Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy tự động trên nền tảng mạng viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------o0o------------------

Nguyễn Hồng Thắng

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG
TRÊN NỀN TẢNG MẠNG VIỄN THÔNG

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Phạm Việt Thành

Hà Nội 08/2015


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ: Tất cả các số liệu tính toán và
thực nghiệm trong luận văn đều do em và các bạn trong nhóm cùng thực hiện, các tài
liệu tham khảo đều được trích dẫn hợp pháp.

Tác giả

Nguyễn Hồng Thắng

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tên Đề Tài:
Thiết kế hệ thống cảnh báo cháy tự động trên nền tảng mạng viễn thông.
Tác giả luận văn:

Nguyễn Hồng Thắng

Khóa: 2013B

Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Việt Thành
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài:
Trong nhiều năm trở lại đây khu vực thành phố Hà Nội thỉnh thoảng lại xảy ra các vụ
cháy lớn tại các tòa nhà cao tầng. Các đám cháy này thường khó ngăn chặn, gây nhiều
thiệt hại lớn. Từ thực tế này đặt ra một vấn đề lớn cho công tác phòng cháy chữa cháy
hiện nay là việc phát hiện cảnh báo cháy và khoanh vùng đám cháy phải thật kịp thời
để giảm thiệt hại. Bên cạnh đó một số hệ thống báo cháy chữa cháy đang phổ biến tại
nước ta hiện nay vẫn còn nhiều bất cập như chưa dễ phát hiện khoanh vùng đám cháy,
khó nâng cấp chỉnh sửa và mở rộng hệ thống.
Xuất phát từ các điều kiện thực tế này và được sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo
TS.Phạm Việt Thành em đã tiến hành lựa chọn đề tài và nghiên cứu thiết kế hệ thống
nhằm phát hiện ra đám cháy trong từng phòng của các tòa nhà cao tầng và gửi thông
tin về các trạm trung tâm của từng quận huyện hoặc lực lượng cảnh sát phòng cháy
chữa cháy PCCC nơi gần nhất để kịp thời khống chế dập tắt đám cháy.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi, phƣơng pháp nghiên
cứu:
- Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Nhằm thiết kế chế tạo ra một hệ thống hoàn thiện hơn, có các tính năng mạnh hơn các
hệ thống hiện có trên thị trường, tạo thuận lợi tối đa cho công tác phòng cháy chữa

cháy của các lực lượng làm nhiệm vụ PCCC, giảm thiểu tác hại do cháy gây ra.

2


- Xây dựng được kiến trúc mạng cảm biến phù hợp với kiến trúc nhà cao tầng, các nút
mạng cảm biến phải được định địa chỉ rõ ràng.
- Xây dựng được các thuật toán tìm đường trong quá trình xử lý truyền bản tin.
- Ứng dụng được sản phẩm vào thực tế hiện nay.
- Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu cấu hình mạng cảm biến và các thuật toán định tuyến phù hợp với kiến trúc
các tòa nhà cao tầng trên địa bàn thành phố.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
Chúng em dùng phương pháp làm việc theo nhóm, trình bày ý tưởng thảo luận nhóm
rồi nghiên cứu lựa chọn phương án tối ưu. Thiết kế phần cứng dùng các đầu báo cảm
biến, thiết kế phần mềm dùng Micro-C for PIC. Mô phỏng phần cứng và viết phần
mềm cài đặt chạy thử nghiệm trong Lab và triển khai trên thực địa kết hợp với việc
chỉnh sửa cải tiến nhiều lần.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới:
Trong khi thiết kế hệ thống nhóm chúng em tập chung nghiên cứu nhằm đưa ra kiến
trúc mạng tinh thể và thuật toán định tuyến many to one & one to many tối ưu nhất.
Kiến trúc này phù hợp với các kiến trúc nhà cao tầng và thuật toán định tuyến có thể
thực hiện tốt các chức năng được đặt ra cho mạng cảm biến như giám sát các điều kiện
môi trường có thể phát sinh cháy nổ trong phòng và toàn bộ tòa nhà, cụ thể là giám sát
theo địa chỉ 24/24, giám sát tình trạng hoạt động của các nút trong mạng suốt ngày
đêm, chuyển tiếp dữ liệu đa chặng không dây nhờ ứng dụng công nghệ ZigBee.
Luận văn gồm có các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến.
Chương 2: Nguyên tắc truyền thông trong mạng cảm biến không dây ZigBee.
Chương 3: Thực thi và thử nghiệm hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ ZigBee.

3


e) Kết luận:
Sau các quá trình mô phỏng trong phòng thí nghiệm và triển khai thực nghiệm trên
thực địa, về cơ bản mạng cảm biến không dây báo cháy đã đạt được các yêu cầu đề ra
của nhóm. Mạng CBKDBC này có khả năng giám sát 24/24 các điều kiện của môi
trường gây ra hoặc sinh ra bởi đám cháy và sự cháy, mạng có khả năng báo cháy chính
xác theo địa chỉ đến từng phòng, đảm bảo không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do
cháy trước khi phát hiện ra cháy, có khả năng mở rộng đến 1000 nút. Tuy nhiên, khi
lưu lượng bản tin quá lớn xảy ra hiện tượng mất bản tin với tần xuất cao, dẫn đến sự
tăng độ trễ truyền dẫn khi mất bản tin. Nhưng đây là vấn đề có thể giải quyết được khi
tăng khả năng đồng bộ của hệ thống, nhờ đó có thể xây dựng và hoàn thiện thêm các
tính năng sẵn sàng để gửi và xóa để gửi. Sự thành công của đề tài có ý nghĩa quan
trọng trong việc chủ động sản xuất sản phẩm này trong nước.
Hà nội, ngày 01 tháng 08 năm 2015
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

TS. Phạm Việt Thành

4


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................................. 2
MỤC LỤC ..................................................................................................................................... 5

DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................ 8
PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 11
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN ..................... 14
1.1 Công tác PCCC nhà cao tầng trên khu vực Hà Nội....................................................... 14
1.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo cháy tự động........................................................................ 18
1.2.1 Hệ thống cảnh báo cháy tự động. ............................................................................. 18
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động: .......................................................... 19
1.2.3 Đầu báo cháy: ........................................................................................................... 19
1.3 Các hệ thống PCCC đang phổ biến tại Việt Nam ............................................................... 20
1.3.1 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki. .................................................. 21
1.3.2 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium.................................................. 21
1.4 Yêu cầu đặt ra cho đề tài ..................................................................................................... 23
1.5 Phương pháp xây dựng hệ thống và lựa chọn công nghệ.................................................... 24
Các công nghệ truyền thông không dây cho mạng cảm biến ............................................ 24
1.6 Tương lai của mạng cảm biến không dây trong điều khiển tự động. .................................. 25
1.7 Chuẩn công nghệ Zigbee ..................................................................................................... 27
1.8 Mô hình kiến trúc lớp của ZigBee ...................................................................................... 31
1.9 Các đặc trưng của công nghệ ZigBee.................................................................................. 33
Đặc tính kênh truyền ......................................................................................................... 33
Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý. ........................................................................ 34
CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY DÙNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE ....................................................................................... 36
2.1 Các kiểu kiến trúc mạng không dây của ZigBee................................................................. 36
2.1.1 Các kiến trúc mạng có sẵn của ZigBee .................................................................... 36

5


Mục lục

-Kiến trúc Star, Cluster Tree, Mesh. .............................................................................. 37
-Kiến trúc Digimesh....................................................................................................... 38
2.1.2 Topology hình cây phân cấp và cách gán địa chỉ cho nút mạng ZigBee ................. 38
2.2 Các nguyên tắc truyền thông trong mạng dùng công nghệ ZigBee. ................................... 39
2.2.1 Nguyên tắc truyền thông Many-to-One. ................................................................... 39
2.2.2 Nguyên tắc truyền thông trong mạng Topology hình cây phân cấp......................... 40
2.2.3 Nguyên tắc truyền thông trong mạng Topology Star, Cluster Tree, Mesh .............. 40
2.2.4 Nguyên tắc truyền thông trong mạng sử dụng bản tin beacon ................................. 41
2.2.5 Nhận xét chung. ........................................................................................................ 42
2.3 Xây dựng kiến trúc mạng không gian 3 chiều hay mạng tinh thể. ...................................... 43
2.4 Xây dựng nguyên tắc truyền thông cho mạng tinh thể. ...................................................... 46
2.4.1 Các khái niệm cơ bản của Topology tinh thể. .......................................................... 46
2.4.2 Thuật toán many-to-one. .......................................................................................... 47
2.4.2.1 Nội dung thuật toán many-to-one: ................................................................. 47
2.4.2.2 Mô tả 6 trƣờng hợp chuyển tiếp bản tin:....................................................... 48
2.4.2.3 Lƣu đồ thuật toán many-to-one. ..................................................................... 56
2.4.3 Thuật toán one-to-many. .......................................................................................... 57
2.4.3.1 Nội dung thuật toán. ........................................................................................ 57
2.4.3.2 Mô tả quá trình phát tin quảng bá truy vấn thông tin ................................. 57
2.4.3.3. Lƣu đồ thuật toán. .......................................................................................... 61
2.5 Xây dựng các biến thể của topology tinh thể. ..................................................................... 61
2.5.1 Phần xử lý dấu cho địa chỉ nút cảm biến: ................................................................. 67
2.5.2 Cơ chế xử lý địa chỉ bản tin trước khi gửi: ............................................................... 68
CHƢƠNG 3: THỰC THI VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY DÙNG
CÔNG NGHỆ ZIGBEE ............................................................................................................. 70
3.1 Thực thi ............................................................................................................................... 70
3.1.1 Cấu trúc dữ liệu kênh truyền thông. ......................................................................... 71
Cấu trúc bản tin ZigBee ..................................................................................................... 71
3.1.2 Cơ chế xử lý khi nhận bản tin: ................................................................................. 72
3.1.3 Cấu trúc dữ liệu header chính. .................................................................................. 73

6


Mục lục

3.1.4 Cấu trúc header phụ. ................................................................................................. 75
3.1.5. Cấu trúc bản tin đã giải mã và đóng gói tại nút trung tâm ...................................... 77
3.1.6. Cấu trúc bản tin từ máy tính trung tâm gửi xuống đầu cuối. ................................... 77
3.2 Phần mềm nhúng trên nút mạng.......................................................................................... 78
3.2.1. Chức năng thu nhận tín hiệu cảm biến. ................................................................... 79
3.2.2 Chức năng chuyển tiếp và xử lý phản hồi bản tin. ................................................... 80
3.2.3 Phần mềm nhúng trên nút trung tâm. ....................................................................... 82
3.2.3.1 Chức năng tiếp nhận bản tin từ nút đầu cuối. .............................................. 82
3.2.3.2. Chức năng tiếp nhận bản tin từ máy tính trung tâm. ................................. 87
3.3 Thực nghiệm ....................................................................................................................... 89
3.3.1. Kịch bản thực nghiệm cấu hình chuỗi 8 nút. ........................................................... 89
3.3.1.1 Nội dung kịch bản. ........................................................................................... 89
3.3.1.2. Kết quả ............................................................................................................. 90
3.3.1.2.1 Chu kỳ gửi bản tin 1s .................................................................................. 90
3.3.1.2.2 Chu kỳ gửi bản tin 5s .................................................................................. 90
3.3.1.2.3 Chu kỳ gửi bản tin 10s ................................................................................ 91
3.3.2 Kịch bản thử nghiệm cấu hình tinh thể 4 level, 8 nút............................................... 92
3.3.2.1 Nội dung kịch bản ............................................................................................ 92
3.3.2.2 Kết quả .............................................................................................................. 93
3.3.2.2.1 với cấu hình đủ 8 nút ................................................................................... 93
3.3.2.2.2. Với cấu hình chỉ còn 4 nút ......................................................................... 94
KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ...................................................................................................... 95
BẢNG ĐỐI CHIẾU THUẬT NGỮ VIỆT – ANH ................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 97

7


Mục lục

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1- 1: Cháy tòa nhà chung cư ............................................................................................ 14
Hình 1- 2: Cầu thang thoát hiểm bị chiếm ................................................................................ 15
Hình 1- 3: Thoát hiểm bằng cầu thang bộ trật hẹp ................................................................... 16
Hình 1- 4: Công tác chữa cháy đang gặp nhiều khó khăn ........................................................ 16
Hình 1- 5: Công tác PCCC 4 tại chỗ......................................................................................... 17
Hình 1- 6: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki .................................................. 21
Hình 1- 7: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium ................................................ 21
Hình 1- 8: Công nghệ sử dụng .................................................................................................. 24
Hình 1- 9: Các ứng dụng của ZigBee ....................................................................................... 27
Hình 1- 10: So sánh các ứng dụng không dây .......................................................................... 28
Hình 1- 11: So sánh chuẩn ZigBee với Bluetooth và IEEE 802.11b ........................................ 29
Hình 1- 12: Kiến trúc OSI của ZigBee ..................................................................................... 32
Hình 1- 13: Phân lớp kiến trúc ZigBee ..................................................................................... 32
Hình 1- 14: Băng tần hệ thống của ZigBee .............................................................................. 34
Hình 1- 15: Sơ đồ mã hóa thông tin .......................................................................................... 35

Hình 2- 1: Kiến trúc mạng hình Sao ......................................................................................... 37
Hình 2- 3: Kiến trúc mạng hình cây phân lớp .......................................................................... 37
Hình 2- 4: Kiến trúc mạng hình lưới ........................................................................................ 37
Hình 2- 5: Kiến trúc mạng DigiMesh ....................................................................................... 38
Hình 2- 6: Quan hệ mẹ con và cách đánh địa chỉ ..................................................................... 39
Hình 2- 7: Nguyên tắc truyền thông Many-to-one của ZigBee ................................................ 40
Hình 2- 8: Kiến trúc superframe của ZigBee ............................................................................ 42

Hình 2- 9: Kiến trúc mạng cảm biến không gian 3D tinh thể ................................................... 43
Hình 2- 10: Các tòa nhà có kiến trúc hình tháp chọc trời ......................................................... 44
Hình 2- 11: Mạch điện tử trong thiết bị đầu cuối ..................................................................... 46
Hình 2- 12: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin ........................................................ 49
Hình 2- 13: Nút L(x+1,y,z-1) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 5 ms ................................. 50
Hình 2- 14: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 10 ms ....................................... 51
Hình 2- 15: Nút L(x,y,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 5 ms ......................................... 52
Hình 2- 16: Nút L(x+1,y-1,z) được quyền chuyển tiếp bản tin sau 10 ms ............................... 53
Hình 2- 17: Các nút mất quyền chuyển tiếp bản tin ................................................................. 54
Hình 2- 18: Lưu đồ thuật toán many-to-one ............................................................................. 56

8


Mục lục

Hình 2- 19: Nút L phát tin quảng bá đến nút L+3 qua nút L+1 ................................................ 58
Hình 2- 20: Nút L+1 phát quảng bá đến nút L+3 qua nút L+2 ................................................. 59
Hình 2- 21: Nút L+2 phát quảng bá thành công đến nút L+3................................................... 60
Hình 2- 22: Lưu đồ thuật toán one-to-many ............................................................................. 61
Hình 2- 23: Kiến trúc mạng cảm biến hình chữ T .................................................................... 62
Hình 2- 24: Kiến trúc nhà cao tầng hình chữ Y ........................................................................ 63
Hình 2- 25: Kiến trúc mạng cảm biến hình chữ U.................................................................... 64
Hình 2- 26: Kiến trúc nhà hình chữ U ...................................................................................... 65

Hình 3- 1: Mô hình mạng thực nghiệm 4 cấp ........................................................................... 70
Hình 3- 3: Cấu trúc dữ liệu bản tin ZigBee .............................................................................. 71
Hình 3- 4: Mô hình mạng chuỗi 8 nút ...................................................................................... 89
Hình 3- 5: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 1s .............................................. 90
Hình 3- 6: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 5s .............................................. 91

Hình 3- 7: Đồ thị độ biến động trễ với chu kỳ truyền bản tin 10s ............................................ 91
Hình 3- 8: Mô hình thực nghiệm mạng tinh thể 4 level, 8 nút ................................................. 92
Hình 3- 9: Mô hình thực nghiệm mạng tinh thể sau khi đã ngắt đi 4 nút bất kỳ ở cả 2 level... 93
Hình 3- 10: Đồ thị độ biến động trễ với cấu hình đủ 8 nút ....................................................... 94
Hình 3- 11: Đồ thị độ biến động trễ với cấu hình chỉ còn 4 nút ............................................... 94

9


Mục lục

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1- 1: So sánh công nghệ Zigbee và truyền thông UHF ................................................... 25
Bảng 1- 2: Tốc độ và dải tần của ZigBee ................................................................................. 29
Bảng 1- 3: So sánh giao thức ZigBee và Bluetooth .................................................................. 30
Bảng 1- 4: Phân bố kênh và tần số............................................................................................ 31
Bảng 1- 5: Băng tần và tốc độ dữ liệu ...................................................................................... 33
Bảng 1- 6: Kênh truyền và tần số ............................................................................................. 34
Bảng 3- 1: Các giá trị của trường nhỏ kiểu khung .................................................................... 74
Bảng 3- 2: Các giá trị chế độ địa chỉ đích ................................................................................. 74

10


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây khu vực thành phố Hà Nội thỉnh thoảng lại xảy ra các vụ
cháy lớn tại các tòa nhà cao tầng. Các đám cháy này thường bùng lên và phát triển rất
nhanh đến mức khó ngăn chặn, gây nhiều thiệt hại lớn về sinh mạng và tài sản. Từ thực
tế này đặt ra một vấn đề lớn cho công tác phòng cháy chữa cháy hiện nay là việc phát
hiện cảnh báo cháy và khoanh vùng đám cháy phải thật kịp thời, công việc chữa cháy

phải được thực hiện ngay sau đó. Để giảm mức độ thiệt hại về vật chất và con người
xuống tới mức thấp nhất. Bên cạnh đó một số hệ thống báo cháy chữa cháy đang phổ
biến tại nước ta hiện nay vẫn còn nhiều bất cập như chưa phát hiện và khoanh vùng
đám cháy một cách chính xác, chưa dễ dàng nâng cấp chỉnh sửa và mở rộng hệ thống.
Xuất phát từ các điều kiện thực tế này và được sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo
TS.Phạm Việt Thành em đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ
thống cảnh báo cháy tự động trên nền tảng mạng viễn thông”. Hệ thống này sẽ phát
hiện ra đám cháy trong từng phòng của các tòa nhà cao tầng và gửi thông tin về các
trạm trung tâm của từng quận huyện hoặc lực lượng cảnh sát phòng cháy chữa cháy
PCCC nơi gần nhất để kịp thời khống chế dập tắt đám cháy.
Ngày nay các hệ thống mạng cảm biến đang hoạt động trên thế giới chủ yếu là mạng có
dây và một số ít mạng không dây, các hệ thống mạng có dây thường có các hạn chế cố
hữu sau; một là: cồng kềnh khi thi công và không chủ động khi lắp đặt, gây ảnh hưởng
lớn đến sự tiện nghi và tính thẩm mỹ của tòa nhà, hai là: khó mở rộng nâng cấp bảo trì
vì lý do là các bộ dây đã được lắp chìm trong tường, ba là: quản lý theo vùng rộng do
các mạng này có cấu hình sao nên gây khó khăn rất lớn cho việc xác định và thu hẹp
nơi xảy ra cháy nổ. Đối với các hệ thống mạng không dây chủ yếu là có cấu hình
mạng sao nên chỉ giải quyết được tính cồng kềnh còn các khuyết điểm khác thì không
khắc phục được.

11


Tuy nhiên công nghệ chế tạo các mạng cảm biến hiện đại ngày càng được chú trọng tới
việc cải tiến nâng cấp và hoàn thiện về các tính năng như cấu hình mạng đi kèm thuật
toán định tuyến, quản lý theo địa chỉ và tính năng linh hoạt dễ lắp đặt nâng cấp chỉnh
sửa và bảo trì. Đặc biệt là các mạng cảm biến không dây do tính ưu việt của nó nên
ngày càng được chú trọng phát triển hoàn thiện và dần trở nên phổ biến nhờ việc sử
dụng công nghệ truyền thông không dây theo địa chỉ tiết kiệm năng lượng Zigbee,
được phát triển dành riêng cho công nghệ mạng cảm biến không dây với các cấu hình

mạng và thuật toán định tuyến đi kèm. Tuy nhiên các thuật toán định tuyến đi kèm của
ZigBee đang còn một số điểm thiếu sót như; khi muốn giám sát chính xác đến từng địa
chỉ (đến từng phòng chính là khoanh vùng rất nhỏ) thì phải tiến hành phân cấp cho các
nút. Nhưng chỉ có nút được phân cấp thấp nhất mới được phép thực hiện chức năng
sleep, điều thiếu sót này đã làm giảm đi tính năng tiết kiệm năng lƣợng nổi bật của
ZigBee.
Trong phạm nghiên cứu nhóm chúng em đã đặt ra mục tiêu khắc phục các khuyết điểm
của những hệ thống đã nêu trên. Nhóm đã nghiên cứu và đƣa ra một cấu trúc mạng
mới được gọi là mạng tinh thể với các thuật toán định tuyến đi kèm, sẽ được trình
bày đầy đủ ở phần tiếp theo của luận văn này theo cấu trúc các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến.
Chương 2: Nguyên tắc truyền thông trong mạng cảm biến không dây ZigBee.
Chương 3: Thực thi và thử nghiệm hệ thống cảnh báo cháy dùng công nghệ ZigBee.
Trong khuôn khổ luận văn tốt nghiệp này em và nhóm thiết kế đã thực hiện truyền bản
tin cảnh báo giữa các nút trong hệ thống bằng công nghệ Zigbee. Trong quá trình làm
luận văn em cùng với các thành viên trong nhóm gồm các bạn Ngô Thành Công,
Nguyễn Văn Phong đã có sự trao đổi và cùng nhau đi đến thống nhất các phương án
thiết kế phần cứng và viết phần mềm kết hợp triển khai thực nghiệm trên tòa nhà C9 để
xây dựng nên hệ thống. Mạng cảm biến báo cháy không dây sẽ chú trọng vào hai

12


việc phát hiện kịp thời đám cháy và khoanh vùng đám cháy đến từng phòng trong
tòa nhà.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Phạm Việt Thành người trực tiếp hướng
dẫn và TS.Đỗ Trọng Tuấn người đã chỉ bảo tận tình chu đáo, động viên khích lệ giúp
em hoàn thành luận văn này và cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong nhóm là Ngô
Thành Công và Nguyễn Văn Phong đã giúp em hoàn thiện bản luận văn này.
Con xin cảm ơn gia đình, anh chị em đã hỗ trợ rất nhiều và là chỗ dựa tinh thần rất lớn

cho con. Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp trong suốt quá trình học tập, nghiên
cứu và hoàn thiện luận văn
Trong quá trình thực hiện, em đã cố gắng để đạt được kết quả tốt nhất. Tuy nhiên, do
còn những hạn chế về mặt kiến thức và kinh nghiệm nên luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong các Thầy cô giáo và các bạn có những góp ý để luận văn
của em được hoàn thiện hơn.

13


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN TRÚC HỆ THỐNG MẠNG CẢM BIẾN
Trong chương này nhóm nghiên cứu đưa ra những khảo sát cơ bản nhất về thực trạng
các đám cháy trên khu vực Hà Nội và các hệ thống PCCC đang được sử dụng phổ biến
tại nước ta hiện nay, qua đó phân tích ưu nhược điểm của các hệ thống hiện có, đồng
thời đưa ra các yêu cầu cho các hệ thống được thiết kế và có những lựa chọn nhất định
về công nghệ và phương pháp thực hiện.

1.1 Công tác PCCC nhà cao tầng trên khu vực Hà Nội

Hình 1- 1: Cháy tòa nhà chung cƣ

Từ đầu năm 2011 trở lại đây trên địa bàn Hà Nội đã xảy ra nhiều vụ cháy tại các khu
chung cư cao tầng, theo hình 1-1, tất cả các vụ hỏa hoạn này đều xuất phát từ việc để
xảy ra chập cháy các thiết bị điện, cộng với ý thức của một bộ phận dân chúng chưa
cao khiến nhiều người tỏ ra lo lắng đặc biệt là các cư dân đang sống trong các khu
chung cư cao tầng.
Theo thống kê mới nhất trên đia bàn Hà Nội hiện có hơn 400 tòa nhà cao trên 10 tầng
được sử dụng làm trung tâm thương mại, khách sạn, chung cư, văn phòng cho thuê.

14


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

Tuy nhiên qua khảo sát nhiều tòa nhà chung cư cao tầng, văn phòng cho thuê, trung
tâm thương mại cho thấy hệ thống PCCC của nhiều tòa nhà chưa được chú ý trang bị
ngay từ đầu hoặc nếu có cũng không được chú ý vận hành bảo dưỡng bảo trì định kỳ,
đúng quy trình kỹ thuật gây hỏng hóc xuống cấp và không thể hoạt động được.

Hình 1- 2: Cầu thang thoát hiểm bị chiếm

Việc thiết kế các tòa nhà cao tầng hiện nay người ta gần như quên việc thiết kế hệ
thống thông gió hút khói, cửa thoát hiểm nếu có cũng không dùng được vì liên tục bị
khóa phòng kẻ gian và bị chiếm dụng bởi các hộ dân xung quanh, theo hình 1-2. Nguy
hiểm hơn nữa là tại các khu chung cư cao tầng thiếu vắng các hệ thống máy tăng áp ở
cầu thang nên khi xảy ra hỏa hoạn thì người dân khó có thể thoát thân trong điều kiện
cầu thang bộ bị chiếm và hành lang bị ngạt khói và lửa cháy lớn, theo hình 1-3.

15


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

Hình 1- 3: Thoát hiểm bằng cầu thang bộ trật hẹp

Bên cạnh đó hệ thống dây điện trong các khu dân cư rất nhằng nhịt và có chiều cao hạn
chế đã ảnh hưởng rất lớn đến việc di chuyển của các xe chữa cháy. Do đó việc chữa
cháy phải xác định phương án bốn tại chỗ gồm: lực lượng, phương tiện, hậu cần và chỉ

huy tại chỗ, theo hình 1-5 .

Hình 1- 4: Công tác chữa cháy đang gặp nhiều khó khăn

Phân loại nhà cao tầng trên địa bàn hà nội hiện nay như sau:
Nhóm các cao ốc chung cư, văn phòng cho thuê
Nhóm các tòa nhà dược phẩm, bệnh viện
Nhóm các nhà ga tầu điện ngầm

16


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

Nhóm các khách sạn, nhà hàng, trung tâm thương mại
Nhóm các trường đại học, trường phổ thông
Nhóm các trung tâm điện thoại, tòa tháp truyền hình
Nhóm các nhà máy điện
Nhóm các sân bay, trung tâm thông tin

Hình 1- 5: Công tác PCCC 4 tại chỗ

Sự đa dạng về kiến trúc dẫn đến sự đa dạng về hiện trường nếu sảy ra cháy gây khó
khăn cản trở rất lớn cho công tác PCCC khi không xác định được chính xác nơi xảy ra
cháy, việc thu thập thông tin hình ảnh để xác định chính xác vị trí hỏa hoạn là vô cùng
khó khăn đối với các đội cứu hộ và các đơn vị PCCC do không có các thiết bị thu thập
xử lý quản lý thông tin đám cháy. Trước tình hình khó khăn đó đặt ra một nhiệm vụ
cần thiết phải thiết kế xây dựng được một thiết bị có khả năng cảnh báo xác định chính
xác vị trí hỏa hoạn, quản lý và truyền thông tin đó đến trung tâm xử lý đồng thời có thể
mang một số thiết bị cứu hộ cứu nạn đến hiện trường để hỗ trợ công việc cúu hộ và

công việc PCCC
Cho đến nay việc thiết kế chế tạo ra một hệ thống phòng cháy chữa cháy có khả năng
hỗ trợ công tác phòng cháy chữa cháy theo phương trâm bốn tại chỗ cũng như đạt các
tiêu chuẩn kiểm định cho các tòa nhà cao tầng chưa được quan tâm. Chỉ với các hệ

17


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

thống hiện thời thì việc khoanh vùng thu nhỏ khu vực xảy ra cháy trở nên vô cùng khó
khăn. Đặc biệt khi đám cháy xảy ra ở các tòa nhà cao tầng thì điều này gây ra những
chậm trễ trong công tác chữa cháy và cứu hộ, mỗi giây trậm trễ là thêm rất nhiều nguy
hiểm cho tính mạng con người và tài sản. Do đó, hệ thống phát hiện cảnh báo cháy
không dây qua mạng viễn thông do nhóm em nghiên cứu phát triển với mục tiêu phải
phát hiện kịp thời và khoanh vùng đám cháy ở nơi xảy ra cháy đến mức nhỏ nhất có
thể nhằm khắc phục các khuyết điểm báo cháy của các hệ thống hiện có.

1.2 Tổng quan hệ thống cảnh báo cháy tự động.
1.2.1 Hệ thống cảnh báo cháy tự động.
Khái quát: Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự động phát hiện và thông
báo địa điểm cháy (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738-2001). Hệ thống báo cháy
tự động bao gồm: Trung tâm báo cháy, các đầu báo cháy và các thiết bị ngoại vi.
Nhiệm vụ: Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng và thông báo sự sắp
cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang
bảo vệ.
Phân loại theo đặc điểm kỹ thuật:
- Hệ thống báo cháy tự động theo vùng.
- Hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ: (Addressable fire alarm system): là hệ thống
báo cháy tự động có khả năng báo cháy chính xác đến từng vị trí từng đầu báo riêng

biệt (từng địa chỉ cụ thể).
Nguyên lý làm việc:
+ Bình thường toàn bộ hệ thống ở chế độ trực. Chế độ này trung tâm báo cháy luôn có
tín hiệu kiểm tra sự làm việc đến các thiết bị trong hệ thống đồng thời các đầu báo cháy

18


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

địa chỉ, modul cũng có tín hiệu hồi đáp về trung tâm. Định kỳ, theo thời gian (tuỳ đặt)
trung tâm sẽ in tình trạng của hệ thống và thông tin về các thiết bị cần bảo dưỡng.
+ Trong chế độ giám sát nếu trung tâm nhận được tín hiệu báo lỗi từ các thiết bị hoặc
không nhận được tín hiệu hồi đáp từ các thiết bị thì trung tâm sẽ chuyển sang chế độ sự
cố cho đến khi lỗi được khắc phục.
+ Khi cháy xảy ra ở các khu vực bảo vệ, các yếu tố (nhiệt độ, khói, ánh sáng) đạt tới
ngưỡng làm việc thì tác động lên các đầu báo cháy tạo ra tín hiệu truyền về trung tâm.
+ Tại trung tâm báo cháy sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo chương
trình đã cài đặt. Đồng thời phát tín hiệu báo động cháy
1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động:
+ Phát hiện cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra.
+ Chuyển tín hiệu cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng.
+ Có khả năng chống nhiễu tốt.
+ Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống.
+ Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra cháy.
+ Hệ thống phải hoạt động liên tục trong mọi điều kiện (nguồn AC, DC)
+ Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy. Hệ thống này phải thực hiện đầy đủ các
chức năng đã được đề ra mà không xảy ra sai sót .
1.2.3 Đầu báo cháy:
Khái niệm: Đầu báo cháy là thiết bị cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của các yếu tố

(nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói) để tạo ra các tín hiệu truyền về trung tâm khi đạt
một giá trị nhất định (ngưỡng).
Nhiệm vụ: Tạo ra tín hiệu điện để truyền về trung tâm khi các yếu tố của môi trường
(nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói) xung quanh đầu báo đạt 1 giá trị nhất định.
Phân loại:

19


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

+ Đầu báo cháy nhiệt: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của yếu tố nhiệt độ.
+ Đầu báo cháy khói: Hoạt động dựa trên sự biến đổi nồng độ khói.
+ Đầu báo cháy lửa: Nhạy cảm với ánh sáng (ánh lửa).
+ Đầu báo cháy hỗn hợp: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của 2 trong 3 yếu tố trên.
Cấu tạo:
+ Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của đầu báo cháy. Nó cảm nhận
được sự thay đổi của các yếu tố môi trường và biến đổi sự thay đổi đó thành dạng tín
hiệu điện khi các yếu tố này đạt đến 1 giá trị thích hợp đã được cài đặt sẵn. Với mỗi
loại đầu báo cháy khác nhau thì bộ phận cảm biến là khác nhau.
+ Bộ phận mạch tín hiệu: là một mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu từ bộ phận
cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn.
+ Vỏ - đế: là bộ phận bảo vệ và cố định đầu báo cháy ở khu vực cần bảo vệ.
Nguyên lý làm việc: Khi xảy ra cháy các yếu tố môi trường sẽ bị thay đổi. Các yếu tố
này sẽ tác động lên đầu báo cháy và đầu báo cháy làm việc tạo ra tín hiệu điện truyền
về trung tâm.

1.3 Các hệ thống PCCC đang phổ biến tại Việt Nam
Trên thị trường Việt Nam đang phổ biến các hệ thống PCCC chủ yếu là có dây, hệ
thống PCCC không dây hiện chưa phổ biến, chỉ mới xuất hiện tại hai thành phố lớn là

Hà Nội và TPHCM. Tại hai thị trường này nổi bật nhất là hai hệ thống, một của
Hochiki và một của Libelium.

20


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

1.3.1 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki.

Hình 1- 6: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Hochiki

Đặc điểm: Là hệ thống có dây. Cảnh báo theo vùng. Cấu hình mạng: hình sao.
Ƣu điểm:Dễ điều khiển, vận hành. Dễ khắc phục lỗi. Hoạt động ổn định.
Nhƣợc điểm:Vùng bao phủ thấp. Chi phí lắp đặt mở rộng hệ thống phát sinh lớn.
Không báo cháy được chính xác từng phòng.
1.3.2 Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium.

Hình 1- 7: Hệ thống cảnh báo cháy theo địa chỉ của Libelium

21


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

Đặc điểm: Có dây. Cảnh báo theo zone nhiều phòng. Cấu hình mạng: hình sao
Ƣu điểm: Dễ điều khiển, vận hành. Dễ khắc phục lỗi. Hoạt động ổn định. Báo cháy
được chính xác từng phòng
Nhƣợc điểm: Vùng bao phủ thấp. Chi phí lắp đặt mở rộng hệ thống phát sinh lớn
Từ các ưu nhược điểm trên ta nhận thấy nhược điểm lớn nhất của các hệ thống hiện

nay là sử dụng cấu hình mạng hình sao dẫn tới vùng phủ nhỏ và không có khả năng thu
hẹp khu vực và khoanh vùng đám cháy, việc mở rộng cấu hình rất khó và tốn kém,
không thích hợp với các tòa nhà cao tầng. mặt khác nếu nút mạng trung tâm (nút gốc
của hình sao) gặp sự cố thì toàn bộ mạng sẽ bị mất kết nối.
Đối với mạng cảm biến có dây, nếu muốn thu hẹp khoanh vùng chính xác đám cháy
đến từng phòng mà không quản lý theo khu vực (theo zone) thì đồng nghĩa với việc có
quá nhiều dây nối vào nút gốc, khó tránh sự cố khi bị lửa cháy vào dây. Do đó kéo theo
sự cồng kềnh của hệ thống khi cần có các thiết bị hỗ trợ nút gốc có khả năng xử lý tín
hiệu với số lượng lớn tương đương với số phòng của tòa nhà cao tầng (khoảng 500 đến
1000 phòng).
Đối với mạng cảm biến không dây, nên sử dụng các thiết bị có giá thành cao hoặc có
xuất sứ từ Nhật thì vùng phủ mới đạt yêu cầu khoảng 20m trong nhà, và thời lượng pin
cũng tương đối được lâu. Với các thiết bị có giá thành thấp thì vùng phủ thấp khoảng
15m và nhanh hao pin. Điều này không phù hợp với hiện trạng thực tế của các tòa nhà
cao tầng ở Hà Nội. bù lại mạng cảm biến không dây có thể hỗ trợ rất tốt việc giám sát
theo địa chỉ chính xác tới từng phòng với các nền tảng hỗ trợ tốt và chi phí lắp đặt thấp.
Còn một thực tế nữa của mạng cảm biến hình sao không dây là với cấu trúc mạng hình
sao thì rất dễ sảy ra xung đột trên kênh truyền hoặc vượt quá băng thông là rất dễ xảy
ra. Để đáp ứng nhu cầu truyền tải thông tin cảnh báo cháy chính xác tới từng phòng tại
các tòa nhà cao tầng hiện nay thì việc sử dụng mạng cấu hình sao là không thể được.

22


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

Do đó cần phải đưa ra một cấu hình mạng phù hợp với kiến trúc của các tòa nhà cao
tầng hiện nay và kèm theo đó là một thuật toán định tuyến giữa các nút mạng để mạng
hoạt động ổn định và liên tục.
1.4 Yêu cầu đặt ra cho đề tài

Sau khi đã phân tích kỹ ở trên ta có thể nhận thấy cần phải đặt ra hai mục tiêu chính
cho đề tài:
- Xây dựng kiến trúc cho mạng cảm biến không dây.
- Xây dựng thuật toán định tuyến đi kèm theo mạng cảm biến không dây.
Mạng cảm biến báo cháy không dây này được thiết kế dành riêng cho các tòa nhà cao
tầng, các nút cảm biến là các nút mạng được lắp tương ứng với các phòng nên các nút
mạng coi như cố định và mạng có không gian ba chiều. Do đó nhóm thiết kế sẽ tập
chung xây dựng cấu trúc mạng theo dạng không gian 3 chiều và các thuật toán 3D
rounting. Trong các phần tiếp theo nhóm nghiên cứu sẽ tập trung khảo sát kỹ các dạng
kiến trúc của mạng cảm biến báo cháy không dây, đồng thời đưa ra và nghiên cứu kỹ
các thuật toán định tuyến 3D rounting để có được một bức tranh toàn cảnh từ đó sẽ có
được cái nhìn tổng quan nhất về các mặt mạnh yếu của các hệ thống đang có mặt trên
thị trường hiện nay. Qua đó nhóm nghiên cứu đưa ra được những lựa chọn ưu điểm để
thiết kế hệ thống mới
Bên cạnh đó nhóm nghiên cứu chúng em cũng xây dựng một số chỉ tiêu kỹ thuật cho
hệ thống nhằm đảm bảo tính thực tế khả thi của hệ thống:
- Đạt tiêu chuẩn Việt Nam 5738 - 2001 về hệ thống báo cháy tự động.
- Báo cháy theo địa chỉ chính xác đến từng phòng.
- Đảm bảo hoạt động liên tục 24/24 , độ tin cậy cao.
- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra cháy,
tỷ lệ xảy ra cảnh báo cháy giả < 0,1%.

23


Chương 1: Tổng quan kiến trúc hệ thống mạng cảm biến

- Có khả năng mở rộng quy mô lên 1000 nút cảm biến với chi phí mở rộng lắp đặt
thấp hơn so với các hệ thống hiện hành.
1.5 Phƣơng pháp xây dựng hệ thống và lựa chọn công nghệ

Trên cơ sở đáp ứng được các yêu cầu đã đặt ra thì nhóm nghiên cứu chúng em đã đưa
ra những lựa chọn công nghệ để sử dụng phù hợp. cụ thể như sau:

Hình 1- 8: Công nghệ sử dụng

Các công nghệ truyền thông không dây cho mạng cảm biến
Hiện nay trên thế giới đang thịnh hành hai công nghệ truyền thông không dây cho
mạng cảm biến đó là:
- Công nghệ truyền thông RF tần số UHF ( tần số 433 MHz hoặc 900 MHz).
- Công nghệ Zigbee (dải tần 868,3 MHz, dải tần 902 – 928 MHz, dải tần 2,4 – 2,835
GHz).
Từ các thông số trên ta có thể nhận thấy, để đáp ứng yêu cầu xây dựng mạng không
dây với số lượng nút lớn và cấu hình phức tạp, việc sử dụng truyền thông RF là không
khả thi. Do đó công nghệ Zigbee sẽ được lựa chọn sử dụng và xây dựng mạng cảm
biến không dây.

24