Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Thiết kế Module và xây dựng giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp chính xác

Trong dé tài này, chúng ta sẽ tập trung vào việc thiết kế các nút cảm bién không dây và lập trình các giao thức truyền nhận dữ liệu cho các nút cảm biến không dây từ lớp vật lý đến lớp M

Trang 1

LE QUANG TAN

THIET KE MODULE VA XAY DUNG GIAO THUC

TRUYEN NHAN DU LIEU TRONG MANG

CAM BIEN KHONG DAY UNG DUNG TRONG

NONG NGHIEP CHINH XAC

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã sô: 60520208

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 6 năm 2016

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HOC BACH KHOA - ĐHQG HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Đại học Bách Khoa, DHQG Tp.HCM ngày tháng năm 2016.

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành

sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa

il

Trang 3

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Quang Tấn MSHV: 13461248

Ngày, tháng, năm sinh: 09/03/1990 Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 60520208

I TÊN DE TÀI: THIẾT KE MODULE VÀ XÂY DỰNG GIAO THỨC TRUYEN

NHAN DU LIEU TRONG MANG CAM BIEN KHONG DAY UNG DUNG TRONG

NONG NGHIEP CHINH XAC

H NHIEM VỤ VA NOI DUNG: Thiết kế phan cứng cho nút cảm biến, xây dựng giao

thức truyên nhận không dây giữa các nút và ứng dụng trong nông nghiệp chính xác

HI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016

V CAN BỘ HƯỚNG DAN:

1.PGS TS Đặng Mậu Chiến

2.TS Võ Qué Sơn

Tp HCM, ngày20 tháng 06 năm 2016CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS VO QUE SƠN TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

TRUONG KHOA ĐIỆN — ĐIỆN TỬ

TS DO HONG TUẦN

Trang 4

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thay Dang Mậu Chiến — Giám đốc Phòng thínghiệm Công nghệ Nano và thầy Võ Qué Sơn — Giảng viên trường dai học Bách Khoa —

DHQG TPHCM đã tận tinh hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa luận

đúng thời hạn.

Em cũng xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy trong ngành Kỹ thuật Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa đã nhiệt tình giảng dạy và cung cấp những kiến thức quý báu

-để em có thể hoàn thành tốt khóa luận tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả các bạn, các anh trong Phòng thí nghiệm Nano đãđộng viên, góp ý và trao đổi hỗ trợ cho em trong suốt thời gian vừa qua

Vì thời gian thực hiện dé tài có hạn, trìh độ bản thân còn nhiều hạn chế, cho nên trong

dé tài không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong được sự góp ý quý báu của tất cảcác thay cô giáo cũng như các bạn để dé tài của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Trang 5

Hiện nay, các hướng nghiên cứu chính về mạng cảm biển không dây trên thế giới chủyếu vào việc tối ưu phần cứng cho các mô-đun không dây của các nút cảm biến va đề xuấtcác giao thức mạng cho từng ứng dụng cụ thể trong đời sống [1][2] Các mô-đun cảm biến

không dây thương mại như TelosB [3] hay Zolertia [4] đều có giá khá cao trong khi tầm

đọc thực tế (khoảng vài chục mét) vẫn chưa được tối ưu do thiết kế dựa trên các mô-đun

vô tuyến (Radio Frequency) và các vi điều khiển thể hệ cũ với khả năng lập trình không

cao [2].

Trong khi đó, các ứng dụng về nông nghiệp tại Việt Nam đòi hỏi số lượng lớn dun cảm biến giá thành thập để có thé thu thập dữ liệu môi trường nhanh chóng và chínhxác Theo đó, việc tự thiết kế các mô-đun cảm biến không dây dựa trên các dòng vi điềukhiển mới sẽ giúp thúc day việc làm chủ công nghệ cho các doanh nghiệp trong nước đồngthời tối ưu được các chỉ tiêu về tầm đọc, giá thành cho các ứng dụng trong nông nghiệp

mô-chính xác tại việt Nam.

Trong dé tài này, chúng ta sẽ tập trung vào việc thiết kế các nút cảm bién không dây

và lập trình các giao thức truyền nhận dữ liệu cho các nút cảm biến không dây (từ lớp vật

lý đến lớp MAC) [5][6], không đi sâu vào lớp Network (thực hiện routing) vì hướng đếnứng dụng thực té với số nút không quá lớn, dữ liệu không nhiều và topo mạng không phứctạp (sơ đồ hình cây).Vi xử lý STM32L152 [7], module RF MRF24J40 [8], cảm biếnSHT11 sẽ được lập trình bang ngôn ngữ C với trình biên dịch KeilC Sau đó sẽ được đođạc thực tế tối ưu các chỉ số công suất, tầm đọc, PER, RSSI/LQI [9]

Trước khi đi vào tim hiểu các vấn dé trên, luận văn cũng trình bay một số nét cơ ban,khái quát về mạng cảm bién không dây và những van dé cân quan tâm khi thiết kế nút cảm

biên cũng như xây dựng mạng cảm biên này.

V

CBHD: PGS TS BANG MAU CHIEN - TS VO QUE SƠN HVTH: LE QUANG TAN

Trang 6

Today, the main research for wireless sensor network in the world primarily on hardware optimized for the wireless module of the sensor node and network protocols recommended for each specific application in life [1][2] The modular commercial wireless sensor as TelosB [3] or Zolertia [4] have relatively high prices while the actual working range (several tens of meters) has not yet been optimized by designing based on the Radio Frequency module and the older generation microcontrollers for programming ability is not good [2].

Meanwhile, agricultural applications in Vietnam requires large amount sensor modules can cost less to collect environmental data quickly and accurately Accordingly, the design of the wireless sensor modules base on new generation microcontrollers will help promote the technology employed for domestic enterprises and optimal working range of indicators, cost for applications in precision agriculture in Vietnam.

In this project, we will focus on the design of wireless sensor nodes and programming the data transfer protocol for wireless sensor nodes (from the physical layer to the MAC layer) [5][6], without gomg into the network layer (perform routing) as directed to practical applications with the nodes are not too much, not much data and not the complex network topology (tree diagrams) STM32L152 MCU [7], MRF24J40 RF module [8], SHT11 sensor will be programmed in the C language compiler with KeilC Then the actual measurement will be optimum capacity indicators, working range, PER, RSSI / LQI [9].

Before going to explore these requirements, the thesis also presents some basic features, overview of wireless sensor networks and the issues to consider when designing sensor nodes as well as building sensor networks present.

Vi

CBHD: PGS TS BANG MAU CHIEN — TS VO QUE SƠN HVTH: LE QUANG TAN

Trang 7

Tôi xm cam đoan: Luận Văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không có sự

sao chép kết quả trong bat cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trước đây Luận Vănđược thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thay PGS TS Dang Mau Chién va thay

TS V6 Qué Son

Các số liệu và kết luận nghiên cứu được trình bày trong Luận Văn hoàn toàn trung

thực Luận Van có tham khảo và sử dụng các tài liệu được đăng tải trên các hội nghị, tap

chí, bài báo và trang web được dé cập trong phan tài liệu tham khảo

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên.

Trang 8

1.2 Đóng góp của luận văn - - - - - S2 HH ng re 3

Chương 2 Tong quan về mạng cảm biến không GAY - 2 s- s2 se sse<esesss«e 4

2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dâyy - 225 SE+ES22E2EEEE2EEEE2EEEEErrrrkrkrred 42.1.1 Khái niệm về mạng cảm bién không dâyy ¿5 522222 Sx2E22xczzzxcrrcee2 42.1.2 Đặc điểm mạng cảm biến không dâyy - ¿5-5 522222 222E2E2EE2E2E 22x crrrkrre2 52.13 Yêu cầu của mạng cảm biến không dâyy - - ¿25522222 x2E£z2xczzzxrrecee2 62.14 Các ứng dụng mạng cảm biến không dây -.- ¿5-5 2++222 x+E£z2Eczzxcrecee2 72.2 _ Câu trúc mạng cảm biẾn - + 5£ StS2SE2E92121551212112121111121111217111 111111 rrk 922.1 Gidi thiệu vẻ cau trúc mạng cảm biẾNn - c n St SH T 112111 1111111111115 txe 92.2.2 _ Một số câu trúc WSN phổ DIN cece cccses ess ssesessesessesesessesssesesseseseesesneees 10

23 Giao thức điều khiển đa truy cập đường truyền (MAC protoeol) - 10

2.3.1 Khái niệm về giao thức MAC trong mang cảm biến không dây 102.3.2 _ Một số giao thức MAC 52c 2121 21212212122121111 1121111112112 te 12

Chương 3 Thiết kế phần cứng nút cảm biến không dây - 5 5-2 <sesss«e 16

3.1 Các thành phân của nút cảm biến không dây - ¿2-52 22sS2x2E£E2xczzxersrre2 l63.1.1 Bộ xử lý nhúng năng lượng thấp - 2E + 2212 SE 2122212121521 221cc 163.1.2 BO thu la 183.143 Che cảmbiẾn cọ HH HH Hàn Hà Hà Ha 203.1.4 _ Nguồn năng lượng -¿-:- 5:21 2223 222192121211 2121 112121121211 1121 01111 223.1.5 Giao tiếp với máy tính ¿+ 52292221 EE212E212121215211121 1212111211 te 223.2 _ Thiết kế chế tạo nút cảm bién không dâyy ¿- 5: 5225 S22E£E2E2EEE2Ecrxzxrsrree 23

Trang 9

4.2 Thiétké giao thức truyén nhận giữa các nút— Lớp MAC -+ 5552552: 294.2.1 Sơ đồ thử nghiệm giao thức truyền nhận dữ liệu -2- + +25 25s: 30A2.2 Lưu đồ giải thuật :- 5-5: 2522322 19212152121112112121121211121 01111 32

43 Thiết kế giao diện thu thập dữ liệu của mang cảm biến — Lớp ứng dụng 37

Chương 5 Do đạc và đánh giá các thông số quan trọng của nút cảm biến không dây 41

5.1 _ Chỉsố cường độ tín hiệu thu (RSSD) 5-2 °5£+E+E£E2E£E£EE£E£ESEEEEEEeEererrkrkee 425.2 _ Chỉ số chat lượng đường truyén (LQ]) 5-52 22222222 SE2E£E£E E212 EEEEEerrkrrrkee 44

53 Tỉ lệ nhận gói thành công (PRR) HH TH ng ng ng ke 44

Chương 6 Kết luận và hướng phat triỄn - << se sse sex seseseeesesssee 46

6.I KẾtluận Ă cv th nh Heo 466.2 Hướng phát triỂn ¿1-5221 S212EE21212121212121112111211111121 112111 re 47

Phụ lục: hướng dẫn cách cài đặt và đo đạc các chỉ số của nút cảm biến không dây 48

Tài liệu (ham Khao o 5 s- 5 5 5< s9 5 2.0 TH 0 0 4.000 000090 52

ix

Trang 10

Hình 1-1: Ứng dung WSN trong nông nghiệp thông minh [13] - 2-5: 252 s=zs+25+2 l

Hình 2-1: Mô hình các lớp trong WSN LH HH TH ng HH nh 5

Hình 2-2: Sơ đồ một WSN hoàn chỉnh [21] 5-5 256 E £EEEE2E£E£EEEE£EEEEEEEEEEEerrkrrerered 7

Hình 2-3: Ứng dung WSN trong cảnh báo cháy rừng [2Ñ] - 2-5-5222 2xczzEczxerxee 8Hình 2-4: Ung dung WSN trong quân sự [29] c.cccccccccccsesscssessssestssesessessssussessssssesissesesseeseeess 8

Hình 2-5: Câu trúc mang WSN đơn giản [30] + 2 1S 22121 EE2E2121E1212111 121212 ce 9

Hình 2-6: CSMA/CD - 5c c2 1 122121211212 2212111215 011111211 012111 1112101111011 11kg 12

Hình 2-7: Nút An và nút hiện -¿- + 2S 221 E921 12151511 211111212121117111111110111 1111011 13

Hình 2-8: Giao thức B-MAC woe ccccccceccccceecccceescccceeeccsseussscsseescesseeseccsseuseccseugesccseeensees 14 Hình 2-9: Cao thức X-MÁC cccceecccceecccceesscccceeseecsseusescsseescesseeeccsseuseceseueesccseeesees 15

Hình 3-1: Sơ đồ khối cơ bản một nút WSN - 522221 3 2 121111212111211 0121211111 rre l6

Hình 3-2: MCU STIM32CT6 - 5c S11 E121 12152121111 212111111111115011121101211 01212110 1 2e 17

Hình 3-3: Sơ đồ khối chức năng của STM32L152C§T6 [3] ] 5-5-5252 55£+£££zsz£szscx2 18Hình 3-4: Hinh anh thực tế MRF24.J40IMD - 2-5-2 2ESE 3 2121815 1211111 0121111111111 te 19Hình 3-5: So đồ khối chức năng của mô-đun MRF24J40MD [31] - 2 2 2 s+s+s+xzse2 20

Hình 3-6: Sơ đồ mạch mô- đun thu phát vô tuyến [3 Í | +2 + +=££+£+E+££££+£+Ee£erezeezeced 20

Hình 3-7: Hình ảnh thực té cảm biến SHT11 +: 52 2+E+E+E££E2E£E£EE£E+E+EeEErErkrrrrsred 21Hình 3-8: Sơ đồ chân S HT [ - ¿E222 S22E2E5E5 1215111212111 211121017101111110111 1110 E1r 21Hình 3-9: Sơ đồ kết nôi SHT11 với MCU - ¿5-5-2222 E2E2EEE 1212122121215 te 21Hình 3-10: Sơ đồ thiết kế mach cho mô- đun cảm biến không dây - 2-2-5: 25+: 23Hình 3-11: Layout của nút cảm biẾn - - ¿5-5561 222 2E 32 1215212121211121211212111 11212121 ke 24Hình 3-12: Nút cảm biến đã thiết KẾ .- 5-5221 E921 1215E1112121821212111210111 110 re 25

X

Trang 11

Hình 4-3: Mô hình thử nghiệm giao thức truyền nhận dữ liệu

Hình 4-4: Hoạt động của giao thức theo thời

gian -Hình 4-5: Lưu đồ giải thuật nút cảm biến 5-5255:

Hình 4-6: Lưu đồ giải thuật nút Cluster head

-Hình 4-7: Lưu đồ giải thuật nút Gateway -5-c555c:

Hình 4-8: Câu trúc của chương trình thu thập dữ liệu

Hình 4-9: Giao diện chính chương trình - 5 << ++-<<2

Hình 5-1: Cau hình đo RSSI/LQI/PRR 2-5-5 252cc

Hình 5-2: Câu hình đo thực tẾ ¿- 5: SE 28181232551 E2E2EEEEsxei

Hình 5-3: Giá trị RSSI (dBm) theo khoảng

cách Hình 5-4: Giá trị LỌI theo khoảng cách . - «<< << «+2

Hình 5-5: Tỉ lệ nhận gói thành công theo khoảng cách

Hình 6-1: Mô hình các lớp trong WSN eeeeeiekẰ

xi

Trang 12

CA Collision Avoidance

CCA Clear Channel Assessment

CD Collision Detection

CSMA Carrier Sense Medium Access

loT Internet of Things

LOI Link Quality Indication MAC Media Access Control

MCU Micro Control Unit

PA/LNA Power Amplifier/Low Noise Amplifier PRR Packets Reception Ratio

RAM Random Access Memory

RF Radio Frequency RFID Radio Frequency Identification

ROM Read Only Memory

RSSI Received Signal Strength Indication

TPT Total Packets Transmitted TPR Total Packets Received

WSN Wireless Sensor Network

XI

Trang 13

Chuong1 Giới thiệu

11 Giới thiệu về mạng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác

Mạng cảm biến không dây gồm các mô-đun cảm biến nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng,giao tiếp thông qua các kết nối không dây, có khả năng làm việc trong môi trường tự nhiênvới nhiệm vụ thu thập các thông số của môi trường xung quanh và tập trung dữ liệu về một

máy chủ trung tâm để từ đó đưa ra những xử lý phù hợp theo sự biến đổi của môi trường

mà người quản lý mong muốn [10][11] Thông qua mang cảm biến không dây, ngườinông dân có thể thu thập được các thông số môi trường như nhiệt độ và độ ầm không khí,

ánh sang, độ 4m đất Các thông tin này được thu thập, lưu trữ và truyền tải băng mạng

không dây theo thời gian thực đến trạm quản lý để phân tích và xử lý Qua đó, người quản

lý sẽ xây dựng các giải thuật nhằm đưa ra các quyết định phù hợp để đáp ứng các yêu cau

về chất lượng cũng như năng suất của cây trồng, vật nuôi tại các vị trí cần thiết [12]

smart sensing

& monitoring

loud-based event and data

Trang 14

Việc ứng dụng mang cảm biến không dây dé quan lý trong nông nghiệp chính xác(bằng cách theo dõi theo thời gian thực các thông số như độ 4m của đất và độ sáng môitrường hoặc pH, nhiệt độ của môi trường nước ) sẽ làm giảm đáng kể chi phí dau tư choquy trình đồng thời lại có thể giúp tăng sản lượng cũng như đảm bảo độ đồng đều cho chat

lượng sản phẩm đầu ra Do đó, nhà nông có thể tiết kiệm được chi phí về nhân lực và vật

tư nông nghiệp Với các chính sách khuyến khích việc ứng dụng các thành tựu khoa học

kỹ thuật trong nông nghiệp hiện nay, mạng cảm biển không dây là một công nghệ hứa henbên cạnh công nghệ nhận dang băng sóng vô tuyến (Radio Frequency Identification) nhằmxây dựng chuỗi cung ứng nông sản hoàn chỉnh nhằm thúc day sự phát triển của ngànhnông nghiệp nước nhà trong bối cảnh các hiệp dinh thương mại tự do sắp sửa được thông

qua.

Với sự phát triển mạnh mẽ về số lượng các ứng dụng của mạng cảm biến không dây

trong đời sống con người như hiện nay, hướng nghiên cứu được nhiều sự quan tâm của các

nhà khoa học trên thé giới trong những năm gan đây là Internet of Things [14] Trong cácứng dụng của mạng cảm biến không dây, nông nghiệp chính xác (precision agriculture)[15] la một ứng dụng phù hợp với thực trang và điều kiện công nghệ tại Việt Nam Nôngnghiệp chính xác hoặc canh tác chính xác là kỹ thuật sử dụng chính xác các yếu tô canh

tác (nước, phân bón, thuốc trừ sâu ) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm cần can thiệp

để nâng cao sản lượng cũng như chất lượng của sản phẩm

Luận văn bao gồm 6 chương trong đó:

Chương 1: Giới thiệu khái và tính cấp thiết của dé tài, dé cập đến tầm quan trọng của

“Mạng cảm biến không dây” (WSN) trong các lĩnh vực của đời sống, và khả năng áp dụng

của công nghệ WSN trong nông nghiệp tại Việt Nam.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết giúp người đọc có những kiến thức về các khái niệm cơbản của WSN như các thành phân cơ bản, đặc trưng của từng ứng dụng cụ thể Bên cạnh

đó, một số loại “Giao thức đa truy cập đường truyền” (MAC Protocol) hiện nay cũng được

trình bày trong chương này.

Chương 3: Thiết kế nút cảm biến không dây cho ứng dụng nông nghiệp tại Việt Nam,khảo sát lựa chọn các thiết bị phan cứng cho module WSN như vi điều khiển, các m6-dun

2

Trang 15

thu phát sóng, các cảm biến thông số môi trường cụ thé và thiết kế hoàn chỉnh cho các nútcảm biến đáp ứng được yêu câu đặt ra trong đề tài.

Chương 4: Thiết kế firmware cho nút cảm biến và thiết kế phần mềm dựa trên giaothức truyền nhận dữ liệu ở lớp MAC Ngoài ra thiết kế chương trình thu thập dữ liệu với

một sô chức năng cơ bản.

Chương 5: Tập trung đo đạc, đánh giá thông số kỹ thuật của các nút cảm biến khôngdây đã thiết kế Kiểm tra hoạt động của mang cảm biến không dây theo giao thức truyền

nhận dữ liệu đã được thiết kế

Chương 6: Với những kết quả thu được, dé tài được tổng kết, nêu ra những ưu điểm

cùng hạn chế mà dé tài đang vướng phải đồng thời nêu lên một số ứng dụng va hướng phát

trién của dé tài.

Sau 6 chương trên, dé tài có viết thêm phan phụ lục về phương pháp đo đạc các thông

số RSSLLQI/PER đã nêu trong dé tài nhằm giúp cho người đọc có cái nhì cụ thé về các

kết quả đo trong luận văn

1.2 Dong góp của luận văn

Với luận văn này, cơ bản đã hoàn thành một mạng cảm biến không dây đơn giản, có

thể áp dụng vào những ứng dụng không đòi hỏi những yêu cầu phức tạp Và đây cũng có

thé là cơ sở để thực hiện nhiều ứng dụng khác trong thực té, đặc biệt trong tình hình còn

nhiều hạn chế như trong nước hiện nay

Đầu tiên, luận văn đã thực hiện thiết kế hoàn chỉnh nút cảm biến với các khả năng

cảm biển nhiệt độ, độ âm của không khí, trao đối dữ liệu với các nút khác và máy tính Có

thể mở rộng thêm các loại cảm biến hay module khác tùy vào ứng dụng

Với phan cứng đã thiết kế, luận văn đã hoàn thiện xây dựng giao thức trao dồi dữ liệu

giữa các nút theo một câu trúc mạng có định và tiết kiệm năng lượng

Cuối cùng, hoàn thành thiết kế phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính có khả năngthu thập, phân tích dữ liệu gửi từ các nút cảm biến Ngoài ra có thể dùng trong quá trình đo

đạc PER, hay LQI/RSSI giữa các nút.

3

Trang 16

Chuong2 Tong quan về mang cảm biến không dây

2.1 Khai niệm mạng cảm biến không dây

2.1.1 Khái niệm về mang cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là mạng liên kết các nút (nút) cảm biến không dây

có khả năng tự thu thập các thông số môi trường và truyền nhận dữ liệu với nhau bằngsóng vô tuyến (RF signal) Trong đó, các nút mạng thường là các (thiết bi) đơn giản, nhỏgon, giá thành thấp được phân bố với số lượng lớn trên một diện tích lớn, sử dụngnguồn năng lượng hạn chế (pm), có thời gian hoạt động lâu dài (vài tháng đến vài năm)

và có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt (chất độc, 6 nhiễm, nhiệt độ )

Các nút giao tiếp ad-hoc với nhau và truyền dữ liệu về trung tâm (base station) mộtcách gián tiếp bằng kỹ thuật multi-hop Lưu lượng (traffic) dữ liệu cần truyền giữa cácnút trong mạng cảm biến không dây là thấp và không liên tục Do vậy, các sensor nútthường có nhiều trạng thái hoạt động (active mode) và trạng thái nghỉ (sleep mode) khácnhau để tiết kiệm năng lượng Giao thức MAC trong WSN là một van dé rất quan trọng

và cũng được quan tâm khá nhiều Các công trình nghiên cứu cũng đa dạng từ đánh giá sosánh các giao thức MAC [16][17], tối ưu công suất tiêu thụ của WSN [18] đến cải tiễngiao thức MAC từ các giao thức truyền thống Ngoài ra vân đề định tuyến trong WSN

cũng có nhiều bài viết như mô phỏng đánh giá các giao thức routing [19], hay đề nghị

một giao thức mới [20].

Thông thường thời gian 1 nút ở trạng thái nghỉ lớn hơn ở trạng thái hoạt động rất

nhiều nên các đặc trưng cơ bản dé phân biệt mạng cảm biển và mạng không dây thông

Lưu lượng dữ liệu.

VV VV V WV Năng lượng tiêu thụ va thời gian ở trạng thái hoạt động (active mode).

4

Trang 17

2.1.2 Đặc điểm mang cam bién không dây

Một nút trong mang WSN thông thường bao gồm 2 phan:

> Phan cảm biển (sensor) hoặc điều khiển

> Phan giao tiếp vô tuyến (Radio frequency transceiver)

Do số lượng nút trong WSN là lớn và không can các hoạt động bao trì, nên yêu cau

thông thường đối với 1 nút mạng là giá thành thấp và kích thước nhỏ gọn (diện tích bề

mặt vai đến vài chục cm2) Do giới hạn về nguồn năng lượng cung cấp (pin), giá thành vàyêu cầu hoạt động trong một thời gian dài, nên van dé tiêu thụ năng lượng là tiêu chí thiết

kế quan trọng nhất trong mạng cảm biến

| Application

Transport Layer Zigbee, 6LOWPAN

Network Layer

IEEE Std 802.15.4 Media Access Control (MAC)

| Physical Layer

Hình 2-1: Mô hình các lớp trong WSN

- Lép vật lý (physical layer): Gồm các kỹ thuật điều chế tín hiệu số và các kỹ

thuật mã hóa sửa sai cho kênh truyền nham cải thiện tỉ số tín hiệu trên nhiễu ởthiết bị thu và giảm ảnh hưởng fading của kênh truyền

- Lop MAC (Medium Access Control): sử dụng các kỹ thuật đa truy cập đường

truyền với mục đích giảm năng lượng tiêu thụ và chống đụng độ khi phát dữliệu giữa các nút cảm biến lân cận

5

Trang 18

- Lớp định tuyến (Routing layer): giao thức định tuyên quan tâm đến năng

lượng “power aware”, định tuyến địa lý (geography routing) để các nútmạng có khả năng tự điều chỉnh, tự câu hình

- Lớp giao vận (Transport layer): duy trì dòng số liệu khi lớp ứng dụng của

mang cảm biến không dây yêu cau

- Lớp ung dung (Application layer): Tùy vào nhiệm vụ của cảm biến mà các

kiểu phần mềm được xây dựng và sử dụng trên lớp ứng dụng này

2.1.3 Yêu cầu của mạng cảm biễn không dây

Năng lượng tiêu thụ thấp, thời gian hoạt động dài:

WSN bao gồm rất nhiều nút mạng nhỏ, được đặt trong môi trường có diện tích lớn

Để nút mạng có thể hoạt động, chúng ta cần phải cung cấp đủ năng lượng Do yêu cầucủa các ứng dụng thực tế, các nút mang can phải tiêu thụ it năng lượng nhất có thể nhămtôi đa thời gian hoạt động của mỗi nút mạng (có thể lên tới nhiều năm trong các ứngdụng thực tế) Năng lượng dé cung cap cho mỗi nút mạng có thê lay ở nhiều nguồn, ví

dụ như dùng pin, năng lượng mặt trời năng lượng RF thu được từ sóng vô tuyến, năng

lượng rung động cơ học

Phần mêm tương thích với phần cứng:

Việc chọn đúng vi điều khiển sẽ làm hệ thống hoạt động ôn dinh, tối ưu chi phí cũngnhư cải thiện khả năng mở rộng số nút mạng trong các ứng dụng thực tế Trong phạm vi

dé tài này, vi điều khiển STM32L152 được lựa chọn làm vi điều khiển để thiết kế các nút

cảm biến trong mạng WSN

Các nút mạng có khả năng tự định tuyến và cấu hình:

Việc tự định tuyến và cau hình giữa các nút trong WSN sẽ giúp cho việc ứng dụngthực tế thêm linh hoạt và tang thêm tính năng cho mang cảm biến không dây

Bao mật:

Van dé bảo đảm khả năng giữ bí mật thông tin thu thập được là rất cân thiết, đặc biệt

trong các ứng dụng về y khoa hoặc quân sự Do đó, các giải thuật mã hoá dữ liệu là mộttrong các biện pháp an toàn để bảo mật thông tin trong các ứng dụng thực tế

Khả năng thu thập dữ liệu:

Đối với WSN, tốc độ thu thập dữ liệu và độ chính xác của các nút cảm biến rất quantrọng Thông tin thu thập cần phải nhanh chóng, chính xác vì điều này sẽ ảnh hướng đến

6

Trang 19

các tinh năng như tối ưu năng lượng cũng như bảo mật cho hệ thống nhất là trong các

ứng dụng y khoa và quân sự.

2.1.4 Các ứng dụng mang cảm biễn không dây

Ứng dụng mạng cảm biến còn rất nhiều và nó thực sự chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng

tượng của con người Với sự hội tụ của Internet, mobile, mạng cảm biến không dây đangngày càng phát triển mạnh mẽ vượt trội hơn bao giờ hết

meter

Hình 2-2: Sơ đồ một WSN hoàn chỉnh [21]

Mang cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) đã được ứng dụngtrong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như quốc phòng [22], y tế [23] , môi trường [24][25],nông nghiệp [26][27] Cu thể, các mạng cảm biến không dây đã được dùng cho việc rà

soát bom min, khí độc hại, cảnh báo xâm nhập của quân dich; chống đột nhập; giám sát

chu trình và sản phẩm trong sản xuất công nghiệp; cảnh báo cháy nổ, nhà thông minh;kiểm tra giám sát sức khỏe bệnh nhân từ xa; kiểm soát lưu lượng giao thông; giám sátmức độ ô nhiễm môi trường, dự báo thời tiết, khí hậu: đo nhiệt độ/độ âm môi trường, điềukhiển tưới tiêu tự động theo độ ầm không khí, theo doi sự di chuyển của động vật hoang

da

7

Trang 20

Hình 2-3: Ung dụng WSN trong cảnh báo cháy rừng [28]

Hình 2-3 là một ứng dụng điển hình của WSN trong việc quản lý cháy rừng Trongnhững điều kiện khó khăn như không gian phân bố rộng, không thể bảo trì kiểm tra

thường xuyên, môi trường khăc nghiệt (hỏa hoan) thi WSN thé hiện rõ ưu điểm của nó

WSN Kết hợp với các hạ tầng khác như an-ten parabol, vệ tinh tạo thành một hệ thốnghoàn chính có độ tin cậy cao, giúp con người quản lý trong một khu vực rat rộng lớn

COMMAND NODE

Nee

eo SENSOR se <

eo COMMAND NODE 4NODE NODE COMMAND COMMAND

NODE

Hình 2-4: Ứng dụng WSN trong quân sự [29]

Một trong những ứng dụng đầu tiên của WSN h trong quân sự được thê hiện trong

Hình 2-4 Từ những năm dau của chiến tranh hiện đại, lực lượng quân đội các nước đã sử

8

Trang 21

dung những loại cảm biến đơn giản như cảm bién độ rung dé phát hiện sự di chuyển của

quân địch, cho đến những ứng dụng phức tạp hiện đại ngày nay

2.2 Câu trúc mạng cảm biên

2.2.1 Giới thiệu về cau trúc mạng cảm biên

Đối với mạng cảm biến, các node cảm biến được phân bố trong môi trường với mật

độ đủ để quan sát được các thay đổi của môi trường và đồng thời đảm bảo được việc thôngbáo cho người giám sát biết sự thay đổi ấy khi cần

Câu trúc cho mạng WSN cũng tương tự như WLAN nhưng phức tạp hon WLAN vì số

lượng các nút cũng như phạm vi hoạt động là khá lớn Các dạng cấu hình trong mạngWSN còn phải đáp ứng được các hàm kết nối của từng dạng để đảm bảo mạng hoạt động

Thông thường, mô hinh mang cảm biến không dây có dạng như sau:

Hình 2-5: Câu trúc mang WSN đơn giản [30]

Do giới hạn khả năng tính toán của từng nút mạng cũng như để tiết kiệm năng lượng,

WSN thường sử dụng các phương pháp tính toán và xử lý tín hiệu phi tập trung (giảm tải

cho nút gần hết năng lượng) hoặc gửi dữ liệu cần tính toán cho các trạm cơ sở (có khảnăng xử lý tín hiệu mạnh va it ràng buộc về tiêu thụ năng lượng)

9

Trang 22

Một số chuẩn WSN được biết đến là MANET (Mobile ad-hoc Network) và Zigbee

(dựa trên lớp vat lý và lớp MAC của chuẩn WPAN 802.15.4)

2.2.2_ Một số cấu trúc WSN pho biến

Câu trúc WSN thường có 2 dạng chủ yếu như sau:

> Câu trúc dạng lưới kết nối đa đường giữa các nút cảm biến, sử dụng địnhtuyến động Trong cấu trúc này, các nút cảm biến bình dang nhau về nhiệm vụ

và kiến trúc phần cứng

> Cấu trúc kết nối dạng điểm — điểm hay đa điểm — điểm, chủ yêu là các liên kếtđơn (single - hop) giữa các nút, dùng giao thức định tuyến động Với cấu trúcdạng này, các nút có sự phân biệt về nhiệm vụ hoạt động, do đó cũng có sựkhác nhau về kiến trúc phân cứng

2.3 Giao thức điều khiến đa truy cập đường truyền (MAC protocols)

2.3.1 Khái niệm về giao thức MAC trong mạng cảm biễn không day

Giao thức là tập hợp các qui tắc, qui ước chung để cho 2 hoặc nhiều thiết bị có thểtruyền thông với nhau Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản cũng phải tuân theonhững qui tắc nhất định Do đó việc truyền thông tin trên mạng cũng cần phải có nhữngqui udc về nhiều mặt, từ cấu trúc của dữ liệu cho tới các giao thức gửi, nhận dữ liệu,kiểm soát hiệu qua và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cô Yêu cầu về xử lý vàtrao đổi thông tin của người sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn

Tập tất cả các qui tắc, qui ước đó được gọi là giao thức (protocol) mạng Các mạng có

thể sử dụng các giao thức khác nhau tùy lựa chọn của nhà thiết kế và yêu câu của người

sử dụng.

Một đặc điểm cơ bản của giao tiếp không dây là nó phải cung cấp một phương tiện

để chia sẻ Tất cả các giao thức điều khiển đa truy cập cho mạng không dây sử dụng

phương tiện thu phát sóng để đảm bảo hiệu quả sử dụng của băng thông chia sẻ Giao

thức MAC được thiết kế cho mạng cảm bién không dây có một mục đích thêm cho quản

lý hoạt động của bộ thu phát sóng để chuyển đổi năng lượng Như vậy trong khi giao

thức MAC truyền thống phải cân băng dau vào, trễ, và một số mỗi quan tâm khác thìgiao thức MAC của WSN đặt việc sử dụng năng lượng hiệu quả là môi quan tâm chính.

10

Trang 23

Giao thức MAC trong WSN cũng có phan giống với WLAN tuy nhiên do yêu cầu vềtiết kiệm năng lượng tối đa của các nút, WSN đưa ra các giải pháp để giải quyết việc tiết

kiệm năng lượng bằng các chế độ lập lịch thức, ngủ cho mỗi quá trình truyền và nhận dữliệu của mỗi nút

Quản lý năng lượng là 1 van dé thách thức trong các giao thức truyền thông mongmuốn trong mang WSN Việc lãng phí năng lượng xảy ra chủ yếu do xung đột (2 núttruyền xen vào tại cùng thời điểm), nghe lỏm (overhearing - 1 nút nhận 1 gói mà đích

đến không phải là nó), tăng chi phí gói tin điều khiển (control packet overhead) và lắng

nghe khi môi trường rỗi (idle listening) (sóng vô tuyến của 1 nút vẫn hoạt động thậm chíkhi không có dữ liệu để truyền hoặc nhận) Những van dé này có mặt trong tất cả các

mạng môi trường chia sẻ và nói chung được các kĩ thuật MAC khắc phục

Mục tiêu chính của giao thức lớp MAC là dé phân phát cho các kênh vô tuyên đượcchia sẻ trong số các nút cảm biến giống nhau và để đảm bảo răng không có 2 nút truyềnxen vào tại cùng thời điểm Bởi vì tiềm năng của nó cho việc tránh lãng phí năng lượngkhông cân thiết, MAC trong WSN đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu rộng

Các thuộc tinh quan trọng của giao thức MAC là:

> Tránh xung đột: nhiệm vụ cơ bản là điều khiển truy nhập môi trường

> Hiệu suất năng lượng: quan trọng nhất

> Tính mở rộng và tính thích nghi: dé thay đổi kich thước mạng, mật độ nứt và

topo mạng Số lượng các nút thay đổi theo thời gian

> Độ trễ (latency)

> Binh dang (fairness)

Các giao thức MAC có thé chia thành các loại khác nhau dựa trên các nguyên tắckhác nhau Một vài giao thức được tập trung với trạm gốc hoặc chủ nhóm làm điều khiểntruy cập; vài giao thức thì được phân phối, vài giao thức khác thì sử dụng 1 kênh đơn lẻ,vài giao thức khác thì sử dụng nhiều kênh, vài giao thức khác nữa thì sử dụng các kiểukhác nhau của truy cập ngẫu nhiên, vài giao thức khác thì sử dụng việc dành riêng là lập

chương trình Các giao thức đó cũng được tối ưu cho những điều khác như: năng lượng,

độ trễ, thông lượng, sự bình đăng, chất lượng và dịch vụ (QoS), hoặc hỗ trợ cho nhiềudịch vụ khác Phan dưới sẽ trinh bày một số giao thức MAC truyền thống va tối ưu hiện

nay.

11

Trang 24

2.3.2 Một số giao thức MAC

23.2.1 Giao thức Truy cập đường truyền cảm nhận sóng mang (Carrier Sense

Medium Access- CSMA)

Trong CSMA, một nút muốn truyền trước hết phải lắng nghe kênh để đánh giá nó córỗi không Nếu kênh rỗi, nút sẽ tiễn tới việc truyền Nếu kênh bận, nút sẽ đợi một chu kỳback-off ngẫu nhiên để có truyền lại

Chuẩn IEEE 802.3/Ethernet đã đưa ra giao thức cảm nhận sóng mang dò xung đột

CSMA/CD trong mang Ethernet Chế độ này hoạt động như CSMA thường nhưng trongquá trình truyền, nút đồng thời lắng nghe môi trường, nhận lại các dữ liệu gửi đi xem cóxung đột không Nếu phát hiện xung đột, nút sẽ truyền 1 tín hiệu nghẽn để các nút khácnhận ra và dừng việc gửi gói trong 1 thời gian ngẫu nhiên backoff trước khi cỗ gửi lại,tức là có khả năng dò xung đột nhưng vẫn không tránh được

Collsion Idle Pernod

fi |

Frame Frame Frame

coe a >

Tranmission Tranmis sion Tranmission Time

Penod Period Penod

Hinh 2-6: CSMA/CD Trong các mạng phức tap hơn như mạng không dây thi người ta dùng giao thức cảm

nhận sóng mang/tránh xung đột CSMA/CA Giao thức này có khả năng giải quyết van dénút ân, nút hiện và sẽ được trình bày chi tiết trong phan sau

A và C ân cho mỗi nút

12

Trang 25

Van dé nút hiện được thể hiện trong Hình 2-7b O đây, trong khi nút B truyền tới nút

A, nút C có một gói cần truyền cho nút D Bởi vì nút C trong khoảng của B, cảm nhậnthây kênh bận và không có thể truyền Tuy nhiên, trong lý thuyết, vì D năm ngoàikhoảng của B, và A năm ngoài khoảng của C, 2 sự truyền này không xung đột với nhau.Việc truyền bởi C sẽ bị hoãn lại và lãng phí băng thông

Radio range

@-~@~@© OB ©-O

(a) (b)

Hình 2-7: Nut ân và nút hiện

Van dé này là sóng đôi theo một phương diện nao đó: trong vấn đề nút an, gói gây

xung đột vì trong khi nút gửi mà không biết nút khác đang truyền, trong khi đó nút hiện

mat cơ hội lớn để gửi 1 gói do sự nhằm lẫn của quá trình truyền không bị nhiễu Lời giải

cho sự ghép đôi không đối xứng này nằm ở chỗ không phải nơi truyền cân thiết dé cảmnhận sóng mang mà là nơi nhận Một vài giao tiếp giữa nơi truyền và nơi nhận cân thiết

dé giải quyêt vân đê này.

2.3.2.2 Giao thức Bekerly MAC (B-MAC)

B-MAC được thết kế cho một mạng Ad-Hoc, với N-nút gửi truyền đến I-nút nhận

Ý tưởng cơ bản của B-MAC là để giữ cho giao thức đơn giản Giống như các giao thức

khác, B-MAC sử dụng lập lịch thức/ ngủ Cơ chế sử dụng ở đây được gọi là Low Power

Listening (LPL) LPL có nghĩa là trong thời gian thức (wake up) nút lắng nghe dữ liệu

truyền đến Nếu không có dữ liệu đến, gọi là tích cực giả (false positive), sau một khoảngthời gian timeout sẽ vào trạng thái ngủ Ngược lại, nếu có dữ liệu đến, nút chờ truyền góihoàn tat Dé đảm bảo răng các gói tin nhận được day đủ ngay từ đâu, có một khoảng thờigian mở đầu 100ms thêm vào sau khi thức B-MAC là giao thức không đồng bộ, các chu

kỳ ngủ của các nút có thể có sự khác biệt với nhau Khi có dữ liệu cân gui, mot nutchuyển chế độ phát và bắt đầu gửi một thông báo Thông báo này phải đủ dai dé đảm baorằng các nút nhận nhận được, thậm chí nêu nút nhận “ngủ” tại lúc bắt dau gui thông báo,

13

Trang 26

tức là thời gian phát thông báo phải lớn hơn hoặc băng thời gian ngủ của một nút Sau đónút gửi truyền các địa chỉ đích và bắt đầu gửi dữ liệu.

(Clear Channel Assessment) Dé giảm năng lượng, tách biệt giữa tin hiệu và nhiễu trên

kênh truyền được sử dụng Do đó, nhiễu phải được phân tích Trong trường hợp của mộttích cực giả “false positive” một mẫu được đặt vào một hàng đợi Điều này có ý nghĩa đểnắm bắt và phân tích tín hiệu mẫu do nhiễu gây ra bởi sự thay đổi môi trường liên tục

2.3.2.3 Giao thức X-MAC

14

Trang 27

Short preambles with target Recewe Early ACK

X-MAC cũng sử dụng lịch đánh thức không đồng bộ như B-MAC X-MAC có gắng

cai thiện B-MAC băng cách gửi thông báo thông minh hơn Do đó, thông báo bao gồmđịa chỉ của đích đến Không có một thông báo dải, nhưng thay vào đó, sẽ lặp lại các thông

báo ngắn (short preambles) hơn được gửi đi Đó là cách làm giảm hiện tượng nghe lỏm.Những nut không được dé cập trong địa chỉ đích sẽ vào trạng thái ngủ sau khi nhận được

một thông báo ngắn Thêm nữa, có những khoảng dừng ngăn giữa các thông báo Băngcách này, nút nhận không phải đợi hết chu ki thời gian và có thể gửi một ACK đến nứtgửi và việc truyền dữ liệu có thể bắt đầu Như vậy, giao thức để gửi dữ liệu từ nút phátđến nút thu chỉ diễn ra trong một thời gian rất ngăn Néu một nút phát thứ hai đã gửi

thông báo đến cùng một nút nhận, thì nó phải đợi cho nứt phát dau tiên hoàn thành việc

gửi dữ liệu và một chu kì ngăn ngẫu nhiên được thêm vào Sau đó, nó gửi dữ liệu màkhông cân phải gửi lại thông báo khác Để chắc chắn quá trình diễn ra đúng, nút nhậnluôn luôn đợi một khoảng thời gian để nhận dữ liệu mới sau khi một øói được nhận.Khoảng thời gian này tối thiểu phải băng thời gian lớn nhất của chu kì ngẫu nhiên của nútphát thứ hai Sự ngẫu nhiên là can thiết cho lý do tránh xung đột

15

Trang 28

Chuong3 Thiết kế phan cứng nút cảm biến không dây

Với bat kì một ứng dụng thực tế nào cũng cần phải xác định sự phù hợp của phan

cứng Trong lĩnh vực mang cảm bién không dây, chúng ta đã quá quen thuộc với các sản

phẩm thương mại như TelosB hay Zokrtia nhưng giá thành của chúng khá cao, khó có

khả năng sử dụng rộng rãi trong điều kiện như nước ta hiện nay Do đó việc thiết kế mộtphần cứng có khả năng tương tự và giá thành thấp hơn là một yêu cầu được đặt ra cho đề

tài này Và đây cũng là lớp thấp nhất trong mô hình các lớp của WSN như Hình 2-1

3.1 Các thành phần của nút cảm biến không dây

Các nhiệm vụ tính toán trên thiết bi WSN bao gồm: quá trình xử lý thông tin cảm bién cục

bộ cũng như thông tin truyền bởi các cảm biến khác

Hiện nay, các thiết bị phần cứng cho hệ thống WSN bị ràng buộc về mặt giá thành sảnxuất và hiệu suất sử dụng năng lượng Do đó, các ứng dụng WSN khác nhau cần có các nềntang hệ điều hành hay tập lệnh đặc biệt nhăm tiết kiệm bộ nhớ lưu trữ trong chip cũng nănglượng sử dụng trên các mô-đun WSN Trong tương lai, các bộ xử lý kiểu này cũng sẽ tích hợp

l6

Trang 29

thêm các kỹ thuật thiết kế năng lượng thấp tiên tiến nhất, như hiệu qua của chế độ ngủ va chia ti

lệ điện áp cập nguồn trong các chế độ dé có thé tiết kiệm năng lượng đáng kẻ

Dòng ARM Cortex là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đadạng về công nghệ STM32 được thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 đượcthiết kế đặc biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ năng lượng thấp,CortexM3 được thiết kê trên nền kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuất đủ thap dé cạnh tranh vớicác dòng vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống Một số thông số của STM32L152C8T6:

- _ Nguôn cung cấp: từ 1,65— 3,6 V

- - Khoảng nhiệt độ hoạt động: -40 °C — 85 °C/105 °C.

- Dong tiêu thụ chế độ standby: 0.3 uA

- Dong tiêu thụ chế độ standby + RTC: 0,9 uA

- Dong tiêu thụ chế độ stop: 0.57 uA

- Dong tiêu thụ chế độ stop + RTC: 1,2 uA

- Dong tiêu thụ chế độ công suất thấp: 9 uA

- Dong tiêu thụ chế độ hoạt động bình thường: 214 uA/MHz

LOFP48 PA10

Hình 3-2: MCU STM32C8T6

17

CBHD: PGS TS BANG MAU CHIEN — TS VO QUE SƠN

(a) Hình ảnh thực tê STM32L152 (b) Sơ đô chân STM32L152

HVTH: LÊ QUANG TẤN

Trang 30

7 channels APBPCLK PLL & clock OSC_OUT

? HCLK management 1-24 MHz

@VDDA

NEST monitorií ne Power reset IWDG

VREF OUTPUT # | BOR/Vaerint

Vonal 7 PVD >> int x @VDDA „ Standby interface

Vain ——————— = OSC32_IN

Comp1 |} = XIAL32kH: J Ƒ [Í osc32 out

r bái as

¬ —z- H COMP2_IN-/Nt Ï ‘> Comp2 } a RTC_AFIN

Power-up/ E AWU Iq RTC_OUT, RTC_TS,RTC_TAMP

Po[150] [ao KI > TIM2 4 Channels

PHỊ2:0] GPIOH TIM4 4 Channels

2 Channels BASIC TIMERS

TIM6 <— 12-bit DAC1 DAC_OUT1 as AF

1 Channel IF

TIM7 <= 12-bit DAC2 DAC_OUT2 as AF

1 Channel lÌ

MSv35988V1

1 AF = alternate function on I/O port pin.

Hình 3-3: So đồ khối chức năng của STM32L152C8T6 [31]

3.1.2 Bộ thu phát vô tuyến

Các thiết bị WSN bao gồm một bộ thu phát vô tuyến Trong WSN thì truyền vô tuyến làmột quá trình sử dụng năng lượng mạnh nhất, do đó vô tuyến can phải kết hợp hiệu quả nănglượng giữa các chế độ ngủ (sleep mode) và chế độ hoạt động (active mode)

18

Trang 31

- Chuan truyền thông: IEEE 802.15.4

- H6 tro Zigbee, MiWi, MiWi P2P và các giao thức mang không dây đặc trưng

- Giao tiếp SPI (4 — Wire Serial Peripheral Interface)

- Xung nhịp: 20 MHz và 32,768 KHz.

- _ Điện áp hoạt động: 3V — 3,6V (bình thường 3 3V)

- Dong tiêu thụ thấp:

= Chê độ nhận dữ liệu (RX mode): 32 mA

= Chế độ phát dữ liệu (TX mode): 140 mA (công suất phát cực đại)

= Chế độ ngủ: 10uA

- - Kích thước nhỏ: 48 chân, 6x6 mm2

- Bang tan: 2,405 — 2,475 GHz

- Téc độ dữ liệu: 250 Kbps (IEEE 802.15.4) và 625 Kbps (Turbo mode)

- D6 nhạy: -104 dBm với công suất cực dai ngõ vào -23 dBm

- _ Công suất phát bình thường 19 dBm trong biên độ thay đổi công suất phát 45dB

- _ Tích hợp RSSI ADC và I/Q DAC.

Thu tốt (tầm xa lên đến 4000ff ~ 1200m) và có dải RSSI rộng: 100dBm đến

-20dBm.

- - Cơ chế CSMA-CA, tự động trả ACK và kiểm tra FCS

- _ Hỗ trợ tất cả các CCA mode và RSSI/ED

- Tu động gui lại Packet.

- Bao mật phan cứng với CTR, CCM và CBC-MAC

- Hỗ trợ mã hóa và giải mã cho lớp MAC con và lớp cao hơn

Trang 32

vid ae ee L

[ ~ t] sbo

al ot GND

O04 pe

Note NP * Nơi Placed Ll

Hình 3-6: So đồ mạch mô-đun thu phát vô tuyến [31]

3.1.3 Các cảm biến

Do giới hạn băng thông và nguồn, các thiết bi WSN chi hỗ trợ bộ cảm biến với tốc độtruyền dữ liệu thấp Với các ứng dụng thu thập đa thông số, mỗi nút cảm biến có thê tích hợp

sẵn nhiều cảm biến trên đó Tùy theo mỗi ứng dụng mà nút cảm biến sẽ được tích hợp thêm các

loại cảm biên riêng: sensor nhiệt độ, ánh sáng, độ âm, áp suât, gia tôc, ảm biên từ trường, âm

thanh hay camera ghi hình với độ phân giải thấp Việc lập trình các giao thức truyền nhận dữ

CBHD: PGS TS BANG MAU CHIEN - TS VO QUE SƠN

20

HVTH: LE QUANG TAN

Trang 33

liệu và chê độ làm việc cho từng cảm biên cũng giúp tôi ưu năng lượng làm việc và độ chính

xác cho các ứng dụng thực tế

Hình 3-7: Hình ảnh thực tế cảm biến SHTI ISHTII là dòng cảm biến của SENSIRION, gồm có các loại ( SHT10, SHT11, SHT15,

SHT75) chuyên dùng, có độ chính xác cao, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dan dụng.

Pin | Name Comment

GND |Ground

DATA |Serial Data, bidirectional

SCK |Serial Clock, input only

4 | VDD |Source Voltage

NC} NC_ |Must be left unconnected

PO we

Hình 3-8: Sơ đồ chân SHT11

- DATA là chân truyền và nhận dữ liệu

- SCK là chân xung clock đồng bộ