Luận văn Thạc sĩ Công nghệ Điện tử - Viễn thông: Nghiên cứu và thiết kế Mạng cảm biến không dây phục vụ cảnh báo trượt lở đất

Chia sẻ: 123share | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:62

Thêm vào BST

Báo xấu

309
lượt xem 94
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ Điện tử - Viễn thông: 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 Low Energy Adaptive Clustering Định tuyến tương thích năng lượng LEACH Hierachy thấp MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường Micro-Electro-Mechanical MEMS Hệ thống vi cơ điện tử Systems MAC Sublayer Management MLME Thực thể quản lý tầng MAC Entity 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 Sensor Query and Data Giao thức phân phối dữ liệu và truy SQDDP Dissemination vấn cảm biến Task Assignment and Data Giao thức quảng bá dữ liệu và chỉ TADAP Advertisement Protocol 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 Nam, trượt lở đất cũng xảy ra thường xuyên ở một số tỉnh như Sơn La, Lai Châu, Điện Biên, Yên Bái, Lào Cai, Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Nam, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Bình Thuận, An Giang, Hậu Giang [4]... Theo số liệu thống kê, từ năm 2000 đến 2014, nước ta đã xảy ra 250 đợt lũ quét, sạt lở ảnh hưởng tới các vùng dân cư, làm chết và mất tích 646 người, bị thương gần 351 người; hơn 9.700 căn nhà bị đổ trôi; hơn 100.000 căn nhà bị ngập, hư hại nặng; hơn 75.000 ha lúa và hoa màu bị ngập; hàng trăm ha đất canh tác bị vùi lấp; nhiều công trình giao thông, thuỷ lợi, dân sinh kinh tế bị hư hỏng nặng nề, tổng thiệt hại ước tính trên 3.300 tỷ đồng. Đặc biêt, từ đầu năm 2014 đến nay, do ảnh hưởng của hoàn lưu bão số 2 và mưa lớn đã xảy ra các trận lũ quét và sạt lở đất trên địa bàn các tỉnh miền núi như Hà Giang, Lai Châu, Cao Bằng và Sơn La… làm 24 người chết và mất tích, trong đó có 2 gia đình ở thị trấn Tam Đường và huyện Hoàng Su Phì thiệt mạng tới 5 người trong cùng một nhà. Trên thế giới , viê ̣c nghiên cứu tai b iến địa chất đươ ̣c đầ u tư rấ t sớm , nhiề u phương pháp khoa ho ̣c tiên ti ến đã được áp dụng vào công tác dự báo nguy cơ th ảm họa trượt lở đất. Ở Việt Nam, vấ n đề này mới chỉ đươ ̣c chú tr ọng khoảng 15 năm gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thư ờng xuyên hơn. Các nghiên cứu về trượt lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự báo định tính, còn rất thiếu các công trình điều tra đủ chi tiết để hỗ trợ hiệu quả hơn công tác quy hoạch, cảnh báo nguy cơ và chỉ đạo điều hành phòng chống thiên tai, giảm nhẹ thiệt hại trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất là rất cấp thiết trong tình hình hiện nay. Nội dung được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ hệ thống cảnh báo trượt lở đất. Đóng góp cách nhìn tổng quan về Cấu trúc Mạng cảm biến không dây và Mô hình Mạng cảm biến không dây phục vụ hệ thống cảnh báo trượt lở đất. 1.2. Thực trạng cảnh báo trƣợt đất trên Thế giới và ở Việt Nam 1.2.1. Khái niệm trƣợt lở đất và phân loại trƣợt lở Trượt lở là hiện tượng chuyển dịch của khối đất đá trên sườn dốc từ trên xuống dưới theo một hoặc vài mặt nào đó hoặc rơi tự do. Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn bờ, mái dốc nhân tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như áp lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn
11 và một số lực khác. Thể trượt là khối đất đá bị dịch chuyển tách khỏi nền gốc. Gương trượt là bề mặt chia tách phần nền gốc, đới sinh trượt với thể trượt, thường tạo thành các mặt lõm trên sườn địa hình diễn ra trượt lở. Trên các sườn dốc, hiện tượng trượt lở thường kéo theo hiện tượng trượt đổ, tức là khối đất đá rơi tự do, dưới tác dụng của trọng lực ngay sau khi tách khỏi nền đá gốc [3, 5, 7, 9, 10]. Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau. Phân loại theo dạng chuyển động, ta có thể chia làm 5 nhóm chính như sau: sụt lở, lật, trượt, trượt ép trồi, trượt dòng và trượt phức tạp. + Sụt lở: khi các khối đá vụn hay đất tách rời ra khỏi mặt dốc đứng và chuyển động nhanh xuôi xuống dốc theo cách rơi hay lăn tròn tự do, các chuyển động đó được gọi là sụt lở hay rơi. Hiện tượng này có phạm vi từ các khối đá trên đỉnh núi di chuyển do động đất đến các khối đất nhỏ sụt lở ở bờ sông khiến phần đất treo bên trên bị sập xuống. + Lật: là chuyển động xoay xảy ra khi một khối vật liệu xoay quanh một trụ trước cố định ở gần đáy khối. Hiện tượng lật hay xảy ra ở các dốc đá hay đất dính bị chia thành các khối bởi các khe nứt hay thớ, phiến thẳng đứng định hướng song song với mặt dốc. + Trƣợt: là sự biến dạng phá vỡ và dịch chuyển của đất đá theo một hoặc một vài mặt trượt có thể quan sát hoặc giả định được. Sự dịch chuyển của đất đá có thể vượt ra ngoài phạm vi chân khối trượt. Trượt đất đá là loại hình tai biến phổ biến nhất ở các vùng đồi núi dốc, các tuyến đường giao thông miền núi, các bờ mỏ khai thác đá. + Trƣợt ép trồi: là các chuyển động mở rộng ngang từ chậm đến nhanh của các khối đá hay đất được gọi là tản ngang. Sự hóa lỏng và chảy của lớp đất yếu ở mái dốc là nguyên nhân của hầu hết các chuyển động tản ngang trong đất mảnh vụn và các loại đất khác trong phân loại chuyển động mái dốc. + Trƣợt dòng: đặc trưng cho sự chuyển dịch của vật liệu trượt tạo thành dòng đất đá với tốc độ trượt khác nhau từ rất nhanh đến rất chậm. Sản phẩm trượt có thể là hỗn hợp đất đá với nước tạo thành lũ bùn đá hoặc là vật liệu khô. + Trƣợt phức tạp: là sự kết hợp theo thời gian và không gian của hai hay nhiều kiểu trượt ở trên. 1.2.2. Nguyên nhân và một số yếu tố ảnh hƣởng đến trƣợt đất Nguyên nhân gây trượt có thể do độ bền của nền đất đá bị giảm đi, hoặc là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy. Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực.
12 Các yếu tố có ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng, chúng có thể tương tác qua lại theo cách rất phức tạp, bao gồm cả yếu tố tự nhiên và yếu tố con người. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: địa chất, hóa học đất và khoáng vật học, địa mạo, độ bền của đất, thủy văn và địa chấn. Các yếu tố thời gian và yếu tố nhân sinh (như chặt, phá rừng, xẻ núi làm đường, xây dựng nhà cửa,…) cũng góp phần ảnh hưởng tới tai biến trượt lở [3, 5, 6]. + Yếu tố địa chất: Độ ổn định của sườn dốc có mối liên quan đến các kiểu thạch học khác nhau, mối quan hệ này mạnh hay yếu phụ thuộc rất lớn vào mỗi kiểu thạch học đó. Quá trình phong hóa thường làm biến đổi các thuộc tính cơ lý, khoáng vật và thủy văn của thạch học. Một yếu tố địa chất quan trọng khác là trật tự phân lớp không ổn định. Hiện tượng trượt lở xảy ra khi sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp được kích hoạt khi mà áp suất lỗ rỗng tăng lên tại điểm tiếp giáp giữa hai lớp thạch học khác nhau. Chính vì vậy mà mỗi khi có những cơn mưa lớn kéo dài, thì áp suất lỗ rỗng càng tăng lên, gây ra sự dịch chuyển của khối đất đá trên mặt phân lớp. + Yếu tố hóa học, khoáng học đất: các yếu tố này có liên quan rất chặt chẽ đến các tính chất tự nhiên và trạng thái cân bằng của đất. Yếu tố cường độ cắt là một trong những đặc tính cơ học quan trọng có ảnh hưởng đến độ ổn định tự nhiên của các sườn dốc. + Yếu tố địa mạo: bao gồm yếu tố độ dốc sườn, hình dạng sườn, hướng dốc và độ cao. Độ dốc sườn có sự liên quan chặt chẽ tới sự khởi đầu của các sự cố trượt. Trong các nghiên cứu về trượt lở, yếu tố độ dốc sườn được xem như là một yếu tố gây trượt chính. Theo thống kê, trượt lở ít khi xảy ra trên sườn dốc nhỏ hơn 150, trên các sườn có độ dốc 150 - 200 trượt lở thỉnh thoảng mới xảy ra, còn các dải đồi núi có góc dốc hơn 250 thường phát sinh nhiều trượt lở, đồi núi có góc dốc càng lớn thì khả năng xuất hiện trượt lở càng cao. Yếu tố hình dạng sườn có ảnh hưởng lớn tới độ ổn định sườn trong những vùng địa hình dốc. Yếu tố hướng dốc và độ cao có ảnh hưởng tới các quá trình thủy văn thông qua sự bốc hơi nước, ảnh hưởng đến các quá trình phong hóa và làm tăng sự mất ổn định của sườn dốc. + Yếu tố thủy văn: là yếu tố đóng vai trò quan trọng đối với sự khởi đầu các sự cố trượt. Vị trí địa lý của nước ta nằm trong đới khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, chính điều này làm tăng tốc độ phong hóa của đất đá ở bề mặt bờ dốc, làm giảm độ bền của đất đá. Yếu tố thủy văn đáng chú ý nhất đó là lượng mưa, với lượng mưa lớn kéo dài làm tăng lượng nước trong đất, dẫn đến làm giảm độ bền khối đất đá bờ dốc và làm thay đổi trạng thái ứng suất theo chiều hướng không tốt cho độ ổn định của bờ dốc. Vì vậy, việc xây dựng bản đồ phân bố lượng mưa cũng hết sức quan trọng trong việc đưa ra cảnh báo tai biến trượt lở. Bản đồ này góp phần đánh giá, phân vùng nguy cơ tai biến trượt lở có thể xảy ra trong tương lai. Các yếu tố thủy văn khác có ảnh hưởng tới
13 tai biến trượt lở đó là đặc tính thủy văn của đất và đá gốc bị phong hóa, khả năng thấm nước, dòng chảy dưới lớp mặt, áp suất nước lỗ rỗng và thảm thực vật. + Yếu tố địa chấn: là một trong những yếu tố chính gây kích hoạt các tai biến trượt lở. Đa phần các sự cố trượt lở trong quá khứ thường được kích hoạt bởi yếu tố địa chấn. Ngày nay các sự cố trượt đất xảy ra ngày càng nhiều và nghiêm trọng. + Yếu tố thời gian: sự ảnh hưởng của yếu tố thời gian tới trượt lở sườn dốc thể hiện ở quá trình lưu biến và quá trình phong hóa. Thời gian tồn tại càng lâu thì quá trình phong hóa càng có điều kiện phát triển. Bên cạnh đó, khi sườn dốc càng cao ứng suất trong khối đá càng lớn. Nếu ứng suất vượt quá độ bền lâu dài của đá, khối đá gần sườn dốc có thể bị trượt lở sau nhiều năm tồn tại. + Yếu tố nhân sinh: Con người là tác nhân quan trọng, làm thay đổi các điều kiện tự nhiên, làm cho tai biến trượt lở được kích hoạt và mạnh lên ở một số khu vực. Các hoạt động xẻ núi làm đường, lấy đá để xây dựng làm tăng độ dốc của sườn, đồng thời tăng khả năng làm mất ổn định sườn dốc. Việc chặt cây, phá rừng làm tăng khả năng xói mòn đất, làm giảm khả năng giữ đất của rễ cây, dẫn đến làm giảm đi khả năng thoát hơi nước của đất [9, 10]. 1.2.3. Thực trạng cảnh báo trƣợt đất trên Thế giới và ở Việt Nam Mỗi năm trên thế giới xảy ra hàng trăm vụ trượt lở đất lớn nhỏ làm thiệt hại nghiêm trọng cả về người và tài sản. Đặc biệt ở các nước thuộc Châu Á như Ấn Độ, Trung Quốc, Nhật Bản, Pakistan, Nepal, Bangladesh, một số nước ở khu vực Châu Âu như Pháp, Ý, Tây Ban Nha, hay ở khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Indonesia, Philippin thường xuyên xảy ra các vụ trượt lở đất đá. Chính vì những thiệt hại lớn về người và tài sản như vậy, nên ngay từ những năm 80 của thế kỷ 20, nhiều nước trên thế giới đã rất chú ý đến nghiên cứu tìm ra các biện pháp, công cụ để sớm cảnh báo các tai biến trượt lở đất để giảm thiểu thiệt hại do lở đất gây ra. Do vậy, việc nghiên cứu và xây dựng các giải pháp hạn chế tác hại của trượt lở đất đang là vấn đề cấp thiết đối với nhiều quốc gia. Một trong các biện pháp trong phòng chống trượt lở đất đang được áp dụng cho các khu vực thường xuyên xảy ra tai biến trượt lở là giám sát, cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất. Để cảnh báo trượt lở, có thể chia việc cảnh báo thành hai loại là dài hạn và tức thời [1, 2, 8]. Việc cảnh báo dài hạn là giải pháp sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám kết hợp với hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information Systems), hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) và các mô hình toán học để xây dựng bản đồ khu vực có nguy cơ trượt lở đất, quan sát trượt lở theo đơn vị thời gian là hàng năm [11]. Việc cảnh báo tức thời là phương pháp sử dụng các cảm biến nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra. Trong cảnh báo tức thời, việc sử dụng các cảm biến quán tính, cảm biến đo mưa, đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc, cảm biến nhiệt độ là hết sức cần thiết.
