Luận văn ThS: Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kỹ thuật Ad-hoc đa chặng

Luận văn thiết kế mạng cảm biến cảnh báo cháy ad-hoc đa chặng. Phân tích kiến trúc, thuật toán và mô phỏng hệ thống mạng không dây WPAN/ZigBee.

• Tác giả: Nguyễn Đăng Mạnh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trọng Tuần
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mạng Cảm Biến Cảnh Báo Cháy Sử Dụng Kỹ Thuật Ad-Hoc Đa Chặng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mạng cảm biến cảnh báo cháy Ad hoc đa chặng

Mạng cảm biến cảnh báo cháy sử dụng kỹ thuật Ad-hoc đa chặng là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực phòng chống cháy nổ tại các tòa nhà cao tầng. Hệ thống này được thiết kế để phát hiện sớm và cảnh báo kịp thời về nguy cơ cháy, từ đó bảo vệ tính mạng con người và tài sản. Công nghệ mạng Ad-hoc đa chặng cho phép các cảm biến giao tiếp với nhau mà không cần hạ tầng mạng cơ bản, tạo nên một mạng linh hoạt và dễ triển khai. Ưu điểm chính của hệ thống này là khả năng tự tổ chức, khả năng mở rộng và chi phí thấp. Đặc biệt, các cảm biến chỉ tiêu hao năng lượng thấp, cho phép hoạt động lâu dài mà không cần thay thế pin thường xuyên.

1.1. Khái niệm về mạng Ad hoc đa chặng

Mạng Ad-hoc là mạng không dây tự tổ chức, trong đó các nút cảm biến có khả năng truyền và nhận dữ liệu trực tiếp hoặc thông qua các nút trung gian. Kỹ thuật đa chặng cho phép dữ liệu được chuyển tiếp qua nhiều nút trước khi đến điểm đích, mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng. Điều này đặc biệt hữu ích trong các tòa nhà cao tầng với cấu trúc phức tạp, nơi tín hiệu trực tiếp có thể bị cản trở.

1.2. Ứng dụng trong hệ thống cảnh báo cháy

Hệ thống cảnh báo cháy đa chặng triển khai các cảm biến ở nhiều vị trí trong tòa nhà để giám sát toàn bộ khu vực. Khi phát hiện dấu hiệu cháy, cảm biến sẽ gửi tín hiệu cảnh báo đến trung tâm quản lý qua các nút trung gian. Cấu trúc này đảm bảo thông tin cảnh báo được truyền một cách đáng tin cậy và kịp thời.

II. Kiến trúc và thành phần hệ thống mạng cảm biến

Kiến trúc hệ thống mạng cảm biến cảnh báo cháy bao gồm ba thành phần chính: các nút cảm biến, các nút trung gian (relay) và trung tâm quản lý tập trung. Các nút cảm biến được đặt ở các vị trí chiến lược trong tòa nhà, chịu trách nhiệm phát hiện các dấu hiệu cháy như nhiệt độ cao, khí độc hại hoặc khói. Các nút relay hoạt động như những cầu nối, chuyển tiếp dữ liệu từ cảm biến đến trung tâm quản lý. Trung tâm quản lý là bộ não của hệ thống, tiếp nhận dữ liệu, phân tích, và đưa ra lệnh kích hoạt báo động. Thiết kế phân tán này cho phép hệ thống hoạt động linh hoạt và chịu lỗi tốt.

2.1. Các nút cảm biến và chức năng

Cảm biến cháy có thể phát hiện các loại cháy khác nhau thông qua các cơ chế khác nhau: cảm biến nhiệt phát hiện sự gia tăng nhiệt độ đột ngột, cảm biến khói phát hiện các hạt khói trong không khí, và cảm biến khí gas phát hiện các khí độc hại. Mỗi nút cảm biến được trang bị bộ xử lý và khối giao tiếp không dây, cho phép chúng gửi dữ liệu định kỳ về trạng thái hoạt động.

2.2. Cơ chế truyền tải dữ liệu

Giao thức truyền dữ liệu trong mạng Ad-hoc đa chặng sử dụng các thuật toán định tuyến như AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector). Khi một cảm biến cần gửi dữ liệu, nó sẽ tìm đường đi tối ưu đến nút đích thông qua các nút trung gian. Quá trình này đảm bảo dữ liệu được truyền đi một cách hiệu quả ngay cả khi mạng thay đổi cấu trúc.

III. Công nghệ ZigBee IEEE802

ZigBee dựa trên chuẩn IEEE 802.15.4 là lựa chọn lý tưởng cho mạng cảm biến cảnh báo cháy do những đặc tính vượt trội. Tiêu hao năng lượng thấp là ưu điểm chính, cho phép cảm biến hoạt động liên tục trong thời gian dài. Tốc độ truyền dữ liệu đủ để xử lý các cảnh báo cháy kịp thời, thường từ 250 kbps. Phạm vi hoạt động được mở rộng nhờ kỹ thuật đa chặng, có thể đạt đến 100 mét hoặc hơn trong môi trường mở. Khả năng tổ chức mạng nhanh chóng cho phép triển khai hệ thống một cách dễ dàng và linh hoạt. Ngoài ra, chi phí phần cứng thấp làm cho giải pháp này kinh tế và dễ mở rộng.

3.1. Đặc điểm kỹ thuật của IEEE 802.15.4

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa các thông số vật lý và điều khiển dữ liệu cho mạng LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network). Tần số hoạt động chủ yếu ở dải 2.4 GHz, điều chế sử dụng O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) để đạt hiệu suất truyền cao. Cấu trúc khung tin được thiết kế để giảm thiểu tiêu hao năng lượng, với chiều dài khung tin có thể điều chỉnh theo nhu cầu.

3.2. Tầng điều khiển dữ liệu MAC

Tầng MAC (Medium Access Control) sử dụng thuật toán CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) để quản lý truy cập đến kênh truyền. Thuật toán này giúp tránh va chạm dữ liệu khi nhiều nút cố gắng truyền đồng thời. Cơ chế GTS (Guaranteed Time Slot) cho phép các ứng dụng yêu cầu cao có thể đặt trước khe thời gian truyền, đảm bảo độ trễ thấp cho các gói dữ liệu cảnh báo cháy.

IV. Triển khai và giáo dục ứng dụng hệ thống thực tế

Triển khai mạng cảm biến cảnh báo cháy trong các tòa nhà cao tầng Hà Nội đòi hỏi lập kế hoạch kỹ lưỡng và hiểu rõ về yêu cầu phòng chống cháy. Hệ thống cần được thiết kế để phủ sóng toàn bộ các khu vực, bao gồm các hành lang, phòng làm việc, kho lưu trữ và điểm tập trung. Quá trình chuẩn bị bao gồm khảo sát địa điểm, lựa chọn vị trí cảm biến tối ưu, và tính toán số lượng nút trung gian cần thiết. Thử nghiệm và hiệu chỉnh là bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống trước khi vào hoạt động chính thức. Giáo dục và đào tạo cho lực lượng quản lý và vận hành là yếu tố quyết định thành công.

4.1. Quá trình thiết kế và lắp đặt hệ thống

Bước đầu tiên là khảo sát chi tiết tòa nhà để xác định vị trí lắp đặt cảm biến sao cho không có vùng chết. Tính toán khoảng cách giữa các nút để đảm bảo chúng có thể giao tiếp được với nhau hoặc thông qua các nút relay. Lựa chọn phần cứng phù hợp với điều kiện môi trường, chẳng hạn như nhiệt độ và độ ẩm. Lập trình và cấu hình các cảm biến với các tham số phù hợp là công việc kỹ thuật quan trọng.

4.2. Kiểm tra bảo trì và cải tiến liên tục

Kiểm tra định kỳ đảm bảo tất cả cảm biến hoạt động bình thường và pin có đủ năng lượng. Theo dõi hiệu suất mạng bằng cách ghi nhận tốc độ truyền dữ liệu, tỉ lệ gói tin mất mát, và thời gian phản hồi. Cập nhật firmware khi cần thiết để sửa lỗi hoặc cải tiến tính năng. Tiếp thị giáo dục cho người dùng giúp nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của hệ thống này trong công tác phòng chống cháy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1 TÓM TẮT ĐỎ ÁN. ‘QUAN VÉ MẠNG WPAN VÀ ONG I DUNG CHO MANG CANH BAO CHAY. Phân loại các chuẩn mạng WPAN. — Khải quảtvề ZigBee/IEEES02.

Uudiểm của a ZigBesTBDS02.4 với Bluetootl/IEHE802. MạngZigBee/IEEES02154LR-WPAN 7 1. - Thành phần của mạng LR-WPAN. Kiến trúc liên kếtmạng.

Môhình giao thức của Zigbee/IEOES01. Mô hình điều chế tin hiệu của tầng vật lý —-- 1. Cáo thông số kỹ thuật trọng tầng vật lý của IHHE 802. Dinh dang khung tin PPDU.

Tầng điều khiển dữ liệu Ziglec MAI 1. Cấu trúc siêu khung. Thmật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biên sóng mang CSMA-CA. _ Các mô hình truyền đữ liệu.

Phát thông tin bao higu beacon - - 35 1. Quân ý và phân phối khe thời gian đâm bão GTS. Pink dang kbung tin MAC 27 1.8 Kha nang dng đụng công nghệ mạng Zigbee vào hệ thống cảnh báo chay 1. Thực hạng nhà cao tầng và công tác PCCC hiện my 28 ni LOI MO DAU Ngày nay, khi các công nghệ rạng thông tim đang có những bước phát triển nhanh chóng, nó cho phép ta ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vục thực tế dễ phục vụ tốt thơn cho cuộc sống của con người.

Một công nghệ rà học viên muốn để cập đến và nghiên cứu phát triển trong dỗ án này, đó là mạng, WPAN. Mạng cá nhân không dây tốc dò thập LR-WPAN (TEEE 802.4) là một chuẩn mạng cũng đang rồi phát triển. và có tỉnh ứng, dụng cao trong cuộc sóng, Đây lä một chuẩn truyền tin tốc độ thập nhưng có tru điểm nổi trội là tiêu hao năng lượng thấp và có khả năng thiếp lập phiên truyền rất nhanh chong. Chinh viv mà nỏ thích hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa, tự động hỏa, và một trong só đó là ứng dụng vào mạng cảnh báo chảy tự động- một mạng, có nhiều rút cảm biến vả thông tin cân được truyền tái một cách.

kịp thời Xuất phát từ thực tế, đó là các tòa nhá cao tang đang mọc lên ngày cảng nhiều và di cing với nó là khả năng xây ra những tai nạn vẻ chảy nỗ hẻt sức nguy hiểm đổi với tính mạng con người kéo theo những thiệt hại lớn về tài sản. Do vậy, ta có thể thấy được sự cân thiết phâi xây đựng một hệ thống cỏ khả năng thu thập va giảm sát được tất cả những thông tin về ngưy ca chảy nề tới tất cả các vị trí trang mt t6a nhà để thực hiện được công tác phòng ch Sau khi tim hiểu về LR- WPAN, hoe vién thay ring hoàn loa có thế ứng dụng công righệ này để xây dựng, tiên mội. hệ thông mạng không dây với số luợng lớn các núi, đặt lại các điểm cân giảm sát đễ câm nhận các thông lin về môi trường và truyền về trưng tâm quân ]ý để có những phân ứng kịp thời nhằm chữa chảy có hiệu quã Với ý tưởng trên, học viên dã thực hiện nghiên cửu và thực hiện dẻ tải ““Thiết kế mạng cảm biến cảnh báo chảy sử dụng kĩ thuật Ad-hoc da chiang”. Dé tai nảy là một phan đóng, gòp vào công trình “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hệ thống cánh bảo ty doug và hỗ trợ tìm kiếm cửu nạn phục vụ Phỏng Chị Chữa Cháy trên địa bàn Thành phố Hả Nội” do 1S.

Đỗ Trọng Tuần làm chủ để tải. IIệ thống có nhiệm vụ phát hiện đám cháy trong các tàa nha cao ting va dua thông tín đỏ về trạm trung tâm của từng quận, huyện thỏng cũng như lực lượng cảnh sát PCCC pan nơi xây ra đám chảy nhật. Một phương tiện bay không người lái được chế tạo để hễ trợ công tác PCỢC. Các thanh ghi diễu khiển chế độ nhận bản tịm.7 Cấu trúc bản tin từ thanh ghỉ đử liệu tới kênh truyền Hinh 3.

Mô hình thử nghiệm Hinh 3. Tốc độ dữ liệu truyền trực tiếp và giản Hiếp trong mạng không beacon "Hình 3.10 Giá trị RSSI với việc truyền trực liễp và gián liếp trong mạng không beacon.11 Tốc độ đữ liệu hiệu đụng và tỉ lệ chuyến gói khinỉ đăng CCSMA-CA với tải lưu lượng biến thiên trong mang khong beacon 54 Hình 3. Tốc dộ dữ liệu hiệu dụng và tỉ lệ chuyển gói khi dùng CSMA-CA. với kích thước tai đít liệu biến thiên trong mạng không beacon Hình 3.

Tốc dộ dữ liệu hiệu dụng ương mạng cho phép boacon. ‘Thuat toan AODV Tlinh 3. Thông lượng mạng với các thông số thay đổi Hinh 3. Tré tim dường với thông số thay đổi.

Sơ để của một mạng lưới đầy đủ kich thước 4x4x3. %Xét một nút mạng với các nút lân cận. Tuyên đường của một mạng kich thước 22x2. Quá trình truyền bản tỉn truy vẫn từ nút trung tâm tới một nút bất kì 73 Hình 3.

Loán xử Tý cơ bảm của muội.22 Thuật toán chỉ tiết cho quá trình chuyển tiếp bản tin của một nút Ty). Mô phỏng hoạt đông mạng. con noi 76 Hình 3.24 Bản tin được truyền thao tuyến 1 Hình 3.35 Đền tín được truyền theo tuyển 2. 78 vi Các loại hệ thông cảnh bảo cháy phổ biển hiện nay.

Khả nắng xây dựng hệ thống cảnh báo chảy dùng, Zisbee „31 CHƯƠNG 2: CAC THUAT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD-HOC DA CHAN 32 2. Thuật toản định tuyến theo yêu cau AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector). so 32 Thuật toàn hình cây 38 Thuật toán hình cây đa nhánh. - 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KE MẠNG CẮM BIE! „41 3.

— Thiết kể hệ thống ting thé we AL 3. Chức năng cáo thành phan trong hệ thống, - - 41 3. — Triển khai mạng chỉ tiết. Sa dé khoi médun zigbee - 42 3.

Co ché phat gditin - - - 44 3. Thứnghiệm hiệu nẵng mạng không By chuẩn WPAN 51 33. Cau hinh thir nghiém - - 51 33. Xây dựng mạng hoạt động theo AODV (ad hac on-demand distance-vector) Thuật toán.

+ Mô phỏng và kết quả - - 63 Ket aan Xây dụng mô hình mạng ng dạng lưới không gian 'Thông số về mút mang va ban tin dữ liệu Thuật toán. seo TÔ Mô phông mạng dàng OMNET TH H211 re, se, TỔ 3. Thứnghiệm 78 KẾT LUẬN Các loại hệ thông cảnh bảo cháy phổ biển hiện nay. Khả nắng xây dựng hệ thống cảnh báo chảy dùng, Zisbee „31 CHƯƠNG 2: CAC THUAT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CHO MẠNG AD-HOC DA CHAN 32 2.

Thuật toản định tuyến theo yêu cau AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector). so 32 Thuật toàn hình cây 38 Thuật toán hình cây đa nhánh. - 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KE MẠNG CẮM BIE! „41 3. — Thiết kể hệ thống ting thé we AL 3.

Chức năng cáo thành phan trong hệ thống, - - 41 3. — Triển khai mạng chỉ tiết. Sa dé khoi médun zigbee - 42 3. Co ché phat gditin - - - 44 3.

Thứnghiệm hiệu nẵng mạng không By chuẩn WPAN 51 33. Cau hinh thir nghiém - - 51 33. Xây dựng mạng hoạt động theo AODV (ad hac on-demand distance-vector) Thuật toán. + Mô phỏng và kết quả - - 63 Ket aan Xây dụng mô hình mạng ng dạng lưới không gian 'Thông số về mút mang va ban tin dữ liệu Thuật toán.

seo TÔ Mô phông mạng dàng OMNET TH H211 re, se, TỔ 3. Thứnghiệm 78 KẾT LUẬN Trong quả trình thực hiện để tài này, em dã nhận dược sự quan tam, hé to br gido viên hưởng dẫn, sự cộng tác làm việc của các cm sinh viên phỏng Lab 410 củng với sự úng hộ từ gia đỉnh. Em xin gửi lời cảm on chân thành nhất tới TS. DS Trọng, Tuân là người trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ vẻ ÿ tưởng cũng như các tải liệu cần thiết để ern có thể thực hiện đề tải này.

