Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ HỆ THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ Nguyễn Cơng Tín, Hà Kim Tùng, Võ Thành Nghĩa Lớp K18EVT, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Duy Tân Đà Nẵng, Việt Nam Email: congtin@outlook.com, linhhoaichau@gmail.com, vothanhnghia15@gmail.com GVHD: TS Hà Đắc Bình Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Duy Tân Tóm tắt— Sạt lở đất tưởng phổ biến giới Việt Nam, thiệt hại mà gây ảnh hưởng lớn đến sống tài sản người dân Tuy nhiên việc dự đốn cảnh báo sơ sài Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế hệ thống cảnh báo sạt lỡ đất dựa mạng cảm biến khơng dây Hệ thống phát chuyển động đất, đo lường mức độ di chuyển gửi mức cảnh báo vị trí sạt lỡ có nguy sạt lỡ cho trung tâm Trong hệ thống sử dụng vi điều khiển Texas Instruments MSP430F2274 cho nút cảm biến Kết thử nghiệm cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu thực tế hoạt động tốt môi trường mà thử nghiệm Từ khóa— mạng cảm biến khơng dây, hệ thống cảnh báo, sạt lỡ I GIỚI THIỆU Sạt lở đất tượng địa chất xảy dịch chuyển lớp đất đá tầng mặt tầng bên dưới, xảy xa bờ, ven biển đất liền Như bạn biết, Việt Nam quốc gia có địa hình hẹp, trải dài từ Bắc vào Nam, quốc gia có nhiều núi sơng, đặc biệt Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, sạt lở trở thành tượng phổ biến nước ta Sạt lở đất mối đe dọa lớn người, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới sở hạ tầng, tài sản tính mạng người dân Theo tổng kết SafeLand [1], châu Âu vùng có số tử vong cao thứ hai thiệt hại kinh tế cao sạt lở đất so với châu lục khác kỷ 20 với số thống kê 16.000 người thiệt mạng sạt lở đất thiệt hại vật chất lên tới 1,7 tỷ USD Hơn nữa, số lượng người bị ảnh hưởng sạt lở đất lớn nhiều so với báo cáo Cũng biến đổi khí hậu, sạt lở đất mối quan tâm lớn Chính phủ việc đưa cảnh báo biện pháp khắc phục Việc phát nguy sạt lở cảnh báo cung cấp thơng tin hữu ích cho người nhằm giảm thiểu tổn thất nghiêm trọng, ngồi hỗ trợ việc phát triển quy hoạch sử dụng đất Các phát thực cách sử dụng yếu tố có liên quan đến sạt lở đất, ước tính khả xảy sạt lở, từ thiết lập mối quan hệ yếu tố liên quan sạt lở đất để dự đốn nguy sạt lở đất tương lai đưa cảnh báo hợp lý Hệ thống cảnh báo sạt lỡ đất nghiên cứu kỹ lưỡng Tại hội thảo sạt lở đất ngày 27/04/2012, giáo sư Hirojasu Otshu, Giảng viên Địa Kỹ thuật, nghiên cứu giảng dạy Đại học Kyoto (Nhật Bản) Viện Công nghệ Châu Á (AIT) dẫn chứng số thống kê cho thấy việc sạt lở đất ngày gia tăng Ngồi ơng giới thiệu Hệ thống quan trắc hỗ trợ thiết bị đa theo dõi dòng chảy trước mặt, thẩm thấu nước mưa vào tầng đất mái dốc, qua tính tốn khả sạt lở mái dốc đưa biện pháp khắc phục Hệ thống lắp đặt Phuket (Thái Lan) Tại Australia, có cơng trình Landslide Monitoring Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Technologies & Early Warning System xuất tháng 08/2010 biên tập viên Robert SUPPER and Ivo BARON Tại Italia, hệ thống cảnh báo sớm sạt lở lắp đặt bên sườn núi, nhằm cảnh báo cho phương tiện giao thông bên dưới, hệ thống sử dụng dây thép số cảm biến camera để tính tốn đưa cảnh báo sớm cho khu này, có sạt lở, hệ thống khởi động rào chắn bên đường để chặn phương tiện vào vùng nguy hiểm Ngoài ra, với công nghệ viễn thám (Remote sensing), người ta chụp ảnh khu vực tọa độ định, sau dựa vào độ xê dịch theo thời gian khu vực đất để tính tốn đưa cảnh báo việc sạt lở tương lai Nước ta chủ yếu thẳng vào việc phòng chống thực chưa có cơng trình nghiên cứu nhằm đưa cảnh báo sớm sạt lở Tiêu biểu công nghệ Geotube - công nghệ Geotube sử dụng ống vải địa kỹ thuật có dạng lươn, độn đầy cát bên Ống đặt ngầm, song song với vạch bờ biển để giảm sóng, lắng đọng phù sa; đặt vng góc với vạch bờ nhằm hạn chế dòng ven bờ, tăng cường bồi tụ phù sa đặt sát chân cồn để bảo vệ trực tiếp cồn cát Phía phẳng làm vật liệu đặc biệt nhằm chống lún chống xói, chắn đỡ sức cơng phá dòng nước, giảm nhẹ tác dụng thủy lực, công nghệ áp dụng Trà Vinh với chiều dài km, rộng 0.6 km dọc theo bờ biển Từ tìm hiểu trên, tính cấp thiết tình hình sạt lở, nên chúng tơi định xây dựng hệ thống với nhiệm vụ cảnh báo sớm nhằm đưa dự đoán cảnh báo cho khu vực có nguy sạt lở với mục đích nắm bắt cơng nghệ cảnh báo sạt lỡ đất Hệ thống đề xuất dựa mạng cảm biến không dây cảm biến gia tốc II THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để thiết kế hệ thống phải tìm hiểu chế sạt lỡ đất Các dạng sạt lở Sạt lở đất có nhiều dạng khác Theo ghi nhận Sassa [], sạt lở đất thường phân loại liên quan đến chiều sâu tốc độ Sạt lở đất sâu nhanh nguy hiểm Sạt lở đất nơng nhanh nguy hiểm nhiều vụ sạt lở xảy thời điểm Sạt lở đất chậm tương đối an toàn cho người dân di tản chuyển động Tốc độ trượt chậm độ dịch chuyển không nhiều loại sạt lở này; nhiên, phá hủy ngơi nhà, trường học cơng trình khác nằm đường nó, gây thêm nhiều thiệt hại to lớn cho tài sản người dân Với loại sạt lở nông chậm tương đối không nguy hiểm nên giám sát LEWS (landslide early warning system) Các loại sạt lở tầng đất sâu, nhanh chậm có nhiều chế khác nhau, chế cảnh báo loại phải khác Để đánh giá nguy dạng sạt lở ta chia chúng thành dạng hình Dưới dạng : 1.1 Dạng trượt : Dạng xuất mảng đất phía khơng liên kết với mảng đất bên trượt xuống, mà nguyên nhân thành phần đất bị ổn định, chỗ ranh giới ổn định gọi ranh giới trượt Dựa vào hình dạng đất sau sạt lở, ta chia làm loại: trượt xoay trượt tịnh tiến Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ 1.2 Dạng rơi : Dạng xuất mảng đất đá bên sườn núi đột ngột tách rời rơi xuống bên Khi rơi xuống, mảng đất tạo thành dạng rơi tự lăn Nguyên nhân gây lực hấp dẫn, phong hóa xói mòn nước 1.3 Dạng đổ : Dạng xuất có đổ sập khối đá đơn vị đất xuống bên theo hình vòng cung, nguyên nhân chủ yếu vết nứt cộng với tác động phong hóa xói mòn nước 1.4 Dòng chảy : Đặc trưng di chuyển hàng loạt đất đá, nguyên nhân thay đổi lớn tính chất bên mảng đất, di chuyển chúng kết hợp với nước lũ tạo nên lũ qt, có tính chất nguy hiểm nhiều so với dạng trượt 1.5 Dạng phân tách : Xảy trượt mảng đất bị chặn lại gây dồn nén phía bên giãn cách phía mảng đất, loại sạt lở gây vết nứt rãnh sâu Nguyên nhân chủ yếu giống dạng trượt bị chặn dưới, gây nguy hiểm cho đối tượng nằm phía mảng đất Hình Các dạng sạt lở Mạng cảm biến khơng dây Để theo dõi tình hình sạt lở, sử dụng cảm biến không dây, mạng bao gồm nhiều nút, nút tương ứng với vị trí cần giám sát thực tế Mạng cảm biến không dây hoạt động giao thức định tuyến Cụ thể giao thức hình cây, giao thứ bao gồm nút chủ nhiều nút Mỗi nút Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ quản lý tối đa 30 nút Nút gửi liệu đến nút chủ mình, sau nút chủ gửi liệu trạm phát chính, từ liệu gửi đến trung tâm Trong trường hợp nút chủ chết, tín hiệu từ nút nhận nút chủ khác số nút nút chưa tới 30 Khi khởi tạo mạng, nút chủ cấp cho nút linkID Liên kết ID viết vào tin nhắn thay đổi Nếu nút tham gia vào mạng lưới nút chính, cung cấp ID liên kết khác để giao tiếp với nút chủ liên kết tin nhắn ID cũ không thay đổi Bằng cách này, xác vị trí cụ thể nút cảm biến không dây mạng có thay đổi cấu trúc Mạng cảm biến bao gồm nút hình : - Nút hình tròn : nút cảm biến, có khả thu thập truyền tín hiệu đến nút chủ theo hướng mũi tên hình Nó xây dựng bao gồm khối: + Khối cảm biến - ADX-L335 + Khối xử lý - MSP430F2274 + Khối truyền - CC2500 - Nút vng : nút phát sóng nhận tín hiệu gửi đến trung tâm Nút có lượng lớn để truyền liệu Nó xây dựng bao gồm khối : + Khối xử lý - MSP430F2274 + Khối truyền - CC2500 Hình Mạng cảm biến Khi có chuyển động tầng đất, hệ thống sử dụng sóng RF để liên kết nút với để tạo thành mạng lưới với khả tính tốn, phân tích gửi liệu đến trung tâm Trung tâm xử lý đưa giải pháp phù hợp cho người vùng có nguy sạt lở đất Hệ thống sử dụng KIT EZ430-RF2500 cảm biến ADXL335 2.1 Khối cảm biến: Cảm biến gia tốc ADXL335, cảm biến sử dụng để đo độ nghiêng đặt lòng đất Đặc tính : Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ - Nguồn cung cấp từ 3.3V đến 5V - Cung cấp liệu trục XYZ dạng tín hiệu analog Hình Cảm biến gia tốc: module ADX335 2.2 Khối xử lý: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý hình MSP430F2274 vi điều khiển thiết kế để hoạt động với lượng cực thấp tích hợp timer 16 bit, giao diện truyền thông nối tiếp khơng đồng (UART), tích hợp thêm ADC 10 bit vận chuyển liệu (DTC), hai mạch tạo khuyết đại xung, 32 chân I/O chúng tơi sử dụng MSP430F2274 để đọc tín hiệu từ cảm biến ADXL335 chức ADC tích hợp, sau gửi liệu tới IC CC2500 để phát sóng Trong khối nhận, chúng tơi dùng MSP430F2274 để chuyển đổi tín hiệu analog đọc từ cc2500 sang tín hiệu digital sau xử lý truyền lên máy tính - Chân A0 đọc liệu từ cảm biến - Chân 3.0 3.1 gửi liệu đến IC CC2500 Hình Sơ đồ khối xử lý 2.3 Khối truyền nhận liệu: Khối truyền nhận liệu hình Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Hình Khối truyền nhận CC2500 IC thu phát 2.4 GHz chi phí thấp thiết kế cho ứng dụng không dây sử dụng lượng thấp Các mạch triển khai cho ISM SRD với băng tần 2400-2483.5 MHz Mạch thu phát RF tích hợp với modem băng tầng sở cấu hình cao Các modem hỗ trợ định dạng điều chế khác có tốc độ cấu hình liệu lên đến 500 kbaud CC2500 cung cấp hỗ trợ phần cứng mở rộng để xử lý gói tin, liệu đệm, truyền tốc độ cao, xác định kênh, chất lượng liên kết CC2500 có phần cứng hỗ trợ đóng gói thủ cơng, đệm liệu, tăng dung lượng truyền, đánh giá kênh truyền, số chất lượng liên kết bật tắt thủ công Các thông số hoạt động 64-byte truyền/nhận FIFOs CC2500 điều khiển thông qua giao diện SPI Trong hệ thống điển hình, CC2500 sử dụng với vi điều khiển vài thành phần bổ sung Chúng tơi sử dụng để truyền nhận liệu Thường xuyên thiết lập tự động Lưu đồ thuật tốn: Hình lưu đồ thuật tốn node cảm biến Hình 6: Lưu đồ thuật toán Giao thức định tuyến Chúng tơi sử dụng mạng hình cho hệ thống hình Và để thử nghiệm hệ thống đó, thiết kế mạng gồm nút nút Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Hình Sơ đồ giao thức Khi sạt lở không xuất hiện, nút cảm biến gửi liệu đến nút chủ với chu kỳ lần, sau nút chủ xử lý thông điệp gửi đến trung tâm Khi sạt lở xuất hiện, nút gửi liệu liên tục khoảng thời gian định đến nút chủ, sau liệu gửi đến trạm Khi xong nhiệm vụ, nút cảm biến ngủ quay trở lại chu kỳ III KẾT QUẢ THU ĐƯỢC Để kiểm tra khả hệ thống mô tượng sạt lở quy mô nhỏ Bước 1: Dựng đồi nhỏ cát Bước 2: Đặt nút cảm biến bên đồi cát Bước 3: Chúng thực cho sạt lở đất cách đào quan sát tín hiệu hình Những tiêu chí để đánh giá hiệu hệ thống bao gồm môi trường, khoảng cách trạm nút, cường độ tín hiệu thời gian hoạt động Kết so sánh lý thuyết thực tế nút cảm biến bảng Bảng Kết so sánh lý thuyết thực tế Lý thuyết Thực tế Khoảng cách - 30m - 11m Cường độ tín hiệu 100% - 35% 75% 37% Thời gian hoạt động 7h 7h Chúng thấy hệ thống có tồn số vấn đề tín hiệu, cụ thể nhiễu chia sẻ băng tần 2.4GHz với nhiều thiết bị Để giải vấn đề này, nâng cao cường độ phát sóng IC thay đổi tần số Tuyển tập đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên Khoa Điện – Điện tử giai đoạn 2011-‐2015 -‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐-‐ Hình Một nút hệ thống IV KẾT LUẬN Hệ thống phát chuyển động đất, đo lường mức độ di chuyển gửi liệu cảnh báo cho trung tâm Nhưng hết hệ thống có khả xác định vị trí sạt lở với độ sai lệch vài mét Nhờ việc cảnh báo phòng chống sạt lở trở nên hiệu Trong tương lai, nâng cấp vi mạch RF để tăng khoảng cách trạm nút cảm biến Cả giao diện giao thức cải tiến để hoàn hảo Giao diện tối ưu hóa để thân thiện với người sử dụng Ngoài ra, hệ thống có thêm khả đo nhiệt độ độ ẩm để hỗ trợ công việc nghiên cứu nhà địa chất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.safeland-fp7.eu [2] Hirojasu Otshu Development of Road Slope Risk Manageme nt System Focusing on an Evaluation of Optimum Maintenance and Repair Plan http://www.piarc.org/en/publications/PIARC-International-Seminars-Proceedings/PIARCInternational-Seminars-2006/hanoi_April06.htm [3] ADXL335 Data Sheet [4] MSP430F2274 Data Sheet [5] Http://www.ti.com/tool/ez430-rf2500 [6] Http://processors.wiki.ti.com/index.php/EZ430-RF2500 [7] Http://forum.processing.org/one/recent.htm [8] Http://processing.org/reference/ ... đoán cảnh báo cho khu vực có nguy sạt lở với mục đích nắm bắt cơng nghệ cảnh báo sạt lỡ đất Hệ thống đề xuất dựa mạng cảm biến không dây cảm biến gia tốc II THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để thiết kế hệ thống. .. Tại Italia, hệ thống cảnh báo sớm sạt lở lắp đặt bên sườn núi, nhằm cảnh báo cho phương tiện giao thông bên dưới, hệ thống sử dụng dây thép số cảm biến camera để tính tốn đưa cảnh báo sớm cho... hiểu chế sạt lỡ đất Các dạng sạt lở Sạt lở đất có nhiều dạng khác Theo ghi nhận Sassa [], sạt lở đất thường phân loại liên quan đến chiều sâu tốc độ Sạt lở đất sâu nhanh nguy hiểm Sạt lở đất nơng