Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3 (tt)

Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IOT cho cảnh báo cháy rừng với phần mềm NS3

i HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG - TRẦN THỊ QUỲNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 ii Luận văn đƣợc hoàn thành tại: HỌC VIỆN BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Trần Quý Nam Phản biện 1:…………………………………………………………………… Phản biện 2:…………………………………… ……………………………… Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ bƣu viễn thơng Vào lúc:……….giờ…………ngày………tháng…….năm……… Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thƣ viện Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thơng LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn kiến thức tơi tích lũy q trình học tập, nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn thầy Ts Trần Quý Nam Các nghiên cứu luận văn dựa tổng hợp lí thuyết mơ thực tế mình, khơng chép từ luận văn khác Mọi thơng tin trích dẫn đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng tài liệu tham khảo Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với nội dung đƣợc viết luận văn Hà Nội, tháng năm 2018 Học viên Trần Thị Quỳnh MỤC LỤC MỤC LỤC .1 DANH MỤC BẢNG .4 DANH MỤC HÌNH .5 LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU .6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT .7 1.1 Định nghĩa IoT 1.1.1 Khái niệm IoT 1.1.2 Đặc tính yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.1.3 Cơ sở kỹ thuật IoT 1.1.4 Kiến trúc IoT .8 1.2 Ứng dụng IoT 1.2.1.Giải pháp nhà thông minh 1.2.2 IoT cho lĩnh vực nông nghiệp .9 1.2.3.Chăn nuôi xác trang trại thơng minh 1.3 IoT với cảnh báo cháy rừng 1.4 Kết luận chƣơng .9 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 10 2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 10 2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến 10 2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến 10 2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT 11 2.1.4 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng .11 2.2 Kỹ thuật thu thập truyền liệu trung tâm 12 2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu .12 2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp 13 2.2.3 Giao thức định tuyến dựa vị trí 13 2.2.4 Giao thức LEACH phƣơng pháp chuyển tiếp liệu mạng cảm biến IoT 13 2.2.5 Giao thức LEACH-C 13 2.3 Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng 15 2.3.1 Mùa cháy rừng 15 2.3.2 Xác định khả cháy rừng theo số Angstrom (Thụy Điển) 16 2.3.3 Dự báo cháy rừng theo số tổng hợp V G Nesterov .16 2.4 Kết luận chƣơng 18 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY RỪNG .19 3.1 Phần mềm mô NS-3 19 3.1.1 Giới thiệu phần mềm mô NS – 19 3.1.2 Cài đặt mô .19 3.2 Kiến trúc mạng mô thử nghiệm 19 3.2.1 Mơ hình kiến trúc mạng 19 3.2.2 Các thành phần cảm biến sử dụng mạng IoT .20 3.3 Xây dựng kịch thử nghiệm 20 3.4 Mô hoạt động đánh giá kết 21 3.4.1 Mô hoạt động 21 3.4.2 Đánh giá kết mô .21 3.5 Kết luận chƣơng 21 KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Chế độ khô ẩm Việt Nam 16 Bảng 2.2: Cách tính tổng hợp tiêu P 17 Bảng 2.3: Bảng tra điểm sƣơng 17 Bảng 2.4: Cấp nguy cháy rừng theo số P 18 Bảng 2.5: Hệ số hiệu chỉnh P có gió 18 Bảng 3.1: Các trƣờng hợp mô 20 Bảng 3.2: Trƣờng hợp mô thay đổi số Cluster 21 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Các thành phần nút cảm biến 10 Hình 3.2: Mơ hình kiến trúc mạng IoT giám sát cảnh báo 20 MỞ ĐẦU Luận văn nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT, thiết kế mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng khả mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến IoT với phần mềm mô NS - để biết đƣợc khả truyền nhận liệu mạng cảm biến để từ đánh giá đƣợc mức độ, nguy xảy cháy rừng Các nội dung luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan IoT, ứng dụng mạng IoT - Định nghĩa IoT - Các đặc tính yêu cầu mức cao hệ thống IoT - Cơ sở kỹ thuật IoT - Kiến trúc IoT - Ứng dụng IoT - IoT với cảnh báo cháy rừng Chương 2: Thiết kế, xây dựng mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng - Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng - Kỹ thuật thu thập truyền liệu trung tâm - Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng Chương 3: Mơ phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng - Phần mềm mô NS-3 - Kiến trúc mạng mô thử nghiệm - Xây dựng kịch thử nghiệm - Đánh giá kết mô CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG IOT 1.1 Định nghĩa IoT 1.1.1 Khái niệm IoT Mạng lƣới vạn vật kết nối Internet mạng lƣới thiết bị kết nối Internet viết tắt IoT (tiếng anh: Internet of Things) kịch giới, mà đồ vật, ngƣời đƣợc cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thơng tin, liệu qua mạng mà không cần đến tƣơng tác trực tiếp ngƣời với ngƣời, hay với máy tính IoT phát triển từ hội tụ công nghệ không dây, công nghệ vi điện tử Internet Nó đơn giản tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với Internet với giới bên để thực cơng việc [34] 1.1.2 Đặc tính yêu cầu mức cao hệ thống IoT 1.1.2.1 Đặc tính - Tính kết nối liên thơng (interconnectivity) - Những dịch vụ liên quan đến “Things” - Tính khơng đồng - Thay đổi linh hoạt - Quy mô lớn 1.1.2.2 Yêu cầu mức cao hệ thống IoT Một hệ thống IoT phải thoả mãn yêu cầu sau: - Kết nối dựa nhận diện - Khả cộng tác: Hệ thống IoT khả tƣơng tác qua lại network Things - Khả tự quản network - Dịch vụ thoả thuận - Các khả dựa vào vị trí (location-based capabilities) - Bảo mật - Bảo vệ tính riêng tƣ - Plug and play - Khả quản lý 1.1.3 Cơ sở kỹ thuật IoT 1.1.3.1 Giao thức 1.1.3.2 Năng lực truyền thông (Comminication Capabilities) 1.1.3.3 Công suất thiết bị (Device Power) 1.1.3.4 Công nghệ cảm biến (Sensor Technology) 1.1.3.5 Thời gian đáp ứng 1.1.4 Kiến trúc IoT Gồm thành phần tối giản: Sensors: Đây đầu cuối thiết bị IoT Đây gọi "Mọi thứ" hệ thống Mục đích chúng thu thập liệu từ xung quanh (cảm biến) đƣa liệu xung quanh (thiết bị truyền động) Đây phải thiết bị nhận diện với địa IP để chúng nhận dạng cách dễ dàng qua mạng lớn Đây phải hoạt động tự nhiên có nghĩa họ thu thập liệu theo thời gian thực Các hoạt động hoạt động tự động (tự quản) đƣợc thực ngƣời sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu họ (ngƣời sử dụng kiểm sốt) Ví dụ cảm biến: cảm biến khí, cảm biến chất lƣợng nƣớc, cảm biến độ ẩm Processors: Bộ xử lý não hệ thống IoT Chức chúng xử lý liệu thu thập đƣợc cảm biến xử lý chúng để trích xuất liệu có giá trị từ lƣợng liệu khổng lồ thu thập đƣợc Nói cách khác, nói mang lại thông minh cho liệu Bộ vi xử lý hầu hết hoạt động sở thời gian thực dễ dàng kiểm sốt ứng dụng Chúng chịu trách nhiệm đảm bảo liệu - thực việc mã hoá giải mã liệu Các thiết bị phần cứng nhúng, vi điều khiển…vv thiết bị xử lý liệu chúng có vi xử lý gắn vào 10 CHƢƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG MỘT MẠNG CẢM BIẾN IOT CHO CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 2.1 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng 2.1.1 Tổng quan mạng cảm biến * Chức nút cảm biến IoT - Xác định đƣợc giá trị thông số nơi lắp đặt - Phát tồn kiện cần quan tâm ƣớc lƣợng thông số kiện - Theo dấu đối tƣợng - Các hệ thống đáp ứng thời gian thực * Các thành phần cấu tạo nút cảm biến [17] Hệ thống định vị Cảm biến ADC Bộ phận di động Xử lý Lƣu trữ Bộ thu phát Bộ nguồn Bộ phát nguồn Hình 2.1: Các thành phần nút cảm biến 2.1.2 Kỹ thuật xây dựng mạng cảm biến Liên quan đến thiết kế nút mạng IoT, chức cần phải có: chức nút; chức xử lý tín hiệu, gồm xử lý số tín hiệu, nén, phát sửa lỗi, điều khiển thừa hành; phân nhóm tính tốn mạng; thông tin; tự kết hợp; định tuyến; quản lý kết nối Để có chức này, phần cứng nút phải có cảm biến phận thực thi, xử lý, nguồn, phần phục vụ cho chức khác Nhƣ vậy, cấu trúc bên độ phức tạp cảm biến phụ thuộc vào ứng dụng 11 Phần cứng: nhóm - Nguồn cung cấp: Đảm bảo lƣợng cho nút hoạt động vài giờ, vài tháng hay vài năm - Lƣu trữ tính toán: Phục vụ cho chức xử lý, điều chế số, định tuyến - Cảm biến: Biến đổi thông số môi trƣờng thành thông tin - Liên lạc: Trao đổi liệu nút với với trung tâm Phần mềm: - Hệ điều hành (OS) microcode (còn gọi middleware): liên kết phần mềm chức xử lý Các nghiên cứu hƣớng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs - Sensor Drivers: Đây module quản lý chức phần tƣ cảm biến - Bộ xƣ lý thông tin: Quản lý chức thơng tin, gồm định tuyến, chuyển gói, trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi - Bộ phận xử lý liệu: Xử lý tín hiệu đâ lƣu trữ, thƣờng nút xử lý mạng 2.1.3 Kiến trúc mạng cảm biến IoT - Kiến trúc phẳng (Flat Structure) - Kiến trúc tầng (Tiered Structure) - Kiến trúc phân cấp - Kiến trúc giao thức mạng cảm biến IoT 2.1.4 Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng Các yêu cầu thiết kế mạng cảm biến IoT khác ứng dụng khác Những yêu cầu việc thiết kế mạng cảm biến IoT cho ứng dụng cảnh báo cháy rừng [17] * Tiêu thụ lƣợng * Kết nối mạng * Truyền thông 12 2.1.2.1 Truyền dẫn mạng cảm biến IoT Nhƣ nêu trên, mạng cảm biến IoT sử dụng số công nghệ truyền dẫn không dây đƣợc thiết kê sẵn (wireless COTS) nhƣ Bluetooth/Personal Area Networks (PANs), ZigBee, wireless LANs (WLAN)/hotspots, broadband wireless access (BWA) AVimax, 3G [22], [16] Có thể chia làm thơng số ảnh hƣởng đến q trình truyền sóng : - Phản xạ (Reflection): Sóng có bƣớc sóng đủ lớn so sánh đƣợc với vật thể, bề mặt nhẵn Sự phản xạ xảy từ bề mặt trái đất, tòa nhà hay tƣờng, - Nhiễu xạ (Diffraction): Đƣờng truyền radio từ máy phát đến máy thu bị cản trở bề mặt vật thể có nhiều đinh, góc nhọn - Sự phân bố rải (Scattering): Các vật thể có kích thƣớc nhỏ bƣớc sóng nằm đƣờng truyền sóng Các bề mặt nhám, gồ ghề, nhỏ gây tƣợng 2.1.2.2 Kiến trúc mạng đơn bƣớc đa bƣớc Mạng đơn bƣớc đơn giản từ nút ta gửi liệu trực tiếp nút sở, mạng loại thƣờng mạng nhỏ, thông thƣờng trƣờng hợp mạng đơn bƣớc đƣợc coi trƣờng hợp đặc biệt mạng đa bƣớc xem xét phạm vi nhỏ Trong trƣờng hợp phạm vi lớn liệu gửi trực tiếp từ nút nút sở liệu đƣợc gửi qua nút trung gian trƣớc tới nút sở, ta gọi truyền đa bƣớc Đơi khơng phải khơng thể truyền trực tiếp từ nút tới nút sở mà ngƣời ta dùng nút trung gian, dùng nút trung gian để giảm công suất chia tiêu tán lƣợng nút Để nâng cao hiệu suất truyền đa bƣớc thƣờng ngƣời ta can thiệp thuật toán định tuyến, dựa việc nút truyển tiếp lƣu xử lý nhiều gói tin thành khung liệu trƣớc chuyển tiếp 2.2 Kỹ thuật thu thập truyền liệu trung tâm 2.2.1 Giao thức định tuyến trung tâm liệu Trong loại giao thức định tuyến này, sink gửi yêu cầu đến vùng xác định đợi liệu từ sensor đƣợc chọn trƣớc vùng SPIN giao thức thuộc loại mà đề cập đến việc dàn xếp liệu nút để giảm bớt dƣ thừa 13 liệu tiết kiệm lƣợng Sau Directed Diffusion (truyền tin trực tiếp) đƣợc phát triển giao thức đáng ý loại định tuyến trung tâm liệu 2.2.2 Giao thức định tuyến phân cấp Mục đích định tuyến phân cấp để đạt đƣợc trì tính hiệu việc tiêu thụ lƣợng nút cảm biến cách đặt chúng giao tiếp multihop thuộc phạm vi cụm cụ thể, đồng thời, thực tập trung hợp liệu để giảm số tin đƣợc truyền đến sink Sự hình thành cụm chủ yếu dựa lƣợng dự trữ nút cảm biến vùng lân cận nút so với nút chủ cụm LEACH số cách tiếp cận định tuyến phân cấp cho mạng cảm ứng Ý tƣởng LEACH động lực cho nhiều giao thức định tuyến phân cấp khác phát triển 2.2.3 Giao thức định tuyến dựa vị trí Hầu hết ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu thơng tin vị trí nút để phục vụ cho mục đích khác Vì mạng cảm biến khơng có chế độ địa nhƣ địa IP chúng đƣợc triển khai vùng khơng gian rộng lớn, thơng tin vị trí cần phải đƣợc sử dụng liệu định tuyến theo cách hiệu mặt lƣợng, từ đó, giao thức định tuyến dựa vị trí đƣợc phát triển 2.2.4 Giao thức LEACH phương pháp chuyển tiếp liệu mạng cảm biến IoT 2.2.4.1 Giới thiệu giao thức LEACH 2.2.4.2 Hoạt động LEACH 2.2.4.3 Tạo cụm phân cấp để chuyển tiếp liệu 2.2.5 Giao thức LEACH-C 2.2.5.1 Hoạt động LEACH-C Để khắc phục nhƣợc điểm giao thức LEACH bản, nhiều nghiên cứu đƣợc tiến hành, giao thức LEACH-C đƣa đƣợc giải pháp hiệu cho vấn đề đƣợc đánh giá cao khả ứng dụng mạng WSN [14][18][19] 14 Về mặt ý tƣởng, LEACH-C hoàn toàn giống với LEACH bản, khác pha thiết lập (Set - up Phase), pha ổn định (Steady – state Phase ) kế thừa từ giao thức LEACH Khác với LEACH (mỗi nút có xác suất để đƣợc chọn làm nút chủ cụm), giao thức LEACH-C, trình lựa chọn cụm nút chủ đƣợc thực trạm gốc 2.2.5.2 Lựa chọn nút chủ Trong giao thức định tuyến LEACH-C thực tập trung liệu thơng tin tồn nút cảm biến trạm gốc tiến hành chọn nút chủ hình thành cụm, q trình tạo cụm tốt với nút chủ đƣợc phân tán toàn mạng Thêm vào đó, q trình lựa chọn nút chủ, trạm gốc dễ dàng thêm vào tham số, có lƣợng dự trữ nút cảm biến Trong pha thiết lập LEACH – C, tất nút mạng gửi thông tin trạng thái (bao gồm vị trí lƣợng lại) trạm gốc Trạm gốc, sau đó, dùng thuật tốn tối ƣu để xác định cụm nút chủ cho vòng Để lấy đƣợc thông tin tất nút mạng, trạm gốc định kỳ gửi tin quảng bá ADV Chu kỳ gửi tin thời gian vòng Bản tin ADV chứa ID trạm gốc phần tiêu đề để phân biệt tin ADV Khi nút mạng nhận đƣợc tin này, lấy ID trạm gốc xác định nút chủ gửi tin REQ có chứa vị trí lƣợng nút cho BS BS sử dụng thông tin để xác định nút chủ cho vòng 2.2.5.3 Thiết lập cụm truyền liệu Sau trạm gốc lựa chọn đƣợc nút chủ cho vòng tại, BS gửi tin quảng bá có chứa ID nút chủ tới tất nút mạng Khi nút nhận đƣợc tin này, kiểm tra ID có với ID tin quảng bá khơng, nút chủ vòng tại, ngƣợc lại, chờ tin quảng bá từ nút chủ Khi định trở thành nút chủ hay không vòng tại, pha thiết lập cụm truyền liệu hoàn toàn giống với giao thức LEACH 15 2.2.6 Giao thức LEACH-F Trong vòng đầu tiên, hoạt động LEACH-F hoàn toàn giống với LEACH-C Tuy nhiên, vòng tiếp theo, trạm gốc BS không tiến hành lựa chọn lại cụm, cụm đƣợc hình thành vòng cố định Thêm vào đó, nút khơng phải gửi thơng tin BS, mà gửi cho nút chủ cụm, nút chủ vào thơng tin để lựa chọn nút chủ cho vòng Sau nút chủ đƣợc lựa chọn, vòng hoạt động đƣợc bắt đầu, nhiên, giao thức LEACH-F, nút cụm ban đầu BS định khơng thể gia nhập cụm mặc dù, nằm phạm vi phủ sóng nút chủ Các cụm cố định tiếp tục hoạt động, gửi thông tin BS số nút hết lƣợng đạt đến số lƣợng định đó, BS lại gửi tin ADV để hình thành lại cụm [14][18][19] 2.3 Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng 2.3.1 Mùa cháy rừng Xác định mùa cháy rừng dựa vào nhiệt độ lƣợng mƣa trung bình tháng nhiều năm, áp dụng cơng thức số khô hạn Thái Văn Trừng (1978)[8] Số tháng khô X = S.A.D (2.2) mm S = Ps ≤ 2t (2.2a) Psmm lƣợng mƣa bình qn tháng khơ, t nhiệt độ bình qn tháng khơ Số tháng hạn mm A = Pa ≤ t (2.2b) Pamm lƣợng mƣa bình quân tháng hạn, t nhiệt độ bình quân tháng hạn Số tháng kiệt mm D = Pd ≤ 5mm Pdmm lƣợng mƣa bình quân tháng kiệt (2.2c) 16 Bảng 2.1: Chế độ khô ẩm Việt Nam Chỉ số khô hạn (số tháng) Lƣợng mƣa trung bình năm, mm S A D Độ ẩm tƣơng đối trung Tên gọi chế bình thấp độ khơ ẩm nhất, % (1) (2) >2500 (cấp I) 1200 – 2500 (cấp II) 600 – 1200 (cấp III) 300 - 600 (Cấp IV) (3) (4) 0-3 0 Trên 85 Mƣa ẩm 1-3 0-1 Trêm 85 Ẩm 4-6 1-2 0-1 Dƣới 85 Hơi ẩm 4-6 1-2 0-1 Trên 50 Hơi khô 7-9 2-4 0-2 Trên 50 Khô - 10 4-6 1-3 Trên 30 Hạn 2.3.2 Xác định khả cháy rừng theo số Angstrom (Thụy Điển) I Trong đó:  R 20 (27 T0 )  (2.3) 10 - R: Độ ẩm tƣơng đối (%) khơng khí thấp ngày - T: Nhiệt độ khơng khí (0C) cao ngày Sau tính I, đánh giá khả cháy rừng nhƣ trình bày biểu sau: 2.3.3 Dự báo cháy rừng theo số tổng hợp V G Nesterov Trên sở phân tích Nexterov đƣa tiêu khí tƣợng tổng hợp để đánh giá mức độ nguy hiểm cháy rừng đƣợc tính theo tiêu tổng hợp P: (2.4) Trong P tiêu tổng hợp nguy cháy rừng; n số ngày không mƣa lƣợng mƣa nhỏ 5mm; Ti nhiệt độ không khí lúc 13 (thời điểm xảy cháy nhiều nhất) Di nhiệt độ điểm sƣơng lúc 13 Nhiệt độ điểm sƣơng nhiệt độ thời điểm khơng khí bão hồ nƣớc 100% Khi khơng khí bão hồ nƣớc q trình ngƣng kết nƣớc khơng 17 khí xảy Nếu lƣợng mƣa ngày cuối lớn ngày nhỏ 5mm số P đƣợc bổ sung thêm hệ số K đƣợc điều chỉnh nhƣ sau: (2.5) - K hệ số điều chỉnh (K có giá trị 1) phụ thuộc vào lƣợng mƣa ngày a (a  5mm K=0; a < 5mm K=1) Chỉ tiêu P đƣợc tính dựa tài liệu đo đếm trạm khí tƣợng gần với địa phƣơng cần dự báo cháy rừng Cách tính tiêu tổng hợp P nhƣ sau: Bảng 2.2: Cách tính tổng hợp tiêu P Ngày Lƣợng mƣa Ti(0C) Ti – Di 5/8 >5 16.6 1.5 16.6 * 1.5 = 24.9 6/8 Không mƣa 17.8 2.3 24.9 + (17.8 * 2.3) = 65.84 7/8 Không mƣa 25.5 20.1 65.84 + (25.5 * 20.1) = 578.39 8/8 Không mƣa 24.3 14.9 578.39 + (24.3 * 14.9) = 940.46 P Trị số Di đƣợc tra theo bảng tra điểm sƣơng nhƣ sau: Bảng 2.3: Bảng tra điểm sƣơng Khả chứa nƣớc Nhiệt độ (0C) Ghi (1) (2) (3) 25 30 Cột cho biết lƣợng nƣớc 20 15 tối đa mà không khí 15 10 chứa đƣợc nhiệt độ … … tƣơng ứng với cột khơng khí (gam) Giả sử nhiệt độ khơng khí 100C khơng khí chứa đƣợc lƣợng nƣớc 15 gam Giả thiết vào lúc 13 giờ, nhiệt độ không khí 220C, lƣợng nƣớc khơng khí 15 gam Từ bảng ta thấy, ứng với 100C nƣớc bão hồ khơng khí 15gam Vậy Di = 22 – 10 = 12 Căn vào độ lớn P, Phạm Ngọc Hƣng (1988) phân chia thành cấp cháy rừng Thông Nhựa Quảng Ninh nhƣ sau: 18 Bảng 2.4: Cấp nguy cháy rừng theo số P Cấp cháy P Mức độ cháy I - 1000 II 1001 - 2500 Có khả cháy III 2501 - 5000 Khả cháy lớn IV 5001 - 10.000 V > 10.000 Ít có khả cháy Nguy hiểm Cực kỳ nguy hiểm Vì cháy rừng chịu ảnh hƣởng nhiều nhân tố khác nhƣ tốc độ gió, độ ẩm vật liệu cháy mƣa…Tuỳ theo tốc độ gió, Kooper (1990) đề nghị hiệu chỉnh số nguy cháy rừng P Nexterov nhƣ sau: Bảng 2.5: Hệ số hiệu chỉnh P có gió Tốc độ gió (Km/h) Hệ số P hiệu chỉnh 0-5 - 15 1,5 16 - 25 2,0 >=26 3,0 2.4 Kết luận chƣơng Trong chƣơng hai, luận văn trình bày nghiên cứu tổng quan mạng cảm biết IoT, kiến trúc mạng cảm biến IoT, phƣơng pháp chuyển tiếp liệu mạng cảm biến đƣa kỹ thuật đo đạc, phân tích cảnh báo cháy rừng 19 CHƢƠNG MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH BÁO CHÁY RỪNG 3.1 Phần mềm mô NS-3 3.1.1 Giới thiệu phần mềm mô NS – NS3- Network Simulator Version phần mền mô đƣợc phát triển University of California, Berkeley, Hoa Kỳ NS-3 mô mạng điều khiển kiện rời rạc mà lõi mơ hình mơ đƣợc thực C++ NS-3 xây dựng thƣ viện tĩnh động liên kết với chƣơng trình C++, định nghĩa cấu trúc mơ bắt đầu mô NS-3 đƣa hầu nhƣ tất API cho Python, cho phép chƣơng trình Python sử dụng module NS-3 tƣơng tự nhƣ đƣợc sử dụng C++ Mục đích NS-3 tạo mơi trƣờng giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm tra, thiết kế giao thức, kiến trúc mới, so sánh giao thức tạo mơ hình mạng phức tạp [20][31] 3.1.2 Cài đặt mô * Hệ điều hành Hệ điều hành sử dụng Linux Ubuntu 16.04 phiên 32 bit chạy máy ảo tạo phần mềm VMWare 10 * Cài đặt phần mềm mô NS -3 Đầu tiên cần cài đặt gói cần thiết thƣ viện cần thiết để chạy NS3 Linux Ubuntu Nhấn Ctrl + Alt + T để mở thiết bị đầu cuối đăng nhập bắt đầu Sudo 3.2 Kiến trúc mạng mô thử nghiệm 3.2.1 Mô hình kiến trúc mạng Hệ thống cảm biến đƣợc đặt rừng, khoảng cách cảm biến theo tiêu chuẩn kỹ thuật Các cảm biến thu thập liệu gửi đến nút gốc, nút gốc có chức tập hợp liệu gửi trung tâm xử lý hiển thị cấp cảnh báo 20 Internet Trƣờng cảm biến Trung tâm xử lý hiển thị cấp cảnh báo lên web Nút gốc Database Ứng dụng web Dữ liệu ban đầu Dữ liệu tổng hợp Node chủ cấp Node cảm biến Hình 3.1: Mơ hình kiến trúc mạng IoT giám sát cảnh báo 3.2.2 Các thành phần cảm biến sử dụng mạng IoT * Cảm biến (Ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, …) * Khối xử lý trung tâm 3.3 Xây dựng kịch thử nghiệm Các sensor có chức thu thập thông số môi trƣờng: Nhiệt độ, độ ẩm, sức gió, khói…đƣợc đặt khu rừng với diện tích khoảng 10.000m2, sensor đƣợc đặt cách khoảng 100m Bằng cách thay đổi vùng phủ sóng lƣợng cấp cho nút Ta mô theo kịch sau: Bảng 3.1: Các trƣờng hợp mô Kịch Số nút Độ rộng trƣờng cảm biến Năng lƣợng Số Clusters (KB1) 100 (x=1000; y=1000) 2J/Nút (KB2) 100 (x=500; y=500) 2J/Nút (KB3) 100 (x=1000; y=1000) 4J/Nút 21 3.4 Mô hoạt động đánh giá kết 3.4.1 Mô hoạt động  Trong ba kịch xây dựng nhƣ ta thay đổi vùng phủ sóng lƣợng cấp cho nút  Số nút sống theo thời gian  Dữ liệu gửi tới BS theo thời gian Bảng 3.2: Trƣờng hợp mô thay đổi số Cluster Kịch Số nút Độ rộng trƣờng cảm biến Năng lƣợng Số Cluster (KB1) 100 (x=1000; y=1000) 4J/Nút (KB2) 100 (x=1000; y=1000) 4J/Nút 10 (KB3) 100 (x=1000; y=1000) 4J/Nút 15  Trong ba kịch ta thay đổi số Clusters 3.4.2 Đánh giá kết mô  Trong kịch KB1, KB2, KB3 ta thay đổi vùng phủ sóng lƣợng cấp cho nút ta nhận thấy rằng: - Việc thay đổi lƣợng ban đầu cho nút cảm biến có ảnh hƣởng lớn đến thời gian sống toàn mạng liệu gửi BS - Việc thay đổi độ rộng vùng phủ sóng có ảnh hƣởng đến thời gian sống toàn mạng liệu gửi BS việc thay đổi lƣợng cho nút cảm biến  Trong kịch KB3, KB4, KB5 ta thay đổi số Cluster mà giữ nguyên lƣợng cấp ban đầu cho cảm biến độ rộng trƣờng cảm biến ta thu đƣợc kết quả: Kịch Dữ liệu gửi BS (bits) Số Cluster (KB3) 78559 (KB4) 33142 10 (KB5) 20731 15 Bảng 3.3: Kết gửi BS thay đổi số Cluster 3.5 Kết luận chƣơng Trong chƣơng luận văn đƣa mơ hình thiết kế cho hệ thống giám sát cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến IoT Xây dựng đƣợc kịch thử nghiệm, mô hoạt động đánh giá phần hiệu giao thức định tuyến LEACH việc truyền liệu BS 22 KẾT LUẬN Cảnh báo cháy rừng đóng vai trò quan trọng cơng tác bảo vệ rừng Nhờ có cảnh báo sớm, biết đƣợc mức độ nguy xảy cháy rừng để từ chủ động phƣơng án đối phó nhƣ giảm thiểu tối đa thiệt hại mà cháy rừng gây Ngày nay, có nhiều loại cảm biến giúp đo: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, lƣợng mƣa, sức gió ….Căn vào kết đo, ta đƣa đƣợc dự báo nguy cháy rừng Một mạng cảm biến IoT góp phần đắc lực cho mục đích thu thập thơng tin (nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ), chuyển tiếp liệu thu đƣợc trung tâm xử lý để đƣa cảnh báo sớm nguy bùng phát cháy Các kết nghiên cứu đạt - Nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến IoT, kiến trúc mạng, cấu trúc cảm biến thu thập liệu, tóm lƣợc vấn đề truyền liệu mạng cảm biến IoT - Nghiên cứu xây dựng kiến trúc mạng cảm biến IoT, phƣơng pháp chuyển tiếp liệu mạng cảm biến IoT - Xây dựng mơ hình mơ triển khai thử nghiệm mạng cảm biến IoT áp dụng vào thực tiễn công tác giám sát, đo đạc tham số môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, để dự báo nguy cháy rừng cảnh báo sớm Hướng phát triển tiếp Là toán sở để phát triển toán phát hiện, mơ cháy rừng thực tế, ví dụ nhƣ áp dụng cảnh báo mô cháy rừng núi Luốt Trƣờng Đại học Lâm nghiệp khu rừng khác 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Cục kiểm Lâm (2016), Số liệu cháy rừng, Hà Nội [2] Nguyễn Đức Chiến, Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; [1807] Giáo trình cảm biến; NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Lê Văn Doanh, Phạm Việt Hàn, Nguyễn Văn Hóa, Võ Thạch Sơn, Đoàn Văn Tân (1809), Các cảm biến kỹ thuật đo lưu lượng điều khiển; NXB Khoa học Kỹ thuật [4] Phạm Ngọc Hƣng (1994), Phòng cháy chữa cháy rừng, NXB Nông nghiệp, Hà Nội [5] Phạm Ngọc Hƣng (1988), Xây dựng phương pháp dự báo cháy rừng Thông nhựa (Pinus merkusii J.) Quảng Ninh, Luận án PTS Khoa học Nông nghiệp, Hà Nội [6] Trịnh Minh Phƣơng (2016), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT cho giám sát môi trường, Trƣờng Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội [7] Vƣơng Văn Quỳnh (2002), Bài giảng khí tượng thuỷ văn rừng dùng cho cao học lâm nghiệp, Trƣờng Đại học Lâm nghiệp, Hà Nội [8] Thái Văn Trừng (1978), Thảm thực vật rừng Việt Nam, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [9] Nguyễn Hữu Tiến, Trƣơng Cẩm Hồng (1809), Các kỹ thuật kết nối mạng không dây, NXB Thống kê, Hà Nội [10] TS Lê Nhật Thăng, TS Nguyễn Quý Sỹ, (1807) Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vơ tuyến, Tạp chí Bƣu viễn thơng, số 301 Tiếng Anh [11] Asar Ali, Zeeshan Akbar, (1809), “Evaluation of AODV and DSR Routing Protocols of WSN for Monitoring Applications”, Master’s Thesis, Karlskrona [12] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 [13] Nirupama Bulusu, Sanjay Jha, (1805), Wireless Sensor Networks, ARTECH HOUSE [14] Debnath Bhattacharyya, Tai-hoon Kim, Subhajit Pal, (1810), A Comparative Study of Wireless Sensor Networks and Their Routing Protocols, 1050610523; doi:10.3390/s101210506 24 [15] Everton Cavalcante, Marcelo Pitanga Alves, An Analysis of Reference Architectures for the Internet of Things, Corba 2015 [16] Parth M Dave, Purvang D Dalal, (1813), Simulation & Performance Evaluation of Routing Protocols in Wireless Sensor Network, IJARCCE, Volume 2, Issue [17] Anna Ha’c, (May 1812), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd [18] Xuxun Liu, (1812), A Survey on Clustering Routing Protocols in Wireless Sensor Networks, 12, 11113-11153; doi: 10.3390/s118811113 [19] Monica R Mundada, Savan Kiran, Shivanand Khobanna, Raja Nahusha Varsha, Seira Ann George, (May 1812) “A Study on Energy Efficient Routing Protocols in Wireless Sensor Networks”, IJDPS, Volume 3, No [20] Thammakit Sriporamanont and Gu Liming, (1806), Wireless Sensor Network Simulator, Master’s Thesis in Electrical Engineering Technical Report [21] Dr Ovidiu Vermesan, Dr Peter Friess, Patrick Guillemin, Internet of Things Strategic Research Roadmap, 2009 Strategic Research Agenda, The IoT European Research Cluster - European Research Cluster on the Internet of Things (IERC) [22] Jennifer Yick, Biswanath Mukhejee, Dicpak Ghosal, (1807), Wireless sensor network survey, University of California, Davis, CA 95616, United States [23] Thomas William, Colin Kelley, (1814), “An Interactive Ploting Program – GNUPLOT 5.1”, Dick Crowford, Version 5.0 Website [24] http://canhsatpccc.gov.vn [25] https://www.cisco.com [26] http://www.c-sharpcorner.com [27] https://electronicsofthings.com [28] https://www.ibm.com/internet-of-things/ [29] https://iotvietnam.com [30] http://iot.dtt.vn/InternetofThings.html [31] http://www.nsnam.org [32] https://smarthome.worldtech.vn [33] http://vietnamnet.vn/vn/cong-nghe/ung-dung/ung-dung-internet-van-vat-vaotrong-lua-chan-bo-369581.html [34] https://vi.wikipedia.org ... 3: Mô phỏng, thử nghiệm mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng - Phần mềm mô NS-3 - Kiến trúc mạng mô thử nghiệm - Xây dựng kịch thử nghiệm - Đánh giá kết mô CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ IOT, ỨNG DỤNG CỦA MẠNG... dựng mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng - Kiến trúc mạng cảm biến IoT cho cảnh báo cháy rừng - Kỹ thuật thu thập truyền liệu trung tâm - Kỹ thuật đo đạc, phân tích, cảnh báo cháy rừng Chương... mạng cảm biết IoT, kiến trúc mạng cảm biến IoT, phƣơng pháp chuyển tiếp liệu mạng cảm biến đƣa kỹ thuật đo đạc, phân tích cảnh báo cháy rừng 19 CHƢƠNG MÔ PHỎNG, THỬ NGHIỆM MỘT MẠNG CẢM BIẾN CẢNH