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

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 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 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 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 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 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 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 LEACH Low Energy Adaptive Clustering Hierachy Định tuyến tương thích năng lượng thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MEMS Micro-Electro-Mechanical Systems Hệ thống vi cơ điện tử MLME MAC Sublayer Management Entity Thực thể quản lý tầng MAC 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 SQDDP Sensor Query and Data Dissemination Giao thức phân phối dữ liệu và truy vấn cảm biến TADAP Task Assignment and Data Advertisement Protocol Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ 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 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 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 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! 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 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 Na