Xuất phát từ các điều kiện thực tế này và được sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS.Phạm Việt Thành em đã tiến hành lựa chọn đề tài và nghiên cứu thiết kế hệ thống nhằm phát hiện ra đ
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-o0o -
Nguyễn Hồng Thắng
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG
TRÊN NỀN TẢNG MẠNG VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS Phạm Việt Thành
Hà Nội 08/2015
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ: Tất cả các số liệu tính toán và thực nghiệm trong luận văn đều do em và các bạn trong nhóm cùng thực hiện, các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn hợp pháp
Tác giả
Nguyễn Hồng Thắng
Trang 3TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên Đề Tài:
Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy tự động trên nền tảng mạng viễn thông
Tác giả luận văn: Nguyễn Hồng Thắng Khóa: 2013B
Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Việt Thành
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài:
Trong nhiều năm trở lại đây khu vực thành phố Hà Nội thỉnh thoảng lại xảy ra các vụ cháy lớn tại các tòa nhà cao tầng Các đám cháy này thường khó ngăn chặn, gây nhiều thiệt hại lớn Từ thực tế này đặt ra một vấn đề lớn cho công tác phòng cháy chữa cháy
hiện nay là việc phát hiện cảnh báo cháy và khoanh vùng đám cháy phải thật kịp thời
để giảm thiệt hại Bên cạnh đó một số hệ thống báo cháy chữa cháy đang phổ biến tại nước ta hiện nay vẫn còn nhiều bất cập như chưa dễ phát hiện khoanh vùng đám cháy, khó nâng cấp chỉnh sửa và mở rộng hệ thống
Xuất phát từ các điều kiện thực tế này và được sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo TS.Phạm Việt Thành em đã tiến hành lựa chọn đề tài và nghiên cứu thiết kế hệ thống
nhằm phát hiện ra đám cháy trong từng phòng của các tòa nhà cao tầng và gửi thông tin về các trạm trung tâm của từng quận huyện hoặc lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy PCCC nơi gần nhất để kịp thời khống chế dập tắt đám cháy
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu:
- Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Nhằm thiết kế chế tạo ra một hệ thống hoàn thiện hơn, có các tính năng mạnh hơn các
hệ thống hiện có trên thị trường, tạo thuận lợi tối đa cho công tác phòng cháy chữa cháy của các lực lượng làm nhiệm vụ PCCC, giảm thiểu tác hại do cháy gây ra
Trang 4- Xây dựng được kiến trúc mạng cảm biến phù hợp với kiến trúc nhà cao tầng, các nút mạng cảm biến phải được định địa chỉ rõ ràng
- Xây dựng được các thuật toán tìm đường trong quá trình xử lý truyền bản tin
- Ứng dụng được sản phẩm vào thực tế hiện nay
- Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu cấu hình mạng cảm biến và các thuật toán định tuyến phù hợp với kiến trúc các tòa nhà cao tầng trên địa bàn thành phố
- Phương pháp nghiên cứu:
Chúng em dùng phương pháp làm việc theo nhóm, trình bày ý tưởng thảo luận nhóm rồi nghiên cứu lựa chọn phương án tối ưu Thiết kế phần cứng dùng các đầu báo cảm
biến, thiết kế phần mềm dùng Micro-C for PIC Mô phỏng phần cứng và viết phần
mềm cài đặt chạy thử nghiệm trong Lab và triển khai trên thực địa kết hợp với việc chỉnh sửa cải tiến nhiều lần
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới:
Trong khi thiết kế hệ thống nhóm chúng em tập chung nghiên cứu nhằm đưa ra kiến
trúc mạng tinh thể và thuật toán định tuyến many to one & one to many tối ưu nhất
Kiến trúc này phù hợp với các kiến trúc nhà cao tầng và thuật toán định tuyến có thể thực hiện tốt các chức năng được đặt ra cho mạng cảm biến như giám sát các điều kiện
môi trường có thể phát sinh cháy nổ trong phòng và toàn bộ tòa nhà, cụ thể là giám sát theo địa chỉ 24/24, giám sát tình trạng hoạt động của các nút trong mạng suốt ngày đêm, chuyển tiếp dữ liệu đa chặng không dây nhờ ứng dụng công nghệ ZigBee
Luận văn gồm có các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến
Chương 2: Nguyên tắc truyền thông trong mạng cảm biến không dây ZigBee
Chương 3: Thực thi và thử nghiệm hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ ZigBee
Trang 5e) Kết luận:
Sau các quá trình mô phỏng trong phòng thí nghiệm và triển khai thực nghiệm trên thực địa, về cơ bản mạng cảm biến không dây báo cháy đã đạt được các yêu cầu đề ra của nhóm Mạng CBKDBC này có khả năng giám sát 24/24 các điều kiện của môi trường gây ra hoặc sinh ra bởi đám cháy và sự cháy, mạng có khả năng báo cháy chính xác theo địa chỉ đến từng phòng, đảm bảo không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy trước khi phát hiện ra cháy, có khả năng mở rộng đến 1000 nút Tuy nhiên, khi lưu lượng bản tin quá lớn xảy ra hiện tượng mất bản tin với tần xuất cao, dẫn đến sự tăng độ trễ truyền dẫn khi mất bản tin Nhưng đây là vấn đề có thể giải quyết được khi tăng khả năng đồng bộ của hệ thống, nhờ đó có thể xây dựng và hoàn thiện thêm các tính năng sẵn sàng để gửi và xóa để gửi Sự thành công của đề tài có ý nghĩa quan trọng trong việc chủ động sản xuất sản phẩm này trong nước
Hà nội, ngày 01 tháng 08 năm 2015
Người hướng dẫn khoa học
TS Phạm Việt Thành
Trang 6MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 2
MỤC LỤC 5
DANH MỤC HÌNH VẼ 8
PHẦN MỞ ĐẦU 11
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN 14
1.1 Công tác PCCC nhà cao tầng trên khu vực Hà Nội 14
1.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo cháy tự động 18
1.2.1 Hệ thống cảnh báo cháy tự động 18
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động: 19
1.2.3 Đầu báo cháy: 19
1.3 Các hệ thống PCCC đang phổ biến tại Việt Nam 20
1.3.1 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki 21
1.3.2 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium 21
1.4 Yêu cầu đặt ra cho đề tài 23
1.5 Phương pháp xây dựng hệ thống và lựa chọn công nghệ 24
Các công nghệ truyền thông không dây cho mạng cảm biến 24
1.6 Tương lai của mạng cảm biến không dây trong điều khiển tự động 25
1.7 Chuẩn công nghệ Zigbee 27
1.8 Mô hình kiến trúc lớp của ZigBee 31
1.9 Các đặc trưng của công nghệ ZigBee 33
Đặc tính kênh truyền 33
Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý 34
CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DÙNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 36
2.1 Các kiểu kiến trúc mạng không dây của ZigBee 36
Trang 7-Kiến trúc Digimesh 38
2.1.2 Topology hình cây phân cấp và cách gán địa chỉ cho nút mạng ZigBee 38
2.2 Các nguyên tắc truyền thông trong mạng dùng công nghệ ZigBee 39
2.2.1 Nguyên tắc truyền thông Many-to-One 39
2.2.2 Nguyên tắc truyền thông trong mạng Topology hình cây phân cấp 40
2.2.3 Nguyên tắc truyền thông trong mạng Topology Star, Cluster Tree, Mesh 40
2.2.4 Nguyên tắc truyền thông trong mạng sử dụng bản tin beacon 41
2.2.5 Nhận xét chung 42
2.3 Xây dựng kiến trúc mạng không gian 3 chiều hay mạng tinh thể 43
2.4 Xây dựng nguyên tắc truyền thông cho mạng tinh thể 46
2.4.1 Các khái niệm cơ bản của Topology tinh thể 46
2.4.2 Thuật toán many-to-one 47
2.4.2.1 Nội dung thuật toán many-to-one: 47
2.4.2.2 Mô tả 6 trường hợp chuyển tiếp bản tin: 48
2.4.2.3 Lưu đồ thuật toán many-to-one 56
2.4.3 Thuật toán one-to-many 57
2.4.3.1 Nội dung thuật toán 57
2.4.3.2 Mô tả quá trình phát tin quảng bá truy vấn thông tin 57
2.4.3.3 Lưu đồ thuật toán 61
2.5 Xây dựng các biến thể của topology tinh thể 61
2.5.1 Phần xử lý dấu cho địa chỉ nút cảm biến: 67
2.5.2 Cơ chế xử lý địa chỉ bản tin trước khi gửi: 68
CHƯƠNG 3: THỰC THI VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY DÙNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 70
3.1 Thực thi 70
3.1.1 Cấu trúc dữ liệu kênh truyền thông 71
Cấu trúc bản tin ZigBee 71
3.1.2 Cơ chế xử lý khi nhận bản tin: 72
3.1.3 Cấu trúc dữ liệu header chính 73
Trang 83.1.5 Cấu trúc bản tin đã giải mã và đóng gói tại nút trung tâm 77
3.1.6 Cấu trúc bản tin từ máy tính trung tâm gửi xuống đầu cuối 77
3.2 Phần mềm nhúng trên nút mạng 78
3.2.1 Chức năng thu nhận tín hiệu cảm biến 79
3.2.2 Chức năng chuyển tiếp và xử lý phản hồi bản tin 80
3.2.3 Phần mềm nhúng trên nút trung tâm 82
3.2.3.1 Chức năng tiếp nhận bản tin từ nút đầu cuối 82
3.2.3.2 Chức năng tiếp nhận bản tin từ máy tính trung tâm 87
3.3 Thực nghiệm 89
3.3.1 Kịch bản thực nghiệm cấu hình chuỗi 8 nút 89
3.3.1.1 Nội dung kịch bản 89
3.3.1.2 Kết quả 90
3.3.1.2.1 Chu kỳ gửi bản tin 1s 90
3.3.1.2.2 Chu kỳ gửi bản tin 5s 90
3.3.1.2.3 Chu kỳ gửi bản tin 10s 91
3.3.2 Kịch bản thử nghiệm cấu hình tinh thể 4 level, 8 nút 92
3.3.2.1 Nội dung kịch bản 92
3.3.2.2 Kết quả 93
3.3.2.2.1 với cấu hình đủ 8 nút 93
3.3.2.2.2 Với cấu hình chỉ còn 4 nút 94
KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 95
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97
Trang 9DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1- 1: Cháy tòa nhà chung cư 14
Hình 1- 2: Cầu thang thoát hiểm bị chiếm 15
Hình 1- 3: Thoát hiểm bằng cầu thang bộ trật hẹp 16
Hình 1- 4: Công tác chữa cháy đang gặp nhiều khó khăn 16
Hình 1- 5: Công tác PCCC 4 tại chỗ 17
Hình 1- 6: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki 21
Hình 1- 7: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium 21
Hình 1- 8: Công nghệ sử dụng 24
Hình 1- 9: Các ứng dụng của ZigBee 27
Hình 1- 10: So sánh các ứng dụng không dây 28
Hình 1- 11: So sánh chuẩn ZigBee với Bluetooth và IEEE 802.11b 29
Hình 1- 12: Kiến trúc OSI của ZigBee 32
Hình 1- 13: Phân lớp kiến trúc ZigBee 32
Hình 1- 14: Băng tần hệ thống của ZigBee 34
Hình 1- 15: Sơ đồ mã hóa thông tin 35
Hình 2- 1: Kiến trúc mạng hình Sao 37
Hình 2- 3: Kiến trúc mạng hình cây phân lớp 37
Hình 2- 4: Kiến trúc mạng hình lưới 37
Hình 2- 5: Kiến trúc mạng DigiMesh 38
Hình 2- 6: Quan hệ mẹ con và cách đánh địa chỉ 39
Hình 2- 7: Nguyên tắc truyền thông Many-to-one của ZigBee 40
Hình 2- 8: Kiến trúc superframe của ZigBee 42
Hình 2- 9: Kiến trúc mạng cảm biến không gian 3D tinh thể 43
Hình 2- 10: Các tòa nhà có kiến trúc hình tháp chọc trời 44
Hình 2- 11: Mạch điện tử trong thiết bị đầu cuối 46
Hình 2- 12: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin 49
Hình 2- 13: Nút L(x+1,y,z-1) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 5 ms 50
Hình 2- 14: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 10 ms 51
Hình 2- 15: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 5 ms 52
Hình 2- 16: Nút L(x+1,y-1,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 10 ms 53
Hình 2- 17: Các nút mất quyền chuyển tiếp bản tin 54
Trang 10Hình 2- 20: Nút L+1 phát quảng bá đến nút L+3 qua nút L+2 59
Hình 2- 21: Nút L+2 phát quảng bá thành công đến nút L+3 60
Hình 2- 22: Lưu đồ thuật toán one-to-many 61
Hình 2- 23: Kiến trúc mạng cảm biến hình chữ T 62
Hình 2- 24: Kiến trúc nhà cao tầng hình chữ Y 63
Hình 2- 25: Kiến trúc mạng cảm biến hình chữ U 64
Hình 2- 26: Kiến trúc nhà hình chữ U 65
Hình 3- 1: Mô hình mạng thực nghiệm 4 cấp 70
Hình 3- 3: Cấu trúc dữ liệu bản tin ZigBee 71
Hình 3- 4: Mô hình mạng chuỗi 8 nút 89
Hình 3- 5: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 1s 90
Hình 3- 6: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 5s 91
Hình 3- 7: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 10s 91
Hình 3- 8: Mô hình thực nghiệm mạng tinh thể 4 level, 8 nút 92
Hình 3- 9: Mô hình thực nghiệm mạng tinh thể sau khi đã ngắt đi 4 nút bất kỳ ở cả 2 level 93
Hình 3- 10: Đồ thị độ biến động trễ với cấu hình đủ 8 nút 94
Hình 3- 11: Đồ thị độ biến động trễ với cấu hình chỉ còn 4 nút 94
Trang 11DANH MỤC BẢNG
Bảng 1- 1: So sánh công nghệ Zigbee và truyền thông UHF 25
Bảng 1- 2: Tốc độ và dải tần của ZigBee 29
Bảng 1- 3: So sánh giao thức ZigBee và Bluetooth 30
Bảng 1- 4: Phân bố kênh và tần số 31
Bảng 1- 5: Băng tần và tốc độ dữ liệu 33
Bảng 1- 6: Kênh truyền và tần số 34
Bảng 3- 1: Các giá trị của trường nhỏ kiểu khung 74
Bảng 3- 2: Các giá trị chế độ địa chỉ đích 74
Trang 12PHẦN MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây khu vực thành phố Hà Nội thỉnh thoảng lại xảy ra các vụ cháy lớn tại các tòa nhà cao tầng Các đám cháy này thường bùng lên và phát triển rất nhanh đến mức khó ngăn chặn, gây nhiều thiệt hại lớn về sinh mạng và tài sản Từ thực
tế này đặt ra một vấn đề lớn cho công tác phòng cháy chữa cháy hiện nay là việc phát hiện cảnh báo cháy và khoanh vùng đám cháy phải thật kịp thời, công việc chữa cháy
phải được thực hiện ngay sau đó Để giảm mức độ thiệt hại về vật chất và con người xuống tới mức thấp nhất Bên cạnh đó một số hệ thống báo cháy chữa cháy đang phổ biến tại nước ta hiện nay vẫn còn nhiều bất cập như chưa phát hiện và khoanh vùng đám cháy một cách chính xác, chưa dễ dàng nâng cấp chỉnh sửa và mở rộng hệ thống Xuất phát từ các điều kiện thực tế này và được sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo
TS.Phạm Việt Thành em đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy tự động trên nền tảng mạng viễn thông” Hệ thống này sẽ phát
hiện ra đám cháy trong từng phòng của các tòa nhà cao tầng và gửi thông tin về các trạm trung tâm của từng quận huyện hoặc lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy PCCC nơi gần nhất để kịp thời khống chế dập tắt đám cháy
Ngày nay các hệ thống mạng cảm biến đang hoạt động trên thế giới chủ yếu là mạng có
dây và một số ít mạng không dây, các hệ thống mạng có dây thường có các hạn chế cố hữu sau; một là: cồng kềnh khi thi công và không chủ động khi lắp đặt, gây ảnh hưởng lớn đến sự tiện nghi và tính thẩm mỹ của tòa nhà, hai là: khó mở rộng nâng cấp bảo trì
vì lý do là các bộ dây đã được lắp chìm trong tường, ba là: quản lý theo vùng rộng do
các mạng này có cấu hình sao nên gây khó khăn rất lớn cho việc xác định và thu hẹp
nơi xảy ra cháy nổ Đối với các hệ thống mạng không dây chủ yếu là có cấu hình
mạng sao nên chỉ giải quyết được tính cồng kềnh còn các khuyết điểm khác thì không khắc phục được
Trang 13Tuy nhiên công nghệ chế tạo các mạng cảm biến hiện đại ngày càng được chú trọng tới
việc cải tiến nâng cấp và hoàn thiện về các tính năng như cấu hình mạng đi kèm thuật toán định tuyến, quản lý theo địa chỉ và tính năng linh hoạt dễ lắp đặt nâng cấp chỉnh
sửa và bảo trì Đặc biệt là các mạng cảm biến không dây do tính ưu việt của nó nên ngày càng được chú trọng phát triển hoàn thiện và dần trở nên phổ biến nhờ việc sử dụng công nghệ truyền thông không dây theo địa chỉ tiết kiệm năng lượng Zigbee, được phát triển dành riêng cho công nghệ mạng cảm biến không dây với các cấu hình mạng và thuật toán định tuyến đi kèm Tuy nhiên các thuật toán định tuyến đi kèm của ZigBee đang còn một số điểm thiếu sót như; khi muốn giám sát chính xác đến từng địa chỉ (đến từng phòng chính là khoanh vùng rất nhỏ) thì phải tiến hành phân cấp cho các nút Nhưng chỉ có nút được phân cấp thấp nhất mới được phép thực hiện chức năng
sleep, điều thiếu sót này đã làm giảm đi tính năng tiết kiệm năng lƣợng nổi bật của
ZigBee
Trong phạm nghiên cứu nhóm chúng em đã đặt ra mục tiêu khắc phục các khuyết điểm
của những hệ thống đã nêu trên Nhóm đã nghiên cứu và đƣa ra một cấu trúc mạng mới được gọi là mạng tinh thể với các thuật toán định tuyến đi kèm, sẽ được trình
bày đầy đủ ở phần tiếp theo của luận văn này theo cấu trúc các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến
Chương 2: Nguyên tắc truyền thông trong mạng cảm biến không dây ZigBee
Chương 3: Thực thi và thử nghiệm hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ ZigBee Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp này em và nhóm thiết kế đã thực hiện truyền bản tin cảnh báo giữa các nút trong hệ thống bằng công nghệ Zigbee Trong quá trình làm luận văn em cùng với các thành viên trong nhóm gồm các bạn Ngô Thành Công, Nguyễn Văn Phong đã có sự trao đổi và cùng nhau đi đến thống nhất các phương án thiết kế phần cứng và viết phần mềm kết hợp triển khai thực nghiệm trên tòa nhà C9 để
xây dựng nên hệ thống Mạng cảm biến báo cháy không dây sẽ chú trọng vào hai
Trang 14việc phát hiện kịp thời đám cháy và khoanh vùng đám cháy đến từng phòng trong
Trong quá trình thực hiện, em đã cố gắng để đạt được kết quả tốt nhất Tuy nhiên, do còn những hạn chế về mặt kiến thức và kinh nghiệm nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong các Thầy cô giáo và các bạn có những góp ý để luận văn của em được hoàn thiện hơn
Trang 15CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN
Trong chương này nhóm nghiên cứu đưa ra những khảo sát cơ bản nhất về thực trạng các đám cháy trên khu vực Hà Nội và các hệ thống PCCC đang được sử dụng phổ biến tại nước ta hiện nay, qua đó phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống hiện có, đồng thời đưa ra các yêu cầu cho các hệ thống được thiết kế và có những lựa chọn nhất định
về công nghệ và phương pháp thực hiện
1.1 Công tác PCCC nhà cao tầng trên khu vực Hà Nội
Hình 1- 1: Cháy tòa nhà chung cư
Từ đầu năm 2011 trở lại đây trên địa bàn Hà Nội đã xảy ra nhiều vụ cháy tại các khu chung cư cao tầng, theo hình 1-1, tất cả các vụ hỏa hoạn này đều xuất phát từ việc để xảy ra chập cháy các thiết bị điện, cộng với ý thức của một bộ phận dân chúng chưa cao khiến nhiều người tỏ ra lo lắng đặc biệt là các cư dân đang sống trong các khu chung cư cao tầng
Theo thống kê mới nhất trên đia bàn Hà Nội hiện có hơn 400 tòa nhà cao trên 10 tầng được sử dụng làm trung tâm thương mại, khách sạn, chung cư, văn phòng cho thuê
Trang 16Tuy nhiên qua khảo sát nhiều tòa nhà chung cư cao tầng, văn phòng cho thuê, trung tâm thương mại cho thấy hệ thống PCCC của nhiều tòa nhà chưa được chú ý trang bị ngay từ đầu hoặc nếu có cũng không được chú ý vận hành bảo dưỡng bảo trì định kỳ, đúng quy trình kỹ thuật gây hỏng hóc xuống cấp và không thể hoạt động được
Hình 1- 2: Cầu thang thoát hiểm bị chiếm
Việc thiết kế các tòa nhà cao tầng hiện nay người ta gần như quên việc thiết kế hệ thống thông gió hút khói, cửa thoát hiểm nếu có cũng không dùng được vì liên tục bị khóa phòng kẻ gian và bị chiếm dụng bởi các hộ dân xung quanh, theo hình 1-2 Nguy hiểm hơn nữa là tại các khu chung cư cao tầng thiếu vắng các hệ thống máy tăng áp ở cầu thang nên khi xảy ra hỏa hoạn thì người dân khó có thể thoát thân trong điều kiện cầu thang bộ bị chiếm và hành lang bị ngạt khói và lửa cháy lớn, theo hình 1-3
Trang 17Hình 1- 3: Thoát hiểm bằng cầu thang bộ trật hẹp
Bên cạnh đó hệ thống dây điện trong các khu dân cư rất nhằng nhịt và có chiều cao hạn chế đã ảnh hưởng rất lớn đến việc di chuyển của các xe chữa cháy Do đó việc chữa
cháy phải xác định phương án bốn tại chỗ gồm: lực lượng, phương tiện, hậu cần và chỉ
huy tại chỗ, theo hình 1-5
Hình 1- 4: Công tác chữa cháy đang gặp nhiều khó khăn
Phân loại nhà cao tầng trên địa bàn hà nội hiện nay như sau:
Nhóm các cao ốc chung cư, văn phòng cho thuê
Nhóm các tòa nhà dược phẩm, bệnh viện
Trang 18Nhóm các khách sạn, nhà hàng, trung tâm thương mại
Nhóm các trường đại học, trường phổ thông
Nhóm các trung tâm điện thoại, tòa tháp truyền hình
xử lý quản lý thông tin đám cháy Trước tình hình khó khăn đó đặt ra một nhiệm vụ cần thiết phải thiết kế xây dựng được một thiết bị có khả năng cảnh báo xác định chính xác vị trí hỏa hoạn, quản lý và truyền thông tin đó đến trung tâm xử lý đồng thời có thể mang một số thiết bị cứu hộ cứu nạn đến hiện trường để hỗ trợ công việc cúu hộ và công việc PCCC
Cho đến nay việc thiết kế chế tạo ra một hệ thống phòng cháy chữa cháy có khả năng
hỗ trợ công tác phòng cháy chữa cháy theo phương trâm bốn tại chỗ cũng như đạt các tiêu chuẩn kiểm định cho các tòa nhà cao tầng chưa được quan tâm Chỉ với các hệ
Trang 19thống hiện thời thì việc khoanh vùng thu nhỏ khu vực xảy ra cháy trở nên vô cùng khó khăn Đặc biệt khi đám cháy xảy ra ở các tòa nhà cao tầng thì điều này gây ra những chậm trễ trong công tác chữa cháy và cứu hộ, mỗi giây trậm trễ là thêm rất nhiều nguy hiểm cho tính mạng con người và tài sản Do đó, hệ thống phát hiện cảnh báo cháy không dây qua mạng viễn thông do nhóm em nghiên cứu phát triển với mục tiêu phải phát hiện kịp thời và khoanh vùng đám cháy ở nơi xảy ra cháy đến mức nhỏ nhất có thể nhằm khắc phục các khuyết điểm báo cháy của các hệ thống hiện có
1.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo cháy tự động
1.2.1 Hệ thống cảnh báo cháy tự động
Khái quát: Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự động phát hiện và thông
báo địa điểm cháy (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738-2001) Hệ thống báo cháy
tự động bao gồm: Trung tâm báo cháy, các đầu báo cháy và các thiết bị ngoại vi
Nhiệm vụ: Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng và thông báo sự sắp
cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang bảo vệ
Phân loại theo đặc điểm kỹ thuật:
- Hệ thống báo cháy tự động theo vùng
- Hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ: (Addressable fire alarm system): là hệ thống báo cháy tự động có khả năng báo cháy chính xác đến từng vị trí từng đầu báo riêng biệt (từng địa chỉ cụ thể)
Nguyên lý làm việc:
+ Bình thường toàn bộ hệ thống ở chế độ trực Chế độ này trung tâm báo cháy luôn có tín hiệu kiểm tra sự làm việc đến các thiết bị trong hệ thống đồng thời các đầu báo cháy
Trang 20địa chỉ, modul cũng có tín hiệu hồi đáp về trung tâm Định kỳ, theo thời gian (tuỳ đặt) trung tâm sẽ in tình trạng của hệ thống và thông tin về các thiết bị cần bảo dưỡng + Trong chế độ giám sát nếu trung tâm nhận được tín hiệu báo lỗi từ các thiết bị hoặc không nhận được tín hiệu hồi đáp từ các thiết bị thì trung tâm sẽ chuyển sang chế độ sự
cố cho đến khi lỗi được khắc phục
+ Khi cháy xảy ra ở các khu vực bảo vệ, các yếu tố (nhiệt độ, khói, ánh sáng) đạt tới ngưỡng làm việc thì tác động lên các đầu báo cháy tạo ra tín hiệu truyền về trung tâm + Tại trung tâm báo cháy sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo chương trình đã cài đặt Đồng thời phát tín hiệu báo động cháy
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động:
+ Phát hiện cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra
+ Chuyển tín hiệu cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng
+ Có khả năng chống nhiễu tốt
+ Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống
+ Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra cháy + Hệ thống phải hoạt động liên tục trong mọi điều kiện (nguồn AC, DC)
+ Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống này phải thực hiện đầy đủ các chức năng đã được đề ra mà không xảy ra sai sót
1.2.3 Đầu báo cháy:
Khái niệm: Đầu báo cháy là thiết bị cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của các yếu tố
(nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói) để tạo ra các tín hiệu truyền về trung tâm khi đạt một giá trị nhất định (ngưỡng)
Nhiệm vụ: Tạo ra tín hiệu điện để truyền về trung tâm khi các yếu tố của môi trường
(nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói) xung quanh đầu báo đạt 1 giá trị nhất định
Trang 21+ Đầu báo cháy nhiệt: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của yếu tố nhiệt độ
+ Đầu báo cháy khói: Hoạt động dựa trên sự biến đổi nồng độ khói
+ Đầu báo cháy lửa: Nhạy cảm với ánh sáng (ánh lửa)
+ Đầu báo cháy hỗn hợp: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của 2 trong 3 yếu tố trên
Cấu tạo:
+ Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của đầu báo cháy Nó cảm nhận được sự thay đổi của các yếu tố môi trường và biến đổi sự thay đổi đó thành dạng tín hiệu điện khi các yếu tố này đạt đến 1 giá trị thích hợp đã được cài đặt sẵn Với mỗi loại đầu báo cháy khác nhau thì bộ phận cảm biến là khác nhau
+ Bộ phận mạch tín hiệu: là một mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ bộ phận cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn
+ Vỏ - đế: là bộ phận bảo vệ và cố định đầu báo cháy ở khu vực cần bảo vệ
Nguyên lý làm việc: Khi xảy ra cháy các yếu tố môi trường sẽ bị thay đổi Các yếu tố
này sẽ tác động lên đầu báo cháy và đầu báo cháy làm việc tạo ra tín hiệu điện truyền
về trung tâm
1.3 Các hệ thống PCCC đang phổ biến tại Việt Nam
Trên thị trường Việt Nam đang phổ biến các hệ thống PCCC chủ yếu là có dây, hệ thống PCCC không dây hiện chưa phổ biến, chỉ mới xuất hiện tại hai thành phố lớn là
Hà Nội và TPHCM Tại hai thị trường này nổi bật nhất là hai hệ thống, một của Hochiki và một của Libelium
Trang 221.3.1 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki
Hình 1- 6: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki Đặc điểm: Là hệ thống có dây Cảnh báo theo vùng Cấu hình mạng: hình sao
Ƣu điểm:Dễ điều khiển, vận hành Dễ khắc phục lỗi Hoạt động ổn định
Nhƣợc điểm:Vùng bao phủ thấp Chi phí lắp đặt mở rộng hệ thống phát sinh lớn
Không báo cháy được chính xác từng phòng
1.3.2 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium
Hình 1- 7: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium
Trang 23Đặc điểm: Có dây Cảnh báo theo zone nhiều phòng Cấu hình mạng: hình sao
Ƣu điểm: Dễ điều khiển, vận hành Dễ khắc phục lỗi Hoạt động ổn định Báo cháy
được chính xác từng phòng
Nhƣợc điểm: Vùng bao phủ thấp Chi phí lắp đặt mở rộng hệ thống phát sinh lớn
Từ các ưu nhược điểm trên ta nhận thấy nhược điểm lớn nhất của các hệ thống hiện nay là sử dụng cấu hình mạng hình sao dẫn tới vùng phủ nhỏ và không có khả năng thu hẹp khu vực và khoanh vùng đám cháy, việc mở rộng cấu hình rất khó và tốn kém, không thích hợp với các tòa nhà cao tầng mặt khác nếu nút mạng trung tâm (nút gốc của hình sao) gặp sự cố thì toàn bộ mạng sẽ bị mất kết nối
Đối với mạng cảm biến có dây, nếu muốn thu hẹp khoanh vùng chính xác đám cháy đến từng phòng mà không quản lý theo khu vực (theo zone) thì đồng nghĩa với việc có quá nhiều dây nối vào nút gốc, khó tránh sự cố khi bị lửa cháy vào dây Do đó kéo theo
sự cồng kềnh của hệ thống khi cần có các thiết bị hỗ trợ nút gốc có khả năng xử lý tín hiệu với số lượng lớn tương đương với số phòng của tòa nhà cao tầng (khoảng 500 đến
1000 phòng)
Đối với mạng cảm biến không dây, nên sử dụng các thiết bị có giá thành cao hoặc có xuất sứ từ Nhật thì vùng phủ mới đạt yêu cầu khoảng 20m trong nhà, và thời lượng pin cũng tương đối được lâu Với các thiết bị có giá thành thấp thì vùng phủ thấp khoảng 15m và nhanh hao pin Điều này không phù hợp với hiện trạng thực tế của các tòa nhà cao tầng ở Hà Nội bù lại mạng cảm biến không dây có thể hỗ trợ rất tốt việc giám sát theo địa chỉ chính xác tới từng phòng với các nền tảng hỗ trợ tốt và chi phí lắp đặt thấp Còn một thực tế nữa của mạng cảm biến hình sao không dây là với cấu trúc mạng hình sao thì rất dễ sảy ra xung đột trên kênh truyền hoặc vượt quá băng thông là rất dễ xảy
ra Để đáp ứng nhu cầu truyền tải thông tin cảnh báo cháy chính xác tới từng phòng tại các tòa nhà cao tầng hiện nay thì việc sử dụng mạng cấu hình sao là không thể được
Trang 24Do đó cần phải đưa ra một cấu hình mạng phù hợp với kiến trúc của các tòa nhà cao tầng hiện nay và kèm theo đó là một thuật toán định tuyến giữa các nút mạng để mạng hoạt động ổn định và liên tục
1.4 Yêu cầu đặt ra cho đề tài
Sau khi đã phân tích kỹ ở trên ta có thể nhận thấy cần phải đặt ra hai mục tiêu chính cho đề tài:
- Xây dựng kiến trúc cho mạng cảm biến không dây
- Xây dựng thuật toán định tuyến đi kèm theo mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến báo cháy không dây này được thiết kế dành riêng cho các tòa nhà cao tầng, các nút cảm biến là các nút mạng được lắp tương ứng với các phòng nên các nút mạng coi như cố định và mạng có không gian ba chiều Do đó nhóm thiết kế sẽ tập chung xây dựng cấu trúc mạng theo dạng không gian 3 chiều và các thuật toán 3D rounting Trong các phần tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tập trung khảo sát kỹ các dạng kiến trúc của mạng cảm biến báo cháy không dây, đồng thời đưa ra và nghiên cứu kỹ các thuật toán định tuyến 3D rounting để có được một bức tranh toàn cảnh từ đó sẽ có được cái nhìn tổng quan nhất về các mặt mạnh yếu của các hệ thống đang có mặt trên thị trường hiện nay Qua đó nhóm nghiên cứu đưa ra được những lựa chọn ưu điểm để thiết kế hệ thống mới
Bên cạnh đó nhóm nghiên cứu chúng em cũng xây dựng một số chỉ tiêu kỹ thuật cho
hệ thống nhằm đảm bảo tính thực tế khả thi của hệ thống:
- Đạt tiêu chuẩn Việt Nam 5738 - 2001 về hệ thống báo cháy tự động
- Báo cháy theo địa chỉ chính xác đến từng phòng
- Đảm bảo hoạt động liên tục 24/24 , độ tin cậy cao
- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra cháy,
tỷ lệ xảy ra cảnh báo cháy giả < 0,1%
Trang 25- Có khả năng mở rộng quy mô lên 1000 nút cảm biến với chi phí mở rộng lắp đặt thấp hơn so với các hệ thống hiện hành
1.5 Phương pháp xây dựng hệ thống và lựa chọn công nghệ
Trên cơ sở đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra thì nhóm nghiên cứu chúng em đã đưa
ra những lựa chọn công nghệ để sử dụng phù hợp cụ thể như sau:
Hình 1- 8: Công nghệ sử dụng Các công nghệ truyền thông không dây cho mạng cảm biến
Hiện nay trên thế giới đang thịnh hành hai công nghệ truyền thông không dây cho mạng cảm biến đó là:
- Công nghệ truyền thông RF tần số UHF ( tần số 433 MHz hoặc 900 MHz)
- Công nghệ Zigbee (dải tần 868,3 MHz, dải tần 902 – 928 MHz, dải tần 2,4 – 2,835 GHz)
Từ các thông số trên ta có thể nhận thấy, để đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng không dây với số lượng nút lớn và cấu hình phức tạp, việc sử dụng truyền thông RF là không khả thi Do đó công nghệ Zigbee sẽ được lựa chọn sử dụng và xây dựng mạng cảm biến không dây
Trang 26Bảng 1-1 so sánh giữa hai công nghệ:
Công nghệ truyền thông
thuộc vào dải tần)
Bảng 1- 1: So sánh công nghệ Zigbee và truyền thông UHF
1.6 Tương lai của mạng cảm biến không dây trong điều khiển tự động
Hiện nay có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như BlueTooth hay Wifi Nhưng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay BlueTooth lại không thể đáp ứng được
Chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn
Và để giải quyết những khuyết điểm đó, Zigbee đã ra đời Đối tượng mà Zigbee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (SmartHome), quá trình tự động hóa ( Home Automation, Building Automation), trong các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và
xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care), quản lý năng lượng sao cho hiệu quả hơn (Smart Energy)… Và khi được sử dụng trong các hệ thống này, Zigbee được phát huy hết tất cả những điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài
Trang 27Trong nhiều ứng dụng của Zigbee, tổng thời gian mà thiết bị không dây thực sự hoạt động rất ít; thiết bị sử dụng hầu hết thời gian của nó trong chế độ tiết kiệm năng lượng, hay chế độ ngủ (sleep mode) Kết quả là, Zigbee cho phép các thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều năm trước khi cần phải nạp lại pin hoặc thay pin mới
Một ứng dụng của Zigbee là theo dõi bệnh nhân tại nhà Ví dụ, huyết áp và nhịp tim của một bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người Bệnh nhân mang một thiết
bị ZigBee tập hợp các thông tin liên quan đến sức khỏe như huyết áp và nhịp tim Sau
đó dữ liệu được truyền không dây đến một máy chủ địa phương, có thể là một máy tính
cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà việc phân tích ban đầu được thực hiện Cuối cùng, thông tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân hay nhân viên vật lý trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn
Khái niệm sử dụng giao tiếp không dây để tập hợp thông tin hay thực hiện những tác
vụ điều khiển nhất định trong nhà hay trong nhà máy thì không mới Có vài chuẩn giao tiếp bao gồm IEEE 802.11 Wireless Local Area Network (WLAN) và Bluetooth Mỗi trong số các chuẩn này đều có ưu điểm của nó trong những ứng dụng đặc biệt Chuẩn ZigBee được phát triển đặc biệt để nhắm tới chi phí cài đặt thấp của các mạng không dây có tốc độ truyền dữ liệu thấp với mức tiêu thụ năng lượng rất nhỏ Chuẩn Zigbee giúp giảm chi phí cài đặt bằng cách đơn giản hóa các giao thức liên lạc và giảm tốc độ truyền dữ liệu Yêu cầu tối thiểu để sử dụng các đặc tính kỹ thuật của Zigbee và IEEE 802.15.4 thì khá nhẹ khi so với các chuẩn khác như IEEE 802.11, giảm độ phức tạp và chi phí lắp đặt các bộ thu phát theo chuẩn ZigBee
Trang 28Hình 1- 9: Các ứng dụng của ZigBee
Ngoài ra Zigbee còn được dùng trong các nhà cao tầng, theo dõi từng bộ phận và báo
về khi có tín hiệu xấu Hơn nữa, Zigbee còn dùng cho các ngôi nhà “thông minh” (SmartHome, Home Automation)
1.7 Chuẩn công nghệ Zigbee
Zigbee là một tập hợp các giao thức không dây được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4 Giao thức này được tạo ra nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz Với những đặc điểm chính là Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng Thời gian sử dụng pin rất dài Cài đặt, bảo trì dễ dàng Độ tin cậy cao Có thể mở rộng đến 65000 node Chi phí đầu
tư thấp Chuẩn Zigbee được đề xuất và phát triển bởi hãng Zigbee Alliance, với sự hỗ
Trang 29trợ đến từ hơn 200 công ty trên thế giới như: SIEMENS, TEXAS INSTRUMENTS,
NI, NEC, EPSON, SONY, ERICSSON
So sánh ZigBee với BlueTooth, Wifi
Hình 1- 10: So sánh các ứng dụng không dây
Hình 1-10 ta có thể thấy các chuẩn này đều là các giao thức không dây, nhưng ta sẽ xem xét theo từng mặt tính năng;
Về mặt Phạm vi hoạt động: ZigBee có phạm vi hoạt động (Range) bị bó hẹp, Phạm vi
hoạt động của ZigBee là từ 10-100m trong khi Bluetooth là 10m (trong trường hợp không có khuếch đại) Phạm vi phủ sóng trong nhà của IEEE 802.11 thông thường là
từ 30 đến 100m BlueTooth có tốc độ dữ liệu thấp hơn (ít hơn 3 Mbps) và phạm vi phủ sóng trong nhà của nó thường từ 2 đến 10m
Trang 30Hình 1- 11: So sánh chuẩn ZigBee với Bluetooth và IEEE 802.11b
Về mặt Tốc độ truyền dữ liệu: Tốc độ truyền (data Rate) ở mức thấp ZigBee tương
tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn và có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn nên cũng tiết kiệm năng lượng hơn ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền dữ liệu của ZigBee là 250kbps tại tần số 2.4GHz, 40kbps tại tần số 915MHz và 20kbp tại tần số 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps
ZigBee
Bảng 1- 2: Tốc độ và dải tần của ZigBee
Wifi theo chuẩn IEEE 802.11b được chọn ở đây bởi vì nó hoạt động trên băng tần 2.4GHz chung với Bluetooth và Zigbee IEEE 802.11b có tốc độ dữ liệu lên tới 11 Mbps
Về mặt Ứng dụng: Ứng dụng phổ biến của BlueTooth là tai nghe không dây Trong
ứng dụng này BlueTooth là phương tiện giao tiếp giữa một điện thoại di động và một tai nghe rảnh tay (headphone tốc độ cho những ứng dụng này đòi hỏi từ 1 Mbps trở lên)
Trang 31ZigBee rất thích hợp cho các sensor không dây và chuyên dùng cho các ứng dụng giám sát, điều khiển Nếu mục tiêu của giao tiếp không dây chỉ là truyền và nhận các lệnh đơn giản hay tập hợp thông tin từ các đầu dò như đầu dò nhiệt độ hay đầu dò độ ẩm thì Zigbee là giải pháp hiệu quả cho công suất cũng như chi phí cài đặt thấp nhất so với Bluetooth và IEEE 802.11b
IEEE 802.11b có tốc độ dữ liệu cao (lên tới 11 Mbps), và một trong những ứng dụng phổ biến của nó chính là khả năng cung cấp kết nối Internet không dây
Về mặt Cấu hình mạng:
Giao thức ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với các mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa 254 nút mạng
Giao thức Bluetooth phức tạp hơn vì giao thức này hướng đến việc truyền các file ảnh, file âm thanh Bluetooth thích hợp trong các mạng AD hoc (một loại mạng có tổ chức
tự do, bị hạn chế về không gian và thời gian) Mặt khác, các thiết bị Bluetooth có thể
hỗ trợ mạng scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet không đồng bộ nên có nhược điểm là mạng này chỉ cho phép tối đa 8 nút slave trong một mạng chủ tớ cơ bản
Giao thức ZigBee
Trang 32Xét về mặt năng lƣợng và thời gian, nút mạng sử dụng công nghệ ZigBee khi vận
hành sẽ tiêu tốn rất ít năng lượng do có tốc độ chậm, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong 15ms trong khi nút mạng sử dụng công nghệ Bluetooth gửi và nhận các file trong 3s
Xét về mặt băng tần và tín hiệu: Tín hiệu truyền trong giao thức ZigBee là tín hiệu
radio và được hỗ trợ trong các dải tần số trong bảng 1-4:
Dải tần số Số kênh truyền Tốc độ truyền
2.4 GHz-2.835 GHz 16 kênh (từ 11-26) 250 kbps
Bảng 1- 4: Phân bố kênh và tần số
Các ứng dụng được dùng với giao thức ZigBee chủ yếu ở dải tần 2.4GHz-2.835GHz
Vì đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị ở dải tần này có số lượng kênh truyền nhiều nhất lên đến 16 kênh và mỗi kênh có tần số trung tâm cách nhau 5MHz nên đảm bảo tốc độ truyền mỗi kênh là 250kbps Wifi theo chuẩn IEEE 802.11b được chọn ở đây bởi vì nó hoạt động trên băng tần 2.4GHz chung với Bluetooth và Zigbee
1.8 Mô hình kiến trúc lớp của ZigBee
Giao thức truyền thông trong công nghệ ZigBee cũng giống như mô hình tham chiếu chuẩn trong truyền thông công nghiệp được biết đến là kiến trúc chuẩn mô hình tham chiếu OSI 7 lớp Hình 1-12 là mô hình kiến trúc của ZigBee:
Trang 33Hình 1- 12: Kiến trúc OSI của ZigBee
Chúng ta xem kỹ hơn, cụ thể hơn về mô hình tham chiếu OSI 7 lớp kiến trúc của ZigBee, hình 1-13:
APPLICATION:
Khởi động và tham gia vào mạng
Quản lý mạng Xác định các mối quan hệ thiết bị
App Support (APP):
Thiết bị nhắn tin bắt buộc
Hình 1- 13: Phân lớp kiến trúc ZigBee
Giao thức ZigBee được xây dựng trên nền tảng 2 lớp là lớp MAC (Medium Access Control) và lớp vật lý PHY, cả hai lớp này đều được định nghĩa theo chuẩn IEEE 802.15.4 dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp Tiếp theo người ta thêm vào 4 lớp đại diện cho đặc tính kỹ thuật của ZigBee đó là lớp mạng network, lớp ứng dụng applycation, lớp các đối tượng thiết bị ZigBee (ZigBee Device Object) và lớp các đối tượng người dùng, vì là lớp dành cho các đối tượng người dùng nên ở lớp này được tùy
Trang 34biến rất linh động trong chuẩn này Việc tích hợp các đối tượng thiết bị ZDO sẽ đảm đương nhiều tác vụ bao gồm: việc định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy cập mạng, bảo mật cho các thiết bị …
1.9 Các đặc trƣng của công nghệ ZigBee
Ta xem xét đến các đặc trưng công nghệ như sau: đặc tính kênh truyền và mô hình
kênh truyền, thiết bị cụ thể của công nghệ thì ta xem xét MRF24J40MA của Microchip
Đặc tính kênh truyền
Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịnh vụ quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý (PLME - physical layer management) Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU (PHY-protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý
Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 3 dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của châu
Âu, Nhật, Mỹ ba giải băng tần và tốc độ dữ liệu được thống kê trong bảng 2-1
PHY
(MHz)
Băng tần (MHz)
Tốc độ chip (kchíp/s)
Điều chế Tốc độ
bít (Kb/s)
Tốc độ ký
tự (ksymbol/s
Trang 35Tổng số kênh truyền là 27 kênh phân bố trên ba giải tần số được thống kê trong bảng 1-6:
Tần số trung tâm (MHz)
Số lƣợng kênh truyền (N)
Thứ tự Kênh
Tần số kênh trung tâm (MHz)
Bảng 1- 6: Kênh truyền và tần số
Hinh 1-14 dưới đây là sơ đồ hình vẽ băng tần của tầng vật lý:
Hình 1- 14: Băng tần hệ thống của ZigBee
Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý
Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải tần số 2.4GHz như sau:
Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405 MHz có thể đạt tới 250 kb/s Việc điều chế từ bít
dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần 2.4 GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây Một chuỗi số nhị phân “0000b” được biến đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định
Trang 36Hình 1- 15: Sơ đồ mã hóa thông tin
Bộ chuyển bít thành ký tự (Bit to Symbol)
Đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trong PPDU từ mã nhị phân sang dạng
ký tự Mỗi byte được chia thành ký tự và ký tự có nghĩa bé nhất được phát đầu tiên Đối với trường nhiều byte thì byte có nghĩa bé nhất được phát đầu tiên, nếu trường có byte đó liên quan đến bảo mật thì trong trường đó byte nào có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước
Bộ chuyển ký tự thành chip (Symbol to chip)
Đây là bước thứ hai trong quá trình mã hóa, mỗi ký tự dữ liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên Pseudo-random 32-chip Chuỗi chip này được truyền đi với tốc
độ 2 Mchip/s trong đó chuỗi có nghĩa nhỏ nhất C0 được truyền đi trước mọi ký tự
Trang 37CHƯƠNG 2: NGUYÊN TẮC TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY DÙNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE
Trong chương này nhóm nghiên cứu đề xuất ý tưởng, nghiên cứu và thực nghiệm cho
ra đời loại topology mới, khắc phục hoàn toàn các khuyết điểm của các topology mặc định của công nghệ ZigBee Nhóm nghiên cứu cũng đưa ra một số khái niệm mới có giải thích rõ ràng cụ thể như: mức, tọa độ, nút lân cận
2.1 Các kiểu kiến trúc mạng không dây của ZigBee
Công nghệ Zigbee thực sự rất tuyệt vời vì nó giải quyết các vấn đề mà chúng ta đang gặp phải trong các sản phẩm ngày nay như: tiêu thụ điện năng nhiều, giá thành cao, chi phí cài đặt lớn, khó bảo trì và sửa chữa Có thể nói, tương lai của các mạng trong lĩnh vực điện tử - nhất là điều khiển tự động chính là Zigbee
Ta thấy công nghệ ZigBee là phù hợp hơn cả khi sử dụng cho mạng cảm biến không dây cảnh báo cháy, việc lựa chọn công nghệ này là tất yếu nên trong phần này ta sẽ xem kỹ hơn nữa về các kiến trúc mạng không dây của ZigBee
2.1.1 Các kiến trúc mạng có sẵn của ZigBee
Mặc dù được sinh ra bởi một liên minh các công ty công nghệ hàng đầu thế giới nhưng ZigBee chỉ có được một số kiến trúc mạng dạng phẳng đến mức đơn giản, khó ứng dụng vào thực tế và các thuật toán định tuyến đi kèm
- Kiến trúc mạng hình sao (Star Topology):
- Kiến trúc mạng ngang hàng (peer-to-peer Topology):
- Kiến trúc mạng Mesh (Mesh Topology):
- Kiến trúc mạng hình cây (Tree Topology):
- Kiến trúc mạng DigiMesh (DigyMesh Topology):
Trang 38-Kiến trúc Star, Cluster Tree, Mesh
C
R
R
R R
Nút đầu cuối
ZigBee Router Nút chọn đường
ZigBee Router
Nút gốc Thiết bị điều phối coordinator
Topology hình Sao Hình 2- 1: Kiến trúc mạng hình Sao
C
R R
R R
R
R R
Thiết bị Đầu cuối
R R
R
R R
Thiết bị Đầu cuối
Đầu cuối
Topology Mesh Hình 2- 3: Kiến trúc mạng hình lưới
Trang 39-Kiến trúc Digimesh
DM
DM DM
DM DM
DM
DM DM
DM
DM
DM DM
Topology DigiMesh Hình 2- 4: Kiến trúc mạng DigiMesh
Digimesh là một kiến trúc không phân cấp theo hỗ trợ của chuẩn Zigbee và sử dụng thuật toán AODV để định tuyến Kiến trúc không phân cấp này được đưa ra nhằm khắc phục nhược điểm các nút điều hành và nút định tuyến trong mạng ZigBee là không thể ngủ.Tuy nhiên, thuật toán định tuyến và kiến trúc mạng này lại tạo gánh nặng xử lý tính toán lớn lên thiết bị đầu cuối khi cần phải lưu thông tin bảng định tuyến
2.1.2 Topology hình cây phân cấp và cách gán địa chỉ cho nút mạng ZigBee
Một mạng lưới cây, Topo cây là một cấu trúc liên kết có thứ bậc
Cấp độ mạng được định nghĩa là số lượng tối thiểu của các nút mạng ZigBee Router
và các nút thiết bị đầu cuối cần thiết cho một cấp liên kết trực tiếp tới nút C-điều phối viên ZigBee nếu chỉ liên kết cha -con được sử dụng nút C-điều phối viên của ZigBee của mạng lưới sẽ có độ sâu0-depth0 Tương tự như vậy các nút ZigBee Router cùng cấp và các nút thiết bị đầu cuối liên kết trực tiếp với các nút ZigBee Router có độ sâu0-depth0 sẽ có sâu1-depth1 Cứ liên kết như vậy sẽ có depth2, depth3 …
Trang 40(add=2)
(add=3) (add=5)
(add=4) (add=6)
(add=7)
(add=8) (add=9)
(add=10)
(add=11)
(add=12) (add=13)
Hình 2- 5: Quan hệ mẹ con và cách đánh địa chỉ
Cơ chế để phân bổ các địa chỉ: Chuẩn ZigBee cung cấp một cơ chế để phân bổ các
địa chỉ cho các thiết bị trong một mạng lưới cây Điều này được gọi là phân bổ địa chỉ mặc định phân phối Tuy nhiên, các nhà phát triển ứng dụng được phép sử dụng phương pháp phân bổ địa chỉ (đánh địa chỉ) riêng của họ, điều phối viên ZigBee cung cấp cho mỗi nút mẹ với một danh sách nhỏ các địa chỉ mạng nút mẹ sẽ gán các địa chỉ này cho con của nó Các điều phối viên ZigBee xác định số lượng tối đa cho phép các nút con cho mỗi nút mẹ
2.2 Các nguyên tắc truyền thông trong mạng dùng công nghệ ZigBee
2.2.1 Nguyên tắc truyền thông Many-to-One
Một thiết bị duy nhất nhận được tin nhắn từ nhiều thiết bị trong cùng một mạng Điều này được gọi là thông tin liên lạc many-to-one Các thiết bị tiếp nhận các thông điệp được gọi là nút gốc-Sink Device Trong kết nối mạng không dây ZigBee nút gốc sẽ thiết lập các tuyến đường chính để từ đó tất cả các router ZigBee và điều phối viên ZigBee truyền thông bản tin về trong một bán kính nhất định