›
›

Luận văn Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt lở đất

pdf 62 trang phuongnguyen 2280
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt lở đất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_va_thiet_ke_mang_cam_bien_khong_day_phuc.pdf

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt lở đất

  1. 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ CẢNH BÁO TRƢỢT LỞ ĐẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HÀ NỘI – 2014
  2. 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ CẢNH BÁO TRƢỢT LỞ ĐẤT NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN ĐỨC TÂN HÀ NỘI – 2014
  3. 1 LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình làm luận văn thạc sỹ, tôi đã đọc và tham khảo rất nhiều loại tài liệu khác nhau từ sách giáo trình, sách chuyên khảo cho đến các bài báo đã được đăng tải trong và ngoài nước. Tôi xin cam đoan những gì tôi viết dưới đây là hoàn toàn chính thống, chân thực, những kết quả đo đạc thực nghiệm đã đạt được trong luận văn không sao chép từ bất cứ tài liệu nào dưới mọi hình thức. Những kết quả đó là những gì tôi đã nghiên cứu, tích lũy trong suốt thời gian làm luận văn. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có dấu hiệu sao chép kết quả từ các tài liệu khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 TÁC GIẢ PHẠM ANH TUẤN
  4. 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thiện luận văn em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình và chu đáo của các Thầy, Cô giáo trong Khoa Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Trường Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội. Đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Nghiên cứu và thiết kế Mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trƣợt lở đất” đã được triển khai thực hiện và hoàn thành với một số kết quả thu được có khả năng ứng dụng trong thời gian tới trong điều kiện thực tiễn hiện nay. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trần Đức Tân, người đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn với tất cả lòng nhiệt tình, chu đáo, ân cần cùng với thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc và thẳng thắn của một nhà khoa học uy tín, mẫu mực. Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Chử Đức Trình – Trưởng bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, Khoa Điện tử viễn thông, Đại Học Công Nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em. Em xin cảm ơn đề tài QG 14.05 đã hỗ trợ em trong quá trình hoàn thiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các anh chị và các bạn đã có những góp ý kịp thời và bổ ích, giúp đỡ em trong suốt quá trình em nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Mặc dù em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và nỗ lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy cô và các bạn. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên PHẠM ANH TUẤN
  5. 3 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 6 LỜI MỞ ĐẦU 8 Chương 1 THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI 9 VÀ Ở VIỆT NAM 9 1.1. Đặt vấn đề 9 1.2. Thực trạng cảnh báo trượt đất trên Thế giới và ở Việt Nam 10 1.2.1. Khái niệm trượt lở đất và phân loại trượt lở 10 1.2.2. Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hưởng đến trượt đất 11 1.2.3. Thực trạng cảnh báo trượt đất trên Thế giới và ở Việt Nam 13 1.3. Kết luận chương 14 Chương 2 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT 16 2.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây 16 2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 17 2.2.1. Cấu trúc một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây 17 2.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 19 2.2.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây 21 2.2.4. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây 23 2.3. Giao thức mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 25 2.3.1. Giới thiệu về giao thức mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 25 2.3.2. Cấu trúc mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 26 2.3.3. Kiến trúc giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4 28 2.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh báo trượt đất 30 2.5. Kết luận chương 31 Chương 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ CẢNH BÁO TRƯỢT ĐẤT 33 3.1. Mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt đất 33 3.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống 34 3.3. Mạng cảm biến không dây được đề xuất cho hệ thống cảnh báo trượt đất 41 3.4. Cấu trúc phần mềm của hệ thống 42 3.4.1. Môi trường phát triển tích hợp cho bo mạch chủ Waspmote 44 3.4.2. Phần mềm cấu hình môđun truyền dữ liệu không dây XBee 45
  6. 4 3.4.3. Phần mềm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ nút cảm biến 45 3.5 Kết luận chương 46 Chương 4 MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI 48 4.1. Kết quả 48 4.1.1. Khung dữ liệu 50 4.1.2. Dữ liệu cảm biến gia tốc 51 4.1.3. Dữ liệu cảm biến nhiệt độ 51 4.1.4. Dữ liệu cảm biến đo độ ẩm đất 52 4.2. Tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu 53 4.3. Ước lượng tổng mức năng lượng tiêu thụ của phần cứng nút cảm biến 55 KẾT LUẬN 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
  7. 5 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng anh Tiếng việt ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số FFD Full-Function Device Thiết bị có chức năng đầy đủ GIS Geographic Information Systems Hệ thống thông tin địa lý GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GTS Guaranteed Time Slot Khe thời gian đảm bảo Low Energy Adaptive Clustering Định tuyến tương thích năng lượng LEACH Hierachy thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường Micro-Electro-Mechanical MEMS Hệ thống vi cơ điện tử Systems MAC Sublayer Management MLME Thực thể quản lý tầng MAC Entity PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PHY Physical Layer Tầng vật lý PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý PPDU PHY Protocol Data Unit Khối dữ liệu giao thức tầng vật lý RFD Reduced-Function Device Thiết bị có chức năng được rút gọn SMP Sensor Management Protocol Giao thức quản lí mạng cảm biến Sensor Query and Data Giao thức phân phối dữ liệu và truy SQDDP Dissemination vấn cảm biến Task Assignment and Data Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ TADAP Advertisement Protocol định nhiệm vụ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải UDP User Datagram Protocol Giao thức gói người dùng WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây WSN Wireless sensor networks Mạng cảm biến không dây
  8. 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 2. 1: Sơ đồ cấu trúc của một nút cảm biến. 17 Hình 2. 2: Họ nút mạng cảm biến Mica Mote. 18 Hình 2. 3: Nút mạng cảm biến EYES 19 Hình 2. 4: Nút mạng cảm biến Waspmote. 19 Hình 2. 5: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây. 20 Hình 2. 6: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến 22 Hình 2. 7: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN. 24 Hình 2. 8: Băng tần hệ thống của giao thức ZigBee 26 Hình 2. 9: Các cấu trúc liên kết trong mạng ZigBee 28 Hình 2. 10: Mô hình giao thức của ZigBee 29 Hình 2. 11: Một nút mạng cảm biến không dây 31 Hình 3. 1: Mô tả hệ thống cảnh báo thời gian thực 33 Hình 3. 2: Sơ đồ khối của một nút cảm biến 34 Hình 3. 3: Mặt trên bo mạch chủ Waspmote 35 Hình 3. 4: Mặt dưới bo mạch chủ Waspmote 35 Hình 3. 5: Sơ đồ khối của Chip Atmega328 36 Hình 3. 6: Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến 37 Hình 3. 7: Pin Ion Lithium dung lượng 6600mAh 37 Hình 3. 8: Sơ đồ khối và bo mạch cảm biến ADXL335 38 Hình 3. 9: Cảm biến nhiệt độ LM35 và sơ đồ mạch đo 39 Hình 3. 10: Cảm biến đo độ ẩm đất Watermark 40 Hình 3. 11: Đồ thị hàm tần số lối ra phụ thuộc trở kháng cảm biến Watermark 40 Hình 3. 12: Môđun truyền dữ liệu không dây XBee PRO 41 Hình 3. 13: Cấu trúc của hệ thống WSN được đề xuất 41 Hình 3. 14: Giao diện phần mềm thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu 42 Hình 3. 15: Giao diện trình biên dịch IDE cho bo mạch chủ Waspmote 44 Hình 3. 16: Giao diện phần mềm X-CTU 45 Hình 3. 17: Giao diện phần mềm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu 46 Hình 4. 1: Bên trong của một nút cảm biến 48 Hình 4. 2: Bên ngoài của một nút cảm biến 48 Hình 4. 3: Mạng cảm biến không dây được thiết kế hoàn thiện 49 Hình 4. 4: Phần mềm của mạng cảm biến không dây 49 Hình 4. 5: Máy tính có cài phần mềm thu thập dữ liệu của mạng cảm biến 50 Hình 4. 6: Dữ liệu thu được từ cảm biến gia tốc theo trục X và trục Y 51 Hình 4. 7: Dữ liệu thu được từ cảm biến nhiệt độ LM35 52 Hình 4. 8: Dữ liệu thu được từ cảm biến đo độ ẩm đất 52
  9. 7 Hình 4. 9: Dữ liệu thu được từ cảm biến đo độ ẩm đất trường hợp 2 53 Hình 4. 10: Máy đo độ ẩm và độ pH của đất Takemura DM-15 tiêu chuẩn 53 Hình 4. 11: Sơ đồ bố trí 3 nút cảm biến với khoảng cách khác nhau tới gateway 54 Hình 4. 12: Sơ đồ bố trí 3 nút cảm biến cách xa 48m tới gateway 55 Bảng 4. 1: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt 1 nút cảm biến cách xa 5m so với gateway 54 Bảng 4. 2: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt các nút cảm biến cách xa gateway tương ứng với khoảng cách 2,5m, 3m và 4,5m. 54 Bảng 4. 3: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt nút cảm biến cách xa 48m so với gateway 55
  10. 8 LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ở nhiều nước trên thế giới cũng như ở Việt nam với sự xuất hiện thường xuyên của thảm họa trượt lở đất đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho cuộc sống và tài sản của người dân. Việc cảnh báo trượt lở kịp thời có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thiểu những thiệt hại. Ở Việt Nam, những vụ trượt lở đất gần đây tại một số tỉnh như Hòa Bình, Yên Bái, Lào Cai, Hà Giang, đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản. Chính vì vậy các nước trên thế giới, trong đó có Việt nam đã và đang tiến hành những dự án, đề tài về cảnh báo trượt lở đất. Để xác định tình trạng và đưa ra những cảnh báo trượt lở đất chính xác, chúng ta cần phải xây dựng được một hệ thống đo các rung chấn của các phần tử bên dưới bề mặt cần xác định trượt lở. Trên cơ sở hoạt động của một số cảm biến như cảm biến gia tốc, cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, nội dung nghiên cứu thực hiện trong luận văn này trình bày về mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ hệ thống cảnh bảo trượt lở đất sử dụng những cảm biến trên. Để thiết kế và xây dựng mạng cảm biến, cần phải nghiên cứu và tìm hiểu những đặc điểm của mạng cảm biến, giải quyết bài toán tối ưu hóa năng lượng, ví dụ như điều khiển truy nhập mạng không dây, giao thức định tuyến, điều khiển trao đổi số liệu tin cậy giữa các thiết bị cảm biến. Mục tiêu chính của luận văn này là cung cấp cách nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây, các kĩ thuật định tuyến, giao thức truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. Giao thức truyền dữ liệu không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 và mục tiêu quan trọng nhất là thiết kế mạng cảm biến không dây có khả năng ứng dụng trong hệ thống cảnh báo trượt đất. Nội dung của đồ án được tóm tắt như sau: Chương 1: Tìm hiểu thực trạng cảnh báo trượt đất trên thế giới và Việt Nam. Chương 2: Cấu trúc mạng cảm biến không dây và ứng dụng trong cảnh báo trượt đất. Chương 3: Thiết kế mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt đất. Chương 4: Một số kết quả đạt được của đề tài. Tuy nhiên do thời gian có hạn nên bản luận văn này chưa thể đề cập được đầy đủ mọi vấn đề liên quan, và chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp để em có thêm những kiến thức quý báu cho những công việc trong tương lai. Em xin chân thành cảm ơn!
  11. 9 Chƣơng 1 THỰC TRẠNG CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Đặt vấn đề Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam thuộc khu vực miền núi, có địa hình sườn dốc cao, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội chưa được qui hoạch hợp lý, nên các hiện tượng trượt lở đất, lũ bùn đá và lũ quét thường xảy ra. Những năm gần đây, các loại hình thiên tai này xảy ra với tần suất và cường độ ngày càng tăng, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tải sản. Theo thống kê, chỉ trong thời gian từ năm 2000 đến nay đã có hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ xảy ra ở nhiều quốc gia trên thế giới gây thiệt hại nghiêm trọng. Điển hình như vụ trượt lở đất vào ngày 9 tháng 11 năm 2001 ở đồi Amboori, bang Kerala nằm ở miền Nam của Ấn độ gây hậu quả 40 người bị chết. Hay vụ lở đất bất thường có quy mô lớn với khối lượng đất đá khoảng 200 triệu m3, chiều rộng khoảng 1.600m, và chiều cao khoảng 750 m đã xảy ra vào ngày 26 tháng 3 năm 2004, vào lúc 13:45 giờ địa phương, trên bức tường dốc của miệng núi lửa trên sườn phía tây bắc núi Bawakaraeng (có độ cao 2830m) ở đầu nguồn sông Jeneberang, phía Nam Sulawesi, Indonesia. Các mảnh vỡ lở kéo dài khoảng 7 km từ đầu nguồn và chôn vùi các thung lũng, sông ngòi và nhà cửa, hậu quả là 32 người đã bị chết. Vào ngày 10 tháng 1 năm 2005, một vụ lở đất xảy ra ở La Conchita, bang California, Mỹ đã phá hủy hoàn toàn 36 ngôi nhà và giết chết 10 người. Ngày 17 tháng 2 năm 2006, một vụ trượt lở nghiêm trọng khác đã xảy ra ở đảo Leyte, Philippin, vụ trượt lở bắt nguồn từ một dốc đứng cao 450m, một khối rừng lớn trượt lở và quét xuống phía dưới khu thung lũng sông Himbungao, nơi tập trung dân cư đông đúc. Vụ trượt lở gây thảm họa vô cùng nghiêm trọng, chôn vùi toàn bộ ngôi làng Guinsaugon, hậu quả hơn 1100 người đã bị chết. Tháng 6 năm 2007, ở thành phố Chittagong, Bangladesh, một vụ sạt lở đất đá tương tự đã xảy ra, nguyên nhân do việc cắt xén bừa bãi các ngọn đồi làm gia tăng nguy cơ trượt lở, dẫn đến sự biến mất của hàng trăm ngọn đồi, gây ô nhiễm môi trường và đã giết chết ít nhất 120 người dân sống ở khu vực lân cận. Năm 2010, một số nước như Pakistan, Bồ Đào Nha, Uganda, Trung Quốc và Canada cũng xảy ra các vụ trượt lở đất gây thiệt hại về cả người và tài sản. Chỉ tính riêng trong năm 2014, thế giới đã có 5 vụ trượt lở đất nghiêm trọng, đầu tiên là vụ trượt lở đất ngày 22 tháng 3 xảy ra ở Oso, Washington, nước Mỹ gây ra cái chết cho 43 người dân thường. Ngày 2 tháng 5, một vụ trượt lở đất khác xảy ra ở Badakhshan, một tỉnh miền Đông Bắc Afghanistan, hậu quả là chôn vùi toàn bộ ngôi làng, khoảng 500 người đã thiệt mạng và 4000 người phải di chuyển đi nơi khác sinh sống. Sau đó, vào ngày 30 tháng 7, một vụ trượt lở đất đá khác đã xảy ra ở quận Pune, bang Maharashtra, Ấn độ gây hậu quả cuốn trôi hơn 50 ngôi nhà, 136 người đã thiệt mạng và hơn 100 người bị mất tích. Ngày 2 tháng 8, một vụ trượt lở đất tồi tệ ở Nepal đã gây hậu quả làm chết hơn 156 người. Ngày 20 tháng 8, tại tỉnh Hiroshima, Nhật Bản, một
  12. 10 vụ trượt lở đất cũng đã tấn công một khu dân cư, làm cho các ngôi nhà bị chôn vùi dưới lớp bùn đất và đá. Ít nhất đã có 32 người bị thiệt mạng và nhiều người khác bị mất tích. Trượt lở đất là một nguy cơ liên tục ở vùng miền núi, phía đông Nhật Bản, nơi có nhiều ngôi nhà được xây dựng trên hoặc gần các sườn dốc, và có lượng mưa lớn hàng năm. Gần đây nhất là vụ trượt lở đất ngày 27 tháng 8 tại làng Yingping ở tỉnh Quý Châu, Trung Quốc. Hậu quả là 77 ngôi nhà đã sập hoặc bị chôn vùi hoàn toàn, có 6 người đã thiệt mạng và hơn 20 người vẫn còn mất tích [20, 21, 22]. Ở Việt Nam, trượt lở đất cũng xảy ra thường xuyên ở một số tỉnh như Sơn La, Lai Châu, Điện Biên, Yên Bái, Lào Cai, Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Bình Thuận, An Giang, Hậu Giang [4] Theo số liệu thống kê, từ năm 2000 đến 2014, nước ta đã xảy ra 250 đợt lũ quét, sạt lở ảnh hưởng tới các vùng dân cư, làm chết và mất tích 646 người, bị thương gần 351 người; hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi; hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; hơn 75.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hàng trăm ha đất canh tác bị vùi lấp; nhiều công trình giao thông, thuỷ lợi, dân sinh kinh tế bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3.300 tỷ đồng. Đặc biêt, từ đầu năm 2014 đến nay, do ảnh hưởng của hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các tỉnh miền núi như Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng và Sơn La làm 24 người chết và mất tích, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì thiệt mạng tới 5 người trong cùng một nhà. Trên thế giới , viêc̣ nghiên cứ u tai b iến địa chất đươc̣ đầu tư rất sớm , nhiều phương pháp khoa hoc̣ tiên ti ến đã được áp dụng vào công tác dư ̣ báo nguy cơ th ảm họa trượt lở đất. Ở Việt Nam, vấn đề này mới chỉ đươc̣ chú tr ọng khoảng 15 năm gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thư ờng xuyên hơn. Các nghiên cứu về trượt lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự báo định tính, còn rất thiếu các công trình điều tra đủ chi tiết để hỗ trợ hiệu quả hơn công tác quy hoạch, cảnh báo nguy cơ và chỉ đạo điều hành phòng chống thiên tai, giảm nhẹ thiệt hại trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất là rất cấp thiết trong tình hình hiện nay. Nội dung được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ hệ thống cảnh báo trượt lở đất. Đóng góp cách nhìn tổng quan về Cấu trúc Mạng cảm biến không dây và Mô hình Mạng cảm biến không dây phục vụ hệ thống cảnh báo trượt lở đất. 1.2. Thực trạng cảnh báo trƣợt đất trên Thế giới và ở Việt Nam 1.2.1. Khái niệm trƣợt lở đất và phân loại trƣợt lở Trượt lở là hiện tượng chuyển dịch của khối đất đá trên sườn dốc từ trên xuống dưới theo một hoặc vài mặt nào đó hoặc rơi tự do. Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn bờ, mái dốc nhân tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như áp lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn
  13. 11 và một số lực khác. Thể trượt là khối đất đá bị dịch chuyển tách khỏi nền gốc. Gương trượt là bề mặt chia tách phần nền gốc, đới sinh trượt với thể trượt, thường tạo thành các mặt lõm trên sườn địa hình diễn ra trượt lở. Trên các sườn dốc, hiện tượng trượt lở thường kéo theo hiện tượng trượt đổ, tức là khối đất đá rơi tự do, dưới tác dụng của trọng lực ngay sau khi tách khỏi nền đá gốc [3, 5, 7, 9, 10]. Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau. Phân loại theo dạng chuyển động, ta có thể chia làm 5 nhóm chính như sau: sụt lở, lật, trượt, trượt ép trồi, trượt dòng và trượt phức tạp. + Sụt lở: khi các khối đá vụn hay đất tách rời ra khỏi mặt dốc đứng và chuyển động nhanh xuôi xuống dốc theo cách rơi hay lăn tròn tự do, các chuyển động đó được gọi là sụt lở hay rơi. Hiện tượng này có phạm vi từ các khối đá trên đỉnh núi di chuyển do động đất đến các khối đất nhỏ sụt lở ở bờ sông khiến phần đất treo bên trên bị sập xuống. + Lật: là chuyển động xoay xảy ra khi một khối vật liệu xoay quanh một trụ trước cố định ở gần đáy khối. Hiện tượng lật hay xảy ra ở các dốc đá hay đất dính bị chia thành các khối bởi các khe nứt hay thớ, phiến thẳng đứng định hướng song song với mặt dốc. + Trƣợt: là sự biến dạng phá vỡ và dịch chuyển của đất đá theo một hoặc một vài mặt trượt có thể quan sát hoặc giả định được. Sự dịch chuyển của đất đá có thể vượt ra ngoài phạm vi chân khối trượt. Trượt đất đá là loại hình tai biến phổ biến nhất ở các vùng đồi núi dốc, các tuyến đường giao thông miền núi, các bờ mỏ khai thác đá. + Trƣợt ép trồi: là các chuyển động mở rộng ngang từ chậm đến nhanh của các khối đá hay đất được gọi là tản ngang. Sự hóa lỏng và chảy của lớp đất yếu ở mái dốc là nguyên nhân của hầu hết các chuyển động tản ngang trong đất mảnh vụn và các loại đất khác trong phân loại chuyển động mái dốc. + Trƣợt dòng: đặc trưng cho sự chuyển dịch của vật liệu trượt tạo thành dòng đất đá với tốc độ trượt khác nhau từ rất nhanh đến rất chậm. Sản phẩm trượt có thể là hỗn hợp đất đá với nước tạo thành lũ bùn đá hoặc là vật liệu khô. + Trƣợt phức tạp: là sự kết hợp theo thời gian và không gian của hai hay nhiều kiểu trượt ở trên. 1.2.2. Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hƣởng đến trƣợt đất Nguyên nhân gây trượt có thể do độ bền của nền đất đá bị giảm đi, hoặc là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy. Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực.
  14. 12 Các yếu tố có ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng, chúng có thể tương tác qua lại theo cách rất phức tạp, bao gồm cả yếu tố tự nhiên và yếu tố con người. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: địa chất, hóa học đất và khoáng vật học, địa mạo, độ bền của đất, thủy văn và địa chấn. Các yếu tố thời gian và yếu tố nhân sinh (như chặt, phá rừng, xẻ núi làm đường, xây dựng nhà cửa, ) cũng góp phần ảnh hưởng tới tai biến trượt lở [3, 5, 6]. + Yếu tố địa chất: Độ ổn định của sườn dốc có mối liên quan đến các kiểu thạch học khác nhau, mối quan hệ này mạnh hay yếu phụ thuộc rất lớn vào mỗi kiểu thạch học đó. Quá trình phong hóa thường làm biến đổi các thuộc tính cơ lý, khoáng vật và thủy văn của thạch học. Một yếu tố địa chất quan trọng khác là trật tự phân lớp không ổn định. Hiện tượng trượt lở xảy ra khi sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp được kích hoạt khi mà áp suất lỗ rỗng tăng lên tại điểm tiếp giáp giữa hai lớp thạch học khác nhau. Chính vì vậy mà mỗi khi có những cơn mưa lớn kéo dài, thì áp suất lỗ rỗng càng tăng lên, gây ra sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp. + Yếu tố hóa học, khoáng học đất: các yếu tố này có liên quan rất chặt chẽ đến các tính chất tự nhiên và trạng thái cân bằng của đất. Yếu tố cường độ cắt là một trong những đặc tính cơ học quan trọng có ảnh hưởng đến độ ổn định tự nhiên của các sườn dốc. + Yếu tố địa mạo: bao gồm yếu tố độ dốc sườn, hình dạng sườn, hướng dốc và độ cao. Độ dốc sườn có sự liên quan chặt chẽ tới sự khởi đầu của các sự cố trượt. Trong các nghiên cứu về trượt lở, yếu tố độ dốc sườn được xem như là một yếu tố gây trượt chính. Theo thống kê, trượt lở ít khi xảy ra trên sườn dốc nhỏ hơn 150, trên các sườn có độ dốc 150 - 200 trượt lở thỉnh thoảng mới xảy ra, còn các dải đồi núi có góc dốc hơn 250 thường phát sinh nhiều trượt lở, đồi núi có góc dốc càng lớn thì khả năng xuất hiện trượt lở càng cao. Yếu tố hình dạng sườn có ảnh hưởng lớn tới độ ổn định sườn trong những vùng địa hình dốc. Yếu tố hướng dốc và độ cao có ảnh hưởng tới các quá trình thủy văn thông qua sự bốc hơi nước, ảnh hưởng đến các quá trình phong hóa và làm tăng sự mất ổn định của sườn dốc. + Yếu tố thủy văn: là yếu tố đóng vai trò quan trọng đối với sự khởi đầu các sự cố trượt. Vị trí địa lý của nước ta nằm trong đới khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, chính điều này làm tăng tốc độ phong hóa của đất đá ở bề mặt bờ dốc, làm giảm độ bền của đất đá. Yếu tố thủy văn đáng chú ý nhất đó là lượng mưa, với lượng mưa lớn kéo dài làm tăng lượng nước trong đất, dẫn đến làm giảm độ bền khối đất đá bờ dốc và làm thay đổi trạng thái ứng suất theo chiều hướng không tốt cho độ ổn định của bờ dốc. Vì vậy, việc xây dựng bản đồ phân bố lượng mưa cũng hết sức quan trọng trong việc đưa ra cảnh báo tai biến trượt lở. Bản đồ này góp phần đánh giá, phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở có thể xảy ra trong tương lai. Các yếu tố thủy văn khác có ảnh hưởng tới
  15. 13 tai biến trượt lở đó là đặc tính thủy văn của đất và đá gốc bị phong hóa, khả năng thấm nước, dòng chảy dưới lớp mặt, áp suất nước lỗ rỗng và thảm thực vật. + Yếu tố địa chấn: là một trong những yếu tố chính gây kích hoạt các tai biến trượt lở. Đa phần các sự cố trượt lở trong quá khứ thường được kích hoạt bởi yếu tố địa chấn. Ngày nay các sự cố trượt đất xảy ra ngày càng nhiều và nghiêm trọng. + Yếu tố thời gian: sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới trượt lở sườn dốc thể hiện ở quá trình lưu biến và quá trình phong hóa. Thời gian tồn tại càng lâu thì quá trình phong hóa càng có điều kiện phát triển. Bên cạnh đó, khi sườn dốc càng cao ứng suất trong khối đá càng lớn. Nếu ứng suất vượt quá độ bền lâu dài của đá, khối đá gần sườn dốc có thể bị trượt lở sau nhiều năm tồn tại. + Yếu tố nhân sinh: Con người là tác nhân quan trọng, làm thay đổi các điều kiện tự nhiên, làm cho tai biến trượt lở được kích hoạt và mạnh lên ở một số khu vực. Các hoạt động xẻ núi làm đường, lấy đá để xây dựng làm tăng độ dốc của sườn, đồng thời tăng khả năng làm mất ổn định sườn dốc. Việc chặt cây, phá rừng làm tăng khả năng xói mòn đất, làm giảm khả năng giữ đất của rễ cây, dẫn đến làm giảm đi khả năng thoát hơi nước của đất [9, 10]. 1.2.3. Thực trạng cảnh báo trƣợt đất trên Thế giới và ở Việt Nam Mỗi năm trên thế giới xảy ra hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ làm thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản. Đặc biệt ở các nước thuộc Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Pakistan, Nepal, Bangladesh, một số nước ở khu vực Châu Âu như Pháp, Ý, Tây Ban Nha, hay ở khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Indonesia, Philippin thường xuyên xảy ra các vụ trượt lở đất đá. Chính vì những thiệt hại lớn về người và tài sản như vậy, nên ngay từ những năm 80 của thế kỷ 20, nhiều nước trên thế giới đã rất chú ý đến nghiên cứu tìm ra các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo các tai biến trượt lở đất để giảm thiểu thiệt hại do lở đất gây ra. Do vậy, việc nghiên cứu và xây dựng các giải pháp hạn chế tác hại của trượt lở đất đang là vấn đề cấp thiết đối với nhiều quốc gia. Một trong các biện pháp trong phòng chống trượt lở đất đang được áp dụng cho các khu vực thường xuyên xảy ra tai biến trượt lở là giám sát, cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất. Để cảnh báo trượt lở, có thể chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn và tức thời [1, 2, 8]. Việc cảnh báo dài hạn là giải pháp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems), hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) và các mô hình toán học để xây dựng bản đồ khu vực có nguy cơ trượt lở đất, quan sát trượt lở theo đơn vị thời gian là hàng năm [11]. Việc cảnh báo tức thời là phương pháp sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, cảm biến đo mưa, đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ là hết sức cần thiết.
  16. 14 1.3. Kết luận chƣơng Trượt lở đất là một trong những loại hình thiên tai phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam. Ba phần tư lãnh thổ Việt Nam thuộc khu vực miền núi, có địa hình sườn dốc cao, hoạt động phát triển kinh tế - xã hội chưa được qui hoạch hợp lý, nên các hiện tượng trượt lở đất, lũ bùn đá và lũ quét thường xảy ra. Những năm gần đây, các loại hình thiên tai này xảy ra với tần suất và cường độ ngày càng tăng, gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tải sản. Trên thế giới, viêc̣ nghiên cứ u tai biến địa chất đươc̣ đầu tư rất sớm, còn ở nước ta vấn đề này mới chỉ đươc̣ chú tr ọng khoảng 15 năm gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thường xuyên hơn. Các nghiên cứu về trượt lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự báo định tính. Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất là rất cấp thiết trong tình hình hiện nay. Trượt lở là hiện tượng chuyển dịch của khối đất đá trên sườn dốc từ trên xuống dưới theo một hoặc vài mặt nào đó hoặc rơi tự do. Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn bờ, mái dốc nhân tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như áp lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn và một số lực khác. Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau. Phân loại theo dạng chuyển động, ta có thể chia làm 5 nhóm chính là sụt lở, lật, trượt, trượt ép trồi, trượt dòng và trượt phức tạp. Nguyên nhân gây trượt có thể do độ bền của nền đất đá bị giảm đi, hoặc là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy. Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực. Các yếu tố có ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng, chúng có thể tương tác qua lại theo cách rất phức tạp, bao gồm cả yếu tố tự nhiên và yếu tố con người. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: địa chất, hóa học đất và khoáng vật học, địa mạo, độ bền của đất, thủy văn và địa chấn. Các yếu tố thời gian và yếu tố nhân sinh (như chặt, phá rừng, xẻ núi làm đường, xây dựng nhà cửa, ) cũng góp phần ảnh hưởng tới tai biến trượt lở. Do vậy, việc nghiên cứu và xây dựng các giải pháp hạn chế tác hại của trượt lở đất đang là vấn đề cấp thiết đối với nhiều quốc gia. Một trong các biện pháp trong phòng chống trượt lở đất đang được áp dụng cho các khu vực thường xuyên xảy ra tai biến trượt lở là giám sát, cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất. Yêu cầu đặt ra là cần xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây có khả năng ứng dụng trong hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất. Mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng
  17. 15 cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc và cảm biến nhiệt độ rất cần thiết trong quá trình nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra.
  18. 16 Chƣơng 2 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT 2.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks - WSNs) là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm biến, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, thường được bố trí với số lượng lớn. Các nút mạng được phân bố không có hệ thống trên một phạm vi rộng lớn, chúng thường sử dụng pin, nguồn năng lượng này có hạn chế về mặt thời gian hoạt động. Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, cảnh báo trước các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên. Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng cục bộ không dây (Wireless local area network - WLAN), và mạng Bluetooth. Các gói dữ liệu trong các mạng vô tuyến này được chuyển từ mạng này qua mạng khác thông qua mạng internet không dây. Mạng cellular đích đến là những người sử dụng đang di chuyển, mạng cellular có tính di động cao. Mạng WLAN có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao tối đa lên đến 600Mb/s, mạng Bluetooth ứng dụng truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tốc độ truyền của mạng Bluetooth là 1Mb/s. Mạng cảm biến không dây có một số điểm khác biệt với các mạng kể trên, đó là:  Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong các mạng truyền thống.  Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày đặc, những nút cảm biến lân cận phân bố rất gần nhau. Chính vì vậy, truyền thông đa bước nhảy trong mạng cam biến cần phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy trong mạng truyền thống.  Những nút cảm biến dễ hư hỏng và ngừng hoạt động.  Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm – điểm.  Những nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ.
  19. 17  Yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với các nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp, nguồn cung cấp năng lượng điện này là có hạn và thường là không thể thay thế. Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học. Tốc độ đường truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m. Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến. Ưu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tương thích cao [17]. 2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 2.2.1. Cấu trúc một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cảm biến có khả năng cấu thành mạng cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định như: Các nút cảm biến phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 2.1, khối cảm biến (sensing unit), khối xử lý (a processing unit), khối thu phát (a transceiver unit) và khối nguồn (a power unit). Ngoài ra, mỗi nút cảm biến có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Hệ thống định vị vị trí Bộ phận di động Khối cảm biến Khối xử lý Bộ xử lý Bộ thu phát Cảm biến ADC Ăngten Bộ nhớ vô tuyến Khối nguồn Bộ phát điện Hình 2. 1: Sơ đồ cấu trúc của một nút cảm biến. Khối cảm biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC – Analog to Digital Converter). Sau khi cảm biến thu nhận dữ liệu từ môi trường, tín
  20. 18 hiệu thu được dưới dạng tín hiệu tương tự, qua bộ chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu số, sau đó tín hiệu được đưa sang khối xử lý. Khối xử lý thường được kết hợp với một bộ nhớ lưu trữ, khối xử lý quyết định các thủ tục cho các nút cảm biến kết hợp với nhau thực hiện các nhiệm vụ được xác định trước. Khối thu phát vô tuyến kết nối các nút cảm biến vào mạng, chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc từ các nút lân cận tới các nút khác, các điểm thu phát gọi là các Sink. Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ các hoạt động trong một nút cảm biến. Khối nguồn quyết định thời gian sống lâu hay ngắn của mỗi nút cảm biến, thường thì khối nguồn là các cục pin hoặc ắc quy. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy, mỗi nút cảm biến có thể cần có các hệ thống định vị. Các bộ phận di động, có thể dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã được đặt ra trước như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài yếu tố kích cỡ ra các nút cảm biến còn phải đáp ứng một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và tự cấu hình lại mạng, khả năng thích ứng với môi trường [18]. Dưới đây là một số loại nút cảm biến đã được phát triển từ giai đoạn đầu tiên đến nay: Họ nút mạng Mica Mote nằm trong dự án nghiên cứu của trường đại học California từ cuối những năm 90 sử dụng chip vi xử lý của hãng Atmel, hệ điều hành TinyOS. Hình 2. 2: Họ nút mạng cảm biến Mica Mote. Họ nút mạng EYES được phát triển bởi một tổ chức của Châu Âu trong dự án sử dụng năng lượng hiệu quả của mạng cảm biến (Energy efficient sensor network - EYES). Nút mạng sử dụng vi điều khiển MSP 430 của hãng Texas, có khả năng kết nối thêm các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ
  21. 19 Hình 2. 2: Nút mạng cảm biến EYES. Họ nút mạng cảm biến Waspmote của hãng Libelium, nút mạng sử dụng Chip ATmega128 của hãng Atmel, nút cảm biến cũng có khả năng tích hợp nhiều cảm biến một lúc. Ưu điểm của nút cảm biến này là khả năng tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ, tốc độ truyền dữ liệu thấp và thiết kế nhỏ gọn, có thể cấu hình từ xa. Hình 2. 3: Nút mạng cảm biến Waspmote. 2.2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kĩ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản. Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể. Do vậy các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop. Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kĩ thuật quan trọng trong mạng cảm biến không dây.
  22. 20 Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông số một cách tự động. Mỗi nút cảm biến có thể xác định vị trí địa lý của nó thông qua các nút khác (chức năng tự định vị). Xử lý trong mạng và tập trung dữ liệu: Trong một số ứng dụng một nút cảm biến không thu thập đủ dữ liệu mà cần phải có nhiều nút cùng cộng tác hoạt động thì mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến điểm thu phát, hay còn gọi là sink, sẽ rất tốn băng thông và năng lượng. Như vậy việc kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng. Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ là:  Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến.  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây.  Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận. Hình 2. 4: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây. Các nút cảm biến được phân bố trong một trường cảm biến như hình 2.5. Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các bộ thu phát silk bởi một cấu trúc đa điểm. Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (nút task manager) thông qua mạng Internet hoặc vệ tinh. Việc thiết kế mạng cảm biến như mô hình trên phụ thuộc vào một số yếu tố sau:  Khả năng chịu lỗi: Một số các nút cảm biến có khả năng không hoạt động nữa do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bình thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động.
  23. 21  Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vào từng ứng dụng mà con số này có thể vượt quá hàng trăm nghìn nút. Do cấu trúc mạng có khả năng mở rộng để phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.  Giá thành sản xuất: Vì mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí mỗi nút là rất quan trọng trong việc điều chỉnh chi phí mạng. Do vậy chi phí ở mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp.  Tích hợp phần cứng: Vì số lượng nút cảm biến trong mạng là nhiều nên nút cảm biến cần phải có các rằng buộc phần cứng như: Kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng ít, chi phí sản xuất ít, thích hợp với môi trường, có khả năng tự cấu hình và hoạt động không cần giám sát.  Môi trường hoạt động: Các nút cảm biến thường khá dày đặc và phân bố trực tiếp trong môi trường (kể cả môi trường ô nhiễm, độc hại hay dưới nuớc ). Nút cảm biến phải thích ứng với nhiều loại môi trường và sự thay đổi của môi trường.  Các phương tiện truyền dẫn: Ở mạng cảm biến, các nút được kết nối với nhau trong môi trường không dây, môi trường truyền dẫn có thể là sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương tiện quang học. Để thiết lập được sự hoạt động thống nhất chung cho các mạng này thì các phương tiện truyền dẫn phải được lựa chọn phù hợp trên toàn thế giới.  Cấu hình mạng cảm biến: Mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, do đó phải thiết lập một cấu hình ổn định.  Sự tiêu thụ năng lượng: Mỗi nút cảm biến được trang bị nguồn năng lượng giới hạn. Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng là không thể thực hiện được. Vì vậy thời gian sống của mạng phụ thuộc vào thời gian sống của các nút cảm biến, thời gian sống của nút cảm biến lại phụ thuộc vào thời gian sống của pin. Do vậy, hiện nay các nhà khoa học đang nỗ lực tìm ra các giải thuật và giao thức thiết kế cho các nút mạng nhằm tiết kiệm nguồn năng lượng hạn chế này [17]. 2.2.3. Kiến trúc giao thức mạng cảm biến không dây Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng cảm biến được trình bày trong hình 2.6. Kiến trúc này bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này giúp cho các nút cảm biến có thể kết hợp cùng nhau theo cách hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến.
  24. 22 Hình 2. 5: Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ.  Lớp ứng dụng: Tùy vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng dụng. Trong lớp ứng dụng có mốt số giao thức quan trọng như giao thức quản lí mạng cảm biến (SMP – Sensor Management Protocol), giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ định nhiệm vụ cho từng cảm biến (TADAP – Task Assignment and Data Advertisement), giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến (SQDDP – Sensor Query and Data Dissemination).  Lớp truyền tải: Giúp duy trì luồng dữ liệu nếu ứng dụng mạng cảm biến yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết nối với mạng bên ngoài, hay kết nối với người dùng qua internet. Giao thức lớp vận chuyển giữa sink với người dùng (nút quản lý nhiệm vụ) thì có thể là giao thức gói người dùng (UDP – User Datagram Protocol) hay giao thức điều khiển truyền tải (TCP – Transmission Control Protocol) thông qua internet hoặc vệ tinh. Còn giao tiếp giữa sink và các nút cảm biến cần các giao thức loại gói người dùng UDP vì các nút cảm biến bị hạn chế về bộ nhớ. Hơn nữa các giao thức này còn phải tính đến sự tiêu thụ công suất, tính mở rộng và định tuyến tập trung dữ liệu.  Lớp mạng: Quan tâm đến việc định tuyến dữ liệu được cung cấp bởi lớp truyền tải. Việc định tuyến trong mạng cảm biến phải đối mặt với rất nhiều thách thức như mật độ các nút dày đặc, hạn chế về năng lượng Do vậy thiết kế lớp mạng trong mạng cảm biến phải theo các nguyên tắc sau:  Hiệu quả về năng lượng luôn được xem là vấn đề quan trọng hàng đầu.  Các mạng cảm biến gần như là tập trung dữ liệu.
  25. 23  Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.  Phải có cơ chế địa chỉ theo thuộc tính và biết về vị trí. Có rất nhiều giao thức định tuyến được thiết kế cho mạng cảm biến không dây. Chúng ta có thể phân chia giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây thành ba loại dựa vào cấu trúc mạng, đó là định tuyến ngang hàng, định tuyến phân cấp, định tuyến dựa theo vị trí. Xét theo hoạt động thì chúng được chia thành định tuyến dựa trên đa đường (multipath-based), định tuyến theo truy vấn (query-based), định tuyến thỏa thuận (negotiation-based), định tuyến theo chất lượng dịch vụ (QoS – Quanlity of Service), định tuyến kết hợp (coherent-based).  Lớp kết nối dữ liệu: Lớp kết nối dữ liệu chịu trách nhiệm cho việc ghép các luồng dữ liệu, dò khung dữ liệu, điều khiển lỗi và truy nhập môi trường. Vì môi trường có tạp âm và các nút cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC – Media Access Control) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu hoá việc va chạm với thông tin quảng bá của các nút lân cận.  Lớp vật lý: Lớp vật lý chịu trách nhiệm lựa chọn tần số, phát tần số sóng mang, điều chế, lập mã và tách sóng.  Phần quản lý công suất: Điều khiển việc sử dụng công suất của nút cảm biến. Ví dụ, nút cảm biến có thể tắt khối thu của nó sau khi thu được một bản tin từ một nút lân cận. Điều này giúp tránh tạo ra các bản tin giống nhau. Khi mức công suất của nút cảm biến thấp, nút cảm biến phát quảng bá tới các nút lân cận để thông báo nó có mức công suất thấp và không thể tham gia vào các bản tin chọn đường. Công suất còn lại sẽ được dành riêng cho nhiệm vụ cảm biến.  Phần quản lý di động: Phát hiện và ghi lại sự di chuyển của các nút cảm biến để duy trì tuyến tới người sử dụng và các nút cảm biến. Nhờ xác định được các nút cảm biến lân cận, các nút cảm biến có thể cân bằng giữa công suất của nó và nhiệm vụ thực hiện.  Phần quản lý nhiệm vụ có thể lên kế hoạch các nhiệm vụ cảm biến trong một vùng xác định. Không phải tất cả các nút cảm biến trong vùng đó đều phải thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm. Kết quả là một số nút cảm biến thực hiện nhiệm vụ nhiều hơn các nút khác tùy theo mức công suất của nó. Các thành phần quản lý này là cần thiết để các nút cảm biến có thể làm việc cùng nhau theo cách thức sử dụng hiệu quả về mặt công suất, chọn đường số liệu trong mạng cảm biến di động và phân chia tài nguyên giữa các nút cảm biến. 2.2.4. Các kỹ thuật định tuyến trong mạng cảm biến không dây Do những đặc điểm riêng biệt mà định tuyến trong mạng cảm biến không dây phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Một số giải thuật mới đã được đưa ra để giải quyết vấn đề định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến không dây. Các thuật toán xây dựng
  26. 24 phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Mặc dù mạng cảm biến có khá nhiều điểm tương đồng so với các mạng tùy biến ad-hoc có dây và không dây nhưng chúng cũng có một số các đặc tính duy nhất mà tạo cho chúng tồn tại thành mạng riêng. Có nhiều cách phân loại các giao thức chọn đường trong WSN. Ngoài cách phân chia làm ba loại giao thức là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí. Việc chọn đường trong WSN còn có thể được chia thành chọn đường ngang hàng, chọn đường phân cấp và chọn đường dựa theo vị trí tùy thuộc vào cấu trúc mạng. Để khái quát, có thể sử dụng phân loại theo cấu trúc mạng và cơ chế hoạt động của giao thức (tiêu chuẩn chọn đường) như hình 2.7. Giao thức chọn đƣờng trong WSN Cấu trúc mạng Chế độ hoạt động Chọn Chọn Chọn Chọn Chọn Chọn Chọn Chọn đường đường đường đường đường đường đường đường ngang phân theo hỏi/ đa theo theo liên hàng cấp vị trí đáp đường yêu QoS kết cầu Hình 2. 6: Phân loại giao thức chọn đường trong WSN.  Giao thức định tuyến trung tâm dữ liệu: hay còn gọi là giao thức phân tuyến ngang hàng, trong đó các nút có vai trò như nhau. Trong mạng ngang hàng mỗi nút cảm biến có một vai trò giống nhau và các nút cảm biến kết hợp với nhau để thực hiện nhiệm vụ của mạng. Do số lượng các nút cảm biến là lớn, nên không khả thi để chỉ định một định dạng toàn cầu cho mỗi nút. Trong giao thức định tuyến này, các nút cơ sở gửi truy vấn đến một số vùng và chờ đợi dữ liệu từ vị trí cảm biến trong vùng được lựa chọn. Các giao thức SPIN, Directed diffusion là các giao thức cơ bản dựa trên định tuyến tập trung dữ liệu và tiết kiệm năng lượng thông qua việc tích hợp dữ liệu và loại bỏ sự dư thừa dữ liệu.  Giao thức định tuyến phân cấp: Trong loại giao thức này các nút mạng tự tổ chức thành các cụm, các nút cảm biến có năng lượng cao hơn đóng vai trò là nút chủ được sử dụng để xử lý và gửi thông tin trong khi các nút có năng lượng thấp hơn được sử dụng để cảm nhận, thu thập dữ liệu và truyền về các nút chủ trong cụm. Việc tạo thành các cụm có khả năng làm giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài thời gian sống của mạng. Mục đích chính của giao thức này là để duy trì hiệu quả việc tiêu thụ năng lượng của các nút cảm biến bằng việc đặt chúng trong giao tiếp đa chặng (multihop) trong một cụm cụ thể và bằng việc thực hiện tập trung và hợp nhất dữ liệu để giảm số
  27. 25 bản tin được truyền đến trạm gốc. Sự hình thành các cụm chủ yếu dựa trên năng lượng dự trữ của nút và vùng lân cận của nút so với các nút chủ của cụm. Giao thức định tuyến tương thích năng lượng thấp LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierachy) là một trong số những cách tiếp cận định tuyến phân cấp đầu tiên cho mạng cảm biến. Ý tưởng của LEACH là động lực cho rất nhiều giao thức định tuyến phân cấp sau này phát triển.  Giao thức định tuyến dựa vào vị trí: Hầu hết các giao thức định tuyến cho mạng cảm biến đều yêu cầu thông tin về vị trí của các nút cảm biến, để có thể tính toán khoảng cách giữa hai nút xác định, từ đó ước lượng được năng lượng cần thiết. Trong giao thức định tuyến này, vị trí của các nút có thể thu được bằng cách trao đổi các bản tin giữa các nút lân cận hoặc lấy trực tiếp thông qua hệ thống định vị toàn cầu nếu nút được trang bị một bộ thu GPS công suất nhỏ. Việc dùng thông tin vị trí vào định tuyến góp phần sử dụng hiệu quả năng lượng và tiết kiệm năng lượng cho toàn mạng. Giao thức GAF và GEAR là những giao thức cơ bản thuộc loại giao thức định tuyến dựa vào vị trí. 2.3. Giao thức mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 2.3.1. Giới thiệu về giao thức mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Giao thức ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network). Giao thức ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được bắt đầu phát triển từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance. Giao thức ZigBee được xuất phát từ cách thức con ong mật truyền những thông tin quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong. Đó là kiểu liên lạc “Zig-Zag” của loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó. Đặc điểm của công nghệ ZigBee đó là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp. Công nghệ ZigBee là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa. Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10m -
  28. 26 75m tùy thuộc vào môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng. Ngoài ra, giao thức ZigBee còn có một số đặc điểm khác như:  Ứng dụng trong các hệ thống điều khiển, sử dụng cảm biến.  Mạng tiêu hao năng lượng nhỏ, một nút mạng có thể sống từ 6 tháng đến 2 năm tùy vào từng ứng dụng.  Giá thành thấp, ít lỗi dễ mở rộng, có khả năng tương thích cao với các điều kiện tự nhiên. Dễ dàng trong quá trình lắp đặt và bảo trì.  Có thể mở rộng lên đến 65000 nút mạng cảm biến.  Chi phí đầu tư thấp. Tín hiệu truyền trong giao thức Zigbee thực chất là tín hiệu radio, giao thức Zigbee được hỗ trợ trong các dải tần số sau:  Dải tần 868 - 868.8 MHz (Châu Âu): chỉ có một kênh tín hiệu, tốc độ truyền trong dải là 20kb/s.  Dải tần 902 - 928 MHz (Mỹ, Canada, Úc): gồm 10 kênh tín hiệu từ 1 - 10 với tốc độ truyền thường là 40kb/s.  Dải tần 2.4 - 2.4835 GHz (hầu hết các nước khác trên thế giới): gồm 16 kênh tín hiệu từ 11 - 26 với tốc độ truyền là 250 kb/s. Hình 2. 7: Băng tần hệ thống của giao thức ZigBee 2.3.2. Cấu trúc mạng ZigBee/IEEE 802.15.4 Một hệ thống ZigBee/IEEE 802.15.4 gồm hai thành phần cơ bản là thiết bị có chức năng đầy đủ FFD (full-function device) và thiết bị có chức năng được rút gọn RFD (reduced-function device). Thiết bị FFD đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN. Thiết bị FFD có thể đóng 3 vai trò khác nhau, bộ điều phối của toàn mạng PAN, bộ điều phối một mạng con hoặc là một thiết bị. Thiết bị RFD đảm nhận một số chức năng hạn chế với các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu. Kích thước bộ nhớ và khả năng xử lý của các thiết bị RFD thường nhỏ hơn so với các thiết bị FFD.
  29. 27 Các loại thiết bị thường có trong một mạng ZigBee là Zigbee Coordinator, Zigbee Router và Zigbee End Devide.  Zigbee Coordinator (ZC): đây là thiết bị gốc có khả năng quyết định kết cấu mạng, quy định cách đánh địa chỉ và lưu giữ bảng địa chỉ. Mỗi mạng chỉ có duy nhất một Coordinator và nó cũng là thành phần duy nhất có thể truyền thông với các mạng khác.  Zigbee Router (ZR): có các chức năng định tuyến trung gian truyền dữ liệu, phát hiện và lập bản đồ các nút xung quanh, theo dõi, điều khiển, thu thập dữ liệu như nút bình thường. Các router thường ở trạng thái hoạt động (active mode) để truyền thông với các thành phần khác của mạng.  Zigbee End Devide (ZED): các nút này chỉ truyền thông với Coordinator hoặc Router ở gần nó, chúng được coi như điểm cuối của mạng và chỉ có nhiệm vụ hoạt động/đọc thông tin từ các thành phần vật lý. ZED có kết cấu đơn giản và thường ở trạng thái nghỉ (sleep mode) để tiết kiệm năng lượng. Mỗi nút ZED chỉ được "đánh thức" khi cần nhận hoặc gửi một thông điệp nào đó. Các thiết bị này chính là hai thành phần cơ bản FFD và RFD của hệ thống ZigBee/IEEE 802.15.4. Trong đó FFD có thể hoạt động như một Coordinator, Router hoặc End Device, còn RFD chỉ có thể đóng vai trò End Device trong một mạng ZigBee. Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ Zigbee. Các nút cảm biến trong một mạng Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (Star), cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) hoặc cấu trúc mạng bó cụm hình cây (Cluster Tree) như hình 2.9 dưới đây. Cấu trúc mạng hình sao (Star): trong cấu trúc mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị điều khiển trung tâm được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên, nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID (PAN identifier), nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nút cảm biến trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator). Cấu trúc mạng hình lưới: Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator). Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết bị nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng .).
  30. 28 Cấu trúc mạng bó cụm hình cây: Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số các thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) [19]. Hình 2. 8: Các cấu trúc liên kết trong mạng ZigBee 2.3.3. Kiến trúc giao thức ZigBee/IEEE 802.15.4 Chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 là công nghệ được phát triển mạnh khoảng một năm trở lại đây. Công nghệ này xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là tầng vật lý PHY (Physical Layer) và tầng MAC (Medium Access Control) theo chuẩn IEEE 802.15.4. Vì vậy nó thừa hưởng được những ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4 đó là độ tin cậy, sự đơn giản trong lắp đặt và bảo trì, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng. Dựa vào mô hình giao thức của ZigBee được trình bày trong hình 2.10, các nhà sản xuất đã chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng nhau.
  31. 29 Hình 2. 9: Mô hình giao thức của ZigBee Giao thức ZigBee có một kiến trúc ngăn xếp nhiều tầng, trong đó tầng vật lý PHY và tầng MAC được định nghĩa giống chuẩn IEEE 802.15.4. Sau đó ZigBee Alliance đã định nghĩa thêm 4 thành phần chính: tầng mạng, tầng ứng dụng, đối tượng thiết bị ZigBee ZDO (ZigBee device objects) và các đối tượng người dùng (cho phép tùy biến theo từng ứng dụng). Trong đó, việc thêm vào các ZDO chính là cải tiến đáng kể nhất, vì đây chính là các đối tượng thực hiện nhiều tác vụ như định nghĩa vai trò của các thiết bị, tổ chức và yêu cầu truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4: Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME (physical layer management). Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu/phát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý. Các tính năng của tầng PHY là kích hoạt và giảm kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu/phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC: Tầng MAC cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC Sublayer management entity (MLME). Thực thể MLME cung cấp dịch vụ quản lý lớp thông qua các hàm quản lý lớp. Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu/phát của khối dữ liệu giao thức MAC Protocol Data Unit (MPDU) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY.
  32. 30 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 đảm bảo Guaranteed Time Slot (GTS), điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack [19]. 2.4. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh báo trƣợt đất Đặc điểm của mạng cảm biến không dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ ít điện năng, cho phép triển khai trong nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt là khả năng tự tổ chức mạng, khả năng kết hợp xử lý và thích ứng trong các môi trường khắc nghiệt đã tạo ra một triển vọng ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và ứng dụng trong việc theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, ứng dụng trong y học, giám sát và cảnh báo những thảm họa thiên tai trong tự nhiên như lũ lụt, cháy rừng, trượt đất và những ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp. Trượt đất là một tai biến xảy ra thường xuyên gây thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Hiện tại đã có những hệ thống giám sát lở đất được xây dựng để cảnh báo mối nguy hiểm này như cảnh báo ngắn hạn và cảnh báo dài hạn ở những khu vực có nguy cơ trượt đất xảy ra. Việc cảnh báo dài hạn là giải pháp ứng dụng dữ liệu ảnh viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems), hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) và các mô hình toán học để xây dựng bản đồ khu vực có nguy cơ trượt lở đất, quan sát trượt lở theo đơn vị thời gian dài thường là hàng năm. Việc cảnh báo tức thời là phương pháp sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, cảm biến đo mưa, cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ là hết sức cần thiết. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), các cảm biến có độ chính xác cao, giá thành rẻ và kích thước nhỏ gọn góp phần thuận lợi cho việc triển khai một mạng các cảm biến không dây ứng dụng trong cảnh báo trượt đất. Hình 2.11 minh họa mô hình một nút mạng cảm biến sử dụng cho hệ cảnh báo trượt đất thời gian thực.
  33. 31 Hình 2. 10: Một nút mạng cảm biến không dây 2.5. Kết luận chƣơng Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks - WSNs) là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm biến, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, thường được bố trí với số lượng lớn. Các nút mạng được phân bố không có hệ thống trên một phạm vi rộng lớn, chúng thường sử dụng pin, nguồn năng lượng này có hạn chế về mặt thời gian hoạt động. Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, cảnh báo trước các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây cũng có khả năng ứng dụng trong việc giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất. Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học. Tốc độ đường truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m. Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến. Ưu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tương thích cao. Kiến trúc giao thức trong mạng cảm biến bao gồm các lớp và các mặt phẳng quản lý. Các mặt phẳng quản lý này giúp cho các nút cảm biến có thể kết hợp cùng nhau theo cách hiệu quả nhất, định tuyến dữ liệu trong mạng cảm biến di động và chia
  34. 32 sẻ tài nguyên giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu, lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng, phần quản lý công suất, phần quản lý di động và phần quản lý nhiệm vụ. Mạng cảm biến không dây bao gồm số lượng lớn các nút mạng cảm biến, mỗi nút cảm biến thu thập, xử lý dữ liệu, sau đó truyền về các trạm cơ sở. Vì vậy vấn đề định tuyến đường truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây cũng phải đối mặt với rất nhiều vấn đề. Các thuật toán xây dựng phải đáp ứng được các yêu cầu về ứng dụng và cấu trúc, cũng như các đặc điểm riêng của mạng. Có ba loại giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây, đó là định tuyến trung tâm dữ liệu, định tuyến phân cấp và định tuyến dựa vào vị trí. Giao thức truyền dữ liệu ứng dụng trong mạng cảm biến không dây được trình bày trong luận văn này là giao thức ZigBee. ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN. Giao thức ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài.
  35. 33 Chƣơng 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY PHỤC VỤ CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT 3.1. Mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trƣợt đất Trượt lở đất là một trong những tai biến đặc biệt nghiêm trọng xảy ra ở nhiều khu vực trên thế giới. Như vậy, việc xây dựng một hệ thống giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất là rất cần thiết. Hiện nay, đã có một số hệ thống giám sát lở đất được xây dựng để cảnh báo mối nguy hiểm này theo phương pháp cảnh báo dài hạn và cảnh báo ngắn hạn. Các hệ thống giám sát trượt lở đất được xây dựng trên cơ sở WSN là phương pháp cảnh báo ngắn hạn hay còn gọi là cảnh báo tức thời. Phương pháp này có một số ưu điểm như giám sát các khu vực địa lý trong thời gian thực, giám sát từ xa và dễ dàng trong việc mở rộng mạng lưới. Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống giám sát trượt lở đất hiện có vẫn đang chạy thử nghiệm mà chưa có hệ thống giám sát trượt lở đất nào được thương mại hóa. Vì vậy, cần phải xây dựng một hệ thống giám sát trượt lở đất trên cơ sở mạng cảm biến không dây gồm các cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc với chi phí thấp, công suất nhỏ, khả năng tự cấu hình và dễ dàng trong việc bảo trì. Mô hình mạng cảm biến không dây bao gồm các cột cảm biến có khả năng thu nhận dữ liệu, lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu đi xa. Mạng cảm biến không dây cung cấp phương pháp thu thập dữ liệu về áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất, độ ẩm của đất, các chuyển động trong lòng đất và nhiệt độ của môi trường. Hình 3.1 mô tả các khối chức năng chính trong hệ thống cảnh báo trượt lở đất đáp ứng yêu cầu thời gian thực. Hình 3. 1: Mô tả hệ thống cảnh báo thời gian thực Hệ thống có khả năng phát hiện trượt đất trước khi có thể nhìn thấy bằng mắt thường và trước khi có thể nghe được các chuyển động trong lòng đất bằng tai. Chính vì thế sẽ phục vụ tốt cho công tác sơ tán để giảm thiểu thiệt hại. Hệ thống cảnh báo sẽ được đóng gói, được đặt sâu dưới lòng đất khoảng 2-5m tại khu vực được đánh giá có khả năng trượt đất cao. Hệ thống sử dụng một mạng lưới các cảm biến nhỏ gọn và đảm bảo độ chính xác cao nhằm đo được các rung động nhỏ trong đất. Khi đo được rung động, chương trình xử lý tín hiệu nhúng với các thuật toán thông minh sẽ được thực thi nhằm đánh giá khả năng trượt lở đất có thể xảy ra hay không, từ đó có thể đưa ra cảnh báo. Các thành phần của một nút cảm biến được tích hợp như trong hình 3.2, bao gồm
  36. 34 ba loại cảm biến để đo các thông số môi trường. Chip vi xử lý Atmega328 trên bo mạch chủ sẽ thu thập dữ liệu từ các cảm biến. Sau đó xử lý, hiệu chuẩn dữ liệu từ cảm biến và lọc nhiễu để cung cấp giá trị của cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm của đất và cảm biến gia tốc. Môđun XBee sẽ truyền dữ liệu cảm biến đo được tới một trung tâm xử lý. Nguồn được sử dụng để cung cấp năng lượng cho mỗi nút cảm biến là một pin công suất lớn cho thời gian hoạt động lên đến một năm. Như vậy, mỗi nút cảm biến bao gồm đầy đủ các thành phần để đo lường các thông số môi trường, xử lý và truyền dữ liệu, phù hợp cho việc giám sát trượt đất [12]. Hình 3. 2: Sơ đồ khối của một nút cảm biến 3.2. Cấu trúc phần cứng của hệ thống Hệ thống được xây dựng trên cơ sở bo mạch chủ Waspmote của hãng Libelium, một bo mạch giao tiếp mở rộng với các cảm biến, pin cấp nguồn có khả năng nạp điện lại với dung lượng 6600mAh, môđun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc. Bo mạch chủ Waspmote: được chế tạo dựa trên một kiến trúc kiểu môđun. Trên bo mạch có thể tích hợp các môđun cần thiết để tối ưu hóa chi phí và năng lượng tiêu thụ. Các môđun như bo mạch cảm biến, môđun truyền không dây XBee, nguồn cấp, môđun GPS giao tiếp với bo mạch Waspmote thông qua các ổ cắm hoặc chân Jum. Các môđun sẵn có có thể tích hợp được vào bo mạch Waspmote được phân loại như sau:  Môđun ZigBee/802.15.4 (2.4GHz, 868MHz, 900MHz).  Môđun GSM 3G/ GPRS (Bốn băng tần: 850MHz/900MHz/1800MHz /1900MHz).  Bo mạch giao tiếp mở rộng cảm biến.  Môđun lưu trữ: Thẻ nhớ SD.  Môđun GPS
  37. 35  Pin cấp nguồn Hình 3. 3: Mặt trên bo mạch chủ Waspmote Hình 3. 4: Mặt dưới bo mạch chủ Waspmote Bo mạch chủ sử dụng chip vi điều khiển Atmega328 của hãng Atmel. Chip được sử dụng để thu thập và xử lý các dữ liệu thu được từ các cảm biến. Vi điều khiển atmega328 có nhiều tính năng đặc biệt phù hợp cho việc xây dựng một WSN với hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng nhỏ, khả năng tích hợp và mở rộng các giao tiếp ngoại vi.
  38. 36 Hình 3. 5: Sơ đồ khối của Chip Atmega328 Thông số chính của vi điều khiển atmega328 sử dụng trong bo mạch chủ Waspmote là: + Kiến trúc: AVR 8bit + Tần số xung nhịp lớn nhất: 20MHz + Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB + Bộ nhớ EEPROM: 1KB + Bộ nhớ RAM: 2KB + Dải điện áp hoạt động: 1.8V - 5.5V + 2 bộ Timer/Counter 8-bit và 1 bộ Timer/Counter 16-bit Ngoài ra, trên bo mạch chủ Waspmote còn có cổng giao tiếp miniUSB, giao tiếp SPI/UART với các thiết bị ngoại vi [13].
  39. 37 Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến: được thiết kế để giúp cho người dùng trong việc tích hợp thêm các cảm biến vào bo mạch chủ Waspmote. Bo mạch giao tiếp mở rộng có một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số 16bit, độ phân giải lên tới 68µF trong khoảng từ 0 tới 4.5V với các giá trị lối vào khác nhau. Một mảng độc lập các tấm pad có chứa các chân, đầu cáp và mạch tích hợp loại chân cắm đã được đóng gói để có thể hàn. Ngoài ra, còn có một mảng các mạch tích hợp loại chân dán cho các mạch mở rộng hoặc chân cắm với các kích thước khác nhau được đặt trên bo mạch. Hình 3. 6: Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến Bo mạch giao tiếp mở rộng các cảm biến có trọng lượng nhỏ cỡ 20gr, với kích thước các chiều là 73.5 x 51 x 1.3 mm, hoạt động trong dải nhiệt độ từ -20ºC tới 65ºC. Điện áp cấp cho bo mạch là 3.3V và 5V, điện áp cung cấp cho bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số là 5V. Dòng liên tục tiêu thụ cực đại là 200mA, còn dòng đỉnh cực đại là 400mA. Nguồn cấp: sử dụng pin Ion Lithium có khả năng nạp lại điện tích, dung lượng 6600mAh. Pin có gắn kèm một đầu connector theo chuẩn. Hình 3. 7: Pin Ion Lithium dung lượng 6600mAh Cảm biến gia tốc: được sử dụng để đo lường các chuyển động của các lớp đất như dịch chuyển trượt của đất, các dịch chuyển đột ngột và phân tích các rung chấn
  40. 38 trong lòng đất là tác nhân gây trượt đất. Cảm biến gia tốc có thể được dùng để đo độ nghiêng và các âm chấn trong lòng đất. Cảm biến gia tốc được sử dụng trong hệ thống mỗi nút cảm biến ở đây là ADXL335, cảm biến có kích thước nhỏ, mỏng, năng lượng tiêu thụ thấp. Bộ cảm biến 3 trục đầy đủ sau khi đo sẽ cho các tín hiệu lối ra dưới dạng điện áp. Cảm biến gia tốc ADXL335 có thể đo gia tốc với dải toàn thang tối thiểu là ±3g. Cảm biến cũng cho phép đo gia tốc tĩnh của trọng lực trong các ứng dụng cảm biến đo độ nghiêng hoặc đo gia tốc động học trong các chuyển động, va chạm và rung lắc. Băng thông có thể được lựa chọn với dải tần 0,5 Hz đến 1.600 Hz cho trục X và trục Y, và dải tần từ 0,5 Hz đến 550 Hz cho trục Z [14]. Hình 3. 8: Sơ đồ khối và bo mạch cảm biến ADXL335 Các thuật toán để đo gia tốc của các trục X, Y và Z: V i */ROS , i=X, Y, Z. (3.1) i ADC i i A 1024 Với Ai là giá trị của gia tốc tương ứng theo 3 trục X, Y và Z; Vi là giá trị sau khi lấy mẫu của trục i; RADC là điện áp tham chiếu; Oi là điện áp 0g sau một số hiệu chỉnh đơn giản của trục i; và Si là độ nhạy của cảm biến gia tốc với trục i. Cảm biến nhiệt độ: được dùng để đo những thay đổi về nhiệt độ của môi trường. Do các đặc tính vật lý của đất và nước có thể thay đổi khi nhiệt độ của môi trường thay đổi, vì vậy cảm biến nhiệt độ LM35 được sử dụng trong hệ thống của một nút cảm biến. Cảm biến nhiệt độ LM35 là loại cảm biến tương tự thường được dùng
  41. 39 trong các ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực. Cảm biến hoạt động với độ chính xác khá cao, sai số nhỏ, đồng thời yếu tố kích thước nhỏ và giá thành rẻ cũng là những ưu điểm giúp cho cảm biến được ứng dụng rộng rãi. Cảm biến LM35 là cảm biến nhiệt độ được tích hợp mạch đo chính xác, với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ C là 10mV/°C. Cảm biến LM35 không yêu cầu hiệu chuẩn ngoài, với độ chính xác thực tế là ±1/4°C ở nhiệt độ phòng và ±3/4°C trên dải nhiệt độ từ -55°C tới 150°C [15]. Hình 3. 9: Cảm biến nhiệt độ LM35 và sơ đồ mạch đo * Với trị số R1 được chọn là –VS/50µA. Cảm biến nhiệt độ LM35 còn một số đặc điểm khác như: + Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V + Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC + Độ chính xác cao ở 25oC là 0.5oC + Trở kháng đầu ra thấp + Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C tới 150 C Nhiệt độ được xác định bởi công thức: T V* k ADC (3.2) Với T là nhiệt độ thực tế của môi trường; VADC là giá trị của nhiệt độ sau khi lấy mẫu; k là hệ số tỷ lệ (trong trường hợp này k = 45). Cảm biến đo độ ẩm đất: sử dụng trở kháng để đo hàm lượng nước trong đất (trở kháng phụ thuộc vào hằng số điện môi, ở đây hằng số điện môi là một hàm số của hàm lượng nước trong đất). Việc lắp đặt cảm biến khá đơn giản, chỉ cần đưa cảm biến thô này vào trong lòng đất để đo, thể tích hàm lượng nước có trong đất sẽ được trả về theo đơn vị phần trăm. Mạch đo cho cảm biến độ ẩm đất có một mạch lật 2 lối vào khác nhau để tạo dòng điện trước và sau ở 2 đầu cảm biến. Cảm biến đo độ ẩm đất được sử dụng trong hệ thống được mô tả như trong hình 3.10.
  42. 40 Hình 3. 10: Cảm biến đo độ ẩm đất Watermark Thông số đặc trưng của cảm biến đo độ ẩm đất Watermark:  Dải đo: từ 0 tới 200 centibar (cb)  Dải tần: khoảng từ 50 tới 10000Hz  Đường kính: 22mm  Chiều dài: 76mm Độ ẩm của đất được xác định bởi công thức sau: (M 0 )*200 M ADC offset_ ADC (1023 0 ) offset_ ADC (3.3) Với M là độ ẩm của đất được tính bằng đơn vị %; MADC là giá trị dữ liệu trả về từ ADC; 0offset_ADC là giá trị ADC tương ứng tại điểm 0 Kpa. Hình 3. 11: Đồ thị hàm tần số lối ra phụ thuộc trở kháng cảm biến Watermark Môđun truyền dữ liệu không dây XBee PRO: sử dụng chuẩn giao tiếp không dây 802.15.4. Môđun có dải truyền xa hơn so với truyền không dây Bluetooth nhưng tiêu thụ điện năng thấp hơn so với truyền không dây Wifi chuẩn 802.11. Môđun XBee
  43. 41 giao tiếp với vi điều khiển thông qua cổng nối tiếp với các thiết bị khác với mục đích truy cập vào được mạng ZigBee. Môđun XBee Pro S2 là một sản phẩm mới của hãng Digi, môđun có những cải thiện về điện năng tiêu thụ và giao thức truyền tải. Khoảng cách truyền dẫn tối đa của môđun có thể lên tới 90 mét trong điều kiện trong nhà và lên tới 7km ở điều kiện ngoài trời mà không có vật cản. Môđun XBee cung cấp giao thức truyền dữ liệu đáng tin cậy với độ nhạy -102dBm. Tốc độ truyền tải dữ liệu có thể lên đến 250 kbps với công suất truyền 50mW. Mỗi môđun có một địa chỉ vật lý 16-bit duy nhất. Môđun có 2 chế độ truyền nhận là điểm-tới-điểm unicast và điểm-tới-toàn mạng broadcast ở dải tần 2,4GHz. Môđun XBee cũng có chế độ ngủ để tiết kiệm điện năng tiêu thụ [13, 16]. Hình 3. 12: Môđun truyền dữ liệu không dây XBee PRO 3.3. Mạng cảm biến không dây đƣợc đề xuất cho hệ thống cảnh báo trƣợt đất Một trong những yêu cầu quan trọng đối với một hệ thống giám sát lở đất là việc phân phối hiệu quả các dữ liệu thu được từ các cảm biến trong thời gian thực. Cấu trúc của hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt đất đề xuất được thể hiện như trong hình 3.13 dưới đây. Hình 3. 13: Cấu trúc của hệ thống WSN được đề xuất Cấu trúc hoàn chỉnh của hệ thống mạng cảm biến không dây bao gồm 3 nút cảm biến không dây để đo các thông số môi trường. Mạng cảm biến không dây (WSN) được thiết kế như mô hình một mạng hình sao. Các dữ liệu cảm biến thu thập được tại mỗi nút sẽ được gửi tới cổng vào ra dữ liệu theo chuẩn XBee. Khoảng cách tối đa giữa
  44. 42 các nút cảm biến tới cổng vào ra dữ liệu có thể lên đến 7km với tốc độ truyền dữ liệu không dây là 250kbps. Các dữ liệu nhận được từ cổng vào ra dữ liệu được sao chép và lưu trữ trong một máy chủ cơ sở dữ liệu. Bên cạnh đó, các dữ liệu cũng được xử lý bằng máy tính thông qua chương trình được thiết kế trước đó như trong hình 3.14. Hình 3. 14: Giao diện phần mềm thu thập, xử lý và lưu trữ dữ liệu Phần mềm được thiết kế có chức năng thu thập, xử lý, hiển thị trạng thái của mạng và các dữ liệu thu thập được từ mỗi nút cảm biến. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến theo thời gian thực và các kết quả phân tích dữ liệu sau đó được chuyển trực tiếp về máy chủ cơ sở dữ liệu thông qua mạng internet. Dữ liệu tại máy chủ cơ sở dữ liệu được xử lý, lưu trữ và đưa ra những cảnh báo trượt đất nếu cần thiết. Các dịch vụ cảnh báo như dịch vụ tin nhắn ngắn (Short Message Service - SMS) được thực hiện để đưa ra cảnh báo kịp thời về khu vực có khả năng xảy ra trượt đất. 3.4. Cấu trúc phần mềm của hệ thống Các mạng không dây không đồng nhất như mạng cảm biến không dây, mạng Wifi, mạng vệ tinh và mạng lưới băng thông rộng được ứng dụng trong các hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm trượt lở đất. Các kỹ thuật thu thập dữ liệu, xử lý và truyền dẫn trong mỗi mạng là khác nhau và mỗi kỹ thuật trong số đó đòi hỏi những yêu cầu khác nhau để thu được thông tin liên lạc liên tục với độ trễ thời gian tối thiểu. Cấu trúc phần mềm được xây dựng có khả năng đạt được tất cả các yêu cầu trên. Giao diện phần mềm và các khối môđun cho các yêu cầu xử lý khác nhau cho mạng không dây không đồng nhất đã được thiết kế, thực hiện và thử nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm và dự định được triển khai sớm ở những vị trí có khả năng xảy ra trượt đất.
  45. 43 Các môđun phần mềm của hệ thống được triển khai cho mạng cảm biến không dây bao gồm 3 khối chính [12]:  Khối thu thập dữ liệu: Khối này được phát triển để cung cấp khả năng thu thập dữ liệu từ cả hai loại cảm biến kỹ thuật số và cảm biến tương tự. Khối có chức năng thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến đặt sâu dưới lòng đất. Dữ liệu kỹ thuật số đo được từ cảm biến gia tốc được thu lại nhờ các trình điều khiển số. Dữ liệu tương tự được thu lại từ các cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến nhiệt độ.  Khối xử lý dữ liệu: Với các ứng dụng giám sát yêu cầu việc lên kế hoạch các sự kiện và quản lý bộ đệm của mỗi nút cảm biến để tránh mất mát dữ liệu và các sự kiện xảy ra. Khối xử lý dữ liệu là thành phần trung tâm có chức năng xử lý tất cả các dữ liệu đến và đi từ các cảm biến và thu phát các dữ liệu tương ứng trong mạng cảm biến không dây. Khối lập lịch thực hiện 3 chức năng cơ bản sau: o Lấy mẫu cho cảm biến: khối này được thiết kế để cung cấp một giao tiếp hiệu quả giữa các cảm biến và nút cảm biến không dây gắn liền với nó. Khối có khả năng lấy mẫu và thu thập dữ liệu đo được từ các cảm biến cho người dùng có thể xác định được tỷ lệ lấy mẫu. Sau đó dữ liệu được gửi tới khối quản lý bộ đệm. o Giám sát trạng thái của mạng và nút cảm biến không dây: khối này được thiết kế và thực hiện việc giám sát tình trạng của mạng và các nút cảm biến trong mạng. Các thông số tình trạng của nút cảm biến cho biết tình trạng năng lượng trong nút cảm biến, năng lượng của pin và một vài thông số cần thiết khác. Chức năng giám sát tình trạng của mạng được sử dụng để xác định các nút cảm biến không còn hoạt động trong mạng bằng cách định kỳ cập nhật địa chỉ mỗi nút mạng. Địa chỉ của các nút mạng sẽ được dùng cho việc định tuyến hiệu quả đường truyền dữ liệu tới các cổng gateway. o Tiết kiệm năng lượng: khối này được thiết kế để cung cấp một cơ chế tiết kiệm năng lượng cho các nút cảm biến không dây. Khối này thực hiện bằng cách tích hợp các nút cảm biến không dây chuyển trạng thái, như chuyển từ trạng thái “ngủ” sang trạng thái hoạt động khi cần thiết.  Phần mềm máy tính: khối này được thiết kế để thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến không dây, sử dụng các thuật toán để phân tích và xử lý, sau đó đưa ra cảnh báo trượt đất nếu cần thiết.
  46. 44 3.4.1. Môi trƣờng phát triển tích hợp cho bo mạch chủ Waspmote Để lập trình cho bo mạch chủ Waspmote có chứa vi điều khiển atmega328 cần có trình biên dịch môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) của chính hãng Waspmote cung cấp. Trước hết cần tải trình biên dịch từ địa chỉ Sau khi tải về hoàn thành, giải nén file tải về vào thư mục được lựa chọn. Thư mục này bao gồm các trình điều khiển cần thiết để hỗ trợ cho cài đặt giao tiếp với USB và bộ chuyển đổi Future Technology Devices International (FTDI). Khi kết nối máy tính với bo mạch chủ Waspmote thông qua đầu nối mini-USB và trình điều khiển hỗ trợ giao tiếp. Giao diện trình biên dịch IDE cho bo mạch chủ Waspmote được minh họa như hình 3.15. Hình 3. 15: Giao diện trình biên dịch IDE cho bo mạch chủ Waspmote Phần đầu tiên trên giao diện trình biên dịch là trình đơn cho phép cấu hình các thông số chung như các cổng nối tiếp được lựa chọn. Phần thứ hai là thẻ bao gồm các nút nhấn cho phép xác nhận, mở, sao lưu hoặc tải mã được lựa chọn lên bo mạch chủ. Phần thứ ba chứa mã chính sẽ được nạp vào bo mạch chủ Waspmote. Phần thứ tư chỉ ra những lỗi trong khi tải mã và biên dịch có thể xảy ra, hay các thông báo thành công nếu quá trình này là thực hiện phù hợp.
  47. 45 3.4.2. Phần mềm cấu hình môđun truyền dữ liệu không dây XBee Khi sử dụng môđun truyền dữ liệu không dây XBee, bạn có thể cần phải cập nhật hoặc thay đổi firmware trên môđun. Nếu muốn chuyển đổi một môđun ZigBee từ router sang thành một bộ điều phối mạng coordinator hoặc chuyển đổi giữa các chế độ API và AT, cần phải tải lên các phần mềm phù hợp với các môđun XBee. Phần mềm X-CTU có thể hỗ trợ tối đa mục tiêu này. Phần mềm X-CTU là một ứng dụng dựa trên nền hệ điều hành Windows được cung cấp bởi hãng Digi. Chương trình này được thiết kế để tương tác với các tập tin phần mềm được tìm thấy trên các sản phẩm Digi truyền phát tần số vô tuyến và để cung cấp một giao diện đồ họa đơn giản cho người sử dụng. Phần mềm X-CTU giúp cho giao tiếp với XBee dễ dàng nhờ có giao diện đơn giản để thay đổi tất cả các thiết lập của môđun. Hình 3. 16: Giao diện phần mềm X-CTU 3.4.3. Phần mềm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ nút cảm biến Để thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ các nút cảm biến, đồng thời có khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, cần phải xây dựng một giao diện đồ họa phù hợp. Trên cơ sở phần mềm Visual Basic 6.0, đã xây dựng được phần mềm giao diện đồ họa cho việc thu thập, phân tích và xử lý các dữ liệu đo được từ các nút mạng cảm biến. Phần mềm đã được thiết kế hoàn thiện như hình 3.17 dưới đây:
  48. 46 Hình 3. 17: Giao diện phần mềm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ các nút cảm biến 3.5 Kết luận chƣơng Trượt lở đất là một trong những tai biến đặc biệt nghiêm trọng xảy ra ở nhiều khu vực trên thế giới. Như vậy, việc xây dựng một hệ thống giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất là rất cần thiết. Hệ thống được xây dựng trên cơ sở mạng cảm biến không dây gồm các cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc với chi phí thấp, công suất nhỏ, khả năng tự cấu hình và dễ dàng trong việc bảo trì. Mô hình mạng cảm biến không dây bao gồm các cột cảm biến có khả năng thu nhận dữ liệu, lưu trữ, xử lý và truyền dữ liệu đi xa. Mạng cảm biến không dây cung cấp phương pháp thu thập dữ liệu về áp lực nước trong các lỗ rỗng của đất, độ ẩm của đất, các chuyển động trong lòng đất và nhiệt độ của môi trường. Hệ thống được xây dựng trên cơ sở bo mạch chủ Waspmote của hãng Libelium, một bo mạch giao tiếp mở rộng với các cảm biến, pin cấp nguồn có khả năng nạp điện lại với dung lượng 6600mAh, môđun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc. Các môđun phần mềm của hệ thống được triển khai cho mạng cảm biến không dây bao gồm 3 khối chính: Khối thu thập dữ liệu, khối xử lý dữ liệu và phần mềm máy tính. Ngoài ra còn có một số phần mềm được cung cấp bởi hãng Waspmote như Waspmote IDE và X-CTU để hỗ trợ lập trình cho bo mạch chủ Waspmote và cấu hình chế độ hoạt động cho môđun truyền dữ liệu không dây Xbee. Bo mạch chủ Waspmote có chứa vi điều khiển atmega328 cần có trình biên dịch môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment - IDE) của chính hãng Waspmote cung cấp. Môi trường phát triển tích hợp hỗ trợ việc
  49. 47 viết mã, biên dịch mã và tải mã lên bo mạch chủ Waspmote. Phần mềm X-CTU là một ứng dụng dựa trên nền hệ điều hành Windows được cung cấp bởi hãng Digi, để cấu hình chế độ hoạt động cho môđun truyền dữ liệu không dây Xbee. Để thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu từ các nút cảm biến, đồng thời có khả năng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, cần phải xây dựng một giao diện đồ họa phù hợp. Trên cơ sở phần mềm Visual Basic 6.0, đã xây dựng được phần mềm giao diện đồ họa cho việc thu thập, phân tích và xử lý các dữ liệu đo được từ các nút mạng cảm biến.
  50. 48 Chƣơng 4 MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC CỦA ĐỀ TÀI 4.1. Kết quả Hệ thống mạng cảm biến không dây đã được thiết kế hoàn thiện cả phần cứng và phần mềm. Phần cứng của hệ thống là các nút cảm biến bao gồm bo mạch chủ Waspmote, bo mạch giao tiếp mở rộng với các cảm biến, pin cấp nguồn có khả năng nạp điện lại với dung lượng 6600mAh, môđun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất và cảm biến gia tốc. Phần cứng của mỗi nút cảm biến được mô tả như hình 4.1 và hình 4.2 dưới đây. Hình 4. 1: Bên trong của một nút cảm biến Hình 4. 2: Bên ngoài của một nút cảm biến
  51. 49 Mạng cảm biến không dây được thiết kế bao gồm một 1 gateway để thu nhận dữ liệu từ các nút cảm biến gửi về và 3 nút cảm biến bao gồm đầy đủ các thành phần như nút cảm biến bên trên. Hình 4. 3: Mạng cảm biến không dây được thiết kế hoàn thiện Phần mềm thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu đo được từ các cảm biến trong nút mạng đã được thiết kế dựa trên phần mềm Visual Basic 6.0. Giao diện của phần mềm được minh họa như hình 4.4. Hình 4. 4: Phần mềm của mạng cảm biến không dây
  52. 50 Hình 4. 5: Máy tính có cài phần mềm thu thập dữ liệu của mạng cảm biến và kết nối gateway qua cổng USB 4.1.1. Khung dữ liệu Để truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả, yêu cầu cấu trúc của khung dữ liệu phải thiết kế một cách cẩn thận. Trong khung dữ liệu được nhận về từ các nút cảm biến có chứa một trường địa chỉ xác định cho mỗi nút riêng biệt, thường gọi là ID address và có 9 con số. Một trường xác định chỉ số của khung dữ liệu truyền về để kiểm tra số lượng gói truyền và tỷ lệ mất gói. Cuối cùng là các trường dữ liệu của các cảm biến tương ứng. # Node # WASPMOTE # Frame index # Data # Data # Data # ID _XBEE no. 1 no. 2 no. 3 * Ở đây: Node ID: là địa chỉ xác nhận ID của nút cảm biến, node ID có 9 con số. Frame index: Chỉ số khung, sẽ tăng lên 1 đơn vị sau mỗi lần khung truyền hoàn thành. Data no.i: với i là dữ liệu của cảm biến thứ i, trường dữ liệu được chia làm 2 phần gồm tên của cảm biến và giá trị đo được của cảm biến. BAT: chỉ số mức năng lượng của pin cấp nguồn. Ví dụ một khung dữ liệu nhận về: #382553448#WASPMOTE_XBEE#7#TCA:31#HUMI1:0#HUMI2:0#BAT:68#AC C:-1;-2;90#ACC1:715;477;382#.
  53. 51 Địa chỉ ID của nút cảm biến: 382553448; WASPMOTE_XBEE: Bo mạch Waspmote, môđun XBee Chỉ số khung: 7 Nhiệt độ TCA: 31 Dữ liệu cảm biến đo độ ẩm đất: #HUMI1:0#HUMI2# Chỉ số pin: 68 Giá trị cảm biến gia tốc theo 3 trục X, Y, Z 4.1.2. Dữ liệu cảm biến gia tốc Dữ liệu đo được từ cảm biến gia tốc theo 3 trục X, Y, Z được phần mềm thu thập, xử lý và lưu trữ lại. Để thử nghiệm dữ liệu đo của cảm biến có đáng tin cậy hay không, có thể thực hiện bằng cách đặt cảm biến trên một đĩa quay tròn một góc 3600, dữ liệu cảm biến gia tốc thu được tạo thành một tín hiệu dạng sin như ở hình 4.6. Có thể thấy rằng các dữ liệu thu được là đáng tin cậy. Hình 4. 6: Dữ liệu thu được từ cảm biến gia tốc theo trục X và trục Y 4.1.3. Dữ liệu cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ được kiểm định với một nhiệt kế đặt trong phòng thí nghiệm. Hình 4.7 cho thấy các dữ liệu đo được ở nhiệt độ phòng 26oC. Cảm biến đã cho dữ liệu với độ chính xác cao khi được so sánh với nhiệt kế đo nhiệt độ chuẩn tham chiếu.
  54. 52 Hình 4. 7: Dữ liệu thu được từ cảm biến nhiệt độ LM35 4.1.4. Dữ liệu cảm biến đo độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất cho dữ liệu được kiểm định với một máy đo độ ẩm và độ pH của đất Takemura DM-15 tiêu chuẩn. Hình 4.8 cho thấy giá trị nhận được từ các cảm biến đã được kiểm nghiệm trong môi trường đất ẩm ướt. Cảm biến này cũng đã được chứng minh cho dữ liệu có độ chính xác cao. Hình 4. 8: Dữ liệu thu được từ cảm biến đo độ ẩm đất Trường hợp thứ nhất: Kết quả đo của cảm biến độ ẩm đất cho biết độ ẩm hiện tại là 8 centibar, tương ứng với tình trạng đất đã bão hòa.
  55. 53 Hình 4. 9: Dữ liệu thu được từ cảm biến đo độ ẩm đất trường hợp 2 Trường hợp thứ hai: Cảm biến độ ẩm đất cho kết quả là 41 độ centibar, trường hợp này cho biết tình trạng đất đang có độ ẩm ở mức bình thường. Hình 4. 10: Máy đo độ ẩm và độ pH của đất Takemura DM-15 tiêu chuẩn Độ chia centibars ở đây là một thang đo xác định độ ẩm của đất:  0-10 Centibars: Đất bão hòa  10-30 Centibars: Tình trạng đất đủ độ ẩm (trừ cát thô, bắt đầu mất nước)  30-60 Centibars: Độ ẩm đất ở mức bình thường cho thủy lợi (hầu hết các loại đất)  60-100 Centibars: Giới hạn độ ẩm của đất cần phải tưới tiêu cho đất  100-200 Centibars: Tình trạng đất đáng báo động, quá khô cằn, không tốt cho sản xuất nông nghiệp. 4.2. Tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu Bằng thực nghiệm, khi cho hệ thống hoạt động ở những trường hợp với khoảng cách từ hệ thống tới gateway khác nhau, ta có thể xác định được tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu.
  56. 54 Trường hợp thứ nhất, đặt 1 nút cảm biến ở khoảng cách 5m so với gateway, số liệu thu được như bảng 4.1. Bảng 4. 1: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt 1 nút cảm biến cách xa 5m so với gateway Tỷ lệ chuyển giao Số lần đo Số gói gửi Số gói thu gói dữ liệu 1 102 100 98% 2 200 196 98% 3 350 338 97% Như vậy khi đặt 1 nút cảm biến cách xa gateway với khoảng cách 5m thì tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu thành công là 98%. Trường hợp thứ 2, đặt 3 nút cảm biến ở những khoảng cách khác nhau so với gateway trong điều kiện không có vật cản. Khoảng cách từ nút cảm biến số 1, cảm biến số 2 và cảm biến số 3 đến cổng gateway tương ứng là 2,5m, 3m và 4.5m. Hình 4. 11: Sơ đồ bố trí 3 nút cảm biến với khoảng cách khác nhau tới gateway Sau khi thu thập dữ liệu từ các cảm biến và truyền về gateway, số liệu thống kê số lượng gói dữ liệu truyền và nhận được ở gateway thu được như trong bảng 4.2. Bảng 4. 2: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt các nút cảm biến cách xa gateway tương ứng với khoảng cách 2,5m, 3m và 4,5m. Tỷ lệ chuyển giao Nút cảm biến Số gói gửi Số gói thu gói dữ liệu 1 104 68 65,4% 2 114 74 64,9% 3 105 70 66.7%
  57. 55 Trong trường hợp đặt các nút cảm biến cách xa gateway tương ứng với khoảng cách 2,5m, 3m và 4,5m, tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu thành công là xấp xỉ 65%. Trường hợp thứ 3, đặt nút cảm biến ở khoảng cách 48m so với gateway, các cảm biến được bố trí như hình 4.12. Hình 4. 12: Sơ đồ bố trí 3 nút cảm biến cách xa 48m tới gateway Số liệu thu được như bảng 4.3. Bảng 4. 3: Số lượng gói dữ liệu thu được khi đặt nút cảm biến cách xa 48m so với gateway Tỷ lệ chuyển giao Nút cảm biến Số gói gửi Số gói thu gói dữ liệu 1 108 62 57,4% 2 103 57 55,3% 3 105 60 57,1% Trong trường hợp này, 3 nút cảm biến cách xa gateway khoảng 48m, tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu thành công là xấp xỉ 57%. Trong trường hợp số 2 và số 3, có một vấn đề xảy ra với việc truyền nhận dữ liệu, nguyên nhân là do sự xung đột trong quá trình truyền dữ liệu liên tục từ ba nút cảm biến tới gateway cùng một lúc. Bên cạnh đó, tỷ lệ truyền gói dữ liệu cũng phụ thuộc vào yếu tố khoảng cách, tỷ lệ gói dữ liệu nhận được giảm từ 65% xuống còn 57% khi tăng khoảng cách từ 2,5m đến 48m. Như vậy, sau khi thực nghiệm truyền dữ liệu từ các nút cảm biến tới gateway ở khoảng cách khác nhau, tỷ lệ chuyển giao gói dữ liệu cao nhất trong trường hợp thứ 2, 3 nút cảm biến đặt cách gateway với khoảng cách tương ứng là 2,5m, 3m và 4,5m và không có vật cản. 4.3. Ƣớc lƣợng tổng mức năng lƣợng tiêu thụ của phần cứng nút cảm biến
  58. 56 Với mục tiêu chính thiết kế một mạng cảm biến, yêu cầu đặt ra cần tính toán tổng mức năng lượng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống. Năng lượng được xác định bởi công thức: P = V x I (4.1); với P là năng lượng, V là điện áp và I là dòng tiêu thụ. Nút cảm biến sử dụng một cục pin 6600 mAh, điện áp đầu ra là 3,7V, công suất của pin được tính: 6600 x 3,7 = 24420 mWh. Nút cảm biến bao gồm bo mạch chủ Waspmote, bo mạch giao tiếp mở rộng, mođun truyền dữ liệu không dây XBee, cảm biến gia tốc ADXL335, cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến độ ẩm đất Watermark. Tổng năng lượng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống bằng tổng mức năng lượng của các thành phần trong hệ thống. Bo mạch Waspmote: dòng tiêu thụ 15mA, điện áp 3,3V. P = 15 x 3,3 = 49,5mW. Trong trường hợp hệ thống hoạt động ở chế độ ngủ, dòng tiêu thụ của bo mạch Waspmote chỉ là 55µA, công suất tiêu thụ là 0,18mW. Môđun truyền dữ liệu không dây XBee, dòng tiêu thụ 15,2mA, điện áp 3,3V. Công suất tiêu thụ được xác định P = 15,2 x 3,3 = 50,16mW. Cảm biến gia tốc ADXL335: dòng tiêu thụ 350µA, điện áp 3,3V. P = 1,155mW Cảm biến đo nhiệt độ LM35: dòng tiêu thụ 10mA, điện áp 3,3V. P = 33mW. Cảm biến đo độ ẩm đất Watermark: dòng tiêu thụ khoảng 2mA, điện áp 3,3V. Công suất tiêu thụ là P = 2 x 3,3 = 6,6 mW  Trường hợp thứ nhất: Nếu đọc và truyền dữ liệu liên tục, khi đó tổng năng lượng tiêu thụ của nút cảm biến là: P = 49,5 + 1,155 + 50,16 + 33 + 6,6 = 140,415 mW Thời gian sống của nút cảm biến sẽ được tính bằng tỷ số tổng công suất pin nguồn chia cho tổng công suất tiêu thụ của các thành phần trong nút cảm biến: 24420/146,415 = 166,786 h (khoảng 7 ngày).  Trường hợp thứ hai: Sau 10 phút sẽ đọc và truyền dữ liệu 1 lần. Hệ thống mất 3 giây cho mỗi lần đọc và truyền dữ liệu. Tổng công suất tiêu thụ của hệ thống trong thời gian 3 giây cho quá trình đọc và truyền dữ liệu là: 140,415 x (3/3600) = 0,117 mWh. Trong chế độ ngủ, công suất tiêu thụ của nút cảm biến là 0,18mW. Trong khoảng thời gian 10 phút, tổng công suất tiêu thụ của nút cảm biến là: P = 0,18 x (10/60) = 0,03 mWh Tổng số lần đọc và truyền dữ liệu của hệ thống có thể là:
  59. 57 24420/(0,117 + 0,03) = 166122 (lần) Cứ 10 phút sẽ đọc và truyền một lần, mỗi lần đọc và truyền dữ liệu mất 3 giây, vậy thời gian cho một lần đọc và truyền hoàn thành là: 10/60 + 3/3600 = 0,1675 (h) Như vậy hệ thống sẽ có thể hoạt động là: 166122 x 0,1675 = 27825,435 (h) (khoảng 1159 ngày).
  60. 58 KẾT LUẬN Với mục tiêu của luận văn nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt đất. Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích và thiết kế hệ thống nút cảm biến đã được hoàn thiện, có thể rút ra kết luận như sau: - Luận văn đã nghiên cứu được thực trạng cảnh báo trượt đất ở Việt Nam và một số nước trên thế giới, đồng thời cũng xây dựng được cái nhìn tổng quan về mạng cảm biến không dây. - Vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất rất cấp thiết trong việc giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản ở Việt Nam cũng như các nước ở trên thế giới. - Hiện tại ở Việt Nam vẫn chưa có một hệ thống cảnh báo trượt đất nào được thương mại hóa. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và thiết kế thành công mạng cảm biến không dây bao gồm cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo độ ẩm đất đã góp phần vào việc nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất hoàn chỉnh có thể được ứng dụng giám sát điều kiện môi trường tự nhiên ở Việt Nam, đặc biệt là hiện tượng trượt đất. Hƣớng phát triển tiếp theo: Nghiên cứu và nâng cấp hệ thống mạng cảm biến không dây có khả năng ứng dụng trong hệ thống cảnh báo trượt đất. Nâng cao độ tin cậy của hệ thống, đồng thời tăng số lượng nút cảm biến trong mạng. Góp phần vào công tác giám sát, quản lý và giảm thiểu thiên tai tại Việt Nam.
  61. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1]. Nghiêm Hữu Hạnh. Một số giải pháp quản lý, phòng chống tai biến trượt lở ở vùng núi Việt Nam. Hội nghị khoa học toàn quốc, Hà Nội, 2008. [2]. Nghiêm Hữu Hạnh. Biến đổi khí hậu, nguy cơ tai biến trượt lở ở vùng núi Việt Nam và một số giải pháp quản lý, phòng chống. Tạp chí Địa kỹ thuật, số 3 năm 2009. [3]. Lomtadze V.D., Địa chất động lực công trình. NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp. Hà Nội, 1982. [4]. Vũ Cao Minh. Báo cáo tóm tắt: Nghiên cứu thiên tai trượt lở ở Việt Nam. Hà Nội, năm 2000. [5]. Nguyễn Sỹ Ngọc. Các yếu tố ảnh hưởng tới ổn định bờ dốc ở Việt Nam. Tuyển tập công trình Hội nghi khoa học toàn quốc lần thứ 5. Hội Cơ học đá Việt Nam. Hà Nội 2006. [6]. Doãn Minh Tâm. Nghiên cứu nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa trượt đất tại các điểm dân cư vùng núi Việt Nam. Tuyển tập công trình Hội nghi khoa học toàn quốc lần thứ 5. Hội Cơ học đá Việt Nam. Hà Nội 2006. Tài liệu Tiếng Anh [7]. Institute for Strategy and Policy on Natural Resources and Environment. Vietnam assessment report on climate change (VARCC). Ha Noi, 2008. [8]. Varnes D.J., Slope movement types and processes. Chater 2: Landslides- analysis and control. National academy of sciences. Washington, D.C. 1978 [9]. YIN Kunlong, CHEN Lixia, ZHANG Guirong. Regional Landslide Hazard Warning and Risk Assessment. Earth Science Frontiers, 2007, 14(6). China. [10]. Varnes David J. (1984), Landslide hazard zonation: a review of principles and practice, 63 pages, Paris, Unesco. [11]. Monserrat, Oriol, Michele Crosetto, Guido Luzi, Josep Gili, Jose Moya, and Jordi Corominas. (2014), "Long term landslide monitoring with Ground Based SAR", In EGU General Assembly Conference, 16, p. 10702. [12]. Ramesh, M. V. (2014), Design, development, and deployment of a wireless sensor network for detection of landslides, Ad Hoc Networks, 13, pp. 2-18. [13]. Yussoff, Y., Abidin, H. Z., Rahman, R. A., & Yahaya, F. H. (2010), “Development of a PIC-based wireless sensor column utilizing XBee technology”, The 2nd IEEE International Conference on Information Management and Engineering (ICIME), pp. 116-120.
  62. 60 [14]. Jiang, Zhi-Long, and Da-Nu Zhang. (2012), "Design of Coal Piling Sensor Based on ADXL335", Gongkuang Zidonghua - Industry and Mine Automation, 38(8), pp. 87-89. [15]. Mei-zhen, G. A. O. (2005), "Principle and application of the LM35 series temperature sensor”, Electronics Instrumentation Customer, 1, 60 pages. [16]. Kioumars, Amir Hoshang, and Liqiong Tang. (2011), "ATmega and XBee-based wireless sensing" IEEE International Conference on Automation, Robotics and Applications, pp. 351-356. [17]. Handbook of sensor networks algorithms and architectures, Ivan Stojmenovic’ [18]. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, Edited by Ivan Stojmenovic’ Trang Website tham khảo [19]. [20]. [21]. [22].