Mạng cảm biến không dây_CC1101

Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetoothphổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản phẩm hiện có làđiều khiển thông qua hệ điều hành Android kết hợp giữa công ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GATEWAY BLUETOOTH-ZIGBEE

ỨNG DỤNG TRONG NHÀ THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Thanh Lớp: CN KTĐ-ĐT K12A Giáo viên hướng dẫn: ThS Đào Quang Bình

THÁI NGUYÊN 5/2018

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong TrườngĐại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông nói chung và thầy cô trong Khoa côngnghệ tự động hóa nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho chúng em những kiếnthức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua

Đặc biệt, em xin được gửi lời cảm ơn tới thầy giáo Th.s Đào Quang Bình đã tạo điềukiện cho em được thực hiện đề tài này Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài của

em đến nay đã hoàn thành Có được thành quả đó, ngoài sự cố gắng nỗ lực của em cònphải kể đến sự giúp đỡ từ thầy giáo Th.s Đào Quang Bình người đã hướng dẫn, chỉ bảotận tình và cung cấp tài liệu, kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho em trong suốtthời gian làm đề tài Qua đây em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc , kính chúc thầyluôn mạnh khoẻ và công tác tốt

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan về nội dung của đồ án tốt nghiệp với tên đề tài: “ Thiết kế hệ thống Gateway Bluetooth-Zigbee ứng dụng trong nhà thông minh ” là không sao chép

nội dung từ các đồ án khác Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã được cảm ơn

và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phépcông bố

Nếu sai em xin chịu mọi hình thức kỉ luật của trường Đại học Công nghệ thông tin

và Truyền thông Thái Nguyên

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Thanh

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

MAC Media Access Control layer

PHY Physical layer

WLAN Wireless Local Area Network

WPAN Wireless Personal Area Network

WSN Wireless Sensor Network

ZDO ZigBee Device Object

APS Application Support Sublayer

API Application Programming Interface

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

MỞ ĐẦU

1.Lý do chọn đề tài

Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về traođổi thông tin giải trí, nhu cầu về điều khiển các thiết bị từ xa,…ngày càng cao Và những

hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng nhu cầu này, nhất là ở những khu vựcchật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển,… Vì vậy công nghệ khôngdây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sốnghằng ngày Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang cónhững bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điềukhiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh Hiện nay, có khá nhiều côngnghệ không truyền nhận dữ liệu không dây như Wifi, Bluetooth, NFC,Zigbee…Trong đó,Bluetooth-Zigbee là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cảitiến để nâng cao tốc độ cũ Trên thị trường Việt Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩmđiều khiển thiết bị không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nướcngoài với giá thành cao Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bịkhông dây có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩmđược sản xuất trong nước nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiểnthông minh Do đó, em quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế hệ thống GatewayBluetooth-Zigbee ứng dụng trong nhà thông minh” Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetoothphổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản phẩm hiện có làđiều khiển thông qua hệ điều hành Android kết hợp giữa công nghệ Bluetooth-Zigbeegiúp tận dụng những thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúpgiảm giá thành sản phẩm.

2.Mục đích của đề tài

Xây dựng hệ thống điều khiển bật tắt thiết bị bằng điện thoại ở khoảng cách xa Kết quả

là một hệ thống hoàn thiện gồm phần mềm và phần cứng có thể sử dụng trong các hộ giađình, các phòng nghiên cứu, nhà thông minh, từ đó có thế cải tiến xây dựng các hệ thốngđiều khiển phức tạp hơn bằng cách thức khác

Giúp em vận dụng kiến thức đã học vào bài toán thực tế, làm quen với lĩnh vục điềukhiển thiết bị từ xa qua Bluetooth-Zigbee, đồng thời có thể góp những thành quả nghiêncứu của đề tài này để tạo nền tảng cho sự phát triển sâu hơn

Ngoài ra đề tài còn là cơ hội giúp chúng em tích lũy và nâng cao trình độ chuyênmôn cho bản thân, giúp chúng em có cơ hội tiếp cận với nền khoa học hiện đại hiện nay

3.Yêu cầu hệ thống

 Hệ thống hoạt động ổn định chính xác

 Hệ thống dễ vận hành sử dụng

 Giá thành và chi phí thiết kế hệ thống thấp

4.Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và đánhgiá nội dung liên quan đến đề tài

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dungnghiên cứu trong quá trình chế tạo các nút cảm biến không dây sử dụng côngnghệ ZigBee Từ đó đưa ra phương án chế tạo các nút cảm biến không dây chophù hợp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1.1 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

1.1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các nodevới nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng thường làcác thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được phân bố mộtcách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi hoạt độngrộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài( vàitháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường khắc nhiệt (chất độc, ô nhiễm,nhiệt độ…)

Hình 1.1 Mô hình mạng cảm biến không dây.

1.1.2 Cấu trúc của nút cảm biến

Mạng cảm biến không dây được hình thành từ một số lượng lớn nút cảm biến riêng

lẻ phân bố bao phủ trong một vùng địa lý Trên mỗi nút là các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộnhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Các nút có khảnăng liên lạc vô tuyến với nút lân cận để truyền dữ liệu về trung tâm

Mỗi nút cảm biến được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản (hình 1.1):

• Đơn vị cảm biến (sensing unit)

• Đơn vị xử lý (processing unit)

• Đơn vị truyền dẫn (transceiver unit)

• Bộ nguồn (power unit).

Các đơn vị cảm biến (sensing units) bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tương

tự-số Dựa trên những hiện tượng quan sát được, tín hiệu tương tự tạo ra bởi nút cảm biếnđược chuyển sang tín hiệu số bằng bộ ADC, sau đó được đưa vào bộ xử lý

Hình 1.2 Cấu trúc nút cảm biến.

Đơn vị xử lý thường được kết hợp với bộ lưu trữ nhỏ (storage units), quyết địnhcác thủ tục làm cho các nút kết hợp với nhau để thực hiện các nhiệm vụ định sẵn Phầnthu phát vô tuyến kết nối các nút vào mạng

Một trong các phần quan trọng nhất của một nút mạng cảm biến là bộ nguồn Bộnguồn có thể là một số loại pin Để các nút có thời gian sống lâu thì bộ nguồn rất quantrọng, nó phải có khả năng nạp điện từ môi trường như năng lượng mặt trời Ngoài racũng có những thành phần phụ khác phụ thuộc vào từng ứng dụng Hầu hết các kỹ thuậtđịnh tuyến và các nhiệm vụ cảm biến của mạng đều yêu cầu có độ chính xác cao về vịtrí Các bộ phận di động đôi lúc cần phải dịch chuyển các nút cảm biến khi cần thiết đểthực hiện các nhiệm vụ đã ấn định Tất cả những thành phần này cần phải phù hợp vớikích cỡ từng module

Ngoài kích cỡ, các nút cảm biến còn một số ràng buộc nghiêm ngặt khác, như làphải tiêu thụ rất ít năng lượng, hoạt động ở mật độ cao, có giá thành thấp, có thể tự hoạt

động, và thích nghi với sự biến đổi của môi trường.

1.1.3 Đặc điểm cấu trúc mạng cảm biến

Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến, cácnút cảm biến có giới hạn và ràng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắt khe

Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống

Khả năng chịu lỗi (fault tolerance): Một số các nút 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 bình thường, duytrì những chức năng của nó ngay cả khi một số nút mạng không hoạt động

Khả năng mở rộng (scale ability): Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng

các nút cảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn nút, phụ thuộc vàotừng ứng dụng Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả năng mở rộng để có thể làmviệc với số lượng lớn các nút này

Chi phí sản xuất (production costs): Vì các mạng cảm biến bao gồm một số

lượng lớn các nút cảm biến nên chi phí của mỗi nút rất quan trọng trong việc điều chỉnhchi phí của toàn mạng Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai nút cảmbiến theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý Do vậy, chi phícủa mỗi nút cảm biến phải giữ ở mức thấp

Những ràng buộc về phần cứng (hardware constraints): Vì trong mạng có một

số lượng lớn các nút cảm biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng:kích thước phải nhỏ, 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…

Dễ triển khai (Deployment): 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 cấuhình Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai nút có thể bị ảnh hưởng trong suốt thờigian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn Lúc này, mạng cần có khả năng tựcấu hình lại để khắc phục những điều này

Môi trường hoạt động (Environment): Các nút 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 ở bên trong cácmáy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm.

