Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây

TÓM TẮT Nội dung đồ án nghiên cứu và xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây wireless sensor network, với khả năng phát hiện sớm nguy cơ cháy và giá

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

GVHD: ThS TRẦN THANH MAI NGUYỄN NGỌC MINH SVTH: VÕ THỊ HƯƠNG GIANG MSSV: 11941009

S K L 0 0 4 1 8 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬCÔNG NGHIỆP

GVHD: ThS Trần Thanh Mai

Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Võ Thị Hương Giang Lớp: 11941DT

MSSV: 11941009

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 1 năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên: Võ Thị Hương Giang MSSV: 11941009

Tel: 01673359744 Email: huonggiangspk301292@gmail.com

2 Thông tin đề tài

Tên của đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến

Mục đích của đề tài: là đề xuất những giải pháp nâng cao hiệu quả an toàn, chính xác trong hệ thống giá sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tự động, từ đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc phòng chống cháy nổ ở nước ta có những

phương án mới và đạt được hiệu quả

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: Từ ngày 12/10/2015 đến 21/1 /2016

3 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

- Tìm hiểu kiến trúc và chức năng vi điều khiển PIC16F887

- Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn EEE802.15.4

- Khảo sát cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga

- Thiết kế và kiểm tra chất lượng, độ tin cậy của hệ thống

4 Lời cam đoan của sinh viên

Tôi – Võ Thị Hương Giang cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Trần Thanh Mai và cao học Nguyễn Ngọc Minh

Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến

Tuần/ngày Nội Dung Xác nhận GVHD

Tuần 1 (12- 18/10) Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,

tiến hành chọn đồ án

Tuần 2 (19 -25/10) Tìm hiểu lý thuyết về cảm biến

Tuần 3 (26/10-1/11) Tìm hiểu lý thuyết về vi điều khiển

Tuần 12 (28/12-3/01) Kiểm tra hoạt động của toàn hệ thống và hoàn

thiện báo cáo Báo cáo đồ án

GV HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cô hướng dẫn, Th.s Trần Thanh Mai và C.h Nguyễn Ngọc Minh đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện, trong quá trình hướng dẫn Cô luôn có những đóng góp ý kiến và chỉ dẫn rất tận tình cũng như tạo những điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất trong thời gian cho phép

Em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý Thầy (Cô) trong khoa Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh nói chung và bộ môn Điện

Điện-Tử Công Nghiệp nói riêng đã tận tình giảng dạy những kiến thức chuyên ngành làm nền tảng để từ đó em có thể ứng dụng và phát triển lên nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu

và thực hiện đồ án Ngoài ra em cũng cảm ơn gia đình, bố mẹ đã hỗ trợ, giúp đỡ động viên

em trong quá trình thực hiện đồ án này

Sau cùng đó là lời cảm ơn đến các bạn lớp Sư phạm kỹ thuật Điện – Điện tử những người bạn đã luôn cùng sát cánh bên nhau trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và có những đóng góp ý kiến rất thiết thực để em có thể tìm ra những hướng giải quyết khác nhau để hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Người thực hiện đề tài

Võ Thị Hương Giang

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

LIỆT KÊ HÌNH VẼ 6

LIỆT KÊ BẢNG 7

TÓM TẮT 8

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 9

1.1 Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu 9

1.2 Mục đích đề tài 9

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 9

1.3.1 Nhiệm vụ 9

1.3.2 Giới hạn 10

1.4 Phương pháp nghiên cứu 10

1.5 Tóm tắt đề tài 10

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 11

2.1.1 Tổng quan về PIC 11

2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC : 11

2.1.3 Lý do chọn vi điều khiển PIC : 13

2.1.4 Ngôn ngữ lập trình cho PIC : 13

2.1.5 PIC 16F887 : 15

2.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network 16

(WSN) 16

2.2.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN 16

2.2.2 Tổ chức và hoạt động của một mạng cảm biến không dây 17

2.2.3 Module WSN Xbee ZB ZigBee 23

2.3 Cảm biến 34

2.3.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 34

2.3.2 Cảm biến khói MQ-2 35

3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống 38

3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống báo cháy 38

3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 39

3.2.1 Khối vi điều khiển 40

3.2.2 Khối cảm biến 41

3.2.3 Khối hiển thị 42

3.2.4 Khối cảnh báo 43

3.3 Thiết kế mạch in 43

3.4 Lưu đồ chương trình 45

3.5 Mạch thi công 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 49

4.1 Kết luận 49

4.2 Kết quả thực hiện 49

4.3 Hướng phát triển đề tài 49

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2.1 Kích thước vi điều khiển PIC 11

Hình 2.2 Hình dạng thực tế một số vi điều khiển PIC 12

Hình 2.3 Giao diện chương trình mikroC PRO for PIC 14

Hình 2.4 Hình dạng thức tế của PIC16F887 40 chân 15

Hình 2.5 Sơ đồ chân của PIC 16F887 15

Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 18

Hình 2.7 Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee 19

Hình 2.8 Quá trình trao đổi thông tin về trạng thái đườngliên kết 21

Hình 2.9 Quá trình gửi gói tin đến đích trong mạng ZigBee 21

Hình 2.10 Bảng định tuyến của một nút mạng WSN 22

Hình 2.11 Nút mạng R3 tìm đường đi đến nút mạng R6 theo thuật toán AODV 22

Hình 2.12 Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm đường cho nút mạng R3 22

Hình 2.13 Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International® 24

Hình 2.14 Sơ đồ chân của module XBee ZB ZigBee 26

Hình 2.15 Quá trình trao đổi thông tin của module XBee 26

Hình 2.16 Trạng thái của chân SLEEP_RQ và ON/SLEEP theo thời gian 27

Hình 2.17 Cấu trúc dữ liệu của khung tin API 27

Hình 2.18 Cấu trúc dữ liệu của khung tin API 28

Hình 2.19 Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Request 30

Hình 2.21 Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Status 32

Hình 2.22 Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Receive Packet 33

Hình 2.23 Cấu trúc dữ liệu khung API Remote AT Command Request 34

Hình 2.24: Hình dạng thực tế LM35 35

Hình 2.25: cảm biến khói MQ-2 36

Hình 2.26: chân cảm biến MQ-2 36

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy 38

Hình 3.2 vi điều khiển 16F887 40

Hình 3.3 khối reset và nạp chương trình 41

Hình 3.4 cảm biến nhiệt độ LM35 41

Hình 3.5 cảm biến khí gas MQ2 42

Hình 3.6 module hiển thị 42

Hình 3.7 nguyên lý module cảnh báo 43

Hình 3.8 Mặt trên mạch in 43

Hình 3.9 Mặt dưới mạch in 44

Hình 3.10 Lưu đồ chương trình 45

Hình 3.11 Ttrạng thái bình thường 47

Hình 3.12 Trạng thái phát hiện có khói 47

Hình 3.13 Trạng thái quá nhiệt 48

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZBZigBee 25

Bảng 2.2 Các loại khung tin API 29

Bảng 2.3: Thông số cảm biến nhiệt độ LM35 35

Bảng 2.4 Thông số cảm biến MQ-2 37

Bảng 3.1 Mức logic cảm biến hiển thị 46

TÓM TẮT

Nội dung đồ án nghiên cứu và xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network), với khả năng phát hiện sớm nguy cơ cháy và giám sát hệ thống theo thời gian thực từ xa thông qua phần mềm quản lý

và mạng Internet/GPRS/3G

Sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây, hệ thốngđược thiết kế để sử dụng ở những khu vực khó tiếp cận, đòi hỏi năng lượng tiêu thụ thấp và không yêu cầu cấp nguồn bằng điện lưới như: rừng, núi…; hoặc không làm thay đổi thiết kế cũng như mỹ quan của công trình như: khu chung cư, văn phòng, kho lưu trữ hàng hóa, siêu thị…

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN

1.1 Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu

Việt Nam là một đất nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên không thể tránh khỏi có rất nhiều vụ cháy, nổ xảy ra hàng năm gây thương tích cho con người cũng như thiệt hại rất lớn về tài sản.Vì vậy hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoặt hàng ngày Mặc dù có nhiều biện pháp và hệ thống được đưa ra để phát hiện và cảnh báo cháy nhưng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra Trong phòng chống cháy hiện nay, chưa có một hệ thống cảnh báo cháy tự động nào được triễn khai Do đó, nếu để xảy ra cháy thì thiệt hại vô cùng lớn, để khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của

Theo kết luận của các cơ quan chức năng, phần lớn các vụ cháy ở trên gây hậu quả nghiêm trọng là do hệ thống báo cháy không hoạt động hoặc không phát tín hiệu cảnh báo kịp thời Thêm vào đó, do hệ thống báo cháy không được kết nối tới trung tâm PCCC nên phải mất một thời gian khá lâu lực lượng chức năng mới tiếp cận được khu vực hỏa hoạn

Việt Nam nằm trong khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khô, nhiều khu vực rừng có nguy cơ cháy rất cao Do địa hình hiểm trở, lực lượng kiểm lâm và lâm trường còn mỏng, các trang bị phòng cháy và chữa cháy còn thiếu thốn, nên nếu để xảy ra cháy thì hậu quả rất nghiêm trọng Vụ cháy hơn 1000ha tại vùng lõi rừng U Minh Thượng và U Minh Hạ năm 2002 đã làm cho thảm thực vật ở đây gần như bị phá hủy hoàn toàn, có thể phải mất hàng chục năm sau mới phục hồi được nguyên trạng

Từ những thực trạng trên người nghiên cứu nhận thấy rằng, với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do hỏa hoạn gây ra Vì vậy đề tài “thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến”nhằm tìm ra giải pháp giúp phòng chống cháy,

nổ và hạn chế tối đa thiệt hại mà nó gây ra như hiện nay

1.2 Mục đích đề tài

Mục đích của đề tài là đề xuất những giải pháp nâng cao hiệu quả an toàn, chính xác trong hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tự động, từ

đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc phòng chống cháy nổ ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ

- Tìm hiểu kiến trúc và chức năng vi điều khiển PIC16F887

- Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn EEE802.15.4

- Khảo sát cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga

- Thiết kế và kiểm tra chất lượng, độ tin cậy của hệ thống

1.3.2 Giới hạn

Vì tính chất của hệ thống rất phức tạp và cần có nhiều thời gian hơn để nghiên cứu nên người thực hiện đề tài chỉ dừng lại ở việc thiết kế các chức năng quan trọng nhất của

hệ thống

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Đọc các tài liệu có liên quan

- Tìm ra các hướng tiếp cận khác nhau thuộc lĩnh vực nghiên cứu

- Suy luận và thực nghiệm trên mô hình thực tế

- Đánh giá kết quả thực nghiệm và tìm ra các hướng giải quyết mới để đi đến thống nhất và hoàn thiện đề tài nghiên cứu

CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khảo sát vi điều khiển PIC16F887

2.1.1 Tổng quan về PIC

PIC là một họ vi điều khiển có kiến trúc Harvard (bộ nhớ được tách ra làm 2 loại

bộ nhớ độc lập : bộ nhớ lưu chương trình và bộ nhớ lưu dữ liệu nên có thể thay đổi số bit lưu trữ của từng bộ nhớ mà không ảnh hưởng đến nhau) PIC được chế tạo bởi Microchip Technology, bắt nguồn là chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên PIC 1650 ra đời vào năm 1975 Lúc này, PIC 1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) PIC sử dụng MicroCode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer – Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động)

2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC :

Có các dòng PIC sau :

- Dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ : PIC12Cxxx)

- Dòng PIC mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ : PIC16Fxxx)

- Dòng PIC high-end (độ dài mã lệnh 16 bit, ví dụ : PIC18Fxxx)

Hình 2.1 Kích thước vi điều khiển PIC

Dòng PIC low-end và PIC mid-end tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, dòng PIC highend bao gồm khoảng 70 lệnh (tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, với các hằng số hoặc các vị trí bộ nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm

và các lệnh để quay trở về, nó cũng có các tính năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep)

Các ký hiệu của vi điều khiển PIC :

C : PIC có bộ nhớ EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory – Một chip nhớ chỉ đọc ra có khả năng lập trình và lập trình lại được) chỉ có 16C84 là EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – Bộ nhớ không mất dữ liệu khi ngừng cung cấp điện)

F : PIC có bộ nhớ flash

LF : PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV : tương tự như LF, đây là k ý hiệu cũ

