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

Ứng dụng công nghệ mạng cảm biến không dây cho cảnh báo
cháy rừng sớm
Tran Cong Hung, Pham Minh Tan, Huynh Trong Thua

Tóm tắt –Trang này được chứng minh bằng cách để tạo ra một 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 đó là cuộc sống của con người.
Index TermsMạng cảm biến không dây (WSNs), Cháy rừng, độ ẩm, nhiệt độ, PEGASIS cải
thiện
I. GIỚI THIỆU
Rừng đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người và tài nguyên của
con người, nó cũng tham gia vào sự phát triển của xã hội và 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. Đó là tàn
phá nhất thảm hoạ của tài nguyên rừng và cuộc sống con người.
Trong những năm gần đây, tần số cháy rừng là nhanh chóng gia tăng do sự thay đổi
khí hậu, tác động con người và các phần tử nhỏ. Sứ mệnh để ngăn ngừa và kiểm soát
đám cháy rừng đã trở thành quan tâm nhất trong bất kỳ phòng ngừa cháy rừng cơ
quan. Tính đến nay, các phương pháp phổ biến là tuần tra gỗ, nhìn từ tháp và trong
những năm gần đây là sử dụng hình ảnh vệ tinh.
Mặc dù nhìn từ tòa tháp là dễ dàng và có thể, nó có nhược điểm. Điều đầu tiên này là
đòi hỏi rất nhiều tài chính, vật liệu và công nhân kinh nghiệm. Thứ hai, rất nhiều vấn
đề đang liên quan đến các nhân viên như không có mặt tại tháp đúng giờ hoặc không
có khả năng theo dõi trong thời gian thực và các phạm vi giám sát là rất hạn chế. Hệ
thống truyền hình vệ tinh giám sát cũng có lỗ hổng, do một số yếu tố đó là hạn chế
hiệu quả của phương pháp. Ví dụ như nó chỉ quét một vài các chu kỳ và độ phân giải
là rất thấp. Vấn đề khác là đám mây có thể chặn các thức ăn của vệ tinh máy ảnh, làm

cho nó khó khăn hơn để tính toán những thay đổi [1].
Các mạng cảm biến không dây bao gồm các cảm biến nhỏ nút, 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].
Bởi vì sự phát triển nhanh chóng của cảm biến mạng lưới không dây và các thiếu sót
của giám sát truyền thống phòng chống cháy rừng, sự cần thiết cho một cách hiệu quả
tốt hơn và nhiều hơn nữa để ngăn chặn hình thức cháy rừng xảy ra.
Như đã đề cập trước đó, vì việc tiêu thụ năng lượng vấn đề tồn tại trong giao thức cơ
bản PEGASIS. Chúng tôi đề xuất một giải pháp sáng tạo để giao thức cơ bản
PEGASIS hệ thống là để có nó chia các khu vực, mỗi khu vực hình thành một chuỗi
và chọn một nút chính để truyền tải dữ liệu đến "máng xả di động". Nội dung của báo
cáo này như sau: Phần I giới thiệu, giới thiệu hiện trạng cháy rừng cảnh báo. Phần II
những công việc lien quan, giới thiệu các vấn đề hạn chế về giao thức PEGASIS cơ
bản và các kiến nghị cải thiện PEGASIS. Phần III mô phỏng và đánh giá kết quả.
Phần IV phần cứng và phần mềm thiết kế, và sau đó là phần kết luận và phát triển
trong tương lai.
II. CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
a. PEGASIS [4] cơ bản
Các giao thức PEGASIS được dựa trên gần như tối ưu tuần tự và 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. Sau hình thành chuỗi, thay vì duy trì các thông tin
về cụm và cụm thành viên, mỗi nút chỉ cần theo dõi các nút lân cận tiếp theo và trước
nó. Quá trình thông tin liên lạc 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. Các điều khiển nút bắt đầu từ thứ tự của thông
tin liên lạc quá trình giữa các nút theo thứ tự.


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.
Các giao thức PEGASIS cung cấp hiệu quả hơn năng lượng hơn các giao thức
Leach. Điều này là do các chi phí giảm năng lượng trong giao tiếp chuỗi. 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.
b. PEGASIS cải thiện
Trong thuật toán cơ bản PEGASIS, chúng tôi phát hiện ra rằng mặc dù sức mạnh đã
được chia sẻ giữa các nút, nhưng vẫn duy trì một số hạn chế:
-Các nút đó từ xa 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 của 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 thêm sức mạnh để truyền đến trạm BS.
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 dòngvới 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 máng xả tương ứng.
d. Mô hình năng lượng
Giao tiếp các bit dữ liệu k ở khoảng cách d bằng cách sử dụng mô hình không dây.

Phương trình truyền dẫn:

Hệ phương trình:

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.
d. Xây dựng các chuỗi đa:
Các thủ tục xây dựng chuỗi giống như định tuyến giao thức của PEGASIS cơ bản,
trong đề xuất này có 4 dây là 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 bằng cách so sánh khoảng cách của tất cả các nút để nó trong

lĩnh vực đầu tiên.
-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 dây
được tạo ra.
e. Chọn các nút chính trong chuỗi
Trong phần này, chuỗi đã chọn nút chính trên cơ sở tỷ trọng Q gán cho mỗi nút. Mỗi
nút tính toán của nó mật độ Q bằng cách chia năng lượng còn lại của mình cho
khoảng cách từ nó trạm đo chuẩn, rồi so sánh Q cân xứng của tất cả nút đưa vào
chuỗi. 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 lõm (dbs). Nếu (dp)> (dbs) sau
đó nút i đóng vai trò như một nút hàng đầu và gửi dữ liệu thu thập chỗ lõm thay vì gửi
nó đến nút cha.

f. dòng di động
Trong mô phỏng này, giả định rằng dòng 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. Dòng di chuyển
trong mạng trong một quỹ đạo cố định, tù vùng này sang vùng khác và chờ đợi trong
một vị trí tạm thời. Trong giai đoạn này, dòng vẫn còn và nhận dữ liệu từ
tất cả các nút của chuỗi. Các "tạm trú vị trí: hoạt động như một
dòng tạm trú như đối với dữ liệu thu thập. Đưa vào thuật toán xác định vị trí cải thiện
dự kiến là: (33m, 25m,), (33m, 75m),(66m, 25m) và (66m, 75m).
g. Thuật toán đề xuất cho dòng di động
Trong phần này, chúng tôi đưa ra một thuật toán mở rộng cho giới hạn khoảng cách
của dòng mặt để giải quyết những vấn đề nêu trên. Là bao gồm ba bước sau:

Sau đó dựa vào độ dài còn lại, dòng 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. Trong bước thứ ba của thuật toán là để tính toán tổng chiều dài của cái
còn lại trong một vòng. 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:

Trong đó Xij được đo bằng bit giữa nút chính và dòng 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 dòng 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 CÁC KẾT QUẢ
Đối với phần này chúng ta sẽ sử dụng ngôn ngữ MATLAB để mô phỏng một mạng
lưới 100m x 100m. Các kịch bản mô phỏng bao gồm 100 nút được chọn ngẫu nhiên
25 trong bốn lĩnh vực khác nhau. Dòng di chuyển ở vị trí trung tâm của từng khu vực
tạo thành một vòng khép kín. Các mô phỏng các thông số như sau:
+ Quy mô mạng lưới: 100m x 100m
+ Số nút: 100
+ Nơi cư trú: (33m, 25m), (33m, 75m), (66m, 25m),(66m, 75m)
Các nút ban đầu + Năng lượng: 0,5J
+ Kích thước gói: 2000 bít
+ Trạm Nơi BS: (0m, 0m)
+ Số của vòng lặp mô phỏng: 5000

Căn cứ vào kết quả của trang [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 CÁC PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
a. Toàn bộ hệ thống của mô hình
Xây dựng một cảm biến mạng cảnh báo sớm cháy rừng bao gồm mạch thu thập dữ
liệu thiết kế từ nhiệt độ cảm biến, dữ liệu độ ẩm truyền đến nút mạch chủ qua không
dây và sẽ được truyền qua cổng bên cạnh màn hình máy tính. Máy tính này sẽ hoạt
động như một máy chủ, có thể được giám sát từ xa thông qua một máy tính khác (như
là một khách hàng) trong internet.
Dựa trên các trang tài liệu tham khảo [6] [7], chúng tôi đề xuất các mô hình
Hệ thống cảnh báo sớm các vụ cháy rừng như sau:


Phần mềm này là chương trình để kết nối với các phần cứng thông qua mạng. Dữ liệu
thu thập được sẽ được xử lý bởi phần mềm, sau đó hệ thống sẽ đưa ra cảnh báo (đèn,
loa) khi các thông số vượt quá một cảm biến mức độ nhất định.
b. Thiết kế phần cứng
Căn cứ vào các tài liệu tham khảo của trang [8], chúng tôi đề xuất
thiết kế phần cứng như sau:
-Sơ đồ khối chi tiết mạch

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


-Kết quả thực tế
Hệ thống này bao gồm hai loại mạch:
+ Mạch có cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là phân phối trong mạng lưới rừng để tuyền dữ
liệu trở lại trung tâm.
Hệ thống mạch sử dụng được pin 9v.


+ Các mạch bo mạch chủ sẽ thu thập các dữ liệu đã gửi bởi mạch tại trạm kiểm lâm,
gắn cảnh báo cháy rừng thiết bị (đèn, loa).

c. Phần mềm
Dựa trên các trang tài liệu tham khảo [9], chúng tôi quyết định thiết kế và
phân tích phần mềm bằng VB6, sử dụng TeeChart biểu đồ, chúng tôi
thiết kế giao diện như sau:

Chương trình bao gồm các textbox để hiển thị các kết quả của nhiệt độ và độ ẩm của
thiết bị cảm biến trong thời gian thực. Tất cả các thông tin nhận được từ các cảm biến
được hiển thị trên giao diện này.
Sau khi thiết kế xong, tiến hành đo và quan sát các thông số thu được từ các cảm biến,
chúng tôi nhận được kết quả như sau:

Các tín hiệu nhận được từ cảm biến được bao gồm trong đóng mạch PIC16F886 và
dây truyền tới nhận mạch PIC 16F886 và sau đó truyền đến các máy tính, máy tính
hoạt động như một máy chủ trong mạng, chúng ta có thể theo dõi từ các khách hàng
trên mạng. các tín hiệu thu thập được sẽ được hiển thị đồng thời trên cả hai máy chủ
và khách hàng, trong hình trên là tín hiệu chúng tôi nhận được từ môi trường: nhiệt độ
31 ° C, độ ẩm 77%. Để biết kết quả của sự thay đổi môi trường, chúng tôi ảnh hưởng
trong cảm biến bằng cách sử dụng thuốc lá nhẹ hơn gần với đề nghị cảm biến nhiệt
độ, thổi vào cảm biến độ ẩm và Kết quả sẽ được hiển thị trên màn hình.


V. KẾT LUẬN
Bài viết này đã được nghiên cứu định nghĩa rộng nhất của cảm biến mạng, các giao
thức định tuyến thường được sử dụng trong các mạng cảm biến, nghiên cứu và định
tuyến đề xuất giao thức Pegasis đa luồng. Xây dựng một việc mua lại tín hiệu thành
công hệ thống từ môi trường bên ngoài thông qua các cảm biến sử dụng mạng không
dây, mạng lưới hoạt động ổn định và các thông số thu thập được trên cảm biến là
tương đối chính xác.
Trong các nghiên cứu trong tương lai tiếp tục giao thức định tuyến cho cảm biến
mạng lưới, kiểm tra chất lượng kênh và xử lý sự cố trên đường dây truyền tải, sử dụng
các cảm biến vị trí và GIS Công nghệ. Đưa ra các giải pháp cho các cảm biến tiết
kiệm năng lượng nút, giảm giá thành sản phẩm được áp dụng trong thực tế.
THAM KHẢO

[1] Andrey Somov (2011), "Wildfire an toàn với các mạng cảm biến không dây",
CREATE-NET, viaalla Cascata 56 / D, 38.123 Trento, Italy.
[2] Daniel E. Parra-Beratto, Silvia Elena Restrepo và Jorge E. Pezoa (2013),
"Mạng cảm biến không dây trong phát hiện cháy rừng", Universidad de
Concepción, Chile.
[3] Shuang-Hua Yang (2014), "Wireless Sensor Networks - Nguyên tắc,
Thiết kế và ứng dụng ", Sở Khoa học máy tính, Đại học
Loughborough, Vương quốc Anh.
[4] Prasad, Tarun Gulati (2012), "Một cải tiến PEGASIS Nghị định thư
Tăng cường sử dụng nguồn năng lượng trong mạng cảm biến không dây ", Sở
ECE & MM Đại học Ambala (Haryana) Ấn Độ.
[5] Cauligi S. Raghavendra (2007), "PEGASIS: Power-Efficient Gathering ở
Hệ thống thông tin cảm biến ", Sở Nghiên cứu Hệ thống máy tính
Các Aerospace Corporation, Los Angeles.
[6] C. Lozano và O. Rodriguez (2010), "Thiết kế của cháy rừng sớm
Hệ thống phát hiện Sử dụng cảm biến không dây Mạng ", Trường Kỹ thuật,
Universidad Sergio Arboleda, Bogotá, Colombia.
[7] Jadhav, Deshmukh (2012), "Rừng cháy Hệ thống giám sát Dựa On
ZIG-BEE Wireless Sensor Network ", Tạp chí Quốc tế mới nổi
Công nghệ và Kỹ thuật nâng cao.
[8] D.Vignesh Kirubaharan, A.John Clement Sunder, SMRamesh,
P.Dhinakar (2014), "Phát hiện Intruder và cảnh báo cháy rừng Hệ thống
Sử dụng mạng không dây với cảm biến ", nghiên cứu tiến bộ quốc tế
Tạp chí Khoa học, Kỹ thuật và Công nghệ.
[9] Mohamed Hefeeda và Majid Bagheri (2008), "cháy rừng Modeling và
Phát hiện sớm sử dụng cảm biến không dây Mạng ", Trường Computing
Khoa học, Đại học Simon Fraser, Canada.
TRẦN CÔNG HÙNG được sinh ra tại Việt Nam vào năm 1961

Ông đã nhận được BE trong điện tử và viễn thông kỹ thuật với danh dự hạng nhất từ
HOCHIMINH
Đại học công nghệ ở Việt Nam, năm 1987. Ông đã nhận được BE trong tin học và
máy tính kỹ thuật từ Đại học HOCHIMINH công nghệ ở Việt Nam, năm 1995.
Ông đã nhận được thạc sĩ kỹ thuật trong viễn thong Tất nhiên kỹ thuật từ các bộ phận
sau đại học Đại học Hà Nội công nghệ ở Việt Nam, năm 1998.
Ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Hà Nội của công nghệ tại Việt Nam, năm 2004.
Lĩnh vực nghiên cứu chính của ông là B - ISDN thông số hiệu suất và phương pháp
đo, QoS trong các mạng tốc độ cao, MPLS.
Ông là, hiện nay, Phó giáo sư tiến sĩ. Khoa Thông tin Công nghệ II, bài viết và
Telecoms Institute of Technology HOCHIMINH,
Việt Nam.