XÂY DỰNG hệ THỐNG CẢNH báo CHÁY RỪNG sớm DÙNG CÔNG NGHỆ cảm BIẾN KHÔNG dây (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY
RỪNG SỚM DÙNG CÔNG NGHỆ CẢM
BIẾN KHÔNG DÂY

xiii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ACK

Acknowledge

ADC

Analog to Digital converter

CAP

Contention Access Period

CCA

Clear Channel Assessment

CFP

Contention Free Period

CPU

Central Processing Unit

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

DARPA

Defense Advanced Research Projects Agency

GTS

Guaranteed Time Slot

IEEE

Institute of Electrical and Eleactronics Engineers

IFS

Inter-Frame Space

LEACH

Low Energy Adaptive Clustering hierachy

LR-WPAN

Low-Rate Wireless Personal Area Networks

MAC

Medium Access Control

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

MFR

MAC footer

MHR

MAC header

MLMESAP

MAC sublayer management entity service access point

MPDU

MAC Protocol Data Unit

NEMS

Nanoscale Electro Mechanical systems

OS

Operating System

PEGASIS

Power Efficient Gathering in Sensor Information System

PHY

Physic layer

WSN

Wireless Sensor Networks

WPAN

Wireless Personal Area Networks

xiv


Đồ án tốt nghiệp
Trang 3/82

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kỳ. Sự phát
triển của nền khoa học ứng dụng đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗi
chúng ta. Khoa học công nghệ không chỉ tiếp cận con người mà còn phải quan tâm,
tiếp cận đến những khu rừng xanh lá phổi của mẹ thiên nhiên. Cháy rừng hiện nay là

mối đe dọa cấp bách vì vậy cần phải có các biện pháp phòng chống cháy rừng xảy ra.
Để góp phần nhỏ vào việc bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ con người,
dựa trên những ý tưởng đó, đồ án này sẽ đưa ra biện pháp thu thập dữ liệu về nhiệt độ
và độ ẩm để đưa ra cảnh báo thích hợp về vấn đề cháy rừng.
Đồ án được trình bày theo bố cục sau:
-

Chương 1 trình bày sơ lược về lý do chọn đề tài, mục tiêu của đồ án và phương
pháp nghiên cứu.

-

Chương 2 trình bày về tổng quan về mạng cảm biến không dây.

-

Chương 3 trình bày về mô hình công nghệ mạng ZigBee.

-

Chương 4 trình bày về chương trình mô phỏng, thiết kế phần cứng, phần mềm
của hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng.

-

Chương 5 trình bày kết quả, hạn chế, hướng phát triển của đề tài

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng

Đồ án tốt nghiệp
Trang 4/82

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Bạn phải mất bao lâu thời gian để có thể biết một vụ hỏa hoạn đang xảy ra trong
rừng? Và có phải khi ai để ý đến ngọn lửa thì đã quá muộn vì lửa đã lan rộng.
Rừng là một phần quan trọng và là nguồn tài nguyên không thể thiếu cho sự
sống của con người, phát triển xã hội và bảo vệ sự cân bằng của hệ sinh thái. Tuy
nhiên, do một số hoạt động của con người không kiểm soát được và sự ấm lên toàn
cầu, cháy rừng thường xuyên xảy ra. Cháy rừng là một trong những hiểm họa nghiêm
trọng nhất đối với nguồn tài nguyên và môi trường của con người.
Trong những năm gần đây, tần suất của các vụ cháy rừng đã tăng lên đáng kể do
biến đổi khí hậu, các hoạt động con người và các yếu tố khác. “Trong năm 2016, cả
nước có 490 vụ cháy rừng, tăng 13 vụ so với cùng kỳ năm ngoái. Nguyên nhân chủ yếu
dó thời tiết phức tạp, nắng nóng xảy ra hầu hết các tỉnh thành, đồng thời một số khu
vực nắng nóng cục bộ, nhiệt độ tăng cao đã làm khô nỏ vật liệu cháy nguy cơ cháy
rừng rất cao; hơn thế nữa, do ảnh hưởng của đợt rét đậm, rét hại đầu năm đã làm cho
thảm thực vật rừng bị chết, gãy đổ hàng loạt, tạo lớp vật liệu cháy khổng lồ trong
rừng” [1]. Và gần đây nhất “Trong 9 tháng đầu năm 2018, gần 3000 vụ cháy rừng trên
cả nước” [2].
1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và
ngành Điện Tử - Viễn Thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là một trong
những thành tựu cao của khoa học công nghệ. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm
biến không dây là sự kết hợp của cảm biến, tính toán và truyền thông vào các thiết bị
nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao, cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi
ích của con người. Sức mạnh của Wireless Sensor Network (WSN) nằm ở chỗ khả
năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 5/82

hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng như có thể
giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị.
Công nghệ điều khiển và cảm biến có tiềm năng lớn, không chỉ trong khoa học
và nghiên cứu, mà quan trọng hơn chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
liên quan đến bảo vệ các công trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ môi trường,
năng lượng, an toàn cháy nổ, an toàn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng cuộc
sống và kinh tế…
Trước sự phát triển của mạng cảm biến không dây và những thiếu sót của giám
sát truyền thống trong công tác phòng chống cháy rừng, căn cứ vào tình hình thực tế
của nước ta đang cần một biện pháp giám sát rừng tốt hơn để giảm thiệt hại do cháy
rừng gây ra. Luận văn đã chọn hướng nghiên cứu là “Xây dựng hệ thống cảnh báo
cháy rừng sớm dùng công nghệ mạng cảm biến không dây”.
1.3 Mục tiêu
- Nắm rõ về mạng cảm biến không dây và công nghệ mạng ZIGBEE.
- Phân tích và xây dựng chương trình mô phỏng giải pháp định tuyến PEGASIS đa
chuỗi.
- Xây dựng mô hình của hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng.
- Hoàn thiện và viết báo cáo.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích và tổng hợp các thông tin.
- Phân tích các đặc tính của hệ thống.
- Phân tích đánh giá kết quả.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng

Đồ án tốt nghiệp
Trang 6/82

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
2.1 Các thành phần cơ bản của mạng cảm biến không dây

Hình 2.1 Các thành phần của node cảm biến
Một node cảm biến được cấu tạo bởi bốn thành phần cơ bản: Bộ phận cảm biến,
bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng lượng. Ngoài ra, chúng
cũng có thể có những thành phần bổ sung phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.
Bộ phận cảm biến thường bao gồm hai bộ phận: cảm biến và bộ phân chuyển
đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Tín hiệu tương tụ được sản sinh bởi những
thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tượng được chuyển đổi tới tín hiệu số bởi
bộ ADC, sau đó được chuyển tới bộ phận xử lý. Bộ phận xử lý thường liên quan đến
một bộ phận lưu trữ nhỏ, quản lý những thủ tục làm cho node cảm biến hợp tác với
nhau để thực hiện một nhiệm vụ cảm biến định trước. Bộ phận thu phát kết nối node
với mạng. Một trong những thành phần quan trọng của một node cảm biến là bộ phận
cung cấp năng lượng. Node cảm biến còn có thể có những bộ phận nhỏ khác tùy thuộc
vào ứng dụng. Hầu hết kỹ thuật định tuyến cảm biến và những tác vụ cảm biến đòi hỏi
kiến thức định vị vị trí với độ chính xác cao cho nên các node cảm biến thường có hệ
thống định vị vị trí.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 7/82

Ngoài ra, tùy thuộc vào ứng dụng, node cảm biến có thể được trang bị một bộ
phận quản lý di động để quản lý chuyển động khi nó được yêu cầu để thực hiện nhiệm
vụ định trước.
Tất cả những bộ phận cần phải tích hợp trong một module nhỏ gọn.
2.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây
- Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con người.
- Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến.
- Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào hư hỏng ở các node.
- Các giới hạn về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
- WSN đã kế thừa những ưu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm
riêng của mạng cảm biến, nó có thể được ứng dụng vào mạng gồm một số lượng lớn
thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lượng có khả năng xử lý, tính toán và
giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
2.3 Quá trình phát triển của mạng cảm biến không dây
- Thời kỳ chiến tranh lạnh: các mạng ngầm được phát triển rộng rãi ở Mỹ dùng
trong giám sát ngầm dưới đáy biển. Mạng trên không phòng thủ radar được triển khai ở
Bắc Mỹ.
- Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biển vào đầu những năm 1980
với chương trình Defense Advanced Research Project Agency (DARPA).
- Ngày nay nghiên cứu mạng cảm biến là thế hệ thứ hai của ứng dụng thương mại,
bước tiến trong tính toán và truyền thông vào cuối những năm 1990 và đầu những năm
2000 đã tạo nên kỹ thật mạng cảm biến thế hệ mới. Các cảm biến mới được chế tạo có
giá thành thấp, số lượng lớn theo công nghệ MEMS, nanoscale electromechanical
systems (NEMS) và sự xuất hiện các tiêu chuẩn là chìa khóa cho sự phát triển của
WSNs (ngoài ra còn có Internet-Web, video số MPEG-4, mạng tế bào, VoIP).

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp

Trang 8/82

Bảng 2.1 Tóm tắt các giai đoạn phát triển của mạng cảm biến không dây
2.4 Kỹ thuật cảm biến không dây
2.4.1 Khái quát về NODE cảm biến
Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố và phân tán bao phủ một vùng địa lý.
Các node (cảm biến nodes hay còn gọi là WNs) có khả năng liên lạc vô tuyến với các
node lân cận và các chức năng cơ bản như xử lý tín hiệu, quản lý giao thức mạng và
bắt tay với các node lân cận để truyền dữ liệu từ nguồn đến trung tâm. Chức năng cơ
bản của các node trong mạng WSNs phụ thuộc vào ứng dụng của nó, một số chức năng
chính:
- Xác định được giá trị các thông số tại nơi lắp đặt. Như có thể trả về nhiệt độ,
áp suất, cường độ ánh sáng... tại nơi khảo sát.
- Phát hiện sự tồn tại của các sự kiện cần quan tâm và ước lượng các thông số
của sự kiện đó. Như mạng WSNs dùng trong giám sát giao thông, cảm biến nhận biết

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 9/82

được sự di chuyển của xe cộ, đo được tốc độ và hướng di chuyển của các phương tiện
đang lưu thông…
- Phân biệt các đối tượng. Ví dụ phương tiện lưu thông mà cảm biến nhận biết
được là gì? Xe con, xe tải, hay xe buýt…
- Theo dấu các đối tượng. Ví dụ trong mạng WSNs quân sự, mạng cảm biến
phải cập nhật được vị trí các phương tiện của đối phương khi chúng di chuyển trong
vùng bao phủ của mạng…
Các hệ thống có thể đáp ứng thời gian thực hay gần như thế, tùy theo yêu cầu và

mục đích của thông tin cần thu thập.
Cảm biến gồm nhiều nhóm chức năng cơ, hóa, nhiệt, điện, từ, sinh học, quang,
chất lỏng, sóng siêu âm, cảm biến khói… Cảm biến có thể được đưa ra bên ngoài môi
trường nguy hại; môi trường có nhiệt độ cao, mức dao động, nhiễu lớn, môi trường hóa
chất độc hại; có thể lắp đặt trong hệ thống robot tự động hay trong hệ thống nhà xưởng
sản xuất. Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm điện và từ, cảm biến sóng radio,
cảm biến quang, hồng ngoại, radars, lasers, cảm biến vị trí hay định vị, cảm biến hướng
mục đích phục vụ cho an ninh sinh hóa…
Các cảm biến kích thước nhỏ, giá thành thấp, ổn định, độ nhạy cao và đáng tin
cậy là yếu tố quan trọng tạo nên các mạng WSNs hoạt động hiệu quả và kinh tế.
2.4.2 Phần cứng và phần mềm
Liên quan đến thiết kế node trong mạng WSNs, các chức năng cần phải có: chức
năng cơ bản của node; chức năng xử lý tín hiệu gồm xử lý tín hiệu, nén, phát hiện và
sửa lỗi, điều khiển; phân nhóm và tính toán trong mạng; thông tin; tự kết hợp; định
tuyến; và quản lý kết nối. Để có các chức năng này, phần cứng của node phải có cảm
biển và bộ phận thực thi, bộ xử lý, nguồn và các phần phục vụ cho chức năng khác.
Phần cứng gồm 4 nhóm chính:
- Nguồn cung cấp: đảm bảo năng lượng cho node hoạt động trong vài giờ, vài
tháng hay vài năm.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 10/82

- Lưu trữ và tính toán: phục vụ cho các chức năng xử lý, điều chế số, định
tuyến…
- Cảm biến: biến đổi các thông số môi trường thành thông tin.
- Liên lạc: trao đổi dữ liệu giữa các node với nhau và với trung tâm.

Phần mềm gồm 5 nhóm chính:
- Hệ điều hành (OS): liên kết phần mềm và chức năng bộ xử lý. Các nghiên cứu
hướng đến thiết kế mã nguồn mở cho OS dành riêng cho mạng WSNs.
- Cảm biến Drivers: đây là những module quản lý chức năng cơ bản của phần tử
cảm biến.
- Bộ xử lý thông tin: quản lý chức năng thông tin, gồm định tuyến, chuyển các
gói, duy trì giao thức, mã hóa, sửa lỗi….
- Bộ phận xử lý dữ liệu: xử lý tín hiệu đã lưu trữ, thường ở các node xử lý trong
mạng.
2.4.3 Môi trường hoạt động của cảm biến node (WNs):
Node cảm biến bị ràng buộc bởi một số yếu tố:
- Nguồn cung cấp: các node bị giới hạn bởi năng lượng cung cấp, việc sử dụng
hiệu quả nguồn năng lượng là chìa khóa cho thiết kế các hệ thống mạng WSNs.
- Liên lạc: Mạng vô tuyến thường bị giới hạn về băng thông, nhiễu kênh truyền.
Các yếu tố này ảnh hưởng đến độ tin cậy, chất lượng dịch vụ và độ bảo mật của hệ
thống.
- Tính toán: Các node có công suất tính toán và bộ nhớ giới hạn. Điều này ảnh
hưởng đến việc lựa chọn giải thuật xử lý dữ liệu hoạt động tại node.
- Sự không chắc chắn các thông số: dự liệu cần thu thập có thể kèm theo nhiễu
từ môi trường. Sự hư hỏng các node có thể làm sai dữ liệu. Sự sắp đặt các node gây sai
lệch hoạt động node.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 11/82

2.5 Những hạn chế trong việc phát triển mạng WSN
Xác đinh rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp

phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng như tiện ích từ những
ứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến trong cuộc sống. Những hạn chế của
mạng cảm biến:
- Năng lương hạn chế: Khi các thiệt bị tăng hiệu suất, khả năng tính toán năng
lượng tiêu thụ càng tăng, sự tiêu thụ năng lương của mạng cảm biến không dây giống
như một node cổ chai. Các cảm biến có kích cỡ nhỏ và giá thành rẻ nên có thể triển
khai hàng nghìn cảm biến trong mạng, không thể nối dây từ các cảm biến này đến
nguồn năng lượng. Đồng thời để có thể tự vận hành, các cảm biến cần phải có nguồn
pin. Lượng năng lượng có sẵn trong mỗi cảm biến bị giới hạn ở một mức nào đó nên
sự đồng bộ hóa chỉ nhận được khi duy trì đủ năng lượng cho hoạt động hiệu quả của
các cảm biến này

Hình 2.1 Cấu trúc phần cứng hạt Mica
- Dải thông giới hạn: Trong mạng cảm biến, năng lượng cho xử lý dữ liệu ít hơn
nhiều so với việc truyền nó đi. Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 12/82

độ dữ liệu khoảng 10 – 100 Kbits/s. Sự giới hạ về băng thông này ảnh hưởng trực tiếp
đến việc truyền thông tin giữa các cảm biến. Và nếu không có sự truyền thông tin này
thì không thể đồng bộ hóa được.
- Phần cứng giới hạn: Phần cứng của các node cảm biến thường bị giới hạn do
kích cữ nhỏ của nó. Một node cảm biến tiêu biểu như hạt bụi Berkeley Mica2 có một
pin mặt trời nhỏ, CPU 8 bit hoạt động ở tốc độ 10MHz, bộ nhớ từ 128KB đến 1MB, và
phạm vi truyền dưới 50m. Sự hạn chế về năng lượng tính toán và không gian lưu trữ
đặt ra một thách thức to lớn. Đó là ta không thể tăng kích cỡ của node cảm biến vì chi

phí sẽ tăng và tiêu thụ thêm nặng lượng, gây khó khăn trong triển khai hàng nghìn
node trong mạng.
- Kết nối mạng không ổn định: Ưu điểm của mạng cảm biến là tính di động,
nhưng vẫn tồn tại những nhược điểm sau:
+ Giới hạn trong phạm vi truyền của các cảm biến di động (khoảng 1000m), dẫn
đến việc truyền thông tin giữa các node cảm biến trờ nên khó khăn.
+ Các phương tiện truyền không dây không được bảo vệ khỏi nhiễu bên ngoài
nên có thể dẫn đến mất mát một lượng lớn thông tin.
+ Giới hạn dải thông khi truyền vô tuyến và kết nối không liên tục.
+ Cấu hình mạng thay đổi thường xuyên phụ thuộc vào sự di động của các node
nên việc định lại cấu hình động trờ nên cần thiết.
2.6 Ứng dụng của cảm biến không dây[3]
2.6.1 Ứng dụng trong môi trường
Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim,
động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm; theo dõi và
cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ
lụt…Một số ứng dụng quan trọng như:
- Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các node cảm biến trong rừng, một
mạng Adhoc được tạo nên một cách tự phát. Mỗi node cảm biến có thể thu thập nhiều

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 13/82

thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói…Các dữ liệu thu thập được
truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh
báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
- Cảnh báo lũ lụt: hệ thông này bao gồm các node cảm biến về lượng mưa, mực

nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo
lụt sớm.
- Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: các cảm biến về độ rung đặt rải
rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi
lửa để giảm sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào.
2.6.2 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Một vài ứng dụng về sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân,
các triệu chứng, quản lý thuốc trong bệnh viện, giám sát sự chuyển động và xử lý bên
trong của côn trùng hoặc các động vật nhỏ khác, theo dõi và kiểm tra bác sĩ và bệnh
nhân trong bệnh viện.
2.6.3 Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các node cảm biến được đặt ở các phòng để
đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này
đến thiệt bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà.
2.6.4 Ứng dụng trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ
hàng hóa. Các kiện hàng sẽ bao gồm các node cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kì
lưu trữ và bảo quản. Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng bản
tin quảng bá. Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để bộc lộ các đặc điểm của
chúng. Ngày cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được
truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng node. Cảm biến còn có thể được
dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Nếu

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 14/82

một ai đó cố dịch kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiệt bị cảm báo.

Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn.
Những node cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các
container ở cảng. Mỗi một container là một node mạng trong mạng cảm biến và có thể
ghi nhớ thông tin của nó một các xác thực. Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể
thực hiện theo kiểu điểm – điểm từ container này đền container khác. Tập hợp các
container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và vì vậy luôn luôn nhất quán. Nhờ đó tàu
có thể dễ dàng xác định vị trí chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có
thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ mà không cần phải truy cập vào dữ liệu
toàn cầu.
2.6.5 Ứng dụng trong nông nghiệp
Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ảnh
sáng ở nhiều điểm trên thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm
để người nồng dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh cho phù hợp.
Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các
cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát.
2.6.6 Ứng dụng trong quân đội
- Giám sát lực lượng, trang thiệt bị và đạn dược.
- Giám sát chiến trường.
- Giám sát địa hình và lực lượng quân địch.
- Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan
trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai
ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể
cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong
nghiêm trọng.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp

Trang 15/82

2.7 Kết luận
Chương này đã trình bày một cách khái quát về hệ thống mạng cảm biến không
dây. Với những ưu điểm về mặt công nghệ, khả năng triển khai một số lượng lớn các
thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống. Sử dụng những thiệt bị này
để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu
trúc hoặc tình trạng thiết bị…Vì vậy mà luận văn đã chọn nghiên cứu theo hướng công
nghệ mạng cảm biến không dây.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 16/82

CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ MẠNG ZIGBEE/IEEE 802.15.4
3.1 Giới thiệu
ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới phát triển gần đây. Công nghệ này xây
dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và
MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, vì thế nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE
802.15.4, đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao
với các môi trường mạng.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 17/82

Hình 3.1 Mô hình công nghệ ZigBee
3.2 Tầng điều khiển dữ liệu (MAC)[4]
Tầng điều khiển truy cập cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản ly
MAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tâng MAC
(MLMESAP). Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối giao
thức dữ liệu MAC (MPDU) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY. Nhiệm vụ của tầng MAC
là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong
mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải
phóng kết nối, phát khung ACK.
3.2.1 Cấu trúc siêu khung
LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung. Định dạng của
siêu khung được định rõ bởi PAN coordinator. Mỗi siêu khung được giới hạn bởi từng

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 18/82

mạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốc báo hiệu dò đường beacon được
gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung. Nếu một PAN coordinator không muốn
sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc phát mốc beacon. Mốc này có nhiệm vụ đồng
bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu
khung.

Hình 3.2 Cấu trúc siêu khung
Siêu khung có 2 phần “hoạt động và “nghỉ”. Trong trạng thái “nghỉ” thì PAN
coordinator không giao tiếp với các thiết bị trong mạng PAN, và làm việc ở mode công
suất thấp. Phần “hoạt động” gồm 2 giai đoạn: giai đoạn tranh chấp trong mạng chính là
khoảng thời gian tranh chấp giữa các trạm để có cơ hội dùng một kênh truyền hoặc tài

nguyên trên mạng. Bất kỳ thiết bị nào muốn liên lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh
tranh với các thiết bị khác bằng cách sử dụng kỹ thuật CSMA-CA.
PAN coordinator có thể định vị được bảy số trong số các GTSs, và mỗi một
GTS chiếm nhiều hơn một khe thời gian.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 19/82

Khoảng thời gian tồn tại của các phần khác nhau của siêu khung được định
nghĩa bởi giá trị của macBeaconOrder và macSuperFrameOrder. MacBeaconOrder mô
tả khoảng thời gian mà bộ điều phối coordinator truyền khung báo hiệu tìm đường.
Khoảng thời gian giữa hai mốc beacon BI (beacon interval) có quan hệ tới
macBeaconOrder (BO) theo biểu thức sau:
BI = aBaseSuperFrameDuratuon * symbol, với 0 ≥ BO ≤ 14.
Lưu ý rằng siêu khung được bỏ qua nếu BO = 15.
Giá trị của macSuperFrameOrder cho biết độ dài của phần tích cực của siêu
khung. Khoảng thời gian siêu khung SD (superframe duration) có quan hệ
macSuperFrameOrder (SO) theo biểu thức sau:
SD = aBaseSuperFrameDuratuon * symbol
Nếu SO = 15 thì siêu khung vẫn ó thể ở phần “nghỉ” sau mốc beacon của khung.
Phần tích cực của mỗi siêu khung được chia thành 3 phần CAP, CFP và beacon.
Mốc beacon được phát vào đầu ở khe số 0 mà không cần sử dụng CSMA.
3.2.1.1 Khung CAP
CAP được phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trước khi phát CFP. Nếu độ dài
của phần CFP = 0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung. CAP sẽ có tối thiều
aMinCAPLength symbol trừ trường hợp phần không gian thêm vào được dùng để điều
chỉnh việc tăng độ dài của khung beacon để vẫn có thể duy trì được GTS và điều chỉnh

linh động tăng hay giảm kích thước của CFP.
3.2.1.2 Khung CFP
Phần CFP sẽ được phát ngay sau phần CAP và kết thúc trước khi phát beacon
của khung kế tiếp. Nếu bất kỳ một GTSs nào được cấp phát bởi bộ điều phối mạng
PAN, chúng sẽ được đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau. Bởi
vậy nên kích thước của phần CFP sẽ do tổng độ dài các khe GTSs này quyết định.
3.2.1.3 Khoảng cách giữa hai khung (IFS)

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 20/82

Khoảng thời gian IFS là thời gian cần thiết để tầng PHY xử lý một gói tin nhận
được. Khung tin được truyền theo chu kỳ IFS, trong đó có đồ dài của chu kỳ IFS phụ
thuộc vào kích thước của khung vừa được truyền đi. Khung có độ dài phụ thuốc vào
aMaxSIFSFrameSize sẽ tuần theo chu kỳ SIFS (là khoảng thời gian tối thiểu
aMinSIFSPeriod sysmbols), và các khung có độ dài lớn hơn aMaxSIFSFrameSize sẽ
tuân theo chu kỳ LIFS (là khoảng thời gian tối hiểu aMinLIFSPeriod sysmbols).
3.2.2 Các mô hình truyền dữ liệu
Dựa trên cấu trúc mạng WPAN thì ta có thể phân ra làm ba kiểu, ba mô hình
truyền dữ liệu:
- Từ thiết bị điều phối mạng PAN coordinator tới thiết bị thường.
- Từ thiết bị thường tới thiết bị điều phối mạng PAN coordinator.
- Giữa các thiết bị cùng loại.
Nhưng nhìn chung thì mỗi cơ chế truyền đều phụ thuộc vào việc là kiểu mạng
đó có hỗ trợ việc phát thông tin thông báo beacon hay không.

Hình 3.3: Liên lạc trong mạng không dây hỗ trợ beacon

Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu trong một mạng không dây hỗ trợ việc
phát beacon, khi đó thì nó chỉ đơn giản là truyền khung dữ liệu tới thiết bị điều phối
bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian. Thiết bị điều phối coordinator
trả lời bằng khung ACK như hình 3.3.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 21/82

Khi một thiết bị muốn truyền dữ liệu tới thiết bị điều phối trong mạng có hỗ trợ
beacon. Lúc đầu nó sẽ chờ báo hiệu beacon của mạng. Khi thiết bị nhận được báo hiệu
beacon, nó sẽ sử dụng tín hiệu này để đồng bộ các siêu khung. Đồng thời, nó cũng phát
dữ liệu sử dụng phương pháp CSMA-CA gán khe thời gian và kết thúc quá trình truyền
tin bằng khung tin xác nhận ACK.

Hình 3.4: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon
Các ứng dụng truyền dữ liệu được điều khiển hoàn toàn bởi các thiết bị trong
mạng PAN hơn là được điều khiển bởi thiết bị điều phối mạng. Chính khả năng này
cung cấp tính năng bảo toàn năng lượng trong mạng ZigBee. Khi thiết bị điều phối
muốn truyền dữ liệu đến một thiết bị khác trong loại mạng có hỗ trợ phát beacon, khi
đó nó sẽ chỉ thị trong thông tin báo hiệu beacon là đang truyền dữ liệu. Các thiết bị
trong mạng luôn luôn lắng nghe các thông tin báo hiệu beacon một cách định kỳ, khi
phát hiện ra có dữ liệu liên quan tới nó đang được truyền, nó sẽ phát lệnh yêu cầu dữ
liệu này. Công viêc này được mô tả bằng hình 3.5, trong hình này thì khung tin ACK
của thiết bị điều phối cho biết rằng gói tin đã được truyền thành công, việc truyền gói

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng

Đồ án tốt nghiệp
Trang 22/82

tin sử dụng kỹ thuật gán khe thời gian CSMA-CA, khung ACK thiêt bị thường trả lời là
nhận gói tin thành công. Vào lúc nhận khung tin ACK từ thiết bị thường thì bản tin sẽ
được xóa khỏi danh sách bản tin trong thông tin báo hiệu beacon.

Hình 3.5 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon
Trong trường hợp mạng không hỡ trợ phát beacon như hình 3.6 thiết bị điều
phối muốn truyền dữ liệu tới các thiết bị khác, nó sẽ phải lưu trữ dữ liệu để cho thiết bị
liên quan có thể yêu cầu và tiếp xúc với dự liệu đó. Thiế bị có thể tiếp xúc được với dữ
liệu liên quan đến nó bằng cách phát đi lệnh yêu cầu dữ liệu tới thiết bị điều phối, sử
dụng thuật toán không gán khe thời gian CSMA-CA. Nếu dữ liệu đang được truyền, thì
thiết bị điều phối sẽ phát khung tin bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời
gian CSMA-CA, nếu dữ liệu không được truyền thì thiết bị điều phối sẽ phát đi khung
tin không có nội dung để chỉ ra rằng dữ liệu không được phát đi.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 23/82

Hình 3.6 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon
Có hai cách để thực hiện việc kết nối. Cách thứ nhất là node trong mạng liên tục
lắng nghe và phát dữ liệu của nó bằng cách sử dụng thuật toán không gán khe thời gian
CSMA-CA. Cách thử hai là các node tự đồng bộ với các node khác để có thể tiết kiệm
năng lương.
3.2.3 Phát thông tin báo hiệu beacon

Một thiết bị FFD hoạt động trong chế độ không phát thông tin báo hiệu hoặc có
thể phát thông tin báo hiệu giống như là thiết bị điều phối mạng. Một thiết bị FFD
không phải là thiết bị điều phối mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo hiệu
beacon chỉ khi nó kết nối với thiết bị điều phối PAN. Các tham số macBeaconOrder và
macSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai thông tin báo hiệu và khoảng
thời gian của phần hoạt động và phần nghỉ. Thời gian phát báo hiệu liền trước được ghi
lại trong tham số macBeaconTxTime và được tính toán để giá trị của tham số này
giống như giá trị trong khung thông tin báo hiệu beacon.
3.2.4 Định dạng khung tin MAC
Mỗi khung bao gồm các thành phần sau:
- Đầu khung MHR (MAC header): gồm các trường thông tin về điều khiển
khung tin, số chuỗi và trường địa chỉ.

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 24/82

- Tải trọng khung (MAC payload): chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung.
Khung tin của bản tin xác nhận ACK không có phần này.
- Cuối khung MFR (MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS (frame check
sequence).
Octets: 2

1

0/2

0/2/8

0/2

Điều
khiển
khung

Số
chuỗi

ID mạng
PAN đích

Địa chỉ
đích

ID PAN
nguồn

0/2/8

Biến
thiên
Địa chỉ Tải
nguồn trọng
khung

Chuỗi kiểm
tra khung
(FCS)

Tải
trọng

Cuối khung
MFR

Trường địa chỉ
Phần đầu khung MHR

2

Bảng 3.1 Định dạng khung MAC
3.3 Kết luận
Chương 3 đã nghiên cứu cấu trúc và cơ chế của tầng điều khiển dữ liệu của mô
hình công nghệ mạng ZigBee. Đầu chương 4 ta sẽ tìm hiểu về giao thức định tuyến
PEGASIS và xây dựng “Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng” với hiệu suất cao.

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG CẢNH BÁO SỚM CHÁY RỪNG
4.1 Bài toán hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng – Phân tích giải pháp PEGASIS

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng


Đồ án tốt nghiệp
Trang 25/82

4.1.1 Đặc điểm hệ thống
Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng hoạt động trong môi trường rừng núi, không
chủ động về nguồn năng lượng nên cần phải đảm bảo hoạt động ổn định, ít xảy ra sự

cố, cung cấp thông tin về trung tâm chính xác, cảnh báo sớm khi có cháy rừng.
Hệ thông gồm các cảm biến: Nhiệt dộ, độ ẩm. Các cảm biến này liên tục gửi các
thông số dữ liệu về mạch trung tâm theo thời gian thực, khi giá trị của các cảm biến tại
các node vượt quá ngưỡng cho phép đinh trước tại mạch sẽ phát ra cảnh báo.
4.1.2 Yêu cầu của hệ thống
- Khả năng chịu lỗi: Hệ thông cảnh báo vẫn đảm bảo hoạt động khi một số node
mạng không hoạt động.
- Sự tiêu thụ năng lượng: Các node của hệ thống cảnh báo sớm được đặt trong
rừng, để đảm bảo các node hoạt động lâu dài thì các node khi hoạt động phải tiêu tốn
nguồn năng lượng thấp nhất, được trang bị nguồn năng lượng sử dụng lâu dài.
- Truyền, nhận thông tin của các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm gửi về trung tâm một
cách chính xác, cảnh báo kịp thời theo thời gian thực khi có cháy rừng xảy ra.
4.1.3 Giải pháp định tuyến của hệ thống
Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng với những yêu cầu đặc thù nên luận văn đã
chọn xây dụng mạng cảm biến theo phương thức định tuyến PEGASIS đa chuỗi, phù
hợp với xây dựng thực tế.
4.1.3.1 Giao thức LEACH[5]
LEACH là giao thức phân cấp theo cụm thích ứng năng lượng thấp. Đây là giao
thức thu lượm và phân phát dữ liệu tới các sink đặc biệt là các trạm cơ sở.
Mục tiêu chính của LEACH là:
- Mở rộng thời gian sống của mạng
- Giảm sự tiêu thụ năng lượng bởi mỗi node mạng
- Sử dụng tập trung dữ liệu để giảm bản tin truyền trong mạng

Hệ thống cảnh báo sớm cháy rừng