Nghiên cứu và thiết kế hệ thống mạng không dây giám sát môi trường phục vụ việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu

Nhóm cũng nghiên cứu các công nghệ mạng cảm biến không dây cho ứng dụng giám sát môi trường khoãng cách xa, cũng như thiết kế các bộ tương thích giao tiếp để có thể giao tiếp và thu thập

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu thực hiện việc nghiên cứu

và thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây thông suốt phục vụ giám sát môi trường khí tượng và thủy văn Đề tài nghiên cứu phát triển hai mô hình mẫu trạm quan trắc khí tượng và thủy văn, giám sát liên tục các thông số về môi trường (như: mực nước, tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, độ ẩm, hướng và tốc độ gió…) và các trạm hoạt động với nguồn cung cấp là sử dụng pin lượng mặt trời Nhóm cũng nghiên cứu các công nghệ mạng cảm biến không dây cho ứng dụng giám sát môi trường khoãng cách xa, cũng như thiết kế các bộ tương thích giao tiếp để có thể giao tiếp và thu thập dữ liệu tự động

từ các trạm quan trắc ở xa và truyền thông dữ liệu về trung tâm giám sát Hệ thống cơ sơ dữ liệu và chương trình phần mềm quản lý giao diện Web để thu thập, lưu trữ, phân tích các dữ liệu về các thông số môi trường theo thời gian thực cũng được nghiên cứu phát triển

Thiết kế phần cứng thiết bị, triển khai và kiểm tra thử nghiệm sự hoạt động của các trạm quan trắc và mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu tự động cũng đều được thực hiện trong đề tài

Abstract

In recent year, climate change affects seriously the human life, social and economy activities Continuous monitoring of climatic parameters is an important requirement to research and analyze the impacts of climate change effects With advantages of low cost; low power consumption; simple-to- deploy, Wireless Sensor Networks (WSN) technologies play an important role to develop the environmental monitoring system for the research and the reaction to the climate change threats

In this project, we research and design a ubiquitous wireless sensor network system for hydrological and meteorological monitoring application This system includes two monitoring station: one meteorological and one hydrogen stations, that monitor continuously the environment factors (etc: water level, water speed and direction, temperature, humidity, wind speed and direction…) and powered by solar panel We also research various wireless sensor network technologies for long distance monitoring applications and design a real-time data collection system from monitoring stations to remote data center Web-based database and management software for collecting, storing and analyzing the real time environmental data is also developed

Hardware design, system implement and field testing of two monitoring stations and auto data collection wireless network are also performed in this project

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU 9

1.1 Tổng quan đề tài 9

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 10

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 10

1.4 Mục tiêu của đề tài 11

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 13

CHƯƠNG 2 – NGHIÊN CỨU VÀ XẤY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN THÔNG DÂY THÔNG SUỐT 18

2.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây thông suốt 18

2.2 Các yêu cầu của mạng cảm biến thông suốt 21

2.3 Mô hình đề xuất phát triển mạng cảm biến thông suốt 24

2.4 Thiết kế thi công node mạng cảm biến không dây tầm xa 26

2.4.1 Đơn vị điều khiển trung tâm 27

2.4.2 Module thu phát vô tuyến (RF Transceiver) 30

2.4.3 Module cấp nguồn 35

2.4.4 Thiết kế thi công Board mạch các node mạng cảm biến không dây 38

2.5 Thiết kế thi công node truyền dữ liệu qua mạng GPRS 40

2.6 Nghiên cứu giao thức kết nối mạng cảm biến không dây 43

2.7 Phát triển phần mềm giao thức kết nối mạng cảm biến không dây 64

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ CÁC MÔ HÌNH MẪU CÁC TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÁC NHAU 78

3.1 Sơ đồ khối của trạm quan trắc 78

3.2 Cảm biến quan trắc môi trường 79

3.3 Thiết kế cơ khí trạm khí tượng 82

3.4 Máy ghi dữ liệu - Data Logger 83

3.5 Thiết kế mô đun cửa ngỏ (Gateway) 86

3.6 Tính toán công suất tiêu thụ cho trạm quan trắc 89

3.7 Thiết kế mô đun cấp nguồn 91

3.7 Phát triển phần mềm máy ghi dữ liệu (data logger) 92

3.8 Kết quả thi thiết kế thi công máy ghi dữ liệu (data logger) 93

3.9 Kết quả thi Thiết Kế Thi Công Trạm khí tượng 94

3.10 Kết quả thi Thiết Kế Thi Công Trạm thủy văn 95

CHƯƠNG 4 - BỘ TƯƠNG THÍCH VỚI TRẠM KHÍ TƯỢNG / THỦY VĂN HIỆN

HỮU 97

4.1 Thiết kế phần cứng 97

4.2 Thiết kế phần mềm 101

4.3 Kết quả thiết kế 101

CHƯƠNG 5 – XÂY DỰNG HỆ THỐNG CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHẦN MỀM QUẢN LÝ WEB-BASED 103

5.1 Mục tiêu và phương pháp thiết kế: 103

5.2 Thiết kế cơ sở dữ liệu 104

5.2 Thiết kế giao diện và lập trình website: 106

CHƯƠNG 6 – TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ ĐÁNH KẾT QUẢ GIÁ THỰC NGHIỆM 110

6.1 Triển khai đánh giá hoạt động mạng cảm biến không dây thông suốt 110

6.1.1 Kiểm tra khoảng cách truyền của node cảm biến không dây 110

6.1.2 Kiểm tra khả năng thiết lập mạng và độ ổn định của mạng 111

6.2 Triển khai thực nghiệm trạm quan trắc khí tượng và thủy văn 112

6.2 Phân tích vấn đề tiêu thụ năng lượng các node và trạm quan trắc 117

CHƯƠNG 7 – KẾT LUẬN 119

7.1 Về nội dung 119

7.2 Về sản phẩm 120

7.3 Về tiến độ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC 123

PHỤ LỤC 1: PHỤ LỤC CHUYÊN MÔN 124

PHỤ LỤC 1-A: CHƯƠNG TRÌNH FIRMWARE TRẠM KHÍ TƯỢNG 125

PHỤ LỤC 1-B: CHƯƠNG TRÌNH FIRMWARE TRẠM THỦY VĂN 157

PHỤ LỤC 2: PHỤ LỤC SẢN PHẨM 189

PHỤ LỤC 2-A MINH CHỨNG ẤN PHẨM KHOA HỌC 190

PHỤ LỤC 2-B MINH CHỨNG HÌNH ẢNH SẢN PHẨM NGHIÊN CỨU 191

PHỤ LỤC 2-C MINH CHỨNG KẾT QUẢ ĐÀO TẠO 195

PHỤ LỤC 3: PHỤ LỤC QUẢN LÝ 196

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-Mô hình mạng cảm biến không dây truyền thống 19

Hình 2-Mô hình mạng cảm biến không dây thông suốt 21

Hình 3- Mô hình đề xuất mạng cảm biến không dây thông suốt phục vụ việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu 25

Hình 4- Sơ đồ khối mạng cảm biến không dây 27

Hình 5- Sơ đồ chân PIC24FJ128GA010 28

Hình 6- Sơ đồ mạch điều khiển của node cảm biến 29

Hình 7- Sơ đồ mạch giao tiếp bộ nhớ ngoài và giao tiếp USB 30

Hình 8- Sơ đồ khối của bên trong mô đun MRF24J40MC 33

Hình 9- Sơ đồ kết nối mô đun MRF24J40MC với vi điều khiển qua giao tiếp SPI 34

Hình 10 - Giản đồ thời gian quá trình đọc dữ liệu của Mô đun MRF24J40MC 34

Hình 11 – Giản đồ thời gian quá trình gởi dữ liệu của Mô đun MRF24J40MC 35

Hình 12- Sơ đồ khối mạch sạc Pin năng lượng mặt trời 35

Hình 13- Sơ đồ chi tiết mạch sạc pin năng lượng mặt trời và mạch ổ áp cấp nguồn 37

Hình 14- Mạch điện PCB của node cảm biến không dây cư ly tầm xa 38

Hình 15- Hình ảnh hoàn thiện của node cảm biến không dây cư ly tầm xa 39

Hình 16- Hình ảnh các node cảm biến không dây có gắn Pin năng lượng mặt trời 39

Hình 17- Sơ đồ khối mạch sạc Pin năng lượng mặt trời 40

Hình 18- Sơ đồ thiết kế module GPRS 41

Hình 19- Sơ đồ mạch kết nối module GPRS 43

Hình 20 – Mô hình giao thức mạng của ZigBee [14] 44

Hình 21 – Vai trò các thiết bị trong chuẩn IEEE 802.15.4 và ZigBee [14] 45

Hình 22 – Mạng hình sao [14] 47

Hình 23 – Mạng hình mắc lưới [14] 47

Hình 24 – Mạng hình cây [14] 48

Hình 25 – Băng tần hệ thống của ZigBee [14] 50

Hình 26 – Cấu trúc siêu khung [14] 51

Hình 27 – Giao thức lớp mạng [14] 55

Hình 28 – Thủ tục thiết lập mạng [15] 57

Hình 29 – Thủ tục kết nối mạng của thiết bị con [15] 58

Hình 30 – Thủ tục kết nối mạng của thiết bị mẹ [15] 59

Hình 31 – Giao diện phần mềm biên dịch MPLAB C32 64

Hình 32 – Khái niệm dịch vụ primitive và phương thức yêu cầu dịch vụ 65

Hình 33 – primitive dịch vụ của chồng giao thức ZigBee [14] 66

Hình 34 – Lưu đồ giải thuật chương trình chính các loại node ZigBee 69

Hình 35 – Lưu đồ giải thuật chương trình ZigBeeTasks(&currentPrimitive) 72

Hình 36 –Giải thuật chương trình ProcessZigBeePrimitives() của Coordinator 74

Hình 37 –Giải thuật chương trình ProcessNONZigBeeTasks() của Coordinator 76

Hình 38-Cấu trúc của nút trạm 78

Hình 39 - Sơ đồ thiết kế trạm khí tượng 83

Hình 40-Bộ nhận dòng điện chính xác RCV420 và khối vi điều khiển trung tâm 84

Hình 41-Thiết kế mô đun thời gian thực 86

Hình 42-Thiết kế mô đun bộ nhớ SD Card 86

Hình 43-Thiết kế mô đun UART-RS232 87

Hình 44-Thiết kế mô đun UART-FT232 87

Hình 45-Thiết kế mô đun Ethernet 88

Hình 46-Thiết kế của LCD và các thành phần ngoại vi 88

Hình 47-Thiết kế của mô đun cấp nguồn đối xứng 91

Hình 48-Thiết kế của mô đun cấp nguồn cho vi điều khiển 92

Hình 49- Hình ảnh board và dữ liệu hiển thị trên máy ghi dữ liệu 94

Hình 50- Bố trí linh kiện trên board mạch của data loger 94

Hình 51- Mô hình mẫu trạm khí tượng hoàn chỉnh 95

Hình 52- Khung võ hộp bảo vệ của trạm khí tượng 95

Hình 53- Mô hình mẫu trạm thủy văn 96

Hình 54- Võ hộp bảo vệ board mạch trạm thủy văn 96

Hình 55-Sơ đồ khối bộ tương thích kết nối dữ liệu quan trắc hiện hữu 97

Hình 56-Sơ đồ mạch cấp nguồn cho bộ ương thích kết nối dữ liệu 98

Hình 57 –Sơ đồ mạch giao tiếp Inetrnet 99

Hình 58- Sơ đồ mạch điều khiển bộ tương thích dữ liệu 100

Hình 59-Bộ tương thích trạm quan trắc hiện hữu 101

Hình 60 – Quy trình thiết kế phần mềm giao diện GUI 104

Hình 61 – Bảng CSDL thông tin các trạm quan trắc 105

Hình 62 – Bảng CSDL lưu kết qua đo đạc 105

Hình 63 – Danh sách các bảng trong CSDL của website 105

Hình 64 – Giao diện trang chủ 106

Hình 65 – Giao diện quản lý các trạm quan trắc 107

Hình 66 – Giao diện cập nhật thông tin các trạm quan trắc 107

Hình 67 – Hình biểu đồ biểu diễn theo thời gian các dữ liệu thu thập từ trạm 109

Hình 68 – Địa điểm và vị trí thự nghiệm đo thử khoãng cách truyền của các Node 110

Hình 69 – Vị trí thử nghiệm hoạt động của mạng cảm biến không dây 112

Hình 70 – Hình của trạm khí tượng trên sân thượng tòa nhà đại học quốc tế 112

Hình 71 - Kết quả quan trắc nhiệt độ trạm khí tượng trong 5 ngày liên tiếp 115

Hình 72 - Kết quả quan trắc độ ẩm trạm khí tượng trong 5 ngày liên tiếp 115

Hình 73 - Kết quả quan trắc tốc độ gió trạm khí tượng trong 5 ngày liên tiếp 116

Hình 74 - Kết quả quan trắc hướng gió trạm khí tượng trong 5 ngày liên tiếp 116

Hình 75 –Biểu đồ tiêu thụ năng lượng của các trạm quan trắc và node cảm biến 118

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-Ước lượng công suất tiêu thụ của node cảm biến 36

Bảng 2- Lệnh AT để điều khiển quá trình truyền thông GPRS 42

Bảng 3 - Băng tần và tốc độ dữ liệu [14] 49

Bảng 4 - Kênh truyền và tần số [14] 49

Bảng 5 - Định dạng của một khung thông thường 60

Bảng 6 - Định dạng của khung điều khiển 61

Bảng 7 - Định dạng khung dữ liệu 62

Bảng 8 - Định dạng khung mệnh lệnh 63

Bảng 9 - Thông số kĩ thuật của các loại cảm biến môi trường 82

Bảng 10 - Ước lượng công suất tiêu thụ của trạm quan trắc 90

Bảng 11 – Tóm tắt các module chức năng phần mềm của dadalogger 93

Bảng 12 - Kết quả đo mức tín hiệu tại các điểm đo ở các khoảng cách khác nhau 111

Bảng 13 - Dòng tiêu thụ thực tế của các trạm quan trắc và node cảm biến 117

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành đề tài nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ Ban khoa học Công nghệ Đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, đơn vị chủ trì đề tài Trung tâm nghiên cứu nước và biến đổi khí hậu và đơn vị thực hiện đề tài trường Đại học quốc

tế

Nhóm nghiên cứu xin bày tỏ sự cảm ơn đến Ban khoa học công nghệ, trung tâm nghiên cứu nước và biến đổi khí hậu và trường Đại học quốc tế đã tạo tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm có thể hoàn thành các nội dung nghiên

cứu đã đề ra trong đề tài

CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan đề tài

Theo kết quả nghiên cứu của UNDP, Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng tồi tệ nhất trước tình hình thay đổi và mực nước biển dâng Mực nước biển chỉ cần tăng lên 1m thì Việt Nam sẽ tác động tiêu cực tới 5% đất đai; 11% tổng dân số; 7% nông nghiệp; giảm 10% GDP Ngày càng có nhiều bằng chứng về việc biến đổi khí hậu đang làm tăng cường độ và mật độ xảy

ra thiên tai tại nước ta: tình trạng hạn hán xảy ra liên tục ở Đồng bằng sông Hồng, các cơn bão và siêu bão kèm theo mưa lũ lớn gây thiệt hại nặng nề về người và của diễn ra với tần xuất ngày càng nhiều ở các tỉnh miền trung và nam trung Biến đổi khí hậu cũng làm ảnh hưởng sâu sắc đến nguồn tài nguyên nước, ảnh hưởng dòng chảy, lưu lượng đỉnh lũ, độ bốc thoát hơi đều tăng khiến nguồn nước ngọt cũng giảm đi đáng kể và ảnh hưởng lớn đến đời sống sinh hoạt tại các thành phố và hoạt động sản xuất lương thực, nuôi trồng thủy hải sản trên khắp cả nước Thêm vào đó tình trạng xâm nhập mặn, mất đất do mực nước biển dâng cao là mối đe dọa lớn đến đời sống và kinh tế của cả nhân dân cả nước

Nhằm ứng phó và thích nghi với biến đổi khí hậu, cũng như giảm thiểu những rủi ro do biến đổi khí hậu gây ra, các nhà khoa học và các cấp quản lý cần thu thập những thông tin cần thiết về thời tiết, tác động của thiên tai cũng như quá trình và mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến cuộc sống một cách đầy đủ và chính xác Do đó, việc xây dựng một hệ thống thu thập thông tin thời tiết, môi trường một cách nhanh chóng, chính xác và hiệu quả giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong việc cung cấp các số liệu cho hoạt động nghiên cứu, quy hoạch một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí tại Việt Nam là một yêu cầu cực kỳ cấp thiết

Đặc biệt, việc nghiên cứu xây dựng và phát triển hệ thống quan trắc và thu thập dữ liệu về môi trường một cách tự động nhằm phục vụ cho nghiên cứu

và thích nghi với sự biến đổi khí hậu nhằm giảm thiểu thiệt hại do biến đổi khí hậu gây ra là một vấn đề vô cùng quan trọng có ý nghĩa kinh tế xã hội rất cao

1.2Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước

Tại các nước phát triển, các hệ thống quan trắc môi trường tự động sử dụng công nghệ truyền thông không dây kết hợp giữa mạng cảm biến không dây Wireless Sensor Network (có chi phí phần cứng thấp cũng như không đòi hỏi chi phí vận hành) với mạng thông tin di động, mạng truyền thông vệ tinh đang được nghiên cứu và triển khai mạnh mẽ trong những năm gần đây [1,2,3,4,5,6]

Hệ thống mạng kết hợp (minh họa trong hình 1) này được biết đến với tên gọi Ubiquitous Wireless Sensor Networks (mạng cảm biến không dây thông suốt) [7,9,10,11], cho phép các thiết bị cảm biến không dây tại điểm quan trắc có thể kết nối thông suốt đến hệ thống điều khiển mọi lúc và mọi nơi thông qua nhiều công nghệ không dây khác nhau [12,14,17,19] Công nghệ mạng không dây này cho phép giảm thiểu chi phí triển khai và chí phí vận hành nhưng vẫn đảm bảo số lượng điểm quan trắc đủ lớn, phạm vi quan trắc rộng, đảm bảo tính mở rộng của hệ thống cũng như giảm thiểu sự phụ thuộc của hệ thống quan trắc không dây với hệ thống mạng không dây của nhà cung câp dịch vụ viễn thông

1.3Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta hiện nay, sau 10 năm triển khai, có gần 300 điểm quan trắc môi trường Nhưng, từ hạ tầng kỹ thuật đến công tác quan trắc, thu thập dữ liệu còn bất cập Công tác quản lý các trạm quan trắc còn phân tán rời rạc, cơ chế

phối hợp còn nhiều hạn chế Các công nghệ thu thập dữ liệu tự động qua mạng viễn thông vẫn chưa được ứng dụng

Việc nghiên cứu tự xây dựng phát triển hệ thống quan trắc và thu thập dữ liệu về môi trường một cách tự động là một trong những nhiệm vụ quan trọng nằm trong chiến lược và định hướng phát triển của Bộ tài nguyên và môi trường đến năm 2020 nhằm tăng cường năng lực quan trắc môi trường tại các địa phương, xây dựng cơ chế phối hợp các đơn vị quan trắc, tổ chức công bố thông tin môi trường cho cộng đồng

Theo nhóm nghiên cứu tìm hiểu thì việc nghiên cứu về hệ thống quan trắc môi trường, đặc biệt là sử dụng công nghệ mạng không dây được tiến hành còn hạn chế Nhóm nghiên cứu khoa Điện tử Viễn thông Đại học Quốc tế - ĐHQG TPHCM thực hiện đề tài cấp ĐHQG về giám sát môi trường, cảnh báo ô nhiễm môi trường sông sử dụng công nghệ mạng di động GSM/GPRS

Đề tài trên còn một số hạn chế về thiết bị đo đạc là nhập khẩu hoàn toàn và

độ bền còn giới hạn do sử dụng hệ cảm biến trong phòng thí nghiệm Ngoài

ra, về phía cạnh mạng, đề tài trên sử dụng công nghệ thu thập tự động qua mạng GSM/GPRS, do vậy chỉ có thể hoạt động tại những nơi quan trắc được phủ sóng di động Ngoài ra, do sử dụng modem GSM/GPRS nên mức tiêu hao năng lượng và chi phí đều cao hơn sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây thông suốt đề suất trong đề tài này

1.4 Mục tiêu của đề tài

Theo báo cáo tổng kết của tổng cục môi trường, những vấn đề tồn tại và thách thức của mạng quan trắc môi trường của nước ta hiện nay là :

- Kinh phí dành cho hoạt động quan trắc môi trường ở cả cấp Trung ương và địa phương còn hạn chế so với nhu cầu đặt ra, thêm vào đó chi phí đầu tư để phát triển một trạm quan trắc tự động là rất cao Do hạn chế về kinh phí

quan trắc môi trường nên các chương trình quan trắc môi trường quốc gia chưa được tăng cường cả về điểm, thông số và tần suất quan trắc, dẫn đến tình trạng chưa phát hiện kịp thời phục vụ để phục vụ tốt cho công tác quản

lí và dự báo

- Công tác quan trắc môi trường còn chưa đáp ứng kịp thời các vấn đề môi trường mới, phức tạp như: quan trắc, theo dõi các tác động của hoạt động khai thác và chế biến bauxit; quan trắc, giám sát biến đổi khí hậu; quan trắc, cảnh báo phóng xạ từ các nhà máy điện nguyên tử; quan trắc môi trường xuyên biên giới…

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế xây dựng các sản phẩm mẫu (prototype) sau đó tiến đến việc tự sản xuất và chế tạo các trạm quan trắc môi trường làm giảm chi phí đấu tư đầu tư, mở rộng hệ thống quan trắc môi trường trong tương lai Ngoài ra Việc sử dụng công nghệ mạng Ubiquitous Wireless Sensor Networks, cho phép kết nối các thiết bị quan trắc sử dụng các chuẩn mạng khác nhau một cách thông suốt từ đó có thể kết nối các trạm quan trắc đầu tư mới và cũ để hình thành một mạng quan trắc môi trường thống nhất xuyên quốc gia giúp cho việc vận hành và phối hợp giữa trung tâm quan trắc được tốt hơn và cơ sở dữ liệu được khai thác chia sẽ hiệu quả hơn khắc phục được những yếu kém trong hiệu quả đầu tư hiện tại

Xuất phát từ tiêu chính đề ra, nhóm nghiên cứu đề xuất những mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau :

- Nghiên cứu xây dựng và phát triển hoàn chỉnh mạng cảm biến không dây Ubiquitous Wireless Sensor Network (UWSN) để quan trắc và thu thập dữ liệu về môi trường với cấu hình mạng linh động, có khả năng mở rộng cao,

có thể giao tiếp kết nối thông suốt đến bất kỳ trạm quan trắc nào ở bất cứ nơi đâu

- Nghiên cứu giao tiếp giữa các nút mạng không dây với nhiều loại cảm biến môi trường khác nhau nhằm xây dựng nhiều loại trạm quan trắc môi trường không dây cho các ứng dụng khác nhau (trạm quan trắc khí tượng, trạm quan trắc thủy văn, trạm quan trắc hải dương, trạm quan trắc mức triều cường…) với chi phí đầu tư hợp lý (Hình 1)

- Nghiên cứu giao tiếp mạng UWSN với các trạm quan trắc môi trường hiện hữu để có thể hỗ trợ xây dựng và phát triển hệ thống quan trắc môi trường quốc gia, tăng cường năng lực quan trắc môi trường tại các địa phương, xây dựng cơ chế phối hợp quan trắc, tổ chức công bố thông tin môi trường cho cộng đồng

- Xây dựng hệ thống cơ sơ dữ liệu để lưu trữ, phân tích và truy cập dễ dàng các dữ liệu về các thông số môi trường để có thể chia sẽ và sử dụng cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Xuất phát từ những mục tiêu đề ra, nhóm nghiên cứu đề xuất những nội dung nghiên cứu như sau :

a) Nghiên cứu và xây dựng mạng Ubiquitous Wireless Sensor Network (UWSN) gồm các công việc sau :

- Phát triển hoàn chỉnh các thiết bị không dây (wireless node) trong mạng WSN Các thiết bị không dây có bán kính phục vụ khác nhau từ vài trăm m cho đến đến vài Km Trong đó chú trọng đến các vấn đề:

+ Giảm chi phí giá thành sản xuất các node + Giảm kích thước các node

+ Tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trên từng node

- Phát triển hoàn chỉnh node Gateway trong mạng UWSN, cho phép truyền dữ liệu thông suốt từ mạng WSN sang mạng viễn thông GPRS (SMS), 3G

- Nghiên cứu triển khai các chuẩn mạng, hoàn thiện các giao thức (hiện đang được nghiên cứu và triển khai trên thế giới) cho phép truyền dữ liệu thông suốt qua các loại cấu hình mạng khác nhau trong mạng UWSN với độ tin cậy cao

- Xây dựng một mạng một mạng UWSN thực tế có cấu hình lớn (có thể mở rộng lên vài trăm node) có tính linh động cao (có thể kết nối quá giang qua nhiều môi trường mạng khác nhau GPRS/SMS, 3G), và

- Giao tiếp với các loại cảm biến thủy văn (độ mặn, nhiệt độ nước, mực nước triều cường, tốc độ dòng chảy) để xây dựng trạm quan trắc thủy văn có những tính năng kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu chức năng chuẩn của một thiết bị quan trắc thủy văn thông dụng

Thông số kỹ thuật cơ bản cần đạt:

* Mực nước triều cường (Độ sâu):

Kiểu đầu đo: áp lực

Dải đo: 0 đến 1000, 2000, 5000, 10.000, 20.000, 60.000 uS/cm

Độ chính xác: +0.5% toàn thang đo

- Giao tiếp với các loại cảm biến môi trường trên đất liền (nhiệt độ, độ

ẩm, lượng mưa, hướng gió, tốc độ gió) để xây dựng trạm quan trắc khí tượng nhằm thực hiện đo các thông số căn bản về khí tượng như:

Thông số kỹ thuật cơ bản cần đạt:

c) Nghiên cứu nghiên cứu chế tạo hoàn chỉnh hệ thống nguồn dự phòng (Ắc quy, PIN năng lượng mặt trời), các thiết kế cơ khí để bảo vệ và lắp đặt các

trạm quan trắc ở môi trường thực tế

d) Nghiên cứu các chuẩn giao tiếp để có thế kết nối mạng UWSN đến các thiết bị quan trắc môi trường đang đang tồn tại hiện nay nhằm hỗ trợ việc kết nối và thu thập dữ liệu của các trạm quan trắc rời rạc của từng khu vực thành một trung tâm quan trắc chung tạo thuận lợi cho việc quản lý, và khai thác các dữ liệu hiệu quả góp phần xây dựng một mạng quan trắc môi trường thống nhất của khu vực và quốc gia

e) Xây dựng hệ thống cơ sơ dữ liệu và chương trình phần mềm quản lý để thu thập, lưu trữ, phân tích các dữ liệu về các thông số môi trường đang

được quan trắc theo thời gian thực

- Cơ sở dữ liệu được quản trị bằng hệ cơ sở dữ liệu SQL rất dễ dàng cho các phân tích chuyển thành các thông tin hữu ích cho nghiên cứu

và dự báo

- Chương trình quản lý với giao diện đồ họa để chọn lựa các thông số quan trắc và vẽ các biểu đồ phân tích

f) Triển khai lắp đặt thực tế các trạm quan trắc mẫu đã được chế tạo, kết nối và truyền dữ liệu về trung tâm, thử nghiệm và kiểm tra độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống

g) Viết báo cáo tổng kết, biên soạn tài liệu kỹ thuật hướng dẫn sử dụng thiết bị

và vận hành hệ thống

CHƯƠNG 2 –NGHIÊN CỨU VÀ XẤY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN

THÔNG DÂY THÔNG SUỐT

2.1 Giới thiệu chung về mạng cảm biến không dây thông suốt

Mạng lưới thông tin liên lạc đã được phát triển rất nhanh trong các thập niên vừa qua, bắt đầu từ những mảng nhỏ của mạng có dây truyền thống cho đến các mạng di động có cơ sở hạ tầng được sử dụng rộng khắp hiện nay Điều này đã làm tăng lên sự xuất hiện của các ứng dụng truyền thông, đặc biệt là các ứng dụng di động, người dùng và dịch vụ trong một thế giới “kết nối” thông suốt Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ cảm biến, với kích thước nhỏ gọn và giá thành rẻ đã mở đường cho một thế hệ mạng không dây mới gọi là “Mạng cảm biến thông suốt (USNs : Ubiquitous Wireless Sensor Network)” được xây dựng trên nền tảng “nhúng” các thiết

bị nhỏ vào các vật thể đời sống hàng ngày và môi trường, liên kết các thiết

bị lại với nhau để cung cấp các dịch vụ mới cho người dùng trong các môi trường không đồng nhất liên quan đến vô số các thiết bị tính toán, ứng dụng khác nhau bao gồm cả di động và cố định Dịch vụ này còn được đặt tên với một thuật ngữ mới gọi là IoT (Internet of Thing)

