Báo Cáo Dự Án Môn Học Thiết Kế Mạng Cảm Biến Đo Nhiệt Độ Trong Môi Trường.pdf

Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viênLê Xuân Tuấn về các vi điều khiển, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho dự án T6-T8 3 Tìm hiểu về các cấu trúc mạng Có kiến thức cơ bản về

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO DỰ ÁN MÔN HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ MẠNG CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

TRONG MÔI TRƯỜNG GVHD: PGS.TS Nguyễn Quốc Cường.

Thành viên Nhóm 22:

1 Ngô Thanh Tùng – 20192157.

2 Lê Xuân Tuấn – 20181815.

Yêu cầu của dự án:

độ ưu tiên

- Dải đo: 25oC ÷ 125oC

- Độ chính xác: 1oC

- Độ phân giải hiển thị: 0.1oC

-Nguồn pin, thời gian hoạt động của thiết bị là 4h (nâng cao: 8h) Pin có thể sạc trực tiếp trên máy hoặc tháo ra ngoài

- Kích thước (dự kiến): 70x50x100 mm (kiểu trụ để dễ cầm tay)

- Trọng lượng (dự kiến): <150g.

- Thời gian đo một mẫu : <20s (nâng cao < 5s)

- Kết nối máy tính: RF Khoảng cách truyền trong phạm vi 20m từ hệ thống

đo đến trạm thu RF có nối nguồn và mạng

-Quản lý tối thiểu cho 10 thiết bị đo (nâng cao: phương án mở rộng số thiết

bị với khoảng cách từ thiết bị đến trạm tiếp nhận có thể lên tới 100m)

- Phần mềm máy tính: thu thập giá trị đo từ thiết bị đo, quản lý dữ liệu, xuất báo cáo dạng excel, giao diện theo mẫu thống nhất.

-Có nút bấm bắt đầu đo; Đèn LED báo ngưỡng nhiệt độ (3 LED); Các

ngưỡng nhiệt độ có thể cập nhật từ máy tính

Giới thiệu thành viên của dự án

MSSV: 20181815

MSSV: 20192157

Kế hoạch thực hiện chung của dự án

T6-T10

Thiết kế sơ đồ khối,

sơ đồ nguyên lý cho

T8-T13

Chọn và mua linh

Thiết kế khối nguồn Đáp ứng yêu cầu của

dự án, có khả năng sạc lại

trên sever và xuất dữ

liệu trên web

Truyền nhận dữ liệu lên sever quản lý, xuất dữ liệu dạng excel

T14-T15

Lập trình devices,

gateway, debug Test code, chạy thử một số chức năng,

phát hiện các lỗi và khắc phục

T12-T19

Hoàn thiện sản

phẩm Đáp ứng theo yêu cầu của dự án T20

Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên

Lê Xuân Tuấn

về các vi điều khiển, từ đó đưa

ra lựa chọn phù hợp cho dự án

T6-T8

3 Tìm hiểu về các cấu trúc

mạng Có kiến thức cơ bản về cấu trúc

mạng hình sao, hình cây, mạng mesh

T11-T13

6 Truyền dữ liệu từ node

lên gateway

Đảm bảo độ tin cậy, độ trễ khi truyền tín hiệu thấp

T12-T15

7 Lập trình devices,

gateway, debug Test code, chạy thử một số chức

năng, phát hiện các lỗi và khắc phục

T12-T19

8 Hoàn thiện sản phẩm Đáp ứng theo

yêu cầu của dự án

1 Tìm hiểu tổng quan về

mạng cảm biến

Có kiến thức cơ bản về mạng cảm biến không dây

T3

2 Tìm hiểu về cảm biến

DHT11, SHT31, LM35 Nắm được các đặc tính của các

cảm biến, từ đó đưa ra lựa chọn phù hợp cho dự án

T5-T8

4 Thiết kế sơ đồ khối, sơ

đồ nguyên lý cho node

cảm biến

Đưa ra sơ đồ khối cho từng node và nêu ra nguyên lý hoạt động

T7-T10

5 Thiết kế khối nguồn Thiết kế nguồn

cho từng node đáp ứng yêu cầucủa dự án

T11-T14

6 Truyền nhận dữ liệu trên

sever và xuất dữ liệu trên

web

Truyền nhận dữ liệu lên sever quản lý, xuất dữliệu dạng excel

T12-T19

8 Thiết kế mạch in Thiết bị nhỏ gọn T18-T20

9 Hoàn thiện sản phẩm Đáp ứng theo

yêu cầu của dự án

T20

Tự đánh giá tỷ lệ đóng góp của từng thành viên trong dự án theo kế hoạch (trước khi thực hiện, thực hiện trong khi lên kế hoạch thực hiện dự án)

Người thực hiện Tỷ lệ Giải quyết được những vấn đề

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Các mô hình mạng trong mạng cảm biến không dây

Kết luận của buổi họp:

Phân tích ưu nhược điểm của các mô hình mạng, định hướng lựa chọn mô hình mạng cho

+ các giao thức được sử dụng phổ biến trong mạng không dây

+tìm hiểu khái niệm node, gateway, cloud, sever, http,…

Kết luận của buổi họp:

Đưa ra mô hình mạng có thể sử dụng, phần cứng của node và gateway

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Tìm hiểu linh kiện phù hợp với dự án, tìm hiểu các bộ mcu

Kết luận của buổi họp:

Chi tiết được tính năng, thông số của từng linh kiện, qua đó dự trù chọn trước thiết bị

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Tìm hiểu giao thức MQTT, HTTP

Kết luận của buổi họp:

Hiểu về cấu hình và khung bản tin MQTT, HTTP

Kết luận của buổi họp:

Chọn MCU cho các node cùng Gateway là ESP32

Lựa chọn giao thức truyền thông wifi để phát triển dự án

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Nghiên cứu về node cảm biến, lên phương án sơ bộKết luận của buổi họp:

Vẽ được sơ đồ khối của node

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Thiết kế khối nguồn

Kết luận của buổi họp:

Vẫn đang trong quá trình lựa chọn nguồn

+lựa chọn nguồn cho dự án

+truyền dữ liệu từ node lên gateway

+gửi dữ liệu từ gateway lên sever

Kết luận của buổi họp:

Giao tiếp sơ bộ được giữa gateway và node

Biết cách truyền dữ liệu lên sever

+kết nối cảm biến và mcu

+kết hợp linh kiện tạo thành các node

Kết luận của buổi họp:

Đã kết nối được cảm biến và mcu, tạo được các node cảm biến

Nội dung cuộc họp

- Nội dung: Lập trình chương trình code test cảm biến và mcuKết luận của buổi họp:

Tạo được code và test được mạch cảm biến trong thực nghiệm

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Truyền nhận dữ liệu trên sever và xuất dữ liệu trên web

Kết luận của buổi họp:

Xuất được dữ liệu trên web

Nội dung cuộc họp

- Nội dung: Debug và thử nghiệm

Kết luận của buổi họp:

Xác định một số lỗi, chưa đưa ra được cách khắc phục

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: Debug và thử nghiệm

Kết luận của buổi họp:

Đã đưa ra được cách khắc phục lỗi xuất hiện

Nội dung cuộc họp:

- Nội dung: hoàn thiện slide, quay video thuyết trình, hoàn thiện sản phẩm

Kết luận của buổi họp:

Đã hoàn thành dự án

Thực hiện:

1. Các mô hình mạng trong mạng cảm biến không dây.

Cấu trúc hình sao (Star):

-Cấu trúc link hình sao là một cấu trúc link truyền thông online, trong đómỗi nút liên kết trực tiếp với trạm gốc Trạm gốc duy nhất hoàn toàn có

thể gửi hoặc nhận tin nhắn đến 1 số ít nút từ xa Các nút không được phépgửi thông tin cho nhau

-Ưu điểm: Tính đơn thuần, năng lực giữ mức tiêu thụ điện năng của nút từ

xa ở mức tối thiểu Nó cũng được cho phép thông tin liên lạc có độ trễthấp giữa nút từ xa và trạm gốc

-Nhược điểm: Trạm gốc phải nằm trong khoanh vùng phạm vi truyền dẫn

vô tuyến của tổng thể những nút riêng không liên quan gì đến nhau vànăng lực lan rộng ra không bằng những mạng khác do sự nhờ vào của nóvào một trạm gốc để quản trị mạng

Cấu trúc hình cây (Tree):

-Các cấu trúc liên kết cây là sự kết hợp của cấu trúc liên kết bus và cấutrúc liên kết hình sao Sự kết hợp này cho phép người dùng có nhiều máychủ trên mạng Kết nối nhiều cấu trúc liên kết hình sao với một mạng cấutrúc liên kết hình sao khác Nó còn được gọi là cấu trúc liên kết hình sao

mở rộng hoặc cấu trúc liên kết phân cấp Cấu trúc liên kết cây tuân theomột mô hình phân cấp; vì lý do này, mọi cấp độ đều được kết nối với cấp

độ cao hơn tiếp theo theo sơ đồ đối xứng

-Ưu điểm: Có thể thuận tiện lan rộng ra mạng và việc phát hiện lỗi cũngtrở nên thuận tiện

-Nhược điểm: phụ thuộc vào rất nhiều vào cáp bus, nếu nó bị hỏng, toàn

bộ mạng sẽ sụp đổ

Cấu trúc liên kết lưới (Mesh):

-Các cấu trúc link Mesh được cho phép truyền tài liệu từ nút này sang nútkhác, nằm trong khoanh vùng phạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó Điềunày được cho phép cái được gọi là truyền thông online đa bước, nghĩa là,nếu một nút muốn gửi một thông điệp đến một nút khác nằm ngoài khoanhvùng phạm vi liên lạc vô tuyến, nó hoàn toàn có thể sử dụng một nút trunggian để chuyển tiếp thông điệp đến nút mong muốn

-Ưu điểm: Có lợi thế về năng lực dự trữ và năng lực lan rộng ra Nếu mộtnút riêng không liên quan gì đến nhau bị lỗi, một nút từ xa vẫn hoàn toàn

có thể tiếp xúc với bất kể nút nào khác trong khoanh vùng phạm vi của nó,

do đó, hoàn toàn có thể chuyển tiếp thông điệp đến vị trí mong ước Ngoài

ra, khoanh vùng phạm vi của mạng không nhất thiết bị số lượng giới hạnbởi khoanh vùng phạm vi giữa những nút đơn lẻ ; nó chỉ hoàn toàn có thểđược lan rộng ra bằng cách thêm nhiều nút hơn vào mạng lưới hệ thống.-Nhược điểm: Tiêu thụ nguồn năng lượng cho những nút tiến hành tiếp thịquảng cáo đa bước thường cao hơn so với những nút không có năng lựcnày, thường làm hạn chế tuổi thọ pin Ngoài ra, khi số lượng những bướctruyền thông tin đến đích tăng lên, thời hạn để gửi thông điệp cũng tănglên Giá thành cao

Kết luận:

Từ các đặc điểm trên => chọn mô hình mạng sao(Star) cho dự án

2. Các công nghệ truyền thông không dây.

Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến

15m-100m1km-10km 10m

10kbps-50kbps

54Mbps-1.3Gbps

Upto 200kbps

250Kbps

Mesh Star Tree, Star,

MeshDevice in network 8(BLE 4.2)

+ Không cần dùng dây cáp nên rất gọn gàng

+ Không làm ảnh hưởng sức khỏe con người

+ Khả năng bảo mật cực cao Do chỉ là mạng nội bộ và kín nên rất khó để bị nghe lén,

ăn cắp thông tin

+ Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vòng 10m (ở điều kiện hoàn hảo) mà không cần tiếp xúc trực diện (hiện nay có loại Bluetooth kết nối lên đến 100m)+ Người dùng có thể dùng tai nghe Bluetooth để nghe điện thoại trong lúc lái xe.+ Chi phí thấp

+ Tốn ít năng lượng (0.3mAh cho chế độ chờ và tối đa 30mAh trong chế độ truyền dữliệu)

+ Không gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác

+ Khả năng tương thích cực cao giữa các thiết bị

Nhược điểm:

+ Tốc độ thấp (tối đa chỉ khoảng 720kbps)

+ Kết nối có khi bị yếu nếu có nhiều vật cản

+ Thời gian thiết lập lâu (nhất là với các phiên bản đời cũ)

b) LoRa

Ưu điểm:

+ Phủ sóng rộng vài chục km

+ Hai lớp bảo mật mã hóa AES: mạng lớp và phục vụ cho các ứng dụng

+ Không bị giới hạn lượng tin nhắn trong ngày

+ Chỉ bằng một gateway LoRa đơn thì có thể kết nối ngàn thiết bị đầu cuối

+ Nhờ cảm biến công suất thấp nên bảo trì tuổi thọ pin cho các thiết bị

+ Tần suất hoạt động là miễn phí, không cần cấp chi phí trả trước

Nhược điểm:

+ Có thể nhiễu sóng với tần số mở hay khi ứng dụng vào thực tế thi

+Công nghệ Lora có thể bị nhiễu sóng hoặc được dữ liệu được truyền có tốc độ thấp hơn.

+ Tải trọng giới hạn ở mức 100 byte

c) Zigbee

Ưu điểm:

+ Dễ dàng lắp đặt

+ Kết nối được với internet

+ Tiết kiệm năng lượng

+ Khả năng mở rộng cực lớn: Các thiết bị cùng hệ thống sẽ có thể kết nối với nhau tạo nên 1 vùng phủ sóng cực lớn

+Sử dụng mã hóa AES-128 mang đến độ bảo mật cao

+Dễ dàng mở rộng: ZigBee có thể mở rộng tới 65.000 thiết bị trong cùng một hệ thống

+ZigBee có thể hoạt động ổn định trong khu vực có mật độ tín hiệu dày đặc và có nhiều tín hiệu gây nhiễu nhờ khả năng đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng lượng tiếp nhận và đánh giá kênh rõ ràng

Nhược điểm:

+ Không thể phủ rộng hết toàn bộ diện tích quá rộng, cần một thiết bị ZigBee Repeater để tăng độ phủ sóng

+ Khả năng xuyên tường kém

+ Độ ổn định không bằng thiết bị đi dây

d) Wifi

Ưu điểm:

+Có thể cho phép kết nối nhiều thiết bị cùng lúc

+Có thể điều khiển ở khoảng cách xa

+Chi phí khá thấp

Nhược điểm:

+Độ bảo mật không cao

+Phạm vi bị giới hạn trong khoảng 100-150 feet, khả năng đâm xuyên vật thể kém+Tần số hoạt động của wifi dễ gây cản trở các sóng điện từ khác

Mô hình mạng của hệ thống

4. Lựa chọn linh kiện phần cứng

Active: 1.5mA Stanby: 100µAActive: 0.2mA Stanby: 45µAActive:

Woking mode active: 4.5-36mA

sleep: 3.5mA-22mA

stop: 14-24µA

standby: 2µA

active: 20mA-68mAlight-sleep: 0.8mAdeep-sleep: 10µA-150µAhibernation: 5µA

active: 170mAlight-sleep:

15mA-0.9mAdeep-sleep:

20µA

Active: 0.3mAPower down:0.1µAPower save: 0.8µA

5 Giao thức MQTT, HTTP.

5.1 Giao thức MQTT

Định nghĩa: MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

là giao thức truyền thông điệp (message) theo mô hình publish/subscribe (cung cấp / thuê bao), được sử dụng cho các thiết bị IoT với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định Nó dựa trên một Broker (tạm dịch là “Máy chủ môi giới”) “nhẹ” (khá ít xử lý) và được thiết kế có tính mở (tức là không đặc trưng cho ứng dụng cụ thể nào), đơn giản và dễ cài đặt.

Tính năng, đặc điểm nổi bật:

o Dạng truyền thông điệp theo mô hình Pub/Sub cung cấp việc truyền tin phân tán một chiều, tách biệt với phần ứng dụng.

o Việc truyền thông điệp là ngay lập tức, không quan tâm đến nội dung được truyền.

o Phần bao bọc dữ liệu truyền nhỏ và được giảm đến mức tối thiểu

để giảm tải cho đường truyền.

Cơ chế hoạt động của MQTT theo mô hình Pub/Sub

o Tính chất và những đặc điểm riêng:

Tính chất:

+ Space decoupling( Không gian tách biệt)

+ Time decoupling (Thời gian tách biệt)

+ Synchronization decoupling (Sự đồng bộ riêng rẽ) Đặc điểm riêng:

+ MQTT sử dụng cơ chế lọc thông điệp dựa vào tiêu đề (subject-based)

+ MQTT có một tầng gọi là chất lượng dịch vụ (Quality of Services – QoS) Nó giúp cho dễ dàng nhận biết được là message có được truyền thành công hay không.

o Cơ chế tổng quan

MQTT hoạt động theo cơ chế client/server, nơi mà mỗi cảm biến là một khách hàng (client) và kết nối đến một máy chủ, có thể hiểu như một Máy chủ môi giới (broker), thông qua giao thức TCP (Transmission Control Protocol) Broker chịu trách nhiệm điều phối tất cả các thông điệp giữa phía gửi đến đúng phía nhận.

MQTT là giao thức định hướng bản tin Mỗi bản tin là một đoạn rời rạc của tín hiệu và broker không thể nhìn thấy Mỗi bản tin được publish một địa chỉ, có thể hiểu như một kênh (Topic) Client đăng kí vào một vài kênh để nhận/gửi dữ liệu, gọi là subscribe Client có thể subscribe vào nhiều kênh Mỗi client sẽ nhận được dữ liệu khi bất kỳ trạm nào khác gửi dữ liệu vào kênh đã đăng ký Khi một client gửi một bản tin đến một kênh nào đó gọi là publish.

o Kiến trúc thành phần

Thành phần chính của MQTT là Client (Publisher/Subscriber), Server (Broker), Sessions (tạm dịch là Phiên làm việc), Subscriptions và Topics.

MQTT Client (Publisher/Subscriber): Clients sẽ subscribe một hoặc nhiều topics để gửi và nhận thông điệp từ những topic tương ứng.

MQTT Server (Broker): Broker nhận những thông tin subscribe (Subscriptions) từ client, nhận thông điệp, chuyển những thông điệp đến các Subscriber tương ứng dựa trên Subscriptions từ client.

Topic: Có thể coi Topic là một hàng đợi các thông điệp, và có sẵn khuôn mẫu dành cho Subscriber hoặc Publisher Một cách logic thì các topic cho phép Client trao đổi thông tin với những ngữ nghĩa đã được định nghĩa sẵn Ví dụ: Dữ liệu cảm biến nhiệt độ của một tòa nhà.

Session: Một session được định nghĩa là kết nối từ client đến server Tất cả các giao tiếp giữa client và server đều là 1 phần của session.

Subscription: Không giống như session, subscription về mặt logic là kết nối từ client đến topic Khi đã subscribe một topic, Client có thể nhận/gửi thông điệp (message) với topic đó.

.2 Giao thức HTTP

Http là chữ viết tắt của HyperText Transfer Protocol (giao thức truyền tải siêu văn bản) Đây là một giao thức ứng dụng được sử dụng thường xuyên nhất trong bộ các giao thức TCP/IP (gồm một nhóm các giao thức nền tảng cho internet)

Http hoạt động dựa trên mô hình Client (máy khách) – Server (máy chủ) Các máy tính của người dùng sẽ đóng vai trò làm máy khách (Client) Sau một thao tác nào đó của người dùng, các máy khách sẽ gửi yêu cầu đến máy chủ (Server) và chờ đợi câu trả lời từ những máy chủ này

Hoạt động của HTTP:

Dữ liệu HTTP truyền trên giao thức TCP, đảm bảo độ tin cậycủa việc phân phối và chia nhỏ các yêu cầu và phản hồi dữ liệu lớn thành các phần mạng có thể quản lý được

Đây là cách nó hoạt động: lúc đầu, client gửi một gói SYNđến Server và sau đó Server sẽ phản hồi với gói SYN-ACK

để xác nhận việc nhận thành công Tiếp theo, Client lại gửimột gói ACK, bao gồm một thiết lập kết nối – điều này cũngthường được gọi là bắt tay 3 bước Ngoài ra, Client gửi mộtyêu cầu HTTP đến Server để tìm tài nguyên và đợi nó phảnhồi một yêu cầu Sau đó webserver sẽ xử lý yêu cầu, tìmtài nguyên và gửi phản hồi đến Client Nếu Client khôngyêu cầu thêm tài nguyên, nó sẽ gửi gói FIN để đóng kết nốiTCP

.3 So sánh MQTT và HTTP

- Thiết kế và gói tin:

MQTT là trung tâm dữ liệu trong khi HTTP là trung tâm tài liệu HTTP là giao thức đáp ứng yêu cầu cho máy tính của máy

khách và không phải lúc nào cũng được tối ưu hóa cho thiết bị

di động Những lợi ích chính của MQTT trong các điều khoản