Xây dựng hệ thống giám sát môi trường vườn hoa ở tây tựu trên cơ sở mạng cảm biến vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỊA BÌNH PHẠM ĐỨC THÀNH TÊN ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG VƯỜN HOA Ở TÂY TỰU TRÊN CƠ SỞ MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: 60480201 Cán hướng dẫn khoa học: TS Hà Mạnh Đào HÀ NỘI- 2017 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG XÉT DUYỆT Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201… i MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn Tên đề tài Bố cục luận văn CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN MIWI………… …………5 1.1 Mạng cảm biến vô tuyến………………………………… ………… 1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến vô tuyến……………………… ……… 1.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến vô tuyến………………… …………6 1.1.3 Ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến…………………… …… Mạng cảm biến vô tuyến MiWi………………………… …… 10 1.2.1 Đặc điểm mạng MiWi……………………………… ……… 10 1.2.2 Giao thức MiWi……………………………………… …………….11 1.2.2.1 Mạng MiWi P2P……………………………… ……………… 12 1.2.2.2 Mạng MiWi……………………………………… …………… 18 1.2.2.3 Mạng MiWi Pro……………………………………… ………… 25 1.2.3 Các giao diện MiWi……………………………… …………….29 1.2.3.1 Giao diện ứng dụng MiApp………………………… ………….29 1.2.3.2 Giao diện MiMAC……………………………………… ……… 30 1.3 Kết luận………………………………………………… …………… 31 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG VƯỜN HOA VỚI MIWI……………………………………………… ………… 32 2.1 Đặc điểm vườn hoa thông minh………………………… ………32 2.2 Thiết kế mạng MiWi giám sát nhiệt độ, độ ẩm vườn hoa ……… ……32 ii 2.2.1 Cấu trúc hệ thống giám sát môi trường trồng hoa với mạng MiWi………………………………………………………… ……………32 2.2.2 Thiết kế phần cứng hệ thống giám sát vườn hoa dùng MiWi… ….34 2.2.2.1 Nút mạng MiWi giám sát môi trường……………………… … 35 2.2.2.2 Adapter Zena……………………………………………… …… 40 2.2.2.3 Máy tính trung tâm………………………………………… …….41 2.2.3 Thiết kế phần mềm………………………………………… ……….41 2.2.3.1 Phần mềm nhúng ………………………………………… ………42 2.2.3.2 Phần mềm thu thập liệu giám sát………………… ………49 2.3 Kết luận………………………………………………………… …….54 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG MẠNG MIWI TRÊN CÁNH ĐỒNG TRỒNG HOA PHƯỜNG TÂY TỰU…………… … 56 3.1 Cài đặt hệ thống thử nghiệm…………………………………… …….56 3.2 Bố trí kịch thử nghiệm ……………………………………… ….56 3.3 Thử nghiệm giám sát thống số nhiệt độ, độ ẩm khu vườn hoa phường Tây Tựu ……………………………… ……… ………… 59 3.3.1 Đặc điểm vườn hoa phường Tây Tựu…………………… …….60 3.3.2 Triển khai mạng cảm biến vô tuyến MiWi hỗ trợ trồng hoa làng Tây Tựu……… ……………………………………… ……….61 3.4 Kết luận………………………………………………………… …… 61 KẾT LUẬN………………………………………………………… ……….63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………… …………65 PHỤ LỤC…………………………………………………… ………………66 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 So sánh giao thức MiWi với ZigBee………… ……………… 11 Hình 1.2 Giao thức MiWi………………………………… …………… 12 Hình 1.3 Topo mạng…………………………………………… ………….13 Hình 1.4 Khn dạng gói tin giao thức MiWi P2P…………… ………… 14 Hình 1.5 Các bít trường điều khiển Frame gói tin MiWi P2P…… … 14 Hình 1.6 Các kiểu bắt tay truyền thơng…………………………… ………16 Hình 1.7 Cấu hình mạng MiWi ………………………………… ……… 20 Hình 1.8 Khn dạng gói tin MiWi……………………………… ……… 21 Hình 1.9 Ví dụ gán địa ngắn MiWi…………………… …………22 Hình 1.10 Khn dạng phần đầu gói tin giao thức MiWi………… ……….22 Hình 1.11: Thuật tốn định tuyến gói tin…………………………… …… 23 Hình 1.12 Mơi trường phát triển MiWi PRO……………………… ………26 Hình 1.13 Topo mạng MiWi……………………………………… ……….27 Hình 1.14 Thủ tục kết nối mạng MiWi PRO……………………… ………29 Hình 1.15 Khn dạng gói tin MiMAC…………………………… ………30 Hình 2.1 Cấu trúc mạng MiWi giám sát nhiệt độ độ ẩm vườn hoa … … 33 Hình 2.2 Các thành phần mạng MiWi giám sát vườn hoa……… …….34 Hình 2.3 Cấu trúc nút mạng MiWi…………………………………… ……34 Hình 2.4: Các thành phần nút mạng đo nhiệt độ, độ ẩm…… … 35 Hình 2.5 Giao diện ghép nối SHT10 với Vi điều khiển……………… ……36 Hình 2.6 Khối MRF 24J40 MA…………………………………… ……….37 Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện tử MRF24J40 MA…………………… ……38 Hình 2.8 Khối xử lý trung tâm………………………………… ………… 39 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử của khối xử lý trung tâm………… …… 40 Hình 2.10 Nút cảm biến vơ tuyến MiWi…………………………… ………40 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử thiết bị Adapter Zena…… ….41 iv Hình 2.12 Mơi trường MPLAB ver 8.8…………………………… ……….42 Hình 2.13: Lưu đồ thuật tốn nút SINK…………………………… ………43 Hình 2.14: Lưu đồ thuật tốn nút CH……………………………… ……….44 Hình 2.15: Lưu đồ thuật tốn nút END……………………………… …… 45 Hình 2.16 Lưu đồ thuật tốn chương trình thu thập liệu giám sát môi trường vườn hoa………………………………… ………….50 Hình 2.17: Mơi trường VS 2010 –C#.NET ……………………… ……… 51 Hình 3.1: Chương trình nạp PIC Pickit 2………………………… ……… 56 Hình 3.2 Hệ thống thử nghiệm mạng MiWi đo giám sát vườn hoa… ….57 Hình 3.3 Giao diện người sử dụng test truyền thơng MiWi…………… … 58 Hình 3.4 Kết thử nghiệm thu nhiệt độ, độ ẩm từ nút mạng MiWi… 58 Hình 3.5 Vị trí, địa giới phường Tây Tựu, Bắc Từ Liêm, Hà Nội……… ….60 Hình 3.6 Một số hình ảnh trồng hoa làng Tây Tựu…………………… ……61 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các lệnh mạng MiWi P2P……………………………………17 Bảng 1.2: Danh sách thông báo MiWi…………………… ……… 25 Bảng 1.3: Bảng định tuyến với topo cấu trúc hình cây…………… …… 28 Bảng 2.1: Một số hàm phần mềm nhúng………………… …… 45 Bảng 2.2: Một số hàm chương trình giám sát vườn hoa……………… …….51 v DANH MỤC VIẾT TẮT WSN Wireless Sensor Network BS Base Station MiWi P2P MiWi Peer- to- Peer FFD Full Function Device FCS Frame Check Sequence RFD Reduced Function Device PANID PAN Identifier EUI Extended Organizationally Unique Identifier MiWi PRO MiWi Protocol MiApp Application Programming Co Coordinator MiMac Microchip Wireless Media Access Controller PHY PHYSICAL PAN Co PAN Coordinator SPI Serial Peripheral Interface WPAN Wireless Personal Area Network RF Radio Frequence IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers VS10 Visual Studio 2010 WDS Wireless Development Studio vi MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Sản xuất nơng nghiệp cơng nghệ cao khơng cịn xa lạ giới nước Khái niệm giới xuất tữ năm kỷ 20 đến trở thành phổ biến Ở Việt Nam, nông nghiệp công nghệ cao nằm gần quan tâm phát triển mạnh Vậy nông nghiệp công nghệ cao gì? Nơng nghiệp cơng nghệ cao chủ yếu dựa nghành khoa học (KH):KH sống (life science), KH điện tử, KH vật liệu tin học Công nghệ cao bao hàm lĩnh vực: KH máy tính; công nghệ thông tin; công nghệ sinh học; kỹ thuật lượng mới; KH không gian; KH khai thác đại dương; công nghệ siêu nhỏ (nanotechnology); sợi quang học; kỹ thuật laser; KH vật liệu Một công nghệ góp phần thúc đẩy cơng nghệ cao phát triển mạnh mẽ cơng nghệ mạng cảm biến vơ tuyến.Sự phát triển lĩnh vực điện tử, điện tử nano, điểu khiển tự động, công nghệ thông tin truyền thông đưa tới phát triển mạnh mẽ loại mạng cảm biến vô tuyến khác với giá thành thấp, tin cậy, dễ triển khai mật độ dày, tùy biến tiêu thụ lượng Chính mạng cảm biến vơ tuyến ứng dụng rộng rãi giữ vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xã hội nói chung, nơng nghiệp cơng nghệ cao nói riêng Mạng cảm biến vô tuyến công cụ hỗ trợ cho tự động hóa nơng nghiệp Nó giúp cho người nơng dân theo dõi mùa màng theo thời gian thực, theo dõi nước/độ ẩm, khơng khí yếu tố ảnh hưởng đến suất trồng Xuất phát từ vai trò quan trọng mạng cảm biến vô tuyến lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao, chọn đề tài nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến vào lĩnh vực nông nghiệp Cụ thể đề tài chọn nghiên cứu mạng MiWi Microchip, mạng cảm biến vô tuyến Microchip cải tiến từ mạng Zigbee để phù hợp cho ứng dụng vừa nhỏ -1- Đồng thời đề tài nghiên cứu ứng dụng MiWi vào giám sát thông số môi trường sản xuất nông nghiệp, cụ thể ứng dụng lĩnh vực trồng hoa với công nghệ cao làng hoa Tây Tựu –một làng trồng hoa có truyền thống hàng 100 năm, đầu tư mạnh mẽ để ứng dụng công nghệ cao trồng hoa nhằm cung cấp sản phẩm hoa cho Thành phố Hà Nội tỉnh nước ngày nâng cao số lượng, chất lượng sản phẩm giảm chi phí sản xuất, tiến đến xuất hoa nước Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu nhằm ứng dụng có hiệu mạng cảm biến vơ tuyến MiWi vào công tác giám sát nhiệt độ, độ ẩm thống số khác môi trường sản xuất nơng nghiệp Để hồn thành mục đích ý tưởng đề ra, đề tài nghiên cứu nội dung sau: - Phân tích tổng quan mạng cảm biến vô tuyến đề giải pháp hợp lý việc xây dựng triển khai hệ thống vào lĩnh vực nông nghiệp - Nghiên cứu công nghệ cảm biến vơ tuyến Miwi - Phân tích, đánh giá đề giải pháp ứng dụng cảm biến vô tuyến Miwi việc xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm cho vườn trồng hoa công nghệ cao - Xây dựng triển khai thử nghiệm hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm vương hoa công nghệ cao với mạng cảm biến Miwi Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu Phân tích mạng cảm biến vơ tuyến, nghiên cứu vấn đề mạng cảm biến vô tuyến Miwi Triển khai xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường vườn trồng hoa với mạng cảm biến Miwi Đánh giá khả ứng dụng hệ thống b Phạm vi nghiên cứu Các vấn đề thiết lập, ứng dụng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm vườn trồng hoa với mạng cảm biến vô tuyến Miwi -2- Ứng dụng cho công tác giám sát nhiệt độ, độ ẩm vườn trồng hoa Hà Nội, làng hoa truyền thống Tây Tựu – Hà Nội Phương pháp nghiên cứu Đề tài kết hợp hai phương pháp nghiên cứu, là: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ công nghệ liên quan Tổng hợp tài liệu Phân tích thiết kế hệ thống giám sát theo quy trình xây dựng ứng dụng cảm biến vô tuyến Miwi - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Phân tích yêu cầu thực tế hệ thống kho tàng xây dựng bước phân tích hệ thống để hỗ trợ việc xây dựng ứng dụng hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm Vận dụng vấn đề nghiên cứu mạng cảm biến vô tuyến tiến trình xây dựng hệ thống Đánh giá kết đạt Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn * Về mặt lý thuyết Tìm hiểu mạng cảm biến vơ tuyến, phân tích ưu điểm nhược điểm hệ thống cảm biến vơ tuyến Phân tích đánh giá việc sử dụng cảm biến vô tuyến Miwi để ứng dụng nông nghiệp Đề xuất giải pháp phần cứng phần mềm hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm kho tàng * Về mặt thực tiễn Ứng dụng công cụ, ngôn ngữ hỗ trợ để xây dựng hệ thống phần cứng phần mềm Sản phẩm hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm kho tàng với mạng cảm biến Miwi -3-