hệ thống cảnh bảo cháy tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wirelees sensor network)

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 4 LỜI NÓI ðẦU Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Mặc dù ñã có nhiều biện pháp và hệ thống ñược ñưa ra ñể 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 thống cảnh báo cháy tự ñộng nào ñược triển khai. Do ñó, nếu ñể xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn, thời gian ñể khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của. Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao ñổi thông tin tin cậy, công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) ñang ngày càng chứng tỏ ñược ưu ñiểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường tự ñộng. Từ thực tế công tác trong nhiều năm giảng dạy và quản lý mạng máy tính của nhiều ñơn vị,em ñã chọn ñề tài: “Hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network)”, với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối ña hậu quả do hỏa hoạn gây ra . ðể hoàn thành ñược ñồ án này.Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mạnh Thắng ñã tận tâm hướng dẫn và tạo ñiều kiện tốt nhất về nơi làm việc cũng như thiết bị trong quá trình em thực hiện ñồ án này. Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2011 Cao học viên thực hiện ðỗ Mạnh Hà ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 5 TÓM TẮT ðỒ ÁN Nội dung ñồ án nghiên cứu và xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network), với khả năng phát hiện sớm nguy cơ cháy và giám sát hệ thống theo thời gian thực từ xa thông qua phần mềm quản lý và mạng Internet/GPRS/3G. Sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây, hệ thống ñược thiết kế ñể sử dụng ở những khu vực khó tiếp cận, ñòi hỏi năng lượng tiêu thụ thấp và không yêu cầu cấp nguồn bằng ñiện lưới như: rừng, núi…; hoặc không làm thay ñổi thiết kế cũng như mỹ quan của công trình như: khu chung cư, văn phòng, kho lưu trữ hàng hóa, siêu thị… Nội dung của ñồ án gồm 04 chương: Chương 1 : Phân tích yêu cầu Chương 2 : Phân tích hệ thống Chương 3 : Thiết kế hệ thống Chương 4: Kết luận ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 6 ABSTRACT Content of the thesis is to study and build a fire alarm system using wireless sensor network technology, with ability to early detect fire hazards and monitoring system in real time via a remote network management software and Internet/GPRS/3G. Using wireless sensor network technology, the system is designed for use in areas which are difficult to access, require low energy consumption and no electrical power grid, such as: forests, moutain…; or not make design changes as well as the beauty of works such as: residential, office, goods warehouse, supermarket The thesis includes 05 chapter: Chapter 1 : Analysis of requirements Chapter 2 : System analysis Chapter 3 : System design Chapter 4 : Results obtained and development topics Chapter 5 : Conclusion ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 7 MỤC LỤC LỜI NÓI ðẦU 4 TÓM TẮT ðỒ ÁN 5 ABSTRACT 6 DANH SÁCH HÌNH VẼ 9 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 11 DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 12 CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU 13 1.1. Giới thiệu chung 13 1.2. Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế 14 1.2.1. Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng 14 1.2.2. Hệ thống cảnh báo cháy rừng 15 1.3. ðặt yêu cầu bài toán 15 1.4. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật 16 1.4.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng 16 1.4.2. Một số yêu cầu kỹ thuật khác 18 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 19 2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 19 2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN 19 2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây 19 2.2. Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN 26 2.2.1.Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến 27 2.2.2. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 27 2.2.3. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 28 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30 3.1. Thiết kế phần cứng 30 3.1.1. Thiết kế nút mạng cảm biến 30 3.1.2. Thiết kế hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 59 3.2. Thiết kế chương trình ñiều khiển phần cứng 64 3.2.1 Chương trình ñiều khiển nút mạng cảm biến 64 3.2.2 Chương trình ñiều khiển hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 67 ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 8 3.3. Thiết kế phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 68 3.3.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu 68 3.3.2 Thiết kế chương trình quản lý hệ thống 69 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ ðẠT ðƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI Error! Bookmark not defined. 4.1. Kết quả thực hiện ñề tài Error! Bookmark not defined. 4.2. Kết quả ño ñạc và ñánh giá ñộ tin cậy sản phẩm của ñề tài Error! Bookmark not defined. 4.3. Hướng phát triển của ñề tài Error! Bookmark not defined. CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined. ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 9 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1. Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay. 4 Hình 2.1. Mô hình tổng quát của một mạng cảm biến không dây (WSN) 4 Hình 2.2. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee. 4 Hình 2.3. Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết. 4 Hình 2.4. Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee 4 Hình 2.5. Bảng ñịnh tuyến của một nút mạng WSN 4 Hình 2.6. Nút mạng R3 tìm ñường ñi ñến nút mạng R6 theo thuật toán AODV. 4 Hình 2.7. Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm ñường cho nút mạng R3. 4 Hình 2.8. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Many-to-One. 4 Hình 2.9. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Source Routing. 4 Hình 2.10. Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN 4 Hình 2.11. Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến. 4 Hình 2.12. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 4 Hình 2.13. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 4 Hình 3.1. Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International®. 4 Hình 3.2. Sơ ñồ chân của module XBee ZB ZigBee. 4 Hình 3.3. Quá trình trao ñổi thông tin của module XBee. 4 Hình 3.4. Trạng thái của chân SLEEP_RQ và ON/SLEEP theo thời gian. 4 Hình 3.5. Cấu trúc của một câu lệnh sử dụng tập lệnh AT. 4 Hình 3.6. Cấu trúc dữ liệu của khung tin API. 4 Hình 3.7. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Request. 4 Hình 3.8. Cấu trúc dữ liệu khung API AT Command Request. 4 Hình 3.9. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Status 4 Hình 3.10. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Receive Packet 4 Hình 3.11. Cấu trúc dữ liệu khung API Remote AT Command Request. 4 Hình 3.12. Sơ ñồ chân của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4 Hình 3.13. Cấu trúc khung tin trong chuẩn giao tiếp USART. 4 Hình 3.14. Cấu tạo phần phát của khối truyền thông USART. 4 Hình 3.15. Cấu tạo phần thu của khối truyển thông USART 4 Hình 3.16. Khối tạo ñiện áp chuẩn FVR. 4 Hình 3.17. Cấu tạo của khối chuyển ñổi tương tự - số (ADC) 4 Hình 3.18. Thanh ghi ñiều khiển ADCON0 của khối ADC 4 Hình 3.19. Thanh ghi ñiều khiển ADCON1 của khối ADC 4 ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 10 Hình 3.20. Thanh ghi ñiều khiển ADCON2 của khối ADC 4 Hình 3.21. Cấu tạo bộ tạo ñiện áp tham chiếu của khối so sánh. 4 Hình 3.22. Cấu tạo khối so sánh trong vi ñiều khiển PIC18F26K20 4 Hình 3.23. Thanh ghi ñiều khiển INTCON của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4 Hình 3.24. Hình dạng và sơ ñồ chân của cảm biến nhiệt ñộ MCP9700. 4 Hình 3.25. ðộ nhạy với sự thay ñổi nhiệt ñộ môi trường của cảm biến MCP9700. 4 Hình 3.26. Sơ ñồ nguyên lý hoàn chỉnh của nút mạng cảm biến. 4 Hình 3.27. Module vi ñiều khiển EM1000 4 Hình 3.28. Sơ ñồ chân của module vi ñiều khiển EM1000 4 Hình 3.29. ðầu kết nối Ethernet RJ1202 4 Hình 3.30. Cấu tạo phần biến áp phối hợp trở kháng của RJ1202. 4 Hình 3.31. Sơ ñồ nguyên lý hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu. 4 Hình 3.32. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt INT0 4 Hình 3.33. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt INT_COMP 4 Hình 3.34. Lưu ñồ thuật toán chương trình chính ñiều khiển nút mạng cảm biến 4 Hình 3.35. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt nhận UART. 4 Hình 3.36. Lưu ñồ thuật toán chương trình ñiều khiển hệ nhúng 4 Hình 3.37. Liên kết cơ sở dữ liệu trong phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy.4 Hình 4.1. Ảnh chụp nút mạng cảm biến Error! Bookmark not defined. Hình 4.2. Ảnh chụp hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu. Error! Bookmark not defined. Hình 4.3. Ảnh chụp màn hình ứng dụng quản lý hệ thống. Error! Bookmark not defined. ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 11 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Một số yếu cầu kỹ thuật ñối với ñầu báo cháy tự ñộng 4 Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee 4 Bảng 3.2. Các loại khung tin API. 4 Bảng 3.3. Công thức tính tốc ñộ Baud của khối USART. 4 Bảng 3.4. Tốc ñộ Baud và F OSC . 4 Bảng 3.5. Tốc ñộ Baud và F OSC (tiếp). 4 Bảng 3.6. Các trường dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của chương trình quản lý. 4 Bảng 3.7. Các trường dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của chương trình quản lý(tiếp) 4 Biểu ñồ 3.1. Biểu ñồ luồng dữ liệu mức ñỉnh 4 Biểu ñồ 4.1. Biểu ñồ theo dõi nhiệt ñộ môi trường Error! Bookmark not defined. Biểu ñồ 4.2. Biểu ñồ theo dõi ñiện áp pin trên nút mạng cảm biến Error! Bookmark not defined. ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 12 DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ/từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt PCCC Phòng Cháy Chữa Cháy WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện Kỹ sư ðiện và ðiện tử GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di ñộng toàn cầu ISM Industrial, Scientific and Medical Dải tần số cho các ứng dụng thương mại DSSS Direct-Sequence Spread Spectrum Trải phổ trực tiếp ADC Analog to Digital Coverter Chuyển ñổi tín hiệu tương tự - số CMOS Complementary Metal– Oxide–Semiconductor Vi mạch tích hợp bán dẫn oxit kim loại UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Chuẩn truyền thông không ñồng bộ API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập nhẫu nhiên CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mã hóa bảo mật nâng cao ACK Acknowledgment Bản tin báo nhận MAC Media Access Control ðiều khiển truy nhập kênh truyền PAN Personal Area Network Mạng cá nhân MSB Most Significant Byte Byte có trọng số cao nhất LSB Least Significant Byte Byte có trọng số thấp nhất Broadcast Quảng bá OPAM Operational Amplifier Khuếch ñại tích cực ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2 13 CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU 1.1. Giới thiệu chung Phòng cháy và chữa cháy(PCCC) là vấn ñề luôn ñược quan tâm hàng ñầu trong sản xuất và sinh hoạt, bởi vì nếu ñế xảy ra cháy thì hậu quả là không thể lường trước ñược. Tại Việt Nam, các quy ñịnh về PCCC ñã ñược tổ chức thành luật Phòng Cháy và Chữa Cháy, ñược Quốc Hội thông qua ngày 29/06/2001 và có hiệu lực từ ngày 04/10/2001. Hàng năm, Nhà nước thường xuyên tổ chức các tuần lễ, tháng cao ñiểm về an toàn vệ sinh lao ñộng và phòng chống cháy nổ nhưng nhiều vụ cháy lớn vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại lớn về người và của. ðiển hình như vụ cháy trung tâm thương mại quốc tế ICT tại thành phố Hồ Chí Minh năm 2002 làm 60 người thiệt mạng và 70 người bị thương; vụ cháy kho hàng Hoa Việt trên phố Ngụy Như Kon Tum – Hà Nội năm 2009, thiệt hại về vật chất hàng trăm tỉ ñồng; vụ cháy chung cư 18 tầng JSC 34 Lê Văn Lương – Hà Nội năm 2010 làm 2 người chết. Theo kết luận của các cơ quan chức năng, phần lớn các vụ cháy ở trên gây hậu quả nghiêm trọng là do hệ thống báo cháy không hoạt ñộng hoặc không phát tín hiệu cảnh báo kịp thời. Thêm vào ñó, do hệ thống báo cháy không ñược kết nối tới trung tâm PCCC nên phải mất một thời gian khá lâu lực lượng chức năng mới tiếp cận ñược khu vực hỏa hoạn. Việt Nam nằm trong khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khô, nhiều khu vực rừng có nguy cơ cháy rất cao. Do ñịa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm và lâm trường còn mỏng, các trang bị phòng cháy và chữa cháy còn thiếu thốn, nên nếu ñể xảy ra cháy thì hậu quả rất nghiêm trọng. Vụ cháy hơn 1000ha tại vùng lõi rừng U Minh Thượng và U Minh Hạ năm 2002 ñã làm cho thảm thực vật ở ñây gần như bị phá hủy hoàn toàn, có thể phải mất hàng chục năm sau mới phục hồi ñược nguyên trạng. [...]... báo cháy phát hi n nguy cơ cháy và c nh báo b ng ánh sáng (ñèn nh p nháy liên t c); tín hi u c nh báo ñư c truy n v trung tâm báo cháy, trung tâm báo cháy kích ho t tín hi u c nh báo b ng âm thanh (còi hú, chuông) Như v y, n u x y ra l i t i trung tâm báo cháy ho c ñư ng truy n b ñ t thì tín hi u c nh báo cháy t ñ u báo cháy không ñư c x lý, nh ng khu v c g n nơi x y ra cháy không h bi t ñang có cháy. .. i thi u v công ngh m ng c m bi n không dây (wireless sensor network) và mô hình m ng ZigBee, t ñó ñ xu t mô hình c a h th ng c nh báo cháy, sơ ñ kh i c a các nút m ng c m bi n, sơ ñ kh i c a h nhúng thu th p và chuy n ti p d li u, các ch c năng c n có c a ph n m m qu n lý h th ng 2.1 T ng quan v m ng c m bi n không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 2.1.1 Khái ni m v m ng c m bi n không dây - WSN... –CHK2 2.2 Mô hình h th ng c nh báo cháy s d ng công ngh WSN T nh ng yêu c u k thu t ñ i v i h th ng báo cháy t ñ ng và mô hình c a m ng c m bi n không dây chu n ZigBee, h th ng báo cháy t ñ ng s ñư c xây d ng theo mô hình sau: Hình 2.10 Mô hình t ng quát h th ng báo cháy s d ng công ngh WSN H th ng bao g m : • M t m ng c m bi n không dây, các nút m ng có kh năng phát hi n cháy thông qua các c m bi n nhi... p trong nh ng v cháy gây h u qu nghiêm tr ng do không có tín hi u c nh báo cháy k p th i Ngoài ra, h th ng có c u trúc ph c t p, ph i c p ngu n và truy n d n tín hi u cho các ñ u báo cháy b ng dây cáp ñ ng nên nguy cơ b nhi u r t cao Do ñó, c n ph i thi công h ñ ng b v i h th ng ñi n, nư c trong công trình ð i v i các tòa nhà chưa ñư c trang b h th ng báo cháy t ñ ng, thì vi c thi công m i r t khó... “H th ng báo cháy t ñ ng bao g m các b ph n cơ b n : - Trung tâm báo cháy; - ð u báo cháy t ñ ng; - H p nút n báo cháy; - Các b ph n liên k t; - Ngu n ñi n Tùy theo yêu c u h th ng báo cháy còn có các b ph n khác như thi t b truy n tín hi u báo cháy, b ph n ki m tra thi t b phòng cháy, ch a cháy t ñ ng ” [1] Theo tiêu chu n Vi t Nam TCVN 5738 – 2000, m t s yêu c u k thu t ñ i v i ñ u báo cháy t ñ ng... và c nh báo cháy k p th i có ý nghĩa r t l n trong phòng ch ng cháy n , giúp h n ch thi t h i khi x y ra h a ho n 1.2 Các h th ng c nh báo cháy ñang ñư c s d ng trong th c t 1.2.1 H th ng c nh báo cháy khu dân cư, nhà cao t ng Cùng v i s hi n ñ i hóa các ñô th , các chung cư và nhà cao t ng ñư c xây d ng, và h th ng phòng cháy ch a cháy là m t ph n không th thi u trong thi t k c a m t công trình Hi... thu t ñ i v i ñ u báo cháy t ñ ng ð c tính k thu t ð u báo cháy nhi t ð u báo cháy khói ð u báo cháy l a Th i gian tác ñ ng Không l n hơn 120 giây T 40oC ñ n 170oC S gia tăng nhi t ñ trên 5oC/phút Không l n hơn 30 giây ð che m khói t 5 ñ n 20%/m ñ i v i ñ u báo khói thông thư ng T 20 ñ n 70%/m trên kho ng cách gi a ñ u phát và ñ u thu c a ñ u báo khói tia chi u Không l n hơn 98% Không l n hơn 5 giây... n không dây – WSN là khái ni m ñ mô t m t h th ng m ng thông tin, ñư c s d ng ñ giám sát các thông s môi trư ng như: nhi t ñ , ñ m, áp su t, n ng ñ khí…mà trong ñó các nút m ng trao ñ i thông tin v i nhau qua ñư ng truy n vô tuy n 2.1.2 T ch c và ho t ñ ng c a m t m ng c m bi n không dây 2.1.2.1 Mô hình m ng c m bi n không dây t ng quát Theo như khái ni m trên, có th th y r ng, m t m ng c m bi n không. .. th thi u trong thi t k c a m t công trình Hi n nay, h th ng báo cháy thư ng ñư c s d ng là h th ng Hình 1.1 Mô hình h th ng báo cháy ñang ñư c s d ng hi n nay báo cháy có dây, có th có ñ a ch và ñư c t ch c theo mô hình sau: Có th th y t mô hình trên, h th ng báo cháy ph i ñư c c p ngu n riêng bi t và không ñư c phép m t ngu n, thư ng không có ph n m m giám sát th i gian th c tr ng thái c a h th ng... ng báo cháy t ñ ng “Tiêu chu n Vi t Nam TCVN 5738 – 2000 ñư c áp d ng cho các h th ng báo cháy t ñ ng ñư c trang b t i các nhà máy, xí nghi p, kho tàng, tr s làm vi c, b nh vi n, trư ng h c, r p hát, khách s n, ch , trung tâm thương m i, do nh tr i l c lư ng vũ trang và các công trình khác có nguy hi m v cháy, n …” [1] “H th ng báo cháy t ñ ng ph i ñáp ng nh ng yêu c u sau : - Phát tín hi u cháy nhanh . về mạng cảm biến không dây - WSN 19 2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây 19 2.2. Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN 26 2.2.1.Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến. lý mạng máy tính của nhiều ñơn vị,em ñã chọn ñề tài: Hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) , với mong muốn xây dựng nên một hệ thống. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN Mạng cảm biến không dây – WSN là khái niệm ñể mô tả một hệ thống mạng thông