Mô hình cảm biến không dây – WSN

Ngày phát triển Khoa học – Kĩ thuật nói chung cơng nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm biến khơng dây đời thành tựu đánh dấu phát triển công nghệ chế tạo thông tin Một lĩnh vực mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) kết hợp cảm biến, tính tốn truyền thơng tin vào thiết bị nhỏ gọn để đáp ứng nhu cầu lợi ích cho người khơng làm thời gian, sức lực, nhân công đem lại hiệu công việc cao Mạng cảm biến không dây WSN bao gồm thiết bị nhỏ có khả thiết lập cấu hình hệ thơng vi điều khiển với mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, tiêu thụ lượng giá thành thấp Khi nạp phần mềm nhúng, vi điều khiển hoạt động độc lập loại môi trường vị trí địa lý khác Mỗi vi điều khiển tích hợp với thu phát sóng vơ tuyến cảm biến tạo thành nút mạng, tập hợp nút mạng phạm vi định Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) mạng cấu thành từ thiết bị hoạt động độc lập không gian, thiết bị thu thập truyền trung tâm giám sát thông tin điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, chuyển động, Một số ứng dụng WSN gồm theo dõi cảnh báo mức độ môi trường độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi chuyển dịch giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân, Trước xu phát triển nhanh chóng mạng cảm biến khơng dây, vào tình hình thực tế nước ta cần hệ thống giám sát thông số môi trường để phục vụ cho nhiều nghành lĩnh vực đồ án chọn nghiên cứu Mơ hình cảm biến khơng dây – WSN

Mục Lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN (Wireless Sensor Network) 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục đích nghiên cứu CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ CẤU TẠO MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN (Wireless Sensor Network) 2.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ CÁC THÀNH PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN 2.1.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.1.2 CÁC THÀNH PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN 2.1 THIẾT BỊ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 2.2.1 Các thành phần thiết bị cảm biến không dây gồm:  Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 2.2.2 Sơ lược linh kiện dùng mạch .6 2.2.2.2 Arduino Nano .7 2.2.3 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ HTU21 Temperature Humidity Sensor THÔNG SỐ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM .9 2.2.4 Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 10 THÔNG SỐ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 10 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH TỔNG QUÁT 12 3.1 Sơ đồ khối sơ đồ chân Sensor Nodes Sink Node (gateway) .12 3.1.1 Sơ đồ khối sơ đồ chân Sensor Nodes .12 3.1.2 Sơ đồ khối Sink Node (gateway) 13  Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 13  Mạch thu phát RF UART lora SX1278 433Mhz 3000m 13 Module thu phát Wifi ESP8266 13 3.2 Sơ đờ thuật tốn code Getway 14 3.3 Sơ đồ thuật toán code Node lora 16 3.3 Thiết kết phần mềm chạy theo yêu cầu ứng dụng Blynk điện thoại 18 CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ ĐO ĐẠT 19 LỜI MỞ ĐẦU Ngày phát triển Khoa học – Kĩ thuật nói chung cơng nghệ thơng tin nói riêng, mạng cảm biến khơng dây đời thành tựu đánh dấu phát triển công nghệ chế tạo thông tin Một lĩnh vực mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network) kết hợp cảm biến, tính tốn truyền thơng tin vào thiết bị nhỏ gọn để đáp ứng nhu cầu lợi ích cho người khơng làm thời gian, sức lực, nhân công đem lại hiệu công việc cao Mạng cảm biến không dây WSN bao gồm thiết bị nhỏ có khả thiết lập cấu hình hệ thơng vi điều khiển với mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, tiêu thụ lượng giá thành thấp Khi nạp phần mềm nhúng, vi điều khiển hoạt động độc lập loại môi trường vị trí địa lý khác Mỗi vi điều khiển tích hợp với thu phát sóng vơ tuyến cảm biến tạo thành nút mạng, tập hợp nút mạng phạm vi định Như vậy, mạng cảm nhận không dây (WSN) mạng cấu thành từ thiết bị hoạt động độc lập không gian, thiết bị thu thập truyền trung tâm giám sát thông tin điều kiện môi trường nhiệt độ, âm thanh, áp suất, độ rung, chuyển động, Một số ứng dụng WSN gồm theo dõi cảnh báo mức độ môi trường độ ẩm, nhiệt độ, áp suất; theo dõi chuyển dịch giám sát giao thông, theo dõi an ninh; điều khiển phản ứng hạt nhân, Trước xu phát triển nhanh chóng mạng cảm biến khơng dây, vào tình hình thực tế nước ta cần hệ thống giám sát thông số môi trường để phục vụ cho nhiều nghành lĩnh vực đồ án chọn nghiên cứu Mơ hình cảm biến khơng dây – WSN CHƯƠNG I: GIỚI THIÊU ̣ TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN (Wireless Sensor Network) 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSN) đời dựa sở ứng dụng thành tựu cao của công nghệ chế tạo linh kiện vi điện tử công nghệ thông tin. WSN được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, quân sự, dân công nghiệp, với đặc điểm bật không cần thao tác người Các ứng dụng chủ yếu gồm: đo thông số môi trường đưa thơng báo có ích; điều khiển cơng nghiệp, nông nghiệp, đo lường, điều khiển phản ứng hạt nhân, quan sát giám sát khu vực quân sự,…Giúp mang đến tiện lợi nhiều phương diện đặc điểm nhiều trường hợp chí cịn hạn chế nguy hiểm cho người môi trường làm việc khắc nghiệt ( nút mạng giúp thay cho làm việc trực tiếp người mơi trường có tính độc tính nhiệt độ cao, áp suất cao…) Một hệ thống mạng cảm biến khơng dây WSN hồn thiện cịn có khả theo dõi cảnh báo mức độ an toàn môi trường định vị di chuyển đối tượng phạm vi Tùy theo mục đích sử dụng mà thiết kế cho phù hợp Các nút cảm biến có vi xử lý bên trong, thay gửi liệu thơ tới nút đích tiến hành xử lý đơn giản gửi liệu xử lý theo yêu cầu 1.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu hệ thống mạng cảm biến không dây WSN nhấm giải quyêt yêu cầu nhiệt độ môi trường khu vực vị trí xác định gửi máy chủ để xử lý quản lý ( nút mạng (Sensor Nodes) nhận tín hiệu từ cảm biến thông số môi trường thời gian thực sau gửi nút chủ ( Sink node Gateway) sau đưa liệu đến thiết bị người dùng internet) CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ CẤU TẠO MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN (Wireless Sensor Network) 2.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ CÁC THÀNH PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN 2.1.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Một mạng cảm biến khơng dây bao gồm nút triển khai dầy đặc bên gần đối tượng cần thăm dò, thu thập thơng tin liệu Vị trí cảm biến khơng cần định trước cho phép triển khai ngẫu nhiên vùng tiếp cận khu vực nguy hiểm Khả tự tổ chức mạng cộng tác làm việc cảm biến không dây Với cảm biến không dây triển khai gần truyền thơng đa liên kết lựa chọn để công suất tiêu thụ nhỏ (so với truyền thông đơn liên kết) mang lại hiệu truyền tín hiệu tốt so với truyền khoảng cách xa Hình 1: Cấu trúc mạng cảm biến không dây   Các nút cảm biến triển khai trường cảm biến (sensor field) Mỗi nút cảm biến phát tán mạng có khả thu thập thơng số liệu, định tuyến số liệu thu nhận (Sink) để chuyển tới người dùng (User) định tuyến tin mang theo yêu cầu từ nút Sink đến nút cảm biến Số liệu định tuyến phía thu nhận (Sink) theo cấu trúc đa liên kết sở hạ tầng tảng (Multihop Infrastructureless Architecture), tức khơng có trạm thu phát gốc hay trung tâm điều khiển Bộ thu nhận liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) người dùng gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite).  2.1.2 CÁC THÀNH PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN Hình 2: Các thành phần nút cảm biến Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến cịn có thành phần bổ sung hệ thống tìm vị trí, sinh lượng thiết bị di động Các thành phần nút cảm biến thể hình Bộ cảm biến thường gồm hai đơn vị thành phần đầu đo cảm biến (Senser) gồm có cảm biến nhiệt độ, độ ẩm chuyển đổi tương tự/số (ADC) Các tín hiệu tương tự thu nhận từ đầu đo, sau chuyển sang tín hiệu số chuyển đổi ADC, đưa tới xử lý Bộ xử lý, thường kết hợp với nhớ nhỏ, phân tích thông tin cảm biến quản lý thủ tục cộng tác với nút khác để phối hợp thực nhiệm vụ Bộ thu phát đảm bảo thông tin nút cảm biến mạng kết nối không dây, vơ tuyến, hồng ngoại tín hiệu quang Một thành phần quan trọng nút cảm biến nguồn Bộ nguồn, pin ắcquy, cung cấp lượng cho nút cảm biến không thay nên nguồn lượng nút thường giới hạn Bộ nguồn hỗ trợ thiết bị sinh điện, ví dụ pin mặt trời nhỏ Hầu hết công nghệ định tuyến mạng cảm biến nhiệm vụ cảm biến yêu cầu phải có nhận biết vị trí với độ xác cao Do đó, nút cảm biến thường phải có hệ thống tìm vị trí thơng qua định vị tồn cầu GPS Các đơn vị thiết bị xử lý cần thiết để di chuyển nút cảm biến theo yêu cầu để đảm bảo nhiệm vụ phân cơng 2.1 THIẾT BỊ MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY 2.2.1 Các thành phần thiết bị cảm biến không dây gồm:  Một Sink Node (Gateway) : nơi nhận tín hiệu liệu từ Sensor Nodes Các link kện cấu thành :  Mạch thu phát RF UART Lora SX1278  Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102  Hai Sensor Nodes: nơi nhận liệu cảm biến tạo gửi liệu đến điểm truy cập Sink Node Các link kiện cấu thành :  Mạch thu phát RF UART Lora SX1278  Arduino Nano  Cảm biến nhiệt độ ,độ ẩm HTU21 Temperature Humidity Sensor  Thiết bị người dùng : máy tính, điện thoại truy cập Wifi/3G 2.2.2 Sơ lược linh kiện dùng mạch  Mạch thu phát RF SPI Lora SX1278  Arduino nano  Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102  Cảm Biến Độ Ẩm, Nhiệt Độ HTU21 Temperature Humidity Sensor 2.2.2.1 Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 Hình 2.2.2.1 Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000Mm ( ảnh sưu tầm từ google)  Mạch thu phát RF UART Lora SX1278 433Mhz 3000m sử dụng chip SX1278 nhà sản xuất SEMTECH chuẩn giao tiếp LORA (Long Range) THÔNG SỐ KĨ THUẬT MẠCH THU PHÁT RF UART LORA SX1278  Model: AS32-TTL-100 RF  IC chính: SX1278 từ SEMTECH  Điện áp hoạt đông: 2.3 – 5.5 VDC  Điện áp giao tiếp: TTL  Giao tiếp UART Data bits 8, Stop bits 1, Parity none, tốc độ từ 1200 – 115200  Tần số: 410 – 441Mhz  Công suất: 20dbm (100mW)  Khoảng cách truyền tối đa điều kiện lý tưởng: 3000m  Tốc độ truyền: 0.3 – 19.2 Kbps (mặc định 2.4 Kbps)  512bytes đệm  Hỗ trợ 65536 địa cấu hình  Kích thước: 21x36mm Tính Năng, Đặc Điểm  Nhỏ gọn, dễ kết nối  Thay đổi đường kết nối tiện lợi truyền tín hiệu siêu xa  Chi phí thấp  Điện tiêu thụ thấp, tiếp kiệm nhiên liệu Ứng Dụng  Các dự án, nghiêng cứu IoT(giao thông, nhà thông minh, giáo dục, v.v) 2.2.2.2 Arduino Nano Hình 2.2.2 Arduino Nano C340 (ảnh sưu tầm từ Google) Arduino Nano là bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ. Arduino Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm. Bài viết trình bày thơng số kỹ thuật quan trọng, sơ đồ chân chức chân bảng Arduino Nano THÔNG SỐ KĨ THUẬT Arduino Nano  Điện áp sử dụng 2,1~5,5VDC(khuyến nghị 3~3,6V)  - Vi điều khiển: ATmega328  - Điện áp hoạt động: VDC  - Tần số hoạt động : 16 MHz  - Dòng tiêu thụ: 30 mA  - Điện áp khuyên dùng: - 12 VDC  - Điện áp giới hạn: - 20 VDC  - Số chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM)  - Số chân Analog: (Độ phân giải 10 bit)  - Dòng tối đa chân I/O: 40 mA  - Dòng tối đa 5V: 500 mA  - Dòng tối đa 3.3V: 50 mA  - Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bootloader  - SRAM: KB (ATmega328)  - EEPROM: KB (ATmega328) Tính Năng, Đặc Điểm  Phản hồi nhanh  Hoạt động thời gian dài  Nhỏ gọn dễ kết nối 2.2.3 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ HTU21 Temperature Humidity Sensor Hình 2.2.3 Cảm biến độ ẩm, nhiệt độ HTU21 Temperature Humidity Sensor ( ảnh sưu tập từ google) THÔNG SỐ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM  Điện áp sử dụng 2,1~5,5VDC(khuyến nghị 3~3,6V)  Giao tiếp qua giao thức I2C  Nhiệt độ  Dễ tích hợp -40 … + 125 ° C cho nhiệt độ cảm biến chịu và -40 … + 125 ° C cho nhiệt độ đối tượng đo  Độ xác cao với độ phân giải 0,02° C, sai số ±3 ° C  Độ ẩm  Đối tượng đo khoảng 0~100%RH  Độ xác tương đối cao với độ phân giải 0.04%RH, sai số±3%RH Tính Năng, Đặc Điểm  Có thể đo song song mà khơng cần điều chỉnh  Phản hồi nhanh  Hoạt động thời gian dài  Nhỏ gọn dễ kết nối  Chế độ ngủ để giảm mức tiêu thụ điện Ứng Dụng  Cảm biến tiện nghi nhiệt, độ ẩm cho hệ thống điều khiển điều hịa khơng khí  Kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm cơng nghiệp-nơng nghiệp  Kiểm soát nhiệt độ máy in máy photocopy  Thiết bị gia dụng  Y khoa  Máy giữ ẩm 10 2.2.4 Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 Hình 2.2.4 Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ( ảnh sưu tập từ google) THÔNG SỐ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM  IC chính: ESP8266  Phiên firmware: NodeMCU Lua  Chip nạp giao tiếp UART: CP2102  GPIO tương thích hồn toàn với firmware Node MCU  Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB Vin  GIPO giao tiếp mức 3.3VDC  Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash  Tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino  Kích thước: 25 x 50 mm Tính Năng, Đặc Điểm  Phản hồi nhanh, truyền xa  Hoạt động thời gian dài  Nhỏ gọn dễ kết nối  Kết nối nhiều thiết bị khác (I2c,SPI,Uart) 11  Cài đặt thư viện nhanh, gọn, nhẹ Arduino IDE   Cấp nguồn trực tiếp từ cổng USB Ứng Dụng  ứng dụng ESP8266 xoay quanh việc kết nối Internet từ giúp điều khiển thiết bị khác giám sát, đo đạt thông số gửi lên môi trường Internet CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH TỔNG QUÁT 12 3.1 Sơ đồ khối sơ đồ chân Sensor Nodes Sink Node (gateway) 3.1.1 Sơ đồ khối sơ đồ chân Sensor Nodes  Mạch thu phát RF UART Lora SX1278  Arduino Nano  Cảm biến nhiệt độ ,độ ẩm HTU21 Temperature Humidity Sensor Nguồn Cảm biên nhiệt độ, độ ẩm môi trường Vi điều khiển (Arduino Nano) Module thu phát RF Lora SX1278 Hình 3.1.1: sơ đồ khối Sensor Nodes Nguyên lý hoạt động: link kiện mạch Sensor Node cấp nguồn Cảm biên nhận phân tích nhiệt độ, độ ẩm mơi trường Sau đó, gửi liệu vừa phân tích cảm biến đưa vào Vi điều khiển để phân tích xử lý Dữ liệu Module thu phát RF Lora SX1278 phát đến điểm truy cập Sink Node Hình 3.1.1: sơ đồ chân Sensor Nodes 13 3.1.2 Sơ đồ khối Sink Node (gateway)  Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102  Mạch thu phát RF UART lora SX1278 433Mhz 3000m Nguồn Module thu phát RF Lora SX1278 Module thu phát Wifi ESP8266 Hình 3.1.2: Sơ đồ khối Sink Node Nguyên lý hoạt động: Các linh kiện mạch Sink Node cấp nguồn Module thu phát RF Lora SX1278 thu tín hiệu từ Module thu phát RF Lora SX1278 Sensor Nodes thu liệu từ cảm biến Sau đó, liệu vừa thu đưa đến Module thu phát Wifi ESP8266 ( module tương thích hồn tồn với trình biên dịch Arduino) xử lý phát tín hiệu cách try cập internet Wifi tín hiệu truy cập tới người dùng có kết nối internet để hiển thị liệu 14 Hình 3.1.2: Sơ đồ chân Sink Node 3.2 Sơ đờ thuật tốn code Getway Sơ đồ thuật toán 15 code #include #include void setup() { Serial.begin(9600); while (!Serial); Serial.println("LoRa Receiver"); if (!LoRa.begin(915E6)) { 16 Serial.println("Starting LoRa failed!"); while (1); } } void loop() { // try to parse packet int packetSize = LoRa.parsePacket(); if (packetSize) { // received a packet Serial.print("Received packet '"); // read packet while (LoRa.available()) { Serial.print((char)LoRa.read()); } // print RSSI of packet Serial.print("' with RSSI "); Serial.println(LoRa.packetRssi()); } } 17 3.3 Sơ đồ thuật toán code Node lora Sơ đồ thuật toán #include #include #include #include "SparkFunHTU21D.h" int pot = A0; 18 void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pot,INPUT); while (!Serial); Serial.println("LoRa Sender"); if (!LoRa.begin(433E6)) { // or 915E6, the MHz speed of yout module Serial.println("Starting LoRa failed!"); while (1); } } void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("HTU21D Example!"); myHumidity.begin(); } void loop() { int val = map(analogRead(pot),0,1024,0,255); LoRa.beginPacket(); 19 LoRa.print(val); LoRa.endPacket(); delay(50); } void loop() { float humd = myHumidity.readHumidity(); float temp = myHumidity.readTemperature(); 3.3 Thiết kết phần mềm chạy theo yêu cầu ứng dụng Blynk điện thoại Ở kết đo nhiệt độ, độ ẩm từ node gửi getway Sau hiển thị thông qua ứng dung Blynk điện thoại Hình: Giao diện ứng dụng điện thoại CHƯƠNG 4: THỰC NGHIÊM ̣ VÀ ĐO ĐẠT Các vị trí địa điểm cần thức nghiệm đo đạt mô trường:  Môi trường có nhiều vật cản (cây cối, nhà cao tần): Khuôn viên trường đại học Đà Lạt vị trí đặt node A25, vị trí A11 cổng trường đại học 20  Mơi trường vật cản: Hồ Xn Hương vị trí đặt node Cầu Ơng Đạo, Cổng vườn hoa, quảng trường  Mơi trường có vật cản nhiều ( xe , nhà cao tần) vị trí đặt Node : Ngã năm, khu Hịa Bình, cầu Ông Đạo Nhận xét: Kết đo đạt chưa thực nghiệm có nhiều chỗ xảy lỗi q trình làm Code getway khơng nhận thơng tin từ node 21 ... CẤU TẠO MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN (Wireless Sensor Network) 2.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ CÁC THÀNH PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN 2.1.1 CẤU TRÚC CỦA MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY Một... PHÂN CỦA NÚT CẢM BIẾN Hình 2: Các thành phần nút cảm biến Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần là: cảm biến, xử lý, thu phát không dây nguồn điện Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến cịn có... mạng cảm biến khơng dây, vào tình hình thực tế nước ta cần hệ thống giám sát thông số môi trường để phục vụ cho nhiều nghành lĩnh vực đồ án chọn nghiên cứu Mơ hình cảm biến khơng dây – WSN CHƯƠNG