Nghiên cứu, ứng dụng mạng cảm biến không dây và giao thức truyền thông Zigbee trong cảnh báo cháy rừng

Cháy rừng đã và đang gây ra những hậu quả nghiêm trọng tới cuộc sống con người cũng như hệ sinh thái. Theo thống kê từ hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của Cục Kiểm lâm – Tổng cục lâm nghiệp từ năm 2011 đến nay, tại Việt Nam đã xảy ra hàng ngàn đến hàng trăm ngàn điểm cháy rừng hàng năm. Dựa theo thống kê này có thể nhận thấy rằng các điểm cháy rừng đang có xu hướng gia tăng nhanh chóng theo từng năm. Tuy nhiên, các phương pháp phát hiện, cảnh báo cháy rừng hiện nay như sử dụng đài quan sát, trạm BTS, kiểm soát thông qua vệ tinh, cảm biến mạng không dây Wi-Fi… không mang lại hiệu quả cao do phát hiện cháy chậm, chi phí đầu tư lớn, không đủ năng lượng cung cấp cho hệ thống hoạt động trong thời gian dài. Do đó đã xảy ra những vụ cháy rừng quy mô lớn với những thiệt hại hết sức nặng nề do không đủ các phương tiện, thiết bị để kịp thời phát hiện và chữa cháy rừng từ giai đoạn ban đầu.

1. Thống kê về cháy rừng và các cấp nguy hiểm cháy rừng ở Việt Nam

Theo thống kê từ hệ thống theo dõi cháy rừng trực tuyến của Cục Kiểm lâm – Tổng cục lâm nghiệp từ năm 2011 đến năm 2019, tại Việt Nam đã xảy ra hàng ngàn đến hàng trăm ngàn điểm cháy rừng mỗi năm. Dựa theo thống kê này có thể nhận thấy rằng các điểm cháy rừng có xu hướng gia tăng theo từng năm. Cụ thể là năm 2011 có 8469 điểm cháy rừng, con số này đã tăng lên 436005 điểm cháy vào năm 2019 [1].

Hình 1: Thống kê các điểm cháy rừng ở Việt Nam từ năm 2011 đến năm 2019 [1].

a)


b)

Hình 2: Thống kê các điểm cháy rừng ở Việt Nam trong 12 tháng năm 2018 (hình 2a) và năm 2019 (hình 2b) [1].

Hình 3: Cháy rừng xảy ra tại Hà Tĩnh vào tháng 6 năm 2019 [2].

 

Thông tin từ Báo Thanh tra – Cơ quan của Thanh tra Chính phủ và ngành Thanh tra, cháy rừng xảy ra trên địa bàn huyện Nghi Xuân vào tháng 6 năm 2019 đã để lại hậu quả nặng nề, ước tính sơ bộ, khoảng 65ha rừng bị thiệt hại nặng nề sau vụ cháy. Trong đó 70% không còn khả năng hồi phục.

 

Cực kỳ nguy hiểm (Extremely Dangerous) – Cấp 5
Rất nguy hiểm (Very Dangerous) – Cấp 4
Nguy hiểm (Dangerous) – Cấp 3


Hình 4: Sự phân bố các cấp nguy hiểm cháy rừng ở Việt Nam trong tháng 5 năm 2020 [3].

Cũng theo thống kê của Tổng cục Lâm nghiệp từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2020, toàn quốc có 57.638 điểm cháy. Trong đó, các mức nguy hiểm cháy từ cấp III đến cấp V (cấp cực kỳ nguy hiểm) phân bố rải rác trên khắp cả nước làm dấy lên những lo ngại về nguy cơ cháy rừng có thể xảy ra bất cứ lúc nào nếu không có sự hỗ trợ từ những trang thiết bị khoa học công nghệ hiện đại cũng như sự chung tay vào cuộc của các lực lượng chức năng.

  1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Thời gian qua, có rất nhiều nghiên cứu về phát hiện và cảnh báo cháy rừng đã được đề xuất ứng dụng như xây dựng hệ thống phát hiện và cảnh báo cháy rừng thông qua các kỹ thuật xử lý ảnh/video [4-8]. Điển hình của hướng nghiên cứu này là công trình công bố của T.H.Chen và cộng sự [4] đã công bố năm 2003 về việc đề xuất phương pháp xử lý video thời gian thực trong không gian màu RGB; nghiên cứu đã dựa trên những đặc trưng về màu sắc của đám cháy để trích xuất những điểm ảnh có màu sắc đám cháy để phát hiện cháy rừng. Tuy nhiên, hướng tiếp cận của T.H.Chen và cộng sự vẫn còn tồn tại những nhược điểm như cảnh báo nhầm những đối tượng có màu sắc tương tự màu sắc của đám cháy (như lá cờ đỏ đang bay, các thảm thực vật có màu vàng, bức tranh có ngọn lửa,…). Nhóm nghiên cứu của Tung Xuan Truong và cộng sự [5] đã ứng dụng học máy vector để phân đoạn vùng màu sắc của đám cháy dựa trên đặc trưng về tính lay động của ngọn lửa. Hướng nghiên cứu phát hiện cháy rừng thông qua xử lý ảnh vệ tinh [8] của nhóm tác giả Xiao-rui,T. và cộng sự có thể phát hiện được các đám, điểm cháy rừng và tọa độ xảy ra đám cháy. Tuy nhiên, phương pháp phát hiện cháy rừng thông qua ảnh vệ tinh thường có độ trễ lớn do đòi hỏi quy mô đám cháy phải đủ lớn mới có thể phát hiện được.

Trong nước có nhiều nghiên cứu về phát hiện cháy rừng đã được thực hiện, điển hình như “Nghiên cứu phát triển phần mềm ứng dụng phát hiện sớm cháy rừng từ ảnh vệ tinh MODIS” của tác giả Trần Quang Bảo và cộng sự. Công trình nghiên cứu đã thiết kế và xây dựng phần mềm tự động thu các ảnh từ vệ tinh Modis Tera và Modis Aqua trực tiếp từ website của NASA đồng thời sử dụng thuật toán ATBD-MOD14 để tạo ra dữ liệu dưới dạng ảnh và phát hiện các điểm có nguy cơ cháy rừng. Nghiên cứu “Nghiên cứu xây dựng hệ thống thông tin cháy rừng bằng việc ứng dụng công nghệ xử lý ảnh vệ tinh và hệ thống thông tin địa lý (GIS)” do TS. Lê Thanh Hà và cộng sự thực hiện đã đề xuất phương pháp dự báo cháy rừng chi tiết đến đơn vị hành chính cấp xã; đề xuất và thẩm định phương pháp phát hiện điểm cháy sử dụng ảnh vệ tinh ở khu vực Việt Nam; đề xuất phương pháp chiết xuất các thông tin hiện trạng lớp phủ rừng bị cháy; xây dựng hệ thống tích hợp thông tin cháy rừng sử dụng công nghệ thông tin địa lý. Tuy nhiên, các nghiên cứu phát hiện cháy rừng này vẫn tồn tại nhược điểm lớn đó là thời gian trễ lớn do hạn chế về tần suất quan sát của vệ tinh và khoảng cách từ vệ tinh đến đám cháy lớn.

  1. Mô hình đề xuất

Từ những tồn tại của các phương pháp báo cháy rừng như trên, trong bài báo này, tác giả đề xuất mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức truyền thông Zigbee trong phát hiện và cảnh báo cháy rừng. Trong đó, các node mạng cảm biến được tích hợp nhiều loại cảm biến bao gồm độ ẩm không khí, nhiệt độ không khí, tốc độ gió, hướng gió, nồng độ khói, áp suất không khí. Các node cảm biến sẽ thu thập các dữ liệu về các thông số này để truyền tới nút cụm trưởng (cluster head), sau đó nút cụm trưởng sẽ tập hợp và truyền các gói dữ liệu về nút điều phối mạng (Network Coordinator). Cuối cùng nút điều phối mạng sẽ truyền dữ liệu tới các bộ định tuyến (Router) và truyền về máy tính trung tâm để đưa ra tín hiệu cảnh báo và hiển thị vị trí xảy ra cháy.

3.1. Giao thức truyền thông Zigbee

Hiện nay có rất nhiều chuẩn không dây để truyền dữ liệu tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như Bluetooth, Wifi… Tuy nhiên, các chuẩn giao tiếp không dây này không đáp ứng được yêu cầu trong ứng dụng phát hiện và cảnh báo cháy rừng do sử dụng băng thông rộng làm tiêu tốn nhiều năng lượng, nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống chủ yếu dưới dạng nguồn điện trực tiếp, phạm vi kết nối hẹp, giá thành phần cứng cao.

ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio ở các tần số 868MHz, 916MHz, 2.4GHz. ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật cao và tiêu thụ năng lượng thấp.

Đặc điểm chính của mạng không dây ZigBee đó là:

– Tốc độ đường truyền thấp từ 20 – 250Kbps phụ thuộc vào dải tần.

– Công suất thấp, tiêu thụ năng lượng ít.

– Thời gian sử dụng pin dài (vài tháng tới vài năm).

– Độ tin cậy cao.

– Có thể mở rộng lên tới hơn 65535 nút.

– Chi phí đầu tư thấp.

Dưới đây là bảng so sánh các thông số giữa mạng không dây ZigBee với mạng không dây Wifi và Bluetooth:

Bảng 1: Bảng so sánh các thông số chính giữa chuẩn không dây ZigBee, Bluetooth và Wi-Fi.

Nội dung so sánh ZigBee Bluetooth Wi-Fi
Khoảng cách 10-100m 2-10m 30-100m
Thời gian sử dụng Pin Vài tháng tới vài năm Vài ngày Vài giờ
Tốc độ truyền tải 20-250kbps 1Mbps 1-54Mbps
Dải tần 868MHz, 916MHz, 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz
Số nút mạng 65535 8 50
Thời gian liên kết 30ms Lớn hơn 10s Lớn hơn 3s
Bảo mật 128bit AES 64bit, 128bit SSID
Mức độ tích hợp và độ tin cậy Cao Thấp Trung bình

ZigBee là giao thức truyền thông không dây chỉ truyền được tối đa 250kbps ở dải tần 2,4GHz nên ZigBee không dùng để truyền dữ liệu mà chỉ dùng để truyền các gói tin nhỏ và chủ yếu được ứng dụng trong các lĩnh vực yêu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ thấp và yêu cầu thời gian sử dụng pin dài. Dựa theo bảng thống kê, giao thức truyền thông ZigBee cho phép các thiết bị có thể hoạt động được trong nhiều năm liền trước khi phải nạp lại hay thay thế pin mới. Do đó, việc ứng dụng giao thức truyền thông không dây ZigBee vào lĩnh vực phát hiện cháy rừng là rất hợp lý và cực kỳ cần thiết do đặc điểm rừng là nơi có diện tích rộng, nhiều loài động thực vật sinh sống, việc ứng dụng các mạng không dây như Wi-Fi hay bluetooth không hợp lý do số lượng nút mạng nhỏ, thời gian sử dụng pin ngắn mà việc sử dụng dây dẫn để cấp điện xoay chiều cho hệ thống hoạt động là không khả thi vì đòi hỏi số lượng dây dẫn lớn đồng thời việc đi dây phức tạp và dễ xảy ra hỏng hóc do các tác động cơ học gây ra.

* Kiến trúc ZigBee:


Hình 5: Kiến trúc ngăn xếp trong kiến trúc ZigBee.

Tương tự như các giao thức truyền thông khác, kiến trúc của giao thức ZigBee dựa trên mô hình cấu trúc chuẩn 7 tầng OSI. Trong đó, ZigBee được xây dựng trên 2 tầng gồm tầng liên kết dữ liệu (MAC) và tầng vật lý (PHY), đây là các lớp được sử dụng cho các ứng dụng WLAN có tốc độ thấp.

  • Mô hình mạng ZigBee:

Chuẩn ZigBee có 3 cấu hình mạng cơ bản gồm: Mạng hình sao, mạng mắt lưới và mạng hình cây. Việc lựa chọn cấu hình mạng nào sẽ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, trong đó:

*Mạng hình sao: Chỉ có một gốc ZigBee (ZC) duy nhất, kết nối với các thiết bị định tuyến (FFD) và thiết bị đầu cuối (RFD), trong đó các RFD chỉ có chức năng thu thập dữ liệu và điều khiển các cảm biến hoạt động, các RFD không thể truyền tin trực tiếp cho nhau được mà phải truyền qua ZC.

*Mạng mắt lưới: Cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Cấu trúc mạng mắt lưới được kết hợp bởi cấu trúc mạng hình sao và cấu trúc mạng ngang hàng, do đó tất cả các nút mạng có thể truy cập ngang hàng trong truyền thông.

*Cấu trúc mạng hình cây: Là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng mắt lưới, bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như một gốc mạng ZigBee và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các gốc ZigBee khác vì thế mà cấu trúc mạng này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.

3.2. Thiết kế mạng cảm biến không dây ZigBee vào phát hiện cháy rừng

Việc lắp đặt các hệ thống báo cháy tự động sử dụng dây dẫn cho những khu vực có diện tích lớn như các khu rừng sẽ không khả thi do những hệ thống này đòi hỏi số lượng dây lớn; số lượng đầu báo cháy cũng như số lượng kênh, loop trên tủ trung tâm báo cháy của các hãng rất hạn chế và không đảm bảo độ tin cậy do môi trường lắp đặt luôn tồn tại ngoại lực tác động. Bên cạnh đó, công tác bảo trì bảo dưỡng cũng gặp rất nhiều khó khăn và tốn kém. Do đó, nghiên cứu, thiết kế mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức truyền thông ZigBee vào phát hiện cháy rừng là rất cấp bách và cần thiết do đặc điểm ZigBee là mạng không dây bao gồm nhiều nút nhỏ, các nút này đóng vai trò là các cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của các yếu tố môi trường cháy và khi các thông số của môi trường cháy đạt tới ngưỡng tác động của các cảm biến thì các tín hiệu này sẽ được nén lại để truyền về trung tâm giám sát (Monitoring host computer). Bên cạnh đó, mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức truyền thông ZigBee tiêu thụ rất ít năng lượng, giá thành rẻ nên đây là hệ thống phù hợp để ứng dụng cho lĩnh vực cảnh báo cháy rừng. Dưới đây là mô hình kiến trúc của mạng cảm biến không dây ứng dụng trong phát hiện cháy rừng sử dụng giao thức truyền thông Zigbee:

Hình 7: Kiến trúc mô hình mạng cảm biến không dây trong phát hiện cháy rừng sử dụng giao thức truyền thông Zigbee.

 

Mạng cảm biến không dây sử dụng để giám sát và phát hiện cháy rừng có cấu tạo bao gồm các node cảm biến, node cụm trưởng, node điều phối, gateway (router) và máy trạm dùng để hiển thị thông tin giúp người dùng có thể giám sát về tình trạng của hệ thống, các thông số môi trường của khu vực rừng được bảo vệ đồng thời nhận biết được thông tin khi có tín hiệu cảnh báo cháy rừng từ các node cảm biến truyền về.

Các node cảm biến được đề xuất trong mô hình được kết nối trực tiếp với chip CC2430, các dữ liệu thu thập được sẽ được chuyển đổi từ dạng tương tự (Analog) sang dữ liệu dạng số (Digital) thông qua chip CC2430 và được xử lý bởi vi điều khiển 8051 được tích hợp bên trong CC2430. Các dữ liệu này sẽ được truyền tới nút cụm trưởng (cluster head), nút cụm trưởng sẽ tập hợp và truyền các gói dữ liệu về nút điều phối mạng (Network Coordinator). Sau đó nút điều phối mạng sẽ truyền dữ liệu tới các bộ định tuyến (Router) và truyền về máy tính trung tâm.

Các node cảm biến được chia thành nhiều cụm, mỗi cụm tương đương như một mạng tự tổ chức. Các node được chia thành các “node cảm biến” và “node cụm trưởng”. Trong đó các node cảm biến có nhiệm vụ thu thập dữ liệu và gửi tới “node cụm trưởng”. Node cảm biến là thành phần cơ bản mạng cảm biến không dây ứng dụng giao thức truyền thông Zigbee trong phát hiện và cảnh báo cháy rừng. Cấu tạo của node cảm biến gồm bốn phần: Module cảm biến, module xử lý, module truyền thông và module nguồn (xem hình 8).

Thiết kế phần mềm hệ thống

Để thuận tiện cho quá trình truyền và chia sẻ dữ liệu, phần mềm được thiết kế dưới dạng module hóa bao gồm module thu thập dữ liệu, module cảnh báo và module giao tiếp không dây.

Các node cảm biến sẽ được phân bố ngẫu nhiên trong khu vực bảo vệ để tự tổ chức và thu thập dữ liệu theo thời gian thực. Sau khi khởi tạo, dữ liệu sẽ được truyền tới node điều phối qua quá trình định tuyến. Node điều phối có nhiệm vụ khởi tạo mạng, phát sóng địa chỉ mạng của nó và quét kênh. Node cảm biến sẽ truy cập vào mạng sau quá trình khởi tạo. Trong trường hợp node cảm biến truy cập thành công, nó sẽ thiết lập ngắt để chuyển sang chế độ làm việc tiêu tốn ít năng lượng đồng thời bộ xử lý chuyển sang chế độ trực. Dưới đây là kiến trúc phần mềm của node cảm biến:

Chức năng chính của node điều phối là định dạng một mạng mới sau khi được cấp nguồn; sau khi mạng mới được thiết lập, node điều phối sẽ giám sát dữ liệu đến và gửi dữ liệu về gateway, cuối cùng là dữ liệu được thu thập sẽ được gửi tới máy tính giám sát tại trung tâm thông qua mạng internet hoặc GPRS hoặc giao thức truyền dẫn không dây khác. Trong trường hợp phát hiện ra cháy rừng hoặc các nguy cơ tiềm ẩn gây cháy rừng, trung tâm giám sát sẽ tự động gửi dữ liệu báo động để các cơ quan, tổ chức liên quan kịp thời ngăn chặn các nguy cơ có thể gây cháy rừng hoặc triển khai lực lượng để chữa cháy rừng khi quy mô đám cháy còn nhỏ. Dưới đây là kiến trúc phần mềm của node điều phối:

Hình 11: Kiến trúc phần mềm của node điều phối (Network coordinator).

4. Kết luận

Trong bài báo này tác giả đã đề xuất mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng giao thức truyền thông Zigbee để phát hiện và ngăn chặn cháy rừng. So với các phương pháp giám sát và báo cháy truyền thống, phương pháp này giúp con người phát hiện ra cháy sớm, do sử dụng các cảm biến cảnh báo cháy sớm có độ chính xác cao. Do đó, việc ứng dụng cảm biến mạng không dây và giao thức truyền thông không dây ZigBee vào cảnh báo cháy rừng là hợp lý và mang lại hiệu quả cao./.

                                                                                      Đoàn Tự Lập

Cục Cảnh sát PCCC&CNCH

Tài liệu tham khảo

  1. Thống kê các điểm cháy rừng ở Việt Nam: http://firewatchvn.kiemlam.org.vn/thong-ke (Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2020).
  2. https://thanhnien.vn/thoi-su/chay-rung-du-doi-tai-ha-tinh-1098288.html (Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2020).
  3. The distribution of the dangerous levels of fire in Vietnam in May 2020, at: http://firewatchvn.kiemlam.org.vn/ban-do-trong-diem (Truy cập ngày 26 tháng 5 năm 2020).
  4. T. H. Chen, C. L. Kao and S. M. Chang, “An Intelligent Real-Time Fire-Detection Method Based on Video Processing”, in Proceedings of the IEEE 37th Annual (2003) International Carnahan Conference on Security Technology,pp.104-I 11,2003.
  5. Xuan Truong, Tung, Kim, Jong-Myon. “Fire flame detection in video sequences using multi-stage pattern recognition techniques”. Engineering Applications of Artificial Intelligence. October 2012, Vol.25, No.7, pp. 1365-1372.
  6. Mahmoud M, Ren H, “Forest Fire Detection Using a Rule-Based Image Processing Algorithm and Temporal Variation”, Mathematical Problems in Engineering (2018) 2018.
  7. Cruz, H.; Eckert, M.; Meneses, J.; Martínez, J.-F. Efficient Forest Fire Detection Index for Application in Unmanned Aerial Systems (UASs). Sensors 2016, 16, 893.
  8. Xiao-rui, T., Mcrae, D.J., Li-fu, S. et al. Satellite remote-sensing technologies used in forest fire management. Journal of Forestry Research 16, 73–78 (2005). https://doi.org/10.1007/BF02856861.

 

Bộ môn Pháp luật – Nghiệp vụ Công an tổ chức Hội thảo ngân hàng câu hỏi thi và bộ đề thi kết thúc học phần.
THÔNG TIN LUẬN VĂN: Giải pháp nâng cao chất lượng hoạt động của lực lượng PCCC cơ sở tại các cơ sở sản xuất bao bì trên địa bàn tỉnh Bình Dương
Kết quả kiểm tra tiến độ đề tài cấp Bộ.