Xây dựng hệ thống giám sát an ninh cảnh báo cháy nổ và điều khiển thiết bị thông qua mạng cảm biến không dây

MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU .3 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .4 1.1 Giới thiệu chung mạng cảm biến không dây .4 CHƯƠNG XÂYDỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT AN NINH, BÁO CHÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THÔNG QUA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật với tiến vượt bậc công nghệ chế tạo tạo điều kiện cho hệ mạng đời mạng cảm biến không dây Với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng đa chức năng, mạng cảm biến không dây nghiên cứu, phát triển ứng dụng sâu rộng đời sống hàng ngày khắp lĩnh vực y tế, quân sự, môi trường, giao thông Một nội dung triển khai Dự án “Exploring future university development cooperation in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest and seed approach”- mã số ZEIN2011Z099 nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây vào thực tiễn em nghiên cứu lựa chọn đề tài "Xây dựng hệ thống giám sát an ninh, cảnh báo cháy nổ điều khiển thiết bị thông qua mạng cảm biến không dây" để làm đề đồ án tốt nghiệp Trong trình thực đồ án tốt nghiệp tránh khỏi sơ suất Vì vậy, em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2013 Sinh viên Võ Duy Dũng CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Giới thiệu chung mạng cảm biến không dây Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa công thức đơn giản sau: Cảm nhận + CPU + Radio = WSN Từ công thức đơn giản trên, nhiều ứng dụng xuất Tuy nhiên, việc kết hợp cảm biến, radios, CPU vào mạng cảm nhận không dây (wireless sensor network-WSN) đòi hỏi hiểu biết chi tiết khả giới hạn thành phần phần cứng, hiểu rõ công nghệ mạng đại, lý thuyết phân bố hệ thống Một thách thức ánh xạ toàn yêu cầu hệ thống vào thiết bị riêng lẻ Để làm cho WSN trở nên thực tế, kiến trúc cần phát triển để tổng hợp ứng dụng dựa khả phần cứng Để phát triển kiến trúc hệ thống cần từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống yêu cầu phần cứng mức thấp Để giới hạn số ứng dụng phải xem xét, cần tập trung vào tập dạng ứng dụng sử dụng nhiều thực tế Sử dụng dạng ứng dụng để tìm yêu cầu mức hệ thống cho toàn kiến trúc Từ yêu cầu mức hệ thống này, có yêu cầu cho nút mạng riêng lẻ 1.1.1 Mô tả hệ thống mạng cảm biến không dây Hình 1 Hệ thống mạng cảm biến không dây Các mạng cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn node có khả tốt làm node trung tâm, tất node loại truyền node xử lý Nhờ vậy, lượng băng thông kênh truyền đc sử dụng hiệu Tuy nhiên, thấy cấu trúc mạng phức tạp giao thức phân chia Cluster định tuyến trở nên khó khăn Một vài đặc điểm mạng cảm biến: - Các node phân bố dày đặc - Các node dễ bị hư hỏng - Giao thức mạng thay đổi thường xuyên - Node mạng bị hạn chế công suất, khả tính toán nhớ - Các Node không đc đồng toàn hệ thống số lượng lớn node 1.1.2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây Cảm biến thường chia thành nhiều nhóm chức như: cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học, quang, chất lỏng, sóng siêu âm đưa bên môi trường nguy hại, nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóa chất độc hại, hệ thống robot tự động hay hệ thống nhà xưởng sản xuất…Nhờ đó, mà mạng cảm biến ứng dụng cách rộng rãi nhiều lĩnh vực sống a Những ứng dụng quân sự, an ninh Với kích thước nhỏ gọn, đặc tính triển khai nhanh kèm khả tự cấu hình chịu lỗi, nút cảm biến trở thành cấu phần quan trọng tích hợp hệ thống điều khiển, giám sát, tính toán, theo dõi mục tiêu quân đánh giá mức độ nguy hiểm chiến trường, phát hiện, thám việc công vũ khí hóa học, sinh học, hạt nhân, điều khiển tự động thiết bị, robot… Hình Ứng dụng mạng cảm biến không dây quân b Những ứng dụng thiên nhiên, môi trường Một vài ứng dụng môi trường mạng cảm biến dùng để theo dõi di cư loài chim, động vật nhỏ, loại côn trùng, theo dõi điều kiện môi trường mà ảnh hưởng đến mùa màng vật nuôi, việc tưới tiêu, phát lũ lụt, cháy rừng, ô nhiễm khí Cảnh báo lũ lụt: Với số lượng lớn cảm biến lượng mưa, mực nước, độ ẩm liệu môi trường truyền trung tâm để phân tích, xử lý đưa cảnh báo kịp thời Những hệ thống cảnh báo lũ triển khai nhiều nơi giới, đặc biệt thành công thị trường Mỹ Hình Ứng dụng mạng cảm biên không dây thiên nhiên, môi trường Phát sớm thảm họa cháy rừng: Cũng tương tự hệ thống cảnh báo lũ, việc phát tán nút cảm biến rừng, thông tin khác liên quan đến cháy nhiệt độ, nồng độ khói, tốc độ gió, độ ẩm báo trung tâm xảy hỏa hoạn, giúp cho việc ngăn ngừa, khoanh vùng kiểm soát cách kịp thời c Những ứng dụng y học Hình Ứng dụng mạng cảm biến không dây Y học Một vài ứng dụng sức khỏe mạng cảm biến giám sát bệnh nhân, triệu chứng, quản lý thuốc bệnh viện, giám sát chuyển động xử lý bên côn trùng động vật nhỏ khác, theo dõi kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bệnh viện, bệnh nhân gắn nút cảm biến nhỏ nhẹ, nút cảm biến có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim cảm biến khác phát áp suất máu, bác sĩ mang nút cảm biến bác sĩ khác xác định vị trí họ bệnh viện Những ứng dụng giao thông Các cảm biến gắn phương tiện giao thông để chúng xác định vị trí nhau, nhận biết biển báo, từ định tuyến nhằm giảm thiểu ách tắc, tai nạn giao thông giúp cho việc điều khiển luồng tốt d Ứng dụng nông nghiệp Quản lý vụ mùa, sinh trưởng trồng vật nuôi: Các cảm biến dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng nhiều điểm ruộng truyền liệu mà chúng thu trung tâm để người nông dân theo dõi, chăm sóc điều chỉnh việc chăm bón, tưới nước cho phù hợp e Ứng dụng gia đình Các mạng cảm biến không dây sử dụng để kiểm soát nhiệt độ độ ẩm bên nhà đại Hơn nữa, thông tin dịch chuyển hoạt động diễn bên tòa nhà lưu trữ thông báo lại cho chủ nhà qua email, tin nhắn di động tự điều chỉnh, xử lý qua hệ thống máy chủ nhà 1.2 Cấu trúc mạng cảm biến không dây Các node cảm biến phân bố trường sensor hình 1.1 Mỗi node cảm biến có khả thu thập liệu định tuyến lại đến sink Dữ liệu định tuyến lại đến sink cấu trúc đa điểm hình node sink giao tiếp với node quản lý nhiệm vụ (task manager node) qua mạng Internet vệ tinh Sink thực thể, thông tin yêu cầu Sink thực thể bên mạng (là node cảm biến) mạng Thực thể mạng thiết bị thực ví dụ máy tính xách tay mà tương tác với mạng cảm biến, đơn gateway mà nối với mạng khác lớn Internet nơi mà yêu cầu thực thông tin lấy từ vài node cảm biến mạng Hình Cấu trúc mạng cảm biến không dây Như ta biết, đặc điểm mạng cảm biến bao gồm số lượng lớn node cảm biến, node cảm biến có giới hạn ràng buộc tài nguyên đặc biệt lượng khắc khe Do đó, cấu trúc mạng có đặc điểm khác với mạng truyền thống Sau đây, ta phân tích số đặc điểm bật mạng cảm biến sau: Khả chịu lỗi: số node cảm biến không hoạt động thiếu lượng, hư hỏng vật lý ảnh hưởng môi trường Khả chịu lỗi thể việc mạng hoạt động bình thường, trì chức số node mạng không hoạt động Khả mở rộng: số lượng node cảm biến tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, có lên đến hàng triệu Do cấu trúc mạng phải có khả mở rộng để làm việc với số lượng lớn node Giá thành sản xuất: mạng cảm biến bao gồm cố lượng lớn node cảm biến phí node quan trọng việc điều chỉnh chi phí toàn mạng Nếu chi phí toàn mạng đắt chi phí triển khai sensor theo kiểu truyền thống, mạng giá thành hợp lý Do vậy, chi phí node cảm biến phải giữ mức thấp Dễ triển khai: ưu điểm quan trọng mạng cảm biến không dây Người sử dụng không cần phải hiểu mạng chế truyền thông làm việc với WSN Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải tự cấu hình Thêm vào đó, truyền thông hai node bị ảnh hưởng suốt thời gian sống thay đổi vị trí hay đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả tự cấu hình lại để khắc phục điều Ràng buộc phần cứng: mạng có số lượng lớn node cảm biến nên chúng phải có ràng buộc với phần cứng: kích thước phải nhỏ, tiêu thụ lượng, có khả hoạt động nơi có mật độ cao, hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường… Môi trường hoạt động: node cảm biến thiết lập dày đặc, gần trực tiếp bên tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làm việc mà không cần giám sát vùng xa xôi Chúng làm việc bên máy móc lớn, điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm Phương tiện truyền dẫn: mạng cảm biến multihop, node mạng giao tiếp với sóng vô tuyến, hồng ngoại phương tiện quang học Các phương tiện truyền dẫn phải chọn phù hợp toàn giới để thiết lập hoạt động thống mạng Cấu hình mạng cảm biến: mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node triển khai trường cảm biến Chúng triển khai vòng hàng chục feet node Mật độ node lên tới 20 node/m Do số lượng node cảm biến lớn nên cần phải thiết lập cấu hình ổn định Sự tiêu thụ lượng: node cảm biến không dây, coi thiết bị vi điện tử trang bị nguồn lượng giới hạn (