Thiết kế module và xây dựng giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp chính xác

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- LÊ QUANG TẤN THIẾT KẾ MODULE VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG... TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MODULE VÀ X

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÊ QUANG TẤN

THIẾT KẾ MODULE VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1: ………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2: ………

………

………

………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Quang Tấn MSHV: 13461248

Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1990 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MODULE VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC TRUYỀN

NHẬN DỮ LIỆU TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP CHÍNH XÁC

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Thiết kế phần cứng cho nút cảm biến, xây dựng giao

thức truyền nhận không dây giữa các nút và ứng dụng trong nông nghiệp chính xác

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

1 PGS TS Đặng Mậu Chiến

2 TS Võ Quế Sơn

Tp HCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

TS VÕ QUẾ SƠN TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TS ĐỖ HỒNG TUẤN

LỜI CẢM ƠN

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy Đặng Mậu Chiến – Giám đốc Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano và thầy Võ Quế Sơn – Giảng viên trường đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận đúng thời hạn

Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy trong ngành Kỹ thuật Viễn thông - Trường Đại học Bách Khoa đã nhiệt tình giảng dạy và cung cấp những kiến thức quý báu

để em có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả các bạn, các anh trong Phòng thí nghiệm Nano đã động viên, góp ý và trao đổi hỗ trợ cho em trong suốt thời gian vừa qua

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn, trình độ bản thân còn nhiều hạn chế, cho nên trong

đề tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự góp ý quý báu của tất cả các thầy cô giáo cũng như các bạn để đề tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp.HCM, 18/06/2016

Sinh viên

Lê Quang Tấn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay, các hướng nghiên cứu chính về mạng cảm biến không dây trên thế giới chủ yếu vào việc tối ưu phần cứng cho các mô-đun không dây của các nút cảm biến và đề xuất các giao thức mạng cho từng ứng dụng cụ thể trong đời sống [1][2] Các mô-đun cảm biến không dây thương mại như TelosB [3] hay Zolertia [4] đều có giá khá cao trong khi tầm đọc thực tế (khoảng vài chục mét) vẫn chưa được tối ưu do thiết kế dựa trên các mô-đun

vô tuyến (Radio Frequency) và các vi điều khiển thế hệ cũ với khả năng lập trình không cao [2]

Trong khi đó, các ứng dụng về nông nghiệp tại Việt Nam đòi hỏi số lượng lớn đun cảm biến giá thành thấp để có thể thu thập dữ liệu môi trường nhanh chóng và chính xác Theo đó, việc tự thiết kế các mô-đun cảm biến không dây dựa trên các dòng vi điều khiển mới sẽ giúp thúc đẩy việc làm chủ công nghệ cho các doanh nghiệp trong nước đồng thời tối ưu được các chỉ tiêu về tầm đọc, giá thành cho các ứng dụng trong nông nghiệp chính xác tại việt Nam

mô-Trong đề tài này, chúng ta sẽ tập trung vào việc thiết kế các nút cảm biến không dây

và lập trình các giao thức truyền nhận dữ liệu cho các nút cảm biến không dây (từ lớp vật

lý đến lớp MAC) [5][6], không đi sâu vào lớp Network (thực hiện routing) vì hướng đến ứng dụng thực tế với số nút không quá lớn, dữ liệu không nhiều và topo mạng không phức tạp (sơ đồ hình cây).Vi xử lý STM32L152 [7], module RF MRF24J40 [8], cảm biến SHT11…sẽ được lập trình bằng ngôn ngữ C với trình biên dịch KeilC Sau đó sẽ được đo đạc thực tế tối ưu các chỉ số công suất, tầm đọc, PER, RSSI/LQI…[9]

Trước khi đi vào tìm hiểu các vấn đề trên, luận văn cũng trình bày một số nét cơ bản, khái quát về mạng cảm biến không dây và những vấn đề cần quan tâm khi thiết kế nút cảm biến cũng như xây dựng mạng cảm biến này

ABSTRACT

Today, the main research for wireless sensor network in the world primarily on hardware optimized for the wireless module of the sensor node and network protocols recommended for each specific application in life [1][2] The modular commercial wireless sensor as TelosB [3] or Zolertia [4] have relatively high prices while the actual working range (several tens of meters) has not yet been optimized by designing based on the Radio Frequency module and the older generation microcontrollers for programming ability is not good [2]

Meanwhile, agricultural applications in Vietnam requires large amount sensor modules can cost less to collect environmental data quickly and accurately Accordingly, the design of the wireless sensor modules base on new generation microcontrollers will help promote the technology employed for domestic enterprises and optimal working range of indicators, cost for applications in precision agriculture in Vietnam

In this project, we will focus on the design of wireless sensor nodes and programming the data transfer protocol for wireless sensor nodes (from the physical layer to the MAC layer) [5][6], without going into the network layer (perform routing) as directed to practical applications with the nodes are not too much, not much data and not the complex network topology (tree diagrams) STM32L152 MCU [7], MRF24J40 RF module [8], SHT11 sensor will be programmed in the C language compiler with KeilC Then the actual measurement will be optimum capacity indicators, working range, PER, RSSI / LQI [9]

Before going to explore these requirements, the thesis also presents some basic features, overview of wireless sensor networks and the issues to consider when designing sensor nodes as well as building sensor networks present

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận Văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không có sự sao chép kết quả trong bất cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trước đây Luận Văn được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS TS Đặng Mậu Chiến và thầy

TS Võ Quế Sơn

Các số liệu và kết luận nghiên cứu được trình bày trong Luận Văn hoàn toàn trung thực Luận Văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu được đăng tải trên các hội nghị, tạp chí, bài báo và trang web được đề cập trong phần tài liệu tham khảo

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên

TPHCM, ngày 20 tháng 06 năm 2016

Học viên thực hiện

Ký tên

Lê Quang Tấn

MỤC LỤC

Chương 1 Giới thiệu 1

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác 1

1.2 Đóng góp của luận văn 3

Chương 2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 4

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây 4

2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây 4

2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây 5

2.1.3 Yêu cầu của mạng cảm biến không dây 6

2.1.4 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây 7

2.2 Cấu trúc mạng cảm biến 9

2.2.1 Giới thiệu về cấu trúc mạng cảm biến 9

2.2.2 Một số cấu trúc WSN phổ biến 10

2.3 Giao thức điều khiển đa truy cập đường truyền (MAC protocol) 10

2.3.1 Khái niệm về giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây 10

2.3.2 Một số giao thức MAC 12

Chương 3 Thiết kế phần cứng nút cảm biến không dây 16

3.1 Các thành phần của nút cảm biến không dây 16

3.1.1 Bộ xử lý nhúng năng lư ợng thấp 16

3.1.2 Bộ thu phát vô tuyến 18

3.1.3 Các cảm biến 20

3.1.4 Nguồn năng lượng 22

3.1.5 Giao tiếp với máy tính 22

Chương 4 Thiết kế phần mề m nhúng cho nút cảm biến 27

4.1 Lập trình firmware cho nút cảm biến – Lớp vật lý 28

4.2 Thiết kế giao thức truyền nhận giữa các nút – Lớp MAC 29

4.2.1 Sơ đồ thử nghiệm giao thức truyền nhận dữ liệu 30

4.2.2 Lưu đồ giải thuật 32

4.3 Thiết kế giao diện thu thập dữ liệu của mạng cảm biến – Lớp ứng dụng 37

Chương 5 Đo đạc và đánh giá các thông số quan trọng của nút cảm biến không dây 41

5.1 Chỉ số cường độ tín hiệu thu (RSSI) 42

5.2 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI) 44

5.3 Tỉ lệ nhận gói thành công (PRR) 44

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển 46

6.1 Kết luận 46

6.2 Hướng phát triển 47

Phụ lục: hướng dẫn cách cài đặt và đo đạc các chỉ số của nút cảm biến không dây 48

Tài liệu tham khảo 52

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1-1: Ứng dụng WSN trong nông nghiệp thông minh [13] 1

Hình 2-1: Mô hình các lớp trong WSN 5

Hình 2-2: Sơ đồ một WSN hoàn chỉnh [21] 7

Hình 2-3: Ứng dụng WSN trong cảnh báo cháy rừng [28] 8

Hình 2-4: Ứng dụng WSN trong quân sự [29] 8

Hình 2-5: Cấu trúc mạng WSN đơn giản [30] 9

Hình 2-6: CSMA/CD 12

Hình 2-7: Nút ẩn và nút hiện 13

Hình 2-8: Giao thức B-MAC 14

Hình 2-9: Giao thức X-MAC 15

Hình 3-1: Sơ đồ khối cơ bản một nút WSN 16

Hình 3-2: MCU STM32C8T6 17

Hình 3-3: Sơ đồ khối chức năng của STM32L152C8T6 [31] 18

Hình 3-4: Hỉnh ảnh thực tế MRF24J40MD 19

Hình 3-5: Sơ đồ khối chức năng của mô-đun MRF24J40MD [31] 20

Hình 3-6: Sơ đồ mạch mô-đun thu phát vô tuyến [31] 20

Hình 3-7: Hình ảnh thực tế cảm biến SHT11 21

Hình 3-8: Sơ đồ chân SHT11 21

Hình 3-9: Sơ đồ kết nối SHT11 với MCU 21

Hình 3-10: Sơ đồ thiết kế mạch cho mô-đun cảm biến không dây 23

Hình 3-11: Layout của nút cảm biến 24

Hình 3-12: Nút cảm biến đã thiết kế 25

Hình 4-1: Quy trình xây dựng phần mềm 27

Hình 4-2: Thiết kế giao thức truyền nhận dữ liệu theo kiến trúc cluster 29

Hình 4-3: Mô hình thử nghiệm giao thức truyền nhận dữ liệu 30

Hình 4-4: Hoạt động của giao thức theo thời gian 31

Hình 4-5: Lưu đồ giải thuật nút cảm biến 32

Hình 4-6: Lưu đồ giải thuật nút Cluster head 34

Hình 4-7: Lưu đồ giải thuật nút Gateway 35

Hình 4-8: Cấu trúc của chương trình thu thập dữ liệu 37

Hình 4-9: Giao diện chính chương trình 38

Hình 5-1: Cấu hình đo RSSI/LQI/PRR 41

Hình 5-2: Cấu hình đo thực tế 42

Hình 5-3: Giá trị RSSI (dBm) theo khoảng cách 43

Hình 5-4: Giá trị LQI theo khoảng cách 44

Hình 5-5: Tỉ lệ nhận gói thành công theo khoảng cách 45

Hình 6-1: Mô hình các lớp trong WSN 46

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CA Collision Avoidance CCA Clear Channel Assessment

