hệ thống cảnh bảo cháy tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wirelees sensor network)

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

4

LỜI NÓI ðẦU
Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày. Mặc dù ñã có nhiều biện pháp và hệ thống ñược ñưa ra ñể phát hiện và
cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại về
người và của.
Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy tự
ñộng nào ñược triển khai. Do ñó, nếu ñể xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn,
thời gian ñể khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của.
Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao ñổi thông tin tin cậy,
công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) ñang ngày càng
chứng tỏ ñược ưu ñiểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường
tự ñộng.
Từ thực tế công tác trong nhiều năm giảng dạy và quản lý mạng máy tính của
nhiều ñơn vị,em ñã chọn ñề tài: “Hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công
nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network)”, với mong muốn xây
dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ
cháy, giúp hạn chế tối ña hậu quả do hỏa hoạn gây ra .
ðể hoàn thành ñược ñồ án này.Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mạnh
Thắng ñã tận tâm hướng dẫn và tạo ñiều kiện tốt nhất về nơi làm việc cũng như thiết
bị trong quá trình em thực hiện ñồ án này.
Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Cao học viên thực hiện

ðỗ Mạnh Hà

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

5


TÓM TẮT ðỒ ÁN
Nội dung ñồ án nghiên cứu và xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy sử dụng
công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network), với khả năng phát
hiện sớm nguy cơ cháy và giám sát hệ thống theo thời gian thực từ xa thông qua
phần mềm quản lý và mạng Internet/GPRS/3G.
Sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây, hệ thống ñược thiết kế ñể sử
dụng ở những khu vực khó tiếp cận, ñòi hỏi năng lượng tiêu thụ thấp và không yêu
cầu cấp nguồn bằng ñiện lưới như: rừng, núi…; hoặc không làm thay ñổi thiết kế
cũng như mỹ quan của công trình như: khu chung cư, văn phòng, kho lưu trữ hàng
hóa, siêu thị…
Nội dung của ñồ án gồm 04 chương:
Chương 1 : Phân tích yêu cầu
Chương 2 : Phân tích hệ thống
Chương 3 : Thiết kế hệ thống
Chương 4: Kết luận
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

6


ABSTRACT
Content of the thesis is to study and build a fire alarm system using wireless
sensor network technology, with ability to early detect fire hazards and monitoring
system in real time via a remote network management software and
Internet/GPRS/3G.
Using wireless sensor network technology, the system is designed for use in
areas which are difficult to access, require low energy consumption and no

electrical power grid, such as: forests, moutain…; or not make design changes as
well as the beauty of works such as: residential, office, goods warehouse,
supermarket
The thesis includes 05 chapter:
Chapter 1 : Analysis of requirements
Chapter 2 : System analysis
Chapter 3 : System design
Chapter 4 : Results obtained and development topics
Chapter 5 : Conclusion
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

7


MỤC LỤC
LỜI NÓI ðẦU 4
TÓM TẮT ðỒ ÁN 5
ABSTRACT 6
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 11
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 12
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU 13
1.1. Giới thiệu chung 13
1.2. Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế 14
1.2.1. Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng 14
1.2.2. Hệ thống cảnh báo cháy rừng 15
1.3. ðặt yêu cầu bài toán 15
1.4. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật 16
1.4.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng 16
1.4.2. Một số yêu cầu kỹ thuật khác 18

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 19
2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 19
2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN 19
2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây 19
2.2. Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN 26
2.2.1.Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến 27
2.2.2. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 27
2.2.3. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 28
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30
3.1. Thiết kế phần cứng 30
3.1.1. Thiết kế nút mạng cảm biến 30
3.1.2. Thiết kế hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 59
3.2. Thiết kế chương trình ñiều khiển phần cứng 64
3.2.1 Chương trình ñiều khiển nút mạng cảm biến 64
3.2.2 Chương trình ñiều khiển hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 67
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

8

3.3. Thiết kế phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 68
3.3.1 Thiết kế cơ sở dữ liệu 68
3.3.2 Thiết kế chương trình quản lý hệ thống 69
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ ðẠT ðƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ðỀ TÀI
Error! Bookmark not defined.
4.1. Kết quả thực hiện ñề tài Error! Bookmark not defined.
4.2. Kết quả ño ñạc và ñánh giá ñộ tin cậy sản phẩm của ñề tài Error! Bookmark not
defined.
4.3. Hướng phát triển của ñề tài Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

9


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay. 4


Hình 2.1. Mô hình tổng quát của một mạng cảm biến không dây (WSN) 4

Hình 2.2. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee. 4

Hình 2.3. Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết. 4

Hình 2.4. Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee 4

Hình 2.5. Bảng ñịnh tuyến của một nút mạng WSN 4

Hình 2.6. Nút mạng R3 tìm ñường ñi ñến nút mạng R6 theo thuật toán AODV. 4

Hình 2.7. Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm ñường cho nút mạng R3. 4

Hình 2.8. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Many-to-One. 4

Hình 2.9. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Source Routing. 4

Hình 2.10. Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN 4

Hình 2.11. Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến. 4

Hình 2.12. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu 4

Hình 2.13. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy 4


Hình 3.1. Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International®. 4

Hình 3.2. Sơ ñồ chân của module XBee ZB ZigBee. 4

Hình 3.3. Quá trình trao ñổi thông tin của module XBee. 4

Hình 3.4. Trạng thái của chân SLEEP_RQ và ON/SLEEP theo thời gian. 4

Hình 3.5. Cấu trúc của một câu lệnh sử dụng tập lệnh AT. 4

Hình 3.6. Cấu trúc dữ liệu của khung tin API. 4

Hình 3.7. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Request. 4

Hình 3.8. Cấu trúc dữ liệu khung API AT Command Request. 4

Hình 3.9. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Status 4

Hình 3.10. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Receive Packet 4

Hình 3.11. Cấu trúc dữ liệu khung API Remote AT Command Request. 4

Hình 3.12. Sơ ñồ chân của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4

Hình 3.13. Cấu trúc khung tin trong chuẩn giao tiếp USART. 4

Hình 3.14. Cấu tạo phần phát của khối truyền thông USART. 4

Hình 3.15. Cấu tạo phần thu của khối truyển thông USART 4

Hình 3.16. Khối tạo ñiện áp chuẩn FVR. 4

Hình 3.17. Cấu tạo của khối chuyển ñổi tương tự - số (ADC) 4

Hình 3.18. Thanh ghi ñiều khiển ADCON0 của khối ADC 4

Hình 3.19. Thanh ghi ñiều khiển ADCON1 của khối ADC 4

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

10

Hình 3.20. Thanh ghi ñiều khiển ADCON2 của khối ADC 4

Hình 3.21. Cấu tạo bộ tạo ñiện áp tham chiếu của khối so sánh. 4

Hình 3.22. Cấu tạo khối so sánh trong vi ñiều khiển PIC18F26K20 4

Hình 3.23. Thanh ghi ñiều khiển INTCON của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4

Hình 3.24. Hình dạng và sơ ñồ chân của cảm biến nhiệt ñộ MCP9700. 4

Hình 3.25. ðộ nhạy với sự thay ñổi nhiệt ñộ môi trường của cảm biến MCP9700. 4

Hình 3.26. Sơ ñồ nguyên lý hoàn chỉnh của nút mạng cảm biến. 4

Hình 3.27. Module vi ñiều khiển EM1000 4

Hình 3.28. Sơ ñồ chân của module vi ñiều khiển EM1000 4

Hình 3.29. ðầu kết nối Ethernet RJ1202 4

Hình 3.30. Cấu tạo phần biến áp phối hợp trở kháng của RJ1202. 4

Hình 3.31. Sơ ñồ nguyên lý hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu. 4

Hình 3.32. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt INT0 4

Hình 3.33. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt INT_COMP 4

Hình 3.34. Lưu ñồ thuật toán chương trình chính ñiều khiển nút mạng cảm biến 4

Hình 3.35. Lưu ñồ thuật toán chương trình phục vụ ngắt nhận UART. 4

Hình 3.36. Lưu ñồ thuật toán chương trình ñiều khiển hệ nhúng 4

Hình 3.37. Liên kết cơ sở dữ liệu trong phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy.4


Hình 4.1. Ảnh chụp nút mạng cảm biến Error! Bookmark not defined.

Hình 4.2. Ảnh chụp hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu. Error! Bookmark

not defined.

Hình 4.3. Ảnh chụp màn hình ứng dụng quản lý hệ thống. Error! Bookmark not
defined.


ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

11


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số yếu cầu kỹ thuật ñối với ñầu báo cháy tự ñộng 4


Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee 4

Bảng 3.2. Các loại khung tin API. 4

Bảng 3.3. Công thức tính tốc ñộ Baud của khối USART. 4

Bảng 3.4. Tốc ñộ Baud và F
OSC
. 4

Bảng 3.5. Tốc ñộ Baud và F
OSC
(tiếp). 4

Bảng 3.6. Các trường dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của chương trình quản lý. 4

Bảng 3.7. Các trường dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của chương trình quản lý(tiếp) 4


Biểu ñồ 3.1. Biểu ñồ luồng dữ liệu mức ñỉnh 4


Biểu ñồ 4.1. Biểu ñồ theo dõi nhiệt ñộ môi trường Error! Bookmark not defined.

Biểu ñồ 4.2. Biểu ñồ theo dõi ñiện áp pin trên nút mạng cảm biến Error!
Bookmark not defined.

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

12


DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ/từ
viết tắt
Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt
PCCC Phòng Cháy Chữa Cháy
WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây
IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Viện Kỹ sư ðiện và ðiện
tử
GSM Global System for Mobile

Communications
Hệ thống thông tin di ñộng
toàn cầu
ISM Industrial, Scientific and
Medical
Dải tần số cho các ứng
dụng thương mại
DSSS Direct-Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ trực tiếp
ADC Analog to Digital Coverter Chuyển ñổi tín hiệu tương
tự - số
CMOS Complementary Metal–
Oxide–Semiconductor
Vi mạch tích hợp bán dẫn
oxit kim loại
UART Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter
Chuẩn truyền thông không
ñồng bộ
API Application Programming
Interface
Giao diện lập trình ứng
dụng
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập nhẫu
nhiên
CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
AES Advanced Encryption
Standard
Chuẩn mã hóa bảo mật

nâng cao
ACK Acknowledgment Bản tin báo nhận
MAC Media Access Control ðiều khiển truy nhập kênh
truyền
PAN Personal Area Network Mạng cá nhân
MSB Most Significant Byte Byte có trọng số cao nhất
LSB Least Significant Byte Byte có trọng số thấp nhất
Broadcast Quảng bá
OPAM Operational Amplifier Khuếch ñại tích cực

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

13

CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU
1.1. Giới thiệu chung
Phòng cháy và chữa cháy(PCCC) là vấn ñề luôn ñược quan tâm hàng ñầu
trong sản xuất và sinh hoạt, bởi vì nếu ñế xảy ra cháy thì hậu quả là không thể
lường trước ñược. Tại Việt Nam, các quy ñịnh về PCCC ñã ñược tổ chức thành luật
Phòng Cháy và Chữa Cháy, ñược Quốc Hội thông qua ngày 29/06/2001 và có hiệu
lực từ ngày 04/10/2001.
Hàng năm, Nhà nước thường xuyên tổ chức các tuần lễ, tháng cao ñiểm về an
toàn vệ sinh lao ñộng và phòng chống cháy nổ nhưng nhiều vụ cháy lớn vẫn xảy ra,
gây nhiều thiệt hại lớn về người và của. ðiển hình như vụ cháy trung tâm thương
mại quốc tế ICT tại thành phố Hồ Chí Minh năm 2002 làm 60 người thiệt mạng và
70 người bị thương; vụ cháy kho hàng Hoa Việt trên phố Ngụy Như Kon Tum – Hà
Nội năm 2009, thiệt hại về vật chất hàng trăm tỉ ñồng; vụ cháy chung cư 18 tầng
JSC 34 Lê Văn Lương – Hà Nội năm 2010 làm 2 người chết.
Theo kết luận của các cơ quan chức năng, phần lớn các vụ cháy ở trên gây hậu
quả nghiêm trọng là do hệ thống báo cháy không hoạt ñộng hoặc không phát tín

hiệu cảnh báo kịp thời. Thêm vào ñó, do hệ thống báo cháy không ñược kết nối tới
trung tâm PCCC nên phải mất một thời gian khá lâu lực lượng chức năng mới tiếp
cận ñược khu vực hỏa hoạn.
Việt Nam nằm trong khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khô, nhiều khu
vực rừng có nguy cơ cháy rất cao. Do ñịa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm và lâm
trường còn mỏng, các trang bị phòng cháy và chữa cháy còn thiếu thốn, nên nếu ñể
xảy ra cháy thì hậu quả rất nghiêm trọng. Vụ cháy hơn 1000ha tại vùng lõi rừng U
Minh Thượng và U Minh Hạ năm 2002 ñã làm cho thảm thực vật ở ñây gần như bị
phá hủy hoàn toàn, có thể phải mất hàng chục năm sau mới phục hồi ñược nguyên
trạng.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