Thời gian qua, em đã nễ lực tim hiểu và thực hiện đổ án, tuy nhiên cũng. không thể Iránh khôi những thiêu sót nhật định. em rải mơng nhận được những ý kiến đỏng góp của quý thây cô cùng các bạn để hệ thống có thế triển khai tat hau trong điều kiện thực tế 1à nội, ngày 08 thắng 09 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Mạnh W DANH MỤC BẢNG BIÊU, SƠ ĐÒ Tlinh 1.1 So sánh chuẩn Z4gbee với Bluetooth và TRE 802 .2 Câu trúc mạng hình sao Himhl.3 Câu trúc mang mesh.4 Câu trúc mạng hình cây Hình 1.5 Cúc lớp giao Unie cia ZagBee.6 Bang tần hệ thông của ZigBee.7 Pha của sóng mang - - 14 Hình 1.8 Mô hình tư chiếu lớp vật lý TEEE 802.15 4 giáo tiếp với lớp MAC.9 Câu trúc siêu khung - 17 Hình 110 Khoảng cách liên khung trong (a) Truyền có ACK và (bì Truyền không có ACK.L1 Thuật toán tránh xung đột CSMA-CA Hình 1.12 Liên lạc trong mạng (a) có beacon và (b) không beaeon.13 Kết nỗi trong mạng (a) cd beacơn và (b) không beacow.) Định đạng tuyên đường trong giao thức AODV. Hình 32 Quả trình chọn nốt gốc (CH) Tlinh 2.3 Thiết lập kết nói giữa CHI và nết thành viên.4 Quá trình hình thành nhanh nhiền bậc.5 Giản địa chỉ nhỏm quá nốt trung gian.6 Gan địa chỉ nhóm qua nót ic Tỉnh 3.7 Gián địa chỉ nhỏm qua nốt gốc và nốt bung gian Hình 2.8 Mạng cây da nhánh và các nốt trung gian.

on vn tre Hình 3. Thành phần cửa núi cm biến. hành phần của nút trung, tâm. oi ec 522vsvve> THỉnh 3.4 Giao tiếp giữa môđun điền khiên và médun mang khéng đây Tỉnh 3.

Cau tnic ban tin từ kênh truyện tới thanh ghi dit lig thn. Trong quả trình thực hiện để tài này, em dã nhận dược sự quan tam, hé to br gido viên hưởng dẫn, sự cộng tác làm việc của các cm sinh viên phỏng Lab 410 củng với sự úng hộ từ gia đỉnh. Em xin gửi lời cảm on chân thành nhất tới TS. DS Trọng, Tuân là người trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ vẻ ÿ tưởng cũng như các tải liệu cần thiết để ern có thể thực hiện đề tải này.

Thời gian qua, em đã nễ lực tim hiểu và thực hiện đổ án, tuy nhiên cũng. không thể Iránh khôi những thiêu sót nhật định. em rải mơng nhận được những ý kiến đỏng góp của quý thây cô cùng các bạn để hệ thống có thế triển khai tat hau trong điều kiện thực tế 1à nội, ngày 08 thắng 09 năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đăng Mạnh W Tw viet tat Từ viết đây đú Ghỉ chú O-QPSK | Offset Quadrature Phasa- Điiều chế khóa địch pha bến mức Shift Keying PAN Personal Area Network Mạng cá nhân PD PITY Data Dit ligu PITY PIR PITY Leader Tiêu để PIY PLME Physical Layer Management | Thy thé quan ly Iép vật lý Enility PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PHY PSDU PHY Service Data Unit Don vi dit ligu dich vu PHY RFD Reduced Function Deviec "Thiết bị bớt chức năng, RREP Route Reply Trả lời tuyển. RRƯO Route Request Yêu câu tuyển RX Receiver Hộ thụ SAP Service Access Point Diễm trưy nhập dịch vụ.