NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG MẠNG cảm BIẾN KHÔNG dây vào CÔNG tác PHÒNG CHỐNG CHÁY RỪNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀO CƠNG TÁC PHỊNG CHỐNG CHÁY RỪNG WIRELESS SENSOR NETWORK RESEARCH FOR FOREST FIRE DETECTION APPLICATION SVTH: Hà Văn Thành , Lê Cao Trí, Trần Bá Tùng Lớp 08DT3, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng GVHD: KS Phạm Xuân Trung Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Trong báo này, cung cấp hướng tiếp cận cơng tác phòng chống cháy rừng thơng qua việc sử dụng mạng cảm biến không dây, nhằm thay cho phương pháp thủ công hiệu quả, phương pháp đại giá thành đắt đỏ Bằng cách ứng dụng công nghệ cảm biến như: cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, khói để thiết kế node cảm biến, sau phân tán chúng vào môi trường rừng cần giám sát để tiến hành thu thập liệu gửi trung tâm giám sát thông qua công nghệ truyền liệu số không dây để tiến hành xử lý , mạng cảm biến khơng dây có khả theo dõi, dự báo, cảnh báo chống cháy rừng cách hiệu Đây giải pháp hứa hẹn tạo bước đột phá công tác bảo vệ rừng Từ khóa: Mạng cảm biến khơng dây, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khói, phòng chống cháy rừng ABSTRACT In this paper, we propose a research approach for forest fire detection using wireless sensor network to replace manual methods with low efficiency as well as modern high technology ones but high cost By combining sensing techniques, such as light sensing, temperature sensing, humidity sensing, smoke sensing, with digital signal transmission to monitor a particular area of forest by electronic equipments, this research can enhance capability of tracking, predicting, and detecting forest fire In other word, it is a promising breakthrough in forest protecting task Key words: Wireless sensor network, light sensing, temperature sensing, humidity sensing, smoke sensing, forest fire detection Đặt vấn đề Mạng cảm biến không dây sở hạ tầng bao gồm thành phần thiết bị điện tử có chức cảm biến, tính tốn truyền thông cho phép người dùng giám sát kiện tượng phạm vi môi trường Mạng cảm biến khơng dây có nhiều ứng dụng hữu ích thực tế, bật kể đến khả ứng dụng hệ thống giám sát cảnh báo cháy rừng Ở Việt Nam, cơng tác phòng chống cháy rừng chủ yếu dựa vào phương pháp thủ công, sử dụng lực lượng kiểm lâm tuần tra giám sát khu vực có khả cao xãy cháy Với phương pháp này, hiệu giám sát không cao, phạm vi theo dõi bị giới hạn yếu tố địa hình, quy mơ lực lượng, khả dự báo cháy Trong đó, giới, phương pháp phổ biến để phát cháy rừng sử dụng hệ thống giám sát thông qua vệ tinh Với hỗ trợ đắc lực công nghệ, phương pháp có độ tin cậy cao, đáp ứng nhanh cơng tác dự báo phòng chống cháy rừng, nhiên điểm yếu giá thành cao cho lần vận hành Mạng cảm biến không dây đảm bảo cung cấp giải pháp tối ưu cơng tác phòng chống cháy rừng, đáp ứng tốt khả dự báo sớm xãy cháy rừng chi phí vận hành thấp so với phương pháp đại khác Yêu cầu thiết kế hệ thống Các yêu cầu thiết kế mạng cảm biến không dây khác ứng dụng khác Đề mục nêu yêu cầu việc thiết kế mạng cảm biến không dây cho ứng dụng giám sát cháy rừng 2.1 Tiêu thụ lượng Sự tiêu thụ lượng đóng vai trò quan trọng việc thiết kế hệ thống cảm biến không dây giám sát cháy rừng, node cảm biến dùng để thu thập liệu từ môi trường phân tán vào khu vực rừng núi hẻo lánh, khó khăn việc tiếp cận để thay nguồn điện, thiết kế phải đảm bảo mục tiêu tiêu thụ tiết kiệm lượng, cách tối ưu hóa thiết kế phần cứng thuật toán phần mềm 2.2 Kết nối mạng Kết nối mạng đóng vai trò quan trọng vận hành hệ thống cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây Bất lúc nào, đâu, có vài node cảm biến gây tượng trễ gói tin nguồn điện yếu, yếu tố địa hình tác động, hư hỏng…Trong nhiều trường hợp, gói tin bị trễ làm ảnh hưởng tới mức độ xác tin cậy hệ thống, làm công tác cứu hộ bị ảnh hưởng Do đó, thiết kế cần phải đảm bảo cho hệ thống động trơn tru linh hoạt tình 2.3 Truyền thơng Mạng cảm biến khơng dây có ba loại truyền thơng Loại thứ loại truyền thông chiều hỗ trợ truyền liệu từ node cảm biến trạm gốc Loại thứ hai loại truyền thơng hai chiều, giao tiếp chiều node trạm gốc Loại cuối truyền thông đa chiều, node giao tiếp lẫn để truyền tải thơng tin Nhằm hạ giá thành nâng cao hiệu làm việc, báo tập trung vào loại 2.4 Thiết kế phần cứng phần mềm Nhằm nâng cao độ xác tính tin cậy việc cảnh báo cháy rừng, hệ thống đòi hỏi phải tích hợp số loại cảm biến khác nhau, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khói, đồng thời qua kết hợp tối ưu hóa thuật tốn định tuyến ,các q trình xử lý tín hiệu số node cảm biến, giúp tiết kiệm lượng việc truyền nhận liệu 2.5 Xác định khả cháy rừng theo số Angstrom Chỉ số Angstrom tính theo cơng thức : I R 27  T  20 10 Trong : -R độ ẩm tương đối (%) khơng khí -T nhiệt độ khơng khí ( C) Sau ,ta đánh giá khả cháy rừng theo bảng sau : Bảng Đánh giá khả cháy rừng theo số Angstrom Cấp cháy Chỉ số I Khả phát sinh cháy rừng I I >4,0 Khơng có khả cháy rừng II 2,5 < < 4,0 Ít có khả xuất cháy rừng III 2,0 < I < 2,5 Có nhiều khả xuất cháy rừng IV I < 2,0 Rất có khả xuất cháy rừng Phương pháp đơn giản dễ tính tốn, nhiên tính ngày riêng biệt, tiêu Angstrom khơng nêu ảnh hưởng tích luỹ nhiệt độ độ ẩm khơng khí, khơng đề cập đến tác động gió mưa nên khơng phản ảnh xác thay đổi độ ẩm vật liệu cháy Thiết kế hệ thống Đề mục cung cấp mơ hình thiết kế cho hệ thống giám sát cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây dựa yêu cầu hệ thống đề cập đề mục Phần tập trung trình bày vấn đề mơ hình tổng qt hệ thống, nguyên tắc hoạt động thành phần hệ thống,giới thiệu chương trình quản lý mơ hình node cảm biến 3.1 Mơ hình tổng qt Hệ thống có mơ hình mạng hình với node xử lý trung tâm làm nhiệm vụ thu thập liệu xử lý (Access Point) gồm nhiều node cảm biến phân bố phạm vi mà hệ thống giám sát (End Device), node làm nhiệm vụ cảm biến thống số môi trường gửi liệu node trung tâm Hình Sơ đồ tổng quát hệ thống  Ưu điểm mạng hình - Hoạt động theo nguyên lý node ngang hàng nên có node gặp cố mạng hoạt động bình thường - Cấu trúc mạng đơn giản, thuật toán điều khiển ổn định - Mạng mở rộng thu hẹp tùy theo yêu cầu người sử dụng  Nhược điểm mạng hình - Khả mở rộng mạng hồn tồn phụ thuộc vào trung tâm, trung tâm gặp cố tồn mạng ngừng hoạt động - Mạng yêu cầu kết nối độc lập node đến node trung tâm,do khoảng cách thơng tin hạn chế 3.2 Nguyên tắc hoạt động thành phần hệ thống Như giới thiệu hệ thống gồm hai thành phần AP(Access Point) ED(End Device), thành phần đóng vai trò ngun tắc hoạt động khác Chúng hoạt động với dựa nguyên tắc bản: thiết bị ED sau khởi động ln ln gửi tin tới AP để yêu cầu liên kết tham gia vào mạng, AP luôn lắng nghe thiết lập kết nối với ED có yêu cầu tham gia vào mạng Khi hồn tất việc kết nối AP mạng sẵn sàng nhận liệu từ ED sau giây Sau vai trò hoạt động chi tiết thành phần 3.2.1 End Device Ngay vừa khởi động, ED bắt đầu tìm kiếm AP để thực kết nối Sau phát AP cố gắng liên kết mạng Trong trình hoạt động ED hoạt động chế độ công suất thấp để tiết kiệm lượng Mặt khác liên tục tính tốn thông số môi trường nhờ loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khói để gởi cho AP xử lý Từ ta xây dựng thuật tốn sử dụng cho ED sau: Hình Lưu đồ trạng thái ED 3.2.2 Access Point Đầu tiên hệ thống khởi tạo phần cứng, chuẩn giao tiếp, liên kết mạng Sau khởi tạo thành cơng AP thực việc lắng nghe chờ kết nối nhằm phát ED muốn gia nhập vào mạng Sau nhận liệu gửi từ ED AP đọc liệu sau truyền lên máy tính trung tâm để hiển thị giao diện chương trình giám sát Quá trình diên liên tục lặp lặp lại bước Từ ta xây dựng thuật tốn sử dụng cho AP sau: Hình Lưu đồ trạng thái AP 3.3 Thiết kế node cảm biến Nhằm đáp ứng nhu cầu giám sát cảnh báo cháy rừng, node cảm biến cần có khả thu thập số loại liệu khác ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, khói xử lý tín hiệu truyền gói tin node thu thập liệu trung tâm Đề mục nêu thành phần phần cứng quan trọng node cảm biến Cấu trúc tổng quát node cảm biến sau: Hình Cấu trúc node cảm biến 3.3.1 Khối xử lý Sử dụng KIT eZ430-RF2500 sản phẩm ứng dụng MSP430, tích hợp thêm phận truyền nhận liệu không dây hoạt động vùng tần số 2.4GHz phận cảm biến nhiệt độ Vi điều khiển xử lý dòng MSP430F2274 với đặc tính sử dụng nguồn tiêu thụ cực thấp,tiết kiệm lượng phù hợp cho việc thiết kế node Ngồi hỗ trợ chuyển đổi ADC, Timer, hỗ trợ giao tiếp nối tiếp UART,SPI,I2C Hình KIT eZ430-RF2500 TI 3.3.2 Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn KIT eZ430-RF2500, xem đặc điểm thuận lợi cho việc đo đạc nhiệt độ Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ tương đối đơn giản, dựa vào mối quan hệ dựa nhiệt độ điện áp người ta tính tốn nhiệt độ môi trường xung quanh nhờ sử dụng chuyển đổi ADC10 MSP430F2274 Hình Mối quan hệ nhiệt độ điện áp 3.3.3 Cảm biến ánh sáng Sử dụng quang trở loại điện trở có giá trị phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó.Đây loại cảm biến hoạt động tương đối đơn giản 3.3.4 Cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm sử dụng loại HS1101, loại cảm biến độ ẩm sử dụng phổ biến sống với độ xác tương đối cao +-2% Cảm biến HS1101 cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung HS1101 thay đổi Do vậy, để đo độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung HS1101 Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 IC NE555 Khi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC555 Như cần đo tần số đầu đo điện dung HS1101 Hình Sơ đồ mạch HS1101 mối quan hệ độ ẩm điện dung HS1101 Sau tính tốn tần số nhờ sử dụng Timer MSP430F2274 ta suy giá trị độ ẩm đo Bảng Mối quan hệ độ ẩm tần số 3.3.5 Cảm biến khói Cảm biến khói loại cảm biến dùng để thu thập liệu Sử dụng công nghệ thu phát hồng ngoại để phát khói phạm vi bảo vệ Theo đó, LED phát hồng ngoại liên tục chiếu tia hồng ngoại vào transistor quang, cặp linh kiện đảm nhiệm vai trò cảm biến có mặt khói Khi khơng có khói, cường độ ánh sáng hồng ngoại phát – thu đạt mức ổn định, tín hiệu đưa vào vi điều khiển mức thấp Khi có khói làm mờ cường độ ánh sáng hồng ngoại, tín hiệu đưa vào vi điều khiển mức cao 3.3.6 Bộ truyền tín hiệu Sử dụng CC2500 tích hợp sẵn KIT làm nhiệm vụ truyền dẫn vô tuyến node CC2500 vi điều khiển thực công việc điều chế , giải điều chế, kiểm tra lỗi, lặp bit…để phục vụ cho việc thu phát không dây Đặc điểm truyền nhận vô tuyến - Độ nhạy cao - Tiêu thụ dòng thấp - Hỗ trợ tốc độ liệu từ 1.2 đến 500Kbaud - Dãy tần số từ 2.4GHz đến 2.4835GHz Sản phẩm đánh giá sản phẩm Đề mục trình bày kết phần cứng phần mềm, dựa sở lý thuyết đề cập đề mục 4.1 Phần cứng Kết hợp q trình tính tốn thủ cơng, mơ hoạt động mạch cách sử dụng phần mềm Proteus phiên 8.0, cuối sử dụng phần mềm Orcad phiên 16.5 để thiết kế layout tạo mạch in, sau kết thiết kế phần cứng mạch cảm biến ánh sáng, độ ẩm khói Hình Mạch cảm biến khói, độ ẩm ánh sáng Hình Kích thước thực node cảm biến 4.2 Phần mềm Giao diện quản lý hệ thống thiết kế phần mềm Visual Basic kết hợp với ứng dụng giao diện quản lý KIT eZ430-RF2500 công ty Texas Instrument để tạo chương trình giám sát cháy rừng hình vẽ Hình 10 Giao diện chương trình giao tiếp máy tính Dữ liệu truyền từ node cảm biến node thu thập liệu trung tâm, node giao tiếp với phần mềm quản lý thông qua cổng COM cập nhật liệu liên tục cho người giám sát Giao diện giám sát có khả lưu trữ trích xuất liệu định dạng file txt 4.3 Đánh giá sản phẩm  Ưu điểm: - Mạch hoạt động ổn định, công tác cảm biến, thu thập, cập nhật truyền nhận liệu có độ xác cao, đáp ứng tức thời thay đổi từ đối tượng nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khói - Mạch dễ lắp ráp chế tạo với giá thành vừa phải - Thiết kế gọn nhẹ, dễ cầm nắm di chuyển  Nhược điểm: - Khoảng cách truyền hạn chế, phụ thuộc vào địa hình, địa vật vùng mơi trường cần giám sát - Chương trình trình phát triển nên số lượng node mạng giới hạn mức 32 node - Sử dụng lượng pin nên vòng đời hoạt động node chưa cao - Sử dụng mơ hình liên kết hình sao, định tuyến tĩnh nên hạn chế để triển khai giám sát mơi trường rừng với diện tích lớn Hình 11 Sản phẩm hồn chỉnh Kết luận hướng phát triển Bài báo đưa hướng tiếp cận cơng tác phòng chống cháy rừng nước ta giới sử dụng mạng cảm biến không dây giúp tăng hiệu việc phòng ngừa cảnh báo cháy rừng Nhằm nâng cao tính khả dụng đề tài, cần tập trung vào vấn đề phát triển nguồn lượng để đảm bảo kéo dài thời gian hoạt động mạng cảm biến khơng dây, chẳng hạn tích hợp thêm công nghệ sử dụng lượng mặt trời, bên cạnh cần tích hợp thêm thành phần hệ thống GPS giúp tăng độ hiệu cơng tác giám sát vị trí node, từ cải thiện khả quản lý khu vực rừng cần theo dõi Mặt khác, cần cải thiện khả kết nối mạng, cách áp dụng mô hình liên kết hình mạng lưới, với khả định tuyến gói tin động Mơ hình cho phép mở rộng phạm vi giám sát lên nhiều lần, 10 có giao thức chống tắt nghẽn gói tin mạng, từ mang lại hiệu cao Ngồi ra, thiết kế phải đảm bảo chi phí đầu tư lắp đặt mức cho phép TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sang Hyuk Lee, Soobin Lee, Heecheol Song, Hwang Soo Lee ( 2009 ), “Wireless Sensor Network Design For Tactical Military Applications : Remote Large – Scale Environments”, 2009 IEEE [2] Liyang Yu, Neng Wang, Xiaoqiao Meng ( 2005 ), “Real – Time Forest Fire Detection With Wireless Sensor Network” , 2005 IEEE [3] Takahiro Fujiwara, Takashi Watanabe ( 2010 ), “Bidirectional Communications For Damage Monitoring Using Wireless Sensor Networks in Emergency Conditions”, 2010 IEEE [4] J Ibriq, I Mahgoub ( 2004 ), “Cluster – based Routing in Wireless Sensor Network : Issues And Challenges”, in Proc Int Symp Performance Evaluation Of Computer And Communication Systems, San Jose, CA, June 2004 [5] O Younis, S Fahmy (2004), “Distributed Clustering In Ad – hoc Sensor Networks: A Hybrid, Energy – Efficient Approach”, IEEE INFOCOM 2004, Hongkong, China, Mar 2004 [6] Waltenegus Dargie, Christian Poellabauer ( 2010 ), “Fundamental Of Wireless Sensor Networks: Theory And Practice”, John Wiley & Sons Ltd 2010 [7] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati ( 2007 ), “Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols, and Applications”, John Wiley & Sons, Inc 2007 11 ... phòng chống cháy rừng, nhiên điểm yếu giá thành cao cho lần vận hành Mạng cảm biến không dây đảm bảo cung cấp giải pháp tối ưu công tác phòng chống cháy rừng, đáp ứng tốt khả dự báo sớm xãy cháy. .. cảm biến không dây cho ứng dụng giám sát cháy rừng 2.1 Tiêu thụ lượng Sự tiêu thụ lượng đóng vai trò quan trọng việc thiết kế hệ thống cảm biến không dây giám sát cháy rừng, node cảm biến dùng... cảm biến hoạt động tương đối đơn giản 3.3.4 Cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm sử dụng loại HS1101, loại cảm biến độ ẩm sử dụng phổ biến sống với độ xác tương đối cao +-2% Cảm biến HS1101 cảm biến