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

Cụ thể đề tài chọn nghiên cứu về mạng MiWi của Microchip, là một mạng cảm biến vô tuyến được Microchip cải tiến từ mạng Zigbee để phù hợp cho các ứng dụng vừa và nhỏ... Đồng thời đề tài

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÒA 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 bộ hướng dẫn khoa học: TS Hà Mạnh Đào

HÀ NỘI- 2017

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG XÉT DUYỆT

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 201…

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 3

6 Tên đề tài 3

7 Bố cục luận văn 4

CHƯƠNG 1: MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN MIWI………… …………5

1.1 Mạng cảm biến vô tuyến……… ………… 5

1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến vô tuyến……… ……… 6

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến vô tuyến……… …………6

1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến……… …… 8

1 2 Mạng cảm biến vô tuyến MiWi……… …… 10

1.2.1 Đặc điểm của 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 của 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 của vườn hoa thông minh……… ………32

2.2 Thiết kế mạng MiWi giám sát nhiệt độ, độ ẩm vườn hoa ……… ……32

2.2.1 Cấu trúc của 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 dữ liệu và giám sát……… ………49

2.3 Kết luận……… …….54

CHƯƠNG 3 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 bản thử nghiệm ……… ….56

3.3 Thử nghiệm giám sát thống số nhiệt độ, độ ẩm trên khu vườn hoa phường Tây Tựu ……… ……… ………… 59

3.3.1 Đặc điểm các 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

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 Khuôn dạng gói tin giao thức MiWi P2P……… ………… 14

Hình 1.5 Các bít của trường điều khiển Frame gói tin MiWi P2P…… … 14

Hình 1.6 Các kiểu bắt tay truyền thông……… ………16

Hình 1.7 Cấu hình mạng MiWi ……… ……… 20

Hình 1.8 Khuôn dạng gói tin MiWi……… ……… 21

Hình 1.9 Ví dụ gán địa chỉ ngắn trong MiWi……… …………22

Hình 1.10 Khuôn dạng phần đầu gói tin giao thức MiWi………… ……….22

Hình 1.11: Thuật toán định tuyến gói tin……… …… 23

Hình 1.12 Môi 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 Khuôn 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 của mạng MiWi giám sát vườn hoa……… …….34

Hình 2.3 Cấu trúc nút mạng MiWi……… ……34

Hình 2.4: Các thành phần cơ bản của 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 của MRF24J40 MA……… ……38

Hình 2.8 Khối xử lý trung tâm……… ………… 39

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện tử của của khối xử lý trung tâm………… …… 40

Hình 2.10 Nút cảm biến vô tuyến MiWi……… ………40

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của thiết bị Adapter Zena…… ….41

Hình 2.12 Môi trường MPLAB ver 8.8……… ……….42

Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán nút SINK……… ………43

Hình 2.14: Lưu đồ thuật toán nút CH……… ……….44

Hình 2.15: Lưu đồ thuật toán nút END……… …… 45

Hình 2.16 Lưu đồ thuật toán chương trình thu thập dữ liệu và giám sát môi trường vườn hoa……… ………….50

Hình 2.17: Môi 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 và giám sát vườn hoa… ….57 Hình 3.3 Giao diện người sử dụng test truyền thông MiWi……… … 58

Hình 3.4 Kết quả thử nghiệm thu nhiệt độ, độ ẩm từ các 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 của mạng MiWi P2P……… ………17

Bảng 1.2: Danh sách các thông báo của MiWi……… ……… 25

Bảng 1.3: Bảng định tuyến với topo cấu trúc hình cây……… …… 28

Bảng 2.1: Một số hàm cơ bản của phần mềm nhúng……… …… 45

Bảng 2.2: Một số hàm chương trình giám sát vườn hoa……… …….51

DANH MỤC VIẾT TẮT

EUI Extended Organizationally Unique Identifier

MiMac Microchip Wireless Media Access Controller

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Sản xuất nông nghiệp công nghệ cao hiện không còn xa lạ gì trên thế giới cũng như trong nước Khái niệm này trên thế giới đã xuất hiện tữ những năm giữa thế kỷ 20 đến nay đã trở thành phổ biến Ở Việt Nam, nông nghiệp công nghệ cao mấy nằm gần đây cũng được quan tâm và phát triển mạnh Vậy nông nghiệp công nghệ cao là gì?

Nông nghiệp công nghệ cao chủ yếu dựa trên 4 nghành khoa học (KH):KH về cuộc sống (life science), KH điện tử, KH vật liệu và tin học Công nghệ cao bao hàm các lĩnh vực: KH máy tính; công nghệ thông tin; công nghệ sinh học; kỹ thuật năng 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 trong những công nghệ góp phần thúc đẩy công nghệ cao phát triển mạnh mẽ đó chính là công nghệ mạng cảm biến vô tuyến.Sự phát triển của lĩnh vực cơ điện tử, điện tử nano, điểu khiển tự động, công nghệ thông tin

và truyền thông đã đưa tới sự phát triển mạnh mẽ các loại mạng cảm biến vô tuyến khác nhau với giá thành thấp, tin cậy, dễ triển khai mật độ dày, tùy biến

và tiêu thụ năng lượng ít Chính vì vậy mạng cảm biến vô tuyến đã được ứng dụng rộng rãi và giữ vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật, xã hội nói chung, trong nông nghiệp công nghệ cao nói riêng

Mạng cảm biến vô tuyến là công cụ hỗ trợ cơ bản cho tự động hóa nông nghiệp Nó giúp cho người nông dân có thể theo dõi mùa màng theo thời gian thực, theo dõi nước/độ ẩm, không khí và các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cây trồng

Xuất phát từ vai trò quan trọng của mạng cảm biến vô tuyến đối với lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao, tôi đã chọn đề tài nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến vô tuyến vào lĩnh vực nông nghiệp Cụ thể đề tài chọn nghiên cứu về mạng MiWi của Microchip, là một mạng cảm biến vô tuyến được Microchip cải tiến từ mạng Zigbee để phù hợp cho các ứng dụng vừa và nhỏ

Đồng thời đề tài cũng nghiên cứu ứng dụng MiWi vào giám sát các thông số môi trường trong sản xuất nông nghiệp, cụ thể ứng dụng trong lĩnh vực trồng hoa với công nghệ cao tại làng hoa Tây Tựu –một làng trồng hoa có truyền thống hàng 100 năm, nay đang được đầu tư mạnh mẽ để ứng dụng công nghệ cao trong trồng hoa nhằm cung cấp sản phẩm hoa cho Thành phố Hà Nội và các tỉnh trong nước ngày càng nâng cao về số lượng, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí trong sản xuất, tiến đến xuất khẩu hoa ra nước ngoài

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu nhằm ứng dụng có hiệu quả mạng cảm biến vô tuyến MiWi vào công tác giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các thống số khác của môi trường sản xuất nông nghiệp Để hoàn thành mục đích ý tưởng đề ra, đề tài sẽ nghiên cứu các nội dung như sau:

- Phân tích tổng quan về mạng cảm biến vô tuyến và đề ra giải pháp hợp

lý trong việc xây dựng và triển khai hệ thống vào lĩnh vực nông nghiệp

- Nghiên cứu công nghệ cảm biến vô tuyến Miwi

- Phân tích, đánh giá và đề ra giải pháp ứng dụng cảm biến vô tuyến Miwi trong việc xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho các 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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a Đối tượng nghiên cứu

Phân tích các mạng cảm biến vô tuyến, nghiên cứu các vấn đề về 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 năng ứng dụng của hệ thống

b Phạm vi nghiên cứu

Các vấn đề thiết lập, ứng dụng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong vườn trồng hoa với mạng cảm biến vô tuyến Miwi

Ứng dụng cho công tác giám sát nhiệt độ, độ ẩm tại các vườn trồng hoa ở

Hà Nội, nhất là làng hoa truyền thống Tây Tựu – Hà Nội

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài này kết hợp hai phương pháp nghiên cứu, đó là:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu tài liệu, ngôn ngữ và công nghệ liên quan

Tổng hợp các tài liệu

Phân tích và 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 của hệ thống kho tàng và xây dựng các bước phân tích hệ thống để hỗ trợ việc xây dựng ứng dụng hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm

Vận dụng các vấn đề nghiên cứu về mạng cảm biến vô tuyến trong tiến trình xây dựng hệ thống

Đánh giá kết quả đạt được

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

6 Tên đề tài

“Xây dựng hệ thống giám sát môi trường vườn hoa ở Tây Tựu trên

cơ sở mạng cảm biến vô tuyến”

7 Bố cục luận văn

Nội dung chính của luận văn được chia thành 3 chương như sau:

Chương 1: Mạng cảm biến vô tuyến Miwi

Trong chương này, luận văn trình bày kiến thức cơ sở về mạng cảm biến vô tuyến, trình bày về công nghệ cảm biến MiWi của Microchip để làm cơ sở cho chương 2

Chương 2: Xây dựng hệ thống giám sát môi trường vườn hoa với MiWi

Chương này tiến hành thiết kế phần cứng, phần mềm giám sát, phần mềm nhúng và tiến hành tích hợp thành hệ thống hoàn chỉnh nhằm giám sát các thông số môi trường theo các tiêu chí ứng dụng trong giám sát môi trường vườn hoa

Chương 3: Thử nghiệm và đánh giá

Chương này tiến hành xây dựng các kịch bản thử nghiệm, đề xuất kịch bản thực hiện thực tế và kế hoạch tinh chỉnh, triển khai hệ thống bước đầu

ở làng hoa Tây Tựu thuộc Quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội

CHƯƠNG 1:

MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN MIWI1.1 MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN

1.1.1 Giới thiệu mạng cảm biến vô tuyến

Mạng cảm biến không dây WSN là một mạng gồm một số lượng lớn các nút cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, có khả năng tính toán và trao đổi với các thiết bị khác qua các kết nối không dây nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các xử lý, quyết định

về môi trường quan sát

Các nút cảm biến là các cảm biến có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu thập dữ liệu, thu phát dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu là qua kênh vô tuyến Các thành phần của nút cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn năng lượng Kích thước của các nút cảm biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng Mỗi nút cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến trạm gốc Trạm gốc BS có thể giao tiếp với các nút quản lý nhiệm vụ qua mạng Internet hoặc vệ tinh

Trạm gốc là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu Trạm gốc có thể

là thực thể bên trong mạng (là một nút cảm biến) hoặc ngoài mạng Thực thể ngoài mạng có thể là một thiết bị ví dụ như máy tính xách tay có thể tương tác với mạng cảm biến, hoặc cũng có thể đơn thuần chỉ là một cầu nối để nối với mạng khác lớn hơn như mạng Internet nơi mà có các yêu cầu thực sự đối với thông tin lấy từ các nút cảm biến trong mạng

Lưu lượng dữ liệu thông qua WSN là thấp và không liên tục Do vậy để tiết kiệm năng lượng, các nút cảm biến thường có nhiều trạng thái hoạt động

và trạng thái nghỉ khác nhau Thông thường thời gian một nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất nhiều

Như vậy, đặc trưng cơ bản nhất để phân biệt một mạng cảm biến không dây và một mạng không dây khác chính là giá thành, mật độ nút mạng, phạm

vi hoạt động, cấu hình mạng, lưu lượng dữ liệu, năng lượng tiêu thụ và thời gian ở trong trạng thái hoạt động

WSN ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hóa học, chuẩn

sự hỏng hóc của máy móc thiết bị để từ đó phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn thuần chỉ là lưu trữ số liệu

WSN được ứng dụng đầu tiên trong các lĩnh vực quân sự Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp điều khiển tự động, robot, thiết bị thông minh, môi trường, y tế WSN ngày càng được sử dụng nhiều trong hoạt động công nghiệp dân dụng

Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến đã tạo

ra những cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây

1.1.2 Đặc điểm của mạng cảm biến vô tuyến

Một mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều nút cảm biến, các nút này

có tài nguyên hạn chế kết nối với nhau qua giao tiếp vô tuyến thực hiện nhiệm

vụ theo dõi và thu thập dữ liệu về trung tâm

Trạm gốc là nơi nhận dữ liệu gửi về từ các cảm biến, xử lý và phân tích

dữ liệu để đưa ra thông tin và phản ứng thích hợp với môi trường Ví dụ như điều khiển thiết bị nhiệt độ, cảnh báo động đất hay thống kê dữ liệu về môi trường

Cấu trúc mạng cảm biến không dây có đặc điểm rất khác với mạng truyền thống Sau đây là một số đặc điểm nổi bật cần chú ý của mạng cảm biến không dây:

- Môi trường hoạt động: mạng cảm biến thường là khu vực đặc biệt như khu vực địa hình hiểm trở, khu vực ô nhiễm, tiếp xúc trực tiếp với môi

trường, do đó lỗi vật lý hay việc hết năng lượng có khả năng xuất hiện trên các nút mạng

- Số lượng các nút cảm biến : mạng cảm biến có số lượng các nút là rất lớn có thể tới hàng trăm, hàng nghìn nút triển khai với mật độ cao, thuật toán định tuyến cần có khả năng làm việc với số lượng lớn các nút mạng phân bổ trên diện tích rộng

- Năng lượng của các nút cảm biến: trong mạng cảm biến các nút thường được cung cấp năng lượng bằng pin và được triển khai trong môi trường khắc nhiệt, những nơi rất khó để thay thế hoặc nạp lại pin

- Các hạn chế khắt khe về năng lượng, khả năng tính toán và lưu trữ: các nút cảm biến có kích thước nhỏ, khả năng tính toán và lưu trữ hạn chế, sử dụng pin nên năng lượng hoạt động hạn chế

- Khả năng tự cấu hình: vì các nút cảm biến thường được triển khai một cách ngẫu nhiên và chúng tự hình thành một mạng truyền thông

- Dư thừa dữ liệu: trong đa số ứng dụng, các nút cảm biến được triển khai dày đặc trong một vùng quan tâm, cộng tác với nhau để hoàn thành nhiệm vụ cảm biến dữ liệu Do đó, dữ liệu được gửi từ nhiều nút có mức độ tương quan,

dư thừa nhất định

- Phụ thuộc ứng dụng: một mạng cảm biến không dây thường được thiết

kế và triển khai cho một ứng dụng cụ thể Các yêu cầu thiết kế của mạng cảm biến thay đổi tùy theo ứng dụng của nó

- Kiểu lưu lượng nhiều - một: hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến,

dữ liệu cảm biến được truyền theo luồng từ nhiều nút cảm biến đổ về một trung tâm nào đó, hình thành nên kiểu lưu lượng nhiều - một

- Topo thay đổi thường xuyên: Topo mạng có thể thay đổi thường xuyên

do nút bị lỗi, hỏng, hết năng lượng, được thêm vào, bỏ bớt đi

- Giao tiếp không dây: giao tiếp trong mạng cảm biến là giao tiếp không dây do đó các vấn đề về truyền dẫn cần lưu tâm đến là khoảng cách truyền, độ suy hao tín hiệu, năng lượng truyền dẫn

1.1.3 Ứng dụng của mạng cảm biến vô tuyến

Các mạng cảm biến không dây được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Ứng dụng trong môi trường, ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe, ứng dụng trong gia đình, ứng dụng trong công nghiệp, ứng dụng trong nông nghiệp, ứng dụng trong quân đội

a) Ứng dụng trong môi trường

Các mạng cảm biến không dây được dùng để theo dõi sự chuyển động của chim muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trường như nhiệt

độ, độ ẩm, theo dõi và cảnh báo sớm các hiện tượng thiên tai như động đất, núi lửa phun trào, cháy rừng, lũ lụt Một số ứng dụng quan trọng như:

Phát hiện cháy rừng: bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng ad hoc được tạo nên một cách tự phát Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói Các dữ liệu thu thập được truyền qua các nút tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng Cảnh báo lũ lụt: hệ thống này bao gồm các nút cảm biến về lượng mưa, mực nước, cung cấp thông tin cho hệ thống cơ sở dữ liệu trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm

Giám sát và cảnh báo các hiện tượng địa chấn: các cảm biến về độ rung đặt rải rác ở mặt đất hay trong lòng đất những khu vực hay xả y ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện tượng động đất và núi lửa phun trào

b) Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Một ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe đối với mạng cảm biến là giám sát bệnh nhân: mỗi bệnh nhân được gắn một nút cảm biến nhỏ và nhẹ, mỗi một nút cảm biến này có nhiệm vụ riêng, ví dụ có nút cảm biến xác định nhịp tim trong khi cảm biến khác phát hiện áp suất máu

c) Ứng dụng trong gia đình

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng

để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ai ở nhà

d) Ứng dụng trong công nghiệp

Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản và lưu giữ hàng hóa Các kiện hàng sẽ bao gồm các nút cảm biến mà chỉ cần tồn tại trong thời kì lưu trữ và bảo quản Trong mỗi lần kiểm kê, một query tới kho lưu trữ dưới dạng bản tin quảng bá Tất cả các kiện hàng sẽ trả lời query đó để thông báo các đặc điểm của chúng Ngay cả các bản tin có cường độ yếu từ những cảm biến đơn lẻ vẫn có thể được truyền tin cậy nếu chúng được chuyển tiếp qua từng nút Cảm biến còn có thể được dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm Nếu một ai đó cố dịch một kiện hàng, cảm biến sẽ hoạt động và ra hiệu cho thiết bị cảnh báo Điều này đặc biệt hữu dụng trong việc bảo vệ hàng hóa trong những tòa nhà lớn Những nút cảm biến này cũng có thể ứng dụng trong việc quản lý các container ở cảng Mỗi một container sẽ có một nút mạng trong mạng cảm biến

và có thể ghi nhớ thông tin của nó một cách xác thực Việc liên lạc qua khoảng cách xa hơn có thể thực hiện theo kiểu điểm - điểm từ container này đến container khác

Thông tin về tập hợp các container tự bản thân nó là một cơ sở dữ liệu và

vì vậy luôn luôn nhất quán Nhờ đó tàu chứa các conteiner có thể dễ dàng xác định được chính xác kiện hàng của nó và container thậm chí còn có thể thông báo lại nếu có container lân cận bị lỡ, mà không cần phải truy nhập vào dữ liệu toàn cầu (global database)

e) Ứng dụng trong nông nghiệp

Ứng dụng trong trồng trọt: các cảm biến được dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ở nhiều điểm trên các thửa ruộng và truyền dữ liệu mà chúng thu được về trung tâm để người nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều chỉnh

cho phù hợp Ứng dụng trong chăn nuôi: trong chăn nuôi gia súc, gia cầm cũng trang bị các cảm biến để dễ dàng theo dõi và giám sát

f) Ứng dụng trong quân đội

Giám sát lực lượng, trang thiết bị và đạn dược : các người lãnh đạo, sĩ quan sẽ theo dõi liên tục trạng thái lực lượng quân đội, điều kiện và sự có sẵn của các thiết bị và đạn dược trong chiến trường bằng việc sử dụng mạng cảm biến Quân đội, xe cộ, trang thiết bị và đạn dược được gắn với các thiết bị cảm biến nhỏ để có thể thông báo về trạng thái Những bản báo cáo này được tập hợp lại tại các nút đích để gửi tới lãnh đạo trong quân đội Dữ liệu cũng có thể được chuyển tiếp đến các cấp cao hơn

Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trường và giám sát lực lượng quân địch: mạng cảm biến có thể được triển khai ở những vùng mục tiêu và một vài nơi quan trọng có địa hình hiểm trở, các tuyến đường, đường mòn , các chỗ eo hẹp để có thể giám sát đánh giá sự mức độ nguy hiểm của chiến trường, theo dõi các hoạt động của quân địch Phát hiện và thăm dò các vụ tấn công bằng hóa học, sinh học và hạt nhân

Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó Mạng cảm biến triển khai ở những vùng mà được sử dụng như là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thương vong nghiêm trọng

1 2 MẠNG CẢM BIẾN VÔ TUYẾN MIWI

1.2.1 Đặc điểm của mạng MiWi

Mạng cảm biến vô tuyến MiWi là mạng cảm biến được Microchip cải tiến

từ mạng ZigBee/802.15.4, 2.4 MHz để phù hợp với các ứng dụng vừa và nhỏ

Mạng MiWi có thể kết nối mạng theo kiểu phân cấp, kiểu hình cây cho phép tiết kiệm năng lượng nên thời gian sống của mạng được gia tăng đáng kể

so với cùng mạng mà kết nối theo topo khác So với mạng ZigBee, MiWi có nhiều ưu điểm:

- Đơn giản, Dễ triển khai hơn nhiều

- Thích hợp ứng dụng vừa và nhỏ

- Mã kích cỡ nhỏ nhiều so với ZigBee

- Tiêu tốn năng lượng ít hơn

- Chi phí thấp hơn

Hình 1.1 So sánh giao thức MiWi với ZigBee

Với mục đích phát triển các ứng dụng vừa và nhỏ (số nút cực đại khoảng

8000 nút), mạng MiWi thích hợp để triển khai ứng dụng thực tế trong điều kiện nền nông nghiệp hiện nay ở nước ta, nhất là trong bài toán giám sát nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác của các vườn canh tác phổ biến hiện nay của nước ta là có diện tích vừa và nhỏ

Hình 1.2 Giao thức MiWi

1.2.2.1 Mạng MiWi P2P

a) Đặc điểm

 MiWi Peer- to- Peer là phiên bản biến đổi của IEEE 802.15.4 bằng cách

bổ xung các lệnh cho lớp MAC để đơn giản quá trình bắt tay (handshaking) và quá trình hủy bỏ kết nối, qua trình nhẩy kênh (channel hopping) P2P sử dụng bộ thu phát MRF 24J40 2.4GHz của Microchip và bất kỳ bộ vi điều khiển nào là 8 bít, 16 bít, 32 bít mà có SPI (Serial Peripheral Interface )

 P2P hỗ trợ cả 2 topo ngang cấp (peer-to-peer) và hình sao (star) và không

 Cung cấp 16 kênh trong phổ 2.4 GHz (MRF 24J40)

 Hoạt động trên nền PIC18, PIC24, dsPIC33, PIC32

 Hỗ trợ trình dịch C18, C30, C32

 Các chức năng như máy trạng thái

 Hỗ trợ trạng thái sleep khi kết thúc truyền thông

 Cho phép quét dò năng lượng để thực hiện kênh nhiễu ít nhất

 Cho phép thực hiện quét kết nối đang tồn tại

 Hỗ trợ tất cả các mode an toàn bảo mật của IEEE 802.15.4

 Cho phép thay đổi tần số nhanh (channel hopping)

b) Lớp vật lý

P2P chỉ sử dụng một phần của lớp PHY và MAC của 802.15.4 và nó định nghĩa lớp PHY hoạt động trên các dải phổ tần số 868 MHz, 915 MHz, 2.4 GHz MRF 24J40 hoạt động trên 2.4 GHz (băng tần ISM) gồm 16 kênh, gói tin có kích cỡ cực đại là 127 byte và có 2 byte chứa giá trị CRC, tốc độ truyền

là 250 kbps nhưng thực tế chỉ 20-30 kbps

c) Các kiểu thiết bị

 Dựa trên chức năng: 2 thiết bị

- FFD (Full Function Device): Thiết bị có chức năng đầy đủ

- RFD (Reduced Function Device): Thiết bị có chức năng rút gọn

 Dựa trên vai trò của nút:

- Bộ phối ghép PAN Co: Có chức năng FFD là thiết bị khởi động đầu tiên và được đặt ở trạng thái chờ mỗi kết nối

- Còn thiết bị đầu cuối: có thể là FFD hoặc RFD Thiết bị đầu cuối khởi động sau PAN Co và thực hiện thiết lập một kết nối

d) Topo mạng

P2P có 2 kiểu topo mạng là kiểu hình sao và kiểu ngang cấp Hình 1.3 mô

tả mạng 2 kiểu topo này

Hình 1.3 Topo mạng : a) hình sao, b) kiểu ngang cấp (Peer- To-Peer)

a) )

b )

 Topo hình sao (star): Từ quan điểm vai trò thiết bị, topo mạng hình sao

có một nút PAN Co (PAN Coordinator) để khởi tạo truyền thông và chấp nhận các kết nối từ các thiết bị khác Nó có các thiết bị đầu cuối khác nhau để kết nối truyền thông Các thiết bị đầu cuối chỉ có thể kết nối với PAN Co

 Tôp ngang cấp (Peer-to-Peer): Topo này cũng cóm một nút PAN Co để khởi tạo truyền thông bắt đầu từ nút cuối Khi kết nối mạng, một nút cuối có thể không thiết lập với nút PAN Co

e) Địa chỉ mạng

P2P chỉ truyền thông 1 hop và chỉ sử dụng địa chỉ EUI hoặc địa chỉ dài Địa chỉ ngắn chỉ sử dụng khi truyền thông điệp broadcast

f) Khuôn dạng thông điệp

Khuôn dạng thông điệp của giao thức MiWi P2P gồm các trường được bố trí như hình 1.4

Hình 1.4 Khuôn dạng gói tin giao thức MiWi P2P

 Trường điều khiển Frame (Frame control): gồm 2 byte (hình 2.5),

Hình 1.5 Các bít của trường điều khiển Frame gói tin MiWi P2P

o Trường kiểu Frame: 3 bít định nghĩa kiểu gói tin với giá trị 001

là frame dữ liệu, 010: frame báo nhận, 011: frame lệnh

o Security Enabled: chỉ thị gói hiện thời được mã hóa hay không

o Frame Pending: chỉ sử dụng trong gói báo nhận và được xử lý bởi phần cứng MRF 24J40

o Acknowledgement Request: Bít này chỉ thị khi một gói thêm vào

đi theo sau Ack sau một gói yêu cầu dữ liệu từ một thiết bị đầu cuối RFD

o Intra PAN: Chỉ thị nếu thông điệp trong PAN hiện thời

o Mode địa chỉ đích (Destination Address Mode): Có thể là dịa chỉ ngắn 16 bít (giá trị bít 10) hoặc địa chỉ dài 64 bít (giá trị bít 11) Với P2P, địa chỉ đích thường là địa chỉ dài Địa chỉ ngắn chỉ được sử dụng để truyền thông điệp quảng bá (broadcast) Đối với thông điệp quảng bá, trường địa chỉ đích trong các trường địa chỉ luôn cố định là 0xFFFF

o Mode địa chỉ nguồn (Source Address Mode): Đối với giao thức P2P, chỉ dùng mode địa chỉ dài

 Trường số tuần tự (Sequence Number): có độ dài 8 bít Nó bắt đầu với một số ngẫu nhiên và gia tăng 1 đơn vị mỗi lần một gói dữ liệu hoặc gói lệnh được gửi Số này được sử dụng trong gói báo nhận để xác định gói ban đầu Số tuần tự trong gói ban đầu và gói báo nhận phải giống nhau

 PAN ID đích: Đây là định danh PAN cho thiết bị đích Nếu định danh PAN là chưa biết hoặc không yêu cầu thì PAN ID quảng bá sẽ được sử dụng (0xFFFF)

 Địa chỉ đích (Destination Address): có thể là địa chỉ dài hoặc địa chỉ ngắn Địa chỉ đích phải đồng nhất với mode địa chỉ đích được định nghĩa trong trường điều khiển Frame Nếu địa chỉ ngắn được sử dụng thì nó phải là địa chỉ quảng bá (0xFFFF)

 Địa chỉ PAN nguồn (Source PAN ID): là định danh của PAN cho thiết

bị nguồn và phải tương hợp với inter-PAN định nghĩa trong trường điều khiển Frame

 Địa chỉ nguồn (Source Address): là cố định và là địa chỉ dài 64 bít của thiết bị nguồn

 Pay load: tải biến đổi

 Chuỗi kiểm tra Frame FCS (Frame Check Sequence)

g) Truyền và nhận thông điệp:

 Truyền thông điệp: Có 2 ccachs truyền: broadcast và unicast Truyền broadcast sử dụng địa chỉ ngắn và không có tín hiệu báo nhận Còn trong truyền unicast chỉ có một đích duy nhất sử dụng địa chỉ dài và bắt buộc phải có tín hiệu Ack đối với tất cả các thông điệp

 Nhận thông điệp: Chỉ có thiết bị nhận thông điệp mới được thông báo vô tuyến Nếu thiết bị nhận thông điệp tắt sóng radio khi đang trạng thái treo thì nó chỉ nhận được thông điệp từ thiết bị khi nó kết nối được

i) Các kiểu bắt tay truyền thông

Sự khác nhau chính của P2P so với đặc tả IEEE 802.14.5 là cách bắt tay truyền thông và được thể hiện như hình 1.6 a), 1.6 b) Cách bắt tay của P2P đơn giản hơn rất nhiều o với IEEE 802.14.5

Hình 1.6 Các kiểu bắt tay truyền thông a) Kiểu Handshaking tiểu biểu của IEEE 802.15.4 b) Kiểu Handshaking của MiWi P2P

0x81 Yêu cầu kết nối P2P Yêu cầu thiết lập kết nối P2P Nút

quảng bá để tìm kết nối P2P sau khi cấp nguồn

0x82 Yêu cầu loại bỏ kết nối

0x92 Đáp ứng hủy kết nối

P2P

Đáp ứng yêu cầu hủy kết nối P2P

h) Các đặc trưng riêng của giao thức MiWi P2P

P2P cung cấp chức năng rút gọn, điểm- điểm, kết nối trực tiếp và một tập phong phú các đặc trưng Tất cả các đặc trưng có thể cho phép, không cho phép, được dịch đưa vào stack hoặc lấy ra phù hợp với sự cần thiết của ứng dụng vô tuyến P2P có các đặc trưng riêng của nó bao gồm:

 Kích cỡ chương trình nhỏ

 Hỗ trợ các thiết bị rỗi tắt sóng radio

 Thông điệp gián tiếp

 Các đặc điểm an ninh –an toàn đặc biệt

 Quét chủ động để tìm các PAN tồn tại trên các kênh khác nhau

 Quét năng lượng để tìm kênh có nhiễu ít nhất

 Thay đổi tần số linh hoạt ( nhẩy kênh)

1.2.2.2 Mạng MiWi

a) Đặc điểm của mạng MiWi

Khác với mạng MiWi P2P, mạng MiWi có nhiều đặc điểm mạnh hơn:

 Hỗ trợ tất cả các bộ thu phát trên các dải tần số khác nhau

 Khả chuyển giữa các họ MCU microchip khác nhau

 Hệ điều hành thời gian thực RTOS và ứng dụng là độc lập nhau

 Trợ giúp Out-of-box đối với các trình dịch C18, C30 và C32

 MiWi cho phép cực đại 1024 nút

 Mỗi bộ phối hợp chỉ có khả năng 127 bộ thành phần

 Mỗi mạng có cực đại 8 bộ phối hợp

 Mỗi gói có thể truyền cực đại 4 hop và cực đại 2 hop đối với bộ phối hợp PAN

 Sử dụng giao diện MiMAC để truyền thông với bộ thu phát RF microchip

 Sử dụng giao diện MiApp để tương tác với tầng ứng dụng

b) Giao thức MiWi

Tương tự như P2P, giao thức MiWi cũng dựa trên 2 tầng PHY và MAC của đặc tả IEEE 802.15.4 Giao thức cũng cung cấp các đặc trưng tìm, hình thành, gia nhập mạng cũng như phát hiện các nút trong mạng và dịnh tuyến

nó

Giao thức MiWi sử dụng chuẩn IEEE 802.14.5 để phát triển lớp MAC của

nó No cũng dùng cơ chế truyền dữ liệu báo nhận ACK trong MAC Phương pháp này dừng một cờ ACK đặc biệt trong phần đầu gới tin

Các kiểu thiết bị trong MiWi: Cũng có 2 kiểu thiết bị cơ bản

 Nếu dựa trên thiết bị chức năng: có 2 kiểu thiết bị tương tự như P2P

là thiết bị có chức năng đầy đủ FFD và thiết bị có chức năng rút gọn FRD

 Nếu dựa trên vai trò của nút: có 3 kiểu nút:

o Bộ phối hợp PAN (PAN Co: PAN Coordinator): sử dụng thiết bị kiểu FFD và chỉ duy nhất có 1 nút/mạng Nó thực hiện chức năng hình thành mạng, cấp phát địa chỉ mạng và giữ bảng kết nối

o Bộ phối hợp (Co: Coordinator): Cũng sử dụng thiết bị FFD

và số nút là tùy ý Co dùng để mởi rộng khoảng cách vật lý của mạng và cho phép nhiều nút hơn gia nhập vào mạng Và

nó cũng có thể thực hiện các chức năng kiểm soát và điều khiển

o Thiết bị đầu cuối (End Device): Thực hiện các chức năng kiểm soát và điều khiển

c) Cấu hình mạng MiWi

MiWi có 3 kiểu cấu hình mạng chính: Cấu hình mạng sao, cấu hình mạng kiểu phân cụm, cấu hình mạng kiểu lưới

 Cấu hình mạng hình sao (star): Cấu hình này được mô tả như hình 1.7a

Nó gồm một nút PAN Co, một hoặc nhiều thiết bị đầu cuối Mạng này

có đặc điểm là tất cả các thiết bị đầu cuối chỉ kết nối với nút PAN Co Khi một thiết bị đầu cuối muốn truyền dữ liệu tới một đầu cuối khác,

nó phải chuyển thông qua PAN Co

 Cấu hình mạng cây phân cụm (cluster tree network- hình 1.7b): mạng cũng gồm 1 nút PAN Co đóng vai trò là gốc của cây, các nút phối hợp

Co là nhánh của cây và các thiết bị đầu cuối là lá của cây Đặc điểm của mạng này là tất cả các thông điệp được gửi qua mạng theo các đường dẫn của cấu trúc cây, từ đó các thông điệp được định tuyến thông qua 1 hoặc nhiều nút để tới đích Mạng cấu trúc cây phân cụm này còn được gọi là mạng multi-hop

Hình 1.7 Cấu hình mạng MiWi a) Kiểu hình sao, b) Kiểu cây phân cụm c) Kiểu lưới

 Cấu hình mạng kiểu lưới (mesh network- hình 1.7c): Tương tự như mạng cây phân cụm nhưng các nút FFD có thể định tuyến thông điệp trực tiếp tới các nút FFD khác thay vì theo cấu trúc cây Thông điệp đi tới nút FRD vẫn phải đi qua nút cha của FRD đó Ưu điểm của mạng này là trễ thông điệp giảm và độ tin cậy tăng Mạng này cũng tương tự như mạng cây phân cụm là nó cũng được gọi là mạng multi-hop

d) Mạng đa truy cập

Trong mạng đa truy cập, tất cả các nút mạng đều có thể truy cập bình đẳng tới phương tiện truyền thông Có 2 cơ chế đa truy cập: Beacon và non-Beacon

Trong mạng cho phép beacon: Các nút được phép truyền trong khe thời gian xác định trước (slot) Bộ phối hợp PAN Co bắt đầu một chu kỳ với một

a)

)

c)

siêu khung (superframe) là một siêu khung beacon Và tất cả các nút trong mạng đều đồng bộ với siêu khung beacon Mỗi nút sẽ được gắn một khe (slot)

cụ thể trong siêu khung để truyền và nhận dữ liệu của nó Một siêu khung cũng có thể chứa một khe thời gian chung mà tất cả các nút đều hoàn toàn có thể truy cập được tới kênh này

Trong mạng non-beacon: cho phép mọi nút đều được phép truyền tại mọi thời điểm với các kênh còn rỗi

 PANID (PAN Identifier): là địa chỉ 16 bít để xác định một nhóm nút Tất cả các nút trong một PAN đều chia sẻ chung PANID Một thiết bị

sẽ lấy PANID của mạng để liên kết với PAN đó

 Địa chỉ ngắn: cũng là địa chỉ 16 bít và được cấp cho thiết bị bởi cha của

nó Địa chỉ ngắn cũng là địa chỉ duy nhất trong PAN để đánh địa chỉ và truyền thông điệp trong mạng IEEE đã ấn định bộ phối hợp PAN luôn

có địa chỉ 0000h

MiWi sử dụng 16 bít trong địa chỉ ngắn để định tuyến và trao đổi thông tin và các trường bít của địa chỉ được ấn định như hình 1.8

Hình 1.8 Khuôn dạng gói tin MiWi

 Trường số cha (bít 10-8): là duy nhất đối với mỗi Co trên mạng gồm cả PAN Co Trường có 3 bít cho phép định danh được 8 bộ phối hợp

 Trường số con (bít 6-0): Trường này của mọi nút phối hợp Co trên mạng đều là 00h Các giá trị khác của trường này được xác định bởi kiểu của thiết bị là FFD hay FRD cũng như chức năng của nó trong PAN

 Trường RxOffWhenIdle (bít 7): khi bít này khi được thiết lập nó sẽ tắt

bộ thu phát khi rỗi và không thể nhận được các gói tin

 Ví dụ: Gán địa chỉ ngắn cho mạng MiWi:

Hình 1.9 Ví dụ gán địa chỉ ngắn trong MiWi

f) Thông điệp giao thức MiWi

Một khi mạng MiWi đã hình thành thì vẫn đề đặt ra là nó truyền thông điệp qua mạng như thế nào Trong mạng MiWi mọi nút đều sử dụng địa chỉ ngắn của nó để truyền thông qua mạng Địa chỉ ngắn sẽ cho các thiết bị khác trong mạng xác định vị trí của nút và làm thế nào để định tuyến tới thiết bị đó

 Khuôn dạng gói tin: có cấu trúc phần đầu gói tin như hình 1.10 Nó bao gồm các trường sau:

Hình 1.10 Khuôn dạng phần đầu gói tin giao thức MiWi

o Hops: 1 byte, số hop mà gói tin được phép truyền qua Nếu có giá trị 00h nghĩa là gói tin không được truyền qua

o Frame Control: 1 byte, xác định hành vi của gói tin gồm bít yêu cầu báo nhận ACKREQ (bít 2), bít intra-cluster INTRCLST (bít 1), bít mã hóa ENCRYPT (bít 0), các bít còn lại (dự trữ) có giá trị bằng 0

o Dest PANID: 2 byte chỉ nút đích cuối cùng

o Dest Short Address: 2 byte, địa chỉ ngắt của nút đích cuối cùng

o Source PANID: 2 byte chỉ nút gửi gói tin ban đầu

o Source Short Address: Địa chỉ ngắt của nút gửi gói tin ban đầu

o Sequence Number: 1 byte, dùng để giữ dấu vết trạng thái gói tin khi truyền qua mạng

h) Định tuyến

Định tuyến trong mạng là vấn đề cực kỳ khó khăn và sử dụng nhiều tài nguyên MiWi giải quyết vấn đề bằng cách sử dụng địa chỉ cấp phát để chỉ thị cha của thiết bị mà muốn gửi gói tin đến nó và sử dụng các dịch vụ IEEE cung cấp sẵn để trao đổi và chuyển tiếp thông tin định tuyến trong mạng Việc định tuyến bao gồm các tác vụ sau:

 Học về bộ phối hợp lân cận (Co): Một trong các tác vụ của định tuyến

là xác định đoạn tiếp theo đối với gói tin chuyển tiếp MiWi sử dụng cơ chế ghép nối mạng IEEE, thêm nữa là thông tin lưu lượng mạng, để phát hiện đường dẫn Khi một thiết bị ghép nối vào mạng, đầu tiên nó gửi gói tin yêu cầu beacon Tất cả các Co nghe thấy lời yêu cầu beacon

sẽ gửi ra gói tin mang thông tin mạng của chúng đến các nút lân cận

 Định tuyến tới các thiết bị khác: Việc định tuyến sẽ dễ ràng nếu biết các bộ phối hợp Co lân cận Thuật toán gửi gói tin được mô tả như hình 1.11

 Thông điệp quảng bá: Khi một Co nhận gói tin quảng bá, nó sẽ quảng

bá lại gói tin theo các Hop nếu bộ đếm chưa bằng 0 Gói tin quảng bá luôn có trường yêu cầu ACK bằng 0 Co nhận các gói tin, thực hiện xử

lý sau đó chuyển tiếp chúng

Hình 1.11: Thuật toán định tuyến gói tin

i) Các thông báo giao thức MiWi:

Giao thức MiWi chuyển tải các gói tin giữa các thiết bị bằng cách sử dụng các gói tin đặc biệt gọi là thông báo MiWi cho phép tới 256 kiểu thông báo và được phân biệt bằng các ID thông báo Các kiểu thông báo

và ID của nó được định nghĩa trong phần đầu gói tin Kích cỡ và nội dung của Payload của một thông báo phụ thuộc vào ID thông báo cụ thể và biến đổi từ 0 byte tới 10 byte Các thông báo và ID thông báo của MiWi được liệt kết trong bảng 1.2

Bắt đầu

Biết nút nối trực tiếp

Gửi trực tiếp tới nút

Biết nút cha nối trực tiếp

Gửi gói tin tới nút cha

Có một Hop tiếp theo (nếu là Co) hoặc nút cha Gửi gói tin tới nút cha

Gửi gói tin tới nút cha Kết thúc

Bảng 1.2: Danh sách các thông báo của MiWi

k) Thông điệp Stack và các dịch vụ:

Cung cấp địa chỉ và các dịch vụ định tuyến là điểm quan tâm đầu tiên khi bắt đầu thực hiện giải pháp mạng vô tuyến MiWi cung cấp các dịch vụ tùy chọn khác mà trợ giúp người phát triển nhanh chóng tiến tới một giải pháp Các dịch vụ này bao gồm tạo kết nối động giữa 2 thiết bị mà không biết mọi thông tin về thời gian ahead của thiết bị và khả năng tìm kiếm mạng đối với một địa chỉ dài của thiết bị cụ thể Việc tìm kiếm nút mạng sử dụng địa chỉ EUI cực kỳ hữu dụng trong mạng mà có các nút mạng biến động, thay đổi vì đây là địa chỉ duy nhất toàn cục của mỗi nút mạng (khác với địa chỉ ngắn) Có

2 gói Stack định nghĩa nhằm mục địch trợ giúp tìm kiếm địa chỉ EUI trên mạng:

EUI_ADDRESS_SEARCH_REQUEST

ADDRESS_SEARCH_RESPONSE

Ngoài ra MiWi còn hỗ trợ khái niệm Socket để truyền thông, nó là một giao diện cho phép dẽ dàng lập trình truyền thông cho mạng Để hỗ trợ truyền thông bằng Socket, MiWi sử dụng các gói tin mở Socket:

OPEN_CLUSTER_SOCKET_REQUEST

OPEN_CLUSTER_SOCKET_RESPONSE

1.2.2.3 Mạng MiWi Pro

a) Đặc điểm

Là thành phần chủ chốt của môi trường phát triển MiWi DE MiWi DE phân làm 3 lớp từ dưới lên trên:

- Trình điều khiển bộ thu phát RF

- Các giao thức truyền thông vô tuyến

MiWi PRO hộ trợ ứng dụng mạng lớn Giao thức này bao phủ rộng hơn

và nhiều nút hơn trong một mạng MiWi PRO cung cấp một khả năng định tuyến nâng cao hỗ trợ đến 64 bộ phối hợp có khả năng định tuyến và có thể truyền thông điệp qua 9, 17, 33 và 65 hop Mỗi bộ phỗi hợp có khả năng chấp nhận đến 127 thiết bị đầu cuối cho nên tổng số nút của một mạng MiWi PRO

có thể lên đến hơn 8000 nút mạng

MiWi PRO sử dụng giao diện MiMAC để truyền thông với các trình điều khiển thiết bị thu phát RF của Microchip và sử dụng giao diện MiApp đối với lớp ứng dụng Hình 2.12 mô tả cấu trúc lớp và các giao diện của MiWi PRO

Hình 1.12 Môi trường phát triển MiWi PRO

MiWi PRO DE hỗ trợ 3 giao thức: P2P, MiWi, MiWi Pro Tất cả các giao thức đều cho phép truyền gửi thông điệp từ nguồn tới đích Sự khác nhau của chúng chỉ là mức độ truyền đi xa (số hop) giữa nguồn và đích

Các Topo mạng của MiWi PRO được mô tả như hình 1.13 bao gồm toppo của P2P (1.13 a), MiWi (1.13.b) và của bản thân MiWi PRO (1.13 c)

Hình 1.13 Topo mạng MiWi: a) P2P; b) MiWi; c) MiWi Pro

Khuôn dạng thông điệp MiWi Pro tương tự như của giao thức MiWi Vấn

đề mấu chốt nhất của MiWi PRO so với các mạng P2P, MiWi nằm ở 3 sự nâng cao cho mạng lớn là: 1) Truyền thông quảng bá nâng cao, 2) Định tuyến lưới, 3) Sử dụng mềm dẻo linh động tần số Trong MiWi PRO sử dụng quảng

bá Multicast cho phép truyền quảng bá tới một nhóm thiết bị đích có thể là các bộ phối hợp hoặc tất cả các thiết bị FFD, và nó sử dụng địa chỉ ngắn để thực hiện việc này: địa chỉ 0xFFFF để quảng bá tới mọi thiết bị, địa chỉ

a) )

b) )

c)

0xFFFE gửi multicast tới tất cả các FFD và địa chỉ 0xFFFD quảng bá tới tất

cả các bộ phối hợp Vấn đề quan trọng nhất của MiWi PRO là vấn đề định tuyến trong mạng lớn Nó có 2 phương pháp định tuyến:

 Định tuyến hình cây (Routing Tree): Đây là cơ chế định tuyến theo kiểu cha- con Để sử dụng định tuyến hình cây, mọi nút phải biết toppo mạng của mạng và sử dụng bảng 2.3 giữ topo mạng với n là số bộ phối hợp cực đại Trong bảng topo mạng hình cây chứa byte cao của địa chỉ ngắn thể hiện bộ phối hợp, byte thấp địa chỉ ngắn luôn bằng 00h Byte cao của địa chỉ ngắn hàm ý chỉ số của bảng Dữ liệu trong bảng chính là byte cao địa chỉ ngắn của nút cha Địa chỉ nút cha hàm ý chỉ số của bảng mà ở đó cực tiểu footprint của topo mạng

Bảng 1.3: Bảng định tuyến với topo cấu trúc hình cây

 Định tuyến lưới (Mesh Routing): Định tuyến lưới là cách ưa dùng

để định tuyến thông điệp Định tuyến lưới sử dụng cơ chế tìm đường ngắn nhất giữa nguồn và đích mà không quan tâm đến quan

hệ cha hay con Định tuyến lưới cho phép MiWi PRO gửi thông điệp theo nhiều con đường tới đích và nó sử dụng bảng giữ thông tin lân cận để thực hiện cơ chế này

Hình 1.14 mô tả thủ tục kết nối mạng MiWi PRO

Hình 1.14 Thủ tục kết nối mạng MiWi PRO

1.2.3 Các giao diện của MiWi

1.2.3.1 Giao diện ứng dụng MiApp

MiAPP định nghĩa giao diện giữa lớp ứng dụng và giao thức truyền thông

vô tuyến của Microchip Giao diện lập trình MiAPP được sử thực hiện theo 2 cách: Các tham số cấu hình được định nghĩa trong file cấu hình và một tập hàm gọi tới giao thức MiWi MiApp có 5 loại hàm gọi tới lớp giao thức từ ứng dụng:

- Khuôn dạng Frame MiMAC

- Modul an toàn bảo mật MiMAC

- Giao diện lập trình đa năng MiMAC

Hình khuôn dạng gói tin MiMAC được mô tả như hình 2.15

Hình 1.15 Khuôn dạng gói tin MiMAC Các hàm của MiMAC chia làm 4 loại:

• MiMAC_ChannelAssessment

• MiMAC_PowerState

1.3 Kết luận

Trong chương 1 luận văn đã nghiên cứu và khảo sát kỹ mạng cảm biến

vô tuyến MiWi Đây là mạng được xây dựng bởi hãng Microchip và cực kỹ hữu dụng đối với các ứng dụng vừa và nhỏ Mạng này có 3 giao thức P2P, MiWi, MiWi PRO cho các mức độ và phạm vi ứng dụng khác nhau Trong đó giao thức MiWi PRO cho phép số nút mạng lên tới hơn 8000 nút với nhiều kiểu topo mạng và định tuyến khác nhau Ngoài ra MiWi PRO cũng cung cấp

2 giao diện MiMAC và MiApp cho phép dễ dàng phát triển các ứng dụng mạng MiWi Toàn bộ kiến thức chương này là quan trọng và chủ chốt để xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong các vườn hoa sẽ được thực hiện trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI

TRƯỜNG VƯỜN HOA VỚI MIWI 2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA VƯỜN HOA THÔNG MINH

Sản xuất nông nghiệp công nghệ cao hiên đang phát triển mạnh mẽ vì tính hiệu quả của nó Trong trồng hoa, để chăm sóc các vườn hoa cho chất lượng tốt, việc kiểm soát độ ẩm của đất, nhiệt độ của mối trường là rất quan trọng Tùy từng loại hoa trồng mà độ ẩm , nhiệt độ môi trường phải được kiểm soát phù hợp Ví dụ như trồng và chăm sóc hoa Hồng: hoa hồng có hơn

350 loại, mỗi loại đều có đặc thù riêng Việc kiểm soát môi trường chăm sóc hoa tối ưu với từng loại để hoa ra nhiều hoa nhất, đẹp nhất, ít sâu bệnh nhất đòi hỏi một quá trình giám sát môi trường chi tiết, đúng qui trình cho từng loại hoa Hệ thống mạng cảm biến vô tuyến và điều khiển tự động cho phép triển khai thực hiện các công việc đó hợp lý nhất

2.2 THIẾT KẾ MẠNG MIWI GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM VƯỜN TRỒNG HOA

2.2.1 Cấu trúc của hệ thống giám sát môi trường trồng hoa với mạng MiWi

Hệ thống giám sát vườn hoa được thiết kế với mạng MiWi sử dụng cấu trúc hình cây Ở gốc là nút PAN-Co đóng vai trò là nút Sink, các nút phối hợp

Co là các nút đầu cụm CH và các nút đầu cuối END Tại nút PAN Co được giao tiếp với máy tính trung tâm cũng qua dải sóng 2.4 GHz bằng cách sử dụng modul Adapter với tần số ISM 2.4 GHz qua cổng USB Cấu trúc mạng được mô tả bởi hình 2.1 Hình 2.2 cho thấy các thành phần mạng của hệ thống giám sát khu vườn trồng hoa

Ngoài ra, hệ thống cũng cho phép truy cập từ xa qua mạng Internet, mạng di động để giám sát từ xa với các thiết bị như máy tính bảng, điện thoại thông minh, latop…

Hình 2.1 Cấu trúc mạng MiWi giám sát nhiệt độ độ ẩm vườn hoa

Cấu trúc của mỗi nút trong mạng được thể hiện như hình 3.3 gồm có các bộ phận chính: