Chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ được phát triển mạnh khoảng một năm trở lại đây. Công nghệ này xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là tầng vật lý PHY (Physical Layer) và tầng MAC (Medium Access Control) theo chuẩn IEEE 802.15.4. Vì vậy nó thừa hưởng được những ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4 đó là độ tin cậy, sự đơn giản trong lắp đặt và bảo trì, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. Dựa vào mô hình giao thức của ZigBee được trình bày trong hình 2.10, các nhà sản xuất đã chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng nhau.
Hình 2. 9: Mô hình giao thức của ZigBee
Giao thức ZigBee có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý PHY và tầng MAC được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee ZDO (ZigBee device objects) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị…
Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4: Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME (physical layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu/phát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý.
Các tính năng của tầng PHY là kích hoạt và giảm kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu/phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền.
Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC: Tầng MAC cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC Sublayer management entity (MLME). Thực thể MLME cung cấp dịch vụ quản lý lớp thông qua các hàm quản lý lớp. Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu/phát của khối dữ liệu giao thức MAC Protocol Data Unit (MPDU) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.
Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian đảm bảo Guaranteed Time Slot (GTS), điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack [19].
2.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh báo trƣợt đất
Đặc điểm của mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng kết hợp xử lý và thích ứng trong các môi trường khắc nghiệt đã tạo ra một triển vọng ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và ứng dụng trong việc theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, ứng dụng trong y học, giám sát và cảnh báo những thảm họa thiên tai trong tự nhiên như lũ lụt, cháy rừng, trượt đất và những ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp.
Trượt đất là một tai biến xảy ra thường xuyên gây thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Hiện tại đã có những hệ thống giám sát lở đất được xây dựng để cảnh báo mối nguy hiểm này như cảnh báo ngắn hạn và cảnh báo dài hạn ở những khu vực có nguy cơ trượt đất xảy ra. Việc cảnh báo dài hạn là giải pháp ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems), hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) và các mô hình toán học để xây dựng bản đồ khu vực có nguy cơ trượt lở đất, quan sát trượt lở theo đơn vị thời gian dài thường là hàng năm. Việc cảnh báo tức thời là phương pháp sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, cảm biến đo mưa, cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ là hết sức cần thiết.
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), các cảm biến có độ chính xác cao, giá thành rẻ và kích thước nhỏ gọn góp phần thuận lợi cho việc triển khai một mạng các cảm biến không dây ứng dụng trong cảnh báo trượt đất. Hình 2.11 minh họa mô hình một nút mạng cảm biến sử dụng cho hệ cảnh báo trượt đất thời gian thực.
Hình 2. 10: Một nút mạng cảm biến không dây
2.5. Kết luận chƣơng
Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks - WSNs) là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm biến, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, thường được bố trí với số lượng lớn. Các nút mạng được phân bố không có hệ thống trên một phạm vi rộng lớn, chúng thường sử dụng pin, nguồn năng lượng này có hạn chế về mặt thời gian hoạt động.
Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, cảnh báo trước các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cũng có khả năng ứng dụng trong việc giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất.
Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học. Tốc độ đường truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m. Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến. Ưu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tương thích cao.
Kiến trúc giao thức trong mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này giúp cho các nút cảm biến có thể kết hợp cùng nhau theo cách hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia
sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.
Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút mạng cảm biến, mỗi nút cảm biến thu thập, xử lý dữ liệu, sau đó truyền về các trạm cơ sở. Vì vậy vấn đề định tuyến đường truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Các thuật toán xây dựng phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Có ba loại giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí.
Giao thức truyền dữ liệu ứng dụng trong mạng cảm biến không dây được trình bày trong luận văn này là giao thức ZigBee. ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN. Giao thức ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài.
Chƣơng 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT
3.1. Mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trƣợt đất
Trượt lở đất là một trong những tai biến đặc biệt nghiêm trọng xảy ra ở nhiều khu vực trên thế giới. Như vậy, việc xây dựng một hệ thống giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất là rất cần thiết. Hiện nay, đã có một số hệ thống giám sát lở đất được xây dựng để cảnh báo mối nguy hiểm này theo phương pháp cảnh báo dài hạn và cảnh báo ngắn hạn. Các hệ thống giám sát trượt lở đất được xây dựng trên cơ sở WSN là phương pháp cảnh báo ngắn hạn hay còn gọi là cảnh báo tức thời. Phương pháp này có một số ưu điểm như giám sát các khu vực địa lý trong thời gian thực, giám sát từ xa và dễ dàng trong việc mở rộng mạng lưới.
Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống giám sát trượt lở đất hiện có vẫn đang chạy thử nghiệm mà chưa có hệ thống giám sát trượt lở đất nào được thương mại hóa. Vì vậy, cần phải xây dựng một hệ thống giám sát trượt lở đất trên cơ sở mạng cảm biến không dây gồm các cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc với chi phí thấp, công suất nhỏ, khả năng tự cấu hình và dễ dàng trong việc bảo trì. Mô hình mạng cảm biến không dây bao gồm các cột cảm biến có khả năng thu nhận dữ liệu, lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu đi xa. Mạng cảm biến không dây cung cấp phương pháp thu thập dữ liệu về áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất, độ ẩm của đất, các chuyển động trong lòng đất và nhiệt độ của môi trường. Hình 3.1 mô tả các khối chức năng chính trong hệ thống cảnh báo trượt lở đất đáp ứng yêu cầu thời gian thực.
Hình 3. 1: Mô tả hệ thống cảnh báo thời gian thực
Hệ thống có khả năng phát hiện trượt đất trước khi có thể nhìn thấy bằng mắt thường và trước khi có thể nghe được các chuyển động trong lòng đất bằng tai. Chính vì thế sẽ phục vụ tốt cho công tác sơ tán để giảm thiểu thiệt hại. Hệ thống cảnh báo sẽ được đóng gói, được đặt sâu dưới lòng đất khoảng 2-5m tại khu vực được đánh giá có khả năng trượt đất cao. Hệ thống sử dụng một mạng lưới các cảm biến nhỏ gọn và đảm bảo độ chính xác cao nhằm đo được các rung động nhỏ trong đất. Khi đo được rung động, chương trình xử lý tín hiệu nhúng với các thuật toán thông minh sẽ được thực thi nhằm đánh giá khả năng trượt lở đất có thể xảy ra hay không, từ đó có thể đưa ra cảnh báo. Các thành phần của một nút cảm biến được tích hợp như trong hình 3.2, bao gồm
ba loại cảm biến để đo các thông số môi trường. Chip vi xử lý Atmega328 trên bo mạch chủ sẽ thu thập dữ liệu từ các cảm biến. Sau đó xử lý, hiệu chuẩn dữ liệu từ cảm biến và lọc nhiễu để cung cấp giá trị của cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm của đất và cảm biến gia tốc. Môđun XBee sẽ truyền dữ liệu cảm biến đo được tới một trung tâm xử lý. Nguồn được sử dụng để cung cấp năng lượng cho mỗi nút cảm biến là một pin công suất lớn cho thời gian hoạt động lên đến một năm. Như vậy, mỗi nút cảm biến bao gồm đầy đủ các thành phần để đo lường các thông số môi trường, xử lý và truyền dữ liệu, phù hợp cho việc giám sát trượt đất [12].
Hình 3. 2: Sơ đồ khối của một nút cảm biến
3.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống
Hệ thống được xây dựng trên cơ sở bo mạch chủ Waspmote của hãng Libelium, một bo mạch giao tiếp mở rộng với các cảm biến, pin cấp nguồn có khả năng nạp điện lại với dung lượng 6600mAh, môđun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc.
Bo mạch chủ Waspmote: được chế tạo dựa trên một kiến trúc kiểu môđun. Trên bo mạch có thể tích hợp các môđun cần thiết để tối ưu hóa chi phí và năng lượng tiêu thụ. Các môđun như bo mạch cảm biến, môđun truyền không dây XBee, nguồn cấp, môđun GPS giao tiếp với bo mạch Waspmote thông qua các ổ cắm hoặc chân Jum.
Các môđun sẵn có có thể tích hợp được vào bo mạch Waspmote được phân loại như sau:
Môđun ZigBee/802.15.4 (2.4GHz, 868MHz, 900MHz).
Môđun GSM 3G/ GPRS (Bốn băng tần: 850MHz/900MHz/1800MHz /1900MHz).
Bo mạch giao tiếp mở rộng cảm biến.
Môđun lưu trữ: Thẻ nhớ SD.
Pin cấp nguồn
Hình 3. 3: Mặt trên bo mạch chủ Waspmote
Hình 3. 4: Mặt dưới bo mạch chủ Waspmote
Bo mạch chủ sử dụng chip vi điều khiển Atmega328 của hãng Atmel. Chip được sử dụng để thu thập và xử lý các dữ liệu thu được từ các cảm biến. Vi điều khiển atmega328 có nhiều tính năng đặc biệt phù hợp cho việc xây dựng một WSN với hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng nhỏ, khả năng tích hợp và mở rộng các giao tiếp ngoại vi.
Hình 3. 5: Sơ đồ khối của Chip Atmega328
Thông số chính của vi điều khiển atmega328 sử dụng trong bo mạch chủ Waspmote là:
+ Kiến trúc: AVR 8bit
+ Tần số xung nhịp lớn nhất: 20MHz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB
+ Bộ nhớ RAM: 2KB
+ Dải điện áp hoạt động: 1.8V - 5.5V
+ 2 bộ Timer/Counter 8-bit và 1 bộ Timer/Counter 16-bit
Ngoài ra, trên bo mạch chủ Waspmote còn có cổng giao tiếp miniUSB, giao tiếp SPI/UART với các thiết bị ngoại vi [13].
Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến: được thiết kế để giúp cho người dùng trong việc tích hợp thêm các cảm biến vào bo mạch chủ Waspmote. Bo mạch giao tiếp mở rộng có một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 16bit, độ phân giải lên tới 68µF trong khoảng từ 0 tới 4.5V với các giá trị lối vào khác nhau. Một mảng độc lập các tấm pad có chứa các chân, đầu cáp và mạch tích hợp loại chân cắm đã được đóng gói để có thể hàn. Ngoài ra, còn có một mảng các mạch tích hợp loại chân dán cho các mạch mở rộng hoặc chân cắm với các kích thước khác nhau được đặt trên bo mạch.
Hình 3. 6: Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến
Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến có trọng lượng nhỏ cỡ 20gr, với kích thước các chiều là 73.5 x 51 x 1.3 mm, hoạt động trong dải nhiệt độ từ -20ºC tới 65ºC. Điện áp cấp cho bo mạch là 3.3V và 5V, điện áp cung cấp cho bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là 5V. Dòng liên tục tiêu thụ cực đại là 200mA, còn dòng đỉnh cực đại là 400mA.
Nguồn cấp: sử dụng pin Ion Lithium có khả năng nạp lại điện tích, dung lượng 6600mAh. Pin có gắn kèm một đầu connector theo chuẩn.
Hình 3. 7: Pin Ion Lithium dung lượng 6600mAh
Cảm biến gia tốc: được sử dụng để đo lường các chuyển động của các lớp đất như dịch chuyển trượt của đất, các dịch chuyển đột ngột và phân tích các rung chấn
trong lòng đất là tác nhân gây trượt đất. Cảm biến gia tốc có thể được dùng để đo độ