14 1.3. Kết luận chƣơng 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. Trên thế giới, viê ̣c nghiên cứu tai biến địa chất đươ ̣c đầ u tư rấ t sớm, còn ở nước ta vấ n đề này mới chỉ đươ ̣c chú tr ọng khoảng 15 năm gần đây khi thảm họa thiên tai xảy ra thường xuyên hơn. Các nghiên cứu về trượt lở đất ở Việt Nam mới chỉ áp dụng trên diện rộng, tỷ lệ nhỏ, chủ yếu phân vùng dự báo định tính. Chính vì vậy, vấn đề nghiên cứu và thiết kế một hệ thống cảnh báo trượt lở đất là rất cấp thiết trong tình hình hiện nay. Trượt lở là hiện tượng chuyển dịch của khối đất đá trên sườn dốc từ trên xuống dưới theo một hoặc vài mặt nào đó hoặc rơi tự do. Trượt lở có thể xảy ra trên sườn dốc tự nhiên hoặc sườn bờ, mái dốc nhân tạo dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và một số nhân tố phụ trợ khác, như áp lực của nước mặt và nước dưới đất, lực địa chấn và một số lực khác. Sự dịch chuyển sườn dốc rất đa dạng và có nhiều cách phân loại khác nhau. Phân loại theo dạng chuyển động, ta có thể chia làm 5 nhóm chính là sụt lở, lật, trượt, trượt ép trồi, trượt dòng và trượt phức tạp. Nguyên nhân gây trượt có thể do độ bền của nền đất đá bị giảm đi, hoặc là do trạng thái ứng suất ở sườn dốc bị thay đổi, hoặc do cả hai nguyên nhân trên làm cho điều kiện cân bằng của khối đất đá ở sườn dốc bị phá hủy. Một sự cố trượt sẽ xảy ra khi mà thế cân bằng giữa kháng lực của đất đá hình thành trên sườn dốc đối với trọng lực của chúng nghiêng về phía trọng lực. Các yếu tố có ảnh hưởng tới sự ổn định của sườn dốc và các sự cố trượt là rất đa dạng, chúng có thể tương tác qua lại theo cách rất phức tạp, bao gồm cả yếu tố tự nhiên và yếu tố con người. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: địa chất, hóa học đất và khoáng vật học, địa mạo, độ bền của đất, thủy văn và địa chấn. Các yếu tố thời gian và yếu tố nhân sinh (như chặt, phá rừng, xẻ núi làm đường, xây dựng nhà cửa,…) cũng góp phần ảnh hưởng tới tai biến trượt lở. Do vậy, việc nghiên cứu và xây dựng các giải pháp hạn chế tác hại của trượt lở đất đang là vấn đề cấp thiết đối với nhiều quốc gia. Một trong các biện pháp trong phòng chống trượt lở đất đang được áp dụng cho các khu vực thường xuyên xảy ra tai biến trượt lở là giám sát, cảnh báo sớm hiện tượng trượt lở đất. Yêu cầu đặt ra là cần xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây có khả năng ứng dụng trong hệ thống giám sát và cảnh báo sớm trượt lở đất. Mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng
15 cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến gia tốc và cảm biến nhiệt độ rất cần thiết trong quá trình nhận dạng dấu hiệu trượt lở ngay trước khi sự cố trượt lở xảy ra.
16 Chƣơng 2 CẤU TRÚC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẢNH BÁO TRƢỢT ĐẤT 2.1. Giới thiệu về mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks - WSNs) là mạng liên kết các nút cảm biến với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến. Trong đó, mỗi nút mạng bao gồm đầy đủ các chức năng cảm biến, thu thập, xử lý và truyền dữ liệu. Các nút mạng thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, thường được bố trí với số lượng lớn. Các nút mạng được phân bố không có hệ thống trên một phạm vi rộng lớn, chúng thường sử dụng pin, nguồn năng lượng này có hạn chế về mặt thời gian hoạt động. Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, cảnh báo trước các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên. Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng cục bộ không dây (Wireless local area network - WLAN), và mạng Bluetooth. Các gói dữ liệu trong các mạng vô tuyến này được chuyển từ mạng này qua mạng khác thông qua mạng internet không dây. Mạng cellular đích đến là những người sử dụng đang di chuyển, mạng cellular có tính di động cao. Mạng WLAN có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao tối đa lên đến 600Mb/s, mạng Bluetooth ứng dụng truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tốc độ truyền của mạng Bluetooth là 1Mb/s. Mạng cảm biến không dây có một số điểm khác biệt với các mạng kể trên, đó là:  Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong các mạng truyền thống.  Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày đặc, những nút cảm biến lân cận phân bố rất gần nhau. Chính vì vậy, truyền thông đa bước nhảy trong mạng cam biến cần phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy trong mạng truyền thống.  Những nút cảm biến dễ hư hỏng và ngừng hoạt động.  Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm – điểm.  Những nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ.
17  Yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với các nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp, nguồn cung cấp năng lượng điện này là có hạn và thường là không thể thay thế. Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học. Tốc độ đường truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m. Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến. Ưu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tương thích cao [17]. 2.2. Cấu trúc mạng cảm biến không dây 2.2.1. Cấu trúc một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cảm biến có khả năng cấu thành mạng cảm biến. Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định như: Các nút cảm biến phải có kích thước nhỏ, giá thành rẻ, hoạt động hiệu quả về năng lượng, có các thiết bị cảm biến chính xác có thể cảm nhận, thu thập các thông số môi trường, có khả năng tính toán và bộ nhớ đủ để lưu trữ, và phải có khả năng thu phát sóng để truyền thông với các nút lân cận. Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở hình 2.1, khối cảm biến (sensing unit), khối xử lý (a processing unit), khối thu phát (a transceiver unit) và khối nguồn (a power unit). Ngoài ra, mỗi nút cảm biến có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location finding system), bộ phát nguồn (power generator) và bộ phận di động (mobilizer). Hệ thống định vị vị trí Bộ phận di động Khối cảm biến Khối xử lý Bộ xử lý Bộ thu phát Cảm biến ADC Ăngten Bộ nhớ vô tuyến Khối nguồn Bộ phát điện Hình 2. 1: Sơ đồ cấu trúc của một nút cảm biến. Khối cảm biến bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC – Analog to Digital Converter). Sau khi cảm biến thu nhận dữ liệu từ môi trường, tín
18 hiệu thu được dưới dạng tín hiệu tương tự, qua bộ chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu số, sau đó tín hiệu được đưa sang khối xử lý. Khối xử lý thường được kết hợp với một bộ nhớ lưu trữ, khối xử lý quyết định các thủ tục cho các nút cảm biến kết hợp với nhau thực hiện các nhiệm vụ được xác định trước. Khối thu phát vô tuyến kết nối các nút cảm biến vào mạng, chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc từ các nút lân cận tới các nút khác, các điểm thu phát gọi là các Sink. Khối nguồn cung cấp năng lượng cho toàn bộ các hoạt động trong một nút cảm biến. Khối nguồn quyết định thời gian sống lâu hay ngắn của mỗi nút cảm biến, thường thì khối nguồn là các cục pin hoặc ắc quy. Hầu hết các kĩ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí. Vì vậy, mỗi nút cảm biến có thể cần có các hệ thống định vị. Các bộ phận di động, có thể dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết để thực hiện các nhiệm vụ đã được đặt ra trước như cảm biến theo dõi sự chuyển động của vật nào đó. Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp với kích cỡ từng module. Ngoài yếu tố kích cỡ ra các nút cảm biến còn phải đáp ứng một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, phải tiêu thụ năng lượng ít, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt động và tự cấu hình lại mạng, khả năng thích ứng với môi trường [18]. Dưới đây là một số loại nút cảm biến đã được phát triển từ giai đoạn đầu tiên đến nay: Họ nút mạng Mica Mote nằm trong dự án nghiên cứu của trường đại học California từ cuối những năm 90 sử dụng chip vi xử lý của hãng Atmel, hệ điều hành TinyOS. Hình 2. 2: Họ nút mạng cảm biến Mica Mote. Họ nút mạng EYES được phát triển bởi một tổ chức của Châu Âu trong dự án sử dụng năng lượng hiệu quả của mạng cảm biến (Energy efficient sensor network - EYES). Nút mạng sử dụng vi điều khiển MSP 430 của hãng Texas, có khả năng kết nối thêm các cảm biến như cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ…