Nghiên cứu và xây dựng cụm cảm biến sử dụng cho hệ thống cảnh báo sạt lở đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT
Ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã Số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN

Hà Nội – 2015


1

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục và nghiêm túc, cùng với sự hướng dẫn
tận tình của cán bộ hướng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các
học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp, đến nay luận văn đã hoàn thành.
Qua đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc nhất tới PGS.TS. Trần Đức
Tân, người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho
tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn này.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô, các anh/chị trong khoa Điện tử viễn
thông Trường Đại Học Công nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tạo điều kiện giúp
đỡ, chỉ bảo và cho tôi lời khuyên quý báu.
Tôi cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài cấp ĐHQGHN mã số QG.14-05.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh
thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù được sự hướng dẫn tận tình của cán bộ hướng dẫn cùng với sự nỗ lực cố
gắng của bản thân; song phần vì kiến thức còn hạn chế, phần vì điều kiện tiếp xúc
thực tế chưa nhiều, nên bản luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.
Vì thế, tôi rất mong tiếp tục được sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè
và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày tháng
Học viên

năm 2015

Nguyễn Văn Hùng


2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Hùng
Sinh ngày 26 tháng 28 năm 1983
Học viên lớp Cao học khoá 3 – Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại học Công
Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Hiện đang công tác tại khoa Điện – Trường Cao đẳng nghề Thừa Thiên Huế.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn là PGS.TS. Trần Đức Tân, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Hùng


3

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... 7
TÓM TẮT........................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƢỢNG SẠT LỞ ĐẤT ............................. 10
1.1. Tổng quan về hiện tượng sạt lở đất ........................................................................ 10
1.2. Mạng cảm biến không dây phát hiện sạt lở đất ...................................................... 11
1.2.1. Giới thiệu mạng WSN ......................................................................................... 11
1.2.2. Cấu trúc mạng WSN ............................................................................................ 12
1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN .......................................................................... 12
CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN CẢNH
BÁO SẠT LỞ ĐẤT ..................................................................................................... 14
2.1. Phần cứng ............................................................................................................... 14
2.1.1. Sơ đồ khối ............................................................................................................ 14
2.1.2. Các khối trong sơ đồ ............................................................................................ 14
2.1.3. Các loại cảm biến và thiết bị dùng phát hiện sạt lở đất ....................................... 16
2.1.3.1. Các loại cảm biến ............................................................................................. 16
2.1.3.2. Các thiết bị thường dùng phát hiện, cảnh báo sạt lở đất .................................. 18
2.2. Phần mềm thu thập dữ liệu cảm biến ..................................................................... 21
2.2.1. Chương trình Waspmote IDE .............................................................................. 21
2.2.2. Chương trình Visual Studio ................................................................................. 25
2.2.2.1. Ứng dụng của Visual Studio............................................................................. 25
2.2.2.2. Chương trình Visual Studio (phụ lục) .............................................................. 25
2.3. Truyền thông trong mạng WSN ............................................................................. 25
2.4. Mô hình dự đoán trượt lở đất.................................................................................. 26
2.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 26
2.4.2. Độ dốc ổn định .................................................................................................... 29

2.4.3. Tính chất thủy văn đồi dốc .................................................................................. 33
2.4.4. Ngưỡng lượng mưa đối với đồi dốc không ổn định ............................................ 37
2.4.5. Mô phỏng thí nghiệm .......................................................................................... 39
2.4.6. Sự phát triển quy mô đồi dốc theo thời gian ....................................................... 40
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ................................................... 44
3.1. Mô phỏng mạng WSN dùng Omnet++ .................................................................. 44
3.1.1. Công cụ mô phỏng OMNeT++ ........................................................................... 44


4

3.1.2. Mô hình truyền gói tin ......................................................................................... 45
3.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng .............................................................................. 46
3.1.4. Kịch bản và kết quả thực nghiệm mô phỏng ....................................................... 46
3.2. Thực nghiệm kiểm chứng ....................................................................................... 49
3.2.1. Thực nghiệm trong phòng ................................................................................... 49
3.2.2. Thực nghiệm ngoài trời ....................................................................................... 51
3.3. Nâng cao thời gian hoạt động của hệ thống ........................................................... 54
3.4. Thảo luận ................................................................................................................ 55
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 59


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT

DÃY TỪ TIẾNG ANH

DÃY TỪ TIẾNG VIỆT

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây

GIS

Geographic Information System

Hệ thống thông tin địa lý

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

ADC

Analog-to-Digital Converter

Bộ chuyển đổi tương tự - số

DAC

Digital -to- Analog Converter

Bộ chuyển đổi số - tương tự

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

API

Application
Interface

WSN

MEMS

Programming

Micro-electro-mechanical
systems

Hệ thống vi cơ điện tử
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

GSM

Global System
Communications

GPRS

General Packet Radio Service

Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

Integrated
Environment

Môi trường phát triển tích hợp

IDE
OMNet
BER
IIS
UART

for

Giao diện lập trình ứng dụng

Development

Objective Modular
Testbed in C++

Network Ứng dụng mô phỏng hoạt động
của mạng

Bit Error Ratio

Tỉ số lỗi/bit

Internet Information Server

Web server hiển thị thông tin
trên internet

Universal
Asynchronous Truyền nhận dữ liệu không đồng
Receiver/Transmitter
bộ


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Điện áp Offset và độ nhạy ............................................................................ 48
Bảng 3.2: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường trong phòng thí nghiệm....................... 49
Bảng 3.3: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm trong
phòng ............................................................................................................................. 51
Bảng 3.4: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường ngoài trời ............................................. 51
Bảng 3.5: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài
trời.................................................................................................................................. 54
Bảng 3.6: Công suất tiêu thụ điện của một nút cảm biến .............................................. 54


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hiện trường vụ sạt lở đất ............................................................................... 10
Hình 1.2: Minh họa việc lắp đặt các hộp cảm biến và kết nối thành mạng .................. 11
Hình 1.3: Cấu trúc chung mạng WSN ........................................................................... 12
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng WSN .................................................................... 13
Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết bị phát hiện sạt lở đất .......................................................... 14
Hình 2.2: Pin 6600mAh ................................................................................................. 15
Hình 2.3: Thiết bị XBEE ............................................................................................... 15
Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35............................................................................... 16
Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ........................................................................ 17
Hình 2.6: Sơ đồ khối và sơ đồ chân cảm biến ADXL335 ............................................. 17
Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm 6440 .................................................................................... 18
Hình 2.8: Cấu trúc chung của nút cảm biến .................................................................. 19
Hình 2.9: Bộ Waspmote ................................................................................................ 20
Hình 2.10: Mô tả phương thức truyền thông ................................................................. 26
Hình 2.11: Mô phỏng địa hình đồi dốc.......................................................................... 29
Hình 2.12: Cân bằng vỏ đất để thay đổi tỷ lệ độ dốc tương đối tanθ/tanΦ' .................. 32
Hình 2.13: Mô hình độ nhạy tỷ lệ độ rỗng e cho các mức độ trạng thái đất bão hòa bên
trên mực nước ngầm: (a) khô, (b và c) trung gian, và (d) bão hoà ................................ 33
Hình 2.14: Phác thảo của lưu vực cơ bản ...................................................................... 33
Hình 2.15: Chiều cao của mực nước ngầm so với thời gian cơn mưa là khác nhau theo
a/b dưới những điều kiện quy định ................................................................................ 36
Hình 2.16: Dòng chảy được tạo ra so với thời gian cơn mưa là khác nhau theo a/b dưới
những điều kiện quy định .............................................................................................. 36
Hình 2.17: Giá trị cường độ mưa so với thời gian cho các giá trị khác nhau của tỷ lệ độ
dốc tương đối và thông số quy định của đất e, Sr và Gs ........................................................................ 38
Hình 2.18: Đường biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ lệ lượng mưa và thời gian mưa với
các đường cong IDF biểu diễn giai đoạn trở lại của sạt lở đồi dốc ............................... 42
Hình 3.1: Các module đơn giản và kết hợp ................................................................... 45
Hình 3.2: Truyền message ............................................................................................. 45
Hình 3.3: Độ ẩm thu được ............................................................................................. 47

Hình 3.4: Giá trị thực nghiệm gia tốc trục y trong điều kiện tĩnh ................................. 48
Hình 3.5: Giao diện quản lý dữ liệu của trang web ....................................................... 49
Hình 3.6: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs khi thí nghiệm trong phòng ....... 50
Hình 3.7: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm trong phòng ......... 50
Hình 3.8: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm trong phòng ................ 51
Hình 3.9: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thí nghiệm trong phòng ............ 51
Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs trong thí nghiệm ngoài trời ..... 52


8

Hình 3.11: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài trời........... 53
Hình 3.12: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm ngoài trời .................. 53
Hình 3.13: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thực nghiệm ngoài trời ........... 54
Hình 3.14: Mô hình phương thức truyền dữ liệu........................................................... 55


9

TÓM TẮT
Thiết bị cảm biến là thiết bị tìm dò, cảm nhận và biến đổi một số loại dữ liệu
của đầu vào là các đại lượng vật lý thành các đại lượng điện ở đầu ra. Dữ liệu đầu vào
có thể là nhiệt độ, chuyển động, độ ẩm, áp lực, hoặc bất kỳ một đại lượng nào đó của
môi trường ... Đầu ra là tín hiệu đã được chuyển đổi hiển thị trên thiết bị cảm biến mà
con người có thể đọc được hoặc biến đổi thành các đại lượng điện để tiếp tục xử lý. Vì
vậy, thiết bị cảm biến là đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và được sử dụng hầu
hết trong các lĩnh vực như công nghệ, y học, ngành công nghiệp, quân sự… Trên thực
tế, cảm biến là thiết bị tích hợp nhiều bộ phận để xử lý nhiều vấn đề, vì vậy nó cần độ
chính xác cao. Luận văn này tập trung vào giải quyết vấn đề thiết bị cảm biến tích hợp
để cảnh báo và giám sát trượt lở đất.

Hệ thống bao gồm các nút (hộp thiết bị cảm biến), gateway và trạm cơ sở. Ở
mỗi hộp thiết bị cảm biến tại chỗ hệ thống triển khai bảng thu nhận dữ liệu để nối thiết
bị cảm biến bên ngoài với hộp thiết bị cảm biến vô tuyến. Trong công việc này, vài
thiết bị cảm biến bên ngoài bao gồm cảm biến đo độ ẩm đất, thiết bị cảm biến gia tốc
và cảm biến nhiệt độ đã được cài đặt để thu thập dữ liệu tương ứng có thể được dùng
để phân tích thêm. Mỗi hộp thiết bị cảm biến bao gồm thiết bị cảm biến bên ngoài,
kiểm soát micro và đơn vị đo tần số vô tuyến. Quy trình đo đạt cẩn thận được thực
hiện để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu. Các thí nghiệm đã cho thấy những công việc
này có thể mở rộng để phát triển các hộp thiết bị cảm biến trong thực tế.


10

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HIỆN TƢỢNG SẠT LỞ ĐẤT
1.1. Tổng quan về hiện tƣợng sạt lở đất:
Trên thế giới có nhiều quốc gia hay xuất hiện sạt lở đất như Ấn Độ, Philippin,
Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam… Năm 2005, ở Ấn Độ có vụ sạt lở đất kinh hoàng
khiến 10 người thiệt mạng. Ở Việt Nam sạt lở đất cũng diễn ra khá nhiều ở các vùng
miền núi phía Bắc như Lai Châu, Hà Giang, Sơn La, hoặc ở một số tỉnh Trung bộ như
Hà Tĩnh, Đà Nẵng. Tại Đà Nẵng, khu vực đèo Hải Vân cũng xuất hiện rất nhiều điểm
sạt lở, một khối lượng lớn đất đá sạt lở nằm ngổn ngang trên đường gây cản trở giao
thông và hiện tượng này đang đe dọa trực tiếp tới đời sống nhân dân quanh khu vực.
Mới đây nhất tại Nhật Bản cũng xảy ra một vụ sạt lở đất tại thành phố Hiroshima chôn
vùi hàng trăm căn hộ, ước tính có ít nhất 32 người thiệt mạng trong vụ thảm họa này.

