ, độ âm, ánh sáng và

chất lượng không khí

Mạng Cảm Biến Dong Nhat (Homogeneous Sensor Networks): Trong mang, nay, tat ca các nút cảm biến đều có cùng loại và chức năng, chăng hạn như mạng cảm biến nhiệt độ hoặc mạng cảm biến độ âm

Mang Cam Bién Di Déng (Mobile Sensor Networks): Trong loai mang nay, cac nut cam biến không cố định và có khả năng di chuyên Các nút cảm biến có thê được gan trén cac phương tiện đi chuyển như xe, robot hoặc UAV (Unmanned Aerial Vehicle) để thu thập

dữ liệu từ nhiều vị trí

cam biện được triên khai trong một khu vực nhật định Điêu này cho phép thu thập dữ

liệu chị tiết và mô hình hóa môi trường một cách chính xác hơn

Mang Cảm Biến Thưa Thót (Sparse Sensor Networks): Trai nguoc voi mang cam bién mạnh, loại mạng này có mật độ thâp các nút cám biên Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng có diện tích rộng và chị phí triên khai thập

Mang Cam Bién Tich Hop (Integrated Sensor Networks): Loai mang nay két hop cam biến không dây với các loại cảm biến khác như hình ánh, âm thanh hoặc video đề thu thập dữ liệu đa dạng và phong phú từ môi trường

Mang Cảm Biến Dưới Nước (Underwater Sensor Networks): Dây là mạng cảm biến không dây được sử dụng dưới nước, thường được sử dụng đề giảm sát môi trường dưới nước, nghiên cứu hải đương học và quản lý tài nguyên dưới nước

Mỗi loại mạng cảm biến không dây có ưu điềm và hạn chế riêng và được thiết kế đề phù hợp với các ứng dụng và yêu cầu cụ thể của môi trường

* Ưu điểm và nhược điểm :

Wireless Sensor Networks (WSNs) mang lại nhiều ưu điểm và nhược điểm trong việc triên khai và sử dụng Dưới đây là một số ưu điểm và nhược điểm của WSNs:

°¢ Uudiém:

o_ Chỉ phí Triển Khai Thấp: So với các hệ thông dây, WSNs thường có chỉ phí

triên khai thấp hơn do không cần các dây cáp phức tạp

o_ Khả Năng Mở Rộng Dễ Dàng: WSNs có thê mở rộng dễ đàng bằng cách thêm

mới hoặc thay đôi vị trí các nút cảm biến mà không cần phải cài đặt lại hệ thống toàn bộ

o_ Khả Năng Tích Hợp và Tương Thích Cao: WSNs có thê tích hợp với nhiều loại cảm biến khác nhau và có khả năng tương thích với nhiều giao thức và công nghệ không dây

© Tinh Linh Hoạt: Do không có sự phụ thuộc vào hạ tầng dây, WSNs có tính linh

hoạt cao và có thê được triển khai ở nhiều môi trường khác nhau

6 Giám Sát Thời Gian Thục: WSNs cho phép giảm sát thời gian thực của môi trường xung quanh và cung cấp thông tin cập nhật liên tục

o_ Tiết Kiệm Năng Lượng: Các nút cảm biến trong WSNs thường được thiết kế đề tiêu thụ năng lượng thấp, giúp kéo đài tuổi thọ của pin và giảm chi phí vận hành

e Nhược điểm:

o_ Hạn Chế Về Tâm Xuyên: Các tín hiệu không dây có thê bị giảm hoặc bị mắt kết

nồi trong môi trường có rào cán như tường hoặc tòa nhà

o_ Thiếu Bảo Mật: Dữ liệu truyền qua mạng không đây có thê dễ dàng bị đánh

©_ Quản Lý Năng Lượng: Quản lý năng lượng là một thách thức lớn trong WSNs, đặc biệt là với các ứng dụng cần hoạt động trong thời gian dài mà không có nguồn năng lượng dự phòng

© Gidi Han Cua Dung Luong va Hiéu Suất: Các nút cảm biến thường có giới hạn

về dung lượng và hiệu suất xử lý, làm hạn chế trong việc xử lý và truyền đữ liệu phức tạp

o_ Thiếu Độ Ôn Định: WSNs có thê bị ảnh hưởng bởi các vấn đề như nhiễu điện

từ, sự can thiệp từ các thiết bị không dây khác, và điều kiện môi trường khắc nghiệt

1.2 Ung dụng của mạng cảm biến không dây:

độ, độ âm, ánh sáng, chất lượng không khí, chất lượng nước, độ ồn, và các thong số khác Ứng dụng bao gồm giám sát môi trường tự nhiên như rừng, sông ngòi, hồ và cánh quan

đô thị

Y Té Diéu Tri: Trong linh vuc y té, WSNs duoc str dung dé giám sát các dâu hiệu sinh

học của bệnh nhân như nhịp tim, áp lực máu, nông độ đường trong máu và các thông sô y

tê khác Nó cũng có thê được sử dụng đề giảm sát người cao tuôi hoặc người khuyết tật

5

Quản Lý Năng Lượng: WSNs có thê được triển khai để giám sát, dự đoán và quản lý sử dụng năng lượng trong các hệ thông điện, hệ thông năng lượng mặt trời và hệ thông tiệt kiệm năng lượng trong các tòa nhà và cơ sở hạ tâng công cộng

Giám Sát Vận Tải: WSNs được sử dụng đề giám sát giao thông, quản lý giao thông và vận tải công cộng, giám sát tải trọng và vận tải hàng hóa, và cá giám sát độ an toàn và an ninh của phương tiện giao thông

Giám Sát Cấu Trúc: WSNs được sử dụng dé giam sat cau trúc và hạ tầng công trình như cầu, tòa nhà, đập và đường ống dẫn Nó có the phat hiện các yếu tô đe dọa như rung động, sự đi chuyển không bình thường, và các vấn đề kỹ thuật khác

Nông Nghiệp Thông Minh: Trong nông nghiệp, WSNs được sử dụng để giám sát điều kiện môi trường như độ ẩm, nhiệt độ, độ pH của đất, và việc tưới nước Nó cũng có thê được sử dụng đề theo dõi và quản lý động vật và cây trồng

Quân Sự và An Ninh: WSNs có thê được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và an ninh đê giám sát và phát hiện các hoạt động địch, quản lý quân sự và an ninh biên giới, va giám sát vùng biên và không gian

1.4 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây

1.4.1 Communication Protocols

Kiến trúc giao thức của mang cam bién khéng day (Wireless Sensor Network - WSN) bao gồm các lớp chức năng khác nhau, mỗi lớp đóng vai trò quan trọng trong việc hoạt

động của mạng

& Lớp vật lý (Physical Layer):

® _ Lớp này đảm nhận trách nhiệm liên quan đến việc truyền dẫn đữ liệu qua không gian không dây bằng cách sử dụng sóng radio, hồng ngoại hoặc các phương pháp truyền khác

© Các giao thức ở lớp này xác định các yếu tố vật lý như tần số, công suất phát, độ nhạy của thu và các kỹ thuật điều chế

% Lớp Truy cập Phương trình (MAC Layer):

¢ Lop MAC quan lý việc truy cập vào phương trình truyền thông không dây, đảm bảo rằng các gói tin được truyền dẫn một cách hiệu quả và không gây xung đột

® Cac giao thire MAC trong WSN thường phải xem xét vấn đề tiết kiệm năng lượng và đồng bộ hóa thời gian dé giảm thiểu xung đột và tiêu thụ năng lượng

* Lớp Mạng (Network Layer):

® - Lớp này quản lý việc định tuyên đữ liệu từ các nút cảm biên đến các trạm cơ sở hoặc trạm xử lý dữ liệu

©- Các giao thức mạng trong WSN có thể sử đụng các phương pháp định tuyến cô điện hoặc các phương pháp định tuyến cấp cao hơn như định tuyến đa bước, định tuyến dựa trên nội dung, hoặc định tuyến dựa trên vị trí

Lớp Giao thức Ứng dụng (Application Layer Profocol):

® Lớp này xác định cách đữ liệu được thu thập, xử lý và truyền đạt giữa các nút cảm biến và các ứng dụng cuối cùng

© Các giao thức ứng dụng trong WSN được thiết kế đề phục vụ cho các ứng dụng

cụ thể như giám sát môi trường, theo dõi, kiểm soát và phát hiện sự kiện

*% Lớp Quản ly Nang luong (Energy Management Layer):

® - Lớp này tập trung vào việc quản lý năng lượng của các nút cảm biến để tối ưu

hóa tuổi thọ của mạng

©- Các giao thức quản lý năng lượng trong WSN thường bao gồm các kỹ thuật tiết kiệm năng lượng như hạn chế hoạt động, đánh thức thông minh và kiểm soát cơ động công suất

Phần quản {ý năng lượng (Power Manament Piane): Dùng đề điều khiên việc sử dụng

năng lượng của nút mạng Ví dụ, nút mạng có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được

một bản tin từ một nút lân cận, điều này giúp tránh việc nhận các bản tin trùng lặp dư thừa không cần thiết Khi mức năng lượng của nút mạng thấp, nó sẽ phát quảng bá tới các nút lân cận de thông báo nó có mức năng lượng thấp và không thê tham gia vào các bản tin định tuyên Phần năng lượng còn lại sẽ đành riêng cho nhiệm vụ cảm biến

Phan quan ly di dong (Mobility Management plane): Ding dé phat hién va ghi lai sự dịch chuyên của các nút cảm nhận đê duy trì tuyên tới người sử dụng và các nút có thê

nhận có thề cân bằng giữa công suất và nhiệm vụ thực hiện

Phần quản {ý nhiệm vụ (Tisk Managemenf palne): Dùng đề làm cân bằng và lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định Không phải tất cả các nút cảm

nhận trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm Kết

quả, một số nút cảm nhận thực hiện nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của

nó Những phần quản lý này là cần thiết dé các nút cảm nhận có thê làm việc cùng nhau,

sử dụng hiệu quả năng lượng, định tuyến số liệu trong mạng và phân chia tài nguyên giữa

các nút cảm nhận

1.5 Các loại giao thức định tuyến trong mạng cảm nhận không dây

Dịnh tuyến trong WSN là một thách thức lớn do có sự khác biệt không nhỏ giữa đặc

điểm của WSN và các mạng thông thường hiện tại

cảm nhận khi triển khai, do việc phân bố các nút mạng thường với số lượng lớn, ngẫu nhiên, có sự mở rộng Các giao thức dựa trên địa chí IP, do vậy khó áp dụng cho WSN được

e Cac nut mang dé xay ra lỗi hoặc bị ngất do thiểu công suất, hỏng phần cứng hoặc

bị nhiễu môi trường Trong khi đó, mỗi nút đóng 2 vai trò là truyền số liệu và chọn đường, một sô nút cảm biến hoạt động sai chức năng do lỗi nguồn công suất có thê gây ra sự thay đối cầu hình mạng nghiêm trọng và phải chọn đường lại các gói hoặc phải tổ chức lại mạng

¢ Luong dir liéu phat đi từ các nút mạng có số lượng đáng kế các bản tin bị trùng lặp do các cảm biến có thể thu thập được dữ liệu giông nhau và cùng truyền về trung tâm Do đó, dữ liệu dư thừa đó cần được giao thức định tuyến loại bỏ để tiết kiệm năng lượng cho nút mạng và tăng băng thông

® - Nguyên nhân khiến việc định tuyến trong WSN là một thách thức là do mỗi nút mạng cảm nhận đều có năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ hạn chế

>_ Do những khó khăn trên, nhiều giao thức định tuyến mới cho WSN đã được nghiên cứu và ứng dụng Các giao thức đó có thê được chia thành các loại chính là: ngang hàng, phân cấp và định vi

Trong giao thức ngang hàng: Tất cả các nút thường có vai trò hoặc chức năng như nhau Hoạt động định tuyến dựa trên cơ chế hỏi đáp, phụ thuộc vào việc đặt tên các gói dữ liệu,

đo đó loại bỏ được việc gửi dư thừa đữ liệu trong mạng

Giao thức phân cấp: Dựa trên việc chia mạng thành các cụm, mỗi cụm có một nút làm

chủ có nhiệm vụ tập hợp dữ liệu của các thành viên và loại những đữ liệu không cần thiết trước khi truyền Nút chủ sẽ được thay đổi khi bắt đầu chu kỳ làm việc mới và sẽ thay nút khác có khả năng đảm nhận chức năng này

Giao thức định vị: Sử dụng các thông tin về vị trí của các nút đề truyền dữ liệu cho các nút cần thiết, thay vì truyền cho tất cả các nút trong mạng

Mạng liên kết: Các nút cảm biến được kết nối với nhau qua liên kết không dây, thường

là liên kết WI-F1 hoặc Bluetooth

Trạm gốc: Trạm gốc nhận dữ liệu từ các nút cảm biến và xử lý nó, sau đó gửi thông báo tới hệ thông quan ly

Hệ thông quản jý: Hệ thông quản lý tiếp nhận thông báo từ trạm gốc và xử lý dữ liệu để tính toán và xác định các sự kiện cháy

Tự động hoá: Nếu một sự kiện cháy được xác định, hệ thông quản lý sẽ tự động gửi thông báo tới các thiết bị yêu câu trong khu vực đó, như hệ điêu hành hệ thông phòng cháy hoặc các thiệt bị cảnh báo

Thông báo: Hệ thông quản lý sẽ cung cấp thông báo về sự kiện cháy cho các nhân viên quản lý hoặc các thiệt bị yêu câu khác

Điều khiển: Hệ thông quản lý có thê điều khiên các thiết bị phòng cháy hoặc các thiết bị khác trong khu vực đề giúp ngăn chặn hoặc chữa cháy

Bảo vệ: Hệ thông cảnh báo cháy tự động cũng có thê bao VỆ các thiết bị cảm biến không dây bằng cách sử dụng các thiết bị chống rung hoặc các thiết bị bảo vệ khác

2.1 Chức năng

Hệ thống cảnh báo cháy tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biển không dây có các chức năng quan trọng sau:

Phát hiện cháy: Chức năng cơ bản nhất của hệ thống là phát hiện sự xuất hiện của đám

cháy hoặc các tín hiệu liên quan như khói, nhiệt độ cao, hoặc khí gas độc hại

Thu thập dữ liệu: Hệ thong thu thập dữ liệu từ các cảm biến trong toàn bộ khu vực được

giám sát, bao gồm nhiệt độ, độ âm, áp suất không khí, chất lượng không khí, và các thông

số khác

Phân tích và xử lý đữ liệu: Dữ liệu thu thập được được phân tích và xử ly dé phat hién

các tín hiệu cảnh báo có thê liên quan đến cháy Các thuật toán thông mình có thể được

sử dụng đề xác định mức độ nguy cơ và đưa ra quyết định phản ứng