Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN QUỐC THẮNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN QUỐC THẮNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

PHAN QUỐC THẮNG

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƯỜNG

Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN

Hà Nội – Năm 2015

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phan Quốc Thắng

2

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, em đã được học hỏi những kiến thức vô cùng quý báu từ các thầy, cô giáo trong trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội trong hai năm qua Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong thời gian học tập cao học tại trường

Em đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS.Phạm Minh Triển – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trường Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo và định hướng cho em nghiên cứu đề tài này Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích và quý báu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, bài luận văn của em không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và củng cố đề bài luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 75

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG

DỤNG Error! Bookmark not defined

1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.1 Mạng cảm biến không dây là gì? Error! Bookmark not defined 1.2 Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined

1.2.1 Cấu trúc mạng cảm biến Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc một nút mạng [6] Error! Bookmark not defined 1.3 Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined

1.4 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống Error! Bookmark not defined

2 Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] Error! Bookmark not defined 2.1 Mạng cảm biến trong môi trường Error! Bookmark not defined 2.2 Ứng dụng trong y tế Error! Bookmark not defined 2.3 Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng Error! Bookmark not defined 2.4 Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp Error! Bookmark not defined

2.5 WSN trong nông nghiệp Error! Bookmark not defined 2.6 WSN trong quân sự Error! Bookmark not defined

3 Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4]

Error! Bookmark not defined

4

3.1 Những khó khăn thường thấy Error! Bookmark not defined 3.2 Hạn chế trong việc xây dựng WSN Error! Bookmark not defined

4 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined

1 Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] Error! Bookmark not defined

1.1 Tính động của mạng Error! Bookmark not defined 1.2 Trật tự sắp xếp của mạng Error! Bookmark not defined 1.3 Khả năng của các nút mạng Error! Bookmark not defined 1.4 Vấn đề năng lượng Error! Bookmark not defined 1.5 Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu Error! Bookmark not defined

2 Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến Error! Bookmark not defined

3 Các định tuyến chính hay được dùng trong mạng WSN[5],[11] Error! Bookmark not defined

3.1 Định tuyến trung tâm dữ liệu Error! Bookmark not defined 3.1.1 Giao thức Flooding và gossiping Error! Bookmark not defined 3.1.2 Giao thức SPIN Error! Bookmark not defined 3.2 Truyền tin trực tiếp Error! Bookmark not defined 3.3 Định tuyến phân cấp Error! Bookmark not defined 3.3.1 Giao thức LEACH Error! Bookmark not defined 3.3.2 Giao thức PEGASIS Error! Bookmark not defined 3.4 Định tuyến dựa vào vị trí Error! Bookmark not defined 3.4.1 Giao thức GAF Error! Bookmark not defined 3.4.2 Giao thức GEAR Error! Bookmark not defined

4 Kết luận Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4

Error! Bookmark not defined

1 Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] Error! Bookmark not defined

2 Mô mình mạng Zigbee[10] Error! Bookmark not defined

5

2.1 Mạng hình sao (Star Network) Error! Bookmark not defined 2.2 Mạng hình lưới (Mesh Network) Error! Bookmark not defined 2.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) Error! Bookmark not defined

3 Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] Error! Bookmark not defined

4 Tầng vật lý (PHY)[10] Error! Bookmark not defined 4.1 Điều chế tín hiệu của tầng vật lý Error! Bookmark not defined 4.2 Thông số kỹ thuật Error! Bookmark not defined 4.3 Định dạng khung tin PPDU Error! Bookmark not defined

5 Tầng điều khiển dữ liệu (MAC) [5] Error! Bookmark not defined 5.1 Cấu trúc siêu khung Error! Bookmark not defined

5.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang

CSMA-CA Error! Bookmark not defined

5.3 Các mô hình truyền dữ liệu Error! Bookmark not defined 5.4 Phát thông tin báo hiệu beacon Error! Bookmark not defined 5.5 Định dạng khung tin MAC Error! Bookmark not defined

6 Tầng mạng của Zigbee [5] Error! Bookmark not defined 6.1 Dịch vụ mạng Error! Bookmark not defined 6.2 Dịch vụ bảo mật Error! Bookmark not defined

7 Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] Error! Bookmark not defined

8 Kết luận Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

Error! Bookmark not defined

1 Bài toán đặt ra Error! Bookmark not defined 1.1 Mô hình bài toán cần xây dựng Error! Bookmark not defined 1.2 Bài toán mô phỏng đặt ra Error! Bookmark not defined

2 Sơ đồ khối chung của mạch Error! Bookmark not defined

3 Chi tiết phần cứng cho mạch Error! Bookmark not defined 3.1 Vi điều khiển ATmega[13] Error! Bookmark not defined 3.2 Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15] Error! Bookmark not defined 3.3 Mạch thu phát sóng radio ở tần số 2.4Ghz[16] Error! Bookmark not defined

6

3.4 Phần mềm giám sát Error! Bookmark not defined 3.4.1 Hoạt động chung Error! Bookmark not defined 3.4.2 Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng Error! Bookmark not defined

3.4.3 Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính Error! Bookmark not defined

4 Kết quả của bài toán Error! Bookmark not defined 4.1 Mạch thực tế Error! Bookmark not defined 4.2 Màn hình giám sát Error! Bookmark not defined

5 Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

PHỤ LỤC 79

1 Chương trình code cho vi điều khiển 79

1.1 Chương trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu 79

1.2 Chương trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu 92

2 Chương trình code phần mềm 114

2.1 Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị 114

2.2 Giao diện chính 118

7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển tín hiệu điện sang số

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân

CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy cập

CCA Clear Channel Assessment Ước lượng kênh truyền

CFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự do

CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát hiện đụng độ

FFD Full Function Device Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng theo

chuẩn Zigbee

Functioning

Giải thuật chính xác theo địa lý

GEAR Geographic and

Energy-Aware Routing

Định tuyến nhận biết năng lượng và phương pháp báo thong tin qua địa lý GTS Guaranteed Time Slots Quản lý khe thời gian

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ thuật điện và điện tử

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LEACH Low Engergy Adaptive

Clustering Hierachy

Phân cấp cụm thích ứng với năng lượng thấp

MAC Medium access control Điều khiển truy nhập

MCU Microprocessor Control Unit Vi điều khiển

MSK Minimun Shift Keying Khóa dich tối thiểu đồng bộ

O-QPSK Offset-Quadrature Phase Shift

Keying

Khóa dịch pha góc 1/4 có góc lệch pha ban đầu

8 PAN Personal Area Networks Mạng cá nhân

PEGASIS Power-efficient Gathering in

Sensor Information Systems

Giao thức định tuyến và tập trung hiệu suất trong mạng cảm biến

PPDU Presentation Protocol Data

Unit

Khối dữ liệu của giao thức trình diễn

RFD Reduced Function Device Những thiết bị giới hạn chức năng của

chuẩn Zigbee

Information via Negotiation

Giao thức định tuyến thông tin dựa vào

sự dàn sếp dữ liệu WLAN Wireless local area network Mạng vô tuyến cục bộ

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không đây

ZC Zigbee Coordinator Thiết bị điều phối Zigbee

ZDO Zigbee Device Object Đối tƣợng thiết bị Zigbee

77

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt

1 Bùi Đức Thắng (2008), “Một số nét khái quát về chuẩn Zigbee”, Tạp chí tự

động hóa ngày nay, tháng 8/2008

2 Đồng Thảo Phương, Nguyễn Đại Dương, Bùi Đăng Thảnh (2013), “Giao thức

Zigbee trong truyền thông công nghiệp”, Tạp chí tự động hóa ngày nay(số 147),

tháng 4/2013

3 Khiếu Thị Hoài (2013),“Ứng dụng của mạng cảm biến không dây”, Tạp chí

khoa học và công nghệ, Trường đại học Phan Châu Trinh

4 Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Tiến Dũng, Trịnh Hùng Tín, Lưu Tiến Đạt (2013), “Sử dụng hiệu quả năng lượng

với mô hình giám sát theo vùng trong mạng cảm biến không dây”, Tạp chí khoa

học công nghệ(số 95), Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

5 Trần Văn Công Thành (2013), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây vào giám sát sự thay đổi của môi trường, Luận văn thạc sĩ , Trường Đại Học Đà

Nẵng, tr.28-42, 53-69

6 Trịnh Lương Miên(2014), “Tổng quan mạng cảm biến không dây”, Tạp chí tự động hóa ngày nay( số 157), tháng 3/2014

Tiếng Anh

7 Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at

Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd

8 Deying Li, Magie Xiaoyan Cheng (2001), Advances in wireless ad hoc and sensor Networks, Springer

9 Edgar H.Callaway Jr (2004), Wireless Sensor Networks: Architectures and

Protocols, A CRC Press Company

10 Implementing ZigBee in Existing Industrial Automation Networks, Sensors

Expo 2005

11 Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Wireless Automation Systems: Optimizing

Reliability, Security and Coexistence, 2008

12 Holger Karl Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, EngLand

Internet

13 http://www.alldatasheet.com

78

14 http://arduino.vn/bai-viet/91-doc-nhiet-do-do-am-va-xuat-ra-man-hinh-lcd

15 http://mcu.banlinhkien.vn/threads/dht11-cam-bien-do-am.122/

16 http://mcu.banlinhkien.vn/threads/module-nrf24l01-2-4g-cach-thuc-su-dung-voi-tat-ca-cac-dong-vdk.129/