Mạng cảm biến không dây truyền thống (WSN : Wireless Sensor Network)

sử dụng công nghệ ad-hoc network (mạng đa chặng) theo mô hình “1 tới m” trong đó tất cả các nút mạng gọi là các nút nhỏ (sensor nodes), ngoại trừ nút thu thập dữ liệu (Base Station), chúng cảm biến môi trường xung quanh và truyền dữ liệu thu thập được về nút thu thập Nút thu thập thường được gọi

là Trạm (BS:Base Station) có nhiệm vụ chuyển thông tin này tới gateway để thực hiện các bước xử lý kế tiếp Bằng mô hình này, mạng cảm biến không dây (WSNs) sử dụng mô hình mạng đa chặng (multi-hop) cho phép các mạng lưới mở rộng khoảng cách truyền lớn hơn rất nhiều so với khoảng

cách truyền của các nút đơn.Mạng WSN áp dụng phương thức truyền thông định vị với các nút kế cận, có khả năng thích nghi cao với sự thay đổi của cấu hình mạng, thí dụ, sử dụng một đường truyền khác khi có một nút bị hỏng để cải thiện hiệu năng hoạt động, giảm công suất truyền khi định vị được nút lân cận gần hơn

Hình 1-Mô hình mạng cảm biến không dây truyền thống

Một thế hệ mới của công nghệ WSN được phát triển nhờ việc tích hợp GSM/GPRS vào hạ tầng mạng cảm biến để hình thành mô hình phổ biến thông tin “n tới m” nơi mà nút kế cận có khả năng truy vấn và bị truy vấn thông tin bởi các nút khác như là một cách để trao đổi dữ liệu giữa các nút, bất kỳ các nút trong mạng đều có thể đóng vai trò là nút thu thập để truyền thông tin về trung tâm dữ liệu Sự tích hợp này kết hợp với giao thức IPv6 cho các nút “nhỏ” đã bắt đầu một bước tiến mới trong công nghệ Internet gọi

là “Internet-of-the-Things (IoT)” nơi mà dữ liệu được truy cập mọi lúc mọi nơi và được sử dụng mọi thứ bằng mọi người

USNs cung cấp một khả năng cao giám sát trên diên rộng các hiện tượng của môi trường Ứng dụng của USNs đối với các nước đang phát triển là giúp

thu hẹp khoảng cách khoa học và giải quyết các vấn đề cộng đồng Giải pháp này có thể cảnh báo sớm các nạn thiên tai, lũ lụt, bão, hạn hán, động đất dịch bệnh… Ngoài ra, giải pháp còn có thể giúp các thành phố lớn trong việc giám sát trong công viên, cơ sở hạ tầng cầu-đường, rừng… để hỗ trợ các dịch vụ đô thị, và làm hài lòng dân cư và khách du lịch bằng cách cung cấp các dịch vụ như : giám sát chất lượng nước để đảm bảo nguồn nước luôn sạch hoặc cung cấp miễn phí thông tin về môi trường cho những địa điểm du lịch chủ chốt Tuy nhiên, trong khi hạ tầng USNs phát triển rất mạnh mẽ ở các nước phát triển, thì ở các nước đang phát triển, USNs vẫn còn đang trong giai đoạn phôi thai và chỉ có một số ít các thí nghiệm thực tiễn nhưng không có giá trị đối với các thành phố và thậm chí không giải quyết được các vẫn đề ở cộng đồng Hơn nữa, mặc dù những yêu cầu để triển khai USNs giữa các nước phát triển và đang phát triển là giống nhau (vd: giá rẻ, khoảng cách truyền xa…) nhưng mạng lưới cơ bản được thực thi trong bối cảnh khác nhau Ví dụ, sự chọn lựa giữa công nghệ GSM hay ZigBee WSN cho các cảm biến sẽ trở nên thích hợp trong các bối cảnh khác nhau Hệ thống trên nền tảng ZigBee WSN có giá thành thấp, tính ổn định cao trong bối cảnh các nước đang phát triển sẽ thích hợp hơn một GSM giá thành cao và thiếu ổn định, ví dụ, nó là một kết quả của các quốc gia phát triển đã có một

hạ tầng mạng di động tốt Các khía cạnh khác như là giá mua các thiết bị WSNs, sự bảo đảm và tính mở của công nghệ WSN sẽ là các yếu tố trong việc thiết kế công nghệ USN ở các nước đang phát triển

Bên cạnh việc mô tả các yêu cầu quan trọng của việc triển khai WSN ở các nước đang phát triển, đề tài này đề xuất một cấu trúc mới của USN được gọi

là mạng cảm biến thông suốt cho các nước phát triển và xác nhận tính hữu dụng của nó thông qua một ứng dụng mạng giám sát sự biến đổi khí hậu

Một số tính năng chính của ứng dụng này phù hợp với yêu cầu của các nước đang phát triển bao gồm việc thu thập dữ liệu, một mạng lưới nhiều lớp truyền khoảng cách xa và khả năng tương tác và nội địa hóa thông tin Chúng tôi đề xuất sử dụng một platform của USN và mô tả một số tính năng cũng như tiến hành thực nghiệm trên platform này để đánh giá khả năng sẵn sàng cho việc triển khai Cuối cùng, chúng tôi sẽ đưa ra kết quả thực tiễn thu được từ việc giám sát biến đổi khí hậu tại thành phố… như là một bước đi đầu tiên trong việc tiến tới xây dựng công nghệ USN ở các nước đang phát triển

Hình 2-Mô hình mạng cảm biến không dây thông suốt

2.2 Các yêu cầu của mạng cảm biến thông suốt

Một số yêu cầu của công nghệ USNs đang được triển khai rộng khắp tại các nước dang phát triển bao gồm:

• Giá thành thực hiện thấp: Mạng cảm biến có nghĩa là thực thi trên

hàng nghìn nút cảm biến đạt được một vùng bao phủ rộng khắp và có

sự hiệu quả về lưu lượng dữ liệu truyền từ các thiết bị cảm biến đến nút thu thập Tuy nhiên, giá của các nút cảm biến thế hệ này dao động

từ 100-800 Euros, hoặc là phụ thuộc vào giá của các cảm biến trên mỗi nút Giá này từ thấp (khi giám sát nhiệt độ, độ ẩm, áp suất/ trọng lượng, độ sáng, mật độ (PIR), Stretch, Bend, rung, tác động, và độ nghiêng…) đến trung bình (trong trường hợp của Carbon Monoxide, khí mê-tan CH4, hydro H2, sự hiện diện của chất lỏng, độ lỏng, và Hall Effect sensing) và cao (khi đo đạc Oxygen O2, Ammonia NH3, Nitrogen Dioxide NO2)

• Khoảng các truyền xa: Trong khi các nước phát triển đã có một hạ

tầng WiFi/ mạng dây tốt, những thứ có thể sử dụng cho việc truyền dữ liệu thu thập được bởi các nút cảm biến đi xa, sự thiếu thốn về một hạ tầng hiện có/ đáng tin cậy ở các nước đang phát triển dẫn tới việc các mạng cảm biến phải thực hiện việc truyền dữ liệu bẵng những hop dài Điểm yếu của mạng cảm biến không dây nằm ở khoảng cách truyền của chúng Trong các thực nghiệm triển khai thực tiễn ở các nước phát triển, các ứng dụng như giám sát nông nghiệp hay chất lượng nước có thể sẽ đòi hỏi một khoảng cách cảm biến xa ở các địa thế biệt lập Trong ứng dụng này, khoảng cách truyền ngắn, thường là tối đa 100- 300m, sẽ trở thành một yếu tố hạn chế cả về mặt chi phí Bởi vì, phương thức truyền đa hop sẽ đòi hỏi nhiều nút cảm biến và các cảm biến chỉ bao phủ được một diện tích nhỏ

• Khả năng tương tác giữa các cảm biến: Các nước phát triển thì

luôn đầu tư mạnh mẽ cho các dự án về WSN, trong khi đó, ở các nước đang phát triển việc đặt mua một cảm biến mới hay thay thế các cảm biến sẵn có thường là những khó khăn trong các dự án WSN Việc

triển khai các mạng cảm biến có các loại cảm biến không đồng nhất nhưng có thể giao tiếp được với các loại cảm biến cũ sẽ là một bước tiến thúc đẩy sự phát triển của công nghệ WSN Thế hệ cảm biến hiện tại được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau với sự khác nhau

về các kiểu định dạng dữ liệu, giao thức giao tiếp, ngôn ngữ lập trình, giao diện ứng dụng (API) Điều này sẽ là một nhiệm vụ khó khăn cho việc sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau trong một ứng dụng Trong khi đó, các giải pháp của bên thứ ba được đề xuất trong

“SensorWeb” để giải quyết vấn đề này, nhưng chúng ta phải thận trọng khi áp dụng các giải pháp này vì giải pháp khuyến khích các nước đang phát triển chỉ nên tập trung vào phần mềm, bỏ qua sự tương thích giữa các phần cứng Sự triển khai ứng dụng ở các nước đang phát triển cần phải có sự tương thích về phần mềm lẫn phần cứng để tránh được các loại phí bảo trì cao, phí vận chuyển các cảm biến từ các nhà cung cấp nước ngoài

• Tính mở của mạng cảm biến: Tính mở của mạng cảm biến dựa trên

mô hình Mã nguồn mở và phần cứng mở, cho phép các phầm mềm và các thông tin phần cứng được nhân rộng một cách tự do Trong khi

Mã nguồn mở (OSS) cho phép người dùng tiếp cận đến các mã nguồn, Nguồn phần cứng mở (OHS) cho phép các phần cứng được thiết kế dựa trên sự tương thích với Mã nguồn mở Hai tính năng này đều quan trọng cho việc triển khai công nghệ USN ở các nước đang phát triển

• Lĩnh vực sẵn sàng triển khai: Chất lượng dữ liệu, độ tin cậy và sự

phản hồi là những thông số quan trọng quyết định đến sự sẵn sàng của công nghệ USN trong lĩnh vực triển khai Dữ liệu cảm biến có thể

được thu thập trong những khoảng thời gian khác nhau, phân phát bằng vô số cách khác nhau Ví dụ, dữ liệu cảm biến có thể được thu thập định kỳ, ngẫu nhiên hoặc không thống nhất Cảm biến thu thập

dữ liệu có thể được kích hoạt khi phát hiện sự thay đổi thì sẽ tốt hơn là hoạt động liên tục, để tránh việc tiêu hao pin và kéo dài tuổi thọ pin Tương tự, dữ liệu cảm biến bằng 802.15.4, hoặc sóng GPRS đều phụ thuộc vào nhu cầu của người sử dụng Có nhiều platform cảm biến chưa phù hợp cho việc triển khai trong điều kiện môi trường khắc nghiệt ở các nước đang phát triển

• Hiệu quả thiết kế phần Middleware: Middleware là một yếu tố

quan trọng trong công nghệ USN nó nằm giữa các phần ứng dụng, hệ thống, phần cứng hoặc nền tảng giao tiếp, nó làm cho các hệ thống khác nhau có thể hoạt động chung với nhau Theo các thiết kế hiện nay, Middleware được kết hợp với các ứng dụng cảm biến đặc biệt sử dụng công nghệ cảm biến Nhờ đó có thể mở rộng được việc sử dụng công nghệ WSN Việc thiết kế một hệ thống chung Middleware nhằm đáp ứng các yêu cầu về quản lý trong WSN, việc này sẽ trở thành một yếu tố quan trọng trong việc áp dụng và mở rộng công nghệ USN ở các nước đang phát triển

2.3 Mô hình đề xuất phát triển mạng cảm biến thông suốt

Mô hình mạng cảm biến không dây thông suốt được nghiên cứu triển khai trong đề tài dựa trên các chuẩn mạng,các giao thức hiện đang được nghiên cứu và triển khai trên thế giới Mạng cho phép truyền dữ liệu thông suốt qua các loại cấu hình mạng khác nhau trong mạng với độ tin cậy cao.Mô hình mạng được mô tả trong hình 2 Mạng được xây dựng dựa trên 2 loại node khác nhau Các node cảm biến GPRS (GPRS sensor node) được sử dụng để

kết nối cho các trạm cho quan trắc ở những khu vực có phủ sóng GPRS Các node mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor network node) được sử dụng ở những khu vực quan trắc không có sóng GPRS, các node WSN được cấu hình hoạt động theo giao thức đa lớp (multi-clusture), đa chặng (multi-hop) để có thể tăng khoảng cách truyền và mở rộng khu vực quan trắc đến bất kỳ nơi đâu và bất kỳ thời điểm nào

Hình 3-Mô hình đề xuất mạng cảm biến không dây thông suốt phục vụ việc đánh

giá tác động biến đổi khí hậu

Hình 3 mô tả sơ đồ Mô hình đề xuất mạng cảm biến không dây thông suốt trong đó các node cảm biến và các trạm quan trắc được thiết kế hoạt động với nguồn Pin được sạc tự động bởi các tấm Pin năng lượng mặt trời, ngoài

ra giao các giao thức điều khiển và giao thức truyền thông được phát triển theo định hướng tiết kiệm năng lượng nhằm đảm bảo các node và các trạm quan trắc hoạt động ổn định trong thời gian dài với yêu cầu bảo trì bảo dưỡng ít nhất Thông tin thu thập từ các trạm quan trắc được truyền thông qua mạng cảm biến không dây hoặc mạng cảm biến GPRS sẽ được truyền qua các node cữa ngõ gateway và truyền về máy tính trung tâm điều hành (system coordinator) Tại đây, dữ liệu sẽ được lưu trữ và quản lý bởi hệ quản trị cơ sở dữ liệu MySQL Dữ liệu sau đó có thể được truy cập, phân tích và

xử lý bởi người sử dụng thông qua giao diện Web, từ đó có thể chia sẽ và sử dụng cho các nhà nghiên cứu môi trườnghoặc phổ biến thông tin rộng rải cho cộng đồng.Với các đặc điểm và khả năng được mô tả như trên, hệ thống mạng cảm biến không dây thông suốt được đề xuất rất phù hợp cho ứng dụng quan trắc môi trường, quan trắc khí tượng thủy văn phục vụ nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu

2.4 Thiết kế thi công node mạng cảm biến không dây tầm xa

Node cảm biến không dây bao gồm các thành phần sau đây: Khối cấp nguồn

sử dụng Pin năng lượng mặt trời, Khối điều khiển trung tâm Controller), module thu phát vô tuyến (RF Transceiver), bộ nhớ EEPROM

(Micro-mở rộng (Extent EEPROM), các kết nối (Micro-mở rộng Expainsion Connectors) để

kết giao tiếp với và các cảm biến khác, Khối giao tiếp nối tiếp (Serial

Interface) để kết nối các thiết bị ngoại vi khi cần thiết (ví dụ giao giao tiếp

với node gateway)

Hình 4- Sơ đồ khối mạng cảm biến không dây

2.4.1Đơn vị điều khiển trung tâm

Vi điều khiển (Đơn vịđiều khiển trung tâm) là khối quan trọng nhất của node cảm biến không dây Chức năng chính của vi điều khiển là điều khiển giao thức truyền thông và xử lý dữ liệu Vi điều khiển được tích hợp với nhiều tính năng cộng thêm như, giao tiếp UART, chuyển đổi ADC, giao tiếp I2C,

và giao tiếp SPI Sự tích hợp các tính năng này bên trong vi điều khiển làm cho việc thiết kế các node mạng cảm biến không dây trở nên nhỏ gọn và dễ dàng hơn Vi điều khiển được chọn lựa trong thiết kế này là PIC24FJ128GA010 của hảng MicroChip PIC24FJ128GA010 là vi điều khiển 16 bít, hiệu suất tính toán cao, giá rẻ, độ bền cao, bộ nhớ chương trình Flash cải tiến, ít tiêu tốn năng lượng Vi điều khiển PIC24FJ128GA010 thường là sự chọn lựa tốt cho các ứng dụng tiết kiệm năng lượng và hiệu suất cao Sơ đồ chân PIC24FJ128GA010 được mô tả trong hình 5

Expainsion Connectors

Micro- Controller

Peripheral Devicdes

Serial Interface

Hình 5- Sơ đồ chân PIC24FJ128GA010

Các tính năng quan trọng của vi điều khiển liên quan đến việc chọn lựa để thiết kế node cảm biến không dây được tóm lược như sau:

+ Tốc độ thực thi lệnh 16MIPS hoạt động ở tần số 32Mhz

+ Hiệu suất hoạt động cao, ít tiêu tốn năng lượng

+ 2 giao tiếp SPI Master/Slave

+ 2 giao tiếp nối tiếp USART khả trình

+ 2 giao tiếp I2C

!CS2 SDI2 SDO2 SCK2

C1 22p

EOC XCLR AN8

MCLR 13

RG9/!CS2 14

VSS1 15

RB1/PGC1 24

RB0/PGD1 25

RB6/PGC2

26 RB7/PGD2 27

RB8

32 RB9

33 RB10

34 RB11 35

VSS2 36

VDD2 37

RF13 39RF12 40

RB12

41 RB13

42 RB14

43 RB15 44

VSS3 45

RF1 88RF0 87

ENVREG 86Vcap/VDDcore 85

RC15/OSC2 64

RC12/OSC1 63

VDD4 62

RG2/!RESET 57RG3/WAKEUP 56

RF6/SCK1 55RF7/SDI1 54RF8/SDO1 53

MCLR

OSC1

SCK1

SDO1 SDI1

C12

104

!RESET PGC2

Y 1 8MHz

C3 104 R1 10K

Mạch điều khiển sử dụng cổng SPI để giao tiếp với module thu phát vô tuyến, ngõ I2C để giao tiếp với bộ nhớ ngoài (IC25LC512), cổng UART để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cần thiết Để có thể giao tiếp với máy tính, mạch sử dụng IC giao tiếp FT232 để chuyển đổi giao tiếp UART sang giao tiếp USB Mạch giao tiếp bộ nhớ ngoài và giao tiếp FT232 được mô tả trong hình 7

Hình 7- Sơ đồ mạch giao tiếp bộ nhớ ngoài và giao tiếp USB

2.4.2Module thu phát vô tuyến (RF Transceiver)

Nhiều module thu phát vô tuyến đã được nghiên cứu và đánh giá để chọn lựa cho thiết kế node cảm biến không dây tầm xa Bao gồm các module Xbee-

ZigBeeMRF24J40 module…Việc đánh giá dựa trên tiêu chí: cư ly truyền,

C26 104

!CS2

SDO2 VCC

!CS 1 SDO 2

!WP 3 Vss 4

U4 FT232R

TXD 1

DTR 2RTS 3

VCCIO 4

DSR 9DCD 10CTS 11

CBUS4 12

CBUS2 13CBUS3 14

USBDP 15 USBDM 16

3V3OUT 17

RESET 19

VCC 20

RXLED 22TXLED 23NC1

C10 104

C21 104

TX2 RX2

U14

Mini B

Vbus 1D- 2D+ 3

kích thước module, công suất tiêu thụ, chi phí thấp Trong đó tiêu chí về giá

cả và cự ly truyền là hai tham số quan trọng vì mục đích thiết kế là định hướng ứng dụng giám sát môi trường nên yêu cầu khoảng cách truyền xa và giá cả hợp lý để có thể triển khai trên diện rộng Ngoài ra, về mặt nghiên cứu học thuật yếu tố về mã nguồn mở (open source code) cũng là một yếu tố quan trọng để chọn lựa cho việc thiết kế Chúng ta có thể chủ động nâng cấp, phát triển thêm các giao thức truyền thông dựa trên các mã nguồn mở

hỗ trợ bởi nhà sản xuất

a) Xbee PRO

- Cự ly truyền : 9.6 km

- Giao tiếp: UART ; Mã nguồn mở : không

- Công suất tiêu thụ : 945 mW

- Giao tiếp : RS232, Mã nguồn mở : không

- Công suất tiêu thụ : 630 mW

- Kích thước node : 60.5mm x36.5mmx 5.1mm

- Giá cả : 204.8 USD

- Cung cấp cho thị trường việt Nam : có

c) 9-XTEND

- Cự ly truyền : 64 km

- Giao tiếp : UART; Mã nguồn mở : không

- Công suất tiêu thụ : 3650 mW

- Giao tiếp: SPI ; Mã nguồn mở : có

- Công suất tiêu thụ :390 mA

- Kích thước node : 22.9mm x33.0mmx0.51mm

- Giá cả : 25 USD

- Cung cấp cho thị trường việt Nam : Có

Dựa trên việc phân tích so sánh các thông số cơ bản của các module thu phát

kể trên, cùng với việc phân tích độ tin cậy và khả năng mở rộng mạng của chồng giao thức và soure code được hỗ trợ bởi nhà sản xuất Module thu phát MRF24J40MC của Microchip được lựa chọn để thiết kế node cảm biến không dây phục vụ cho đề tài này

Mô đun MRF24J40MC là mô đun thu phát vô tuyến của mạng cảm biến không dây ZigBee được sản xuất bởi Microchip tương thích với chuẩn IEEE 802.15.4 hoạt động ở băng tần ISM 2.4Ghz MRF24J40MC là mô đun linh kiện dán, có tích hợp dao động, mạch ổn áp bảo vệ, mạch phối hợp trở kháng và ăng ten rời bên ngoài (External antenna) Mô đun MRF24J40MC tương thích với chồng giao thức hổ trợ bởi Microchip

Các thông số cơ bản của module MRF24J40MC như sau :

- Kích thước nhỏ gọn 0.7” x 1.1” (17.8 mm x 27.9 mm)

- Tích hợp dao động, mạch ổn áp bảo vệ, mạch phối hợp trở kháng

- Tương thích với các họ vi điều khiển của Microchip (PIC16F, PIC18F, PIC24F/H, dsPIC33 and PIC32)

- Ít tiêu tốn năng lượng

- Độ nhạy máy thu -108dBm

- Công suất phát tiêu chuẩn là : +19 dBm với khoảng điều khiển công suất phát 45dBm

- Bộ khuếch đại nhiễu thấp 20 dB

- Ăng ten ngoài : trở kháng 50 Ohm

- Giao tiếp qua cổng SPI 4 dây

Hình 8- Sơ đồ khối của bên trong mô đun MRF24J40MC

Hình 9- Sơ đồ kết nối mô đun MRF24J40MC với vi điều khiểnqua giao tiếp SPI

Mô đun MRF24J40MC giao tiếp với PIC24FJ128GA010 thông qua một cổng SPI 4 dây và hoạt động ở chế độ chủ/tớ (Master/slave), trong đó PIC24FJ128GA010 đóng vai trò Master và MRF24J40MC hoạt động theo chế độ slave MRF24J40MC hổ trợ mode hoạt động SPI 0-0 có nghĩa là phải yêu cầu chân SCK xuống mức 0 khi ở trạng thái rỗi; Chân CS phải ở mức thấp khi giao tiếp với MRF24J40MC Dữ liệu nhận được thông qua chân SDI theo tác động cạnh lên của xung SCK Dữ liệu gởi đi từ MRF24J40MC thông qua chân SDO theo tác động cạnh xuống của xung SCK Hình 10 và

11 mô tả giản đồ thời gian cho việc nhận và gởi dữ liệu của MRF24J40MC

Hình 10 - Giản đồ thời gian quá trình đọc dữ liệu của Mô đun MRF24J40MC

!RESET INT1 WAKEUP

GND

U3

MRF24J40MB

GND1 1

!RESET 2

WAKE 3 INT 4 SDI 5 SCK 6

GND3 12GND2 11Vin 10CLOCKout 9

!CS 8SDO 7

Hình 11 – Giản đồ thời gian quá trình gởi dữ liệu của Mô đun MRF24J40MC

2.4.3 Module cấp nguồn

Mạch cấp nguồn cho node cảm biến được thiết kế sử dụng pin năng lượng mặt trời làm nguồn nuôi duy trì hoạt động của node Cấu trúc mạch sạc Pin năng lượng mặt trời được mô tả như ở hình 2, bao gồm solar panel, mạch ổn

áp đầu vào (input regulator), Pin để lưu trữ điện (energy storage), mạch ổn

áp đầu ra (output regulator) để cấp nguồn trực tiếp cho tải (load) Tiêu chí thiết kế nguồn là đảm bảo đầy đủ nguồnđể dùy trì hoạt động ổn định cho tất

cả các mạch trong node cảm biến lúc có ánh mặt trời (ban ngày) và ngay cả lúc không có ánh sáng mặt trời (ban đêm và những lúc trời nhiều mây hoặc mưa)

Hình 12- Sơ đồ khối mạch sạc Pin năng lượng mặt trời

Sun light

regulator

Output regulator Energy storage

Load

Để ước lượng năng lượng tiêu thụ ở tải, ta giả sử chu kỳ hoạt động của bộ thu phát là 3,3% ( bộ thu phát hoạt động mỗi 15 phút 1 lần , mỗi lần truyền mất 30 giây) Bảng 1 liệt kê và ước lượng dòng tiêu thụ trung bình của các mạch trong nodecảm biến:

Mạch Trạng thái Dòng tiêu thụ

(mA)

Chu kỳ hoạt động (%)

Dòng tiêu thụ trung bình (mA)

Công suất cung cấp của tấm Panel năng lượng mặt trời theo lý thuyết nên được chọn lựa lớn hơn gấp 10 lần tổng năng lượng tiêu thụ cần thiết của một node cảm biến

9.9 × 3.6 × 10 = 356

Vì vậy công suất cung cấp của Panel năng lượng mặt trời được chọn là > 356mW Để làm tròn ta chọn là 1W Sơ đồ chi tiết mạch sạc pin và ổn áp cấp nguồn cho node cảm biến được mô tả trong hình 13

Hình 13- Sơ đồ chi tiết mạch sạc pin năng lượng mặt trời và mạch ổ áp cấp nguồn Mạch sạc pin năng lượng mặt trời sử dụng chip BQ24120 của Texas Instrument BQ24120 là chip chuyên dụng để thiết kế mạch sạc pin, áp đầu vào có khoảng thay đổi lớn, dòng đầu ra mạch sạc lên đến 800mA Mạch có

độ ổn định và độ bền cao, khả năng chống nhiễu tốt Nguồn cung cấp cho vi

xử lý và module thu phát vô tuyến là nguồn 3.3V Để thiết kế mạch ổn áp

CHARGE_CONTROL

C4 1uF

DC Solar

R3 NC

R4 2K

R5 2k2 R6 2k2 D2

D3

R7 RT1-3K3

D1 LED

R2 1K

VBAT

SW1 MAIN POWER

3.3V REGULATOR

R8 0 U7 TPS7A4533

!SHDN

1 IN 2

OUT 4SENSE 5

+

C24 10u

đầu ra chúng ta sử dụng chip ổn áp TPS7A33 Chíp có tính năng ổn áp với

ổn định cao và đáp ứng nhanh với sự thay đổi điện áp đầu vào Điện áp đầu

ra chính xác là 3.3V và dòng đầu ra lên đần 1.5A, đảm bảo đủ dòng cấp cho tất cả các mạch bên trong node cảm biến không dây

2.4.4Thiết kế thi công Board mạch các node mạng cảm biến không dây

Board mạch node cảm biến không dây được thiết kế có kích thước nhỏ gọn (10cmx5cm), mạch in loại tốt, có thể hoạt động trong môi trường thực tế khắc nghiệt Các linh kiện được bố trí hợp lý, hạn chế nhiễu tối đa do ảnh hưởng của sóng điện từ Mạch hoàn thiện của node cảm biến không dây được mô tả trong hình 14, hình 15 và hình 16

Hình 14- Mạch điện PCB của node cảm biến không dây cư ly tầm xa Chú thích:

1 Chip điều khiển

2 Mô đun thu phát vô tuyến

3 Mạch sạc Pin năng lượng mặt trời 8 Jack nguồn Solar và Jack cắm Pin

4 Mạch dao động thạch anh 9 Led chỉ thị và nút reset

5 IC ổn áp cấp nguồn

Hình 15- Hình ảnh hoàn thiện của node cảm biến không dây cư ly tầm xa

Hình 16- Hình ảnh các node cảm biến không dây có gắn Pin năng lượng mặt trời

2.5 Thiết kế thi công node truyền dữ liệu qua mạng GPRS

Việc truyền dữ liệu qua mạng GPRS được thực hiện thông qua node GPRS Node GPRS được thiết kế sử dụng module SIM900 của hảng SIMCOM Giao tiếp giữa vi điều khiển với GPRS được kết nối thông qua giao tiếp UART Các giao thức điều khiển module GPRS SIM900 được thực hiện theo tập lệnh AT Sơ đồ khối thiết kế node GPRS được mô tả trong hình 17 Module GPRS cũng được thiết kế mạch cấp nguồn được nuôi sạc bởi năng lượng mặt trời

Hình 17- Sơ đồ khối mạch sạc Pin năng lượng mặt trời Các thông số của module SIM90 được tóm tắt như sau :

- Nguồn nuôi: điện áp từ 3,4 V đến 4,5 V

- Chế độ tiết kiệm điện tiêu thụ 1,5 mA

- Băng tần hoạt động GSM850/EGSM 900, DCS 1800, PCS 1900

- Công suất phát: 2 W ở băng GSM850 và EGSM 900 và

UART port

Sim 900A

Solar Power supply

Indicator