tiêu chuẩn về mạng cảm biến không dây, ứng dụng vi điều khiển pic để triển khai hệ thống đo đạc nhiệt độ, áp dụng tiêu chuẩn truyền tin ieee 802.15.4

Để tiện cho công việc từng các nhân chúng em đã phân công công việc như sau Nguyễn Huy Hoàng: lập trình giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển Trần Thị Hiền: lập trình thu ph

Mục lục

Mục lục 1

Lời cảm ơn 3

Phân công công việc 4

Danh mục các sơ đồ,hình vẽ 5

Hình 1-2 Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee 5

Danh mục bảng biểu 6

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 9

1 Khái niệm về mạng WPAN (wireless personal are netword) 9

2 Tính năng mạng WPAN 9

3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN 9

4 Khái quát về Zigbee/IEEE 802.15.4 9

4.1 Khái niệm 9

4.2 Đặc điểm 10

4.3 Ưu điểm của Zigbee/IEEE 802.15.4 với Bluetooth/802.15.1 10

5 Mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 LR-WPAN 11

Hình 1-2 Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee 12

6 Kiến trúc liên kết mạng 12

6 Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE 802.15.4 13

Chương II: MODULE làm việc của ZIGBEE 17

1.Các tính năng chính và thông số kĩ thuật của modul MRF24J40MA 18

Chương III: Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ DS18B20 22

1 DS18B20 22

2 Vi điều khiển PIC16F877A 23

Chương IV: Thiết kế mạch 27

Chương V: Tổng kết 29

1 Kiểm thử và đánh giá sản phẩm 29

2 Kết luận 29

2.1 Những mặt đạt được 29

2.2 Những thiếu sót 29

Lời cảm ơn

Đồ án này thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Trong quá trình làm đồ án chúng em chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình chúng em.Nếu chúng em có thiếu sót gì mong thầy bỏ qua

Phân công công việc

Trong quá trình làm chúng em thường xuyên họp nhóm để đưa ra ý kiến xây dựng Để tiện cho công việc từng các nhân chúng em đã phân công công việc như sau

Nguyễn Huy Hoàng: lập trình giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển

Trần Thị Hiền: lập trình thu phát Zigbee, viết báo cáo

Đinh Văn Hiếu:Thiết kế mạch, hàn mạch, giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển

Phạm Tuấn Hải: Thiết kế nguồn cho mạch

Lê Đức Hiếu:Thiết kế mạch, hàn mạch

Danh mục các sơ đồ,hình vẽ

Hình 1-1 Các loại thiết bị Zigbee

Hình 1-2 Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee

Hình 1-3 Các kiểu mạng của Zigbee

Hình 1-4 Mô hình giao thức

Hình 1-5 Băng tần hệ thống của Zigbee

Hình 2-1 Sơ đồ kết nối với PIC

Hình 4-1.Đo nhiệt độ từ cảm biến và truyền số liệu

Hình 4-2.Nhận số liệu và hiển thị lên máy tính

Hình 4-3 Sơ đồ hệ thống

LỜI NÓI ĐẦU

Trong vài thập niên trở lại đây mạng truyền thông không dây đã có nhữngbước phát triển nhanh chóng tuy nhiên hầu hết đều tập trung ở các mạng truyềnthông tốc độ cao, vùng phủ sóng rộng ví dụ như chuẩn WLAN IEEE802.11 Tiêuchuẩn đầu tiên tập trung vào mạng WLAN tốc độ thấp là Bluetooth Tuy nhiên vẫncòn hạn chế về giới hạn dung lượng để triển khai mạng nhiều nút Trong thực tế, córất nhiều ứng dụng điều khiển và giám sát đòi hỏi công suất tiêu thụ nhỏ hay nóicách khác là tuổi thọ của pin cao, tốc độ dữ liệu thấp và đỡ phức tạp hơn so với cácchuẩn ra đời trước đó Chuẩn IEE802.15.4 ra đời đã đáp ứng được yêu cầu cho cácnhóm ứng dụng như vậy

Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu cơ sở lý thuyết cũng như các tiêu chuẩn về mạng cảm biến không dây, ứng dụng vi điều khiển PIC để triển khai hệ thống đo đạc nhiệt độ, áp dụng tiêu chuẩn truyền tin IEEE 802.15.4 Báo cáo chia thành bốn phần :

+Phần I: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây

+Phần II: MODULE làm việc của ZIGBEE

+Phần III: Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ DS18B20

+Phần IV: Thiết kế mạch

+Phần V: Tổng kết

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Bản đồ án tập trung vào nghiên cứu các chuẩn truyền tin không dây đặc biệt

là chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 sử dụng cho mạng cảm biến (WSN), nghiên cứuứng dụng vi điều khiển Zigbee và công cụ phát triển tích hợp MicroC for PIC qua

đó thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ môi trường tự động, ứng dụng chuẩn truyềntin Zigbee IEEE 802.15.4 để truyền số liệu

1.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1 Khái niệm về mạng WPAN (wireless personal are netword)

Mạng cá nhân được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong nhữngkhoảng cách tương đối ngắn.Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòihỏi nhiều cơ sở hạ tầng.Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻtiền,nhỏ gọn mà vẫn mang lại hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băngtần eo hẹp

3 Phân loại các chuẩn mạng WPAN

WPAN tốc độ cao(chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp các ứng dụng đa phươngtiện chất lượng cao

WPAN tốc độ trung bình(chuẩn IEEE 802.15.1 / bluetooth) ứng dụng cácmạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA

WPAN tốc độ thấp(chuẩn IEEE 802.15.4 /LR-WPAN) công nghệZigbee/IEEE 802.15.4 là 1 ví dụ điển hình

4 Khái quát về Zigbee/IEEE 802.15.4

4.1 Khái niệm

Cái tên Zigbee xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tinquan trọng với các thành viên khác trong tổ ong.Đó là kiểu liên lạc“Zig-Zag”củaloài ong “honeyBee” và nguyên lý Zigbee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái

đầu với nhau.Công nghệ này ra đời nhằm giải quyết cho các thiết bị tách rời có thểlàm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó.

4.2 Đặc điểm

Đặc điểm của công nghệ Zigbee là tốc độ truyền tin thấp,tiêu hao ít nănglượng,chi phí thấp,giao thức mạng không dây hướng đến các điều khiển từ xa và tựđộng hóa

Công nghệ Zigbee có thể truyền tin trong khoảng từ 10m-75m tùy thuộc vàomôi trường vs công suất phát được yêu cầu mỗi ứng dụng.Tốc độ dữ liệu là250kbps ở dải tần 2.4GHz(toàn cầu) 40kbps ở dải tần 915MHz(Mỹ+Nhật) 20kbps

ở dải tần 868MHz(Châu âu)

IEEE 802.15.4 nghiên cứu tập trung vào 2 tầng thấp của giao thức(tầng vật lý

và tầng liên kết dữ liệu)

4.3 Ưu điểm của Zigbee/IEEE 802.15.4 với Bluetooth/802.15.1

Zigbee tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn.Zigbee có tốc độ truyền

dữ liệu thấp hơn,tiết kiệm năng lượng hơn

Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth là 10m.Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu.tốc độ truyền của Zigbee là250kbps tại 2.4GHz 40kbps tại 915MHz 20kbps tại 868MHz còn Bluetooth là1Mbps

Zigbee sử dụng mạng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnhtrong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ.loại mạng này chophép tối đa 254 nút mạng.Bluetooth chỉ cho phép tối đa 8 nút slave trong một mạngchủ tớ cơ bản

Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng hơn.nó có thể gửi vànhận các gói tin trong 15msec trong khi Bluetooth là 3sec

+RFD(reduce-function device) được dùng cho các ứng dụng đơn giản,khôngyêu cầu gửi dữ liệu lớn.

Một FFD có thể làm việc với nhiều RDF hay nhiều FFD.trong khi 1RFD chỉ

có thể làm việc với 1 FFD

Có 3 loại thiết bị Zigbee:

Hình 1-1 Các loại thiết bị Zigbee

a) Zigbee Coordinator(ZC) thiết bị này duy trì và hình thành kiến trúc tổngthể,đồng thời điều khiển và giám sát mạng,lưu trữ các thông tin về mạng.làthiết bị FFD

b) Zigbee Router(ZR) là một thiết bị thông minh có khả năng mở rộng tầm baophủ bằng cách định tuyến và cung cấp tuyến dự phòng,hoặc hồi phục nhữngtuyến bị tắc nghẽn.hoạt động như 1 Router trung gian.là thiết bị FFD.

c) Zigbee End Device(ZED) các nút cảm biến có thông tin từ môi trường.nó cóthể nhận tin nhưng không thể chuyển tiếp tin.kết nối đước với ZC,ZR nhưngkhông thể kết nối với nhau.có thể là FFD hoặc RFD

Hình 1-2 Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee

Hình 1-3 Các kiểu mạng của Zigbee

6 Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE 802.15.4

Công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4 xây dựng và phát triển các tần ứng dụng vàtầng mạng trên nền tảng của 2 tâng là PHY va MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4,chính vì thế nó thừa hưởng ưu điểm của chuẩn IEEE 802.15.4.Đó là tính tincậy,tiêu hao ít năng lượng,đơn giản và khả năng thích ứng cao với môi trườngmạng.dựa vào mô hình như hình vẽ sau mà các nhà sản xuất khác nhau có thể chếtao sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích với nhau

Chuẩn IEEE 82.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau sau:

Bảng 1-1 Băng tần và tốc độ dữ liệu

Có 27 kênh truyền trên khác sải tần số khác nhau:

Bảng 1-2 Kênh truyền và tần số

Hình 1-5 Băng tần hệ thống của Zigbee

b) Tầng điều khiển dữ liệu MAC

Tầng điều khiển môi trường truy nhập MAC(media access cotrol) cung cấp 2 dịch

vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lí MAC

+Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lí việc thu phát của khốiMPDU(giao thức dữ liệu MAC)thông qua dịch vụ dữ liệu PHY

+Nhiệm vụ của tâng MAC là quản lí việc phát thông tin báo hiệu beacon,địnhdạng khung tin để truyền đi trong mạng,điều khiển truy nhập kênh,quản lí khe thờigian GTS,điều khiển kết nối và giải phóng kết nối,phát khung Ack

Chương II: MODULE làm việc của ZIGBEE

ZIGBEE có nhiều loại modul làm việc điển hình như

o TI C2480

o Xbee

o Microchip MRF 24J40

Xét về mặt thông dụng và có nhiều tài liệu tham khao thì chúng em chọn modul thu

và phát MRF 24J40 với một số đặc điểm sau:

1 Chuẩn IEEE 802.15.4 tương thích thu và phát sóng vô tuyến

2 Hỗ trợ Zigbee,Miwi,Miwi P2P,và các giao thức mạng không dây

Hình 2-1 Sơ đồ kết nối với PIC

Modul MRF24J40MA có một ăng-ten PCB tích hợp, phù hợp với mạch, và hỗ trợZIGBEE Module MRF24J40 kết nối đến các vi điều khiển PIC thông qua mộtgiao diện SPI 4 dây và là một giải pháp lý tưởng cho các mạng cảm biến khôngdây, tự động hóa, xây dựng các ứng dụng tự động hóa

1.Các tính năng chính và thông số kĩ thuật của modul MRF24J40MA

+IEEE Std 802.15.4™ Compliant RF Transceive

+Hỗ trợ ZigBee®, MiWi™, MiWi™ P2P và Proprietary Wireless NetworkingProtocols

+Kích thước nhỏ gọn: 0.7” x 1.1” (17.8 mm x 27.9 mm), Surface Mountable +Tích hợp thạnh anh, ổn áp trong

+Dễ tích hợp vào phát triển sản phẩm

+Chứng nhận Radio Regulation Certification cho United States (FCC),

Canada (IC) and Europe (ETSI)

+Thích hợp với Microchip Microcontroller Families (PIC16F, PIC18F, PIC24F/H, dsPIC33 và PIC32)

+Phạm vi truyền sóng khoảng 75m-100m

Điều kiện hoạt động:

• Điện áp cung cấp: 2.4-3.6V (chuẩn là 3.3V)

• Dải nhiệt độ: -40°C to +85°C công nghiệp

• Đơn giản với giao tiếp SPI 4 dây

• Độ nhậy thông thường -94 dBm với mức đầu vào lớn nhất +5 dBm

• Công suất ra +0 dBm với dải điều khiển công xuất TX 36 dB

• Tích hợp Low Phase Noise VCO, Đồng bộ tần số và bộ lọc lặp PLL LoopFilter

• Digital VCO và Filter Calibration

• Tích hợp RSSI ADC and I/Q DACs

• Tích hợp LDO

• High Receiver and RSSI Dynamic Range

Các tính năng MAC/Baseband:

• Hardware CSMA-CA Mechanism, tự động đáp ứng ACK và kiểm tra FCS

• Independent Beacon, Transmit and GTS FIFO

• Hỗ trợ tất cả các chế độ CCA và RSS/LQI

• Có khả năng gửi lại gói tin tự động

• Bảo mật phần cứng (AES-128) với các chế độ CTR, CCM và CBC-MAC

• Hỗ trợ Mã hoá và giải mã cho MAC Sublayer và Upper Layer

1.1 Cấu tạo modul

Sơ đồ chân:

Hình 2-2 Sơ đồ chân

Hình 2-3 Sơ đồ cấu tạo

Bảng 2-1 Bảng chức năng các chân

Bảng 2-2 Điều kiện hoạt động

Chương III: Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ

DS18B20

1 DS18B20

DS18b20 là một sản phẩm của công ty MAXIM.hình dạng bên ngoài của cảm biếnDS18B20 được mô tả trên hình trong đó dạng vỏ TO-90 với 3 chân là dạng thườnggặp và được dùng trong nhiều ứng dụng.Còn dạng vỏ SOIC 8 chân dung để đonhiệt độ bề mặt

Hình 3-1 Cảm biến DS18B20

 DS18B20 là một nhiệt kế số có độ phân giải khi nhiệt độ từ 9-12 bit.Dải đonhiệt độ từ -55°C đến 125°C,từng bậc 0.5°C và có thể đạt chính xác đến0.1°C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm

 Sử dụng giao diện 1_Write nên chỉ cần 1 chân ra để truyền thông

 Rất thích hợp với các ứng dụng đo lường đa điểm vì nhiều đầu đo có thểđược nối trên 1 bus.bus này được gọi là bus 1 dây(1_Write)

 Không cần thêm linh kiện bên ngoài

 Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng,tư 3V đến 5.5VDC và

có thể được cấp thong qua đường dẫn dữ liệu

 Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ

 Thời gian lấy mẫu và biến đổi ra 12 bit không quá 75ms

 Mỗi cảm biến có 1 mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROMtrên chip(on chip),giá trị nhị phân được khắc bằng tia laser

2 Vi điều khiển PIC16F877A

a) Để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và modul thu phát ZIGBEE ta sửdụng giao thức truyền nhận SPI

SPI Mode trong PIC cho phép 8 bit dữ liệu được truyền nhận đồng bộ 1 cáchsimultaneously Hỗ trợ hoạt động ở cả 4 Mode Để tiến hành hoạt động giao tiếp,

về cơ bản, 3 chân sau đây được sử dụng:

+Serial Data Out – RC5/SDO

+Serial Data In – RC4/SDI/SDA

Hình 3-2 Sơ đồ nguyên lý của khối SPI tích hợp trong Vi Điều Khiển PIC

b) Giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính sử dụng cổng usb

sử dụng bộ chuyển đổi FT232 để kết nối giữa mạch và phần mềm

FTDI (Future Technology Devices International) là tên của công ty thiết bị bán dẫn Scotlen Đây là công ty chuyên biệt hóa về công nghệ USB (Universal Serial Bus) Công ty này phát triển, sản xuất và hỗ trợ các thiết bị và các phần mềmdriver có liên quan trong việc chuyển đổi RS-232 hoặc TTL serial transmission sang tín hiệu USB để hỗ trợ cho các thiết bị kế thừa với các máy tính hiện đại Trong bài này chúng em sử dụng con chip FT232 làm nhiệm vụ chuyển đổi sang tín hiệu USB

Hình 3-3 Giao diện khi kết nối với máy tính

Do FT232 chỉ là phần chuyển tiếp từ kết nối serial sang kết nối USB nên thực

tế khi lập trình ta cũng lập trình như lập trình giao diện cho kết nối RS-232 Nghĩa

là cũng có các thông số như: Port , Stop bit, Data Bit, Baud Rate, Parity

Baud Rate: Ví dụ bạn truyền 1bit trong 1ms , ta thấy rằng để việc truyền và

nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải thống nhất vớinhau về khoảng thời gian giành cho 1 bit truyền Hay nói cách khác tốc độ này phảiđược cài đặt từ trước , tốc độ này gọi là tốc độ Baud

Data Bit:là thông tin chính chúng ta cần gửi và nhận Dât không nhất thiết

phải là 8 bit Ở đây, bít có ảnh hưởng nhỏ nhất(LSB-Least Significant Bit) sẽtruyền trước và cuối cùng là bít có ảnh hưởng lớn nhất (MSB-Most Significant Bit)

Parity Bit: dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không Có hai loại

parity : chẵn (even parity) và lẻ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngược lại tổng lượng số 1 trongparity lẻ luôn là số lẻ

Stop Bit: là một hoặc các báo cáo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã

được gửi xong Sau khi nhận được stop bit , thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm trakhung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bít bắt buộcxuất hiện trong khung truyền , có thể là 1 hoặc 2 bit

Chương IV: Thiết kế mạch

Hình 4-1.Đo nhiệt độ từ cảm biến và truyền số liệu

Hình 4-2.Nhận số liệu và hiển thị lên máy tính

Hình 4-3 Sơ đồ hệ thống

Nguyên lý hoạt động của hệ thống:

Các tham số môi trường, trong trường hợp này là nhiệt độ và độ ẩm sẽ được

đo về từ cảm biến DS18B20 Kết quả đo sau đó được đọc về vi điều khiển để tínhtoán, xử lý và hiển thị tại chỗ theo các đại lượng đo mong muốn Dữ liệu sau đóđược gửi qua các cổng truyền tin như RS-232 và Zigbee Modul thu thập số liệu sẽnhận các dữ liệu từ Modul đo và truyền số liệu sau đó đưa vào máy tính qua cổnggiao tiếp RS 232 để hiển thị, lưu trữ và xử lý kết quả đo

Đo đạc được nhiệt độ

Tìm hiểu về thu phát dữ liệu sử dụng modul mrf24j40ma

Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển sử dụng giao thức spi

Mạch nhỏ gọn có thể rút modul thu phát nếu không sử dụng

2.2 Những thiếu sót

Do tài liệu về giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển sử dụng usb hạn chếnên chúng em chưa thực hiện được Vì đã sử dụng ft232 hàn vào mạch nên chúng

em không thay bằng giao tiếp sử dụng cổng Com bằng RS232 được

Modul mrf24j40ma mua rất khó Chỉ có một địa chỉ duy nhất ở techpal màchúng em đặt hàng nhưng không có Cuối cùng chúng em mới hỏi được trên mạng

có bạn có nên mới mua được nhưng do lúc đó sắp thi nên chúng em chưa thể testthành công Code chúng em viết rồi nhưng vì thời gian ngắn nên chưa thể chỉnh để

có thể chạy trên mạch thật được Mong thầy thông cảm