XÂY DỰNG HỆ THỐNG AN TOÀN ĐƯỜNG SẮT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP Đề tài: XÂY DỰNG HỆ THỐNG AN TOÀN ĐƯỜNG SẮT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Sinh viên thực hiện: HOÀNG LÊ MINH Lớp ĐT03 - K51 Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN Hà Nội, 2-2011 Mục lục 1. Mở đầu 4 2. Thiết kế hệ thống 16 3. Kết quả đã đạt được 23 4. Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới 25 5. Tài liệu tham khảo 26 2 Danh mục hình vẽ Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến 6 Hình 2-2 Sơ đồ khối module thu phát RF 16 Hình 2-3 Sơ đồ khối module MRF24J40MA 17 Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ thống 18 Hình 2-5 Sơ đồ khối node cảm biến 19 Hình 2-6 Sơ đồ khối node thu phát trung gian 19 Hình 2-7 Sơ đồ khối node điều khiển barrier 20 Hình 2-8 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 21 Hình 2-9 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 22 Hình 2-10 Sơ đồ trạng thái của node điều khiển barrier 23 Hình 3-11 Mạch thu phát [1] 24 Hình 3-12 Mạch thu phát [2] 24 Hình 3-13 Mạch thu phát [3] 25 Hình 3-14 Kết nối với máy tính 25 3 1. Mở đầu Hệ thống đường sắt ở Việt Nam hiện nay còn tồn đọng rất nhiều vấn đề đặc biệt là về an toàn đường sắt. Nhiều đoạn đường sắt có giao cắt với đường dân sinh mà không hề có rào chắn hoặc nếu có thì cũng do người trực điều khiển bằng tay do đó độ an toàn và tin cậy không cao. Rất nhiều những vụ tai nạn thương tâm đã xảy ra do những thiếu thốn về cơ sở vật chất này. Có thể thấy rằng việc xây dựng một hệ thống tự động có khả năng phát hiện tàu tới và điều khiển đóng mở rào chắn cũng như kết hợp với cảnh báo người đi lại bằng âm thanh là yêu cầu rất cấp thiết hiện nay. Trong quá trình thực tập tại phòng Lab C9 - 411 khoa Viện Điện Tử Viễn Thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã tham gia nhóm nghiên cứu về mạng cảm biến không dây (WSN) dựa trên chuẩn truyền thông không dây 802.15.4. Với ưu điểm là các thiết bị thu phát theo chuẩn này tiêu thụ năng lượng rất thấp, tốc độ dữ liệu không cao, chi phí cho phần cứng thấp có khả năng tạo mạng với số lượng node lớn nên công nghệ này rất thích hợp khi áp dụng vào việc xây dựng hệ thống an toàn đường sắt. 1.1. Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các thông số về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát. Các node cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến. Các thành phần của node cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm 4 biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng. Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu. Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây. Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau: − Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến multihop. − Được triển khai với mật độ sensor lớn. − Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc và fadinh và hư hỏng ở các node. − Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả năng xử lý và dung lượng nhớ. − Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng. − Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế hoặc xác định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa hình phức tạp. − Khả năng phối hợp giữa các node cảm biến: các node cảm biến có gắn bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì chúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản. 5 1.2. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1. Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các sink. Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như hình dưới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy từ một vài node cảm biến trong mạng. Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống. Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau: Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi 6 trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không hoạt động. Khả năng mở rộng: số lượng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node này. Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lượng lớn các node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp. Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây. Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai node có thể bị ảnh hưởng trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn. Lúc này, mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này. Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các node cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường… Môi trường hoạt động: các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở bên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm. Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này. Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng 7 hàng chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m 3 . Do số lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định. Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5 Ah, 1.2 V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc, mỗi một node đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục trặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng. Bảo mật: các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng. Các hoạt động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể được sử dụng để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả năng giữ bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ bảo mật trở nên rất quan trọng. không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm tăng chi phí về năng lượng và băng thông. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi. 1.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 1.3.1. Cấu trúc phẳng Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng. 8 Hình 1-1 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến Với phạm vi truyền cố định, các node 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 để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số. 1.3.2. Cấu trúc tầng Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm được tạo ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một node định sẵn, thường gọi là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn. Hình 1-2 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến 9 Hình 1-3 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6) Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so với cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau: − Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất. Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất. Mỗi node chỉ cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ. − Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thới gian dài, các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng. − Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các node yêu cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông. 10 [...]... giữa các node trong mạng cảm biến không dây, phục vụ cho việc báo hiệu trong hệ thống an toàn đường sắt 2.2 Sơ đồ khối − Các node mạng sử dụng trong hệ thống an toàn đường sắt được chia làm 2 loại: + Node cảm biến : sử dụng nhằm mục đích phát hiện tàu hỏa sắp đến vị trí có đường giao cắt (nơi đặt barrier) + Node thu phát trung gian + Node điều khiển barrier : được đặt tại vị trí có đường giao cắt để... barrier dựa trên tín hiệu báo hiệu từ các sensor Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ thống 18 2.2.1 Node cảm biến Hình 2-5 Sơ đồ khối node cảm biến 2.2.2 Node trung gian Hình 2-6 Sơ đồ khối node thu phát trung gian 19 2.2.3 Node điều khiển barier Hình 2-7 Sơ đồ khối node điều khiển barrier 2.3 Cơ chế hoạt động 2.3.1 Node cảm biến 20 Hình 2-8 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 2.3.2 Node thu phát trung gian 21 Hình... ty đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển của ZigBee Chăm sóc sức khỏe, bao gồm Motorola, Phillips, Freescale Semiconductor, Awarepoint và công nghệ RF − ZigBee xây dựng tự động: + Điều khiển: 14 • Tích hợp và tập trung quản lý chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an ninh • Tự động kiểm soát nhiều hệ thống để cải thiện tính linh hoạt và an ninh + Linh hoạt: • Cấu hình lại hệ thống chiếu sáng một cách nhanh... thống chiếu sáng một cách nhanh chóng để tạo ra không gian làm việc thích nghi • Mở rộng và nâng cấp xây dựng cơ sở hạ tầng + An toàn: • Mạng và tích hợp dữ liệu từ các điểm kiểm soát truy cập nhiều chiều • Triển khai mạng lưới giám sát không dây để tăng cường bảo vệ vòng ngoài − ZigBee dịch vụ viễn thông + ZigBee Dịch vụ viễn thông cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép... kết quả trên của sổ terminal: Hình 3-14 Kết nối với máy tính 4 Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới − Khảo sát các loại cảm biến có thể sử dụng để phát hiện tàu hỏa để tích hợp vào hệ thống 25 − − Tiếp tục nghiên cứu về lý thuyết chuẩn truyền thông 802.15.4 và cách sử dụng module thu phát MRF24J40MA từ đó tiến hành xây dựng mạng với số lượng node lớn hơn Hoàn thiện cơ chế hoạt động của hệ thống. .. đĩa cứng, khóa USB,đồng hồ, với điện thoại di động, máy tính Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB, EnOcean 1.4.2 Khái niệm ZigBee − Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz Cái tên Zigbee được xuất... việc tương thích giữa các chức năng trong mạng có thể đạt được Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về các tiện ích về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng 1.4 Khái quát về ZIGBEE / IEEE 802.15.4 1.4.1 Khái quát về mạng WPAN WPAN là mạng vô tuyến cá nhân Nhóm này bao gồm các công nghệ vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa Các công nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết... tiễn: + Bổ sung node cảm biến để giảm thiểu khả năng nhầm lẫn tàu và các vật thể khác cũng như ước lượng tốc độ di chuyển của tàu để điều chỉnh tốc độ đóng barrier cho phù hợp + Giảm công suất tiêu thụ của hệ thống (đặc biệt là tại node cảm biến và node thu phát trung gian) bằng cách cho phép các node ngủ với chu kỳ phù hợp 5 Tài liệu tham khảo [1] ZigBee2006 Application Note AN1 232A [2] SinemColeriErgen,... chuẩn toàn cầu cho các sản phẩm tương thích cho phép một loạt các dịch vụ giá trị gia tăng, bao gồm giao thông, chơi game di động, dịch vụ dựa trên địa điểm, thanh toán di động an toàn, quảng cáo di động, thanh toán khu vực, tiếp cận văn phòng di động kiểm soát, thanh toán, và peer-to-peer dịch vụ chia sẻ dữ liệu Điều này tiêu chuẩn duy nhất cung cấp một cách hợp lý và dễ dàng để giới thiệu dịch vụ sáng... thông minh có thể kiểm soát thiết bị, chiếu sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee Nhà thông minh cho phép người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì Zigbee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng của các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà sản xuất sản phẩm khi