nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho đo nhiệt độ môi trường

Ví dụ như có thể ứng dụng WSN vào trong công việc phòng cháy rừng bằng rất nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng không dây để có thể ngay lập tức phát hiện những vùn

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM QUANG KHÁNH

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ NHẬT THĂNG

Hà Nội, 10-2013

2

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 chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Phạm Quang Khánh

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

LỜI MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾTTỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.2 Tổng quan về kỹ thuật WSNs 15

1.3 Tiêu chuẩn về phương thức truyền nhận 18

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 20

1.4.1 Các mô hình phân bố 20

1.4.2 Các ứng dụng của mạng WSNs 21

1.5 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2:ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN 24 KHÔNG DÂY 24

2.3 Trong việc cảnh báo lũ 26

2.4 Trong nuôi trồng thuỷ sản 26

2.5 Bài toán đo nhiệt độ môi trường sử dụng mạng cảm biến không dây 27

2.5.1 Giới thiệu mô hình tổng quan 27

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động 28

2.5.3 Sơ lược về SMS 28

2.6 Kết luận chương 2 30

CHƯƠNG 3:MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM, THUẬT TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM NHÚNG 31

3.1 Mô hình hệ thống thực nghiệm 31

3.2: Các linh kiện được sử dụng trong hệ thống thực nghiệm: 32

3.2.1: Khối thu tín hiệu nhiệt độ: 32

3.2.2: Keyboard: bàn phím gồm 1 phím cho phép thiết lập một số thông số cơ bản của thiết bị 33

4

3.2.3: Khối xử lý trung tâm: vi điều khiển AT89C51 33

3.2.4: Khối hiển thị: 35

3.2.5: Khối truyền dữ liệu: 36

3.2.5.1: Các thông số kỹ thuật của module Sim900 37

3.2.5.2: Tập lệnh AT 38

3.2 Sơ đồ nguyên lý 38

3.2.1 Khối nguồn 38

3.2.2 Khối nhập dữ liệu 39

3.2.3 Khối giao tiếp GSM 40

3.2.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41

3.3 Mạch in 42

3.4 Thuật toán 43

3.5 Phần mềm nhúng 45

3.6 Kết luận chương 3 47

CHƯƠNG 4:MỘT SỐ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 48

4.1 Thiết bị thử nghiệm 48

4.2 Kich bản thử nghiệm 48

4.2.1: Nạp trương trình nhúng vào mạch 48

4.2.2.Thử nghiệm 1: 49

4.2.3.Thử nghiệm 2: 51

4.3 Kết luận chương 4 54

KẾT LUẬN 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Phụ lục 59

5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ SHT10 32 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của LCD 1602A 36 Bảng 4.1: Số liệu đo nhiệt độ đo đƣợc trong ngày 53

6

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mạng đơn bước 12

Hình 1.2: Mạng đa bước 12

Hình 1.3: Mô hình mạng cảm biến thông thường 17

Hình 1.4: Giao thức truyền nhận của mạng cảm biến 18

Hình 2.1 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp 24

Hình 2.2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh bảo cháy rừng 25

Hình 2.3 : Sơ đồ ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nuôi trồng 26

thủy sản 26

Hình 2.4: Hệ thống giám sát nhiệt độ môi trường 27

Hình 2.5 : Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS 29

Hình 3.1: Mô hình hệ thống thực nghiệm 31

Hình 3.2: SHT10 32

Hình 3.3: Giới hạn độ chính xác tương đối của SHT10 33

Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết đấu nối của SHT10 33

Hình 3.5: Vi điều khiển AT89C51 34

Hình 3.6: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 34

Hình 3.7: Màn hình LCD 1602A 35

Hình 3.8: Module Sim900 36

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 39

Hình 3.10: Nút nhấn truy nhập dữ liệu 39

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch GSM 40

Hình 3.12 Module GSM được lắp ráp hoàn chỉnh 40

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41

Hình 3.14: Sơ đồ mạch in tích hợp 2 mạch slave và master 42

Hình 3.15: Mạch in sau khi lắp ráp linh kiện 42

Hình 3.16: Lưu đồ thuật toán mạch master 43

Hình 3.17: Lưu đồ thuật toán mạch slave 44

Hình 3.18: Mô hình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 8051 47

7

Hình 4.1: Dịch chương trình nhúng bằng Keil uVision 4.0 48

Hình 4.2: Nạp chương trình nhúng 49

Hình 4.3: Bản mạch slave(trạm con) sau khi đã lắp ráp các linh kiện hoàn chỉnh 49

Hình 4.4: Tin nhắn có nội dung “th?” được gửi từ mạch master tới mạch slave 50

Hình 4.5: Tin nhắn có nội dung chứa thông số nhiệt độ môi trường được gửi từ mạch slave tới mạch master 50

Hình 4.6: Bản mạch master sau khi khởi động xong sẵn sàng nhận dữ liệu từ slave51 Hình 4.7: Bản mạch master sau khi nhận thông số đo nhiệt độ từ slave gửi về 51

Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm dùng điện thoại di động làm trạm gốc (master) 51

Hình 4.9: Điện thoại di động (master) gửi mật khẩu “th?” tới trạm con (slave) 52

Hình 4.10: Điện thoại di động nhận dữ liệu từ trạm con qua tin nhắn sms 52

Hình 4.11: Điện thoại di động hiển thị thông số nhiệt độ từ slave gửi về 53

Hình 4.12: Biểu đồ nhiệt độ đo được trong ngày 54

8

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây – WSN (Wireless Sensor Network) ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin Một trong các lĩnh vực của mạng cảm biến không dây là sự kết hợp của việc cảm biến, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người cũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị…

Trong những nghiên cứu mới nhất hiện nay thì hầu hết các ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa hoặc có thể mang theo một thiết bị nhỏ gọn nhưng có sức mạnh có thể làm việc hiệu quả không kém một hệ thống thiết bị cồng kềnh Ví dụ như có thể ứng dụng WSN vào trong công việc phòng cháy rừng bằng rất nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng không dây để có thể ngay lập tức phát hiện những vùng có khả năng cháy và gây cháy có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo động cần thiết Một trong những ưu điểm lớn của mạng không dây WSN là chi phí chiển khai được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng Thay vì hàng ngàn km dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã được lắp đặt nhỏ gọn vào

vị trí cần thiết Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của WSN, rất đơn giản ta chỉ việc thêm vào các thiết bị, linh kiện không cần thao tác phức tạp Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm biến không dây, căn

cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các hệ thống giám sát các thông số trong môi trường để phục vụ cho nhiều nghành, nhiều lĩnh vực Tôi đã chọn hướng

nghiên cứu là đồ án “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi

9

trường” làm luận văn tốt nghiệp của mình với yêu cầu đặt ra là xây dựng cấu trúc

phần cứng nhỏ gọn, xử lý nhanh, chi phí thấp mà vẫn có khả năng đạt được hiệu quả như mong muốn Hệ thống này phải có khả năng ứng dụng cao trong các điều kiện khí hậu khác nhau, giảm thiểu đáng kể những chi phí không cần thiết cho việc

đo nhiệt độ thủ công hoặc sử dụng những thiết bị được nhập về như hiện nay

2 Mục tiêu và nội dung thực hiện của đề tài

Với những ứng dụng rộng rãi và cấp thiết như trên, mục tiêu của đề tài “Nghiên

cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trường” là đề xuất xây dựng

hệ thống đo nhiệt độ khắc phục được những hạn chế mà một số sản phẩm đã có trên thị trường chưa giải quyết được như:

- Tốc độ lấy mẫu nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ

- Thuật toán xử lý, đảm bảo được độ chính xác, tin cậy cao Thuật toán này phải có

độ bảo mật an toàn cho thiết bị

Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Thực hiện giao tiếp giữa 2 nút mạng, hiển thị hình ảnh thông số kỹ thuật ra màn hình LCD

- Nghiên cứu, đề xuất hệ thống chuyền dữ liệu về nhiệt độ môi trường thông qua hạ tầng GSM

- Thiết kế, xây dựng một mạng cụ thể bao gồm 2 nút mạng

Dựa trên các nội dung đó, luận văn này được chia thành 4 chương với các nội dụng chính như sau:

Nội dung chi tiết của bản luận văn bao gồm

- Chương 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây

- Chương 2: Đo nhiệt độ môi trường sử dụng mạng cảm biến không dây

- Chương 3: Mô hình hệ thống thực nghiệm, thuật toán và thiết kế phần mềm nhúng

- Chương 4: Một số thử nghiệm và đánh giá

3 Kết quả đạt được

10

Bằng phương pháp thực nghiệm, mạng cảm biến không dây, hoàn thành và đáp ứng các các yêu cầu đặt ra:

 Module quản lý nhỏ, gọn, trực quan

 Hiển thị thông số nhiệt độ trên LCD

 Chuyển đổi nhiệt độ nhanh

Thực nghiệm cho thấy thuật toán đã đề ra đạt độ chính xác cao với điều kiện môi trường khác nhau

Để có thể thực hiện và hoàn thành đề tài này, tôi xin được chân thành cảm ơn

PGS.TS Lê Nhật Thăng đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Học viên

Phạm Quang Khánh

11

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu chung

Mạng cảm biến không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin của môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian xác định nhằm phát hiện các quy luật vận động và các đặc điểm thay đổi rất chậm của môi trường hoặc của đối tượng, mạng cảm nhận không dây thông thường bao gồm các nút mạng cảm nhận được phân bố trong một phạm vi không gian nhất định Các nút cảm nhận này sẽ tiến hành đo đạc các thông

số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ mặn.…việc thu thập các thông tin này trong văn phòng, nhà kho, công xưởng, viện bảo tàng, trong công nghiệp, y tế, nông nghiêp, lâm nghiệp… WSN dường như đã trở thành giải pháp hấp dẫn vì mang đến

sự tiện lợi về nhiều phương diện, và đặc biệt trong nhiều trường hợp thậm chí còn hạn chế được sự nguy hiểm cho con người trong những môi trường làm việc khắc nghiệt (nút mạng thay thế cho sự làm việc trực tiếp của con người trong những môi trường có độc tính hay nhiệt độ cao ) Một hệ thống WSN hoàn thiện còn có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trường hoặc định vị sự di chuyển các đối tượng trong phạm vi của nó Tùy theo mục đích của mạng cảm biến

mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp Các nút cảm biến có bộ vi xử lý bên trong, thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích nó có thể tiến hành xử lý đơn giản và gửi về dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu

12

Hình 1.1: Mạng đơn bước

Hình 1.2: Mạng đa bước Mạng đơn bước đơn giản là từ nút con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về nút cơ

sở, mạng loại này thường là mạng nhỏ, thông thường trường hợp mạng đơn bước được coi là một trường hợp đặc biệt của mạng đa bước khi xem xét trên một phạm

vi nhỏ Trong trường hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con

về nút cơ sở thì dữ liệu sẽ được gửi qua các nút trung gian trước khi tới nút cơ sở, ta

13

gọi đây là truyền đa bước Đôi khi không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút con tới nút cơ sở mà người ta mới dùng nút trung gian, do dùng nút trung gian để giảm công suất và chia đều tiêu tán năng lượng giữa các nút

Các nút mạng cảm biến thu thập thông tin môi trường sau đó gửi về nút gốc (master), nút gốc thường là cố định và được nối với PC, hoặc máy tính xách tay qua cổng RS232 việc đó nảy sinh những vấn đề như sự thiếu linh hoạt trong việc theo dõi, giám sát trực tiếp môi trường, không cơ động…

Mạng cảm biến (Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng cảm biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong môi trường cụ thể nào đó Môi trường

có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học

Các ứng dụng cơ bản của mạng cảm biến chủ yếu gồm thu thập dữ liệu, quan sát, theo dõi và các ứng dụng trong y học Tuy nhiên ứng dụng của mạng cảm biến tùy theo yêu cầu sử dụng còn đòi hỏi rất đa dạng và không bị giới hạn

Các thành phần cơ bản cấu tạo nên một mạng cảm biến:

 Các cảm biến được phân bố theo mô hình tập trung hay phân bố dải

 Mạng lưới liên kết giữa các cảm biến (có dây và không dây)

 Điểm trung tâm, tập hợp dữ liệu (Clus Tering)

 Bộ phận xử lý dữ liệu ở trung tâm

Một nút cảm biến được định nghĩa là sự kết hợp cảm biến và bộ phận xử lý, hay còn gọi là mote Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng cảm nhận trong đó các kết nối giữa các nút và cảm biến bằng sóng vô tuyến hoặc GSM

Công nghệ mạng cảm biến được xem là thành phần quan trọng nhất phục vụ cho các ứng dụng Công nghệ cảm biến và điều khiển bao gồm các cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, quang, hồng ngoại, lasers, radar, các cảm biến định vị, dẫn đường, đo đạc các thông số môi trường, các cảm biến phục vụ trong lĩnh vực an ninh, sinh hóa… Ngày nay, các cảm biến được sử dụng với số lượng lớn

Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các nút xử lý giá thành thấp và có khả năng tự phân bố, sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng, giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng lượng cho các nút bị giới hạn Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lượng thấp được ưu tiên phát triển Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát dựa trên 3 tiêu chí:

 Chu kỳ vận động ngắn

 Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền

 Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đường truyền, qua đó làm giảm suy hao tổng cộng, giảm công suất cho đường truyền

WSNs được chia làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nút sử dụng:

15

 Mô hình đa điểm – điểm, hay điểm – điểm, một kết nối radio đến nút trung tâm

 Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh

 Khoảng cách giữa các nút lên tới vài trăm mét

 Nút chuyển tiếp không có khả năng xử lý dữ liệu cho các nút khác

 Hệ thống tương đối đơn giản

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho WSNs là IEEE 802.15.4 Hoạt động tại tần số 2.4GHz trong công nghiệp, khoa học và y học (ISM), cung cấp đường truyền dữ liệu lên đến 250kbps ở khoảng cách từ 30 đến 200 feet Zigbee/IEEE802.15.4 được thiết kế để bổ xung cho các công nghệ không dây như Bluetooth, Wifi, để phục vụ cho các ứng dụng thương mại

Với sự ra đời của của Zigbee/IEEE802.15.4, các hệ thống dần phát triển theo hướng tiêu chuẩn, cho phép các cảm biến truyền thông tin qua kênh được tiêu chuẩn hóa

1.2 Tổng quan về kỹ thuật WSNs

Như đã đề cập ở trên, một vài mạng cảm biến dùng giao thức xử lý tại nút nguồn trung tâm, một số dùng giao thức xử lý theo cấu trúc hay gọi là xử lý trước tại nút Thay vì gửi đi dữ liệu đến nút chuyển tiếp, nút thường dùng khả năng xử lý

dữ liệu của mình để giải quyết trước khi phát đi Với dạng có cấu trúc, dữ liệu được

xử lý đến mức tốt nhất nhờ đó làm giảm được năng lượng cần dùng và băng thông kênh truyền Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến như sau:

 Cảm biến:

Chức năng cơ bản

Xử lý tín hiệu

Nén và các giao thức phát hiện, sửa lỗi

 Phân chia Cluster

Tự phân nhóm

 Kỹ thuật truyền vô tuyến:

Dãy truyền sóng

 IEEE802.15.3 Ultra Wideband (UWB)

 IEEE802.15.4/Zigbee (IEEE802.15.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến, Zigbee là phần mềm ứng dụng và mạng logic)

Các thành phần cơ bản cấu trúc mạng cảm biến

Các thành phần cơ bản và thiết kế trọng tâm của mạng WSNs cần được đặt trong ngữ cảnh của mô hình WSNs dạng 1 (C1WSNs) đã được giới thiệu ở phần trước Bởi vì đây là mô hình với số lượng cảm biến lớn trong mạng, chuỗi dữ liệu nhiều, dữ liệu không được hoàn hảo, khả năng hỏng các nút cao, cũng như khả năng

bị nhiễu lớn, giới hạn công suất cung cấp, xử lý, thiếu thông tin các nút trong mạng

Do vây, C1WSNs tổng quát hơn so với C2WSNs Sự phát triển của mạng cảm biến dựa trên cải tiến về cảm biến, thông tin và tính toán (giải thuật trao đổi dữ liệu, phần cứng và phần mềm)

17

Hình 1.3: Mô hình mạng cảm biến thông thường Hình 1.3 cho thấy cấu trúc của mạng cảm biến thông thường Theo đó, các cảm biến liên kết theo giao thức Multihop, phân chia Cluster chọn ra nút có khả năng tốt nhất làm nút trung tâm, tất cả các nút loại này sẽ truyền về nút xử lý chính Nhờ vậy, năng lượng cũng như băng thông kênh truyền sẽ sử dụng hiệu quả hơn Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn

Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:

 Các nút phân bố dày đặc

 Các nút dễ bị hỏng

 Giao thức mạng thường xuyên thay đổi

 Nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ

 Các nút có thể không được đồng nhất toàn hệ thống vì số lượng lớn các nút Các thành phần cấu tạo nên một nút trong mạng cảm biến

 Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có)

Đơn vị xử lý

Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến

Nguồn cung cấp

Các ứng dụng khác…

18

Để cung cấp sự hoạt động cho các nút, phần quan trọng là các hệ điều hành mã nguồn mở được thiết kế đặc biệt cho WSNs Thông thường, các hệ điều hành như thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng trong khi kích thước code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của Sensor Networks TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức Thành phần của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các nút, drivers cho các cảm biến và các ứng dụng Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng

để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tương ứng

1.3 Tiêu chuẩn về phương thức truyền nhận

Mục đích thiết kế WSNs là để phát triển giải pháp mạng không dây dựa trên tiêu chuẩn về hao phí là thấp nhất, đáp ứng các yêu cầu như tốc độ dữ liệu thấp – trung bình, tiêu thụ công suất thấp, đảm bảo độ bảo mật và tin cậy cho hệ thống Vị trí các nút cảm biến hầu như không xác định trước, có nghĩa là giao thức và giải thuật mạng phải có khả năng tự xây dựng

Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều giao thức đặc biệt cho WSNs, trong đó vấn đề căn bản là năng lượng tiêu thụ phải thấp nhất đến mức có thể Chủ yếu tập trung vào giao thức định tuyến, bởi vì định tuyến có khác so với các mạng truyền thống (phụ thuộc vào ứng dụng và kiến trúc mạng)

Hình 1.4: Giao thức truyền nhận của mạng cảm biến

19

Giao thức mạng cảm biến gồm liên lạc trong mạng và quản lý

Giao thức liên kết trong mạng gồm các lớp như mô hình OSI

 Layer 1 - lớp vật lý: Các quy ước về điện, kênh truyền, cảm biến, xử lý tín hiệu

 Layer 2 – lớp liên kết dữ liệu: Các cấu trúc khung, định thời

 Layer 3 – lớp mạng: Định tuyến

 Layer 4 – lớp vận chuyển: Truyền dữ liệu trong mạng, lưu trữ dữ liệu

Upper Layers: Phục vụ các ứng dụng trong mạng, bao gồm: xử lý ứng dụng, kết hợp dữ liệu, xử lý các yêu cầu từ bên ngoài, cơ sở dữ liệu ngoại

Mặc dù cảm biến có giá thành ngày càng thấp, nhưng vấn còn thiếu các tiêu chuẩn mạng cho WSNs, điều này là một yếu tố gây cản trở sự phát triển mạng cảm biến cho mục đích thương mại

Định tuyến và sự phân tán tín hiệu: Giao thức định tuyến cho WSNs rơi vào ba nhóm: Dữ liệu trung tâm, kiến trúc mạng và căn cứ vào vị trí Các quy ước về tập hợp dữ liệu để kết hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau qua đường truyền Điều này cho phép hạn chế sự dư thừa trong mạng, làm giảm số đường truyền, giảm năng lượng tiêu thụ Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng, ngay khi dữ liệu đang được truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn hệ thống Băng thông không bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các nút bị hạn chế hay giá thành cao Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trước tại nguồn trước khi chuyển qua các nút lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất

Tổ chức mạng cảm biến: Các vấn đề liên quan, sự sắp xếp mạng và sự theo dõi giám sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây dựng phiên làm việc

Tính toán: Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính toán cấu trúc và xử lý tín hiệu

Quản lý dữ liệu: Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở

dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lưu trữ dữ liệu Trong môi trường mạng truyền thống,

dữ liệu được thu thập đến trung tâm để lưu trữ khi có yêu cầu được gửi đi Trong

20

các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật được xây dựng dùng cho các mô hình lưu trữ dữ liệu phân bố Dữ liệu cần được đánh chỉ

số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn

Bảo mật: Bảo mật là phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, sự nhất quán

và sự sẵn sàng của thông tin

Các thách thức và trở ngại

Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thử thách và trở ngại cần phải vượt qua:

 Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước

Yếu tố nguồn cung cấp

Giá thành các nút mạng

Yếu tố môi trường

Các đặc tính kênh truyền

Giao thức quả lý mạng phức tạp và sự phân bố dải các nút

Tiêu chuẩn và quyền sở hữu

Các vấn đề mở rộng

1.4 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây là sự tập hợp các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn (compact-size), cụ thể là các nút cảm biến với giá thành thấp, có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường tự nhiên hoặc đo đạc các thông số khác và đưa những thông tin đến trung tâm khi các xử lý phù hợp Các nút trong mạng WSNs có thể liên lạc với các nút xung quanh nó, và có thể xử lý dữ liệu thu được trước khi gửi đến các nút khác WSNs cung cấp rất nhiều các ứng dụng hữu ích

21

 Category 2 WSNs (C2WSNs): mô hình điểm-điểm hay đa điểm-điểm, chủ yếu là các liên kết đơn (single-hop) giữa các nút, dùng giao thức định tuyến tĩnh Theo cách khác, có thể chia mô hình theo 2 dạng hợp tác (cooperative) và bất hợp tác (noncooperative) Trong dạng hợp tác các nút chuyển tiếp thông tin cho các nút lân cận Còn trong dạng bất hợp tác, các nút truyền thông tin trực tiếp lên trung tâm mà không qua các nút lân cận

Mặc dù còn có các cách phân loại mô hình khác, tuy nhiên theo 2 dạng C1WSNs và C2WSNs là tổng quát nhất cho các cách cấu hình mạng WSNs Các ứng dụng được xây dựng trên các mô hình này

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSNs đã đạt được những bước phát triển mạnh mẽ, các bước tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trường,

Bảo vệ anh ninh cho các công trình trọng yếu

Ứng dụng trong quân đội

Thông tin, giám sát, điều khiển

Ứng dụng trong bảo vệ môi trường:

 Phát hiện hoạt động của núi lửa

Giám sát cháy rừng

Giám sát dịch bệnh

Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên

Phát hiện động đất

Ứng dụng trong thương mại:

Điều khiển không lưu

Quản lý cầu đường

Quản lý kiên trúc và xây dựng

Điều khiển nhiệt độ

Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng

Hệ thống tự động

Cảm biến các chất hóa học, sinh học, nguyên tử

Thu thập dữ liệu thời gian thực

23

Giám sát bệnh nhân, nhân viên y tế

Ứng dụng trong gia đình:

Điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà

Hệ thống tự động trong gia đình, cảnh báo an ninh…

Giám sát an ninh

 Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trường, các nguy cơ tấn công nguyên

tử, sinh hóa…

Môi trường: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt…

Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều khiển từ xa…

Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sưởi ấm…

Thương mại: điều khiển trong môi trường công nghiệp, văn phòng, giám sát

xử lý dựa vào các linh kiện điện tử để giúp đạt hiệu quả cao nhất

Do những điều kiện về nền kinh tế, kỹ thuật mà việc ứng dụng mạng cảm biến không dây trong lỹ vực y tế ở nước ta rất khó triển khai Dưới đây là một số ứng dụng của mạng cảm biến không dây có thể ứng dụng được ở nước ta

2.1 Trong nông nghiệp

Do nước ta là nước đang phát triển với nền nông nghiệp lớn Số lượng các trang trại của nước ta nhiều do đó việc theo dõi là rất tốn nhân công Trong khi đó việc đầu tư để phát triển một mạng cảm nhận không dây không phải là cao Mạng

có thể được dùng để đo dộ ảm, nhiệt độ ở từng khu vực trong trang trại, hay lượng mưa ở những khu vực khác nhau

Hình 2.1 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp

25

Các nút mạng được bố trí tại các cánh đồng khác nhau để thu thập các thông tin về môi trường sau đó chuyển dữ liệu về khu vực người sử dụng Người sử dụng khi có các thông tin về môi trường ở từng khu vực khác nhau sẽ đưa ra các phương hướng chăm sóc khác nhau đối với từng khu vực để chăm sóc cho tốt

2.2 Trong việc dự báo cháy rừng

Tài nguyên thiên nhiên rừng ở Việt Nam rất phong phú Trữ lượng gỗ lớn Có các cánh rừng nguyên sinh như: Cát Bà, Cúc Phương… Mang lại rất nhiều nguồn lợi cho nước ta Chính vì vậy việc giữ gìn và bảo tồn chúng là rất khó khăn Trong

đó việc cháy rừng do hạn hán, khô hanh thường xuyên sẩy ra do diện tích một khu rừng là rất lớn việc đo độ ẩm của khu rừng trong từng khu vực là rất khó khăn

Hình 2.2: Ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong cảnh bảo cháy rừng Mạng cảm biến không dây sẽ giúp cho chúng ta được điều này bằng cách mỗi nút mạng sẽ gắn một cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm của không khí…gửi về cho con người sẽ giúp cho chúng ta biết cách quản sử lý tình trạng cháy rừng do thiên tai gây ra

26

2.3 Trong việc cảnh báo lũ

Các nút mạng cảm nhận không dây có thể được gắn ở hai bên bờ sông trên thượng nguồn khi đó nó có thể thông báo cho chúng ta biết lượng nước trên thượng nguồn nhất là khi mùa mưa đến để đưa ra những thông báo về lũ chính xác nhất

2.4 Trong nuôi trồng thuỷ sản

Ở nước ta số hộ sống ở ven biển nhiều thì việc nuôi trồng thủy sản đem lại nguồn lợi kinh tế rất lớn Với một quy mô lớn với nhiều đầm nuôi thủy sản Trong khi đó nước chính là môi trường sống của các loài thủy sản việc môi trường sống này bị ô nhiễm hay bị thiếu ô xy sẽ ảnh hưởng tới đời sống hay năng suất của nguồn thủy sản này Trong khi đó việc theo dõi nguồn nước (các thông số của nguồn nước như nồng độ oxy độ PH trong nước) đều phải tiến hành trong phòng thí nghiệm và việc đo đạc lại hết sức khó khăn do mỗi hồ nuôi trồng thủy sản vì nguồn nước lại khac nhau Chính vì vậy mạng cảm nhận không dây có thể ứng dụng được rất tốt ở đây Mạng cảm nhận không dây có thể được dùng để đo nồng độ ôxy độ PH trong các hồ nuôi trồng hải sản khi đó có thể điều khiển tự động các quạt đạp nước cung cấp ôxy cho đầm này và thông báo cho người chăn nuôi biết được tình hình về nguồn nước hiện tại trong các hồ nước này

Hình 2.3 : Sơ đồ ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong nuôi trồng

thủy sản

27

Nút mạng có lắp Sensor đo ôxy hoặc CO2 được thả xuống đầm để đo lượng Ôxy gửi dữ liệu qua cac nút trung gian về máy tính, máy tính được kết nối và lập trình điều khiển bật tắt các quạt đạp nước trong một khoảng thời gian nhất định phụ thuộc vào nồng độ Ôxy đo được tại đầm tại các thời điểm khác nhau Toàn bộ hệ thống được tiến hành tự động

2.5 Bài toán đo nhiệt độ môi trường sử dụng mạng cảm biến không dây

Từ đề tài cụ thể “ Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho đo nhiệt độ môi trường” sau đây tôi giới thiệu một ứng dụng của mạng WSN thu thập

dữ liệu nhiệt độ môi trường, giải quyết được đa số những nhược điểm của mạng cảm nhận không dây thông thường, cụ thể đề tài đi tìm hiểu, phân tích thiết kế một nút mạng di động có khả năng thu thập dữ liệu nhiệt độ môi trường, xử lý, hiển thị lên màn hình LCD với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, tiết kiêm

2.5.1 Giới thiệu mô hình tổng quan

Bài toán đặt ra của luận văn này là “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng cho đo nhiệt độ môi trường” Tất cả các thông tin về đối tượng giám sát

và điều khiển đều được truyền về một máy chủ qua hạ tầng mạng GSM hoặc kết nối GPRS Người dùng có thể sử dụng trình duyệt để truy cập, quan sát các thông số

này ở bất kỳ nơi nào có kết nối di động Hình vẽ dưới đây mô tả sơ đồ hệ thống của

bài toán này:

Hình 2.4: Hệ thống giám sát nhiệt độ môi trường

28

Thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm:

- Thiết bị giám sát nhiệt độ

- Phần mềm giám sát và cấu hình chạy trên điện thoại di động hoặc ứng dụng web chạy trên máy tính

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động

Thiết bị giám sát nhiệt độ thu thập các thông số về nhiệt độ môi trường Trước hết, các thông số này được lưu trên thẻ nhớ nằm trên thiết bị, sau đó, thiết bị kiểm tra kết nối với mạng di động và truyền dữ liệu về máy chủ bằng tin nhắn hoặc kết nối GPRS nếu có Thiết bị này cũng có thể truyền dữ liệu thông qua các chuẩn công nghiệp như RS-485, RS-232, CAN

Tại máy chủ, phần mềm quản lý tổng hợp thông tin, biểu diễn các giá trị đo được trên LCD Ngoài ra, phần mềm trên máy chủ còn đưa ra các dự đoán, các cảnh báo khi nhiệt độ vượt quá mức cho phép và đặc biệt phần mềm này còn cho phép đặt các thông số của thiết bị đo từ xa đồng thời thực hiện một số thao tác điều khiển đóng ngắt một số rơle được thiết kế sẵn trên thiết bị Vì lý do thời gian, nên trong khuôn khổ luận văn này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế phần cứng thiết

bị đo và một số tính năng cơ bản của phần mềm giám sát, cấu hình chạy trên máy tính, thực hiện việc truyền dữ liệu thông suốt từ các đầu đo về máy chủ qua SMS và biểu diễn những thông số này trên đồ thị của phần mềm quản lý

Về thiết bị đo, tôi lựa chọn vi điều khiển AT89C51 làm IC xử lý trung tâm Đây

là một vi điều khiển dòng 8051 có tốc độ cao của Microchip được bán rộng rãi trên thị trường Việt Nam Phần giao tiếp với mạng GSM sử dụng modem SIM900A của Simcom kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ các băng tần 850/900/1800/1900 MHz

Sử dụng IC đo nhiệt độ chuyên dụng là SH-T10

2.5.3 Sơ lược về SMS

SMS là từ viết tắt của Short Message Service Đó là một công nghệ cho phép gửi

và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau SMS xuất hiện đầu tiên ở Châu

Âu vào năm 1992 Ở thời điểm đó nó bao gồm cả các chuẩn về GSM (Global

29

System for Mobile Communication) Một thời gian sau đó, nó phát triển sang công nghệ wireless như CDMA và TDMA Các chuẩn GSM và SMS có nguồn gốc phát triển bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute) Ngày nay 3GPP (Third Generation Partnership Project) đang giữ vai trò kiểm soát về sự phát triển và duy trì các chuẩn GSM và SMS Như chính tên đầy đủ của SMS là Short Message Service, dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một SMS là rất giới hạn Một SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu Vì vậy, một SMS có thể chứa:

+ 160 ký tự nếu mã hóa ký tự 7 bit được sử dụng (phù hợp với mã hóa các ký tự latin như alphatet của tiếng Anh)

+ 70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (dùng cho các ký tự không phải mã latin như chữ Trung Quốc…)

SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm Arabic, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc…

Bên cạnh gửi tin nhắn dạng text thì tin nhắn còn có thể mang dữ liệu dạng binary Nó cho phép gửi nhạc chuông, hình ảnh cùng nhiều tiện ích khác…tới điện thoại khác

Cấu trúc một tin nhắn SMS

Nội dung của 1 tin nhắn SMS khi được gửi đi chia làm 5 phần như sau:

Hình 2.5 : Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS

- Instructions to air interface: chỉ thị dữ liệu kết nối với air interface (giao diện không khí)

- Instructions to SMSC: chỉ thị dữ liệu kết nối với trung tâm tin nhắn SMSC

- Instructions to handset: chỉ thị dữ liệu kết nối bắt tay

- Instructions to SIM (optional): chỉ thị dữ liệu kết nối, nhận biết SIM

- Message body: nội dung tin nhắn SMS

ưu điểm của SMS

- Tin nhắn có thể được gửi và đọc tại bất kỳ thời điểm nào

30

- Tin nhắn SMS có thể được gửi tới các điện thoại dù chúng đang bị tắt nguồn

- Ít gây phiền phức trong khi bạn vẫn có thể giữ liên lạc với người khác

- Được sử dụng trên các điện thoại di động khác nhau và có thể gửi cùng mạng hoặc khác mạng đều được

- Phù hợp với các ứng dụng wireless sử dụng cùng với nó như: chức năng SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại sử dụng công nghệ GSM; có thể gửi nhạc chuông, hình ảnh…; hỗ trợ chi trả các dịch vụ trực tuyến …

2.6 Kết luận chương 2

Chương 2 tôi đã đưa ra các ứng dụng của hệ thống mạng cảm biến không dây ở nước ta và các yêu cầu đối với nút mạng Từ đó lựa chọn hướng thiết kế một hệ thống cảm biến không dây phù hợp với điều kiện hiện nay

1

di động SMS

SMS

3.2: Các linh kiện được sử dụng trong hệ thống thực nghiệm:

3.2.1: Khối thu tín hiệu nhiệt độ:

SH-T10: Cảm biến nhiệt độ, hình ảnh chi tiết của SH-T10 được minh họa ở hình

vẽ 3.2 dưới đây

Hình 3.2: SHT10

SHT10 là cảm biến kỹ thuật số về độ ẩm và nhiệt độ Độ chính xác đã được

mở đến một mức độ cao, giá rất cạnh tranh, hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của hệ thống thực nghiệm

Các thông số kỹ thuật được mô tả trong bảng dưới đây

 Năng lượng tiêu dùng: Lực 80uw( lúc 12 bit, 3V, 1 đo/s)

 Rh điều hành Dải: 0- 100% Rh

 T điều hành Dải: -40- +125 và °; c(- 40- +257 và deg f)

 Rh thời gian phản ứng: 8 giây( tau63%)

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ SHT10