Ứng dụng công nghệ cảm biến mạng không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Tiểu luận Ứng dụng công ngh ệ m ạng c ảm bi ến k hông dây cho c ảnh báo cháy rừng sớm GVHD: PGS Trần Công Hùng NỘI DUNG Tóm tắt I Giới thiệu II Công trình liên quan III Mô đánh giá kết IV Thiết kế phần cứng phần mềm V Kết luận VI Tài liệu tham khảo Tóm tắt Hệ thống theo dõi thay đổi nhiệt độ độ ẩm để nhanh chóng dự đoán vụ cháy rừng cách sử dụng mạng cảm biến không dây Toàn hệ thống nút cảm biến định tuyến cho cải thiện PEGASIS cách để ngăn ngừa tổn thất điện PEGASIS tăng tuổi thọ toàn mạng Các cảnh báo cháy rừng phát thay đổi thiên nhiên, giúp ngăn chặn cháy rừng hiệu ứng I GIỚI THIỆU Rừng đóng vai trò quan trọng sống người tài nguyên người,…cân hệ sinh thái trái đất Tuy nhiên, hành động không kiểm soát người dự đoán trước thiên nhiên cháy rừng điều phổ biến Các phương pháp phổ biến để ngăn chặn tuần tra, nhìn từ tháp năm gần sử dụng hình ảnh vệ tinh Các mạng cảm biến không dây bao gồm cảm biến nút nhỏ, tiêu thụ lượng, giao tiếp thông qua kết nối không dây, có nhiệm vụ cảm biến, đo lường, tính toán tập trung vào thu thập, hội tụ liệu để định toàn cầu môi trường tự nhiên [ ] Một nút cảm biến bao gồm bốn thành phần bản: Cảm biến, vi xử lý, thu phát phận cung cấp điện Ngoài ra, họ có ứng dụng thành phần bổ sung hệ thống định vị, máy phát điện quản lý di động [3] II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN a PEGASIS [4] Các giao thức PEGASIS cải tiến so với Leach Giao thức PEGASIS giải vấn đề chi phí phát sinh hình thành cụm Leach thông qua việc xây dựng chuỗi nút minh họa hình Chuỗi xây dựng thực thuật toán tham lam Mỗi nút chọn nút kế bên gần để nhảy cấu trúc chuỗi lân cận Mỗi nút cần theo dõi nút lân cận trước Quá trình chuỗi thực Mỗi nút chuỗi thu thập liệu từ nút láng giềng tất liệu tập hợp vào đầu nút chuỗi II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN (tt) a PEGASIS [4] Một ví dụ trình giao tiếp chuỗi thể hình Các nút ví dụ nút số Trước hết, nút gửi thông báo tới nút để bắt đầu trình giao tiếp Node gửi liệu đến nút Nút tổng hợp liệu với liệu để tạo liệu tin nhắn có độ dài Điều truyền tới nút Sau nút nhận liệu từ nút 1, nút gửi ý đến đầu chuỗi (nút 6) Thông tin từ nút 6,5,4,3 tổng hợp gửi đến nút Sau nhận thông tin tổng hợp dây chuyền, nút gửi thông tin đến điểm thu gom thông qua bước nhảy II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN a PEGASIS [4] - PEGASIS cung cấp lượng hiệu giao thức Leach - Tuy nhiên giao thức PEGASIS có độ trễ lớn Leach liệu phải truyền nút bắt đầu phải chờ tất tin nhắn nhận trước giao tiếp với điểm thu gom - Ngoài ra, giao thức PEGASIS yêu cầu tất thông tin chuỗi phải tổng hợp thành chủ đề Điều gây sai thông tin gửi đến điểm thu gom II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN b PEGASIS [4] cải tiến Trong thuật toán PEGASIS bản, phát sức chia sẻ nút, số hạn chế: -Các nút từ xa trạm BS khả tiêu thụ lượng nhiều nhanh chóng chết -Việc chậm trễ mạng đáng kể, đặc biệt mạng lớn sau chuỗi dài, số lượng cao bươc nhảy cần thiết để truyền liệu từ kết thúc đến trạm gốc -Ngoài ra, nút chuỗi phải công nhận cấu hình mạng luôn dễ dàng cho mạng cảm biến -Một vấn đề khác tắc nghẽn nút Có nghĩa là, liệu đến nút sau đủ sức mạnh để truyền đến trạm BS II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN c Giải pháp -Để khắc phục độ trễ, phân chia mạng thành nhiều tiểu vùng, khu vực thiết lập chuỗi -Trong tiểu khu vực có nút không giới hạn nguồn lượng có khả di chuyển khác tiểu vùng -Tương ứng với chuỗi có nút Những nút chủ gửi liệu thu thập vào sink tương ứng II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN d Mô hình lượng Sử dụng mô hình không dây Việc tiếp nhận liệu tốn lượng tương đối cao, cần phải tối đa hóa số lượng truyền nhận node II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN h Thuật toán đề xuất cho nút di động Bao gồm ba bước sau: Trước tiên tính độ dài cấu hình Sau dựa vào độ dài lại, sink bắt đầu di động cách xác định tọa độ (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m) (66m, 75m) tất bao bọc yêu cầu cụ thể trước Tổng thời gian lưu trú nơi phạm vi vòng tròn sau: Trong Ts tổng thời gian lưu trú vòng Mục tiêu cải thiện thời gian sống mạng cách tăng tổng thời gian lưu trú, mục tiêu thứ hai đảm bảo tính quán liệu truyền dòng nút chuỗi Vì vậy, vấn đề phải tối đa hóa: II NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN h Thuật toán đề xuất cho nút di động Trong Xij đo bit nút sink với vị trí tiềm i j, ≤ i, j ≥ D tổng số liệu chuyển giao nút sink thời gian Vị trí tiềm phụ thuộc vào bốn lĩnh vực không thay đổi Các nút chuỗi truyền liệu đến dòng vị trí đặc biệt III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Đối với phần sử dụng ngôn ngữ MATLAB để mô mạng lưới 100m x 100m Thông số mô sau: + Quy mô mạng lưới: 100m x 100m + Số nút: 100 + Tọa độ: (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m),(66m, 75m) + Năng lượng nút ban đầu : 0,5J + Kích thước gói: 2000 bít + Trạm BS: (0m, 0m) + Số vòng lặp mô phỏng: 5000 III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ III CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Căn vào kết mục [5] so với kết mô phỏng, thấy nút bắt đầu chết PEGASIS khoảng 675 vòng Trong PEGASIS nhiều loại, nút bắt đầu chết đạt vòng 1400 Khi mạng chết, tất nút trống rỗng vòng thời gian đạt 1544 PEGASIS, PEGASIS nhiều loại, nút chết vòng 4615 đạt Qua thấy đời mạng PEGASIS nhiều loại cải thiện đáng kể, so với giao thức định tuyến trước Leach, PEGASIS Do đó, thích hợp để xây dựng mạng lưới hệ thống "cảnh báo sớm cháy rừng " IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM h a Toànbộhệthốngcủamôhình Gồm: - Mạch thu thập liệu nhiệt độ cảm biến - Dữ liệu độ ẩm truyền đến nút mạch - Máy tính hoạt động máy chủ, giám sát từ xa thông qua máy tính khác Dựa trang tài liệu tham khảo [6] [7], đề xuất mô hình IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM a Toànbộhệthốngcủamôhình IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM b.Thiếtkếphầncứng -Sơ đồ khối chi tiết mạch IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM b.Thiếtkếphầncứng Khối chức năng: - Khối thạch anh: dao động cho PIC16F886 - Đặt lại khối: Kết nối chân reset PIC để khởi động lại PIC - Khối bấm phím: Các phím chức giúp khởi động dừng hoạt động hệ thống - Power Module: Cung cấp nguồn cung cấp điện ổn định cho PIC thiết bị tàu - Khối cảm biến bao gồm nhiệt độ, cảm biến độ ẩm mà có liệu từ môi trường để cung cấp cho PIC để phân tích - NRF24L01 khối thu phát + PA ăng-ten: truyền nhận tín hiệu thông qua sóng radio - Vi tính: Nhận tín hiệu từ bo mạch chủ, đặt liệu phân tích xử lý máy tính -Mạch điều khiển trung tâm IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM b.Thiếtkếphầncứng IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM b.Thiếtkếphầncứng -Kết thực tế Hệ thống bao gồm hai loại mạch: + Mạch có cảm biến nhiệt độ độ ẩm phân phối mạng lưới rừng để tuyền liệu trở lại trung tâm Hệ thống mạch sử dụng pin 9v IV THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM b.Thiếtkếphầncứng + Các mạch bo mạch chủ thu thập liệu gửi mạch trạm kiểm lâm, gắn cảnh báo cháy rừng thiết bị (đèn, loa) V KẾT LUẬN Bài viết nghiên cứu định nghĩa rộng cảm biến mạng, giao thức định tuyến thường sử dụng mạng cảm biến, nghiên cứu định tuyến đề xuất giao thức Pegasis đa luồng Xây dựng việc mua lại tín hiệu thành công hệ thống từ môi trường bên thông qua cảm biến sử dụng mạng không dây, mạng lưới hoạt động ổn định thông số thu thập cảm biến tương đối xác Trong nghiên cứu tương lai tiếp tục giao thức định tuyến cho cảm biến mạng lưới, kiểm tra chất lượng kênh xử lý cố đường dây truyền tải, sử dụng cảm biến vị trí GIS Công nghệ Đưa giải pháp cho cảm biến tiết kiệm lượng nút, giảm giá thành sản phẩm áp dụng thực tế ... cách sử dụng mạng cảm biến không dây Toàn hệ thống nút cảm biến định tuyến cho cải thiện PEGASIS cách để ngăn ngừa tổn thất điện PEGASIS tăng tuổi thọ toàn mạng Các cảnh báo cháy rừng phát... thông qua cảm biến sử dụng mạng không dây, mạng lưới hoạt động ổn định thông số thu thập cảm biến tương đối xác Trong nghiên cứu tương lai tiếp tục giao thức định tuyến cho cảm biến mạng lưới,... thiên nhiên cháy rừng điều phổ biến Các phương pháp phổ biến để ngăn chặn tuần tra, nhìn từ tháp năm gần sử dụng hình ảnh vệ tinh Các mạng cảm biến không dây bao gồm cảm biến nút nhỏ, tiêu thụ lượng,