XÂY DỰNG HỆ THỐNG AN TOÀN ĐƯỜNG SẮT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

Trong quá trình thực tập tại phòng Lab C9 - 411 khoa Viện Điện Tử ViễnThông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã tham gia nhóm nghiên cứu về mạngcảm biến không dây WSN dựa trên chuẩn truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2-2011

Mục lục

1 Mở đầu 5

1.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây 5

1.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây 6

1.3 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến 9

1.3.1 Cấu trúc phẳng 9

1.3.2 Cấu trúc tầng 9

1.4 Khái quát về ZIGBEE / IEEE 802.15.4 11

1.4.1 Khái quát về mạng WPAN 11

1.4.2 Khái niệm ZigBee 11

1.4.3 Lịch sử phát triển 11

1.4.4 So sánh ZigBee với Bluetooth và Wifi 12

1.4.5 Ứng dụng 12

2 Thiết kế hệ thống 15

2.1 Nền tảng phần cứng 15

2.1.1 Bộ thu phát vô tuyến MRF24J40 và module MRF24J40MA.15 2.1.2 PIC18F46K20 16

2.2 Sơ đồ khối 17

2.2.1 Node cảm biến 17

2.2.2 Node trung gian 18

2.2.3 Node điều khiển barier 18

2.3 Cơ chế hoạt động 19

2.3.1 Node cảm biến 19

2.3.2 Node thu phát trung gian 20

2.3.3 Node điều khiển barier 20

3 Kết quả đã đạt được 21

3.1 Module thu phát 21

3.2 Kết quả truyền số liệu giữa 2 module thu phát 23

4 Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới 24

5 Tài liệu tham khảo 24

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến 6

Hình 2-1 Sơ đồ khối module thu phát RF 14

Hình 2-2 Sơ đồ khối module MRF24J40MA 15

Hình 2-3 Sơ đồ khối hệ thống 16

Hình 2-4 Sơ đồ khối node cảm biến 16

Hình 2-5 Sơ đồ khối node thu phát trung gian 17

Hình 2-6 Sơ đồ khối node điều khiển barrier 17

Hình 2-7 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 18

Hình 2-8 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 19

Hình 2-9 Sơ đồ trạng thái của node điều khiển barrier 20

Hình 3-1 Mạch thu phát [1] 21

Hình 3-2 Mạch thu phát [2] 21

Hình 3-3 Mạch thu phát [3] 22

Hình 3-4 Kết nối với máy tính 23

1 Mở đầu

Hệ thống đường sắt ở Việt Nam hiện nay còn tồn đọng rất nhiều vấn đề đặcbiệt là về an toàn đường sắt Nhiều đoạn đường sắt có giao cắt với đường dânsinh mà không hề có rào chắn hoặc nếu có thì cũng do người trực điều khiển bằngtay do đó độ an toàn và tin cậy không cao Rất nhiều những vụ tai nạn thương tâm

đã xảy ra do những thiếu thốn về cơ sở vật chất này Có thể thấy rằng việc xâydựng một hệ thống tự động có khả năng phát hiện tàu tới và điều khiển đóng mởrào chắn cũng như kết hợp với cảnh báo người đi lại bằng âm thanh là yêu cầu rấtcấp thiết hiện nay

Trong quá trình thực tập tại phòng Lab C9 - 411 khoa Viện Điện Tử ViễnThông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã tham gia nhóm nghiên cứu về mạngcảm biến không dây (WSN) dựa trên chuẩn truyền thông không dây 802.15.4.Với ưu điểm là các thiết bị thu phát theo chuẩn này tiêu thụ năng lượng rất thấp,tốc độ dữ liệu không cao, chi phí cho phần cứng thấp có khả năng tạo mạng với

số lượng node lớn nên công nghệ này rất thích hợp khi áp dụng vào việc xâydựng hệ thống an toàn đường sắt

1.1 Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạngbao gồm một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giáthành thấp, có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi vớicác thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra cácthông số về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát

Các node cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát

dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến Các thành phần củanode cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảmbiến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thước của các con cảmbiến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng

Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin vềmôi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinhhọc và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó

phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơnthuần chỉ là lưu trữ số liệu.

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đãtạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thànhthấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạngcảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:

 Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyếnmultihop

hư hỏng ở các node

năng xử lý và dung lượng nhớ

hoặc xác định trước Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địahình phức tạp

có gắn bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thìchúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản

1.2 Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1.Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến cácsink

Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm nhưhình dưới các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (taskmanager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Sink có thể là thực thểbên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoàimạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tácvới mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạngkhác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy

từ một vài node cảm biến trong mạng

Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến

Như trên ta đã biết, đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượnglớn các node cảm biến, các node cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tàinguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe Do đó, cấu trúc mạng mới có đặcđiểm rất khác với mạng truyền thống Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặcđiểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:

Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa

do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môitrường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bìnhthường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng khônghoạt động

Khả năng mở rộng: số lượng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng

dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu Do đó cấu trúc mạng mới phải có khảnăng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node này

Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lượng lớn các

node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnhchi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khaisensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Dovậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp

Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.

Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thôngkhi làm việc với WSN Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải

tự cấu hình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai node có thể bị ảnh hưởngtrong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn Lúc này,mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này

Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các node cảm

biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phảinhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…

Môi trường hoạt động: các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần

hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát Vì thế, chúng thường làmviệc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc ởbên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm

Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong

mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phươngtiện quang học Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toànthế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này

Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn

node được triển khai trên trường cảm biến Chúng được triển khai trong vòng

lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định

Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một

thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5

Ah, 1.2 V) Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng khôngthể thực hiện được Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ

thuộc mạng vào thời gian sống của pin Ở mạng cảm biến multihop ad hoc,mỗi một node đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu Sự trụctrặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trongcấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng Vì vậy, việcduy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng.

Bảo mật: các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường

dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng Các hoạtđộng của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin vềnhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó Những thông tin này có thể được sử dụng

để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty Do đó, WSN cần có khảnăng giữ bí mật các thông tin thu thập được Trong các ứng dụng an ninh, dữbảo mật trở nên rất quan trọng không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải cókhả năng xác thực dữ liệu truyền Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêucầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làmtăng chi phí về năng lượng và băng thông Dữ liệu mã hóa và giải mã cầnđược truyền cùng với mỗi gói tin Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng

do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi

1.3 Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến

1.3.1 Cấu trúc phẳng

Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các node đềungang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng Các node giaotiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng

Hình 1-1 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến

Với phạm vi truyền cố định, các node gần sink hơn sẽ đảm bảo vai tròcủa bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn Giả thiết rằng tất cả cácnguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻthời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồnchia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số.

1.3.2 Cấu trúc tầng

Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm được tạo

ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop haymultihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một node định sẵn, thườnggọi là node chủ (cluster head) Trong cấu trúc này các node tạo thành một

hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện cácnhiệm vụ đã định sẵn

Hình 1-2 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến

Hình 1-3 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp

Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữliệu không đồng đều giữa các node Những chức năng này có thể phântheo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiệntính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6)Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn sovới cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:

định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất

Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất Mỗi node chỉcần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ

cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn,phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, vớicác nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thới gian dài,các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu

sẽ hoạt động hiệu quả hơn Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chứcnăng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng chotừng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng

node yêu cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông.Với mạng cấu trúc phẳng, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thônglượng của mỗi node sẽ giảm về 0 Việc nghiên cứu các mạng cấutrúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này Mộtcách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp,trong đó các node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanhtrạm gốc Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấutrúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độclập với nhau

Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năngtrong mạng có thể đạt được Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu vềcác tiện ích về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.

1.4 Khái quát về ZIGBEE / IEEE 802.15.4

1.4.1 Khái quát về mạng WPAN

WPAN là mạng vô tuyến cá nhân Nhóm này bao gồm các công nghệ

vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa Các côngnghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bànphím, chuột, đĩa cứng, khóa USB,đồng hồ, với điện thoại di động, máytính Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee,UWB, Wireless USB, EnOcean

1.4.2 Khái niệm ZigBee

có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết bị không dây dựa trên chuẩnZigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz.Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ongmật đó là kiểu “zig-zag” của loài ong “honey-Bee” Cái tên Zigbeecũng được ghép từ 2 từ này

 Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng

 Thời gian sử dụng pin rất dài

 Cài đặt, bảo trì dễ dàng

 Chi phí đầu tư thấp

 Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz(toàn cầu), 40 kbps ở dảitần 915 MHz (Mỹ ,Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu)

1.4.3 Lịch sử phát triển

thấy Wifi và Bluetooth không thích hợp với nhiều ứng dụng Tháng 5năm 2003, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được hoàn thành Tháng 10 năm

2004, Liên minh Zigbee ra đời Đây là hiệp hội các công ty làm việccùng nhau để cho phép và kiểm soát các sản phẩm mạng không dây tốc

độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật cao Làmột tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận Nó tạo ra các tiêu chuẩn

kỹ thuật cho Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thịtrường

 Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời từ đó đến nay:

trong thời gian này điện thoại Zigbee đầu tiên trên thế giới đượcgiới thiệu với những tính năng như điều khiển các thiết bị điện giadụng, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và hệ thống báo động

1.4.4 So sánh ZigBee với Bluetooth và Wifi

network) thay vì chỉ có 2 sản phẩm tương tác với nhau như Bluetooth

và Wifi Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 métlên đến vài trăm mét

chỉ đạt 256 Kb/giây, đồng thời Zigbee sử dụng rộng hơn trong cácmạng mắt lưới rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Phạm vi hoạtđộng của nó có thể đạt từ 10 – 75m trong khi đó Bluetooth chỉ có 10mét trong trường hợp không có khuếch đại

Tần số 868 MHz, 915

MHz, 2.4 GHz

Data Rate 20-250 Kbps 1-100Mbps 1-3Mbps

1.4.5 Ứng dụng

Là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm tương thích màtheo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụngnăng lượng nước Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách chongười tiêu dung những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mứctiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền Tiêu chuẩn này hỗtrợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất sảnphẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng vànước trong tương lai

 ZigBee điều khiển từ xa:

Cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử dụng điềukhiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sửdụng và tuổi thọ pin mở rộng Nó được thiết kế cho một loạt các thiết

bị rạp hát tại nhà, các hộp set-top, thiết bị âm thanh khác Điều khiển từ

xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng từ chỉ điều khiển từ xa ở cácthiết bị Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểmsoát các thiết bị từ phòng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất

cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủytinh

ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho cácsản phẩm tương thích cho phép nhà thông minh có thể kiểm soát thiết

bị, chiếu sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như

mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee Nhà thông minh cho phépngười tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng mộtloạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì