ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

4

LỜI NÓI ðẦU
Hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoạt
hàng ngày. Mặc dù ñã có nhiều biện pháp và hệ thống ñược ñưa ra ñể phát hiện và
cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra, gây nhiều thiệt hại về
người và của.
Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy tự
ñộng nào ñược triển khai. Do ñó, nếu ñể xảy ra cháy thì thiệt hại là vô cùng lớn,
thời gian ñể khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của.
Với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả, mô hình trao ñổi thông tin tin cậy,
công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) ñang ngày càng
chứng tỏ ñược ưu ñiểm của nó trong các hệ thống quan trắc và giám sát môi trường
tự ñộng.
Từ thực tế công tác trong nhiều năm giảng dạy và quản lý mạng máy tính của
nhiều ñơn vị,em ñã chọn ñề tài: “Hệ thống cảnh báo cháy tự ñộng sử dụng công
nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network)”, với mong muốn xây
dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ
cháy, giúp hạn chế tối ña hậu quả do hỏa hoạn gây ra .
ðể hoàn thành ñược ñồ án này.Em xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Mạnh
Thắng ñã tận tâm hướng dẫn và tạo ñiều kiện tốt nhất về nơi làm việc cũng như thiết
bị trong quá trình em thực hiện ñồ án này.
Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2011
Cao học viên thực hiện

ðỗ Mạnh Hà

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2


electrical power grid, such as: forests, moutain…; or not make design changes as
well as the beauty of works such as: residential, office, goods warehouse,
supermarket
The thesis includes 05 chapter:
Chapter 1 : Analysis of requirements
Chapter 2 : System analysis
Chapter 3 : System design
Chapter 4 : Results obtained and development topics
Chapter 5 : Conclusion
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

7 MỤC LỤC
LỜI NÓI ðẦU 4
TÓM TẮT ðỒ ÁN 5
ABSTRACT 6
DANH SÁCH HÌNH VẼ 9
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 11
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 12
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH YÊU CẦU 13
1.1. Giới thiệu chung 13
1.2. Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế 14
1.2.1. Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng 14
1.2.2. Hệ thống cảnh báo cháy rừng 15
1.3. ðặt yêu cầu bài toán 15
1.4. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật 16
1.4.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng 16
1.4.2. Một số yêu cầu kỹ thuật khác 18

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined.

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

9 DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay. 4Hình 2.1. Mô hình tổng quát của một mạng cảm biến không dây (WSN) 4

Hình 2.2. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee. 4

Hình 2.3. Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết. 4

Hình 2.4. Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee 4

Hình 2.5. Bảng ñịnh tuyến của một nút mạng WSN 4

Hình 2.6. Nút mạng R3 tìm ñường ñi ñến nút mạng R6 theo thuật toán AODV. 4

Hình 2.7. Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm ñường cho nút mạng R3. 4

Hình 2.8. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Many-to-One. 4

Hình 2.9. Quá trình ñịnh tuyến theo thuật toán Source Routing. 4

Hình 2.10. Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN 4

Hình 3.12. Sơ ñồ chân của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4

Hình 3.13. Cấu trúc khung tin trong chuẩn giao tiếp USART. 4

Hình 3.14. Cấu tạo phần phát của khối truyền thông USART. 4

Hình 3.15. Cấu tạo phần thu của khối truyển thông USART 4

Hình 3.16. Khối tạo ñiện áp chuẩn FVR. 4

Hình 3.17. Cấu tạo của khối chuyển ñổi tương tự - số (ADC) 4

Hình 3.18. Thanh ghi ñiều khiển ADCON0 của khối ADC 4

Hình 3.19. Thanh ghi ñiều khiển ADCON1 của khối ADC 4

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

10

Hình 3.20. Thanh ghi ñiều khiển ADCON2 của khối ADC 4

Hình 3.21. Cấu tạo bộ tạo ñiện áp tham chiếu của khối so sánh. 4

Hình 3.22. Cấu tạo khối so sánh trong vi ñiều khiển PIC18F26K20 4

Hình 3.23. Thanh ghi ñiều khiển INTCON của vi ñiều khiển PIC 18F26K20. 4

Hình 3.24. Hình dạng và sơ ñồ chân của cảm biến nhiệt ñộ MCP9700. 4


not defined.

Hình 4.3. Ảnh chụp màn hình ứng dụng quản lý hệ thống. Error! Bookmark not
defined.ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

11 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Một số yếu cầu kỹ thuật ñối với ñầu báo cháy tự ñộng 4Bảng 3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee 4

Bảng 3.2. Các loại khung tin API. 4

Bảng 3.3. Công thức tính tốc ñộ Baud của khối USART. 4

Bảng 3.4. Tốc ñộ Baud và F
OSC
. 4

Bảng 3.5. Tốc ñộ Baud và F
OSC
(tiếp). 4

Bảng 3.6. Các trường dữ liệu trong cơ sở dữ liệu của chương trình quản lý. 4

Communications
Hệ thống thông tin di ñộng
toàn cầu
ISM Industrial, Scientific and
Medical
Dải tần số cho các ứng
dụng thương mại
DSSS Direct-Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ trực tiếp
ADC Analog to Digital Coverter Chuyển ñổi tín hiệu tương
tự - số
CMOS Complementary Metal–
Oxide–Semiconductor
Vi mạch tích hợp bán dẫn
oxit kim loại
UART Universal Asynchronous
Receiver/Transmitter
Chuẩn truyền thông không
ñồng bộ
API Application Programming
Interface
Giao diện lập trình ứng
dụng
RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy nhập nhẫu
nhiên
CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
AES Advanced Encryption
Standard
Chuẩn mã hóa bảo mật

hiệu cảnh báo kịp thời. Thêm vào ñó, do hệ thống báo cháy không ñược kết nối tới
trung tâm PCCC nên phải mất một thời gian khá lâu lực lượng chức năng mới tiếp
cận ñược khu vực hỏa hoạn.
Việt Nam nằm trong khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khô, nhiều khu
vực rừng có nguy cơ cháy rất cao. Do ñịa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm và lâm
trường còn mỏng, các trang bị phòng cháy và chữa cháy còn thiếu thốn, nên nếu ñể
xảy ra cháy thì hậu quả rất nghiêm trọng. Vụ cháy hơn 1000ha tại vùng lõi rừng U
Minh Thượng và U Minh Hạ năm 2002 ñã làm cho thảm thực vật ở ñây gần như bị
phá hủy hoàn toàn, có thể phải mất hàng chục năm sau mới phục hồi ñược nguyên
trạng.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

14 Hình 1.1. Mô hình hệ thống báo cháy ñang ñược sử dụng hiện nay.
Từ thực tế nêu trên, phát hiện sớm và cảnh báo cháy kịp thời có ý nghĩa rất lớn
trong phòng chống cháy nổ, giúp hạn chế thiệt hại khi xảy ra hỏa hoạn.
1.2. Các hệ thống cảnh báo cháy ñang ñược sử dụng trong thực tế
1.2.1. Hệ thống cảnh báo cháy ở khu dân cư, nhà cao tầng
Cùng với sự hiện ñại hóa các ñô thị, các chung cư và nhà cao tầng ñược xây
dựng, và hệ thống phòng cháy chữa cháy là một phần không thể thiếu trong thiết kế
của một công trình. Hiện nay, hệ thống báo cháy thường ñược sử dụng là hệ thống
báo cháy có dây, có thể có ñịa chỉ và ñược tổ chức theo mô hình sau:
Có thể thấy từ mô hình trên, hệ thống báo cháy phải ñược cấp nguồn riêng biệt
và không ñược phép mất nguồn, thường không có phần mềm giám sát thời gian
thực trạng thái của hệ thống.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

15


• Phạm vi sử dụng rộng rãi.
• Có khả năng giám sát trạng thái hệ thống từ xa theo thời gian thực.
ðể ñảm bảo các yêu cầu ñã ñặt ra, ñồ án sẽ ñược tiến hành lần lượt theo các
bước sau :
• Nghiên cứu tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống báo cháy tự ñộng.
• Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn
IEEE802.15.4.
• ðưa ra phương án thiết kế phù hợp với yêu cầu ñặt ra và ñiều kiện kỹ
thuật ở Việt Nam.
• Thiết kế và kiểm tra chất lượng, ñộ tin cậy của hệ thống.
1.4. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật
1.4.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 về hệ thống báo cháy tự ñộng
ðể sản phẩm của ñề tài có thể ñược chấp nhận và ñược phép sử dụng rộng rãi
trong thực tế thì các thiết bị phải thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000
về hệ thống báo cháy tự ñộng.
“Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2000 ñược áp dụng cho các hệ thống báo
cháy tự ñộng ñược trang bị tại các nhà máy, xí nghiệp, kho tàng, trụ sở làm việc,
bệnh viện, trường học, rạp hát, khách sạn, chợ, trung tâm thương mại, doạnh trại
lực lượng vũ trang và các công trình khác có nguy hiểm về cháy, nổ…” [1].
“Hệ thống báo cháy tự ñộng phải ñáp ứng những yêu cầu sau :
- Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng ñã ñược ñề ra;
- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo ñộng rõ ràng ñể những
người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp;
- Có khả năng chống nhiễu tốt;
- Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống;
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

17


tại nơi ñặt ñầu báo
cháy
Không lớn hơn
98%
Không lớn hơn 98% Không lớn hơn 98%

Nhiệt ñộ làm việc Từ -10
o
C ñến
+170
o
C
Từ -10
o
C ñến +50
o
C Từ -10
o
C ñến
+50
o
C
Diện tích bảo vệ Từ 15m
2
ñến 50m
2
Lớn hơn 50m
2
ñến
100m

• CPU Intel Pentium4 3.0Ghz.
• Bộ nhớ ram 1GB.
• Ổ cứng 80GB.
• Có kết nối mạng Internet.
• Có hệ thống loa.
• Có nguồn ñiện dự phòng và hoạt ñộng liên tục 24/24.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

19 Hình 2.1. Mô hình tổng quát của một mạng cảm biến không dây(WSN).

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
Nội dung của Chương 2 sẽ giới thiệu về công nghệ mạng cảm biến không dây
(wireless sensor network) và mô hình mạng ZigBee, từ ñó ñề xuất mô hình của hệ
thống cảnh báo cháy, sơ ñồ khối của các nút mạng cảm biến, sơ ñồ khối của hệ
nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu, các chức năng cần có của phần mềm quản lý
hệ thống.
2.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network
(WSN)
2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN
Mạng cảm biến không dây – WSN là khái niệm ñể mô tả một hệ thống mạng
thông tin, ñược sử dụng ñể giám sát các thông số môi trường như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm,
áp suất, nồng ñộ khí…mà trong ñó các nút mạng trao ñổi thông tin với nhau qua
ñường truyền vô tuyến.
2.1.2 Tổ chức và hoạt ñộng của một mạng cảm biến không dây
2.1.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quát
Theo như khái niệm ở trên, có thể thấy rằng, một mạng cảm biến không dây là
tập hợp rất nhiều các nút mạng giao tiếp với nhau qua ñường truyền vô tuyến theo

- Trong một mạng ZigBee, có duy nhất một Cordinator.
- Có nhiệm vụ lựa chọn kênh tần số và PAN_ID ñể khởi tạo WSN.
- Cho phép router và end device liên kết vào mạng.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

21 Hình 2.2. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee.
- Hỗ trợ router trong việc ñịnh tuyến cho các bản tin.
- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu cho các end device.
- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục.
• Router: là thiết bị trung gian, có chức năng ñệm dữ liệu, ñịnh tuyến và
chuyển tiếp dữ liệu trong mạng.
- Trong một mạng ZigBee có nhiều router.
- Router phải liên kết vào mạng trước khi truyền, nhận và ñịnh tuyến
bản tin.
- Sau khi liên kết vào mạng, một router có thể cho phép end device
hoặc router khác liên kết vào mạng.
- Có nhiệm vụ ñệm dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu cho các end device.
- Luôn ở trạng thái thức, phải ñược cấp nguồn liên tục.
• End device: là các nút mạng có gắn cảm biến.
- Phải liên kết vào mạng trước khi truyền hoặc nhận dữ liệu.
- Không có khả năng cho phép nút khác liên kết vào mạng.
- Không có khả năng ñịnh tuyến dữ liệu. Luôn nhận hoặc gửi dữ liệu
thông qua Router hoặc Cordinator.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

22


23

hàng xóm của nó. Nội dung của các bản tin là danh sách các nút mạng hàng xóm
cùng với chất lượng ñường truyền giữa các nút mạng ñó với nút mạng gửi bản tin.
Dựa vào thông tin có trong bản tin nhận ñược, các nút mạng sẽ chọn ra ñược ñường
liên kết tốt nhất ñể trao ñổi thông tin với nút mạng hàng xóm của nó.
Trong mạng ZigBee, có ba thuật toán ñịnh tuyến ñược sử dụng ñể tìm ñường
ñi ñến ñích cho bản tin:
• Adhoc On-Demand Distance Vector (AODV) – ñịnh tuyến theo vector
khoảng cách: Bản tin ñược chuyển tiếp qua nhiều nút mạng ñể ñến ñích,
và một nút mạng biết ñược cần phải gửi bản tin ñến nút kế tiếp nào trong
mạng.

Hình 2.3. Quá trình trao ñổi thông tin về trạng thái ñường liên kết. Hình 2.4. Quá trình gửi gói tin ñến ñích trong mạng ZigBee.

ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

24

qua một nút mạng trung gian, thông tin về ñường ñi ñến nút ñó ñược
cập nhật vào bản tin. Các nút mạng nhận ñược gói tin trên sẽ biết ñược
ñường ñi ñến Gateway và lưu vào bảng ñịnh tuyến của nó.
• Source Routing - ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn:
- Khi một nút mạng muốn gửi thông tin ñến nhiều nút trong mạng, nếu
sử dụng thuật toán ñịnh tuyến AODV thì quá trình tìm ñường ñi diễn
ra một cách liên tục, ñiều này làm giảm hiệu năng của mạng và gói tin
sẽ có thời gian trễ lớn. ðể khắc phục nhược ñiểm của AODV, thuật
toán ñịnh tuyến theo ñịa chỉ nguồn sẽ yêu cầu nút ñích gửi trả lại cho
nút nguồn gói tin chứa thông tin về ñường ñi ñến ñích, và nút nguồn
sẽ lưu giữ ñường ñi ñó trong bảng ñịnh tuyến của nó.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2

26 Hình 2.10. Mô hình tổng quát hệ thống báo cháy sử dụng công nghệ WSN.

2.2. Mô hình hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ WSN
Từ những yêu cầu kỹ thuật ñối với hệ thống báo cháy tự ñộng và mô hình của
mạng cảm biến không dây chuẩn ZigBee, hệ thống báo cháy tự ñộng sẽ ñược xây
dựng theo mô hình sau:
Hệ thống bao gồm :
• Một mạng cảm biến không dây, các nút mạng có khả năng phát hiện
cháy thông qua các cảm biến nhiệt ñộ, cảm biến khói, cảm biến nồng ñộ
khí…; ñược tổ chức theo mô hình mạng ZigBee chuẩn IEEE802.15.4.
• Một hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến về trung
tâm và ngược lại.
ðồ án tốt nghiệp ðỗ Mạnh Hà –CHK2


nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu từ mạng cảm biến tới phần mềm quản lý hệ thống
thông qua mạng Internet/GPRS/3G và ngược lại.
Khi người sử dụng phần mềm gửi bản tin yêu cầu cập nhật trạng thái của
mạng cảm biến, hệ nhúng sẽ tiến hành tách dữ liệu và xử lý, sau ñó gửi bản tin cho
các nút mạng cảm biến thông qua một module truyền thông chuẩn ZigBee gắn trên
hệ nhúng.
Các bản tin do nút mạng cảm biến trả về sẽ ñược hệ nhúng ñóng gói trong gói
tin của giao thức mạng Internet/GPRS/3G ñể gửi về trung tâm. Phần mềm quản lý
hệ thống ở trung tâm sẽ xử lý gói tin nhận ñược và cập nhật vào trong cơ sở dữ liệu.
2.2.3. Sơ ñồ phân cấp chức năng phần mềm quản lý hệ thống cảnh báo cháy

Trích đoạn Chương trình điều khiển hệ nhúng thu thập và chuyển tiếp dữ liệu

---