ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT LỞ ĐẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
------------------------------------------

NGUYỄN VĂN HÙNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CỤM
CẢM BIẾN SỬ DỤNG CHO HỆ
THỐNG CẢNH BÁO SẠT 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
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


năm 2015

Nguyễn Văn Hùng


2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Hùng
Sinh ngày 26 tháng 28 năm 1983
Học viên lớp Cao học khoá 3 – Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại học Công
Nghệ – Đại học Quốc Gia Hà Nội.
Hiện đang công tác tại khoa Điện – Trường Cao đẳng nghề Thừa Thiên Huế.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn là PGS.TS. Trần Đức Tân, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày

tháng năm 2015
Học viên

Nguyễn Văn Hùng


3

MỤC LỤC

2.4.3. Tính chất thủy văn đồi dốc .................................................................................. 33
2.4.4. Ngưỡng lượng mưa đối với đồi dốc không ổn định ............................................ 37
2.4.5. Mô phỏng thí nghiệm .......................................................................................... 39
2.4.6. Sự phát triển quy mô đồi dốc theo thời gian ....................................................... 40
CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ................................................... 44
3.1. Mô phỏng mạng WSN dùng Omnet++ .................................................................. 44
3.1.1. Công cụ mô phỏng OMNeT++ ........................................................................... 44


4

3.1.2. Mô hình truyền gói tin ......................................................................................... 45
3.1.3. Xây dựng mô hình mô phỏng .............................................................................. 46
3.1.4. Kịch bản và kết quả thực nghiệm mô phỏng ....................................................... 46
3.2. Thực nghiệm kiểm chứng ....................................................................................... 49
3.2.1. Thực nghiệm trong phòng ................................................................................... 49
3.2.2. Thực nghiệm ngoài trời ....................................................................................... 51
3.3. Nâng cao thời gian hoạt động của hệ thống ........................................................... 54
3.4. Thảo luận ................................................................................................................ 55
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 58
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 59


5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TỪ VIẾT TẮT

DÃY TỪ TIẾNG ANH


RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

API

Application
Interface

WSN

MEMS

Programming

Micro-electro-mechanical
systems

Hệ thống vi cơ điện tử
Mobile Hệ thống thông tin di động toàn
cầu

GSM

Global System
Communications



Tỉ số lỗi/bit

Internet Information Server

Web server hiển thị thông tin
trên internet

Universal
Asynchronous Truyền nhận dữ liệu không đồng
Receiver/Transmitter
bộ


6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Điện áp Offset và độ nhạy ............................................................................ 48
Bảng 3.2: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường trong phòng thí nghiệm....................... 49
Bảng 3.3: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm trong
phòng ............................................................................................................................. 51
Bảng 3.4: Kịch bản thực nghiệm khi đo lường ngoài trời ............................................. 51
Bảng 3.5: Số lượng các gói tin truyền - nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài
trời.................................................................................................................................. 54
Bảng 3.6: Công suất tiêu thụ điện của một nút cảm biến .............................................. 54


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 3.4: Giá trị thực nghiệm gia tốc trục y trong điều kiện tĩnh ................................. 48
Hình 3.5: Giao diện quản lý dữ liệu của trang web ....................................................... 49
Hình 3.6: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs khi thí nghiệm trong phòng ....... 50
Hình 3.7: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm trong phòng ......... 50
Hình 3.8: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm trong phòng ................ 51
Hình 3.9: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thí nghiệm trong phòng ............ 51
Hình 3.10: Mô hình thực nghiệm các hệ thống WSNs trong thí nghiệm ngoài trời ..... 52


8

Hình 3.11: Số lượng gói tin nhận được trong quá trình thực nghiệm ngoài trời........... 53
Hình 3.12: Số lượng gói tin gửi đi trong quá trình thực nghiệm ngoài trời .................. 53
Hình 3.13: Mô hình thực tế của hệ thống WSNs trong thực nghiệm ngoài trời ........... 54
Hình 3.14: Mô hình phương thức truyền dữ liệu........................................................... 55


9

TÓM TẮT
Thiết bị cảm biến là thiết bị tìm dò, cảm nhận và biến đổi một số loại dữ liệu
của đầu vào là các đại lượng vật lý thành các đại lượng điện ở đầu ra. Dữ liệu đầu vào
có thể là nhiệt độ, chuyển động, độ ẩm, áp lực, hoặc bất kỳ một đại lượng nào đó của
môi trường ... Đầu ra là tín hiệu đã được chuyển đổi hiển thị trên thiết bị cảm biến mà
con người có thể đọc được hoặc biến đổi thành các đại lượng điện để tiếp tục xử lý. Vì
vậy, thiết bị cảm biến là đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống và được sử dụng hầu
hết trong các lĩnh vực như công nghệ, y học, ngành công nghiệp, quân sự… Trên thực
tế, cảm biến là thiết bị tích hợp nhiều bộ phận để xử lý nhiều vấn đề, vì vậy nó cần độ
chính xác cao. Luận văn này tập trung vào giải quyết vấn đề thiết bị cảm biến tích hợp
để cảnh báo và giám sát trượt lở đất.

trạng thái cân bằng ứng suất trọng lực và biến đổi tính chất cơ lý của đất đá đến mức
làm mất ổn định sườn dốc [1]. Lịch sử loài người đã chứng kiến và phải chịu nhiều
thảm họa về tổn thất của cải, cơ sở hạ tầng, nhân mạng... vì sạt lở đất đá trên sườn dốc
với những khối trượt khổng lồ.
Có nhiều nguyên nhân gây sạt lở đất như cấu trúc địa chất, đặc điểm địa hình
của sườn dốc, quá trình phong hóa, tác động của nước mưa đặc biệt là lượng mưa lớn
và kéo dài, các hoạt động kinh tế, xây dựng của con người mà chủ yếu là cắt xén sườn


11

dốc để làm đường, nổ mìn, san gạt để xây dựng với sự suy giảm của lớp phủ thực vật...
Do đó hiện tượng sạt lở đất sẽ vẫn diễn ra gây nguy hại, ảnh hưởng tới con người và
đời sống sản xuất.
Để khắc phục được các nguyên nhân trên cũng như đưa ra cảnh báo sớm về
hiện tượng sạt lở đất, có rất nhiều các nghiên cứu liên quan và các hệ thống cảnh báo
được đưa ra. Trong đó hiệu quả hơn cả là hệ thống cảnh báo nhờ vào các cảm biến đo
độ dịch chuyển, đo độ ẩm đất, đo nhiệt độ và các thông số thời tiết. Với sự hỗ trợ đắc
lực của mạng cảm biến không dây, hệ thống này sẽ cho phép con người nắm bắt các
thông số và đưa ra được những cảnh báo sớm về sự sạt lở.
1.2. Mạng cảm biến không dây phát hiện sạt lở đất (WSN):
1.2.1. Giới thiệu mạng WSN:
Ngày nay, việc dự báo được thảm họa sạt lở đất là vấn đề cần thiết ở mỗi quốc
gia trên thế giới. Sức mạnh của việc sử dụng mạng cảm biến không dây cho phát hiện
sạt lở cho phép con người có thể triển khai hệ thống trên quy mô lớn, yêu cầu cho bảo
trì thấp, có khả năng mở rộng, khả năng thích ứng cao với các tình huống khác nhau…
WSN cũng có điểm hạn chế riêng của nó như bộ nhớ thấp, nguồn điện cung cấp và
băng thông hạn chế, nhưng nó lại có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt
nên nó là công nghệ thích hợp nhất cho phép theo dõi giám sát trên thời gian thực.
Để cảnh báo sạt lở, người ta thường chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn

tác vụ
Người sử dụng

Thiết bị thu
phát (sink)

Các nút cảm biến
Trường cảm biến

Hình 1.3: Cấu trúc chung mạng WSN phát hiện sạt lở đất
Các nút cảm biến được triển khai trong một trường cảm biến (sensor field). Mỗi
nút cảm biến được phát tán trong mạng có khả năng thu thập thông số số liệu, định
tuyến số liệu về bộ thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) và định tuyến các
bản tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu được định tuyến
về phía bộ thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng
(Multihop Infrastructureless Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay
các trung tâm điều khiển. Bộ thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành
(Task Manager Node) của người dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh
(Satellite).
1.2.3. Kiến trúc giao thức mạng WSN:
Kiến trúc giao thức áp dụng cho mạng WSN được trình bày trong hình 1.4.


13

Lớp liên kết số liệu

Phần quản lý nhiệm vụ

Lớp mạng

- Mặt phẳng quản lý di chuyển: có nhiệm vụ phát hiện và đăng ký sự chuyển
động của các nút.
- Mặt phẳng quản lý nhiệm vụ: có nhiệm vụ cân bằng và sắp xếp nhiệm vụ cảm
biến giữa các nút trong một vùng quan tâm. Tuy nhiên không phải tất cả các nút trong
vùng đó đều thực hiện nhiệm vụ cảm biến tại cùng một thời điểm.


14

CHƢƠNG 2: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ PHÁT HIỆN CẢNH
BÁO SẠT LỞ ĐẤT
2.1. Phần cứng:
2.1.1. Sơ đồ khối: hệ thống được mô tả như hình 2.1.

Cảm biến
nhiệt độ

Antenna

Cảm biến
độ ẩm

Vi xử lý
Atmega328 trong
Waspmote

Truyền nhận
Xbee

Cảm biến

LM35 đo nhiệt độ ngõ vào và xuất tín hiệu điện ngõ ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt
độ ngõ vào là 0C. LM35 không cần thiết phải hiệu chỉnh hay tinh chỉnh bên ngoài vì
nó được cung cấp phạm vi chính xác tiêu biểu là ± 1/40C tại nhiệt độ phòng và ± 3/40C
ở nhiệt độ từ -550C đến +1500C. Trở kháng ngõ ra thấp, tuyến tính và hiệu chỉnh chính
xác làm cho việc đọc ngõ ra và kiểm soát mạch điện dễ dàng. LM35 có thể sử dụng
nguồn đơn hoặc nguồn đôi.
Các thông số chính của LM35:
- Hiệu chỉnh trực tiếp thành 0C
- Hệ số chia tuyến tính +10mV/0C
- Sai số khoảng 0,50C tại 250C
- Phạm vi giới hạn nhiệt độ từ -550C đến +1500C
- Phù hợp với các ứng dụng điều khiển từ xa.
- Hoạt động từ 4V đến 30V.
- Dòng qua khoảng 60µA
- Khả năng tự tản nhiệt thấp, khoảng 0,080C trong điều kiện không khí là
tĩnh


17

1
2
3

Hình 2.5: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ
LM35
* Cảm biến gia tốc ADXL335:
Sử dụng cảm biến gia tốc ADXL335 để thu thập dữ liệu gia tốc sau đó gửi dữ
liệu này đến vi điều khiển để tiếp tục xử lý [4].
ADXL335 là cảm biến đo gia tốc hoàn chỉnh được tích hợp trong một IC.

- Chiều dài gắn Cable: ≈4,6m
- Chiều dài Cable max: ≈300m
- Kích thước: 22 mm đường kính x 76 mm
- Trọng lượng: ≈103 g
- Chuỗi giá trị: 0 đến 200 cb

Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm 6440
2.1.3.2. Các thiết bị thƣờng dùng phát hiện, cảnh báo sạt lở đất:
* Các nút
Mạng WSN phát hiện sạt lở đất là mạng liên kết các nút với nhau nhờ sóng RF.
Trong đó mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm nhận, thu thập, xử lý và
truyền dữ liệu [7]. Cấu trúc chung của các nút cảm biến như ở hình 2.8


19

Hệ thống định vị

Thiết bị di động

Bộ xử lý
Bộ cảm biến
Thiết bị xử lý
Sensor

ADC

Thiết bị nhớ

Bộ thu


20

* Waspmote:
Waspmote là bộ được kết cấu theo modul. Modul này có thể thay đổi và mở
rộng tùy theo nhu cầu của các ứng dụng. Modul tích hợp trong Waspmote được phân
loại như sau:
- ZigBee/802.15.4 modul (2.4GHz, 868MHz, 900MHz).
- GSM/GPRS Modul (Quad-band: 850MHz / 900MHz / 1800MHz /1900
MHz)
- 3G/GPRS Modul (Tri-Band UMTS 2100/1900/900MHz và Quad-Band
GSM/EDGE, 850/900/1800/1900 MHz )
- GPS Modul
- Sensor Modules
- Modul bộ nhớ: SD Memory Card

Hình 2.9: Bộ Waspmote
Kiến trúc của Waspmote được dựa trên vi điều khiển Atmel ATmega. Đơn vị
xử lý này bắt đầu thực hiện khởi động các bộ nạp nhị phân, có trách nhiệm để tải vào
bộ nhớ chương trình biên dịch và các thư viện trước đó được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash, do đó chương trình chính đã được tạo ra cuối cùng có thể bắt đầu chạy. Khi
Waspmote được kết nối và bắt đầu khởi động bộ nạp, có một thời gian chờ đợi


21

(62.5ms) trước khi bắt đầu chương trình đầu tiên, thời gian này được sử dụng để bắt
đầu tải mới, cập nhật các chương trình biên dịch. Nếu một chương trình mới nhận
được từ USB trong thời gian này, nó sẽ được nạp vào bộ nhớ Flash (128KB) thay thế
các chương trình đã có. Nếu không, nếu một chương trình mới không được nhận,

Lấ y dƣ̃ liêụ tƣ̀ cảm biế n mỗi lần 10ms

Xƣ̉ lí dƣ̃ liêụ cảm biế n.
Gửi dữ liệu về trung tâm xử lí

Kế t thúc

Thông báo không
thấ y thiế t bi ̣


23

Lưu đồ thuật toán hoạt động xử lý dữ liệu từ các cảm biến LM35, 6440

Hoạt động của
cảm biến
MPU6050.

Khởi ta ̣o hoạt động giá trị cảm
biến nhiệt độ, độ ẩm

Nhập giá trị ban đầu
cho các cảm biến

Nhập giá trị
10ms mỗi lần

Đọc giá trị cảm biến
1 lần/10ms