NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀO
CÔNG TÁC PHÒNG CHỐNG CHÁY RỪNG
WIRELESS SENSOR NETWORK RESEARCH FOR FOREST FIRE
DETECTION APPLICATION
SVTH: Hà Văn Thành , Lê Cao Trí, Trần Bá Tùng
Lớp 08DT3, Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
GVHD: KS. Phạm Xuân Trung
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này, chúng tôi cung cấp một hướng tiếp cận mới đối với công tác phòng
chống cháy rừng thông qua việc sử dụng mạng cảm biến không dây, nhằm thay thế cho các
phương pháp thủ công kém hiệu quả, cũng như các phương pháp hiện đại nhưng giá thành
đắt đỏ. Bằng cách ứng dụng các công nghệ cảm biến như: cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ
ẩm, khói để thiết kế các node cảm biến, sau đó phân tán chúng vào môi trường rừng cần giám
sát để tiến hành thu thập dữ liệu và gửi về trung tâm giám sát thông qua công nghệ truyền dữ
liệu số không dây để tiến hành xử lý , mạng cảm biến không dây có khả năng theo dõi, dự
báo, cảnh báo và chống cháy rừng một cách hiệu quả. Đây là một giải pháp hứa hẹn tạo ra
một bước đột phá mới trong công tác bảo vệ rừng.
Từ khóa: Mạng cảm biến không dây, cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến
độ ẩm, cảm biến khói, phòng chống cháy rừng.
ABSTRACT
In this paper, we propose a research approach for forest fire detection using wireless
sensor network to replace manual methods with low efficiency as well as modern high
technology ones but high cost. By combining sensing techniques, such as light sensing,
temperature sensing, humidity sensing, smoke sensing, with digital signal transmission to
monitor a particular area of forest by electronic equipments, this research can enhance
capability of tracking, predicting, and detecting forest fire. In other word, it is a promising
breakthrough in forest protecting task.
Key words: Wireless sensor network, light sensing, temperature sensing, humidity
sensing, smoke sensing, forest fire detection.


tiêu thụ và tiết kiệm năng lượng, bằng cách tối ưu hóa thiết kế phần cứng và các thuật
toán phần mềm.
2.2 Kết nối mạng
Kết nối mạng đóng một vai trò quan trọng trong sự vận hành của một hệ thống
cảnh báo cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây. Bất cứ lúc nào, tại bất cứ đâu,
có thể có một hoặc vài node cảm biến gây ra hiện tượng mất hoặc trễ gói tin do nguồn
điện yếu, yếu tố địa hình tác động, hư hỏng…Trong nhiều trường hợp, các gói tin bị trễ
hoặc mất làm ảnh hưởng tới mức độ chính xác và tin cậy của cả hệ thống, làm công tác
cứu hộ bị ảnh hưởng. Do đó, thiết kế cần phải đảm bảo cho hệ thống hoặc động trơn tru
và linh hoạt trong mọi tình huống.
2.3 Truyền thông
Mạng cảm biến không dây có ba loại truyền thông chính. Loại thứ nhất là loại
truyền thông 1 chiều chỉ hỗ trợ truyền dữ liệu từ node cảm biến về trạm gốc. Loại thứ
hai là loại truyền thông hai chiều, có thể giao tiếp 2 chiều giữa node và trạm gốc. Loại
cuối cùng là truyền thông đa chiều, các node có thể giao tiếp lẫn nhau để truyền tải
thông tin. Nhằm hạ giá thành và nâng cao hiệu quả làm việc, bài báo này chỉ tập trung
vào loại 1.
2.4 Thiết kế phần cứng và phần mềm
Nhằm nâng cao độ chính xác và tính tin cậy trong việc cảnh báo cháy rừng, hệ
thống đòi hỏi phải tích hợp một số loại cảm biến khác nhau, như cảm biến nhiệt độ, độ
ẩm, ánh sáng, khói, đồng thời qua đó kết hợp tối ưu hóa các thuật toán định tuyến ,các
2


quá trình xử lý tín hiệu số tại các node cảm biến, giúp tiết kiệm năng lượng trong việc
truyền nhận dữ liệu.
2.5 Xác định khả năng cháy rừng theo chỉ số Angstrom
Chỉ số Angstrom được tính theo công thức :

I


III

2,0 < I < 2,5

Có nhiều khả năng xuất hiện cháy rừng

IV

I < 2,0

Rất có khả năng xuất hiện cháy rừng

Phương pháp này đơn giản và dễ tính toán, tuy nhiên do chỉ tính từng ngày riêng
biệt, chỉ tiêu Angstrom không nêu được ảnh hưởng tích luỹ của nhiệt độ và độ ẩm
không khí, cũng không đề cập đến tác động của gió và mưa nên không phản ảnh chính
xác sự thay đổi độ ẩm vật liệu cháy.
3. Thiết kế hệ thống
Đề mục này cung cấp một mô hình thiết kế cho hệ thống giám sát và cảnh báo
cháy rừng sử dụng mạng cảm biến không dây dựa trên những yêu cầu hệ thống đã được
đề cập ở đề mục trên. Phần này sẽ tập trung trình bày các vấn đề như mô hình tổng quát
nhất của hệ thống, nguyên tắc hoạt động của các thành phần trong hệ thống,giới thiệu về
chương trình quản lý và mô hình node cảm biến.
3.1 Mô hình tổng quát
Hệ thống có mô hình mạng hình sao với một node xử lý trung tâm làm nhiệm vụ
thu thập dữ liệu và xử lý (Access Point) và gồm nhiều node cảm biến được phân bố
trong phạm vi mà hệ thống giám sát (End Device), các node này làm nhiệm vụ cảm biến
các thống số của môi trường và gửi dữ liệu về node trung tâm.

3


4


Hình 2. Lưu đồ trạng thái của ED

3.2.2 Access Point
Đầu tiên hệ thống khởi tạo phần cứng, các chuẩn giao tiếp, liên kết mạng... Sau
khi khởi tạo thành công thì AP sẽ thực hiện việc lắng nghe chờ kết nối mới nhằm phát
hiện ED muốn gia nhập vào mạng. Sau khi nhận dữ liệu gửi về từ ED thì AP sẽ đọc dữ
liệu sau đó truyền lên máy tính trung tâm để hiển thị trên giao diện chương trình giám
sát .Quá trình sẽ diên ra liên tục và lặp đi lặp lại các bước trên.
Từ đó ta xây dựng thuật toán sử dụng cho AP như sau:

Hình 3. Lưu đồ trạng thái của AP
5


3.3 Thiết kế node cảm biến
Nhằm đáp ứng nhu cầu giám sát cảnh báo cháy rừng, node cảm biến cần có khả
năng thu thập một số loại dữ liệu khác nhau như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, khói và có
thể xử lý tín hiệu và truyền các gói tin về node thu thập dữ liệu trung tâm. Đề mục này
sẽ nêu ra những thành phần phần cứng quan trọng trong node cảm biến.
Cấu trúc tổng quát của một node cảm biến như sau:

Hình 4. Cấu trúc node cảm biến

3.3.1 Khối xử lý
Sử dụng KIT eZ430-RF2500 là một sản phẩm ứng dụng của MSP430, được tích
hợp thêm bộ phận truyền nhận dữ liệu không dây hoạt động ở vùng tần số 2.4GHz và bộ

cần đo tần số đầu ra là có thể đo được điện dung của HS1101.

Hình 7. Sơ đồ mạch HS1101 và mối quan hệ giữa độ ẩm và điện dung của HS1101
7


Sau khi tính toán tần số nhờ sử dụng bộ Timer của MSP430F2274 thì ta có thể
suy ra được giá trị độ ẩm đo được.
Bảng 2. Mối quan hệ giữa độ ẩm và tần số

3.3.5 Cảm biến khói
Cảm biến khói là một trong 4 loại cảm biến dùng để thu thập dữ liệu. Sử dụng
công nghệ thu phát hồng ngoại để phát hiện khói trong phạm vi bảo vệ. Theo đó, một
LED phát hồng ngoại sẽ liên tục chiếu tia hồng ngoại vào một transistor quang, cặp linh
kiện này sẽ đảm nhiệm vai trò bộ cảm biến sự có mặt của khói. Khi không có khói,
cường độ ánh sáng hồng ngoại phát – thu đạt mức ổn định, tín hiệu đưa vào vi điều
khiển ở mức thấp. Khi có khói làm mờ cường độ ánh sáng hồng ngoại, tín hiệu đưa vào
vi điều khiển ở mức cao.
3.3.6 Bộ truyền tín hiệu
Sử dụng CC2500 tích hợp sẵn trên KIT làm nhiệm vụ truyền dẫn vô tuyến giữa
các node. CC2500 là vi điều khiển thực hiện các công việc như điều chế , giải điều chế,
kiểm tra lỗi, lặp bit…để phục vụ cho việc thu phát không dây.
Đặc điểm truyền nhận vô tuyến
- Độ nhạy cao
- Tiêu thụ dòng thấp
- Hỗ trợ tốc độ dữ liệu từ 1.2 đến 500Kbaud
- Dãy tần số từ 2.4GHz đến 2.4835GHz
4. Sản phẩm và đánh giá sản phẩm
Đề mục này trình bày kết quả phần cứng và phần mềm, dựa trên cơ sở lý thuyết
đã được đề cập ở các đề mục trên.

- Mạch hoạt động ổn định, công tác cảm biến, thu thập, cập nhật và
truyền nhận dữ liệu có độ chính xác cao, đáp ứng tức thời đối với bất
kỳ sự thay đổi nào từ các đối tượng nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khói.
- Mạch dễ lắp ráp và chế tạo với giá thành vừa phải.
- Thiết kế gọn nhẹ, dễ cầm nắm di chuyển.
 Nhược điểm:
- Khoảng cách truyền còn hạn chế, còn phụ thuộc vào địa hình, địa vật
trong vùng môi trường cần giám sát.
- Chương trình vẫn đang trong quá trình phát triển nên số lượng node
trong mạng chỉ giới hạn ở mức 32 node.
- Sử dụng năng lượng pin nên vòng đời hoạt động của mỗi node chưa
cao.
- Sử dụng mô hình liên kết hình sao, định tuyến tĩnh nên còn hạn chế
để triển khai giám sát trên môi trường rừng với diện tích lớn.

Hình 11. Sản phẩm hoàn chỉnh

5. Kết luận và hướng phát triển
Bài báo đã đưa ra một hướng tiếp cận mới trong công tác phòng chống cháy rừng
ở nước ta và trên thế giới sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ giúp tăng hiệu quả trong
việc phòng ngừa và cảnh báo cháy rừng. Nhằm nâng cao tính khả dụng của đề tài, cần
tập trung vào vấn đề phát triển nguồn năng lượng để đảm bảo kéo dài thời gian hoạt
động của mạng cảm biến không dây, chẳng hạn như tích hợp thêm các công nghệ sử
dụng năng lượng mặt trời, bên cạnh đó cần tích hợp thêm các thành phần mới như hệ
thống GPS giúp tăng độ hiệu quả trong công tác giám sát vị trí node, từ đó sẽ cải thiện
được khả năng quản lý khu vực rừng cần theo dõi. Mặt khác, cần cải thiện khả năng kết
nối của mạng, bằng cách áp dụng các mô hình liên kết hình mạng lưới, với khả năng
định tuyến gói tin động. Mô hình này cho phép mở rộng phạm vi giám sát lên nhiều lần,
10