CD Collision Detection CSMA Carrier Sense Medium Access IoT Internet of Things

LQI Link Quality Indication MAC Media Access Control MCU Micro Control Unit PA/LNA Power Amplifier/Low Noise Amplifier PRR Packets Reception Ratio

RAM Random Access Memory

RF Radio Frequency RFID Radio Frequency Identification ROM Read Only Memory

RSSI Received Signal Strength Indication TPT Total Packets Transmitted

TPR Total Packets Received WSN Wireless Sensor Network

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác

Mạng cảm biến không dây gồm các mô-đun cảm biến nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có khả năng làm việc trong môi trường tự nhiên với nhiệm vụ thu thập các thông số của môi trường xung quanh và tập trung dữ liệu về một máy chủ trung tâm để từ đó đưa ra những xử lý phù hợp theo sự biến đổi của môi trường

mà người quản lý mong muốn [10][11] Thông qua mạng cảm biến không dây, người nông dân có thể thu thập được các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ẩm không khí, ánh sáng, độ ẩm đất Các thông tin này được thu thập, lưu trữ và truyền tải bằng mạng không dây theo thời gian thực đến trạm quản lý để phân tích và xử lý Qua đó, người quản

lý sẽ xây dựng các giải thuật nhằm đưa ra các quyết định phù hợp để đáp ứng các yêu cầu

về chất lượng cũng như năng suất của cây trồng, vật nuôi tại các vị trí cần thiết [12]

Hình 1-1:Ứng dụng WSN trong nông nghiệp thông minh [13]

Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý trong nông nghiệp chính xác (bằng cách theo dõi theo thời gian thực các thông số như độ ẩm của đất và độ sáng môi trường hoặc pH, nhiệt độ của môi trường nước ) sẽ làm giảm đáng kể chi phí đầu tư cho quy trình đồng thời lại có thể giúp tăng sản lượng cũng như đảm bảo độ đồng đều cho chất lượng sản phẩm đầu ra Do đó, nhà nông có thể tiết kiệm được chi phí về nhân lực và vật

tư nông nghiệp Với các chính sách khuyến khích việc ứng dụng các thành tựu khoa học

kỹ thuật trong nông nghiệp hiện nay, mạng cảm biến không dây là một công nghệ hứa hẹn bên cạnh công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến (Radio Frequency Identification) nhằm xây dựng chuỗi cung ứng nông sản hoàn chỉnh nhằm thúc đẩy sự phát triển của ngành nông nghiệp nước nhà trong bối cảnh các hiệp định thương mại tự do sắp sửa được thông qua

Với sự phát triển mạnh mẽ về số lượng các ứng dụng của mạng cảm biến không dây trong đời sống con người như hiện nay, hướng nghiên cứu được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới trong những năm gần đây là Internet of Things [14] Trong các ứng dụng của mạng cảm biến không dây, nông nghiệp chính xác (precision agriculture) [15] là một ứng dụng phù hợp với thực trạng và điều kiện công nghệ tại Việt Nam Nông nghiệp chính xác hoặc canh tác chính xác là kỹ thuật sử dụng chính xác các yếu tố canh tác (nước, phân bón, thuốc trừ sâu…) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm cần can thiệp

để nâng cao sản lượng cũng như chất lượng của sản phẩm

Luận văn bao gồm 6 chương trong đó:

Chương 1: Giới thiệu khái và tính cấp thiết của đề tài, đề cập đến tầm quan trọng của

“Mạng cảm biến không dây” (WSN) trong các lĩnh vực của đời sống, và khả năng áp dụng của công nghệ WSN trong nông nghiệp tại Việt Nam

Chương 2: Cơ sở lý thuyết giúp người đọc có những kiến thức về các khái niệm cơ bản của WSN như các thành phần cơ bản, đặc trưng của từng ứng dụng cụ thể Bên cạnh

đó, một số loại “Giao thức đa truy cập đường truyền” (MAC Protocol) hiện nay cũng được trình bày trong chương này

Chương 3: Thiết kế nút cảm biến không dây cho ứng dụng nông nghiệp tại Việt Nam, khảo sát lựa chọn các thiết bị phần cứng cho module WSN như vi điều khiển, các mô-đun

thu phát sóng, các cảm biến thông số môi trường cụ thể và thiết kế hoàn chỉnh cho các nút cảm biến đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong đề tài

Chương 4: Thiết kế firmware cho nút cảm biến và thiết kế phần mềm dựa trên giao thức truyền nhận dữ liệu ở lớp MAC Ngoài ra thiết kế chương trình thu thập dữ liệu với một số chức năng cơ bản

Chương 5: Tập trung đo đạc, đánh giá thông số kỹ thuật của các nút cảm biến không dây đã thiết kế Kiểm tra hoạt động của mạng cảm biến không dây theo giao thức truyền nhận dữ liệu đã được thiết kế

Chương 6: Với những kết quả thu được, đề tài được tổng kết, nêu ra những ưu điểm cùng hạn chế mà đề tài đang vướng phải đồng thời nêu lên một số ứng dụng và hướng phát triển của đề tài

Sau 6 chương trên, đề tài có viết thêm phần phụ lục về phương pháp đo đạc các thông

số RSSI/LQI/PER đã nêu trong đề tài nhằm giúp cho người đọc có cái nhìn cụ thể về các kết quả đo trong luận văn

1.2 Đóng góp của luận văn

Với luận văn này, cơ bản đã hoàn thành một mạng cảm biến không dây đơn giản, có thể áp dụng vào những ứng dụng không đòi hỏi những yêu cầu phức tạp Và đây cũng có thể là cơ sở để thực hiện nhiều ứng dụng khác trong thực tế, đặc biệt trong tình hình còn nhiều hạn chế như trong nước hiện nay

Đầu tiên, luận văn đã thực hiện thiết kế hoàn chỉnh nút cảm biến với các khả năng cảm biến nhiệt độ, độ ẩm của không khí, trao đổi dữ liệu với các nút khác và máy tính Có thể mở rộng thêm các loại cảm biến hay module khác tùy vào ứng dụng

Với phần cứng đã thiết kế, luận văn đã hoàn thiện xây dựng giao thức trao dổi dữ liệu giữa các nút theo một cấu trúc mạng cố định và tiết kiệm năng lượng

Cuối cùng, hoàn thành thiết kế phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính có khả năng thu thập, phân tích dữ liệu gửi từ các nút cảm biến Ngoài ra có thể dùng trong quá trình đo đạc PER, hay LQI/RSSI giữa các nút

Chương 2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây

2.1.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng liên kết các nút (nút) cảm biến không dây

có khả năng tự thu thập các thông số môi trường và truyền nhận dữ liệu với nhau bằng sóng vô tuyến (RF signal) Trong đó, các nút mạng thường là các (thiết bị) đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp được phân bố với số lượng lớn trên một diện tích lớn, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm)

và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, ô nhiễm, nhiệt độ )

Các nút 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 cần truyền giữa các nút trong mạng cảm biến không dây là thấp và không liên tục Do vậy, các sensor nút thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khác nhau để tiết kiệm năng lượng Giao thức MAC trong WSN là một vấn đề rất quan trọng

và cũng được quan tâm khá nhiều Các công trình nghiên cứu cũng đa dạng từ đánh giá so sánh các giao thức MAC [16][17], tối ưu công suất tiêu thụ của WSN [18] đến cải tiến giao thức MAC từ các giao thức truyền thống… Ngoài ra vấn đề định tuyến trong WSN cũng có nhiều bài viết như mô phỏng đánh giá các giao thức routing [19], hay đề nghị một giao thức mới [20]

Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều nên các đặc trưng cơ bản để phân biệt mạng cảm biến và mạng không dây thông thường là:

2.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dây

Một nút trong mạng WSN thông thường bao gồm 2 phần:

 Phần cảm biến (sensor) hoặc điều khiển

 Phần giao tiếp vô tuyến (Radio frequency transceiver)

Do số lượng nút trong WSN là lớn và không cần các hoạt động bảo trì, nên yêu cầu thông thường đối với 1 nút mạng là giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2) Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin), giá thành và yêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết

kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến

Hình 2-1: Mô hình các lớp trong WSN

- Lớp vật lý (physical layer): Gồm các kỹ thuật điều chế tín hiệu số và các kỹ

thuật mã hóa sửa sai cho kênh truyền nhằm cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở thiết bị thu và giảm ảnh hưởng fading của kênh truyền

- Lớp MAC (Medium Access Control): sử dụng các kỹ thuật đa truy cập đường

truyền với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ và chống đụng độ khi phát dữ liệu giữa các nút cảm biến lân cận

- Lớp định tuyến (Routing layer): giao thức định tuyến quan tâm đến năng

lượng “power aware”, định tuyến địa lý (geography routing)… để các nút mạng có khả năng tự điều chỉnh, tự cấu hình

- Lớp giao vận (Transport layer): duy trì dòng số liệu khi lớp ứng dụng của

mạng cảm biến không dây yêu cầu

- Lớp ứng dụng (Application layer): Tùy vào nhiệm vụ của cảm biến mà các

kiểu phần mềm được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng này

2.1.3 Yêu cầu của mạng cảm biến không dây

Năng lượng tiêu thụ thấp, thời gian hoạt động dài:

WSN bao gồm rất nhiều nút mạng nhỏ, được đặt trong môi trường có diện tích lớn

Để nút mạng có thể hoạt động, chúng ta cần phải cung cấp đủ năng lượng Do yêu cầu của các ứng dụng thực tế, các nút mạng cần phải tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể nhằm tối đa thời gian hoạt động của mỗi nút mạng (có thể lên tới nhiều năm trong các ứng dụng thực tế) Năng lượng để cung cấp cho mỗi nút mạng có thể lấy ở nhiều nguồn, ví

dụ như dùng pin, năng lượng mặt trời, năng lượng RF thu được từ sóng vô tuyến, năng lượng rung động cơ học…

Các nút mạng có khả năng tự định tuyến và cấu hình:

Việc tự định tuyến và cấu hình giữa các nút trong WSN sẽ giúp cho việc ứng dụng thực tế thêm linh hoạt và tăng thêm tính năng cho mạng cảm biến không dây

Bảo mật:

Vấn đề bảo đảm khả năng giữ bí mật thông tin thu thập được là rất cần thiết, đặc biệt trong các ứng dụng về y khoa hoặc quân sự Do đó, các giải thuật mã hoá dữ liệu là một trong các biện pháp an toàn để bảo mật thông tin trong các ứng dụng thực tế

Khả năng thu thập dữ liệu:

Đối với WSN, tốc độ thu thập dữ liệu và độ chính xác của các nút cảm biến rất quan trọng Thông tin thu thập cần phải nhanh chóng, chính xác vì điều này sẽ ảnh hướng đến

các tính năng như tối ưu năng lượng cũng như bảo mật cho hệ thống nhất là trong các ứng dụng y khoa và quân sự

2.1.4 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây

Ứng dụng mạng cảm biến còn rất nhiều và nó thực sự chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của con người Với sự hội tụ của Internet, mobile, mạng cảm biến không dây đang ngày càng phát triển mạnh mẽ vượt trội hơn bao giờ hết

Hình 2-2: Sơ đồ một WSN hoàn chỉnh [21]

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như quốc phòng [22], y tế [23] , môi trường [24][25], nông nghiệp [26][27]…Cụ thể, các mạng cảm biến không dây đã được dùng cho việc rà soát bom mìn, khí độc hại, cảnh báo xâm nhập của quân địch; chống đột nhập; giám sát chu trình và sản phẩm trong sản xuất công nghiệp; cảnh báo cháy nổ, nhà thông minh; kiểm tra giám sát sức khỏe bệnh nhân từ xa; kiểm soát lưu lượng giao thông; giám sát mức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời tiết, khí hậu; đo nhiệt độ/độ ẩm môi trường, điều khiển tưới tiêu tự động theo độ ẩm không khí, theo dõi sự di chuyển của động vật hoang dã…

Hình 2-3: Ứng dụng WSN trong cảnh báo cháy rừng [28]

Hình 2-3 là một ứng dụng điển hình của WSN trong việc quản lý cháy rừng Trong

những điều kiện khó khăn như không gian phân bố rộng, không thể bảo trì kiểm tra thường xuyên, môi trường khắc nghiệt (hỏa hoạn)…thì WSN thể hiện rõ ưu điểm của nó WSN Kết hợp với các hạ tầng khác như an-ten parabol, vệ tinh tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh có độ tin cậy cao, giúp con người quản lý trong một khu vực rất rộng lớn

Hình 2-4: Ứng dụng WSN trong quân sự [29]

Một trong những ứng dụng đầu tiên của WSN là trong quân sự được thể hiện trong

Hình 2-4 Từ những năm đầu của chiến tranh hiện đại, lực lượng quân đội các nước đã sử

dụng những loại cảm biến đơn giản như cảm biến độ rung để phát hiện sự di chuyển của quân địch, cho đến những ứng dụng phức tạp hiện đại ngày nay

2.2 Cấu trúc mạng cảm biến

2.2.1 Giới thiệu về cấu trúc mạng cảm biến

Đối với mạng cảm biến, các node cảm biến được phân bố trong môi trường với mật

độ đủ để quan sát được các thay đổi của môi trường và đồng thời đảm bảo được việc thông báo cho người giám sát biết sự thay đổi ấy khi cần

Cấu trúc cho mạng WSN cũng tương tự như WLAN nhưng phức tạp hơn WLAN vì số lượng các nút cũng như phạm vi hoạt động là khá lớn Các dạng cấu hình trong mạng WSN còn phải đáp ứng được các hàm kết nối của từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động Thông thường, mô hình mạng cảm biến không dây có dạng như sau:

Hình 2-5:Cấu trúc mạng WSN đơn giản [30]

Do giới hạn khả năng tính toán của từng nút mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng, WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho nút gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các trạm cơ sở (có khả năng xử lý tín hiệu mạnh và ít ràng buộc về tiêu thụ năng lượng)

Một số chuẩn WSN được biết đến là: MANET (Mobile ad-hoc Network) và Zigbee (dựa trên lớp vật lý và lớp MAC của chuẩn WPAN 802.15.4)

2.2.2 Một số cấu trúc WSN phổ biến

Cấu trúc WSN thường có 2 dạng chủ yếu như sau:

 Cấu trúc dạng lưới kết nối đa đường giữa các nút cảm biến, sử dụng định tuyến động Trong cấu trúc này, các nút cảm biến bình đẳng nhau về nhiệm vụ

và kiến trúc phần cứng

 Cấu trúc kết nối dạng điểm – điểm hay đa điểm – điểm, chủ yếu là các liên kết đơn (single - hop) giữa các nút, dùng giao thức định tuyến động Với cấu trúc dạng này, các nút có sự phân biệt về nhiệm vụ hoạt động, do đó cũng có sự khác nhau về kiến trúc phần cứng

2.3 Giao thức điều khiển đa truy cập đường truyền (MAC protocols)

2.3.1 Khái niệm về giao thức MAC trong mạng cảm biến không dây

Giao thức là tập hợp các qui tắc, qui ước chung để cho 2 hoặc nhiều thiết bị có thể truyền thông với nhau Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản cũng phải tuân theo những qui tắc nhất định Do đó việc truyền thông tin trên mạng cũng cần phải có những qui ước về nhiều mặt, từ cấu trúc của dữ liệu cho tới các giao thức gửi, nhận dữ liệu, kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cố Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn Tập tất cả các qui tắc, qui ước đó được gọi là giao thức (protocol) mạng Các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau tùy lựa chọn của nhà thiết kế và yêu cầu của người

sử dụng

Một đặc điểm cơ bản của giao tiếp không dây là nó phải cung cấp một phương tiện

để chia sẻ Tất cả các giao thức điều khiển đa truy cập cho mạng không dây sử dụng phương tiện thu phát sóng để đảm bảo hiệu quả sử dụng của băng thông chia sẻ Giao thức MAC được thiết kế cho mạng cảm biến không dây có một mục đích thêm cho quản

lý hoạt động của bộ thu phát sóng để chuyển đổi năng lượng Như vậy trong khi giao thức MAC truyền thống phải cân bằng đầu vào, trễ, và một số mối quan tâm khác thì giao thức MAC của WSN đặt việc sử dụng năng lượng hiệu quả là mối quan tâm chính

Giao thức MAC trong WSN cũng có phần giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu về tiết kiệm năng lượng tối đa của các nút, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết kiệm năng lượng bằng các chế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi quá trình truyền và nhận dữ liệu của mỗi nút

Quản lý năng lượng là 1 vấn đề thách thức trong các giao thức truyền thông mong muốn trong mạng WSN Việc lãng phí năng lượng xảy ra chủ yếu do xung đột (2 nút truyền xen vào tại cùng thời điểm), nghe lỏm (overhearing - 1 nút nhận 1 gói mà đích đến không phải là nó), tăng chi phí gói tin điều khiển (control packet overhead) và lắng nghe khi môi trường rỗi (idle listening) (sóng vô tuyến của 1 nút vẫn hoạt động thậm chí khi không có dữ liệu để truyền hoặc nhận) Những vấn đề này có mặt trong tất cả các mạng môi trường chia sẻ và nói chung được các kĩ thuật MAC khắc phục

Mục tiêu chính của giao thức lớp MAC là để phân phát cho các kênh vô tuyến được chia sẻ trong số các nút cảm biến giống nhau và để đảm bảo rằng không có 2 nút truyền xen vào tại cùng thời điểm Bởi vì tiềm năng của nó cho việc tránh lãng phí năng lượng không cần thiết, MAC trong WSN đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu rộng

Các thuộc tính quan trọng của giao thức MAC là:

 Tránh xung đột: nhiệm vụ cơ bản là điều khiển truy nhập môi trường

 Hiệu suất năng lượng: quan trọng nhất

 Tính mở rộng và tính thích nghi: để thay đổi kích thước mạng, mật độ nút và topo mạng Số lượng các nút thay đổi theo thời gian

 Độ trễ (latency)

 Bình đẳng (fairness)

Các giao thức MAC có thể chia thành các loại khác nhau dựa trên các nguyên tắc khác nhau Một vài giao thức được tập trung với trạm gốc hoặc chủ nhóm làm điều khiển truy cập; vài giao thức thì được phân phối, vài giao thức khác thì sử dụng 1 kênh đơn lẻ, vài giao thức khác thì sử dụng nhiều kênh, vài giao thức khác nữa thì sử dụng các kiểu khác nhau của truy cập ngẫu nhiên, vài giao thức khác thì sử dụng việc dành riêng là lập chương trình Các giao thức đó cũng được tối ưu cho những điều khác như: năng lượng,

độ trễ, thông lượng, sự bình đẳng, chất lượng và dịch vụ (QoS), hoặc hỗ trợ cho nhiều dịch vụ khác Phần dưới sẽ trình bày một số giao thức MAC truyền thống và tối ưu hiện nay

2.3.2 Một số giao thức MAC

2.3.2.1 Giao thức Truy cập đường truyền cảm nhận sóng mang (Carrier Sense

Medium Access- CSMA) Trong CSMA, một nút muốn truyền trước hết phải lắng nghe kênh để đánh giá nó có rỗi không Nếu kênh rỗi, nút sẽ tiến tới việc truyền Nếu kênh bận, nút sẽ đợi một chu kỳ back-off ngẫu nhiên để cố truyền lại

Chuẩn IEEE 802.3/Ethernet đã đưa ra giao thức cảm nhận sóng mang dò xung đột CSMA/CD trong mạng Ethernet Chế độ này hoạt động như CSMA thường nhưng trong quá trình truyền, nút đồng thời lắng nghe môi trường, nhận lại các dữ liệu gửi đi xem có xung đột không Nếu phát hiện xung đột, nút sẽ truyền 1 tín hiệu nghẽn để các nút khác nhận ra và dừng việc gửi gói trong 1 thời gian ngẫu nhiên backoff trước khi cố gửi lại, tức là có khả năng dò xung đột nhưng vẫn không tránh được

Hình 2-6:CSMA/CD Trong các mạng phức tạp hơn như mạng không dây thì người ta dùng giao thức cảm nhận sóng mang/tránh xung đột CSMA/CA Giao thức này có khả năng giải quyết vấn đề nút ẩn, nút hiện và sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau

 Vấn đề nút ẩn/nút hiện

Các giao thức MAC truyền thống không đủ để ngăn ngừa xung đột và không hiệu quả trong mạng không dây bởi vì 2 vấn đề duy nhất: vấn đề nút ẩn và nút hiện

Vấn đề nút ẩn được thể hiện trong Hình 2-7a; ở đây, nút A đang truyền tới nút B

Nút C, nằm ngoài vùng sóng radio của A, sẽ cảm nhận được kênh truyền nhàn rỗi và bắt đầu truyền gói tới nút B Trong trường hợp này, CSMA không ngăn ngừa xung đột bởi vì

A và C ẩn cho mỗi nút

Vấn đề nút hiện được thể hiện trong Hình 2-7b Ở đây, trong khi nút B truyền tới nút

A, nút C có một gói cần truyền cho nút D Bởi vì nút C trong khoảng của B, cảm nhận thấy kênh bận và không có thể truyền Tuy nhiên, trong lý thuyết, vì D nằm ngoài khoảng của B, và A nằm ngoài khoảng của C, 2 sự truyền này không xung đột với nhau Việc truyền bởi C sẽ bị hoãn lại và lãng phí băng thông

Hình 2-7:Nút ẩn và nút hiện Vấn đề này là sóng đôi theo một phương diện nào đó: trong vấn đề nút ẩn, gói gây xung đột vì trong khi nút gửi mà không biết nút khác đang truyền, trong khi đó nút hiện mất cơ hội lớn để gửi 1 gói do sự nhầm lẫn của quá trình truyền không bị nhiễu Lời giải cho sự ghép đôi không đối xứng này nằm ở chỗ không phải nơi truyền cần thiết để cảm nhận sóng mang mà là nơi nhận Một vài giao tiếp giữa nơi truyền và nơi nhận cần thiết

để giải quyết vấn đề này

2.3.2.2 Giao thức Bekerly MAC (B-MAC)

B-MAC được thiết kế cho một mạng Ad-Hoc, với N-nút gửi truyền đến 1-nút nhận

Ý tưởng cơ bản của B-MAC là để giữ cho giao thức đơn giản Giống như các giao thức khác, B-MAC sử dụng lập lịch thức/ ngủ Cơ chế sử dụng ở đây được gọi là Low Power Listening (LPL) LPL có nghĩa là trong thời gian thức (wake up) nút lắng nghe dữ liệu truyền đến Nếu không có dữ liệu đến, gọi là tích cực giả (false positive), sau một khoảng thời gian timeout sẽ vào trạng thái ngủ Ngược lại, nếu có dữ liệu đến, nút chờ truyền gói hoàn tất Để đảm bảo rằng các gói tin nhận được đầy đủ ngay từ đầu, có một khoảng thời gian mở đầu 100ms thêm vào sau khi thức B-MAC là giao thức không đồng bộ, các chu

kỳ ngủ của các nút có thể có sự khác biệt với nhau Khi có dữ liệu cân gửi, một nút chuyển chế độ phát và bắt đầu gửi một thông báo Thông báo này phải đủ dài để đảm bảo rằng các nút nhận nhận được, thậm chí nếu nút nhận “ngủ” tại lúc bắt đầu gửi thông báo,

tức là thời gian phát thông báo phải lớn hơn hoặc bằng thời gian ngủ của một nút Sau đó nút gửi truyền các địa chỉ đích và bắt đầu gửi dữ liệu

Hình 2-8:Giao thức B-MAC Không có sự chia nhỏ dữ liệu trong B-MAC Điều này sẽ phức tạp hơn để phối hợp và B-MAC hy vọng dữ liệu nhỏ giống như những dữ liệu thường được sử dụng cho cảm biến thông tin Một khái niệm khác để giảm lượng năng lượng cần thiết là đánh giá kênh trống (Clear Channel Assessment) Để giảm năng lượng, tách biệt giữa tín hiệu và nhiễu trên kênh truyền được sử dụng Do đó, nhiễu phải được phân tích Trong trường hợp của một tích cực giả “false positive” một mẫu được đặt vào một hàng đợi Điều này có ý nghĩa để nắm bắt và phân tích tín hiệu mẫu do nhiễu gây ra bởi sự thay đổi môi trường liên tục

2.3.2.3 Giao thức X-MAC

Hình 2-9:Giao thức X-MAC X-MAC cũng sử dụng lịch đánh thức không đồng bộ nhƣ B-MAC X-MAC cố gắng cải thiện B-MAC bằng cách gửi thông báo thông minh hơn Do đó, thông báo bao gồm địa chỉ của đích đến Không có một thông báo dài, nhƣng thay vào đó, sẽ lặp lại các thông báo ngắn (short preambles) hơn đƣợc gửi đi Đó là cách làm giảm hiện tƣợng nghe lỏm Những nút không đƣợc đề cập trong địa chỉ đích sẽ vào trạng thái ngủ sau khi nhận đƣợc một thông báo ngắn Thêm nữa, có những khoảng dừng ngắn giữa các thông báo Bằng cách này, nút nhận không phải đợi hết chu kì thời gian và có thể gửi một ACK đến nút gửi và việc truyền dữ liệu có thể bắt đầu Nhƣ vậy, giao thức để gửi dữ liệu từ nút phát đến nút thu chỉ diễn ra trong một thời gian rất ngắn Nếu một nút phát thứ hai đã gửi thông báo đến cùng một nút nhận, thì nó phải đợi cho nút phát đầu tiên hoàn thành việc gửi dữ liệu và một chu kì ngắn ngẫu nhiên đƣợc thêm vào Sau đó, nó gửi dữ liệu mà không cần phải gửi lại thông báo khác Để chắc chắn quá trình diễn ra đúng, nút nhận luôn luôn đợi một khoảng thời gian để nhận dữ liệu mới sau khi một gói đƣợc nhận Khoảng thời gian này tối thiểu phải bằng thời gian lớn nhất của chu kì ngẫu nhiên của nút phát thứ hai Sự ngẫu nhiên là cần thiết cho lý do tránh xung đột

Chương 3 Thiết kế phần cứng nút cảm biến không dây

Với bất kì một ứng dụng thực tế nào cũng cần phải xác định sự phù hợp của phần

cứng Trong lĩnh vực mạng cảm biến không dây, chúng ta đã quá quen thuộc với các sản phẩm thương mại như TelosB hay Zolertia…nhưng giá thành của chúng khá cao, khó có khả năng sử dụng rộng rãi trong điều kiện như nước ta hiện nay Do đó việc thiết kế một phần cứng có khả năng tương tự và giá thành thấp hơn là một yêu cầu được đặt ra cho đề

tài này Và đây cũng là lớp thấp nhất trong mô hình các lớp của WSN như Hình 2-1

3.1 Các thành phần của nút cảm biến không dây

Hình 3-1:Sơ đồ khối cơ bản một nút WSN

3.1.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp

Các nhiệm vụ tính toán trên thiết bị WSN bao gồm: quá trình xử lý thông tin cảm biến cục

bộ cũng như thông tin truyền bởi các cảm biến khác

Hiện nay, các thiết bị phần cứng cho hệ thống WSN bị ràng buộc về mặt giá thành sản xuất và hiệu suất sử dụng năng lượng Do đó, các ứng dụng WSN khác nhau cần có các nền tảng hệ điều hành hay tập lệnh đặc biệt nhằm tiết kiệm bộ nhớ lưu trữ trong chip cũng năng lượng sử dụng trên các mô-đun WSN Trong tương lai, các bộ xử lý kiểu này cũng sẽ tích hợp

thêm các kỹ thuật thiết kế năng lượng thấp tiên tiến nhất, như hiệu quả của chế độ ngủ và chia tỉ

lệ điện áp cấp nguồn trong các chế độ để có thể tiết kiệm năng lượng đáng kể

Dòng ARM Cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ STM32 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 được thiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ năng lượng thấp, CortexM3 được thiết kế trên nền kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuất đủ thấp để cạnh tranh với các dòng vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống Một số thông số của STM32L152C8T6:

- Dòng tiêu thụ chế độ công suất thấp: 9 uA

- Dòng tiêu thụ chế độ hoạt động bình thường: 214 uA/MHz

- Sơ đồ khối STM32L152C8T6:

Hình 3-3:Sơ đồ khối chức năng của STM32L152C8T6 [31]

3.1.2 Bộ thu phát vô tuyến

Các thiết bị WSN bao gồm một bộ thu phát vô tuyến Trong WSN thì truyền vô tuyến là một quá trình sử dụng năng lƣợng mạnh nhất, do đó vô tuyến cần phải kết hợp hiệu quả năng lƣợng giữa các chế độ ngủ (sleep mode) và chế độ hoạt động (active mode)

- Chuẩn truyền thông: IEEE 802.15.4

- Hỗ trợ Zigbee, MiWi, MiWi P2P và các giao thức mạng không dây đặc trưng

- Giao tiếp SPI (4 – Wire Serial Peripheral Interface)

- Tốc độ dữ liệu: 250 Kbps (IEEE 802.15.4) và 625 Kbps (Turbo mode)

- Độ nhạy: -104 dBm với công suất cực đại ngõ vào -23 dBm

- Công suất phát bình thường 19 dBm trong biên độ thay đổi công suất phát 45dB

- Tích hợp RSSI ADC và I/Q DAC

- Thu tốt (tầm xa lên đến 4000ft ~ 1200m) và có dải RSSI rộng: 100dBm đến 20dBm

Cơ chế CSMA-CA, tự động trả ACK và kiểm tra FCS

- Hỗ trợ tất cả các CCA mode và RSSI/ED

- Tự động gửi lại Packet

- Bảo mật phần cứng với CTR, CCM và CBC-MAC

- Hỗ trợ mã hóa và giải mã cho lớp MAC con và lớp cao hơn

Hình 3-4:Hỉnh ảnh thực tế MRF24J40MD

- Sơ đồ mạch:

Hình 3-5:Sơ đồ khối chức năng của mô-đun MRF24J40MD [31]

Hình 3-6:Sơ đồ mạch mô-đun thu phát vô tuyến [31]

3.1.3 Các cảm biến

Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bị WSN chỉ hỗ trợ bộ cảm biến với tốc độ truyền dữ liệu thấp Với các ứng dụng thu thập đa thông số, mỗi nút cảm biến có thể tích hợp sẵn nhiều cảm biến trên đó Tùy theo mỗi ứng dụng mà nút cảm biến sẽ được tích hợp thêm các loại cảm biến riêng: sensor nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, áp suất, gia tốc, ảm biến từ trường, âm thanh hay camera ghi hình với độ phân giải thấp Việc lập trình các giao thức truyền nhận dữ

liệu và chế độ làm việc cho từng cảm biến cũng giúp tối ƣu năng lƣợng làm việc và độ chính xác cho các ứng dụng thực tế

Hình 3-7:Hình ảnh thực tế cảm biến SHT11 SHT11 là dòng cảm biến của SENSIRION, gồm có các loại ( SHT10, SHT11, SHT15, SHT75) chuyên dùng, có độ chính xác cao, đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

Hình 3-8:Sơ đồ chân SHT11

- DATA là chân truyền và nhận dữ liệu

- SCK là chân xung clock đồng bộ