Nghiên cứu và xây dựng cụm cảm biến sử dụng cho hệ thống cảnh báo sạt lở đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - NGUYỄN VĂN HÙNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã Số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Cán hƣớng dẫn: PGS.TS TRẦN ĐỨC TÂN Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian làm nghiên cứu liên tục nghiêm túc, với hướng dẫn tận tình cán hướng dẫn khoa học, thầy cô khoa, giúp đỡ học viên lớp bạn đồng nghiệp, đến luận văn hoàn thành Qua xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Tân, người thầy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian làm luận văn Tôi xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô, anh/chị khoa Điện tử viễn thông Trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ, bảo cho lời khuyên quý báu Tôi xin cảm ơn hỗ trợ đề tài cấp ĐHQGHN mã số QG.14-05 Tôi xin cảm ơn gia đình, bè bạn ủng hộ vật chất lẫn tinh thần thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu Mặc dù hướng dẫn tận tình cán hướng dẫn với nỗ lực cố gắng thân; song phần kiến thức hạn chế, phần điều kiện tiếp xúc thực tế chưa nhiều, nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót định Vì thế, mong tiếp tục giúp đỡ, góp ý nhiệt tình quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày tháng Học viên năm 2015 Nguyễn Văn Hùng LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Văn Hùng Sinh ngày 26 tháng 28 năm 1983 Học viên lớp Cao học khoá – Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại học Công Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội Hiện công tác khoa Điện – Trường Cao đẳng nghề Thừa Thiên Huế Tôi xin cam đoan toàn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trần Đức Tân, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Văn Hùng MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TÓM TẮT CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƢỢNG SẠT LỞ ĐẤT 10 1.1 Tổng quan tượng sạt lở đất 10 1.2 Mạng cảm biến không dây phát sạt lở đất 11 1.2.1 Giới thiệu mạng WSN 11 1.2.2 Cấu trúc mạng WSN 12 1.2.3 Kiến trúc giao thức mạng WSN 12 CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT 14 2.1 Phần cứng 14 2.1.1 Sơ đồ khối 14 2.1.2 Các khối sơ đồ 14 2.1.3 Các loại cảm biến thiết bị dùng phát sạt lở đất 16 2.1.3.1 Các loại cảm biến 16 2.1.3.2 Các thiết bị thường dùng phát hiện, cảnh báo sạt lở đất 18 2.2 Phần mềm thu thập liệu cảm biến 21 2.2.1 Chương trình Waspmote IDE 21 2.2.2 Chương trình Visual Studio 25 2.2.2.1 Ứng dụng Visual Studio 25 2.2.2.2 Chương trình Visual Studio (phụ lục) 25 2.3 Truyền thông mạng WSN 25 2.4 Mô hình dự đoán trượt lở đất 26 2.4.1 Giới thiệu 26 2.4.2 Độ dốc ổn định 29 2.4.3 Tính chất thủy văn đồi dốc 33 2.4.4 Ngưỡng lượng mưa đồi dốc không ổn định 37 2.4.5 Mô thí nghiệm 39 2.4.6 Sự phát triển quy mô đồi dốc theo thời gian 40 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 44 3.1 Mô mạng WSN dùng Omnet++ 44 3.1.1 Công cụ mô OMNeT++ 44 3.1.2 Mô hình truyền gói tin 45 3.1.3 Xây dựng mô hình mô 46 3.1.4 Kịch kết thực nghiệm mô 46 3.2 Thực nghiệm kiểm chứng 49 3.2.1 Thực nghiệm phòng 49 3.2.2 Thực nghiệm trời 51 3.3 Nâng cao thời gian hoạt động hệ thống 54 3.4 Thảo luận 55 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT DÃY TỪ TIẾNG ANH DÃY TỪ TIẾNG VIỆT Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây GIS Geographic Information System Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số DAC Digital -to- Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự RF Radio Frequency Tần số vô tuyến API Application Interface WSN MEMS Programming Micro-electro-mechanical systems Hệ thống vi điện tử Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM Global System Communications GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Integrated Environment Môi trường phát triển tích hợp IDE OMNet BER IIS UART for Giao diện lập trình ứng dụng Development Objective Modular Testbed in C++ Network Ứng dụng mô hoạt động mạng Bit Error Ratio Tỉ số lỗi/bit Internet Information Server Web server hiển thị thông tin internet Universal Asynchronous Truyền nhận liệu không đồng Receiver/Transmitter DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1: Điện áp Offset độ nhạy 48 Bảng 3.2: Kịch thực nghiệm đo lường phòng thí nghiệm 49 Bảng 3.3: Số lượng gói tin truyền - nhận trình thực nghiệm phòng 51 Bảng 3.4: Kịch thực nghiệm đo lường trời 51 Bảng 3.5: Số lượng gói tin truyền - nhận trình thực nghiệm trời 54 Bảng 3.6: Công suất tiêu thụ điện nút cảm biến 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hiện trường vụ sạt lở đất 10 Hình 1.2: Minh họa việc lắp đặt hộp cảm biến kết nối thành mạng 11 Hình 1.3: Cấu trúc chung mạng WSN 12 Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng WSN 13 Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết bị phát sạt lở đất 14 Hình 2.2: Pin 6600mAh 15 Hình 2.3: Thiết bị XBEE 15 Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35 16 Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ 17 Hình 2.6: Sơ đồ khối sơ đồ chân cảm biến ADXL335 17 Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm 6440 18 Hình 2.8: Cấu trúc chung nút cảm biến 19 Hình 2.9: Bộ Waspmote 20 Hình 2.10: Mô tả phương thức truyền thông 26 Hình 2.11: Mô địa hình đồi dốc 29 Hình 2.12: Cân vỏ đất để thay đổi tỷ lệ độ dốc tương đối tanθ/tanΦ' 32 Hình 2.13: Mô hình độ nhạy tỷ lệ độ rỗng e cho mức độ trạng thái đất bão hòa bên mực nước ngầm: (a) khô, (b c) trung gian, (d) bão hoà 33 Hình 2.14: Phác thảo lưu vực 33 Hình 2.15: Chiều cao mực nước ngầm so với thời gian mưa khác theo a/b điều kiện quy định 36 Hình 2.16: Dòng chảy tạo so với thời gian mưa khác theo a/b điều kiện quy định 36 Hình 2.17: Giá trị cường độ mưa so với thời gian cho giá trị khác tỷ lệ độ dốc tương đối thông số quy định đất e, Sr Gs 38 Hình 2.18: Đường biểu diễn mối quan hệ tỉ lệ lượng mưa thời gian mưa với đường cong IDF biểu diễn giai đoạn trở lại sạt lở đồi dốc 42 Hình 3.1: Các module đơn giản kết hợp 45 Hình 3.2: Truyền message 45 Hình 3.3: Độ ẩm thu 47 Hình 3.4: Giá trị thực nghiệm gia tốc trục y điều kiện tĩnh 48 Hình 3.5: Giao diện quản lý liệu trang web 49 Hình 3.6: Mô hình thực nghiệm hệ thống WSNs thí nghiệm phòng 50 Hình 3.7: Số lượng gói tin nhận trình thực nghiệm phòng 50 Hình 3.8: Số lượng gói tin gửi trình thực nghiệm phòng 51 Hình 3.9: Mô hình thực tế hệ thống WSNs thí nghiệm phòng 51 Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm hệ thống WSNs thí nghiệm trời 52 Hình 3.11: Số lượng gói tin nhận trình thực nghiệm trời 53 Hình 3.12: Số lượng gói tin gửi trình thực nghiệm trời 53 Hình 3.13: Mô hình thực tế hệ thống WSNs thực nghiệm trời 54 Hình 3.14: Mô hình phương thức truyền liệu 55 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO A., Berti, M., Bicocchi, N., Castelli, G., Corsini, A., Mamei, M., & Zambonelli, F (2011) Landslide monitoring with sensor networks: experiences and lessons learnt from a real-world deployment International Journal of Sensor Networks, 10(3), 111-122 Ramesh, M V., & Vasudevan, N (2012) The deployment of deep-earth sensor probes for landslide detection Landslides, 9(4), 457-474 Texas Intrusment, 2013, LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors www.ti.com Datasheet Dir, Precision ±18 G Single-/Dual-Axis IMEMS Accelerometer, www.datasheetdir.com/ADW22035+Accelerometer Digi [Online] www.digi.com/pdf/ds_xstreammodule.pdf Gary Johnson, Richard Jennings, 2006, LabVIEW Graphical Programming, McGraw-Hill Professional, 4th edition , 608 pages Frank R 2013 Understanding smart sensors Artech House L M Ha, Tran Duc Tan, N T Long, N D Duc, N P Thuy, Errors Determination Of The MEMS IMU, Journal of Science, Đại học Quốc gia Hà nội, ISSN 0866-8612, 2007, pp 6-12 Chen, Feng, et al "Simulation study of IEEE 802.15 LR‐ WPAN for industrial applications." Wireless Communications and Mobile Computing 10.5 (2010): 609-621 10 Dinh-Chinh Nguyen, Duc-Nghia Tran, Tran Duc-Tan, Application of Compressed Sensing in Effective Power Consumption of WSN for Landslide Scenario, Asia Pacific Conference on Multimedia and Broadcasting, pp 111-115, April 2015 11 Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc Nghia, Le Ngoc Hoan, Ta Duc Tuyen, Pham Anh Tuan, Tran Duc Tan, Multi-sensors integration for landslide monitoring application, VNU Journal of Science – Natural Science and Technology, Vol 30, No 6S-B, 2014, pp 202-210 12 Rosso, Renzo, Maria Cristina Rulli, and Giovanni Vannucchi "A physically based model for the hydrologic control on shallow landsliding." Water Resources Research 42.6 (2006) 13 Nguyen Dinh Chinh, Tran Duc-Tan, Energy Efficiency Scheme for Wireless Sensor Network based Landslide Monitoring System, International Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT), Feb ~ Feb 6, 2015, Vietnam