Ứng dụng công nghệ cảm biến mạng không dây cho cảnh báo cháy rừng sớm

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA QUỐC TẾ VÀ ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Tiểu luận
Ứng dụng công ngh ệ m ạng c ảm bi ến k hông dây cho c ảnh
báo cháy rừng sớm
GVHD: PGS. Trần Công Hùng


NỘI DUNG
Tóm tắt
I. Giới thiệu
II. Công trình liên quan
III. Mô phỏng và đánh giá kết quả
IV. Thiết kế phần cứng và phần mềm
V. Kết luận
VI. Tài liệu tham khảo


Tóm tắt
 Hệ

thống theo dõi sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm để nhanh
chóng dự đoán một vụ cháy rừng bằng cách sử dụng mạng
cảm biến không dây.

 Toàn

bộ hệ thống các nút cảm biến được định tuyến cho cải
thiện PEGASIS cách để ngăn ngừa tổn thất điện năng của
PEGASIS cơ bản và tăng tuổi thọ của toàn bộ mạng.

 Các

cảnh báo cháy rừng phát hiện những thay đổi của thiên
nhiên, giúp ngăn chặn cháy rừng hiệu ứng


I. GIỚI THIỆU
Rừng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con
người và tài nguyên của con người,…cân bằng hệ sinh thái của
trái đất. Tuy nhiên, vì sự hành động không kiểm soát được của
con người và không thể dự đoán trước được thiên nhiên do đó
cháy rừng là một điều phổ biến
Các phương pháp phổ biến để ngăn chặn là tuần tra, nhìn từ
tháp và trong những năm gần đây là sử dụng hình ảnh vệ tinh.
Các mạng cảm biến không dây bao gồm các cảm biến nút nhỏ,
nó tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp thông qua các kết nối không
dây, và có nhiệm vụ cảm biến, đo lường, tính toán tập trung vào
thu thập, hội tụ dữ liệu để ra quyết định toàn cầu về môi
trường tự nhiên [ 2 ].
Một nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản:
Cảm biến, bộ vi xử lý, bộ thu phát và bộ phận cung cấp điện.
Ngoài ra, họ cũng có các ứng dụng thành phần bổ sung như hệ
thống định vị, máy phát điện và quản lý di động [3].


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
a. PEGASIS [4] cơ bản

Các giao thức PEGASIS là một sự cải tiến so với Leach.

Giao thức PEGASIS giải quyết vấn đề chi phí phát sinh trong quá
hình thành các cụm Leach thông qua việc xây dựng chuỗi nút như
minh họa trong hình 1. Chuỗi xây dựng thực hiện bằng thuật toán
tham lam. Mỗi nút sẽ chọn nút kế bên gần nhất để nhảy tiếp theo
trong cấu trúc chuỗi lân cận. Mỗi nút chỉ cần theo dõi các nút lân
cận tiếp theo và trước nó. Quá trình trong chuỗi được thực hiện
tuần tự. Mỗi nút trong chuỗi sẽ thu thập dữ liệu từ các nút láng
giềng của nó cho đến khi tất cả các dữ liệu được tập hợp vào đầu
của nút chuỗi.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN (tt)
a. PEGASIS [4] cơ bản

Một ví dụ về quá trình giao tiếp trong chuỗi được thể hiện trong
hình 1. Các nút đầu tiên trong ví dụ này là nút số 2. Trước hết, nút
2 gửi thông báo tới nút 0 để bắt đầu quá trình giao tiếp. Node 0
gửi dữ liệu của nó đến nút 1. Nút 1 sẽ tổng hợp dữ liệu này với dữ
liệu của mình để tạo ra một dữ liệu tin nhắn có cùng độ dài. Điều
này sẽ được truyền tới nút 2. Sau khi nút 2 nhận được dữ liệu từ
nút 1, nút 2 sẽ gửi một chú ý đến đầu kia của chuỗi (nút 6). Thông
tin từ nút 6,5,4,3 cũng sẽ được tổng hợp và gửi đến nút 2. Sau khi
nhận được thông tin tổng hợp trong dây chuyền, nút 2 sẽ gửi
thông tin này đến các điểm thu gom thông qua một bước nhảy
duy nhất.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
a. PEGASIS [4] cơ bản

- PEGASIS cung cấp năng lượng hiệu quả hơn giao thức Leach
- Tuy nhiên giao thức PEGASIS có độ trễ lớn hơn Leach vì dữ liệu
phải được truyền tuần tự và nút bắt đầu phải chờ cho đến khi tất
cả các tin nhắn đã nhận được trước khi giao tiếp với các điểm thu
gom
- Ngoài ra, các giao thức PEGASIS yêu cầu tất cả các thông tin trong
chuỗi phải được tổng hợp thành một chủ đề duy nhất. Điều này có
thể gây ra sai trong thông tin gửi đến các điểm thu gom.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
b. PEGASIS [4] cải tiến

Trong thuật toán PEGASIS cơ bản, chúng tôi phát hiện ra rằng mặc
dù sức đã được chia sẻ giữa các nút, nhưng vẫn còn một số hạn
chế:
-Các nút từ xa trạm BS sẽ khả năng tiêu thụ năng lượng nhiều hơn
và do đó nhanh chóng chết.
-Việc chậm trễ trong mạng là khá đáng kể, đặc biệt là nếu mạng
lớn sau đó là chuỗi sẽ rất dài, do đó một số lượng rất cao bươc
nhảy cần thiết để truyền dữ liệu từ kết thúc đến các trạm gốc.
-Ngoài ra, các nút trong chuỗi phải công nhận cấu hình của mạng
và đây không phải là luôn luôn dễ dàng cho mạng cảm biến.
-Một vấn đề khác là sự tắc nghẽn tại các nút chính. Có nghĩa là, khi
dữ liệu đến nút chính sau đó không có đủ sức mạnh để truyền đến
trạm BS.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
c. Giải pháp

-Để khắc phục những độ trễ, chúng ta có thể phân chia mạng thành
nhiều tiểu vùng, từng khu vực sẽ thiết lập một chuỗi.
-Trong mỗi tiểu khu vực chúng tôi sẽ có một nút cái không giới hạn
nguồn năng lượng và có khả năng di chuyển khác nhau trên tiểu
vùng.
-Tương ứng với mỗi chuỗi con sẽ có một nút chính. Những nút chủ
sẽ gửi các dữ liệu thu thập được vào sink tương ứng.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
d. Mô hình năng lượng

Sử dụng mô hình không dây.
Việc tiếp nhận các dữ liệu cũng tốn một năng lượng tương đối cao,
vì vậy chúng tôi cần phải tối đa hóa số lượng truyền và nhận được
trong mỗi node.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
e. Xây dựng các chuỗi đa

Đề xuất này có 4 chuỗi hình thành như sau:
-Sink gửi "gói tin hello" đến tất cả các nút để có được thông tin của
tất cả các nút.
-Sink tìm nút xa nhất.
-Hình thành một chuỗi bắt đầu từ xa nút, đây là nút gốc của chuỗi,
và các nút gốc sẽ tìm kiếm cho node gần nhất bao gồm nó trong
chuỗi.
-Sau đó, mỗi nút tìm đường dẫn đến nút gần nhất mà không kết

nối trong chuỗi, sau đó kết nối nó với một tương tự tiếp cận.
-Trong thứ tự, mỗi node i nhận dữ liệu từ nút j, hoạt động như
một nút cha tới nút j, trong khi đó nút j hoạt động như một nút
con đến nút i.
Quá trình này cũng tạo ra các chuỗi lặp đi lặp lại trong cả bốn khu
vực và do đó 4 chuỗi được tạo ra.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
f. Chọn các nút chính trong chuỗi

Chuỗi đã chọn nút chính trên cơ sở tỷ trọng Q gán cho mỗi
nút. Nút có Q lớn nhất sẽ được chọn là nút chính của chuỗi chính.
Sau khi hình thành chuỗi, mỗi nút i sẽ tính toán khoảng cách của
nó (dp) với nút cha và sau đó so sánh khoảng cách đó với khoảng
cách từ nó đến chỗ sink (dbs). Nếu (dp)> (dbs) sau đó nút i đóng
vai trò như một nút hàng đầu và gửi dữ liệu thu thập sink thay vì
gửi nó đến nút cha.


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
g. Nút cái di động

Giả định rằng sink có khả năng giữ năng lượng không giới hạn và
tính di động của nó được sử dụng để tối đa hóa tuổi thọ của
mạng. Sink di chuyển trong mạng trong một quỹ đạo cố định, từ
vùng này sang vùng khác và chờ đợi trong một vị trí tạm thời.
Trong giai đoạn này, sink vẫn còn và nhận dữ liệu từ tất cả các nút
của chuỗi. Đưa vào thuật toán xác định vị trí cải thiện dự kiến là:
(33m, 25m,), (33m, 75m),(66m, 25m) và (66m, 75m).

II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
h. Thuật toán đề xuất cho nút cái di động

Bao gồm ba bước sau: Trước tiên là tính độ dài cấu hình. Sau đó
dựa vào độ dài còn lại, sink bắt đầu di động bằng cách xác định tọa
độ là (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m) và (66m, 75m) tất cả
bao bọc một yêu cầu cụ thể như trước. Tổng thời gian lưu trú của 4
nơi trong phạm vi 1 vòng tròn là như sau:
Trong đó Ts là tổng thời gian lưu trú của một vòng. Mục tiêu đầu
tiên là cải thiện thời gian sống của mạng bằng cách tăng tổng thời
gian lưu trú, trong khi mục tiêu thứ hai là đảm bảo tính nhất quán
của dữ liệu truyền giữa dòng và các nút chính của chuỗi. Vì vậy,
vấn đề là phải tối đa hóa:


II. NHỮNG CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
h. Thuật toán đề xuất cho nút cái di động

Trong đó Xij được đo bằng bit giữa nút chính và sink với các vị trí
tiềm năng i và j, 1 ≤ i, j ≥ 4. D là tổng số dữ liệu chuyển giao giữa
các nút chính và sink trong thời gian ở. Vị trí tiềm năng phụ thuộc
vào bốn lĩnh vực không thay đổi. Các nút chính của chuỗi truyền
dữ liệu đến dòng là cũng ở một vị trí đặc biệt.


III. CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Đối với phần này chúng ta sẽ sử dụng ngôn ngữ MATLAB để mô
phỏng một mạng lưới 100m x 100m. Thông số các mô phỏng như

sau:
+ Quy mô mạng lưới: 100m x 100m
+ Số nút: 100
+ Tọa độ: (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m),(66m, 75m)
+ Năng lượng các nút ban đầu : 0,5J
+ Kích thước gói: 2000 bít
+ Trạm BS: (0m, 0m)
+ Số của vòng lặp mô phỏng: 5000


III. CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ


III. CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ


III. CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ


III. CÁC MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Căn cứ vào kết quả của mục [5] so với kết quả mô phỏng, chúng ta
thấy rằng các nút bắt đầu chết trong PEGASIS chỉ trong khoảng
675 vòng. Trong khi ở PEGASIS nhiều loại, nút chỉ bắt đầu chết
khi đạt vòng 1400. Khi cả mạng chết, tất cả các nút là trống rỗng
bởi vòng thời gian đạt 1544 trong PEGASIS, trong khi ở PEGASIS
nhiều loại, các nút chỉ chết khi chiếc vòng 4615 là đạt.
Qua đó chúng ta thấy cuộc đời của mạng dưới PEGASIS nhiều loại
được cải thiện đáng kể, so với các giao thức định tuyến trước như
Leach, PEGASIS. Do đó, nó rất thích hợp để xây dựng một mạng

lưới các hệ thống "cảnh báo sớm cháy rừng ".


IV. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
h. a. Toànbộhệthốngcủamôhình

Gồm:
- Mạch thu thập dữ liệu nhiệt độ cảm biến
- Dữ liệu độ ẩm truyền đến nút mạch.
- Máy tính này sẽ hoạt động như một máy chủ, có thể được giám
sát từ xa thông qua một máy tính khác
Dựa trên các trang tài liệu tham khảo [6] [7], chúng tôi đề xuất các
mô hình


IV. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
a. Toànbộhệthốngcủamôhình


IV. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
b.Thiếtkếphầncứng

-Sơ đồ khối chi tiết mạch


IV. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
b.Thiếtkếphầncứng

Khối chức năng:
- Khối thạch anh: dao động cho PIC16F886.

- Đặt lại khối: Kết nối các chân reset của PIC để khởi động lại các
PIC.
- Khối bấm phím: Các phím chức năng giúp khởi động và dừng
hoạt động của hệ thống.
- Power Module: Cung cấp một nguồn cung cấp điện ổn định cho
các PIC và các thiết bị trên tàu.
- Khối cảm biến bao gồm nhiệt độ, cảm biến độ ẩm mà có được dữ
liệu từ môi trường để cung cấp cho PIC để phân tích.
- NRF24L01 khối thu phát + PA và ăng-ten: truyền và nhận tín hiệu
thông qua sóng radio.
- Vi tính: Nhận tín hiệu từ bo mạch chủ, đặt các dữ liệu trên phân
tích và xử lý máy tính.
-Mạch điều khiển trung tâm


IV. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
b.Thiếtkếphầncứng