Phương tiện truyền dẫn (Transmission media): Ở những mạng cảm biến

mutihop, các nút trong mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặcnhững phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạngnày, các phương tiện truyền dẫn được chọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tạinhiều phần cứng của các nút cảm biến dựa và thiết kế mạch RF Những thiết bị cảm biếnnăng lượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến một kênh RF hoạt động ở tần số 916MHz

Sự tiêu thụ năng lượng (power consumption): Các nút 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 không thể thực hiện được

Vì thế khoảng thời gian sống của các nút cảm biến phụ thuộc mạnh vào thời gian sống củapin Ở mạng cảm biến truyền thông đa chặng, mỗi một nút đóng vai trò kép vừa khởi tạovừa định tuyến dữ liệu Sự trục trặc của một vài nút cảm biến có thể gây ra những thay đổiđáng kể trong cấu 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

1.1.4 Các kiến trúc mạng trong mạng cảm biến không dây

Mạnh cảm biến không dây bao gồm các nút cảm biến, kết nối với nhau bằngsóng vô tuyến Việc kết nối được quản lý và điều khiển theo những kiến trúc mạngnhất định Căn cứ vào quá trình truyền nhận thông tin trong WSN, có thể nhận thấycác thiết bị tham gia trao đổi thông tin trong mạng luôn hoạt động ở một trong haivai trò [4]:

+ Thiết bị cung cấp thông tin (thiết bị nguồn –sources)

+ Thiết bị nhận thông tin (thiết bị đích –sink)

Các nút cảm biến trong WSN có thể hoạt động với vai trò là thiết bị Sources hoặcthiết bị Sink tùy vào từng kiến trúc của mạng Ngoài ra, thiết bị sink còn có thể là nhữngthiết bị không tham gia trong WSN mà chỉ có chức năng liên kết mạng WSN này vớimạng WSN khác như: các máy tính cầm tay PDA, các thiết bị có chức năng như bộ lặp

tín hiệu hay chuyển tiếp tín hiệu như gateway để truyền tin về phòng trung tâm.

Có hai loại kiến trúc mạng cơ bản trong WSN: kiến trúc mạng đơn bước single-hop

và kiến trúc mạng đa bước (multi-hop) Một WSN có thể sử dụng một trong hai kiểu cấutrúc hoặc sử dụng kết hợp cả hai

1.1.4.1 Kiến trúc đơn bước (single-hop)

Kiến trúc mạng đơn bước (single-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết màtrong mỗi liên kết đó chỉ có hai nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bịnguồn, nút cảm biến còn lại đóng vai trò thiết bị đích Thiết bị đích và thiết bị nguồnluôn trao đổi trực tiếp toàn bộ thông tin với nhau

1.1.4.2 Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop)

Kiến trúc mạng đa bước (Multi-hop) là kiến trúc mạng bao gồm các liên kết màtrong mỗi liên kết đó có nhiều hơn 2 nút cảm biến, một nút cảm biến đóng vai trò thiết

bị nguồn, một nút cảm biến đóng vai trò thiết bị đích, ngoài ra còn có một hay nhiều nútcảm biến khác hoạt động với cai trò như một tram trung gian, chuyển tiếp toàn bộ thôngtin đảm bảo cho việc giao tiếp thông tin giữa thiết bị nguồn, thiết bị đích với nhau mộtcách đầy đủ và chính xác

1.1.4.3 Kiến trúc mạng hỗn hợp

Tổ hợp cả hai kiểu kiên kết đơn bước và đa bước trong cùng một mạng khiến chokiến trúc mạng WSN linh động hơn, dễ ứng dụng trong nhiều trường hợp Khi đó ta cókiến trúc mạng hỗn hợp (multi-sink, multi-source)

1.1.5 Một số dịch vụ và giao thức truyền thông trong mạng cảm biến không dây

1.1.5.1 Lớp vật lý (physical layer)

Lớp vật lý là lớp có liên quan chủ yếu nhất tới việc điều chế - giải điều chế của tínhiệu số và qui định tần số sóng mang Tín hiệu số (dạng nhị phân) được điều chế và giảiđiều chế thông qua các bộ phận truyền/nhận (transceiver) sóng vô tuyến Lớp vật lýquyết định phương pháp mã hóa tín hiệu (FSK hay PSK), điều chế/giải điều chế tín hiệu(điều chế tần số hay điều chế biên độ vào sóng mạng), tần số sóng vô tuyến, tần sốtruyền/nhận sóng vô tuyến, tần số truyền nhận, độ tin cậy, độ an toàn và chính xác của

dữ liệu phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố nói trên

Ngoài ra, một vấn đề cần lưu ý là tần số sóng mang, giá trị tần số sóng mang phụthuộc vào công nghệ không dây được sử dụng trong lớp vật lý Tần số sóng mang có ảnhhưởng đến khả năng lan truyền sóng, lưu lượng truyền thông tin và khả năng xuyên quacác chướng ngại vật như tường, gỗ …

Việc lựa chọn công nghệ không dây sử dụng ở lớp vật lý có ảnh hưởng trực tiếp vềnăng lượng sử dụng và giá thành của một nút cảm biến trong mạng cảm biến không dâycũng như độ tin cậy, độ bền vững thông tin của quá trình truyền và nhận dữ liệu [5]

1.1.5.2 Giao thức MAC (MAC protocol)

Giao thức truy cập đường truyền – Medium Access Control (MAC) là giao thứcnằm ở lớp phía trên của lớp vật lý, và vì vậy giao thức MAC có ảnh hưởng rất lớn và rấtquan trọng bởi những đặc tính của nó Nhiệm vụ của giao thức MAC là điều chỉnh việctruy cập vào đường truyền dữ liệu dùng chung của các nút, sao cho các nút có thể truycập đường dùng chung một cách hợp lý và đúng lúc đường truyền rảnh rỗi nhất để thựchiện việc truyền thành

Trong mô hình tham chiếu OSI, giao thức MAC được biết đến như là một phầnnằm ở lớp liên kết dữ liệu – Data link layer (DLL) Tuy nhiên, có sự phân chia công việcmột cách rõ ràng giữa MAC và các phần còn lại của lớp DLL Giao thức MAC xác địnhcho một nút trong mạng các thời điểm hợp lý (thời điểm đường truyền chung rảnh rỗi)

mà vào đúng các thời điểm đó nút có thể truy cập đường truyền để thực hiện việc nhận

dữ liệu, điều khiển hoặc quản lý các gói dữ liệu tới một nút khác trong mạng hay thậmchí là truyền bản tin đồng loạt tới tất cả các nút trên mạng (broadcast, multicast) Hainhiệm vụ quan trọng mà các phần còn lại của lớp DLL phải thực hiện là điều khiển lỗi

và điều khiển luồng thông tin Điều khiển lỗi được sử dụng để chắc chắn về tính đúngđắn của quá trình truyền thông tin, và đưa ra thao tác xử lý trong trường hợp việc truyền

dữ liệu bị lỗi: truyền lại bản tin hay hủy bản tin Điều khiển luồng thông tin có nhiệm vụđiều chỉnh tốc độ của việc truyền dữ liệu để tránh trường hợp việc nhận dữ liệu ở thiết bịnhận chậm hơn, có thể khiến thông tin bị ghi đè mất

Có rất nhiều phương pháp truy cập đường truyền mà chúng ta đã biết như CDMA,CSMA, TDMA…, phần này chỉ tập trung vào giao thức truy nhập đường truyền MAC

trong WSN Giao thức MAC trong WSN ngoài các nhiệm vụ và đặc tính nói chung, còn

có thêm một số yêu cầu dành riêng cho ứng dụng trong mạng cảm biến không dây Yêucầu phải nói đến trước tiên đó là điều khiên truy nhập đường truyền với mục tiêu tiêuthụ ít năng lượng nhất Việc thực hiện yêu cầu này khiến cho giao thức MAC trongWSN trở nên tương đối mới so với các giao thức MAC kinh điển đã biết như CSMA,các giao thức nói trên không bao gồm điều khoản nào hướng về mục tiêu tiết kiệm nănglượng Một yêu cầu nữa cho giao thức MAC đó là tính kinh tế và tính bền vững khi kiếntrúc mạng thay đổi thường xuyên (sự thay đổi đó là do việc thêm vào hay bớt đi nút cảmbiến trong mạng, do nút cảm biến chuyển trạng thái hoạt động, bị chết hoặc bị hết pin)Với các yêu cầu riêng biệt dành cho WSN, hầu hết các giao thức MAC trong WSN đều

có thêm khả năng giải quyết các vấn đề sau: tránh xung đột (collisions), tránh nghe trộm(overhearing), protocol overhead, nghe trong khi ngủ (idle listening)

Collision: Vấn đề xung đột dữ liệu xảy ra khiến cho dữ liệu nếu có nhận được cũngkhông còn ý nghĩa, vì vậy cần phải truyền lại dữ liệu do đó gây tiêu tốn năng lượng.Giao thức MAC cần phải có cơ chế tránh xung đột dữ liệu bằng cách sử dụng kết hợpcác thuật toán truy cập đường truyền phù hợp

Overhearning: Khi dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích trong một liênkết, dữ liệu chỉ có ý nghĩa đối với nút đích Tuy nhiên vấn đề gặp phải là do tất cả cácthiết bị trong cùng một mạng đều có chung tần số sóng vô tuyến và trao đổi với nhautrong một vùng không gian dùng chung, dẫn đến trường hợp không chỉ nút đích mớinhận được dữ liệu mà các nút lân cận trong mạng cũng có thể nhận được dữ liệu này.Năng lượng tiêu tốn cho quá trình nhận dữ liệu là đáng kể Vì vậy để tránh trường hợpnhận nhầm dữ liệu không có ý nghĩa, mỗi thiết bị trong mạng một địa chỉ truy cậpđường truyền, gọi là địa chỉ MAC

Protocol Overhead: sử dụng thêm các byte để đánh dấu bản tin, hoặc đánh dấu việctruyền dữ liệu, ví dụ như sử dụng các gói RTS, CTS hoặc các gói yêu cầu hay các phầnđánh dấu đầu của các gói dữ liệu

Idle listening: một nút mặc dù ở trạng thái ngủ vẫn luôn sẵn sàng để nhận các gói

dữ liệu, tuy nhiên nút này không thể nhận dữ liệu ngay tại thời điểm nút đang được ngủ

Muốn nhận dữ liệu, nút phải thức dậy ra khỏi trạng thái ngủ Vì vậy, nếu có bản tin gửiđến nút ở thời điểm nút đang trong trạng thái ngủ thì nút có thể không nhận được bản tinnày chính xác Thông thường, với các bộ điều chế/giải điều chế sóng vô tuyến, trạng tháingủ vẫn tiêu tốn năng lượng một cách đáng kế Giải pháp đưa ra cho trường hợp này làtắt bộ truyền/nhận, tuy nhiên cũng phải tốn một phần năng lượng khi thay đổi trạng tháihoạt động (từ bật thành tắt hay ngược lại) của các bộ truyền/nhận Tần số sóng vô tuyếncủa các bộ truyền/nhận cũng phải được giữ lại ở mức “hợp lý” khi tiến hành tắt các bộtruyền/nhận.

1.1.6 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây

1.1.6.1 Ứng dụng trong công nghiệp

- Giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống, như trạng thái các van, trạng thái thiết bị,nhiệt độ và áp suất

- Giám sát hệ thống nồi hơi, thông hơi và điều hòa không khí của các toà nhà

- Hệ thống nhà thông minh, giao tiếp và điều khiển các thiết bị thông minh

- Hệ thống giao thông thông minh

1.1.6.4 Ứng dụng trong quân sự

- Theo dõi, giám sát và định vị: sự xác định vị trí của địch để tăng độ chính xác khiném bom, hay tấn công, định vị và theo dõi sự dịch chuyển của quân địch

- Cảm biến môi trường: sự phát hiện mìn, chất độc

- Điều kiển: sự kích hoạt thiết bị, vũ khí quân sự

1.1.6.5 Ứng dụng trong nông nghiệp, lâm nghiệp

- Mạng cảm ứng có thể được triển khai trên các khu vực rừng, đồng ruộng rộnglớn để đưa ra các cảnh báo kịp thời

- Trong nông nghiệp, các nút cảm biến có thể được gắn vào các hạt giống để kiểm

tra độ ẩm trong đất, sự tăng trưởng của cây.

Hình 1.3 Ứng dụng trong nông nghiệp

- Trong lâm nghiệp, các nút cảm biến được triển khai trên các cánh rừng để cảnhbáo cháy rừng

1.2 Công nghệ Bluetoth

1.2.1 Khái niệm

Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm gần giữa cácthiết bị điện tử Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữacác thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá nhân không dây (Wireless PersonalArea Network-PANs)

Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một thiết bịnào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác vớimột khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng.Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai loại thiết bị khác nhau Vídụ: Có thể hoạt động trên máy tính với một bàn phím không dây, sử dụng bộ tai nghekhông dây để nói chuyện trên điện thoại di động hoặc bổ sung thêm một cuộc hẹn vàolịch biểu PDA của một người từ PDA khác.

Bluetooth có thể đạt được tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s Bluetooth hỗ trợ tốc độtruyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m Khác với kết nối hồngngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hướng và sử dụng giải tần 2,4 GHz

1.2.2 Lịch sử phát triển

Bluetooth được phát triển đầu tiên bởi Ericsson (hiện nay là Sony Ericsson vàEricsson Mobile Platforms), và sau đó được chuẩn hoá bởi Bluetooth Special InterestGroup (SIG) Chuẩn được phát hành vào ngày 20 tháng 5 năm 1999 Ngày nay đượccông nhận bởi hơn 1800 công ty trên toàn thế giới Được thành lập đầu tiên bởi SonyEricsson, IBM, Intel, Toshiba và Nokia, sau đó cùng có sự tham gia của nhiều công tykhác với tư cách cộng tác hay hỗ trợ Bluetooth có chuẩn là IEEE 802.15.1

Lịnh sử các Bluetooth:

- Blutooth 1.0 (7/1999): Phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kết nối ban

đầu là 1Mbps Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ này chưa bao giờ đạt quámức 700Kbps

- Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ Bluetooth trên

nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất mới

- Bluetooth 1.2 (11/2003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng kể Chuẩn này hoạt động dựa

trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nối thoại

- Bluetooth 2.0+ERD (2004): Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một nửa năng

lượng tiêu thụ so với trước đây Tốc độ của chuẩn Bluetooth lên đến 2.1Mbps với chế độcải thiện kết nối truyền tải–ERD (Enhanced data rate)

- Bluetooth 2.1+ERD (2004): Đây chính là thế hệ nâng cấp của Bluetooth 2.0 có hiệu

năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn

- Bluetooth 3.0+HS (2008): Có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps – bằng sóng

Blutooth – High Speed, tương đương chuẩn o giờ đạt quá mức 700Kbps Wifi thế hệ đầutiên, phạm vi hiệu quả nhất chỉ trong vòng 10m

- Bluetooth 4.0 (30/06/2010): Chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay Bluetooth 4.0 là sự

kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth high speed”( Bluetooth 3.0 + HS) và “ Bluetooth low energy -Bluetooth năng lượng thấp (BluetoothSmart Ready/ Bluetooth Smart) “Bluetooth low enegry” là một phần của Bluetooth 4.0với một giao thức tiêu chuẩn của Bluetooth 1.0 vào 4.0 nhằm phục vụ cho những ứngdụng năng lượng cực thấp

1.2.3 Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Tiêu thụ năng lượng thấp

- Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay và điệnthoại di động

- Giá thành ngày một giảm

- Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến 100m

- Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới

đa 1Mbps mà các thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau

- Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này vớimột ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập về phần cứng cũngnhư hệ điều hành sử dụng

- Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm

1.2.4 ng d ng ứ ụ

Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị như điện thoại di động, điện thoại

cố định, máy tính xách tay, PC, máy in, thiết bị định vị dùng GPS , máy ảnh số, và video game console.

Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:

• Điều khiển và giao tiếp không dây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây.

• Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông.

• Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột, bàn

phím và máy in.

• Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX.

• Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông.

• Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại.

• Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác.

• Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử như Wii - Máy chơi trò chơi điện tử thế hệ 7 của Nintendo [1] và PlayStation 3 của Sony.

• Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di động thay modem.

1.2.4 Hoạt động

Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bị cánhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tần từ 2.4GHz đến 2.485GHz Bluetoothđược thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ Khi kết nối , nó sẽ tự động tìm ra tần sốtương thích để di chuyển đến thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đảm bảo sự liên tục

1.3.Công nghệ Zigbee

1.3.1 Giới thiệu về công nghệ ZigBee

Công nghệ ZigBee là công nghệ truyền tin sử dụng sóng vô tuyến ở dải tần khôngđăng ký ISM (Industrial, scientific and medical) dành riêng cho các ứng dụng côngnghiệp, khoa học và y tế Tần số 2.4GHz hầu hết các quốc gia trên thế giới, tần số915MHz ở Mỹ và Nhật, tần số 868MHz ở châu Âu Tốc độ dữ liệu đạt 250Kbps ở

ZigBee là một tiêu chuẩn mở toàn cầu được xây dựng trên chuẩn IEEE802.15.4MAC/PHY ZigBee định nghĩa một lớp mạng ở trên những lớp của 802.15.4 để hỗ trợkhả năng nâng cao định tuyến mạng lưới Chuẩn ZigBee được phê chuẩn 1.0 được phêchuẩn vào ngày 14 tháng 12 năm 2004 và trở thành thành viên của ZigBee Alliance Đếnnay thì các đặc tính kỹ thuật của ZigBee thì vẫn được bổ sung thêm ZigBee ra đời vàđược phát triển ứng dụng trong các lĩnh vực: nhà tự động (home automation), năng lượngthông minh (smart energy) các ứng dụng viễn thông và giám sát y tế.

1.3.2 Cấu trúc liên kết mạng

Trong truyền thông dùng giao thức ZigBee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính:mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới

1.3.2.1 Mạng hình sao (Star Network)

Bố trí mạng này được thể hiện như trong hình 1.6 Một Coordinator thì nằm ở trungtâm của mô hình mạng và kết nối với một vòng tròn những end device Mọi liên lạc trong

hệ thống phải đi qua coordinator Những end device thì không được giao tiếp với nhau, ví

dụ 2 nốt mạng muốn trao đổi với nhau thì phải thông qua coordinator

Hình 1.5 Cấu trúc mạng hình sao 1.3.2.2 Mạng hình lưới (Mesh Network)

Cấu hình mạng hình lưới là thêm những router ngoài những end device vàcoordinator, nó đóng vai trò định tuyến dữ liệu, mở rộng mạng và khả năng điều khiển,thu thập số liệu như một nút bình thường Ngược lại với mô hình mạng sao, bất kỳ thiết

bị nào cũng có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị khác miễn là các thiết bị đó nằm trongphạm vi của chúng Mạng hình lưới có ưu điểm cho phép truyền thông liên tục và có

khả năng tự xác định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từnút này sang nút khác cho đến khi thiết lập được kết nối Mỗi nút trong mạng lưới đều

có khả năng kết nối và định tuyến với các nútt lân cận Cũng chính khả năng chuyểntiếp và định tuyến gói tin đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn là trởngại

Hình 1.6 Cấu trúc mạng hình lưới 1.3.2.3 Mạng hình cây (Cluster Tree Topology)

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mạng lưới, trong đó đa số thiết bị làFFD và những RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nút rời rạc ở điểm cuốicủa nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator vàcung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúcmạng kiểu này có quy mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao Trong loại cấu hình nàymặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất PAN coordinator

Hình 1.7 Cấu trúc mạng hình cây.

1.3.3.Ưu nhược điểm của zigbee

Ưu điểm:

Giá thành thấp

Tiêu hao công suất nhỏ

Kiến trúc mạng linh hoạt

Được hỗ trợ bỏi nhiều công ty

-App Inventor thực chất là một ứng dụng web, chạy bởi trình duyệt trên máy tính

cá nhân

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1 Yêu cầu

2.1.1 Mạch điều khiển

- Thiết kế 3 module bao gồm 1 module phát và 2 module thu Khi bên phát sửdụng nút nhấn thì bên thu sẽ thực hiện bật hoặc tắt thiết bị trong nhà theo mong muốn củangười dùng

- Thiết kế nhỏ gọn, thẩm mỹ

- Sản phẩm hoạt động ổn định , sử dụng được lâu dài trong thực tế

- Hiệu quả: Sửa chữa dễ dàng, chi phí vận hành sửa chữa thấp

2.1.2 Giao diện điều khiển trên điện thoại

- Tìm kiếm, cập nhật các bộ điều khiển nằm trong phạm vi tìm kiếm của thiết bị

sử dụng hệ điều Andorid ngay khi mở ứng dụng

- Có chế độ bảo mật khi muốn kết nối với mạch điều khiển

- Giao diện đẹp, bắt mắt, trực quan và thân thiện với người dùng đồng thời hỗ trợTiếng Việt

2.2 Phân tích

2.2.1 Mô tả hệ thống

Ứng dụng BlueControl sẽ kết nối với bộ điều khiển thông qua Bluetooth, rồi gửi dữ liệu

từ nút chủ đến các Slave để điều khiển thiết bị

Hình 2.1 Mô tả hệ thống

2.2.2 Sơ đồ khối

2.2.2.1.Sơ đồ khối bên phát (nút chủ)

Hình 2.2 Sơ đồ khối bên phát

Sơ đồ khối của hệ thống gồm:

- Khối nguồn: cấp nguồn cho khối điều khiển trung tâm, khối bluetooth, khốiphát vô tuyến,khối nút bấm

- Khối xử lí trung tâm: nhận xử lí dữ liệu từ khối module Bluetooth và nútbấm rồi gửi dữ liệu thông qua khối phát vô tuyến

- Khối bluetooth: nhận dữ liệu từ điện thoại gửi xuống

- Khối phát vô tuyến :gửi dữ liệu đến các nút 1 và nút 2

2.2.2.2 Sơ đồ khối bên thu 1(Nút Slave 1)

Hình 2.3 Sơ đồ khối bên thu 1

Sơ đồ khối của hệ thống gồm:

- Khối nguồn: cấp nguồn cho khối điều khiển trung tâm, khối bluetooth, khốiphát vô tuyến,khối nút bấm

- Khối xử lí trung tâm: nhận xử lí dữ liệu từ khối module Bluetooth và nútbấm rồi gửi dữ liệu thông qua khối phát vô tuyến

- Khối phát vô tuyến :nhận dữ liệu từ nút chủ

- Khối cơ cấu chấp hành:thực hiện bật tắt đèn

2.2.2.3 Sơ đồ khối bên thu 2 (Nút Slave 2)

Hình 2.4 Sơ đồ khối bên thu 2

Sơ đồ khối của hệ thống gồm:

- Khối nguồn: cấp nguồn cho khối điều khiển trung tâm, khối bluetooth, khốiphát vô tuyến,khối nút bấm

- Khối xử lí trung tâm: nhận xử lí dữ liệu từ khối module Bluetooth và nútbấm rồi gửi dữ liệu thông qua khối phát vô tuyến

- Khối phát vô tuyến :nhận dữ liệu từ nút chủ

- Khối cơ cấu chấp hành:thực hiện điều khiển độ sáng tối của bóng đèn

2.2.3 Lựa chọn thiết bị

2.2.3.1 Bộ xử lí trung tâm

Việc lựa chọn thiết bị bộ xử lí trung tâm có một số phương án như:

- 8051: Giá thành rẻ nhất trong các loại vi xử lí nêu trên nhưng nhược điểm là hạnchế về ROM và RAM, tích hợp ít chức năng Vì vậy khi sử dụng chức năng mở rộng phải

có module ghép nối dẫn đến đẩy giá thành lên cao và phức tạp trong chế tạo phần cứng…

- PIC có ưu điểm là tích hợp nhiều chức năng, hỗ trợ tốt, phần mềm lập trình thânthiện bằng PIC C, giá rẻ, đặc biệt PIC có rất nhiều chủng loại để lựa chọn nên với mỗimụcđích sử dụng có thể chọn được một sản phẩm có 8 độ tương đồng cao, ít bị lãng phíchức năng Vì vậy PIC được dùng phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên nhược điểmcủa PIClà mạch nạp khá đắt