TRƯỜNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MESH VÔ TUYẾN
3.1 Giới thiệu
Cùng với sự phát triển của xã hội loài người, vấn đề môi trường đã trở thành một biểu hiện quan trọng của nền văn minh và chất lượng cuộc sống. Việc giám sát môi trường giúp con người có được những dự báo về thiên nhiên. Tuy nhiên còn nhiều hạn chế khi sử dụng các phương pháp truyền thống để giám sát một số thông số môi trường ở một số nơi không thể tiếp cận như sa mạc, rừng, núi... Ngày nay, các mạng cảm biến không dây cung cấp các giải pháp mới cho những vấn đề này. Mạng WSN dựa trên giám sát môi trường thay đổi, mở rộng khả năng của con người nhận biết thế giới.
Những tiến bộ gần đây trong hệ thống công nghệ micro-electro-mechanical (MEMS), truyền dẫn không dây và điện tử kỹ thuật số đã cho phép phát triển các mạng chi phí thấp, công suất thấp, với các nút cảm biến đa chức năng có kích thước nhỏ và truyền dẫn trong khoảng cách ngắn. Những nút cảm biến này rất nhỏ, bao gồm chức năng cảm biến, xử lý dữ liệu, và các thành phần giao tiếp, tận dụng các ý tưởng của các mạng cảm biến dựa trên nỗ lực hợp tác của một số lượng lớn các nút Một số lượng lớn các nút micro cảm biến có thể được sử dụng bởi WSN để thu thập dữ liệu có độ chính xác cao trong những hoàn cảnh khác nhau. So với các phương pháp kiểm tra truyền thống, có một số lợi thế đáng kể khi sử dụng WSN để giám sát tính chất của môi trường như thời gian thực, chi phí thấp, dữ liệu đa dạng, chi phí thấp, hiệu quả cao.
Chương này đề xuất WSN để thu thập và truyền dữ liệu thời gian thực tương ứng trong giám sát môi trường. Hệ thống chủ yếu thu thập một số thông số khí quyển như áp suất, nhiệt độ môi trường, độ ẩm không khí, hướng gió, tốc độ gió và hai tham số thủy văn bao gồm cả mực nước ngầm và lượng mưa. Ngoài ra, tất cả các dữ liệu thu thập được có thể được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQLite3. Đồng thời, môi trường có thể được theo dõi và kiểm soát từ xa thông qua một trang web hoặc ứng dụng trong giao diện điều khiển thiết bị đầu cuối.
3.2 Kiến trúc hệ thống WSN
3.2.1 Tính năng của WSN
Vài năm gần đây, WSN đã thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu. Sự quan tâm ngày càng tăng chủ yếu là do các ứng dụng mới cần kích hoạt mạng quy mô lớn với các thiết bị nhỏ có khả năng khai thác thông tin từ môi trường vật lý, thực hiện xử lý đơn giản trên các dữ liệu và truyền tải nó đến các địa điểm ở xa.
WSN có một số tính năng độc đáo so với mạng có các hop truyền thống: (1) mạng không có một trung tâm điều khiển cố định nghiêm ngặt, tất cả các nút nhập hoặc thoát khỏi mạng một cách ngang hàng; (2) tất cả các nút có thể hình thành một mạng riêng dựa trên một giao thức tự động nhất định; (3) tất cả các nút có thể làm việc như một bộ định tuyến và giao tiếp với nhau thông qua các nút trung gian; (4) các mạng có topo động.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3. Nghiên cứu mô hình hệ thống thông tin quản lý môi trường… trường, độ ẩm không khí, hướng gió, tốc độ gió, mực nước ngầm và lượng mưa. Sự hợp tác của các nút cảm biến mang lại nhiều lợi thế hơn các cảm biến truyền thống bao gồm cả khả năng chịu lỗi lớn hơn, cải thiện độ chính xác, vùng phủ sóng lớn và khai thác các tính năng nội địa hóa. Ngoài ra, WSN cho phép chi phí thấp và năng lượng thấp cho các ứng dụng trong truyền thông không dây.
3.2.2 Cấu trúc hệ thống WSN
Hình 3.1 mô tả cấu trúc của hệ thống WSN. Như chúng ta đã thấy, ở hình 3.1, có ba loại nút: nút thiết bị đầu cuối, nút định tuyến và nút trạm cơ sở.
Mỗi một nút cảm biến phân tán có khả năng thu thập dữ liệu và truền dẫn không dây với các nút khác. Một thông điệp vô tuyến có thể được chuyển trở lại một trạm gốc (BS) bởi một kiến trúc đa hop có hiệu quả mở rộng phạm vi liên lạc vô tuyến và làm giảm công suất cần thiết để truyền tải thông điệp. Hai nút không cần phải nằm trong phạm vi phát sóng trực tiếp của nhau để có thể truyền thông. Vì vậy, chướng ngại vật có thể được vượt qua bằng cách thay đổi lộ trình khi có một kết nối vô tuyến xấu giữa hai nút.
Sau đó, trạm gốc giao tiếp với một cửa ngõ có thể giao tiếp với người sử dụng thông qua mạng internet hoặc GPRS.
Hình 3-51 Cấu trúc mạng WSN
3.2.3 Mô hình hệ thống giám sát môi trường tại khu vực Quảng Nam
Việt Nam là đất nước đang phát triển với nhiều khu công nghiệp đã, đang và sẽ đi vào hoạt động nên vấn đề ôi nhiễm môi trường là một vấn đề cấp bách. Những khu công nghiệp ở Việt Nam thường không có hệ thống giám sát môi trường nên các cơ quan chức năng rất khó trong việc phát hiện và xử lý. Thông thường để đánh giá mức độ ô nhiễm của không khí, các thao tác được thực hiện thủ công và phải đưa về phòng thí nghiệm để tính toán. Công việc này rất mất nhiểu thời gian và không có tính hệ thống.
Giám sát môi trường tại khu vực Núi Thành, Quảng Nam: Quảng Nam là một tỉnh có nhiều khu công nghiệp lớn của Việt Nam như khu công nghiệp Chu Lai. Huyện Núi Thành là huyện nằm
gần khu công nghiệp này, người dân ở Núi Thành rất lo lắng về tình hình ôi nhiễm môi trường sống của họ và họ cân một thông tin chính xác về môi trường mình đang sống, thông tin này gồm các thành phần trong không khí như CO2, O2, SO2 … và nhiệt độ, độ ẩm …
Ở các nước phát triển, một giải pháp cho việc giám sát môi trường được thực hiện đó là sử dụng công nghệ mạng lưới vô tuyến.
Trong mô hình thông tin quản lý môi trường sử dụng công nghệ Mesh vô tuyến, một mạng cảm biến được dùng để giám sát các thành phần ô nhiễm như khí CO2, nhiệt độ, độ ẩm …ở trong các khu công nghiệp. Trong mô hình này, thông tin sẽ được thu thập và chuyển tiếp tới một server và ứng dụng giám sát trên server sẽ phân tích thông tin để tính toán mức độ ô nhiễm. Vì cảm biến có thể định vị được vị trí thông tin, ứng dụng giám sát có thể đưa ra mức độ ô nhiễm trong một khu vực xác định và có thể đưa ra khuyến cáo hay cảnh báo cho mọi người nếu mức độ ô nhiễm vượt mức cho phép.
Server cũng có thế ghi lại và hiển thị biểu đồ mức độ ô nhiễm cho tất cả các thành phần ô nhiễm. Server cũng có thể bao gồm thông tin liên quan tới vấn đề sức khỏe liên quan tới sự ô nhiễm, để mọi người có thể hiểu được nguyên nhân của các bệnh chủ yếu liên quan tới thói quen của họ. Thông tin này được gửi tới người dùng thông qua mail hoặc tin nhắn.
Có hai cấu hình mạng để giám sát ô nhiễm xung quanh khu công nghiệp. Cấu hình thứ nhất đặt các cảm biến xung quanh nguồn ô nhiễm (ví dụ như xung quanh khu công nghiệp), được mô tả như hình 3.2.
Hình 3-52 Cảm biến được đặt xung quanh nguồn ô nhiễm.
Cấu hình thứ hai các cảm biến được đặt ở bên trong khu vực với sự cần thiết để giám sát ôi nhiễm. Trong kịch bản này, cảm biến được phân phối tới những khoảng cách xác định với một mật độ thích hợp. Dùng cấu hình này, chúng ta có thể giám sát mức độ ô nhiễm trong một cộng đồng và chúng ta cũng có thể giám sát sự thay đổi mức ô nhiễm phụ thuộc vào khoảng các nguồn ô nhiễm. Ví dụ, hệ thống ở hình 3.3 có thể ghi lại sự khác nhau giữa mức độ ô nhiễm giữa đằng trước và đằng sau khu dân cư.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 3. Nghiên cứu mô hình hệ thống thông tin quản lý môi trường…
Hình 3-53 Cảm biến đặt trong khu vực liên quan
Hình 3-54 Kiến trúc tổng quan của mạng cảm biến
Ở trong cấu hình này, các cảm biến được đặt ở bên trong khu vực cần giám sát, ở vùng biên của khu vực này, các zigbee end device sẽ được dùng.Các zigbee router với khả năng cảm biến sẽ có nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin tới một nút tập trung, nút tập trung này là một zigbee coordinator và zigbee coordinator kết nối tới một server để truyền thông tin tới server.
Để định vị các cảm biến, cần lưu ý những vấn đề sau:
- Điều kiện tự nhiên, địa lý của nơi đặt mạng cảm biến. Một báo cáo khảo sát vị trí giúp cho (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
việc xác định vùng phủ và tốc độ dữ liệu. Những vấn đề liên quan tới vùng phủ và tốc độ dữ liệu đó là vật chắn, nhiễu …Với cùng một node Zigbee, các vị trí khác nhau trong vùng phủ sẽ có tốc độ dữ liệu khác nhau, các đơn giản nhất để khảo sát các vị trí này đó là sử dụng máy phân tích phổ và đo cường độ tín hiệu và khả năng nhiễu.
- Tính toán phạm vi vùng phủ. + Nút A có công suất phát: P0 (dBm)
+ Nút B có độ nhạy thu: Pt (dBm)
+ Hệ số mũ suy hao đường (path-loss exponent): n, hệ số suy hao đường phụ thuộc vào các
môi trường khác nhau và được xác định bằng thực nghiệm.
+ Độ dự trữ méo (fade margin): Fm, giả sử một node có độ nhạy thu là -95dBm, và độ dự trữ
méo được đề nghị là 8dB thì mức tín hiệu hiệu quả mà node nên nhận được là -87dBm.
+ Tấn số tín hiệu: f (Mhz)
Vùng phủ R (tính theo đơn vị mét) được tính toán như sau: