Xây dựng mạng cảm biên vô tuyên

BÁO CÁO LUẬN VĂN   Lời Nói Đầu - - Sự phát triển Internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với tiến khoa học gần tạo điều kiện cho hệ cảm biến với giá thành thấp, khả triển khai qui mơ lớn với độ xác cao Công nghệ điều khiển cảm biến gồm cảm biến dãy, cảm biến trường điện từ, cảm biến tần số vô tuyến, cảm biến quang điện hồng ngoại, laser radar cảm biến định vị dẫn đường Các tiến lĩnh vực thiết kế cảm biến, vật liệu cho phép giảm kích thước, trọng lượng chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả hoạt động độ xác.Trong tương lai gần, mạng cảm biến khơng dây tích hợp hàng triệu cảm biến vào hệ thống để cải thiện chất lượng thời gian sống Công nghệ điều khiển cảm biến có tiềm lớn, khơng khoa học nghiên cứu, mà quan trọng chúng sử dụng rộng rãi ứng dụng liên quan đến bảo vệ cơng trình trọng yếu, chăm sóc sức khỏe, bảo vệ mơi trường, lượng, an tồn thực phẩm, sản xuất, nâng cao chất lượng sống kinh tế… Với mục tiêu giảm giá thành tăng hiệu công nghiệp thương mại, mạng cảm biến không dây mang đến tiện nghi ứng dụng thiết thực nâng cao chất lượng sống cho người Với kiến thức tích lũy suốt trình học tập trường đại học Tôn Đức Thắng em định thực luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xây dựng mạng cảm biến vô tuyến” SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   CHƯƠNG MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN (Wireless Sensor Network) 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến vơ tuyến (WSN) hiểu đơn giản mạng liên kết node với kết nối sóng vơ tuyến (RF connection) node mạng thường (thiết bị) đơn giản , nhỏ gọn, giá thành thấp có số lượng lớn, phân bố cách khơng có hệ thống (non-topology) diện tích rộng (phạm vi hoạt động rộng), sử dụng nguồn lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm) hoạt động mơi trường khắc nghiệt (chất độc, nhiễm, nhiệt độ ) Hình 1.1- Hệ thống mạng cảm biến vô tuyến Các node mạng thường có chức sensing (sensor node): cảm ứng, quan SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   sát môi trường xung quanh như;nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo dõi hay định vị mục tiêu cố định di động Các node giao tiếp ad-hoc với truyền liệu trung tâm (base station) cách gián tiếp kỹ thuật multi-hop Lưu lượng (traffic) liệu lưu thông WSN thấp ko liên tục (không hẳn với tracking localization aplication) Do để tiết kiệm lượng, sensor node thường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) trạng thái nghỉ (sleep mode) khác Thông thường thời gian node trạng thái nghỉ lớn trạng thái hoạt động nhiều Như vậy, đặc trưng để phân biệt mạng cảm biến mạng wireless khác giá thành, mật độ node mạng, phạm vi hoạt động, cấu hình mạng (topology), lưu lượng liệu, lượng tiêu thụ thời gian trạng thái hoạt động (active mode) 1.2 Đặc trưng cấu hình mạng cảm biến Một node mạng WSN thông thường bao gồm phần: phần cảm biến (sensor) điều khiển phần giao tiếp vô tuyến (RF transceiver) Do số lượng node WSN lớn không cần hoạt động bảo trì, nên u cầu thơng thường node mạng giá thành thấp (10 - 50 usd) kích thước nhỏ gọn ( diện tích bề mặt vài đến vài chục cm2) Do giới hạn nguồn lượng cung cấp (pin ), giá thành yêu cầu hoạt động thời gian dài, nên vấn đề tiêu thụ lượng tiêu chí thiết kế quan trọng mạng cảm biến: - Lớp vật lý (physical layer) tương đối đơn giản, gọn nhẹ ràng buộc kích thước khả tính tốn node Kỹ thuật điều chế tín hiệu số : O-QPSK, FSK cải thiện hiệu suất khuếch đại cơng suất Các kỹ thuật mã hóa sửa sai phức tạp Turbo Codes, LDPC không sử dụng, kỹ thuật trãi phổ sử dụng để cải thiện SNR thiết bị thu giảm tác động fading kênh truyền - Lớp MAC: kỹ thuật đa truy cập TDMA CSMA-CA hiệu chỉnh với mục đích giảm lượng tiêu thụ - Routing layer: "power aware" Routing Protocol, geography routing WSN thường triển khai phạm vi rộng, số lượng node mạng lớn phân bố cách tương đối ngẫu nhiên, node mạng di chuyển làm thay đổi sơ đồ mạng WSN đò hỏi sơ đồ mạng (topology) linh động (adhoc, mesh, star ) node mạng có khả tự điều chỉnh, tự cấu hình (autoreconfigurable) Trong số WSN thông dụng (giám sát, cảm biến, môi trường ) địa ID node vị trí địa lý giải thuật routing dựa vào vị trí địa lý gọi Geography routing protocol (GRT) Đối với mạng với số lượng lớn node, sơ đồ mạng không ổn định GRT giúp đơn giản hóa giải thuật tìm đường, giảm liệu bảng routing (routing table) lưu trữ node GRT phù hợp với WSN cố SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   định, nhiên node di động (địa ID node thay đổi) giao thức routing trở nên phức tạp không ổn định Cluster hoá : phân chia mạng diện rộng (hàng trăm, hàng ngàn node) thành clusters để ổn định topology mạng, đơn giản hóa giải thuật routing, giảm đụng độ (collission) truy cập vào kênh truyền (medium acess) nên giảm lượng tiêu thụ , đơn giản hóa việc quản lý mạng cấp phát địa cho node mạng (theo cluster) Do giới hạn khả tính tốn node mạng để tiết kiệm lượng, WSN thường sử dụng phương pháp tính tốn xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải cho node gần hết lượng) gửi liệu cần tính tốn cho base station (có khả xử lý tín hiệu mạnh ràng buộc tiêu thụ lượng) 1.3 Một số chuẩn mạng cảm biến Do phạm vi ứng dụng cua WSN rộng lớn, tính chất, đặc trưng mạng phụ thuộc vào ứng dụng triển khai cụ thể Do vậy, cơng ty, phịng thí nghiệm thường phát triển, triển khai giao thức riêng (MAC, Routing, synchronisation ) phù hợp cho ứng dụng cụ thể dựa thiết bị phần cứng (transceiver chip) thị trường Một số chuẩn WSN biết đến: ALOHA system (U of Hawaii) PRNET system (U.S Defense) WINS (U of California) PicoRadio (U of California) MicroAMPS (M.I.T) MANET (Mobile ad-hoc Network) Zigbee: dựa physical layer MAC layer chuẩn WPAN 802.15.4 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến WSN ứng dụng lĩnh vực quân Cùng với phát triển ngành công nghiệp điều khiển tự động, robotic, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày sử dụng nhiều hoạt động công nhiệp dân dụng SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   Hình 1.2-Một số ứng dụng WSN - Cảm biến mơi trường (qn sự: phát mìn, chất độc, dịch chuyển quân địch công nghiệp: hệ thống chiếu sáng, độ ẩm, phònh cháy, chống rò rỉ dân dụng: hệ thống điều hòa nhiệt độ, chiếu sáng ) - Điều khiển (quân sự: kích hoạt thiết bị, vũ khí qn cơng nghiệp: điều khiển tự động thiết bị, robot ) - Theo dõi, giám sát, định vị (quân sự: định vị, theo dõi dịch chuyển thiết bị, quân đội ) - Mơi trường (giám sát lũ lụt, bão, gió, mưa phát ô nhiễm, chất thải ) - Y tế (định vị, theo dõi bệnh nhân, hệ thống báo động khẩn cấp ) - Hệ thống giao thông thông minh: giao tiếp biển báo phương tiện giao thông, hệ thống điều tiết lưu thông công cộng, hệ thống báo hiệu tai nạn, kẹt xe hệ thống định vị phương, trợ giúp điều khiển tự động phương tiện tiện giao thơng - Gia đình (nhà thônh minh: hệ thống cảm biến, giao tiếp điều khiển thiết bị thông minh ) WSN tạo môi trường giao tiếp thiết bị thông minh, thiết bị thông minh người giao tiếp thiết bị thông minh hệ thống viễn thông khác (hệ thống thông tin di động, internet ) SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   CHƯƠNG THÀNH PHẦN CỦA MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN 2.1 AVR 2.1.1 Giới thiệu chung AVR AVR họ vi điều khiển hãng Atmel sản xuất (Atmel nhà sản xuất dịng vi điều khiển 89C51 mà bạn nghe đến) AVR chip vi điều khiển bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), kiểu cấu trúc thể ưu xử lí Tại AVR: so với chip vi điều khiển bits khác, AVR có nhiều đặc tính hẳn, tính ứng dụng (dễ sử dụng) đặc biệt chức năng:  Gần không cần mắc thêm linh kiện phụ sử dụng AVR, chí khơng cần nguồn tạo xung clock cho chip (thường khối thạch anh)  Thiết bị lập trình (mạch nạp) cho AVR đơn giản, có loại mạch nạp cần vài điện trở làm số AVR cịn hỗ trợ lập trình on – chip bootloader khơng cần mạch nạp…  Bên cạnh lập trình ASM, cấu trúc AVR thiết kế tương thích C  Nguồn tài nguyên source code, tài liệu, application note…rất lớn internet  Hầu hết chip AVR có tính (features) sau: o o o Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHz, sử dụng xung clock nội lên đến MHz (sai số 3%) Bộ nhớ chương trình Flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, đặc biệt có nhớ lưu trữ lập trình EEPROM Bộ nhớ chương trình Flash lập trình lại nhiều lần dung lượng lớn, có SRAM (Ram tĩnh) lớn, đặc biệt có nhớ lưu trữ lập trình EEPROM o Nhiều ngõ vào (I/O PORT) hướng (bi-directional) o bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   o o o o o Các chuyển đối Analog – Digital phân giải 10 bits, nhiều kênh Chức Analog comparator Giao diện nối tiếp USART (tương thích chuẩn nối tiếp RS232) Giao diện nối tiếp Two –Wire –Serial (tương thích chuẩn I2C) Master Slaver Giao diện nối tiếp Serial Peripheral Interface (SPI) Một số chip AVR thông dụng: AT90S1200; AT90S2313; AT90S2323, AT90S2343; AT90S2333, AT90S4433; AT90S4414, AT90S8515; AT90S4434, AT90S8535; AT90C8534 ATtiny10, ATtiny11, ATtiny12; ATtiny15; ATtiny22; ATtiny26; ATtiny28; ATmega8/8515/8535; ATmega16; ATmega161; ATmega162; ATmega163; ATmega169; ATmega32; ATmega323; ATmega103 2.1.2 Cơng cụ Trình biên dịch: có nhiều trình biên dịch sử dụng đế biên dịch code thành file intel hex để nạp vào chip, số trình dịch quen thuộc kể đến sau:  AvrStudio: trình biên dịch ASM thức cung cấp Atmel, trình biên dịch hồn tồn miễn phí tất nhiên tốt cho lập trình AVR ASM  WinAVR hay avr-gcc: trình dịch phát triển gnu, ngôn ngữ sử dụng C dùng tích hợp với AvrStudio (dùng Avrstudio làm trình biên tập – editor)  CodeVisionAvr: chương trình ngơn ngữ C hay cho AVR, hỗ trợ nhiều thư viện lập trình Chương trình nạp (Chip Programmer): đa số trình biên dịch (AvrStudio, CodeVisionAVR, Bascom…) tích hợp sẵn chương trình nạp chip hỗ trợ nhiều loại mạch nạp Chương trình mơ phỏng: avr simulator trình mơ debbug tích hợp sẵn Avrstudio, avr simulator cho phép quan sát trạng thái ghi bên AVR nên phù hợp để debug chương trình Proteus chương trình thứ hai tơi muốn nói đến, Proteus khơng mơ hoạt động bên chip mà cịn mơ mạch điện tử Proteus mơ trực quan, cơng cụ hữu ích bạn chưa có điều kiện làm mạch điện tử SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   2.1.3 Phần cứng chip vi điều khiển Attiny 2313 2.1.3.1 Tổ chức AVR AVR có cấu trúc Harvard, đường truyền cho nhớ liệu (data memory bus) đường truyền cho nhớ chương trình (program memory bus) tách riêng Data memory bus có bit kết nối với hầu hết thiết bị ngoại vi, với register file Trong program memory bus có độ rộng 16 bits phục vụ cho instruction registers Hình mơ tả cấu trúc nhớ AVR Bộ nhớ chương trình (Program memory): Là nhớ Flash lập trình được, chip AVR cũ (như AT90S1200 hay AT90S2313…) nhớ chương trình gồm phần Application Flash Section chip AVR có thêm phần Boot Flash setion Boot section khảo sát phần sau, nói nhớ chương trình, tự hiểu Application section Thực chất, application section bao gồm phần: phần chứa instruction (mã lệnh cho hoạt động chip) phần chứa vector ngắt (interrupt vectors) Các vector ngắt nằm phần đầu application section (từ địa 0x0000) dài đến tùy thuộc vào loại chip Phần chứa instruction nằm liền sau đó, chương trình viết cho chip phải load vào phần Vì chức nhớ chương trình chứa instruction, khơng có nhiều hội tác động lên nhớ lập trình cho chip, người lập trình AVR, nhớ “khơng quan trọng” Tất ghi quan trọng cần khảo sát nằm nhớ liệu chip Hình 2.1 - Tổ chức nhớ AVR SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   Bộ nhớ liệu (data memory): Đây phần chứa ghi quan trọng chip, việc lập trình cho chip phần lớn truy cập nhớ Bộ nhớ liệu chip AVR có độ lớn khác tùy theo chip, nhiên phần nhớ chia thành phần: Phần 1: phần nhớ liệu, mơ tả hình 1, phần bao gồm 32 ghi có tên gọi register file (RF), hay General Purpose Rgegister – GPR, đơn giản Thanh ghi Tất ghi ghi bits Tất chip họ AVR bao gồm 32 ghi Register File có địa tuyệt đối từ 0x0000 đến 0x001F Mỗi ghi chứa giá trị dương từ đến 255 giá trị có dấu từ -128 đến 127 mã ASCII ký tự đó…Các ghi đặt tên theo thứ tự R0 đến R31 Chúng chia thành phần, phần bao gồm ghi từ R0 đến R15 phần ghi R16 đến R31 Các ghi có đặc điểm sau:     Được truy cập trực tiếp instruction Các toán tử, phép toán thực ghi cần chu kỳ xung clock Register File kết nối trực tiếp với xử lí trung tâm – CPU chip Chúng nguồn chứa số hạng phép tốn đích chứa kết trả lại phép toán Thanh ghi R0 ghi sử dụng instruction LPM (Load Program Memory) Các ghi R26, R27, R28, R29, R30 R31 ngồi chức thơng thường cịn sử dụng trỏ (Pointer register) số instruction truy xuất gián tiếp Chúng ta khảo sát vấn đề trỏ sau Hình mô tả chức phụ ghi SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang BÁO CÁO LUẬN VĂN   Hình 2.2 - Register file Tóm lại 32 RF AVR xem phần CPU, chúng CPU sử dụng trực tiếp nhanh chóng, để gọi ghi này, không cần gọi địa mà cần gọi trực tiếp tên chúng RF thường sử dụng toán hạng (operand) phép toán lúc lập trình Phần 2: phần nằm sau register file, phần bao gồm 64 ghi gọi 64 ghi nhập/xuất (64 I/O register) hay gọi vùng nhớ I/O (I/O Memory) Vùng nhớ I/O cửa ngõ giao tiếp CPU thiết bị ngoại vi Tất ghi điều khiển, trạng thái…của thiết bị ngoại vi nằm Xem lại ví dụ 1, tơi có đề cập việc điều khiển PORT AVR, PORT liên quan đến ghi DDRx, PORTx PINx, tất ghi nằm vùng nhớ I/O Xa hơn, muốn truy xuất thiết bị ngoại vi khác Timer, chuyển đổi Analog/Digital, giao tiếp USART…đều thực thông qua việc điều khiển ghi vùng nhớ Vùng nhớ I/O truy cập SRAM hay ghi I/O Nếu sử dụng instruction truy xuất SRAM để truy xuất vùng nhớ địa chúng tính từ 0x0020 đến 0x005F Nhưng truy xuất SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 10   ẬN VĂN   13) Wake-Up Timer Command - Lệnh thiết lập thời gian đánh thức bit 15 14 13 12 11 10 POR 1 r4 r3 r2 r1 r0 m7 m6 m5 m4 m3 m2 m1m0 0×E196 Thời gian thức dậy xác định : Twake-up = M * 2R [ms] 14) Low Duty-Cycle Command – Lệnh thiết lập chu kỳ nhiệm vụ ngắn bit 15 14 13 12 11 10 1 0 0 POR d6 d5 d4 d3 d3 d2 d0 en 0×C80E d6 d0: Thiết lập chu kỳ nhiệm vụ D.C.= (D * +1) / M *100% en : Kích hoạt chế độ chu kỳ nhiệm vụ thấp 15)Low Battery Detector and Microcontroller Clock Divider Command bit 15 14 13 12 11 10 1 0 0 0 d2 d1 d0 POR v3 v2 v1 v0 0×C000 d2 d0: chọn tần số chân CLK d2 d1 d0 Clock frequency[MHz] 0 0 1.25 SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 57   ẬN VĂN   1.66 1 0 2.5 1 3.33 1 1 10 Tín hiệu xung CLK lấy dao động thạch anh module xung clock cung cấp cho MCU để tiết kiệm dao động khác để cung cấp xung clock cho MCU Nếu không sử dụng set bit "dc" để vơ hiệu hóa CLK Sử dụng tụ điện nội không tiết kiệm chi phí, mà cịn giúp điều chỉnh tần số tham chiếu phần mềm v4 v0: Thiết lập ngưỡng điện áp cho thiết bị phát pin yếu: Vlb=2.2+V*0.1 [V] 16) Status Read Command – Lệnh đọc ghi trạng thái bit 15 14 13 12 11 10 x x x x x x x POR x x x x x x x x - Lệnh bắt đầu với số (khác với tất lệnh nêu bắt đầu số 1) dùng để đọc ghi trạng thái RFM12 2.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 cảm biến số hỗ trợ chuyển đổi nhiệt độ mơi trường thành tín hiệu số với độ phân giải từ đến 12 bit Thông tin gửi tới / từ DS18B20 qua giao diện dây hay cịn gọi 1-Wire, có dây (và đất) dùng để kết nối từ vi xử lý đến DS18B20 Năng lượng dùng cho đọc, viết thực chuyển đổi nhiệt độ lấy từ dây liệu mà khơng cần đến nguồn riêng bên SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 58   ẬN VĂN   2.3.1 Tổng quan DS18B20 Sơ đồ khối cho thấy thành phần DS18B20 DS18B20 có bốn thành phần liệu chính: 1) 64-bit lasered ROM, 2) cảm biến nhiệt độ, 3) Hai ghi TH TL 4) Thanh ghi cấu hình Hình 2.15 – Sơ đồ khối DS18B20 Thiết bị nhận nguồn lượng từ dây liên lạc (dây data) lượng lưu trữ tụ điện nội thời gian đường tín hiệu mức cao dùng nguồn lượng để DS18B20 hoạt động thời gian dây data mức thấp nguồn lượng cung cấp trở lại cho tụ ký sinh dây data mức cao Ngoài ra, cảm biến DS18B20 cung cấp lượng từ nguồn bên với giá trị điện áp từ đến 5,5 volt Hình 2.16 – Sơ đồ kết nối DS18B20 vi xử lý Các giao tiếp với DS18B20 thông qua giao diện 1-Wire Với giao tiếp dây chức nhớ điều khiển thực trước giao thức chức ROM thực Các vi xử lý phải SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 59   ẬN VĂN   thực năm lệnh chức ROM: 1) Read ROM, 2) Match ROM, 3) Search ROM, 4) Skip ROM 5) Alarm Search Những lệnh thi hành phần ROM 64-bit thiết bị xác định thiết bị cụ thể nhiều thiết bị có mặt dây cho thiết bị chủ có loại thiết bị có mặt Sau chuỗi lệnh chức ROM thực thành cơng chức nhớ điều khiển truy cập thiết bị chủ sau cung cấp sáu lệnh chức nhớ điều khiển Trong lệnh điều khiển có lệnh dùng để thực chức đo nhiệt độ DS18B20 Kết đo lưu nhớ scratchpad DS18B20 đọc cách thực thi lệnh đọc nội dung nhớ scratchpad Tất bit liệu đọc ghi bit có trọng số thấp trước 2.3.2 Đo nhiệt độ Chức cốt lõi cảm biến DS18B20 trực tiếp chuyển đổi nhiệt độ mơi trường thành tín hiệu số Độ phân giải DS18B20 cấu hình (9, 10, 11, 12 bit) độ phân giải mặc định nhà sản xuất 12 bit Điều tương đương với độ phân giải nhiệt độ từ 0,5 ° C, 0,25 ° C, 0,125 ° C, 0,0625 ° C Sau gửi lệnh chuyển đổi nhiệt độ [44h] trình chuyển đổi nhiệt độ thực liệu lưu trữ scratchpad với độ dài 16 bit bao gồm bit để xác định dấu nhiệt Thơng tin nhiệt độ truy xuất qua giao diện 1-Wire cách gửi lệnh đọc scratchpad [BEh] đến DS18B20 trình chuyển đổi thực Dữ liệu sau đọc qua giao diện dây với LSB MSB ghi nhiệt độ bao gồm bit dấu “S” dùng biểu thị cho nhiệt độ dương âm Bảng mơ tả xác mối quan hệ liệu đầu để đo nhiệt độ Bảng giả sử độ phân giải 12-bit Nếu DS18B20 cấu hình cho độ phân giải thấp hơn, bit thấp chứa giá trị SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 60   ẬN VĂN   Bảng 2.10 – Giá trị số nhiệt độ nhị phân thập lục phân 2.3.3 Thanh ghi cấu hình cho DS18B20 Các bit 0-4 ln có giá trị Bit ln có giá trị R0, R1: bit cấu hình độ phân giải cho DS18B20 Bảng xác định độ phân giải nhiệt kế số DS18B20 dựa vào thiết lập bit R0 R1 Độ phân giải lớn thời gian cần thiết cho việc chuyển đổi lâu Mặc định bit R0 = R1 = (12-bit chuyển đổi) Bảng 2.11 – Cấu hình độ phân giải nhiệt độ DS18B20 SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 61   ẬN VĂN   2.4 Sơ đồ khối node mạng Các thành phần cấu tạo nên node mạng cảm biến bao gồm      Phần cảm biến : Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Phần xử lý : tiny 2313 Phần liên lạc vô tuyến : transceiver RFM12 Nguồn cung cấp : pin Các thành phần khác : MAX232, RS232 Hình 2.17 – Sơ đồ khối node Phần cảm biến ( DS18B20) : phần cảm biến thay đổi nhiệt độ từ môi trường Phần xử lý (Attiny 2313) : trung tâm xử lý tất vấn đề node mang Ví dụ lấy thơng tin từ cảm biến, xử lý đơn giản liệu, cấu hình cho RFM12, thiết lập mạng Phần liên lạc vô tuyến ( transceiver RFM12) : cửa ngõ để node mạng giao tiếp với node khác với trung tâm Nguồn cung cấp (chủ yếu pin) : nơi cung cấp toàn lượng cho node hoạt động Các thành phần khác (chỉ có node chủ ) phần giao tiếp với máy tính để quan sát liệu thu thập từ node mạng gửi cách trực quan dễ dàng việc xử lý liệu SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 62   ẬN VĂN   2.5 Các phương pháp thu thập liệu Trong phần trình bày cách để node chủ thu thập liệu từ node con: 2.5.1 Phương pháp hình Hình 2.18 – Phương pháp thu thập liệu theo hình Đây xem phương pháp đơn giản để lấy liệu từ node Phương pháp sử dụng phương pháp đa truy cập cách phân chia thời gian (tương tự TDMA) cho node Ứng với khe thời gian xác định liệu node gửi node chủ Dữ liệu nhận node chủ gửi trực tiếp lên máy tính cho người sử dụng 2.5.2 Phương pháp chuỗi Hình 2.19 – Phương pháp thu thập liệu theo hình chuỗi Phương pháp thực việc thu thập thông tin thông qua chuỗi cảm biến đặt nối tiếp Phương pháp thực hiểu phạm vi thu thập liệu kéo dài không yêu cầu độ rộng dọc theo trục đường chẳng hạn Với phương pháp mạng cảm biến lợi dụng khoảng cách giao tiếp hai node liền kề để tạo cầu nối thông tin xuyên suốt mạng cảm biến SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 63   ẬN VĂN   2.5.3 Phương pháp vịng Hình 2.20 – Phương pháp thu thập liệu theo hình vịng Đối với phương pháp vịng liệu cộng dồn lại với trước truyền trung tâm Tuy nhiên, phương pháp khác với phương pháp chuỗi chỗ gói điều khiển không cẩn phải truyền xuyên suốt mạng mà cần gửi đến node gần Từ liệu node truyển với ID Qúa trình tiếp tục toàn liệu truyền trung tâm Cấu trúc gói liệu hồn tồn giống phương pháp chuỗi Phương pháp lợi dụng gói liệu làm gói điều khiển tiết kiệm lượng so với phương pháp chuỗi SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 64   ẬN VĂN   CHƯƠNG CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN 3.1 Xây dựng mạng cảm biến vô tuyến Do node mạng gồm nhiều thành phần kết hợp lại với để kiểm sốt q trình hoạt động tồn node ta cần phải kiểm sốt phần cấu tạo nên trước tiên Hình vẽ thể thành phần bước tiến tiến hành để kiểm sốt q trình hoạt động node mạng Hình 3.1 – Các bước xây dựng mạng cảm biến vô tuyến (1) : yêu cầu bước thực giao tiếp máy tính với vi điều khiển Đây bước quan trọng việc kiểm sốt tồn node có gửi tất làm phản ứng lên máy tính ta biết liệu có làm làm u cầu hay khơng Để làm điều ta phải sử dụng cổng RS232 thơng qua chip đệm điện áp MAX232 Với đoạn code đơn giản ta send ký tự mã Hex tới vi điều khiển tiny2313 gửi trả ký tự máy tính Dưới kết thu từ thực nghiệm SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 65   ẬN VĂN   Hình 3.2 – Giao tiếp vi xử lý máy tính (2) : bước vi điều khiển tiny2313 phải điều khiển kiểm soát transceiver RFM12 Chúng ta lợi dụng bước để đánh giá giao diện SPI transceiver tiny2313 cách gửi lệnh điều khiển tần số dao động thạch anh từ tiny2313 đến RFM12, sau ta sử dụng Oscilloscope để đánh giá thay đổi tần số xung clock chân CLK (chân số RFM12) ứng với lệnh khác hay không Để thay đổi xung clock RFM12 ta sử dụng lệnh thứ 15 : Low battery detector and Microcontroller clock divider command Với lệnh : writeCmd(0xC000) tần số xung clock 1Mhz Còn với lệnh writeCmd(0xC030) 2Mhz Các kết thu từ Oscillosope yêu cầu điều có nghĩa kết nối SPI RFM12 “hiểu” lệnh tiny2313 yêu cầu Do phần giao tiếp tiny2313 RFM12 đạt SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 66   ẬN VĂN   Sau phần giao tiếp tiny 2313 RFM12 hoàn thành bước (2) kết hợp với bước (1) ta điều khiển RFM12 máy tính Từ ta xây dựng mạng mà node giao tiếp với vô tuyến mà chưa xét đến phần cảm biến (bước (3)) Vì xây dựng mạng thành cơng ta đạt bước tiến lớn tồn phần nghiên cứu Hình dây kết thu từ mạng vô tuyến hình chuỗi với liệu giá trị định node Hình 3.3 – Giá trị thu mạng chuỗi (3) : bước cảm biến làm nhiệm vụ thu thập liệu Data gồm byte byte địa ID node mạng ( 05) byte liệu (1C 06 ) cảm biến thu SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 67   ẬN VĂN   Hình 3.4 – Giá trị thực thu từ node cảm biến Bước kết hợp bước (1), (2) (3) để tạo mạng cảm biến vơ tuyến Hình kết thu thập liệu node mạng với phương pháp truy cập ngẫu nhiên Hình 3.5 – Giá trị nhiệt độ thu từ node 3.2 Giao diện cho mạng cảm biến vô tuyến Giao diện cho mạng cảm biến vô tuyến viết chương trình VB.Net hay cịn gọi Visual Basic 2008 Với giao diện đơn giản thể rõ ràng liệu node mạng thu thập hệ nhiệt độ độ C độ F, người giám sát dễ dàng theo dõi thay đổi nhiệt độ môi trường nơi đặt node cảm biến SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 68   ẬN VĂN   Hình 3.6 – Giao diện mạng cảm biến vô tuyến theo độ C độ F SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 69   ẬN VĂN   CHƯƠNG TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 4.1 Tổng kết đề tài Đề tài hoàn thành mục tiêu mạng cảm biến vô tuyến việc thiết lập mạng vô tuyến gồm node mạng giao tiếp với vơ tuyến qua truyền dẫn liệu thu thập từ cảm biến trung tâm 4.2 Hướng phát triển đề tài Mạng cảm biến vô tuyến hoạt động tốt nhiên đề tài dừng lại quy mơ mơ hình Đề tài số hạn chế cần đào sâu nghiên cứu thêm chẳng hạn phần định tuyến gói liệu phần tiết kiệm lượng node mạng để đề tài áp dụng vào thực tế SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 70   ẬN VĂN   Tài liệu tham khảo [1] Wireless sensor network designs – Anna Hack [2] Protocols and Architectures for wireless sensor networks – Holger Karl & Andreas Willig [3] Truyền số liệu mạng thông tin số - Trần Văn Sư [4] Các kỹ thuật phân nhóm mạng cảm biến vô tuyến – Lê Nhật Thăng & Nguyễn Quý Sỹ Một số trang web : [5] www.hocavr.com [6] www.hoperf.com/pdf/RFM12.pdf [7] www.svn.everythingrobotics.com [8] www.zenburn.net SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 71 ... Configuration Frequency band, crystal el, ef, b1 to b0, x3 Setting Command oscillator load capacitance, to x0 baseband filter bandwidth, etc Power Management Command Receiver/Transmitter mode er,... board Điều cho phép điều chỉnh tần số thạch anh Mặc định 12.5pf nên sử dụng x3 x2 x1 x0 Load Capacitance (pF) 0 0 8.5 0 8.0 0 9.5 0 1 10.0 … 1 15.6 1 1 16.0 SVTH: Phạm Tấn Thọ   Trang 47   ẬN