14


Hình 1.1. Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay.
Từ thực tế nêu trên, phát hiện sớm và cảnh báo cháy kịp thời có ý nghĩa rất lớn
trong phòng chống cháy nổ, giúp hạn chế thiệt hại khi xảy ra hỏa hoạn.
1.2. Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế
1.2.1. Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng
Cùng với sự hiện ñại hóa các ñô thị, các chung cư và nhà cao tầng ñược xây
dựng, và hệ thống phòng cháy chữa cháy là một phần không thể thiếu trong thiết kế
của một công trình. Hiện nay, hệ thống báo cháy thường ñược sử dụng là hệ thống
báo cháy có dây, có thể có ñịa chỉ và ñược tổ chức theo mô hình sau:
Có thể thấy từ mô hình trên, hệ thống báo cháy phải ñược cấp nguồn riêng biệt
và không ñược phép mất nguồn, thường không có phần mềm giám sát thời gian
thực trạng thái của hệ thống.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

15

Hoạt ñộng của hệ thống này như sau: Các ñầu báo cháy phát hiện nguy cơ
cháy và cảnh báo bằng ánh sáng (ñèn nhấp nháy liên tục); tín hiệu cảnh báo ñược
truyền về trung tâm báo cháy, trung tâm báo cháy kích hoạt tín hiệu cảnh báo bằng
âm thanh (còi hú, chuông). Như vậy, nếu xảy ra lỗi tại trung tâm báo cháy hoặc
ñường truyền bị ñứt thì tín hiệu cảnh báo cháy từ ñầu báo cháy không ñược xử lý,
những khu vực gần nơi xảy ra cháy không hề biết ñang có cháy xảy ra. ðây là lỗi
thường gặp trong những vụ cháy gây hậu quả nghiêm trọng do không có tín hiệu
cảnh báo cháy kịp thời.
Ngoài ra, hệ thống có cấu trúc phức tạp, phải cấp nguồn và truyền dẫn tín hiệu
cho các ñầu báo cháy bằng dây cáp ñồng nên nguy cơ bị nhiễu rất cao. Do ñó, cần
phải thi công hệ ñồng bộ với hệ thống ñiện, nước trong công trình. ðối với các tòa
nhà chưa ñược trang bị hệ thống báo cháy tự ñộng, thì việc thi công mới rất khó có
thể thực thực hiện.
1.2.2. Hệ thống cảnh báo cháy rừng
Thực tế ở Việt Nam hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy rừng tự
ñộng nào ñược triển khai. Các vùng có nguy cơ cháy thường ñược dự báo bằng hệ
thống quan trắc còn thiếu thốn của ngành khí tượng thủy văn nên chưa giám sát
ñược từng khu vực cụ thể. Công tác phòng chống cháy rừng chủ yếu phụ thuộc vào
lực lượng kiểm lâm và lâm trường, do ñó hiệu quả không cao.
1.3. ðặt yêu cầu bài toán
Từ những phân tích trên, hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công nghệ
mạng cảm biến không dây ñược xây dựng với những yêu cầu sau:
• Hoạt ñộng ổn ñịnh và tin cậy.
• Nhỏ gọn, dễ thi công lắp ñặt.
• 01 cặp pin AA dung lượng 2000mAh có thể cấp nguồn cho nút mạng
cảm biến hoạt ñộng trong 02 năm.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

16

• Phạm vi sử dụng rộng rãi.
• Có khả năng giám sát trạng thái hệ thống từ xa theo thời gian thực.
ðể ñảm bảo các yêu cầu ñã ñặt ra, ñồ án sẽ ñược tiến hành lần lượt theo các
bước sau :
• Nghiên cứu tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống báo cháy tự ñộng.
• Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn
IEEE802.15.4.
• ðưa ra phương án thiết kế phù hợp với yêu cầu ñặt ra và ñiều kiện kỹ
thuật ở Việt Nam.
• Thiết kế và kiểm tra chất lượng, ñộ tin cậy của hệ thống.
1.4. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật
1.4.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng
ðể sản phẩm của ñề tài có thể ñược chấp nhận và ñược phép sử dụng rộng rãi
trong thực tế thì các thiết bị phải thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000
về hệ thống báo cháy tự ñộng.
“Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 ñược áp dụng cho các hệ thống báo
cháy tự ñộng ñược trang bị tại các nhà máy, xí nghiệp, kho tàng, trụ sở làm việc,
bệnh viện, trường học, rạp hát, khách sạn, chợ, trung tâm thương mại, doạnh trại
lực lượng vũ trang và các công trình khác có nguy hiểm về cháy, nổ…” [1].
“Hệ thống báo cháy tự ñộng phải ñáp ứng những yêu cầu sau :
- Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng ñã ñược ñề ra;
- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo ñộng rõ ràng ñể những
người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp;
- Có khả năng chống nhiễu tốt;
- Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống;
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

17

Bảng 1.1. Một số yếu cầu kỹ thuật ñối với ñầu báo cháy tự ñộng.
ðặc tính kỹ thuật ðầu báo cháy nhiệt ðầu báo cháy khói ðầu báo cháy lửa
Thời gian tác ñộng Không lớn hơn 120
giây
Không lớn hơn 30
giây
Không lớn hơn 5
giây
Ngưỡng tác ñộng Từ 40
o
C ñến
170
o
C. Sự gia tăng
nhiệt ñộ trên
5
o
C/phút
ðộ che mờ khói từ 5
ñến 20%/m ñối với
ñầu báo khói thông
thường. Từ 20 ñến
70%/m trên khoảng
cách giữa ñầu phát
và ñầu thu của ñầu
báo khói tia chiếu
Ngọn lửa trần cao
15mm, cách ñầu
báo cháy 3m
ðộ ẩm không khí

tại nơi ñặt ñầu báo
cháy
Không lớn hơn
98%
Không lớn hơn 98% Không lớn hơn 98%

Nhiệt ñộ làm việc Từ -10
o
C ñến
+170
o
C
Từ -10
o
C ñến +50
o
C Từ -10
o
C ñến
+50
o
C
Diện tích bảo vệ Từ 15m
2
ñến 50m
2
Lớn hơn 50m
2
ñến
100m

2

Hình chóp có góc
120
o
, chiều cao từ 3
ñến 7m

- Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác ñược lắp ñặt chung hoặc riêng
rẽ;
- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện
ra cháy.” [1].
“Hệ thống báo cháy tự ñộng bao gồm các bộ phận cơ bản :
- Trung tâm báo cháy;
- ðầu báo cháy tự ñộng;
- Hộp nút ấn báo cháy;
- Các bộ phận liên kết;
- Nguồn ñiện.
Tùy theo yêu cầu hệ thống báo cháy còn có các bộ phận khác như thiết bị
truyền tín hiệu báo cháy, bộ phận kiểm tra thiết bị phòng cháy, chữa cháy
tự ñộng ” [1].
Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000, một số yêu cầu kỹ thuật ñối
với ñầu báo cháy tự ñộng như sau:
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

18

1.4.2. Một số yêu cầu kỹ thuật khác
Phần mềm quản lý hệ thống chạy trên hệ ñiều hành Windows và có một số yêu
cầu phần cứng sau:

• CPU Intel Pentium4 3.0Ghz.
• Bộ nhớ ram 1GB.
• Ổ cứng 80GB.
• Có kết nối mạng Internet.
• Có hệ thống loa.
• Có nguồn ñiện dự phòng và hoạt ñộng liên tục 24/24.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

19


Hình 2.1. Mô hình tổng quát của một mạng cảm biến không dây(WSN).

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
Nội dung của Chương 2 sẽ giới thiệu về công nghệ mạng cảm biến không dây
(wireless sensor network) và mô hình mạng ZigBee, từ ñó ñề xuất mô hình của hệ
thống cảnh báo cháy, sơ ñồ khối của các nút mạng cảm biến, sơ ñồ khối của hệ
nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu, các chức năng cần có của phần mềm quản lý
hệ thống.
2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network
(WSN)
2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN
Mạng cảm biến không dây – WSN là khái niệm ñể mô tả một hệ thống mạng
thông tin, ñược sử dụng ñể giám sát các thông số môi trường như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm,
áp suất, nồng ñộ khí…mà trong ñó các nút mạng trao ñổi thông tin với nhau qua
ñường truyền vô tuyến.
2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây
2.1.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quát
Theo như khái niệm ở trên, có thể thấy rằng, một mạng cảm biến không dây là
tập hợp rất nhiều các nút mạng giao tiếp với nhau qua ñường truyền vô tuyến theo

chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, và trên mỗi nút mạng sẽ có các cảm biến ñể quan
trắc các thông số môi trường.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

20

Gateway có nhiệm vụ quản lý thông tin về các nút trong mạng, ñồng thời
chuyển tiếp dữ liệu từ chuẩn giao thức IEEE802.15.4 của WSN sang chuẩn giao
thức khác ñể kết nối WSN với hệ thống thu thập dữ liệu. Số lượng các nút trong
mạng có thể lên tới hàng nghìn nút và ñược tổ chức theo nhiều mô hình vật lý khác
nhau như : mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hỗn hợp …
ðược tối ưu về mặt sử dụng năng lượng, các nút mạng sẽ ñược cấp nguồn
bằng pin hoặc ắc quy và có thể hoạt ñộng liên tục trong vài năm mới phải thay
nguồn cung cấp. Các nút mạng ñược ñiều khiển bởi hệ ñiều hành nhúng trên nó, ñể
thức dậy trong một thời gian ngắn ñủ ñể xử lý dữ liệu, rồi chuyển sang trạng thái
ngủ trong một thời gian dài, và lặp lại quá trình ñó.
Khi một nút mạng liên kết vào WSN, nó sẽ nhận một nút khác làm nút “cha“
của nó. Nút “cha” có nhiệm vụ lưu giữ bản tin gửi tới nút “con” khi nút “con” ñang
trong trạng thái ngủ; và khi nút “con” thức dậy, nó sẽ hỏi nút “cha” về bản tin dành
cho nó. Khi một nút “con” muốn gửi bản tin tới nút mạng khác, nó buộc phải gửi
bản tin ñó tới nút “cha”, sau ñó nút “cha” có nhiệm vụ ñịnh tuyến gói tin ñến ñích.
Như vậy, trạng thái chủ yếu trong một mạng cảm biến không dây là trạng thái ngủ,
nhưng sự trao ñổi thông tin giữa các nút mạng với nhau vẫn ñược ñảm bảo.
2.1.2.2 Mạng cảm biến không dây ZigBee
ZigBee là một mô hình mạng cảm biến không dây, ñịnh nghĩa lớp ứng dụng
dựa trên mô tả kỹ thuật của chuẩn giao thức IEEE 802.15.4. Hiện nay, tổ chức ñịnh
nghĩa nên mô hình mạng ZigBee ñã có trên 300 thành viên, là các tập ñoàn sản xuất
bán dẫn và phát triển ứng dụng.
Trong mô hình mạng ZigBee, có ba loại thiết bị mạng:
• Cordinator: ñóng vai trò là Gateway trong mô hình WSN.

- Trong một mạng ZigBee, có duy nhất một Cordinator.
- Có nhiệm vụ lựa chọn kênh tần số và PAN_ID ñể khởi tạo WSN.
- Cho phép router và end device liên kết vào mạng.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

21


Hình 2.2. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee.
- Hỗ trợ router trong việc ñịnh tuyến cho các bản tin.
- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu cho các end device.
- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục.
• Router: là thiết bị trung gian, có chức năng ñệm dữ liệu, ñịnh tuyến và
chuyển tiếp dữ liệu trong mạng.
- Trong một mạng ZigBee có nhiều router.
- Router phải liên kết vào mạng trước khi truyền, nhận và ñịnh tuyến
bản tin.
- Sau khi liên kết vào mạng, một router có thể cho phép end device
hoặc router khác liên kết vào mạng.
- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu cho các end device.
- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục.
• End device: là các nút mạng có gắn cảm biến.
- Phải liên kết vào mạng trước khi truyền hoặc nhận dữ liệu.
- Không có khả năng cho phép nút khác liên kết vào mạng.
- Không có khả năng ñịnh tuyến dữ liệu. Luôn nhận hoặc gửi dữ liệu
thông qua Router hoặc Cordinator.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

22

- Có thể chuyển sang trạng thái ngủ ñể giảm năng lượng tiêu thụ, ñược
cấp nguồn bằng pin.
Mỗi một mạng ZigBee có thể ñược xem như một mạng cá nhân, với một tên
duy nhất gọi là PAN_ID. Các nút thuộc cùng một mạng sẽ có PAN ID giống nhau.
Giá trị của PAN ID có thể là 16 bit hoặc 64 bit, và phải ñảm bảo không trùng nhau
giữa các mạng ZigBee.
Mỗi mạng ZigBee hoạt ñộng trên một kênh tần số cố ñịnh, sử dụng ñiều chế
trải phổ trực tiếp - DSSS. Trong tài liệu mô tả chuẩn giao thức IEEE802.15.4, dải
tần số 2.4Ghz ñược chia thành 16 kênh nhỏ, mỗi mạng ZigBee phải lựa chọn một
trong các kênh ñó ñể hoạt ñộng. Nhằm tránh việc sử dụng trùng kênh tần số làm ảnh
hưởng ñến quá trình trao ñổi thông tin, khi bắt ñầu khởi tạo một mạng ZigBee,
Cordinator có nhiệm vụ quét 16 kênh tần số và tìm ra kênh ổn ñịnh nhất ñể hoạt
ñộng.
Mỗi nút mạng ZigBee có một ñịa chỉ MAC 64 bit duy nhất và một ñịa chỉ
logic 16 bit ñược Cordinator cấp phát khi nó liên kết vào mạng. ðịa chỉ logic 16 bit
sẽ ñược các nút mạng sử dụng ñể ñịnh tuyến bản tin trong mạng. Trên mỗi nút
mạng ñều có một bảng chứa ñịa chỉ của các nút mạng khác. Khi gửi gói tin ñi, nếu
ñịa chỉ ñích của gói tin là ñịa chỉ MAC 64 bit, nút mạng sẽ tra trong bảng ñịa chỉ
của nó ñể tìm ra ñịa chỉ 16 bit; nếu không tìm thấy trong bảng ñịa chỉ, nút mạng sẽ
tiến hành quảng bá trong mạng ñể tìm ra ñịa chỉ 16 bit của nút ñích.
Khi một Router hoặc End device liên kết vào mạng, nó sẽ nhận nút mạng
chuyển tiếp gói tin xin liên kết vào mạng làm nút “cha” của nó. Việc truyền và nhận
dữ liệu luôn phải thông qua nút “cha”; cơ chế này ñảm bảo dữ liệu gửi ñến một nút
mạng sẽ ñược lưu giữ ñến khi nào nút mạng ñó nhận ñược ñầy ñủ dữ liệu, ñồng thời
làm giảm kích thước của bảng ñịnh tuyến trên mỗi nút mạng.
ðể lựa chọn các ñường liên kết hai chiều tin cậy, mô hình mạng ZigBee sử
dụng cơ chế trao ñổi thông tin trạng thái ñường liên kết. Cordinator hoặc Router
thường xuyên trao ñổi các bản tin về trạng thái ñường liên kết với các nút mạng
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

23

hàng xóm của nó. Nội dung của các bản tin là danh sách các nút mạng hàng xóm
cùng với chất lượng ñường truyền giữa các nút mạng ñó với nút mạng gửi bản tin.
Dựa vào thông tin có trong bản tin nhận ñược, các nút mạng sẽ chọn ra ñược ñường
liên kết tốt nhất ñể trao ñổi thông tin với nút mạng hàng xóm của nó.
Trong mạng ZigBee, có ba thuật toán ñịnh tuyến ñược sử dụng ñể tìm ñường
ñi ñến ñích cho bản tin:
• Adhoc On-Demand Distance Vector (AODV) – ñịnh tuyến theo vector
khoảng cách: Bản tin ñược chuyển tiếp qua nhiều nút mạng ñể ñến ñích,
và một nút mạng biết ñược cần phải gửi bản tin ñến nút kế tiếp nào trong
mạng.










Hình 2.3. Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết.


Hình 2.4. Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee.

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

24

Hình 2.6. Nút mạng R3 tìm ñường ñi ñến nút mạng R6 theo thuật toán AODV.