Hình 2.2 Hình dạng thực tế một số vi điều khiển PIC

Bên cạnh đó, một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC

2.1.3 Lý do chọn vi điều khiển PIC :

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như : PIC, 8051, Motorola, 68HC, AVR, ARM,… Mỗi họ vi điều khiển đều có ưu và nhược điểm riêng, sinh viên thực hiện đã chọn họ vi điều khiển PIC vì một số nguyên nhân sau :

- PIC có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam với giá thành không quá đắt

và có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

- PIC được tích hợp sẵn những ngoại vi thông dụng mà các dòng vi điều khiển cũ không có như ADC, PWM, COMPARATER,… không ngừng được phát triển

- PIC có kiến trúc lệnh RISC, còn 8051 có kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer – Máy tính có tập lệnh phức tạp) Tập lệnh của RISC tập trung vào các lệnh chính yếu và phần cứng được thiết kế sao cho các phần tử RISC hiểu ngay được lệnh máy do chương trình cung cấp, không cần phải giải mã thành một chuỗi các vi lệnh như CISC (8051 sử dụng) Như vậy thời gian thực hiện lệnh RISC rút ngắn đi nhiều so với CISC

- Trong khi các trình biên dịch cho AVR thì không được download miễn phí, PIC hầu như là miễn phí sử dụng và đảm bảo không bị trục trặc so với bản crack Bên cạnh đó với bề dày của sự phát triển lâu đời, PIC đã tạo ra rất nhiều diễn đàn sôi nổi về vi điều khiển PIC và công ty Microchip cũng tạo ra diễn đàn www.microchip.comcho chính sản phẩm của mình nhằm hỗ trợ về các kỹ thuật và giải đáp thắc mắc, nếu có vốn tiếng Anh khá, lập trình viên có thể tham gia vad học hỏi rất nhiều ở đó, ngoài ra còn có những thư viện đồ sộ các project về PIC được cập nhật rất nhiều trên www.piclist.com Có thể nói, lập trình viên sẽ an tâm lựa chọn dòng vi điều khiển PIC vì sẽ rất dễ dàng tìm kiếm các thông tin lập trình các dòng PIC cũng như sự hỗ trợ rất nhiều từ nhà sản xuất

2.1.4 Ngôn ngữ lập trình cho PIC :

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn bao gồm C, Basic, Pascal,… Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành riêng cho PIC như HT-PIC, PICBasic, MikroBasic, mikroC PRO for PIC,…

Sinh viên thực hiện chọn ngôn ngữ lập trình cho PIC trong đề tài này là mikroC PRO for PIC vì nguyên nhân sau :

Hình 2.3 Giao diện chương trình mikroC PRO for PIC

mikroC PRO for PIC là một trình biên dịch đầy đủ tính năng ANSI C

cho PIC từ Microchip Phần mềm này là sự lựa chọn tốt nhất để phát triển Code cho PIC

Nó có tính năng IDE trực quan, là một trình biên dịch mạnh mẽ với sự tối ƣu hóa tiên tiến,

hỗ trợ rất nhiều thƣ viện cho phần cứng và phần mềm cùng các công cụ bổ sung giúp ích rất nhiều cho công việc Trình biên dịch này có file Help đi kèm với rất nhiều ví dụ có thể

sử dụng ngay đƣợc thiết kế để các lập trình viên mới làm quen có thể bắt đầu dễ dàng

Có thể tham khảo thêm về trình biên dịch mikroC PRO for PIC tại trang WEB :

http://www.mikroe.com/mikroc/pic/

2.1.5 PIC 16F887 :

Hình 2.4 Hình dạng thức tế của PIC16F887 40 chân

Hình 2.5 Sơ đồ chân của PIC 16F887

Về sơ đồ chân của PIC16F887 : Các chân nguồn có 1 hướng còn hầu hết các chân

có 2 hướng PIC16F887 có các PORT A,B,C,D,E ứng với 35I/O và 1 input (chân RE3) Hầu hết các PORT có 8 chân, chức năng mỗi chân có khi lên đến 5 chức năng/chân Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA, đủ điều khiển 2 LED mắc song song Tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ là 90mA mà thôi Do đó, khi thiết kế cần tính toán tránh quá tải cho từng chân (vượt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT (90mA)

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là 200ns

Cụ thể :

- 8k Flash Rom

- 368 Bytes SRAM

- 2 bộ định thời timer0 và timer2 8 bit có thể lập trình được

- 1 bộ định thời timer1 16bit có thể hoạt động trong chế độ sleep với nguồn xung clock ngoài

- 2 bộ module CCP (bao gồm Capture bắt giữ, Compare so sánh, PWM điều chế xung 10 bit)

- 1 bộ ADC với 14 kênh ADC 10 bit

- 2 bộ so sánh tương tự hoạt động độc lập

- Bộ giám sát định thời Watchdogtimer

- Hỗ trợ giao tiếp I2C

- Chế độ sleep tiết kiệm năng lượng

2.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network

(WSN)

2.2.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN

Mạng cảm biến không dây – WSN là khái niệm để mô tả một hệ thống mạng thông tin, được sử dụng để giám sát các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, nồng

độ khí…mà trong đó các nút mạng trao đổi thông tin với nhau qua đường truyền vô tuyến

Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang được phát triển

và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau như: theo dõi sự thay đổi của môi trường, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng như quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phương tiện xe cộ, cảnh báo trước các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên.Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng cục bộ

không dây (Wireless local area network - WLAN), và mạng Bluetooth Các gói dữ liệu trong các mạng vô tuyến này được chuyển từ mạng này qua mạng khác thông qua mạng internet không dây Mạng cellular đích đến là những người sử dụng đang di chuyển, mạng cellular có tính di động cao Mạng WLAN có khả năng truyền dữ liệu tốc

độ cao tối đa lên đến 600Mb/s, mạng Bluetooth ứng dụng truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tốc độ truyền của mạng Bluetooth

là 1Mb/s Mạng cảm biến không dây có một số điểm khác biệt với các mạng kể trên, đó là:

- Số lượng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong các mạng truyền thống

- Các nút cảm biến thường được triển khai với mật độ dày đặc, những nút cảm biến lân cận phân bố rất gần nhau Chính vì vậy, truyền thông đa bước nhảy trong mạng cam biến cần phải tiêu thụ ít năng lượng hơn truyền thông đơn bước nhảy trong mạng truyền thống

- Những nút cảm biến dễ hư hỏng và ngừng hoạt động

- Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm – điểm

- Những nút cảm biến bị giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ nhớ

- Yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với các nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp, nguồn cung cấp năng lượng điện này là có hạn và thường là không thể thay thế

Tiêu chuẩn tần số đang được áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz được ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học Tốc độ đường truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 được thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến Ưu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tương thích cao

2.2.2 Tổ chức và hoạt động của một mạng cảm biến không dây

2.2.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quát

Theo như khái niệm ở trên, có thể thấy rằng, một mạng cảm biến không dây là tập hợp rất nhiều các nút mạng giao tiếp với nhau qua đường truyền vô tuyến theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, và trên mỗi nút mạng sẽ có các cảm biến để quan trắc các thông số môi trường

Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây

Gateway có nhiệm vụ quản lý thông tin về các nút trong mạng, đồng thời chuyển tiếp dữ liệu từ chuẩn giao thức IEEE802.15.4 của WSN sang chuẩn giao thức khác để kết nối WSN với hệ thống thu thập dữ liệu Số lượng các nút trong mạng có thể lên tới hàng nghìn nút và được tổ chức theo nhiều mô hình vật lý khác nhau như : mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hỗn hợp …

Được tối ưu về mặt sử dụng năng lượng, các nút mạng sẽ được cấp nguồn bằng pin hoặc ắc quy và có thể hoạt động liên tục trong vài năm mới phải thay nguồn cung cấp Các nút mạng được điều khiển bởi hệ điều hành nhúng trên nó, để thức dậy trong một thời gian ngắn đủ để xử lý dữ liệu, rồi chuyển sang trạng thái ngủ trong một thời gian dài, và lặp lại quá trình đó

Khi một nút mạng liên kết vào WSN, nó sẽ nhận một nút khác làm nút “cha“ của

nó Nút “cha” có nhiệm vụ lưu giữ bản tin gửi tới nút “con” khi nút “con” đang trong trạng thái ngủ; và khi nút “con” thức dậy, nósẽ hỏi nút “cha” về bản tin dành cho nó Khi một nút “con” muốn gửi bản tin tới nút mạng khác, nó buộc phải gửi bản tin đó tới nút

“cha”, sau đó nút “cha” có nhiệmvụ định tuyến gói tin đến đích

Như vậy, trạng thái chủ yếu trong một mạng cảm biếnkhông dây là trạng thái ngủ, nhưng sự trao đổi thông tin giữa các nút mạng với nhau vẫn được đảm bảo

2.2.2.2 Mạng cảm biến không dây ZigBee

ZigBee là một mô hình mạng cảm biến không dây, địnhnghĩa lớp ứng dụng dựa trên mô tả kỹ thuật của chuẩn giao thức IEEE 802.15.4 Hiện nay, tổ chức định nghĩa nên

mô hình mạng ZigBee đã có trên 300 thành viên, là các tập đoàn sản xuất bán dẫn và phát triển ứng dụng

Trong mô hình mạng ZigBee, có ba loại thiết bị mạng:

• Cordinator: đóng vai trò là Gateway trong mô hình WSN

- Trong một mạng ZigBee, có duy nhất một Cordinator

- Có nhiệm vụ lựa chọn kênh tần số và PAN_ID để khởi tạo WSN

- Cho phép router và end device liên kết vào mạng

- Hỗ trợ router trong việc định tuyến cho các bản tin

- Có nhiệm vụ đệm dữ liệu cho các end device

- Luôn ở trạng thái thức, phải được cấp nguồn liên tục

Hình 2.7.Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee

• Router: là thiết bị trung gian, có chức năng đệm dữliệu, định tuyến và chuyển tiếp dữliệu trong mạng

- Trong một mạng ZigBee có nhiều router

- Router phải liên kết vào mạng trước khi truyền, nhận và định tuyến bản tin

- Sau khi liên kết vào mạng, một router có thể cho phép end device hoặc router khác liên kết vào mạng

- Có nhiệm vụ đệm dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu chocác end device

- Luôn ở trạng thái thức, phải được cấp nguồn liên tục

• End device: là các nút mạng có gắn cảm biến

- Phải liên kết vào mạng trước khi truyền hoặc nhận dữ liệu

- Không có khả năng cho phép nút khác liên kết vào mạng

- Không có khả năng định tuyến dữ liệu Luôn nhận hoặc gửi dữ liệu thông qua Router hoặc Cordinator

- Có thể chuyển sang trạng thái ngủ để giảm năng lượng tiêu thụ, được cấp nguồn bằng pin

Mỗi một mạng ZigBee có thể được xem như một mạng cánhân, với một tên duy nhất gọi là PAN_ID.Các nút thuộc cùng một mạngsẽ có PAN ID giống nhau.Giá trị của PAN ID có thể là 16 bit hoặc 64 bit, vàphải đảm bảo không trùng nhau giữa các mạng ZigBee

Mỗi mạng ZigBee hoạt động trên một kênh tần số cố định, sử dụng điều chế trải phổ trực tiếp - DSSS Trong tài liệu mô tả chuẩn giao thức IEEE802.15.4, dải tần số 2.4Ghz được chia thành 16 kênh nhỏ, mỗi mạngZigBee phải lựa chọn một trong các kênh

đó để hoạt động Nhằm tránh việc sử dụng trùng kênh tần số làm ảnh hưởng đến quá trình trao đổi thông tin, khi bắt đầu khởi tạo một mạng ZigBee, Cordinator có nhiệm vụ quét 16 kênh tần số và tìm ra kênh ổn định nhất để hoạt động

Mỗi nút mạng ZigBee có một địa chỉ MAC 64 bit duy nhất và một địa chỉ logic 16 bit được Cordinator cấp phát khi nó liên kết vào mạng Địa chỉ logic 16 bit sẽ được các nút mạng sử dụng để định tuyến bản tin trong mạng Trên mỗi nút mạng đều có một bảng chứa địa chỉ của các nút mạng khác Khi gửi gói tin đi, nếu địa chỉ đích của gói tin là địa chỉ MAC 64 bit, nútmạng sẽ tra trong bảng địa chỉ của nó để tìm ra địa chỉ 16 bit; nếu không tìm thấytrong bảng địa chỉ, nút mạng sẽ tiến hành quảng bá trong mạng để tìm ra địa chỉ 16 bit của nút đích

Khi một Router hoặc End device liên kết vào mạng, nó sẽ nhận nút mạng chuyển tiếp gói tin xin liên kết vào mạng làm nút “cha” của nó Việc truyền và nhận dữ liệu luôn phải thông qua nút “cha”; cơ chế này đảm bảo dữ liệu gửi đến một nút mạng sẽ được lưu giữ đến khi nào nút mạng đó nhận được đầy đủ dữ liệu, đồng thời làm giảm kích thước của bảng định tuyến trên mỗi nút mạng

Để lựa chọn các đường liên kết hai chiều tin cậy, mô hình mạng ZigBee sử dụng

cơ chế trao đổi thông tin trạng thái đường liên kết Cordinator hoặc Router thường xuyên trao đổi các bản tin về trạng thái đường liên kết với các nút mạng hàng xóm của nó Nội dung của các bản tin là danh sách các nút mạng hàng xóm cùng với chất lượng đường truyền giữa các nút mạng đó với nút mạng gửi bản tin

Hình 2.8.Quá trình trao đổi thông tin về trạng thái đườngliên kết

Dựa vào thông tin có trong bản tin nhận được, các nút mạng sẽ chọn ra được đường liên kết tốt nhất để trao đổi thông tin với nút mạng hàng xóm của nó

Trong mạng ZigBee, có ba thuật toán định tuyến đượcsử dụng để tìm đường đi đến đích cho bản tin:

• Adhoc On-Demand Distance Vector (AODV)– định tuyến theo vector khoảng cách: Bản tin được chuyển tiếp qua nhiều nútmạng để đến đích, và một nút mạng biết được cần phải gửi bản tin đến nút kế tiếp nào trong mạng

Hình 2.9.Quá trình gửi gói tin đến đích trong mạng ZigBee

- Các nút mạng dựa vào bảng định tuyến của nó để xác định đích tiếp theo của bản tin

Hình 2.10.Bảng định tuyến của một nút mạng WSN

- Khi nút mạng nguồn muốn tìm đường đi đến nút đích, nó phải gửi một gói tin quảng bá ra toàn mạng

Hình 2.11 Nút mạng R3 tìm đường đi đến nút mạng R6 theo thuật toán AODV

- Gói tin do nút đích trả về sẽ chứa thông tin về các đường đi đến đích, và giá của mỗi tuyến đường Nút nguồn sẽ chọn đườngđi có giá tốt nhất để gửi bản tin đến đích

Hình 2.12.Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm đường cho nút mạng R3

• Many-to-One: Được sử dụng trong mô hình mạng mà các nút mạng cần phải gửi

dữ liệu tới Server thu thập dữ liệu thông qua Gateway

- Trong phương pháp định tuyến này, khi bắt đầu khởi tạo mạng, Gateway chủ động gửi bản tin quảng bá ra toàn mạng.Khi bản tin đi qua một nút mạng trung gian, thông tin về đường đi đến nút đó được cập nhật vào bản tin Các nút mạng nhận được gói tin trên sẽ biết được đường đi đến Gateway và lưu vào bảng định tuyến củanó

• Source Routing - định tuyến theo địa chỉ nguồn:

- Khi một nút mạng muốn gửi thông tin đến nhiều nút trong mạng, nếu sử dụng thuật toán định tuyến AODV thì quá trình tìm đường đi diễn ra một cách liên tục, điều này làm giảm hiệu năng của mạng và gói tin sẽ có thời gian trễ lớn Để khắc phục nhược điểm của AODV, thuật toán định tuyến theo địa chỉ nguồn sẽ yêu cầu nút đích gửi trả lại cho nút nguồn gói tin chứa thông tin về đường đi đến đích,

và nút nguồn sẽ lưu giữ đường đi đó trong bảng định tuyến của nó

2.2.3 Module WSN Xbee ZB ZigBee

Trên thị trường hiện nay có khá nhiều loại module WSN, thông dụng nhất là các module sử dụng chuẩn truyền thông ZigBee sau:

Hình 2.13.Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International®

Mỗi sản phẩm đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, qua một thời gian tìm hiểu tính năng cũng như khả năng phát triển ứng dụng của một số loại module, em đã chọn module Xbee ZB ZigBee – một sản phẩm thương mại sử dụng chuẩn truyền thông ZigBee, hoạt động ở tần số 2.4Ghz của hãng Digi International®, có khả năng giao tiếp với thiết bị chuẩn ZigBee của các hãng khác Bảng dưới đây sẽ liệt kê một số thông số

kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZB ZigBee: