ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm

Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm Tran Cong Hung, Pham Minh Tan, Huynh Trong Thua Tóm tắt –Trang chứng minh cách để tạo Hệ thống theo dõi thay đổi nhiệt độ độ ẩm để nhanh chóng dự đốn vụ cháy rừng cách sử dụng mạng cảm biến khơng dây Tồn 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 sống người Index TermsMạng cảm biến không dây (WSNs), Cháy rừng, độ ẩm, nhiệt độ, PEGASIS cải thiện I GIỚI THIỆU Rừng đóng vai trò quan trọng sống người tài nguyên người, tham gia vào phát triển xã hội cân hệ sinh thái trái đất Tuy nhiên, hành động khơng kiểm sốt người khơng thể dự đốn trước thiên nhiên cháy rừng điều phổ biến Đó tàn phá thảm hoạ tài nguyên rừng sống người Trong năm gần đây, tần số cháy rừng nhanh chóng gia tăng thay đổi khí hậu, tác động người phần tử nhỏ Sứ mệnh để ngăn ngừa kiểm soát đám cháy rừng trở thành quan tâm phòng ngừa cháy rừng quan Tính đến nay, phương pháp phổ biến tuần tra gỗ, nhìn từ tháp năm gần sử dụng hình ảnh vệ tinh Mặc dù nhìn từ tòa tháp dễ dàng có thể, có nhược điểm Điều đòi hỏi nhiều tài chính, vật liệu cơng nhân kinh nghiệm Thứ hai, nhiều vấn đề liên quan đến nhân viên khơng có mặt tháp khơng có khả theo dõi thời gian thực phạm vi giám sát hạn chế Hệ thống truyền hình vệ tinh giám sát có lỗ hổng, số yếu tố hạn chế hiệu phương pháp Ví dụ qt vài chu kỳ độ phân giải thấp Vấn đề khác đám mây chặn thức ăn vệ tinh máy ảnh, làm cho khó khăn để tính tốn thay đổi [1] Các mạng cảm biến không dây bao gồm cảm biến nhỏ nút, tiêu thụ lượng, giao tiếp thơng qua kết nối khơng dây, có nhiệm vụ cảm biến, đo lường, tính tốn 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 Ngồi ra, họ có ứng dụng thành phần bổ sung hệ thống định vị, máy phát điện quản lý di động [3] Bởi phát triển nhanh chóng cảm biến mạng lưới khơng dây thiếu sót giám sát truyền thống phòng chống cháy rừng, cần thiết cho cách hiệu tốt nhiều để ngăn chặn hình thức cháy rừng xảy Như đề cập trước đó, việc tiêu thụ lượng vấn đề tồn giao thức PEGASIS Chúng đề xuất giải pháp sáng tạo để giao thức PEGASIS hệ thống để có chia khu vực, khu vực hình thành chuỗi chọn nút để truyền tải liệu đến "máng xả di động" Nội dung báo cáo sau: Phần I giới thiệu, giới thiệu trạng cháy rừng cảnh báo Phần II công việc lien quan, giới thiệu vấn đề hạn chế giao thức PEGASIS kiến nghị cải thiện PEGASIS Phần III mô đánh giá kết Phần IV phần cứng phần mềm thiết kế, sau phần kết luận phát triển tương lai II CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN a PEGASIS [4] Các giao thức PEGASIS dựa gần tối ưu cải tiến so với Leach Giao thức PEGASIS giải vấn đề chi phí phát sinh q hình thành cụm Leach thơng 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 Sau hình thành chuỗi, thay trì thơng tin cụm cụm thành viên, nút cần theo dõi nút lân cận trước Q trình thơng tin liên lạc chuỗi thực Mỗi nút chuỗi thu thập liệu từ nút láng giềng tất liệu tập hợp vào đầu nút chuỗi Các điều khiển nút thứ tự thông tin liên lạc trình nút theo thứ tự Một ví dụ q 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 Các giao thức PEGASIS cung cấp hiệu lượng giao thức Leach Điều chi phí giảm lượng giao tiếp chuỗi 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 b PEGASIS cải thiện Trong thuật toán PEGASIS, phát sức mạnh chia sẻ nút, trì số hạn chế: -Các nút từ xa 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 cơng 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 khơng có thêm sức mạnh để truyền đến trạm BS 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 dòngvới khơng 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 máng xả tương ứng d Mô hình lượng Giao tiếp bit liệu k khoảng cách d cách sử dụng mơ hình khơng dây Phương trình truyền dẫn: Hệ phương trình: Việc tiếp nhận liệu tốn lượng tương đối cao, chúng tơi cần phải tối đa hóa số lượng truyền nhận node d Xây dựng chuỗi đa: Các thủ tục xây dựng chuỗi giống định tuyến giao thức PEGASIS bản, đề xuất có dây hình thành sau: -Sink gửi "gói tin hello" đến tất nút để có thơng tin tất nút -Sink tìm nút xa cách so sánh khoảng cách tất nút để lĩnh vực -Hình thành chuỗi xa nút, nút gốc chuỗi, nút gốc tìm kiếm cho node gần bao gồm chuỗi -Sau đó, nút tìm đường dẫn đến nút gần mà khơng kết nối chuỗi, sau kết nối với tương tự tiếp cận -Trong thứ tự, node i nhận liệu từ nút j, hoạt động nút cha tới nút j, nút j hoạt động nút đến nút i Quá trình tạo chuỗi lặp lặp lại bốn khu vực dây tạo e Chọn nút chuỗi Trong phần này, chuỗi chọn nút sở tỷ trọng Q gán cho nút Mỗi nút tính tốn mật độ Q cách chia lượng lại cho khoảng cách từ trạm đo chuẩn, so sánh Q cân xứng tất nút đưa vào chuỗi Nút có Q lớn chọn nút chuỗi Sau hình thành chuỗi, nút i tính tốn khoảng cách (dp) với nút cha sau so sánh khoảng cách với khoảng cách từ đến chỗ lõm (dbs) Nếu (dp)> (dbs) sau nút i đóng vai trò nút hàng đầu gửi liệu thu thập chỗ lõm thay gửi đến nút cha f dòng di động Trong mơ này, giả định dòng có khả giữ lượng khơng giới hạn tính di động sử dụng để tối đa hóa tuổi thọ mạng Dòng di chuyển mạng quỹ đạo cố định, tù vùng sang vùng khác chờ đợi vị trí tạm thời Trong giai đoạn này, dòng nhận liệu từ tất nút chuỗi Các "tạm trú vị trí: hoạt động dòng tạm trú liệu thu thập Đưa vào thuật tốn xác định vị trí cải thiện dự kiến là: (33m, 25m,), (33m, 75m),(66m, 25m) (66m, 75m) g Thuật tốn đề xuất cho dòng di động Trong phần này, đưa thuật toán mở rộng cho giới hạn khoảng cách dòng mặt để giải vấn đề nêu Là bao gồm ba bước sau: Sau dựa vào độ dài lại, dòng 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 Trong bước thứ ba thuật tốn để tính tốn tổng chiều dài lại vòng 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: Trong Xij đo bit nút dòng với vị trí tiềm i j, ≤ i, j ≥ D tổng số liệu chuyển giao nút dòng thời gian Vị trí tiềm phụ thuộc vào bốn lĩnh vực khơng thay đổi Các nút chuỗi truyền liệu đến dòng vị trí đặc biệt III CÁC MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ Đối với phần sử dụng ngôn ngữ MATLAB để mô mạng lưới 100m x 100m Các kịch mô bao gồm 100 nút chọn ngẫu nhiên 25 bốn lĩnh vực khác Dòng di chuyển vị trí trung tâm khu vực tạo thành vòng khép kín Các mơ thơng số sau: + Quy mô mạng lưới: 100m x 100m + Số nút: 100 + Nơi cư trú: (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m),(66m, 75m) Các nút ban đầu + Năng lượng: 0,5J + Kích thước gói: 2000 bít + Trạm Nơi BS: (0m, 0m) + Số vòng lặp mô phỏng: 5000 Căn vào kết trang [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 CÁC PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM a Tồn hệ thống mơ hình Xây dựng cảm biến mạng cảnh báo sớm cháy rừng bao gồm mạch thu thập liệu thiết kế từ nhiệt độ cảm biến, liệu độ ẩm truyền đến nút mạch chủ qua không dây truyền qua cổng bên cạnh hình máy tính Máy tính hoạt động máy chủ, giám sát từ xa thông qua máy tính khác (như khách hàng) internet Dựa trang tài liệu tham khảo [6] [7], chúng tơi đề xuất mơ hình Hệ thống cảnh báo sớm vụ cháy rừng sau: Phần mềm chương trình để kết nối với phần cứng thông qua mạng Dữ liệu thu thập xử lý phần mềm, sau hệ thống đưa cảnh báo (đèn, loa) thông số vượt cảm biến mức độ định b Thiết kế phần cứng Căn vào tài liệu tham khảo trang [8], đề xuất thiết kế phần cứng sau: -Sơ đồ khối chi tiết mạch 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 mơi trường để cung cấp cho PIC để phân tích - NRF24L01 khối thu phát + PA ăng-ten: truyền nhận tín hiệu thơng 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 -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 + Các mạch bo mạch chủ thu thập liệu gửi mạch trạm kiểm lâm, gắn cảnh báo cháy rừng thiết bị (đèn, loa) c Phần mềm Dựa trang tài liệu tham khảo [9], định thiết kế phân tích phần mềm VB6, sử dụng TeeChart biểu đồ, thiết kế giao diện sau: Chương trình bao gồm textbox để hiển thị kết nhiệt độ độ ẩm thiết bị cảm biến thời gian thực Tất thông tin nhận từ cảm biến hiển thị giao diện Sau thiết kế xong, tiến hành đo quan sát thông số thu từ cảm biến, nhận kết sau: Các tín hiệu nhận từ cảm biến bao gồm đóng mạch PIC16F886 dây truyền tới nhận mạch PIC 16F886 sau truyền đến máy tính, máy tính hoạt động máy chủ mạng, theo dõi từ khách hàng mạng tín hiệu thu thập hiển thị đồng thời hai máy chủ khách hàng, hình tín hiệu chúng tơi nhận từ môi trường: nhiệt độ 31 ° C, độ ẩm 77% Để biết kết thay đổi môi trường, ảnh hưởng cảm biến cách sử dụng thuốc nhẹ gần với đề nghị cảm biến nhiệt độ, thổi vào cảm biến độ ẩm Kết hiển thị hình 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 cơng hệ thống từ mơi trường bên ngồi 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 Cơng nghệ Đưa giải pháp cho cảm biến tiết kiệm lượng nút, giảm giá thành sản phẩm áp dụng thực tế THAM KHẢO [1] Andrey Somov (2011), "Wildfire an toàn với mạng cảm biến không dây", CREATE-NET, viaalla Cascata 56 / D, 38.123 Trento, Italy [2] Daniel E Parra-Beratto, Silvia Elena Restrepo Jorge E Pezoa (2013), "Mạng cảm biến khơng dây phát cháy rừng", Universidad de Concepción, Chile [3] Shuang-Hua Yang (2014), "Wireless Sensor Networks - Nguyên tắc, Thiết kế ứng dụng ", Sở Khoa học máy tính, Đại học Loughborough, Vương quốc Anh [4] Prasad, Tarun Gulati (2012), "Một cải tiến PEGASIS Nghị định thư Tăng cường sử dụng nguồn lượng mạng cảm biến không dây ", Sở ECE & MM Đại học Ambala (Haryana) Ấn Độ [5] Cauligi S Raghavendra (2007), "PEGASIS: Power-Efficient Gathering Hệ thống thông tin cảm biến ", Sở Nghiên cứu Hệ thống máy tính Các Aerospace Corporation, Los Angeles [6] C Lozano O Rodriguez (2010), "Thiết kế cháy rừng sớm Hệ thống phát Sử dụng cảm biến không dây Mạng ", Trường Kỹ thuật, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, Colombia [7] Jadhav, Deshmukh (2012), "Rừng cháy Hệ thống giám sát Dựa On ZIG-BEE Wireless Sensor Network ", Tạp chí Quốc tế Cơng nghệ Kỹ thuật nâng cao [8] D.Vignesh Kirubaharan, A.John Clement Sunder, SMRamesh, P.Dhinakar (2014), "Phát Intruder cảnh báo cháy rừng Hệ thống Sử dụng mạng không dây với cảm biến ", nghiên cứu tiến quốc tế Tạp chí Khoa học, Kỹ thuật Cơng nghệ [9] Mohamed Hefeeda Majid Bagheri (2008), "cháy rừng Modeling Phát sớm sử dụng cảm biến không dây Mạng ", Trường Computing Khoa học, Đại học Simon Fraser, Canada TRẦN CÔNG HÙNG sinh Việt Nam vào năm 1961 Ông nhận BE điện tử viễn thông kỹ thuật với danh dự hạng từ HOCHIMINH Đại học công nghệ Việt Nam, năm 1987 Ông nhận BE tin học máy tính kỹ thuật từ Đại học HOCHIMINH cơng nghệ Việt Nam, năm 1995 Ông nhận thạc sĩ kỹ thuật viễn thong Tất nhiên kỹ thuật từ phận sau đại học Đại học Hà Nội cơng nghệ Việt Nam, năm 1998 Ơng nhận tiến sĩ Đại học Hà Nội công nghệ Việt Nam, năm 2004 Lĩnh vực nghiên cứu ông B - ISDN thông số hiệu suất phương pháp đo, QoS mạng tốc độ cao, MPLS Ơng là, nay, Phó giáo sư tiến sĩ Khoa Thông tin Công nghệ II, viết Telecoms Institute of Technology HOCHIMINH, Việt Nam  ... thích hợp để xây dựng mạng lưới hệ thống "cảnh báo sớm cháy rừng " IV THIẾT KẾ CÁC PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM a Tồn hệ thống mơ hình Xây dựng cảm biến mạng cảnh báo sớm cháy rừng bao gồm mạch thu... thống cảnh báo sớm vụ cháy rừng sau: Phần mềm chương trình để kết nối với phần cứng thông qua mạng Dữ liệu thu thập xử lý phần mềm, sau hệ thống đưa cảnh báo (đèn, loa) thông số vượt cảm biến. .. (2010), "Thiết kế cháy rừng sớm Hệ thống phát Sử dụng cảm biến không dây Mạng ", Trường Kỹ thuật, Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, Colombia [7] Jadhav, Deshmukh (2012), "Rừng cháy Hệ thống giám