Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công ty may 10_2

Sức mạnh của mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network 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.. Mạng cảm biế

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả và số liệu trong: Luận văn “Nghiên cứu mạng cảm

biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công ty may 10 – khu công

nghiệp Tân Liên” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được sự giúp đỡ và hướng

dẫn tận tình của thầy giáo TS Nguyễn Trọng Đức

Trong quá trình làm đề tài này, tôi nhận được sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo, chính vì sự nhiệt tình đó của thầy đã giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Mọi sự giúp đỡ cho việc thự hiện luận văn này đã được cám ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ ràng và được phép công bố

Hải Phòng, ngày 10 tháng 9 năm 2016

Phạm Chí Minh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và nghiệm cứu để hoàn thành luận văn này, em đã

nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Với lòng kính trọng và biết ơn

sâu sắc, em xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới:

Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, khoa Tin học trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trong quá trình học tập và

hoàn thành luận văn Thầy giáo: TS Nguyễn Trọng Đức, người thầy kính mến đã

hết lòng giúp đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc và tạo điều kện thuận lợi cho em

trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các anh, chị và các bạn

đi trước, đã nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, nhờ đó mà tôi đã có được

thông tin bổ sung hữu ích cần thiết trong công việc của mình

Hải Phòng, ngày 10 tháng 9 năm 2016

Phạm Chí Minh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 4

1.1 Mạng cảm biến không dây 4

1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây 4

1.1.2 Chức năng và thành phần 7

1.1.3 Truyền thông trong mạng cảm biến 8

1.1.4 Các chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến 12

1.1.5 Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động mạng cảm biến không dây 13

1.1.6 Giao thức mạng cảm biến không dây 15

1.2 Những đặc trưng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây 16

1.2.1 Đặc trưng 16

1.2.2 Ứng dụng 16

1.3 Kết luận chương 18

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19

2.1 Mô hình kiến trúc hệ thống 19

2.1.1 Các thành phần của hệ thống 19

2.1.2 Yêu cầu của hệ thống 20

2.1.3 Mô hình kiến trúc của bộ phát 20

2.1.4 Hệ thống thu tín hiệu 21

2.1.5 Chức năng hệ thống 21

2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống 22

2.2.1 Thuật toán bộ phát 22

2.2.2 Thuật toán điều khiển bộ thu 23

2.2.3 Lưu đồ hệ thống và ngôn ngữ lập trình 24

Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 26

3.1 Lựa chọn thiết bị 26

3.1.1 Arduino Nano V3 26

3.1.2 Bộ Vi điều khiển 28

3.1.3 Bộ chuyển đổi dữ liệu ADC 30

3.1.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 34

3.1.5 Cảm biến khói MQ-5 37

3.1.6 Module thu – phát RF NRF24L01 38

3.2 Lắp ghép các thiết bị thành nút mạng cảm biến không dây 43

3.3 Lắp ghép các thiết bị thành bộ thu sóng RF 44

3.4 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm 45

3.5 Kết nối hệ thống 46

3.6 Kiểm thử chương trình 49

3.7 Kết luận và hướng phát triển 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

FTDI Future Technology Devices Internationa

RISC Reduced Instructions Set Computer

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.2 Bảng cấu hình tốc độ truyền công suất phát 42

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.4 Định tuyến điểm - đa điểm của mạng cảm biến 10

Hình 1.5 Định tuyến Đa điểm - điểm của mạng cảm biến 11

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống bộ thu - phát trung tâm 19

Hình 3.14 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 43

Hình 3.17 Mạch được hàn các chân để kết nối các module 44

Hình 3.21 Mạch được hàn các chân để kết nối các Module 45

MỞ ĐẦU

 Tính cần thiết của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng cảm biến không dây ra đời là

một trong những thành tựu cao của Khoa học Công nghệ 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 mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) 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

Nghiên cứu mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)Bao gồm những thiết bị cảm biến sử dụng để liên kết không dây như (vô tuyến, hồng ngoại

hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân

tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm

biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp nó, hay

gián tiếp thông qua một điểm thu phát nút (Sink) và môi trường mạng công cộng

như Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho

các mục đích chuyên dụng như: Điều khiển giám sát và an ninh, kiểm tra môi

trường, tạo ra không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá chính xác trong nông

nghiệp, trong lĩnh vực y tế, quân sự Lợi thế chủ yếu của của mạng cảm biến

không dây là chúng ta có thể triển khai hầu như trong bất kỳ vị trí và loại hình địa

lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây

truyền thống Các thiết bị của mạng cảm biến không dây liên kết thành một mạng

đã tạo ra nhiều khả năng mới cho con người Các đầu đo với bộ vi xử lý và các

thiết bị vô tuyến rất nhỏ, gọn tạo nên một thiết bị cảm biến không dây có kích

thước rất nhỏ, tiết kiệm về không gian Chúng có thể hoạt động trong môi trường

nhiễu sóng, với khả năng xử lý tốc độ cao Ngày nay, các mạng cảm biến không

dây được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu vi sinh vật biển, cảnh báo

cháy trong đời sống, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, điều khiển

giám sát trong công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các

ứng dụng trong đời sống hàng ngày Vậy mạng không dây có rất nhiều ứng dụng

trong thực tiễn, trong đó định tuyến là rất quan trọng, nó đảm bảo được nhiều tiêu

chí: Phân cụm, phân cấp, tính năng lượng còn lại của các nút và thời gian hoạt

động của các nút mạng Vì vậy mạng cả biến không dây rất là quan trọng trong

lĩnh vực thu thập dữ liệu cảnh báo cháy trong đời sống, nó có tinh năng ưu việt hơn

các hệ thống mạng khác Vì vậy em chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến

không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy trong khu công nghiệp”

 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về mạng máy tính, công nghệ mạng không dây

- Nghiên cứu công nghệ mạng cảm biến

- Xây dựng mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây

 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu các ứng dụng trên nền tảng mạng cảm biến

- Đề tài nghiên cứu môi trường truyền dữ liệu của các node trong một phạm vi nhỏ, trong một lĩnh vực cụ thể

 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng trong thực tế Tiến hành theo các bước sau:

Mạng cảm biến không dây (Wirless Sensor Networks) với đặc điểm nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng và ngày càng được ứng dụng và phát triển rộng rãi

trong nhiều lĩnh vực xã hội như: An ninh, quốc phòng, công nghiệp, nông lâm

nghiệp, y tế và dân dụng

Tuy nhiên, với đặc điểm truyền thông không dây đa chặng, nên những vấn

đề như nhiễu đường, mất tín hiệu trong quá trình truyền, gây ảnh hưởng đến hiệu

năng của quá trình truyền thông trong mạng cảm biến không dây

Trong thời gian qua, nhiều đề tài nghiên cứu đã chỉ ra rằng yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng truyền thông trong mạng cảm biến không dây đó chính là

chất lượng tín hiệu truyền.Bởi vậy, việc xác định chất lượng truyền thông là công

việc rất quan trọng trong việc truyền dữ liệu trong mạng cảm biến không dây

Chính vì thế, chủ đề nghiên cứu của em về lĩnh vực chất lượng truyền tín hiệu thông qua mạng cảm biến không dây và tuổi thọ lâu dài của dàn mạng cảm

biến không dây, cũng gống như ta đi xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng

truyền tối ưu

Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công ty may 10 – khu công nghiệp Tân

Liên" không chỉ có mục tiêu nghiên cứu mà còn đánh giá sự tồn tại lâu dài của của

hệ thống mạng Kết quả của luận văn sẽ làm nền tảng cho hướng nghiên cứu tiếp

theo về chủ đề mạng cảm biến không dây

Chương 1.MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Mạng cảm biến không dây

Trong những năm qua, với những tiến bộ vượt bậc trong công nghệ thông tin, công nghệ vi điện tử, công nghệ truyền thông đã tạo thuận lợi và xu thế hội tụ

công nghệ, trong các hệ thống hiện đại với nhiều khả năng, và thông minh hơn

Ứng dụng những thành tựu của công nghệ thông tin và các thiết bị cảm biến

mà hệ thống đưa ra những đáp đó ứng phù hợp với công việc Bởi vậy, việc phát

triển công nghệ cảm biến sẽ đem lại nhiều khả năng và phạm vi ứng dụng cho các

hệ thống hiện đại đó

Bên cạnh đó, với xu thế IoT (Internet of Things) và WoT (Web of Things)

đã mở ra nhiều thuận lợi và lợi ích cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai

mạng hệ thống thông minh trên toàn cầu Chính điều này đã đặt ra yêu cầu cần

phải liên kết các nút cảm biến với nhau để tạo ra mạng cảm biến không dây WSN

(Wirless Sensor Networks) nhằm mở rộng phạm vi, kế thừa dữ liệu, nâng cao khả

năng tính kinh tế trong quá trình triển khai hệ thống Mạng cảm biến không dây có

thể hiểu đơn giản là sự liên kết và kết nối giữa các nút cảm biến với nhau, nhằm để

trao đổi thông tin và đáp ứng yêu cầu người dùng Mỗi nút cảm biến không dây

bao gồm một bộ thu phát vô tuyến, một bộ vi xử lý, và các cảm biến Mạng cảm

biến không dây sẽ liên kết các nút trong đó các nút cảm biến trao đổi với nhau

thông qua giao tiếp không dây và các nút trong mạng thường là các (thiết bị) đơn

giản, nhỏ gọn, giá thành thấp, đa chức năng, công suất tiêu thụ thấp và có một

phạm vi hoạt động lớn có thể liên kết với các mạng khác để tạo ra mạng cảm biến

có phạm vi rộng lớn hơn Các nút cảm biến có thể sử dụng nguồn năng lượng hạn

chế (pin), nên có giới hạn về thời gian hoạt động Các nút cảm biến này có nhiệm

vụ cảm nhận, đo đạc, tín hiệu, thu thập, hoặc đáp ứng yêu cầu của người dùng, như

theo dõi, chụp ảnh, bật tắt hệ thống, thiết bị điện, hay ở chế độ ngủ

Mạng cảm biến vô tuyến (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nút với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến trong đó các nút mạng thường là các (thiết

bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp , và có số lượng lớn, được phân bổ một cách

không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng, sử dụng nguồn năng

lượng hạn chế là (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng) và có thể hoạt

động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ ) [1]

Các nút (node) mạng thường có chức năng cảm ứng, quan sát môi trường xung quanh như: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị các mục tiêu cố

định hoặc di động Các nút (node) giao tiếp (ad-hoc) với nhau và truyền dữ liệu

về trung tâm (base station) một cách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop

Lưu lượng (traffic) dữ liệu lưu thông trong mạng cảm biến không dây là thấp và không liên tục Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các sensor node thường có

nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác

nhau Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt

động rất nhiều

1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây

Giao tiếp không dây multihop: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao tiếp trực tiếp giữa hai nút sẽ có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật

cản Đặc biệt là khi nút phát và nút thu cách xa nhau thì cần công suất phát lớn.Vì

vậy cần các nút trung gian làm nút chuyển tiếp để giảm công suất tổng thể Do đó

các mạng cảm biến không dây cần phải dùng giao tiếp multihop

Hoạt động hiệu quả năng lượng: để hỗ trợ kéo dài thời gian hoạt động của toàn mạng, hoạt động hiệu quả năng lượng là kỹ thuật quan trọng mạng cảm biến

mới thu thập đủ dữ liệu, khi đó từng nút thu dữ liệu gửi ngay đến sink thì sẽ rất tốn

băng thông và năng lượng Cần phải kết hợp các dữ liệu của nhiều nút trong một

vùng rồi mới gửi tới sink thì sẽ tiết kiệm băng thông và năng lượng

 Do vậy, cấu trúc mạng mới sẽ là:

- Kết hợp vấn đề năng lượng và khả năng định tuyến

- Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng

- Truyền năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây

- Chia sẻ nhiệm vụ giữa các nút lân cận Các nút cảm ứng được phân bố trong một môi trường mạng cảm biến không dây như (Hình 1.1) Mỗi một nút cảm ứng có khả năng thu thập dữ liệu và định

tuyến lại đến các sink Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc

đa điểm Các sink có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ (task manager

node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Hình 1.1: Mô hình kiến trúc mạng

 Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản như sau

- Đơn vị cảm biển (sensing unit)

- Đơn vị xử lý (Processing unit)

- Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

- Bộ nguồn (power unit)

 Đơn vị cảm biến

Bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) Dựa vào những hiện tượng quan sát được, đo lường được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến

được số hóa bằng bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog Digital Converter),

sau đó được đưa vào bộ xử lý

ngoài như sóng điện từ, năng lượng mặt trời

Ngoài ra nút có thể có thêm những thành phần khác tùy thuộc vào từng ứng dụng như là hệ thống định vị (location filding system), bộ phát nguồn (power

generator) và bộ phận di động (mobilizer)

1.1.2 Chức năng và thành phần

Để xây dựng mạng cảm biến trước hết phải chế tạo và phát triển các nút cấu thành mạng nút cảm biến Các nút này phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định tùy

theo ứng dụng: Chúng 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 có 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 ứng được

cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản, như ở (Hình 1.2), bộ cảm nhận (sensing unit),

bộ xử lý (a processing unit), bộ thu phát (a transceiver unit) và bộ nguồn (a power

unit) Ngoài ra 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)

Hình 1.2: Các thành phần của một nút cảm ứng Các bộ phận cảm ứng (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC – Analog to Digital Converter) Dựa trên những hiện tượng

quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi cảm biến được chuyển sang tín hiệu số

bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Bộ xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage unit), quyết định các thủ tục cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn

Phần thu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng Chúng gửi và nhận các dữ liệu thu được từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink

Phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm ứng là bộ nguồn Bộ nguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quan trọng,

nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như là năng lượng ánh sáng mặt trời

Hầu hết các kỹ thuật định tuyến và các nhiệm vụ cảm ứng của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vị trí, vì vậy cần phải có các bộ định vị Các bộ phận di

động, đôi lúc cần để dịch chuyển các nút cảm ứng khi cần thiết để thực hiện các

nhiệm vụ đã ấn định 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 kích cỡ ra các nút cảm ứng còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như là

phải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự

hoạt động, và thích ứng với môi trường

1.1.3.Truyền thông trong mạng cảm biến

Các nút cảm ứng có thể truyền một lượng đáng kể dữ liệu thừa, để giảm số lần truyền thì các gói tương tự nhau từ nhiều nút khác nhau phải được tập trung lại

Tập trung dữ liệu là sự kết hợp các dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau bằng việc

dùng các chức năng như nén (suppression), lấy min (min), lấy max (max)và lấy

trung bình (average) Các chức năng trên có thể được thực hiện một phần hoặc

toàn bộ trong mỗi một nút cảm ứng.Việc tính toán sẽ tiêu tốn ít năng lượng hơn so

với giao tiếp, và quá trình tập hợp dữ liệu sẽ tiết kiệm được lượng năng lượng đáng

kể.Kỹ thuật này được sử dụng trong khá nhiều các giao thức định tuyến.Trong một

số cấu trúc mạng, tất cả các chức năng tập trung dữ liệu được chỉ định cho các nút

nhiều năng lượng và chuyên dụng.Tập trung dữ liệu cũng khả thi trong kỹ thuật xử

lý tín hiệu

Mô hình truyền thông cho các nút mạng cảm biến không dây được chia thành ba loại như sau: (Điểm - Điểm), (Điểm - Đa điểm) và (Đa điểm - Điểm) Mỗi

loại định tuyến truyền thông được sử dụng trong các trường hợp khác nhau và có

những ưu và nhược điểm khác nhau.Nhiều ứng dụng sử dụng kết hợp các mô hình

truyền thông kiểu này

 Định tuyến truyền thông (Điểm - Điểm)

Hình 1.3 Định tuyến điểm - điểm của mạng cảm biến Với mô hình truyền thông (Điểm - Điểm) sẽ diễn ra một nút mạng cảm biến không dây truyền thông với một nút mạng cảm biến không dây khác.Tuy nhiên,

việc truyền thông này có thể có liên quan đến các nút mạng cảm biến khác Trong

hình phía dưới, hai nút mạng cảm biến không dây giao tiếp với nhau, nhưng có hai

nút mạng cảm biến khác liên quan đến quá trình truyền thông, bởi vì chúng chuyển

tiếp các gói tin giữa các điểm cuối của quá trình truyền thông

 Định tuyến truyền thông (Điểm - Đa điểm)

Mô hình truyền thông (Điểm - Đa điểm) được minh họa như ở (Hình 1.4).Mô hình này được sử dụng để gửi bản tin từ một nút tới một số nút khác và có

thể là tất cả các nút khác trong mạng.Mô hình truyền thông này có thể được sử

dụng để gửi một lệnh thiết lập tới các nút trong mạng

Hình 1.4 Định tuyến điểm - đa điểm của mạng cảm biến

Có rất nhiều hình thức truyền thông trong mạng, mô hình (Điểm - Đa điểm).Tùy thuộc vào tình huống khác nhau thì yêu cầu độ tin cậy của bản tin gửi đi

là khác nhau.Nếu yêu cầu độ tin cậy cao, thì giao thức truyền thông có thể phải

truyền lại các bản tin cho đến khi tất cả các nút nhận thành công gói tin.Nếu độ tin

cậy không yêu cầu quá khắt khe, thì giao thức truyền thông có thể không cần phải

truyền lại bất kỳ bản tin nào.Giao thức truyền thông hy vọng rằng, kênh truyền

thông đủ độ tin cậy để các bản tin có thể đến được các nút nhận.Nhiều cơ chế và

giao thức đã được thiết kế để thực hiện truyền thông (Điểm - Đa điểm) trong mạng

cảm biến không dây Dạng đơn giản của truyền thông (Điểm - Đa điểm) là mạng

tràn lan Điều này được thực hiện bằng cách từng nút quảng bá tin được gửi đi.Khi

một nút lắng nghe được một bản tin quảng bá được phát từ một nút bên cạnh, nút

này sẽ quảng bá lại bản tin tới tất cả các nút khác xung quanh nó.Để tránh việc gây

nhiễu lên nhau, mỗi nút chờ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi gửi lại

các bản tin Hiệu quả của cơ chế này là bản tin cũng được gửi đến tất cả các nút

khác trong mạng, trừ các bản tin bị mất do nhiễu vô tuyến hoặc xung đột vô tuyến

Mặc dù một mạng tràn lan có thể làm việc tốt trong một số trường hợp nhưng nó

không phải là cơ chế đáng tin cậy Các bản tin bị nhiễu hoặc xung đột cần được

truyền lại.Để đạt được độ tin cậy trong truyền thông (Điểm - Đa điểm) thì giao

thức truyền thông phải phát hiện được các bản tin bị mất và phát lại

 Định tuyến truyền thông (Đa điểm - Điểm)

Mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm)được minh họa như ở (Hình 1.5) thường được sử dụng để thực hiện thu thập dữ liệu từ các nút mạng trong môi

trường cảm biến Với mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm), một vài nút gửi dữ

liệu đến cùng một nút.Nút này thường được gọi là Sink như (Hình 1.5) minh họa

mô hình truyền thông (Đa điểm - Điểm)

Hình 1.5 Định tuyến Đa điểm - điểm của mạng cảm biến không dây Truyền thông (Đa điểm - Điểm) có thể được sử dụng trong nhiệm vụ thu thập dữ liệu cảm biến chẳng hạn là nhiệt độ từ các nút trong mạng, nhưng nó cũng

được sử dụng truyền thông tin trạng thái các nút trong mạng Các nút gửi các báo

cáo trạng thái định kỳ tới Sink Nút Sink sau đó báo cáo toàn bộ hiệu năng của

mạng tới quan sát bên ngoài

Trong truyền thông (Đa điểm - Điểm), có thể có nhiều hơn một Sink trong mạng.Nếu ứng dụng không xác định một nút cụ thể để dữ liệu nó có thể được gửi

tới, thì mạng sẽ lựa chọn gửi dữ liệu đến Sink gần nhất so với nút gửi Điều này

cho phép có nhiều nút Sink trong mạng nhằm thu thập dữ liệu đạt hiệu quả hơn

Để thiết lập truyền thông (Đa điểm - Điểm) thì các nút xây dựng một cấu trúc cây với gốc của nó ở nút Sink Sink thông báo sự có mặt của nó bởi việc gửi

lặp lại các bản tin quảng bá xác định rằng nút gửi các bản tin này có bước nhảy

bằng không, tính từ nút Sink Các nút lân cận lắng nghe kênh truyền và truyền lại

các bản tin để thông báo chúng có bước nhảy là tính từ một nút Sink.Lần lượt, các

nút lân cận của chúng sẽ quảng bá rằng chúng có bước nhảy là hai tính từ nút Sink

Với cách kết nối đơn giản này, mọi nút trong mạng cuối cùng sẽ biết có bao nhiêu

bước nhảy chúng phải trải qua được, tính từ nút Sink và biết được các nút lân cận

gần Sink hơn Khi gửi một gói tin, nút gửi chỉ phải gửi gói tin đến nút lân cận gần

Sink hơn Mặc dù phương thức xây dựng tuyến đường định tuyến dựa trên việc

đếm số bước nhảy là đơn giản nhưng nó cũng có một số vấn đề cần được quan tâm

Một nút với số bước nhảy rất ngắn đến Sink có thể nằm ở vị trí phủ sóng rất kém,

trong khi một nút với nhiều bước nhảy tới Sink có thể ở vị trí phủ sóng rất tốt Để

gửi gói tin đến được Sink, có thể sẽ tốt hơn khi gửi gói tin đó tới nút có vùng phủ

sóng tốt mặc dù có nhiều bước nhảy tới Sink hơn, bởi vì gói tin có cơ hội nhận

được cao hơn mà không phải truyền lại gói tin

1.1.4 Các chuẩn truyền thông trong mạng cảm biến

IEEE 802.15.4 là một chuẩn truyền thông không dây cho các ứng dụng công suất thấp, tốc độ dữ liệu thấp.Tiêu chuẩn này đã được phát triển cho mạng cá nhân

(PAN) bởi nhóm làm việc trong (Viện kỹ thuật điện và điện tử (IEEE)).IEEE

802.15.4 có tốc độ dữ liệu tối đa là 250.000 bit/s và công suất đầu ra tối đa 1mW

Các thiết bị IEEE 802.15.4 có một phạm vi phủ sóng hẹp trong vài chục mét Điểm

chính trong các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.15.4 là cho phép các bộ thu

phát chi phí thấp và ít phức tạp, đã làm cho IEEE 802.15.4 phổ biến với mạng cảm

biến không dây Nhiều công ty sản xuất các thiết bị tuân thủ theo tiêu chuẩn IEEE

802.15.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 xác định 2 lớp:

 Lớp vật lý

Chỉ rõ các bản tin được gửi và được nhận trên các kênh truyền vô tuyến vật

lý như thế nào.Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa 26 kênh hoạt động khác

nhau.Kênh 0 được quy định chỉ ở Châu Âu và nằm trên băng tần 868 NHz Kênh

từ 1-10 được quy định chỉ ở Hoa Kỳ trên băng tần 902 - 982 MHz, khoảng cách

kênh là 2 MHz Kênh 11-26 quy định trên băng tần 2,4GHz, khoảng cách các kênh

là 5MHz

 Lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC)

Mục đích của lớp MAC là để kiểm soát truy nhập vào các kênh truyền vô tuyến.Chỉ rõ các bản tin đến từ các lớp vật lý sẽ được giải quyết như thế nào

Chuẩn IEEE 802.15.4 Xác định hai loại thiết bị là.Thiết bị có chức năng đầy

đủ (FFDs) và thiết bị có chức năng hạn chế (RFDs) Các (FFDs) có nhiều khả năng

hơn (RFDs) và có thể đóng vai trò như một điều phối viên các mạng PAN (RFDs)

là các thiết bị đơn giản hơn được xác định dễ dàng hơn trong việc chế tạo với giá

thành rẻ hơn (RFDs) chỉ có thể truyền thông với (FFDs).Và các (FFDs) có thể

truyền thông được với cả (RFDs) và (FFDs)

1.1.5 Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động mạng cảm biến không dây

 Thời hoạt động bên ngoài

Các nút WSN với nguồn năng lượng pin giới hạn Ví dụ: một loại pin kiềm cung cấp 50Wh năng lượng, nó có thể truyền cho mỗi nút mạng ở chế độ tích cực

gần 1 tháng hoạt động Sự tiêu tốn và tính khả thi của giám sát và thay thế pin cho

một mạng rộng, thì thời gian hoạt động dài hơn được thiết kế Trong thực tế, pin

rất cần thiết trong rất nhiều ứng dụng để bảo đảm mạng WSN có thể tự động sử

dụng không cần thay thế trong vài năm Sự cải thiện của phần cứng trong thiết kế

pin và kỹ thuật thu năng lượng sẽ giúp ta một phần trong việc tiết kiệm pin

 Sự đáp ứng

Giải pháp đơn giản nhất để kéo dài thời gian sống bên ngoài là điều khiển các node trong 1 chu kỳ làm việc với chu kỳ chuyển mạch giữa 2 chế độ: chế độ

ngủ (mode sleep) và chế độ hoạt động (mode active) Trong khi quá trình đồng bộ

ở chế độ ngủ là 1 thách thức của WSN, vấn đề lớn liên quan đến nữa là chu trình

ngủ 1 cách tùy ý có thể làm giảm khả năng đáp ứng cũng như hiệu suất của các

sensor Trong một số ứng dụng, các sự kiện trong tự nhiên được tìm thấy và thông

báo nhanh, thì sự trễ bởi lịch ngủ phải được giữ ở giới hạn chính xác, thậm chí

trong sự tồn tại của nghẽn mạng

 Điểm mạnh của WSN

Mục tiêu của WSN là cung cấp ở phạm vi rộng lớn, độ bao phủ chính xác (fine-grained coverage) Mục tiêu này phổ biến ở số lượng lớn các thiết bị không

đắt tiền Tuy nhiên các thiết bị rẻ thường kém tin cậy và thường dễ xảy ra lỗi Tốc

độ lỗi cũng sẽ cao khi các thiết bị cảm ứng được triển khai trong các môi trường

khắc nghiệt Giao thức thiết kế do đó cũng phải xây dựng kỹ xảo để có thể đáp ứng

tốt Rất khó để chắc chắn rằng việc định dạng toàn cầu của hệ thống là không bị

hỏng với các thiết bị lỗi

 Tính mở rộng

WSN có khả năng hoạt động ở một vùng cực rộng, số node tham gia mạng

là rất lớn Có một vài hạn chế về số lượng và dung lượng làm ảnh hưởng đến mở

rộng hoạt động mạng

 Tự cấu hình

Do phạm vi và các ứng dụng trong tự nhiên, WSN là các hệ thống phân phối không đồng đều Hoạt động tự động là vấn đề chính được đặt ra trong thiết kế

Ngay từ khi bắt đầu, các node trong WSN có thể được cấu hình theo topo mạng của

chúng: tự đồng bộ, tự kiểm tra và quyết định các thông số hoạt động khác

 Tính không đồng nhất

Sẽ tồn tại sự không đồng nhất trong năng lượng của thiết bị trong quá trình cài đặt thực tế (cụ thể là máy móc, thông tin dữ liệu và cảm biến) Sự không đồng

nhất sẽ có ảnh hưởng quan trọng đến thiết kế

 Tự tối ưu và tự thích nghi

Trong WSN, thường có những tín hiệu không chắc chắn về điều kiện hoạt động trước khi triển khai Dưới những điều kiện đó, việc xây dựng những máy

móc để có thể tự học từ sensor và thu thập các phép đo mạng, sử dụng những bài

học được từ trước đó để tiếp tục hoạt động cải tiến là điều rất quan trọng

Ngoài ra, một điều trước tiên không biết chắc được là môi trường mà WSN hoạt động có thể thay đổi mạnh mẽ qua thời gian Các giao thức WSN sẽ làm cho

thiết bị có thể thích nghi với môi trường năng động trong khi nó đang sử dụng

1.1.6 Giao thức mạng cảm biến không dây

Định tuyến dữ liệu của mạng và chia sẻ dữ liệu giữa các nút mạng cảm biến không dây với nhau.Chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết từng thành phần của kiến trúc

giao thức mạng cảm biến.Mạng cảm biến WSNs gồm có các lớp, các mặt phẳng

quản lý Các mặt phẳng quản lý này có nhiệm vụ làm cho các nút có thể làm việc

song song một cách hiệu quả nhất,

Hình 1.6.Giao thức mạng cảm biến không dây

1.2 Những đặc trưng và ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.2.1 Đặc trưng

 Kích thước nhỏ gọn

Các thiết bị của mạng có kích thước nhỏ, năng lượng tiêu thụ nhỏ Tốc độ

xử lý thông tin nhanh, có khả năng lưu trữ vàtương tác tốt của các bộ phận trong

mạng Vì vậy việc lựa chọn các thiết bị cho mạng cảm biến cần phải quan tâm đến

kích cỡ nhỏ và tiêu thụ năng lượng và yêu cầu về khả năng hoạt động

phân tích để đáp ứng yêu cầu của từng công việc

Bộ cảm biến thường có dung lượng bộ nhớ hạn chế,vì vậy phải tính toán cẩn thận về khối lượng công việc cần thực hiện Một sốnhiệm vụcần xử lý ở mức cao

sẽ mất nhiều thời gian vì vậy khó thực hiện được tính năng theo thời gian thực

1.2.2 Ứng dụng

Phân tích các đặc trưng nổi bật của mạng cảm biến là cơ sở để đánh giá các

ưu điểm, nhược điểm của mạng cảm biến với các hệ thống mạng không dây khác

Giúp cho mạng cảm biến phù hợp trong các ứng dụng như: giám sát môi trường,

chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong Gia đình, trong Công nghiệp, trong Nông

nghiệp và trong Quân đội, trong cảnh báo thiên tai

 Các ứng dụng trong bảo vệ môi trường

- Phát hiện mìn, chất độc trong môi trường

- Giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa…

- Phát hiện ô nhiễm, chất thải

- Phát hiện hoạt động núi lửa

 Hệ thống giao thông thông minh

- Giao tiếp giữa biển báo và phương tiện giao thông

- Hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe…

- Hệ thống định vị phương hướng, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện

giao thông

 Ứng dụng trong quân sự, an ninh

- Định vị, theo dõi di chuyển của các thiết bị quân sự

- Điều khiển tự động các thiết bị quân sự, robot

- Kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

- Theo dõi biên giới kết hợp với vệ tinh

 Ứng dụng trong thương mại

- Quản lý kiến trúc và xây dựng

- Quản lý sản xuất

- Hệ thống xử lý vật liệu

- Quản lý tải trong tiêu thụ điện năng

- Điều khiển nhiệt độ

đặt trongnhiều vị trí, nhiều điều kiện, địa hình phức tạp

Quan trọng nhất là ít chịu sự tác động bên ngoài, hạn chế sự cố, ít bị hư hỏng,có khả năng tự tổ chức mạng và xử lý công việc tốt.Mạng cảm biến không

dây đáp ứng được đa dạng các mục tiêu, không chỉ thực hiện nhiệm vụ thu thập

thông tin, dữ liệu mà còn làm nhiệm vụ điều khiển, giám sát hệ thống ở phạm vi

rộng lớn, phức tạp Vì vậy đã tạo ra nhiều triển vọng trong ứng dụng phục vụ trong

cuộc sống.Mạng cảm biến không dây có nhiều ưu điểm như vây là cơ sở lý thuyết

để em có thể “thiết kế hệ thống cảnh báo cháy” cho luận văn của mình

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Mô hình kiến trúc hệ thống

Mô hình kiến trúc hệ thống bao gồm 02 phần chính như chỉ ra trong Hình 2.1

Các nút cảm biến đặt tại các điểm cần giám sát (Slave Node - SN)

Nút Trung tâm (Master Node - MN) thu nhận tín hiệu từ nút cảm biến, kết nối với Trung tâm dữ liệu

Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống bộ thu - phát trung tâm

- Khối vi điều khiển: tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu sóng RF, phân tích và xử lý

dữ liệu, thực thi lệnh và gửi dữ liệu lên máy tính

- Máy tính

+ Truyền tín hiệu thông qua câu lệnh, chương trình

+ Xử lý tín hiệu và hiển thị thông tin trên màn hình

2.1.2 Yêu cầu của hệ thống

Bộ thu nhận tín hiệu phải nhỏ gọn, dễ dàng kết nối với vi điều khiển.Tần số hoạt động cao dễ dàng đâm xuyên vật cản.Tốc độ truyền dữ liệu cao Tích hợp sẵn

Multi Receive có thể thu được dữ liệu từ 5 nguồn phát khác nhau

Khối điều khiển cókích thước nhỏ gọn.Hệ thống mạch được thiết kế bằng máy hiện đại, các mối hàn luôn được bảo vệ

Hệ thống có sẵn bộ chuyển đổi (Serial – USB) để giao tiếp trực tiếp với máy tính không cần thêm bộ chuyển đổi RS232

Số lương chân I/O nhiều.Được thiết kế sử dụng nguồn điện trực tiếp từ cổng USB vì thế không cần lắp bổ sung thêm nguồn phụ

2.1.3 Mô hình kiến trúc của bộ phát

Hình 2.2 Mô hình kiến trúc bộ phát

- Bộ phận cảm biến: bao gồm cảm biến khói và cảm biến nhiệt nhận tín hiệu

từ môi trường ngoài và gửi tín hiệu đến bộ chuyển đổi ADC ADC có nhiệm vụ

chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số sau đó gửi tín hiệu sang khối vi

điều khiển

- Bộ vi điều khiển tiếp nhận tín hiệu từ bộ chuyên đổi, phân tích dữ liệu, xử

lý dữ liệu, và truyền dữ liệu thông qua module RF

- Môi trường truyền dẫn ở đây là môi trường không gian tự do trong dải tần

số sóng RF được phép đối với các thiết bị nhận sóng

2.1.4 Hệ thống thu tín hiệu

- Khối thu sóng RF: nhận tín hiệu từ bộ phát sóng và truyền dữ liệu tới máy tính

- Máy tính nhận tín hiệu từ bộ thu sóng RF qua cổng kết nối USB sau đó xử

lí bằng các chương trình điều khiển thông qua câu lệnh, chương trình

- Sau khi máy tính chạy chương trình điều khiển và hiển thị thông tin trên giao diện quản lý

Hình 2.3 Mô hình kiến trúc của bộ thu