- Các nút mạng dựa vào bảng ñịnh tuyến của nó ñể xác ñịnh ñích tiếp
theo của bản tin.
- Khi nút mạng nguồn muốn tìm ñường ñi ñến nút ñích, nó phải gửi một
gói tin quảng bá ra toàn mạng.
- Gói tin do nút ñích trả về sẽ chứa thông tin về các ñường ñi ñến ñích,
và giá của mỗi tuyến ñường. Nút nguồn sẽ chọn ñường ñi có giá tốt
nhất ñể gửi bản tin ñến ñích.
• Many-to-One: ðược sử dụng trong mô hình mạng mà các nút mạng cần
phải gửi dữ liệu tới Server thu thập dữ liệu thông qua Gateway.

Hình 2.5. Bảng ñịnh tuyến của một nút mạng WSN.


Hình 2.7. Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm ñường cho nút mạng R3.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

25


Hình 2.8. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Many-to-One.


Hình 2.9. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Source Routing.

- Trong phương pháp ñịnh tuyến này, khi bắt ñầu khởi tạo mạng,
Gateway chủ ñộng gửi bản tin quảng bá ra toàn mạng. Khi bản tin ñi

qua một nút mạng trung gian, thông tin về ñường ñi ñến nút ñó ñược
cập nhật vào bản tin. Các nút mạng nhận ñược gói tin trên sẽ biết ñược
ñường ñi ñến Gateway và lưu vào bảng ñịnh tuyến của nó.
• Source Routing - ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn:
- Khi một nút mạng muốn gửi thông tin ñến nhiều nút trong mạng, nếu
sử dụng thuật toán ñịnh tuyến AODV thì quá trình tìm ñường ñi diễn
ra một cách liên tục, ñiều này làm giảm hiệu năng của mạng và gói tin
sẽ có thời gian trễ lớn. ðể khắc phục nhược ñiểm của AODV, thuật
toán ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn sẽ yêu cầu nút ñích gửi trả lại cho
nút nguồn gói tin chứa thông tin về ñường ñi ñến ñích, và nút nguồn
sẽ lưu giữ ñường ñi ñó trong bảng ñịnh tuyến của nó.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

26


Hình 2.10. Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN.

2.2. Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN
Từ những yêu cầu kỹ thuật ñối với hệ thống báo cháy tự ñộng và mô hình của
mạng cảm biến không dây chuẩn ZigBee, hệ thống báo cháy tự ñộng sẽ ñược xây
dựng theo mô hình sau:
Hệ thống bao gồm :
• Một mạng cảm biến không dây, các nút mạng có khả năng phát hiện
cháy thông qua các cảm biến nhiệt ñộ, cảm biến khói, cảm biến nồng ñộ
khí…; ñược tổ chức theo mô hình mạng ZigBee chuẩn IEEE802.15.4.
• Một hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến về trung
tâm và ngược lại.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

27


Hình 2.11. Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến.
• Một phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy từ xa qua mạng
Internet/GPRS/3G theo thời gian thực.
2.2.1.Sơ ñồ khối nút mạng cảm biến
Với chức năng phát hiện nguy cơ cháy, gửi bản tin cập nhật thông tin về trạng
thái và quảng bá bản tin báo cháy, các nút mạng cảm biến cần ñược thiết kế với
những khối chức năng sau:
2.2.2. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

28

Vi ðiều Khiển
Module
ZigBee
Khối Nguồn
Khối Cảm
Biến
Khối Cảnh
Báo Cháy
Khối Giao
Tiếp Mạng
Internet/
GPRS/3G

Hình 2.12. Sơ ñồ khối hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu.
Với các khối chức năng như trên, hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu có

nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến tới phần mềm quản lý hệ thống
thông qua mạng Internet/GPRS/3G và ngược lại.
Khi người sử dụng phần mềm gửi bản tin yêu cầu cập nhật trạng thái của
mạng cảm biến, hệ nhúng sẽ tiến hành tách dữ liệu và xử lý, sau ñó gửi bản tin cho
các nút mạng cảm biến thông qua một module truyền thông chuẩn ZigBee gắn trên
hệ nhúng.
Các bản tin do nút mạng cảm biến trả về sẽ ñược hệ nhúng ñóng gói trong gói
tin của giao thức mạng Internet/GPRS/3G ñể gửi về trung tâm. Phần mềm quản lý
hệ thống ở trung tâm sẽ xử lý gói tin nhận ñược và cập nhật vào trong cơ sở dữ liệu.
2.2.3. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy