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

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

Trang 1

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

Cao học viên thực hiện

ðỗ Mạnh Hà

Trang 2

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

Trang 3

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

Trang 4

7

MỤC LỤC

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

Trang 5

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

Trang 6

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

Trang 7

10

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.

Trang 8

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 FOSC .4

Bảng 3.5 Tốc ñộ Baud và FOSC(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.

Trang 9

12

DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Thuật ngữ/từ

viết tắt

IEEE Institute of Electrical and

ISM Industrial, Scientific and

Medical

Dải tần số cho các ứng dụng thương mại

nhiên

Standard

Chuẩn mã hóa bảo mật nâng cao

truyền

LSB Least Significant Byte Byte có trọng số thấp nhất

Trang 10

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

Trang 11

14

Hình 1.1 Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay

Từ thực tế nêu trên, phát hiện sớm và cảnh báo cháy kịp thời có ý nghĩa rất lớn trong phòng chống cháy nổ, giúp hạn chế thiệt hại khi xảy ra hỏa hoạn

1.2 Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế

1.2.1 Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng

Cùng với sự hiện ñại hóa các ñô thị, các chung cư và nhà cao tầng ñược xây dựng, và hệ thống phòng cháy chữa cháy là một phần không thể thiếu trong thiết kế của một công trình Hiện nay, hệ thống báo cháy thường ñược sử dụng là hệ thống

báo cháy có dây, có thể có ñịa chỉ và ñược tổ chức theo mô hình sau:

Có thể thấy từ mô hình trên, hệ thống báo cháy phải ñược cấp nguồn riêng biệt

và không ñược phép mất nguồn, thường không có phần mềm giám sát thời gian thực trạng thái của hệ thống

Trang 12

15

Hoạt ñộng của hệ thống này như sau: Các ñầu báo cháy phát hiện nguy cơ cháy và cảnh báo bằng ánh sáng (ñèn nhấp nháy liên tục); tín hiệu cảnh báo ñược truyền về trung tâm báo cháy, trung tâm báo cháy kích hoạt tín hiệu cảnh báo bằng

âm thanh (còi hú, chuông) Như vậy, nếu xảy ra lỗi tại trung tâm báo cháy hoặc ñường truyền bị ñứt thì tín hiệu cảnh báo cháy từ ñầu báo cháy không ñược xử lý, những khu vực gần nơi xảy ra cháy không hề biết ñang có cháy xảy ra ðây là lỗi thường gặp trong những vụ cháy gây hậu quả nghiêm trọng do không có tín hiệu cảnh báo cháy kịp thời

Ngoài ra, hệ thống có cấu trúc phức tạp, phải cấp nguồn và truyền dẫn tín hiệu cho các ñầu báo cháy bằng dây cáp ñồng nên nguy cơ bị nhiễu rất cao Do ñó, cần phải thi công hệ ñồng bộ với hệ thống ñiện, nước trong công trình ðối với các tòa nhà chưa ñược trang bị hệ thống báo cháy tự ñộng, thì việc thi công mới rất khó có thể thực thực hiện

1.2.2 Hệ thống cảnh báo cháy rừng

Thực tế ở Việt Nam hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy rừng tự ñộng nào ñược triển khai Các vùng có nguy cơ cháy thường ñược dự báo bằng hệ thống quan trắc còn thiếu thốn của ngành khí tượng thủy văn nên chưa giám sát ñược từng khu vực cụ thể Công tác phòng chống cháy rừng chủ yếu phụ thuộc vào lực lượng kiểm lâm và lâm trường, do ñó hiệu quả không cao

1.3 ðặt yêu cầu bài toán

Từ những phân tích trên, hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây ñược xây dựng với những yêu cầu sau:

• Hoạt ñộng ổn ñịnh và tin cậy

• Nhỏ gọn, dễ thi công lắp ñặt

• 01 cặp pin AA dung lượng 2000mAh có thể cấp nguồn cho nút mạng cảm biến hoạt ñộng trong 02 năm

Trang 13

16

• Phạm vi sử dụng rộng rãi

• Có khả năng giám sát trạng thái hệ thống từ xa theo thời gian thực

ðể ñảm bảo các yêu cầu ñã ñặt ra, ñồ án sẽ ñược tiến hành lần lượt theo các bước sau :

• Nghiên cứu tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống báo cháy tự ñộng

• Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn IEEE802.15.4

• ðưa ra phương án thiết kế phù hợp với yêu cầu ñặt ra và ñiều kiện kỹ thuật ở Việt Nam

• Thiết kế và kiểm tra chất lượng, ñộ tin cậy của hệ thống

1.4 Phân tích các yêu cầu kỹ thuật

1.4.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng

ðể sản phẩm của ñề tài có thể ñược chấp nhận và ñược phép sử dụng rộng rãi trong thực tế thì các thiết bị phải thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000

về hệ thống báo cháy tự ñộng

“Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 ñược áp dụng cho các hệ thống báo cháy tự ñộng ñược trang bị tại các nhà máy, xí nghiệp, kho tàng, trụ sở làm việc, bệnh viện, trường học, rạp hát, khách sạn, chợ, trung tâm thương mại, doạnh trại lực lượng vũ trang và các công trình khác có nguy hiểm về cháy, nổ…” [1]

“Hệ thống báo cháy tự ñộng phải ñáp ứng những yêu cầu sau :

- Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng ñã ñược ñề ra;

- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo ñộng rõ ràng ñể những người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp;

- Có khả năng chống nhiễu tốt;

- Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống;

Trang 14

17

Bảng 1.1 Một số yếu cầu kỹ thuật ñối với ñầu báo cháy tự ñộng

ðặc tính kỹ thuật ðầu báo cháy nhiệt ðầu báo cháy khói ðầu báo cháy lửa Thời gian tác ñộng Không lớn hơn 120

giây

Không lớn hơn 30 giây

Không lớn hơn 5 giây Ngưỡng tác ñộng Từ 40oC ñến

170oC Sự gia tăng nhiệt ñộ trên

5oC/phút

ðộ che mờ khói từ 5 ñến 20%/m ñối với ñầu báo khói thông thường Từ 20 ñến 70%/m trên khoảng cách giữa ñầu phát

và ñầu thu của ñầu báo khói tia chiếu

Ngọn lửa trần cao 15mm, cách ñầu báo cháy 3m

ðộ ẩm không khí

tại nơi ñặt ñầu báo

cháy

Không lớn hơn 98%

Không lớn hơn 98% Không lớn hơn 98%

Nhiệt ñộ làm việc Từ -10oC ñến

+170oC

Từ -10oC ñến +50oC Từ -10oC ñến

+50oC Diện tích bảo vệ Từ 15m2 ñến 50m2 Lớn hơn 50m2 ñến

100m2

Hình chóp có góc

120o, chiều cao từ 3 ñến 7m

- Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác ñược lắp ñặt chung hoặc riêng rẽ;

- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện

ra cháy.” [1]

“Hệ thống báo cháy tự ñộng bao gồm các bộ phận cơ bản :

- Trung tâm báo cháy;

- ðầu báo cháy tự ñộng;

Trang 15

18

1.4.2 Một số yêu cầu kỹ thuật khác

Phần mềm quản lý hệ thống chạy trên hệ ñiều hành Windows và có một số yêu cầu phần cứng sau:

• CPU Intel Pentium4 3.0Ghz

Trang 16

hệ thống

2.1 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 tin, ñược sử dụng ñể giám sát các thông số môi trường như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm,

áp suất, nồng ñộ khí…mà trong ñó các nút mạng trao ñổi thông tin với nhau qua ñường truyền vô tuyến

2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây

2.1.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quát

Theo như khái niệm ở trên, có thể thấy rằng, một mạng cảm biến không dây là tập hợp rất nhiều các nút mạng giao tiếp với nhau qua ñường truyền vô tuyến theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, và trên mỗi nút mạng sẽ có các cảm biến ñể quan trắc các thông số môi trường

Trang 17

20

Gateway cĩ nhiệm vụ quản lý thơng tin về các nút trong mạng, đồng thời chuyển tiếp dữ liệu từ chuẩn giao thức IEEE802.15.4 của WSN sang chuẩn giao thức khác để kết nối WSN với hệ thống thu thập dữ liệu Số lượng các nút trong mạng cĩ thể lên tới hàng nghìn nút và được tổ chức theo nhiều mơ hình vật lý khác nhau như : mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hỗn hợp …

ðược tối ưu về mặt sử dụng năng lượng, các nút mạng sẽ được cấp nguồn bằng pin hoặc ắc quy và cĩ thể hoạt động liên tục trong vài năm mới phải thay nguồn cung cấp Các nút mạng được điều khiển bởi hệ điều hành nhúng trên nĩ, để thức dậy trong một thời gian ngắn đủ để xử lý dữ liệu, rồi chuyển sang trạng thái ngủ trong một thời gian dài, và lặp lại quá trình đĩ

Khi một nút mạng liên kết vào WSN, nĩ sẽ nhận một nút khác làm nút “cha“ của nĩ Nút “cha” cĩ nhiệm vụ lưu giữ bản tin gửi tới nút “con” khi nút “con” đang trong trạng thái ngủ; và khi nút “con” thức dậy, nĩ sẽ hỏi nút “cha” về bản tin dành cho nĩ Khi một nút “con” muốn gửi bản tin tới nút mạng khác, nĩ buộc phải gửi bản tin đĩ tới nút “cha”, sau đĩ nút “cha” cĩ nhiệm vụ định tuyến gĩi tin đến đích Như vậy, trạng thái chủ yếu trong một mạng cảm biến khơng dây là trạng thái ngủ, nhưng sự trao đổi thơng tin giữa các nút mạng với nhau vẫn được đảm bảo

2.1.2.2 Mạng cảm biến khơng dây ZigBee

ZigBee là một mơ hình mạng cảm biến khơng dây, định nghĩa lớp ứng dụng dựa trên mơ tả kỹ thuật của chuẩn giao thức IEEE 802.15.4 Hiện nay, tổ chức định nghĩa nên mơ hình mạng ZigBee đã cĩ trên 300 thành viên, là các tập đồn sản xuất bán dẫn và phát triển ứng dụng

Trong mơ hình mạng ZigBee, cĩ ba loại thiết bị mạng:

• Cordinator: đĩng vai trị là Gateway trong mơ hình WSN

- Trong một mạng ZigBee, cĩ duy nhất một Cordinator

- Cĩ nhiệm vụ lựa chọn kênh tần số và PAN_ID để khởi tạo WSN

- Cho phép router và end device liên kết vào mạng

Trang 18

21

Hình 2.2 Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee

- Hỗ trợ router trong việc ñịnh tuyến cho các bản tin

- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu cho các end device

- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục

• Router: là thiết bị trung gian, có chức năng ñệm dữ liệu, ñịnh tuyến và chuyển tiếp dữ liệu trong mạng

- Trong một mạng ZigBee có nhiều router

- Router phải liên kết vào mạng trước khi truyền, nhận và ñịnh tuyến bản tin

- Sau khi liên kết vào mạng, một router có thể cho phép end device hoặc router khác liên kết vào mạng

- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu cho các end device

- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục

• End device: là các nút mạng có gắn cảm biến

- Phải liên kết vào mạng trước khi truyền hoặc nhận dữ liệu

- Không có khả năng cho phép nút khác liên kết vào mạng

- Không có khả năng ñịnh tuyến dữ liệu Luôn nhận hoặc gửi dữ liệu thông qua Router hoặc Cordinator

Trang 19

Mỗi mạng ZigBee hoạt ñộng trên một kênh tần số cố ñịnh, sử dụng ñiều chế trải phổ trực tiếp - DSSS Trong tài liệu mô tả chuẩn giao thức IEEE802.15.4, dải tần số 2.4Ghz ñược chia thành 16 kênh nhỏ, mỗi mạng ZigBee phải lựa chọn một trong các kênh ñó ñể hoạt ñộng Nhằm tránh việc sử dụng trùng kênh tần số làm ảnh hưởng ñến quá trình trao ñổi thông tin, khi bắt ñầu khởi tạo một mạng ZigBee, Cordinator có nhiệm vụ quét 16 kênh tần số và tìm ra kênh ổn ñịnh nhất ñể hoạt ñộng

Mỗi nút mạng ZigBee có một ñịa chỉ MAC 64 bit duy nhất và một ñịa chỉ logic 16 bit ñược Cordinator cấp phát khi nó liên kết vào mạng ðịa chỉ logic 16 bit

sẽ ñược các nút mạng sử dụng ñể ñịnh tuyến bản tin trong mạng Trên mỗi nút mạng ñều có một bảng chứa ñịa chỉ của các nút mạng khác Khi gửi gói tin ñi, nếu ñịa chỉ ñích của gói tin là ñịa chỉ MAC 64 bit, nút mạng sẽ tra trong bảng ñịa chỉ của nó ñể tìm ra ñịa chỉ 16 bit; nếu không tìm thấy trong bảng ñịa chỉ, nút mạng sẽ tiến hành quảng bá trong mạng ñể tìm ra ñịa chỉ 16 bit của nút ñích

Khi một Router hoặc End device liên kết vào mạng, nó sẽ nhận nút mạng chuyển tiếp gói tin xin liên kết vào mạng làm nút “cha” của nó Việc truyền và nhận

dữ liệu luôn phải thông qua nút “cha”; cơ chế này ñảm bảo dữ liệu gửi ñến một nút mạng sẽ ñược lưu giữ ñến khi nào nút mạng ñó nhận ñược ñầy ñủ dữ liệu, ñồng thời làm giảm kích thước của bảng ñịnh tuyến trên mỗi nút mạng

ðể lựa chọn các ñường liên kết hai chiều tin cậy, mô hình mạng ZigBee sử dụng cơ chế trao ñổi thông tin trạng thái ñường liên kết Cordinator hoặc Router thường xuyên trao ñổi các bản tin về trạng thái ñường liên kết với các nút mạng

Trang 20

Trong mạng ZigBee, có ba thuật toán ñịnh tuyến ñược sử dụng ñể tìm ñường

ñi ñến ñích cho bản tin:

• Adhoc On-Demand Distance Vector (AODV) – ñịnh tuyến theo vector

khoảng cách: Bản tin ñược chuyển tiếp qua nhiều nút mạng ñể ñến ñích,

và một nút mạng biết ñược cần phải gửi bản tin ñến nút kế tiếp nào trong mạng

Hình 2.3 Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết

Hình 2.4 Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee

Trang 21

24

Hình 2.6 Nút mạng R3 tìm ñường ñi ñến nút mạng R6 theo thuật toán AODV

- Các nút mạng dựa vào bảng ñịnh tuyến của nó ñể xác ñịnh ñích tiếp theo của bản tin

- Khi nút mạng nguồn muốn tìm ñường ñi ñến nút ñích, nó phải gửi một gói tin quảng bá ra toàn mạng

- Gói tin do nút ñích trả về sẽ chứa thông tin về các ñường ñi ñến ñích,

và giá của mỗi tuyến ñường Nút nguồn sẽ chọn ñường ñi có giá tốt

nhất ñể gửi bản tin ñến ñích

• Many-to-One: ðược sử dụng trong mô hình mạng mà các nút mạng cần

phải gửi dữ liệu tới Server thu thập dữ liệu thông qua Gateway

Hình 2.5 Bảng ñịnh tuyến của một nút mạng WSN

Hình 2.7 Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm ñường cho nút mạng R3

Trang 22

25

Hình 2.8 Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Many-to-One

Hình 2.9 Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Source Routing

- Trong phương pháp ñịnh tuyến này, khi bắt ñầu khởi tạo mạng, Gateway chủ ñộng gửi bản tin quảng bá ra toàn mạng Khi bản tin ñi

qua một nút mạng trung gian, thông tin về ñường ñi ñến nút ñó ñược cập nhật vào bản tin Các nút mạng nhận ñược gói tin trên sẽ biết ñược ñường ñi ñến Gateway và lưu vào bảng ñịnh tuyến của nó

• Source Routing - ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn:

- Khi một nút mạng muốn gửi thông tin ñến nhiều nút trong mạng, nếu

sử dụng thuật toán ñịnh tuyến AODV thì quá trình tìm ñường ñi diễn

ra một cách liên tục, ñiều này làm giảm hiệu năng của mạng và gói tin

sẽ có thời gian trễ lớn ðể khắc phục nhược ñiểm của AODV, thuật toán ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn sẽ yêu cầu nút ñích gửi trả lại cho nút nguồn gói tin chứa thông tin về ñường ñi ñến ñích, và nút nguồn

sẽ lưu giữ ñường ñi ñó trong bảng ñịnh tuyến của nó

Trang 23

26

Hình 2.10 Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN

2.2 Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN

Từ những yêu cầu kỹ thuật ñối với hệ thống báo cháy tự ñộng và mô hình của mạng cảm biến không dây chuẩn ZigBee, hệ thống báo cháy tự ñộng sẽ ñược xây dựng theo mô hình sau:

Hệ thống bao gồm :

• Một mạng cảm biến không dây, các nút mạng có khả năng phát hiện cháy thông qua các cảm biến nhiệt ñộ, cảm biến khói, cảm biến nồng ñộ khí…; ñược tổ chức theo mô hình mạng ZigBee chuẩn IEEE802.15.4

• Một hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến về trung tâm và ngược lại

Trang 24

27

Hình 2.11 Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến

• Một phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy từ xa qua mạng Internet/GPRS/3G theo thời gian thực

2.2.1.Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến

Với chức năng phát hiện nguy cơ cháy, gửi bản tin cập nhật thông tin về trạng thái và quảng bá bản tin báo cháy, các nút mạng cảm biến cần ñược thiết kế với

những khối chức năng sau:

2.2.2 Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu

Trang 25

28

Vi ðiều Khiển

Module ZigBee

Khối Nguồn

Khối Cảm Biến

Khối Cảnh Báo Cháy

Khối Giao Tiếp Mạng Internet/

GPRS/3G

Hình 2.12 Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu

Với các khối chức năng như trên, hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến tới phần mềm quản lý hệ thống thông qua mạng Internet/GPRS/3G và ngược lại

Khi người sử dụng phần mềm gửi bản tin yêu cầu cập nhật trạng thái của mạng cảm biến, hệ nhúng sẽ tiến hành tách dữ liệu và xử lý, sau ñó gửi bản tin cho các nút mạng cảm biến thông qua một module truyền thông chuẩn ZigBee gắn trên

hệ nhúng

Các bản tin do nút mạng cảm biến trả về sẽ ñược hệ nhúng ñóng gói trong gói tin của giao thức mạng Internet/GPRS/3G ñể gửi về trung tâm Phần mềm quản lý

hệ thống ở trung tâm sẽ xử lý gói tin nhận ñược và cập nhật vào trong cơ sở dữ liệu

2.2.3 Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy

Trang 26

29

Hình 2.13 Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy

Phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy ñược xây dựng ñể giám sát trạng thái của mạng cảm biến theo thời gian thực ðể thuận tiện cho chức năng tìm kiếm

vị trí cũng như thông tin của từng nút mạng cảm biến, phần mềm quản lý sẽ ñược xây dựng theo mô hình bản ñồ số với các chức năng sau:

Như vậy, nội dung Chương 2 ñã ñề cập ñến những lý thuyết cơ bản về công nghệ mạng cảm biến không dây, mô hình và hoạt ñộng của mạng ZigBee Kết quả của quá trình nghiên cứu và phân tích hệ thống là ñưa ra ñược mô hình tổng quát của hệ thống, sơ ñồ khối và sơ ñồ chức năng của cách thành phần

Trang 27

30

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sau khi phân tích hệ thống và ñưa ra mô hình các thành phần trong hệ thống, nội dung của Chương 3 sẽ trình bày chi tiết thiết kế, sơ ñồ nguyên lý và phương thức hoạt ñộng của hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây

3.1 Thiết kế phần cứng

3.1.1 Thiết kế nút mạng cảm biến

3.1.1.1 Module WSN Xbee ZB ZigBee

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều loại module WSN, thông dụng nhất là các module sử dụng chuẩn truyền thông ZigBee sau:

Trang 28

31

Hình 3.1 Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International®

Trang 29

32

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee.

Dòng ñiện tiêu thụ ở chế ñộ ngủ < 1µA ở 25oC < 4µA ở 25oC

Phương pháp cấu hình và truyền dữ liệu Tập lệnh AT hoặc ñóng gói khung truyền

API

RPSMA

Wire, RPSMA

Phương pháp ñịa chỉ hóa thiết bị ðịa chỉ MAC 64 bit, 16 kênh truyền, PAN

ID

Mỗi sản phẩm ñều có ưu ñiểm và nhược ñiểm riêng, qua một thời gian tìm hiểu tính năng cũng như khả năng phát triển ứng dụng của một số loại module, em

ñã chọn module Xbee ZB ZigBee – một sản phẩm thương mại sử dụng chuẩn truyền

thông ZigBee, hoạt ñộng ở tần số 2.4Ghz của hãng Digi International®, có khả

năng giao tiếp với thiết bị chuẩn ZigBee của các hãng khác Bảng dưới ñây sẽ liệt

kê một số thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee:

Với những thông số kỹ thuật như trên, module Xbee ZB ZigBee rất phù hợp với những ứng dụng ñòi hỏi năng lượng tiêu thụ thấp, có thể sử dụng pin hoặc

Trang 30

33

Hình 3.2 Sơ ñồ chân của module XBee ZB ZigBee

Hình 3.3 Quá trình trao ñổi thông tin của module XBee

acquy làm nguồn cung cấp, có khả năng chống nhiễu với các thiết bị khác hoạt ñộng trên cùng dải tần số, cấu hình mạng ñơn giản và hoạt ñộng tin cậy Dưới ñây là sơ

ñồ chân và chức năng từng chân của module XBee ZB ZigBee

Theo tài liệu mô tả kỹ thuật của hãng Digi International®, module XBee chỉ

có thể giao tiếp với vi ñiều khiển hoặc máy tính thông qua giao thức UART, dữ liệu trao ñổi có thể ở dạng các kí tự ñiều khiển trong tập lệnh AT hoặc ñược ñóng gói thành khung tin API

• Dữ liệu cần truyền ñi sẽ ñược ñưa vào chân DIN của module XBee

• Module XBee sẽ gửi dữ liệu cho vi ñiều khiển hoặc máy tính qua chân

DOUT

• Khi dữ liệu trong bộ ñệm phát của module XBee bị ñầy, chân CTS sẽ

ñược chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao, báo hiệu vi ñiều khiển

Trang 31

34

Hình 3.4 Trạng thái của chân SLEEP_RQ và ON/SLEEP theo thời gian

Hình 3.5 Cấu trúc của một câu lệnh sử dụng tập lệnh AT

tạm ngừng quá trình gửi dữ liệu cho module XBee

• Khi vi ñiều khiển muốn nhận dữ liệu từ module XBee, chân RTS sẽ ñược

vi ñiều khiển chuyển trạng thái từ mức logic cao về mức logic thấp, báo hiệu cho module XBee bắt ñầu gửi dữ liệu cho vi ñiều khiển

• Khi module XBee ở trạng thái thức, chân ON/SLEEP sẽ ở mức logic cao Ngược lại, khi module ở trạng thái ngủ, chân ON/SLEEP sẽ ở mức logic thấp Như vậy, có thể sử dụng chân ON/SLEEP ñể ñánh thức hoặc

ñưa vi ñiều khiển về trạng thái ngủ cùng với module XBee nhằm giảm

năng lượng tiêu thụ

• Chân SLEEP_RQ nối với cổng ngoại vi của vi ñiều khiển, dùng ñể ñiều

khiển quá trình ngủ/thức của module XBee Khi có cháy xảy ra, vi ñiều khiển sẽ bị ñánh thức trước, ngay sau ñó, nó ñánh thức module XBee và tiến hành quảng bá bản tin báo cháy ra toàn mạng

ðể module XBee hoạt ñộng ở chế ñộ trao ñổi dữ liệu theo tập lệnh AT, cần thực hiện các thao tác sau:

• Không gửi kí tự nào cho module XBee trong thời gian 1 giây

• Gửi chuỗi kí tự “ +++ “ trong thời gian 1 giây

• Không gửi kí tự nào trong thời gian 1 giây

• Khi module XBee trả về kí tự “OK“, việc trao ñổi dữ liệu theo tập lệnh

AT có thể bắt ñầu Cấu trúc một câu lệnh sử dụng tập lệnh AT như sau:

Trang 32

35

Hình 3.6 Cấu trúc dữ liệu của khung tin API

- “AT”: tiền tố của tập lệnh AT

- ASCII Command: mã ASCII của một lệnh trong tập lệnh AT

- Space: dấu khoảng trắng

- Parameter: thông số cấu hình cho module, giá trị ở dạng hexa

- Carriage Return: dấu Enter

- Ví dụ: câu lệnh “ATID 234“ dùng ñể thiết lập giá trị PAN_ID =“234” cho module XBee

• ðể thoát khỏi chế ñộ sử dụng tập lệnh AT, cần gửi cho module XBee lệnh “ATCN“

Như vậy, việc trao ñổi dữ liệu bằng cách sử dụng tập lệnh AT là khá phức tạp

và tốn nhiều thời gian, không thể gửi dữ liệu ñi dưới dạng quảng bá cho nhiều nút mạng Với những ưu ñiểm của việc trao ñổi dữ liệu theo khung tin API ñược chỉ ra sau ñây, module XBee sẽ ñược cấu hình hoạt ñộng ở chế ñộ ñóng gói dữ liệu theo khung tin API

Với cách ñóng gói dữ liệu theo khung truyền API, chỉ cần cấu hình thông số cho module XBee một lần duy nhất, và thông tin trao ñổi giữa vi ñiều khiển PIC với module XBee sẽ ñược truyền liên tục theo cấu trúc khung như sau:

• Start Delimiter: byte báo hiệu bắt ñầu khung truyền, có giá trị cố ñịnh ở

hệ hexa là 0x7E

Trang 33

36

Bảng 3.2 Các loại khung tin API.

Explicit Addressing ZigBee Command Frame 0x11

• Length: gồm 02 byte, chỉ ñộ dài trường dữ liệu của khung tin API, ñược

tính từ sau byte LSB ñến trước byte Checksum

• Frame data: dữ liệu của khung tin API, ñược ñịnh nghĩa cho từng loại

khung dữ liệu, trong ñó có ñịa chỉ của nút mạng, dữ liệu cần truyền ñi hoặc nhận ñược, và một số byte ñiều khiển

- API Identifier hay cmdID: byte ñiều khiển, báo hiệu loại khung tin

API