Hình 1.1: Hiện trường vụ sạt lở đất ngày 26/9/2012 tại quốc lộ 4D Lào Cai - SaPa
Sạt lở đất đá là một dạng của tai biến địa chất, thực chất đó là quá trình dịch
chuyển trọng lực các khối đất đá cấu tạo sườn dốc từ trên xuống phía dưới chân sườn
dốc do tác động của các nguyên nhân (trọng lượng bản thân khối đất đá trượt, tải trọng
ngoài, áp lực thủy tĩnh, áp lực thuỷ động, lực địa chấn và một số lực khác) làm mất

trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá đến mức
làm mất ổn định sườn dốc [1]. Lịch sử loài người đã chứng kiến và phải chịu nhiều
thảm họa về tổn thất của cải, cơ sở hạ tầng, nhân mạng... vì sạt lở đất đá trên sườn dốc
với những khối trượt khổng lồ.
Có nhiều nguyên nhân gây sạt lở đất như cấu trúc địa chất, đặc điểm địa hình
của sườn dốc, quá trình phong hóa, tác động của nước mưa đặc biệt là lượng mưa lớn
và kéo dài, các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người mà chủ yếu là cắt xén sườn


11

dốc để làm đường, nổ mìn, san gạt để xây dựng với sự suy giảm của lớp phủ thực vật...
Do đó hiện tượng sạt lở đất sẽ vẫn diễn ra gây nguy hại, ảnh hưởng tới con người và
đời sống sản xuất.
Để khắc phục được các nguyên nhân trên cũng như đưa ra cảnh báo sớm về
hiện tượng sạt lở đất, có rất nhiều các nghiên cứu liên quan và các hệ thống cảnh báo
được đưa ra. Trong đó hiệu quả hơn cả là hệ thống cảnh báo nhờ vào các cảm biến đo
độ dịch chuyển, đo độ ẩm đất, đo nhiệt độ và các thông số thời tiết. Với sự hỗ trợ đắc
lực của mạng cảm biến không dây, hệ thống này sẽ cho phép con người nắm bắt các
thông số và đưa ra được những cảnh báo sớm về sự sạt lở.
1.2. Mạng cảm biến không dây phát hiện sạt lở đất (WSN):
1.2.1. Giới thiệu mạng WSN:
Ngày nay, việc dự báo được thảm họa sạt lở đất là vấn đề cần thiết ở mỗi quốc
gia trên thế giới. Sức mạnh của việc sử dụng mạng cảm biến không dây cho phát hiện
sạt lở cho phép con người có thể triển khai hệ thống trên quy mô lớn, yêu cầu cho bảo
trì thấp, có khả năng mở rộng, khả năng thích ứng cao với các tình huống khác nhau…
WSN cũng có điểm hạn chế riêng của nó như bộ nhớ thấp, nguồn điện cung cấp và
băng thông hạn chế, nhưng nó lại có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt
nên nó là công nghệ thích hợp nhất cho phép theo dõi giám sát trên thời gian thực.
Để cảnh báo sạt lở, người ta thường chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn

và tức thời. Việc cảnh báo dài hạn là sử dụng bản đồ GIS, GPS có độ chính xác cao,...
để quan sát sạt lở theo hàng năm. Việc cảnh báo tức thời là việc sử dụng các cảm biến
nhận dạng dấu hiệu sạt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức
thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, đo mưa, độ ẩm... là cần thiết. Ngày nay, với
sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) mà các cảm biến vừa có
độ chính xác cao, giá thành rẻ và kích thước nhỏ sẽ càng thuận lợi cho việc triển khai
thành một mạng các cảm biến. Hình 1.2 minh họa việc lắp đặt các hộp cảm biến có thể
thiết lập thành một mạng cảm biến không dây sử dụng cho hệ cảnh báo trượt lở đất
giám sát theo thời gian thực.

Hình 1.2: Minh họa việc lắp đặt các hộp cảm biến và kết nối thành mạng


12

1.2.2. Cấu trúc mạng WSN:
Một mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút được triển khai
dày đặc bên trong hoặc ở rất gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thông tin dữ liệu [2].
Vị trí các cảm biến không cần định trước vì vậy nó cho phép triển khai ngẫu nhiên
trong các vùng không thể tiếp cận hoặc các khu vực nguy hiểm. Khả năng tự tổ chức
mạng và cộng tác làm việc của các cảm biến không dây là những đặc trưng rất cơ bản
của mạng này. Với số lượng lớn các cảm biến không dây được triển khai gần nhau thì
truyền thông đa liên kết được lựa chọn để công suất tiêu thụ là nhỏ nhất (so với truyền
thông đơn liên kết) và mang lại hiệu quả truyền tín hiệu tốt hơn khi truyền khoảng
cách xa. Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây được thể hiện trên hình 1.3.

Internet
vệ tinh

Nút quản lý

tác vụ
Người sử dụng

Thiết bị thu
phát (sink)

Các nút cảm biến
Trường cảm biến

Hình 1.3: Cấu trúc chung mạng WSN phát hiện sạt lở đất
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi
nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số số liệu, định
tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các
bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến
về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng
(Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay
các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành
(Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh
(Satellite).
1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN:
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng WSN được trình bày trong hình 1.4.


13

Lớp liên kết số liệu

Phần quản lý nhiệm vụ

Lớp mạng

Phần quản lý di chuyển

Lớp truyền tải

Phần quản lý công suất

Lớp ứng dụng

Lớp vật lý
Hình 1.4: Kiến trúc giao thức mạng WSN
Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý làm
cho các nút mạng có thể làm việc cùng nhau theo cách có hiệu quả nhất, định tuyến dữ
liệu trong mạng cảm nhận di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
- Lớp vật lý: có nhiệm vụ lựa chọn tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiện tín
hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu.
- Lớp liên kết số liệu: có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiện các khung
dữ liệu, cách truy cập đường truyền và điều khiển lỗi. Vì môi trường có tạp âm
và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường
(MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hóa việc va chạm
với thông tin quảng bá của các nút lân cận.
- Lớp mạng: quan tâm đến việc chọn đường số liệu được cung cấp bởi lớp
truyền tải.
- Lớp truyền tải: giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng mạng cảm nhận yêu
cầu. Lớp truyền tải chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch được truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
- Lớp ứng dụng: tùy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụng
khác nhau có thể được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng.
- Mặt phẳng quản lý công suất: điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm
biến.

- Mặt phẳng quản lý di chuyển: có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút.
- Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm
biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Tuy nhiên không phải tất cả các nút trong
vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm.


14

CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN CẢNH
BÁO SẠT LỞ ĐẤT
2.1. Phần cứng:
2.1.1. Sơ đồ khối: hệ thống được mô tả như hình 2.1.

Cảm biến
nhiệt độ

Antenna

Cảm biến
độ ẩm

Vi xử lý
Atmega328 trong
Waspmote

Truyền nhận
Xbee

Cảm biến

gia tốc
Cảm biến

Pin Libelium 6600mAh có thể nạp lại được
Hình 2.1: Sơ đồ khối thiết bị phát hiện sạt lở đất
2.1.2. Các khối trong sơ đồ:
* Khối cảm biến:
Hệ thống bao gồm các cảm biến: cảm biến độ ẩm, cảm biến gia tốc và cảm biến
nhiệt độ. Dữ liệu thu được từ các cảm biến sẽ được gửi tới trung tâm để xử lý rồi đưa
ra các cảnh báo nếu cần thiết. Việc sử dụng các cảm biến được chế tạo trên cơ sở công
nghệ MEMS để cho kết quả khá chính xác, cấu hình nhỏ gọn, hiệu quả hơn. Các cảm
biến này được bố trí gọn chung trong hộp thiết bị.
* Khối vi xử lý:
Sử dụng chip Atmega328 thực hiện chức năng thu nhận dữ liệu từ các cảm
biến, xử lý và chuyển đổi dữ liệu. Các dữ liệu ở bộ vi xử lý qua các bộ chuyển đổi
ADC và DAC truyền dữ liệu về trung tâm xử lý. Các dữ liệu này được truyền về trung
tâm xử lý thông qua giao thức Xbee
* Pin Libelium 6600mAh:


15

Hình 2.2: Pin Libelium 6600mAh
Thực hiện chức năng cấp nguồn nuôi cho các cảm biến, bộ vi xử lý và bộ giao thức
XBEE hoạt động
Thông số:
+ Kích thước: 69mm x 54mm x 18mm (2.7 "x 2.1" x 0,71 ")
+ Trọng lượng: 155g / 5oz
+ Tốc độ sạc tối đa: 3A
+ Tốc độ xả liên tục tối đa: 6A

* Giao thức XBEE:

Hình 2.3: Thiết bị XBEE
Thực hiện chức năng kết nối giữa bộ vi xử lý để truyền dữ liệu thu được từ bộ vi
xử lý đến bộ phận thu nhận dữ liệu (antenna)
Giao thức XBEE có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tính năng của XBEE là hướng
tới việc thực hiện một tiny stack mà phù hợp với các vi điều khiển 8 bit. Kỹ thuật của
XBEE thường hướng tới là điều khiển các tải nhỏ hoặc gởi dữ liệu từ các cảm biến
(nhiệt độ, độ ẩm…). Các sản phẩm XBEE có tuổi thọ và tính bảo mật khá cao so với
các giao thức không dây khác [5].


16

Thông số của XBEE:
+ Tần số làm việc là 2,4GHz
+ Điện áp đầu ra khoảng 3,3V
+ Dãi nhiệt độ: - 400C ÷ + 850C
2.1.3. Các loại cảm biến và thiết bị dùng phát hiện sạt lở đất:
Để thực hiện việc điều khiển chương trình giám sát và cảnh báo sạt lở đất dùng bộ
Waspmote của hãng Libelium, các cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến gia tốc
ADXL335, cảm biến độ ẩm 6440, giao thức XBEE…
2.1.3.1. Các loại cảm biến:
* Cảm biến nhiệt độ - LM35 [3]:

Hình 2.4: Cảm biến nhiệt độ LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một loại cảm biến tương tự thường được ứng dụng
trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Vì nó hoạt động khá chính xác với sai
số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ và giá thành rẻ là một trong những ưu điểm của
nó.

LM35 đo nhiệt độ ngõ vào và xuất tín hiệu điện ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt
độ ngõ vào là 0C. LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì
nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là ± 1/40C tại nhiệt độ phòng và ± 3/40C
ở nhiệt độ từ -550C đến +1500C. Trở kháng ngõ ra thấp, tuyến tính và hiệu chỉnh chính
xác làm cho việc đọc ngõ ra và kiểm soát mạch điện dễ dàng. LM35 có thể sử dụng
nguồn đơn hoặc nguồn đôi.
Các thông số chính của LM35:
- Hiệu chỉnh trực tiếp thành 0C
- Hệ số chia tuyến tính +10mV/0C
- Sai số khoảng 0,50C tại 250C
- Phạm vi giới hạn nhiệt độ từ -550C đến +1500C
- Phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa.
- Hoạt động từ 4V đến 30V.
- Dòng qua khoảng 60µA
- Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0,080C trong điều kiện không khí là
tĩnh


17

1
2
3

Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ
LM35
* Cảm biến gia tốc ADXL335:
Sử dụng cảm biến gia tốc ADXL335 để thu thập dữ liệu gia tốc sau đó gửi dữ
liệu này đến vi điều khiển để tiếp tục xử lý [4].
ADXL335 là cảm biến đo gia tốc hoàn chỉnh được tích hợp trong một IC.

ADXL335 là cảm biến gia tốc kế đa trục có tầm đo thấp và tín hiệu ra là tín hiệu điện
áp tương tự tỉ lệ với giá trị đo gia tốc, được chế tạo theo công nghệ MEMS. ADXL335
có khả năng đo được giá trị dương và âm đến đơn vị nhỏ nhất của gia tốc ±18 g.
ADXL335 là cảm biến đươc chế tạo theo kiểu tụ, cho phép đo gia tốc 2 trục
trực giao X, Y, hoặc ứng dụng để đo độ nghiêng, hoặc đo các chuyển động hoặc các
rung động. Để đo được giá trị gia tốc, bên trong cảm biến tích hợp các cảm biến con
bao gồm cảm biến X (đo trục X), cảm biến Y (đo trục Y) hoạt động theo nguyên tắc
thay đổi giá trị điện dung
Các thông số chính
- Nguồn cung cấp từ 3V đến 6V
- Độ chính xác, độ nhạy khá cao
- Năng lượng tiêu thụ thấp: cỡ 740 μA ở mức 5V
- Dãi nhiệt độ làm việc: -40°C đến +125°C
- Băng thông là 0,5 Hz đến 2,5 kHz có thể được lựa chọn để phù hợp với
các ứng dụng.
Sơ đồ khối và sơ đồ chân cảm biến ADXL335

Hình 2.6: Sơ đồ khối và sơ đồ chân cảm biến ADXL335


18

* Cảm biến độ ẩm 6440:
Thiết bị cảm biến độ ẩm là thiết bị sử dụng phương pháp gián tiếp thông qua
việc đo giá trị điện trở để đo độ ẩm của đất. Cảm biến 6440 là thiết bị cảm biến loại
điện trở. Khi sử dụng cảm biến này giá trị điện trở từ thiết bị cảm biến sẽ được chuyển
về bộ vi xử lý và được chuyển đổi thành đại lượng đo khí áp centibar của lượng nước
trong đất với dãy từ 0 đến 200 centibars
Thông số
- Loại thiết bị cảm biến: Điện trở

- Chiều dài gắn Cable: ≈4,6m
- Chiều dài Cable max: ≈300m
- Kích thước: 22 mm đường kính x 76 mm
- Trọng lượng: ≈103 g
- Chuỗi giá trị: 0 đến 200 cb

Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm 6440
2.1.3.2. Các thiết bị thƣờng dùng phát hiện, cảnh báo sạt lở đất:
* Các nút
Mạng WSN phát hiện sạt lở đất là mạng liên kết các nút với nhau nhờ sóng RF.
Trong đó mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm nhận, thu thập, xử lý và
truyền dữ liệu [7]. Cấu trúc chung của các nút cảm biến như ở hình 2.8


19

Hệ thống định vị

Thiết bị di động

Bộ xử lý
Bộ cảm biến
Thiết bị xử lý
Sensor

ADC

Thiết bị nhớ

Bộ thu

phát

Bộ nguồn

Bộ sinh điện

Hình 2.8: Cấu trúc chung của nút cảm biến
Trong mỗi nút đặt tại nơi khảo sát chứa các cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc) để thu
nhận dữ liệu từ môi trường và truyền các dữ liệu này đến bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý thu
nhận dữ liệu từ cảm biến sẽ tiếp tục xử lý các dữ liệu này và truyền về trạm cơ sở
thông qua bộ thu phát.
* XCTU
XCTU là một ứng dụng đa nền tảng miễn phí được thiết kế để cho phép các nhà
phát triển để tương tác với các modul Digi RF thông qua một giao diện đồ họa đơn
giản để sử dụng. Nó bao gồm các công cụ mới làm cho nó dễ dàng để thiết lập cấu
hình và kiểm tra XBEE modul RF.
XCTU chạy với XBEE có tính năng độc đáo như xem mạng đồ họa, đồ họa đại
diện cho mạng XBEE cùng với cường độ tín hiệu của mỗi kết nối, và xây dựng các
frame XBEE API, giúp xây dựng và giải thích khung API cho XBEE được sử dụng
trong chế độ API, kết hợp để làm phát triển trên nền tảng XBEE dễ dàng hơn bao giờ
hết.
Các tính năng của XCTU
- Có thể quản lý và cấu hình nhiều thiết bị RF, thậm chí từ xa (over-theair) thiết bị kết nối.
- Các bản cập nhật firmware liên tục khôi phục các cài đặt modul, tự
động xử lý các chế độ và tốc độ truyền thay đổi.
- XCTU chứa đầy đủ và toàn diện các tài liệu có thể được truy cập bất cứ
lúc nào.
- Hỗ trợ cho tất cả các sản phẩm Digi, tích hợp cửa sổ terminal, dễ sử
dụng thử nghiệm nhiều loopback, hiển thị cường độ tín hiệu nhận Indictator (RSSI).

20

* Waspmote:
Waspmote là bộ được kết cấu theo modul. Modul này có thể thay đổi và mở
rộng tùy theo nhu cầu của các ứng dụng. Modul tích hợp trong Waspmote được phân
loại như sau:
- ZigBee/802.15.4 modul (2.4GHz, 868MHz, 900MHz).
- GSM/GPRS Modul (Quad-band: 850MHz / 900MHz / 1800MHz /1900
MHz)
- 3G/GPRS Modul (Tri-Band UMTS 2100/1900/900MHz và Quad-Band
GSM/EDGE, 850/900/1800/1900 MHz )
- GPS Modul
- Sensor Modules
- Modul bộ nhớ: SD Memory Card

Hình 2.9: Bộ Waspmote
Kiến trúc của Waspmote được dựa trên vi điều khiển Atmel ATmega. Đơn vị
xử lý này bắt đầu thực hiện khởi động các bộ nạp nhị phân, có trách nhiệm để tải vào
bộ nhớ chương trình biên dịch và các thư viện trước đó được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash, do đó chương trình chính đã được tạo ra cuối cùng có thể bắt đầu chạy. Khi
Waspmote được kết nối và bắt đầu khởi động bộ nạp, có một thời gian chờ đợi


21

(62.5ms) trước khi bắt đầu chương trình đầu tiên, thời gian này được sử dụng để bắt
đầu tải mới, cập nhật các chương trình biên dịch. Nếu một chương trình mới nhận
được từ USB trong thời gian này, nó sẽ được nạp vào bộ nhớ Flash (128KB) thay thế
các chương trình đã có. Nếu không, nếu một chương trình mới không được nhận,

chương trình cuối cùng được lưu trữ trong bộ nhớ sẽ bắt đầu chạy. Cấu trúc của các
mã được chia thành 2 phần cơ bản: thiết lập và vòng lặp.
Thiết lập là phần đầu tiên của mã này, mà chỉ chạy một lần khi mã được khởi
tạo. Vòng lặp một phần tên chạy liên tục, tạo thành một vòng lặp vô hạn. Vì những
tính chất này của mã, việc sử dụng gián đoạn được khuyến khích để thực hiện hoạt
động với Waspmote.
Waspmote sử dụng một bộ dao động thạch anh trong đó hoạt động ở tần số
14,7456 MHz như một đồng hồ hệ thống.
2.2. Phần mềm thu thập dữ liệu cảm biến:
Phần mềm thu thập và hiển thị kết quả từ các cảm biến LM35, ADXL335, 6440
được nêu chi tiết dưới đây. Được viết trên phần mềm Waspmote IDE và Visual Studio.
2.2.1. Chƣơng trình Waspmote IDE:
Lưu đồ thuật toán giao tiếp với cảm biến LM35, ADXL335, 6440


22

Bắ t đầ u

Khởi ta ̣o, cấ u hin
̀ h hoa ̣t đô ̣ng cho chip vi xử lý.

Kiể m tra kế t nố i với
các cảm biến (node).
ID = ID cảm biế n

Khởi ta ̣o, cấ u hin
̀ h hoa ̣t đô ̣ng cho LM35, ADXL335, 6440.
(Khởi ta ̣o dãi hoạt đô ̣ng, tầ n số lấ y mẫu, độ phân giải…)

Lấ y dƣ̃ liêụ tƣ̀ cảm biế n mỗi lần 10ms

Xƣ̉ lí dƣ̃ liêụ cảm biế n.
Gửi dữ liệu về trung tâm xử lí

Kế t thúc

Thông báo không
thấ y thiế t bi ̣


23

Lưu đồ thuật toán hoạt động xử lý dữ liệu từ các cảm biến LM35, 6440

Hoạt động của
cảm biến
MPU6050.

Khởi ta ̣o hoạt động giá trị cảm
biến nhiệt độ, độ ẩm

Nhập giá trị ban đầu
cho các cảm biến

Nhập giá trị
10ms mỗi lần

Đọc giá trị cảm biến
1 lần/10ms

Kế t thúc