Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ““ Dự báo mưa trong tương lai gân tại khu vực ruộng muối Ninh Diêm sử dụng mạng cảm biến môi trường'` là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu ng
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
LUAN VAN THAC Si
NGANH KHOA HOC MAY TÍNH
Mã số: 60480101
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 PGS TS VŨ THANH NGUYÊN
TP HO CHÍ MINH — NĂM 2017
Trang 2Luận văn này được triển khai và ứng dụng tại Hợp tác xã muối 1/5
Ninh Diêm, TX Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa.
Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự độngviên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thẻ
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Vũ Thanh
Nguyên đã hướng dẫn tôi thực hiện luận văn của mình
Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các Thầy giáo, Cô giáo,
những người đã đem lại cho tôi kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích trong những
năm học vừa qua.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Sau
đại học, trường Đại học công nghệ thông tin, Đại học Quốc gia TP Hồ ChíMinh đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, đặc biệt là em Ngô
Huỳnh Ngọc Khánh, những người đã luôn bên cạnh hỗ trợ, động viên vàkhuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài của mình
TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Ngô Huỳnh Ngọc Phú
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Ngô Huỳnh Ngọc Phú, học viên cao học K9 chuyên ngành
Khoa học máy tính, khóa 2014-2017 Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ ““ Dự
báo mưa trong tương lai gân tại khu vực ruộng muối Ninh Diêm sử dụng mạng cảm biến môi trường'` là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu
nghiên cứu thu được từ thực nghiệm và không sao chép.
Học viên
Ngô Huỳnh Ngọc Phú
Trang 4DANH MUC CAC BANG.
DANH MỤC HÌNH VE, DO THỊ
LỜI MỞ ĐÀU
Chương 1 TONG QUAN TINH HÌNH
1.1.Téng quan tình hình nghiên cứu
1.2.Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 2.ĐÁNH GIÁ MẠNG CAM BIEN KHÔNG DAY - 132.1.Tổng quan về mạng cảm biến không dây
Chương 3 MANG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
3.1.Ứng dụng của mang cảm biến không dây trong thực tế
3.2 Vấn dé cần quan tâm khi triển khai mạng cảm biến không dây
3.3.Mạng 2.4GHz sử dụng NRF24L01 với mức năng lượng thấp - 213.3.1 Tim hiéu vé module NRF24L01
3.3.2 Cac thanh phan co ban trong mang
3.3.3 Giới thiệu một số bộ cảm biến thương mại
Trang 53.3.5 Đặc điểm của mạng cảm biến sử dụng NRF24L01
3.3.6 Định tuyến trong mạng
3.3.7 Hạn chế của mạng
Chương 4.MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO
4.1.Giới thiệu về mạng nơ-ron nhân tạo
4.1.1 Các khái niệm cơ bản
4.1.2 Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo
4.1.3 Phân loại mạng nơ-ron nhân tạo
4.2.Sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo.
Chương 5 DỰ BAO MƯA TẠI KHU VỰC RUỘNG MUỐÓI NINH DIEM 495.1.Điều kiện địa lý, tự nhiên, khí tượng khu vực Ninh Diêm 49
5.2.1 Mô hình mạng
. 5.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống tại một khu vực
5.2.3 Giao thức truyền tin giữa Sensor Unit và Gateway
5.2.4 Giao thức truyền tin giữa Gateway và server trung tâm
5.2.5 Node gateway
5.2.6 Thiét ké phan mém
5.2.6.1 Chu trình hoạt động của node cảm biên
5.2.6.2 Chu trình hoạt động của gateway
Trang 65.3.Ki thuật thu thập dit liệ
BẢNG PHỤ LỤC
Trang 7DANH MỤC CHU VIET TAT
ANN Mạng nơ-ron nhân tao
CSDL Co sở dữ liệu
HĐH Hệ điều hành
SU Sensor Unit
TB Trung binh
Trang 8Thông số kĩ thuật module NRF24L01
Bảng kết nói chân giữa NRF24L01 và vi điều khiển 25Thông số kĩ thuật chính của cảm biến áp suất BMP180
Bảng kết nối chân giữa cảm biến BMP180 với vi điều khiển 27Thông số kĩ thuật chính của cảm biến nhiệt độ - độ âm SHTI0 28Bảng kết nối chân giữa cảm biến SHT10 với vi điều khiển 28Bảng phân tang dir liệu trong mạng cảm biến
Cấu trúc gói tinGiao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa cảm biến va vi điều khiển 57
Bang lưu trữ dữ liệu thô Bảng lưu trữ dữ liệu đã làm gi:
Kết quả kiểm tra độ chính xác của dự đoán mưa, 20 input
Két qua kiểm tra độ chính xác của dự đoán mưa, 4 input
Trang 9Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 3.9.
Hình 3.10 Cảm biến mu:
Hình 3.11 Sơ đồ nói chân cảm bi
Hình 3.12 Sơ đồ nối chân cảm biến vận tốc gid va vi điều khi
Hình 3.13 Bộ cảm biến RainWise
Hình 3.14 Bộ cảm biến Davis VantageView
Hình 3.15 Bộ cảm biến Ambient Weather
Hình 3.16 Bộ cảm biến AcuRite
Hình 4.1.
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 5.1.
Hình 5.2.
Hình 5.3.
Hình 5.4.
Hình 5.5.
Hình 5.6.
Hình 5.7.
Hình 5.8.
Hình 5.9.
Hình 5.10 Theo dõi dữ liệu thông qua OpenHAB
DANH MỤC HÌNH VE, DO THỊ
Hình anh module NRF24L01
Cac luồng dir liệu của NRF24L01
So đồ nối chân NRF24L01 và vi điều khiển Ảnh thực tế kết nối module NRF24L01 và vi điều khiền 25
Sơ đồ khối tổng quan của Sensor Unit
Cảm biến nhiệt độ - độ âm SHT10 và áp suất BMP180 - 26
Sơ đồ nói chân BMP180 và vi điều khiển Sơ đồ nói chân SHT10 và vi điều khiển Cảm biến nhiệt độ & độ âm-— áp suất sau khi lắp hoàn chỉnh 29
Câu trúc nơ-ron Mạng nơ-ron 3 lớp: Input — Hidden — Output
Mạng nơ-ron dẫn tiến một lớp Mạng nơ-ron dẫn tiến đa lớp
Vị trí lắp đặt một trong các cảm biên tại một địa điêm 51
Hai vị trí đặt cảm bién
Mô hình chung hệ thống dự báo mưa trong tương lai gần 52
Sơ đồ khối liên kết mạng từ cảm biến đến gateway - 53
M6 hinh node gateway
Board mach Raspberry Pi chạy Linux được chon làm gateway 56
Cấu trúc vi điều khiển Atmega328 trên mach Arduino Ý7 Luu dé hoạt động của node cam biến
Lưu dé hoạt động của node gateway
Trang 10Hệ số tương quan Pearson của các yếu tố với khả năng xảy ra mưa 65
So sánh độ chính xác giữa 4 input và 20 input
Mô hình mạng nơ-ron huấn luyện
Số lớp an ảnh hưởng đến độ chính xác của dự báo trên tập test 70Khảo sát chỉ tiết độ chính xác tập huấn luyện 12 lớp ẩn, 200 epoch 71
Giao diện chương trình dự báo
Độ chính xác dữ liệu kiểm tra trên các thuật giải khác 73
Trang 11LỜI MỞ ĐÀUCùng với sự thay đổi ngày một bat thường của thời tiết, việc dự báo thời tiếttheo từng khu vực rộng không còn đáp ứng đầy đủ thông tin cần thiết Việc dự báothời tiết theo từng vùng nhỏ hẹp, cá nhân hóa ngày một trở nên quan trọng và bứcthiết Nhiều công việc sản xuất và kinh doanh, nhất là trong lĩnh vực nông nghiệp
và khai thác phụ thuộc vào thời tiết thay đổi theo từng giờ Thông tin dự báo chỉthường được cung cấp qua các phương tiện thông tin đại chúng như truyền hình,radio Với sự bùng nô về công nghệ, khả năng kết nối và giá thành ngày một rẻ dicủa nhiều thiết bị điện tử, cảm biến, việc thu thập dữ liệu thời tiết thời gian thực vàđưa ra dự báo sớm càng trở nên thực tế hơn bao giờ hết
Các công trình nghiên cứu hiện nay dự báo mưa tại một vùng dựa trên các kĩ thuật phân tích ảnh mây vệ tỉnh và các radar khí tượng Các mô hình khí tượng nhận
di liệu đầu vào là các thông tin trên, tính toán các phương trình phức tạp theo thờigian nhằm mô tả sự thay đổi của thời tiết trong tương lai Việc tính toán đòi hỏi
những siêu máy tính với khả năng tính toán lớn Các thông tin dự báo thường được
phổ biến trên các phương tiện thông tin đại chúng, nhưng người sử dụng lại thườngkhông được tiếp cận vào lúc họ cần những thông tin như vậy Và bởi vì thông tin dự
báo cho một vùng rộng lớn, người dân trong lĩnh vực nông nghiệp không có một
thông tin chỉ tiết cho khu vực họ sinh sống để quyết định làm hoặc không làm một
việc trong một ngày cụ thê nào đó.
Bài toán dự báo thời tiết là một bài toán kinh điển Có nhiều cách tiếp cậngiải quyết bài toán này Luận văn đi theo hướng sử dụng nhiều cảm biến trong mộtphạm vi nhất định (thường là hẹp) Cách làm này đòi hỏi nền tảng hạ ting mạnglưới liên kết các cảm biến với nhau và liên tục gửi tín hiệu về trung tâm điều khiển
Hạ tầng mạng sử dụng liên kết hệ thống GPRS/3G sẵn có của các nhà mạng viễnthông kết hợp với việc truyền dữ liệu qua tần số 2.4GHz liên kết tới cảm biến Điềunày vừa giảm được chỉ phí đầu tư hạ tầng vừa có khả năng mở rộng, cũng như
không bị giới hạn bởi không gian địa lý.
Nếu chỉ dựa vào thông tin dự báo trên diện tích rộng thì độ chính xác của dựbáo tại một khu vực cụ thể không thể nâng cao Dựa trên thông tin dự báo khu vựckết hợp với dự báo trên từng vùng hẹp, dự báo cho tương lai gần được đưa ra Giải
Trang 12người dân sinh sống tại khu vực đó cũng có thể chủ động sản xuất.
Cấu trúc luận văn gồm 6 chương:
Chương 1 - Tổng quan tình hình
Tom tắt tổng quan tình hình nghiên cứu của các công trình có liên quan đếnluận văn bao gồm những công trình về dự báo mưa, dự báo hạn hán
Chương 2 — Đánh giá mang cắm biến không dây
Nền tảng cơ sở phục vụ thiết kế mạng cảm biến không dây phục vụ việc thuthập dữ liệu, truyền tải dữ liệu về trung tâm lưu trữ và điều khiển
Chương 3 — Mạng cảm biến không dây sứ dụng NRF24L01
Mô tả chỉ tiết về hệ thống mạng không dây sử dụng trong luận văn Mô hìnhmạng và cầu trúc mạng cũng được đề cập trong chương này
Chương 4 - Mạng no-ron nhân tao
Cơ sở lý thuyết về mạng nơ-ron nhân tạo, được sử dụng trong thiết kếchương trình dự báo Các thành phần của mạng, ý nghĩa từng thành phần
Chương 5 - Dự báo mưa tại khu vực ruộng muối Ninh Diêm
Triển khai trong thực tế mô hình mạng thu thập dữ liệu cảm biến môi trường.Kết nối giữa khu vực đặt cảm biến về trung tâm lưu trữ dữ liệu và xử lý thông tin.Cấu trúc phần mềm của cảm biến được mô tả cụ thể
Chương 6 - Kết luận và khuyến nghị
Nêu lên những mặt còn tồn tai và các hướng cần phát trién tiếp theo của luận
văn trong thời gian tới.
Trang 13TONG QUAN TINH HÌNH
Chương 1 TONG QUAN TINH HÌNH1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu
Intanagonwiwat và các cộng sự [3] đã đề cập đến một hệ thống cảm biếnphân tán, sử dụng kết hợp 2 phương thức kết nói dựa trên nền IP và kết nối trongkhông gian hẹp nhằm mở rộng vùng bao phủ của mạng cảm biến
Ruiz và các cộng sự [1] đã đánh giá việc sử dụng Bluetooth/Zigbee với các
node tiết kiệm năng lượng Bluetooth sử dụng địa chỉ MAC trong mạng các thiết bịkết nối với nhau Zigbee ngoài việc chuẩn hóa kết nối ở tầng network, còn chuẩnhóa cả tầng application điều phối luồng dữ liệu giữa các node với nhau Tài liệucũng đã so sánh Bluetooth/Zigbee chỉ tiết, điểm đáng lưu ý của Zigbee là khả nang
mở rộng vùng phủ sóng, số lượng node kết nói nhiều (65000) và khả năng tiết kiệm
năng lượng khi vận hành.
Để cảnh bảo lũ trên sông, Baha và cộng sự đã xây dựng một mạng cảm biếndựa trên mô hình thống kê dé tính toán và dự báo [4] Tài liệu đã lưu ý vấn đề hoạtđộng 6n định bất chấp điều kiện thời tiết xấu của các cảm biến Số liệu thống kêđược sử dụng từ dữ liệu 7 năm trước đó tại Oklahoma Phương trình hồi quy tuyếntính được sử dụng Các node tính toán liên kết với nhau thông qua module khôngđây hoạt động ở tần số 144MHz Node cảm biến liên kết với node tính toán trên tần
số 900MHz trong phạm vi hep hon Các module không dây hoạt động tầm xa về ưuđiểm mang lại phạm vi đo đạc rộng hơn nhưng có giá thành cao và khó tìm kiếm
trên thị trường.
Các tài liệu đều đề cập đến khả năng tiết kiệm năng lượng khi hoạt động củacác cảm biến Các liên kết ngắn giữa các hop được ưa chuộng hơn các liên kết trảiqua nhiều hop Ngoài ra, nhờ thời gian truyền nhận dữ liệu ngắn, năng lượng dingtruyền tải dữ liệu giữa các hop cũng giảm đáng ké Việc chuyền từ mạng có daysang mạng không dây giữa các node cảm biến tăng cường mối liên kết ngay cả khi
một node gặp sự cố[2].
Ingsrisawang cùng cộng sự [5] đã sử dụng các thuật toán máy học trong ứng
dụng dự báo mưa tại Thái Lan Bộ dữ liệu được thu thập theo ngày gồm 52 thuộctính về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió Dữ liệu được xử lý bằng thuật toán
Trang 14C4.5 dé phân loại tình trạng mưa hoặc không mưa Sau đó, mạng no-ron nhân tao(ANN) phân loại dữ liệu cho ra kết quả về các mức độ mưa khác nhau Độ chínhxác đạt được về dự báo mưa theo ngày là 68,15%.
Sudha và cộng sự [6] đã trình bày việc phân tích và rút gọn thuộc tính trên
tập dữ liệu sử dụng lý thuyết tập thô Theo đó, dữ liệu được xác định thành các bảngquyết định, gồm có thuộc tính điều kiện và thuộc tính quyết định Các thuộc tính
của đữ liệu được rút gọn trước khi đưa vào mô hình dự báo.
Trong bài viết về dự báo tình trạng hạn hán tại Đài Loan, Kung và cộng sự
đã đưa ra mô hình tổng thé sử dụng cảm biến và các kĩ thuật quan sát hình ảnh dé
dự báo mức độ hạn hán [7] Bài báo đã mô tả chỉ tiết cầu trúc bộ suy diễn sử dụngthông số lượng mưa trong quá khứ, nhiệt độ trung bình hằng ngày trong 30 ngàytrước đó đưa vào mô hình dự báo Dữ liệu độ ẩm đất được kết hợp thời gian thực
đưa vào mô hình thời gian thực.
1.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: Khu vực phường Ninh Diêm, thị xã Ninh Hòa, tỉnh
Khánh Hòa Đây là khu vực làm muối tập trung tại thị xã Ninh Hòa, tỉnh KhánhHòa Thời gian thực hiện diễn ra từ tháng 10/2016 đến tháng 01/2017 Thời giannày là mùa mưa tại khu vực, diém dân rất hạn chế khai thác mudi dé tránh thiệt hại
Đối tượng nghiên cứu: Đặc diém thời tiết xét theo các yếu tố nhiệt độ, độ âm,
áp suất trước khi xảy ra mưa Các yếu tố này có ảnh hưởng như thế nảo trong dựbáo mưa tại một khu vực nhất định
Mục tiêu: Dựa trên các yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ âm, áp suất khí quyền
dé xác định được sự thay đổi của các yếu tố này thời gian thực Thông qua đó, khảnăng xảy ra mưa được tính toán và đưa ra với độ tin cậy chấp nhận được Kết quảnày sau đó được gửi đến diém dân thông qua tin nhắn SMS Diêm dân có thé chủđộng thực hiện che chắn hoặc thu hoạch muối trước khi trời mưa
1.3 Nội
Thiết kế thiết bị phần cứng thu thập dữ liệu tại thực địa gọi là các node
lung và phương pháp nghiên cứu
Trang 15TONG QUAN TINH HÌNH
® Cac node hoạt động độc lap, sử dung năng lượng mặt trời (nếu cần thiết)
® Hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ thay đổi theo chu kì
độ 4m Senrison SHT10, cảm biến áp suất Bosch BMP180 Cảm biến mưa hoạt động
cơ học theo nguyên ly bap bênh Vi điều khiển kết nối với các cảm biến, đọc dữ liệu
từ cảm biến Dữ liệu được truyền định kì về node trung tâm thông qua moduleradio Các node cảm biến được cài đặt chương trình để hoạt động én định bao gomkha nang kiém tra lỗi module radio va tự động reset sau một thời gian nhất định.Nhằm hạn chế các lỗi phát sinh và các tình huống hư hỏng phần cứng, mỗi nodecảm biến sẽ có 2-3 bộ tại từng vị trí
Node trung tâm gồm module radio, kết nối với máy tính linux thông qua giaothức serial Máy tính linux được cấu hình, cài đặt phần mềm kết nối internetEthernet, GPRS/3G và mã hóa dữ liệu trước khi gửi về trung tâm xử lý
© Kết nối các node thông qua hệ thống GPRS/3G Dữ liệu được mã hóa vàgửi trên mạng di động đưa về hệ thống xử lý tập trung
o Đảm bảo dữ liệu được gửi về hệ thống trung tâm thông qua kết nối
internet trên node gateway.
o Xử lý về mặt kĩ thuật kết nối internet chập chờn của moduleGPRS/3G Đảm bảo kết nối trở lại sau khi gặp sự cố
° Lắp đặt các node cảm biến trên thực tế
o Node gateway được lắp đặt trong khu vực thời tiết thuận lợi
o Các cảm biến được đặt ngoài trời
Trang 16Chương 2 ĐÁNH GIÁ MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY2.1 Tổng quan về mang cảm biến không dây
Sự tiến bộ công nghệ gần đây và hội tụ của hệ thống các công nghệ như kỹthuật vi điện tử, công nghệ nano, giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vimạch (phần cảm biến, xử lý và tính toán tín hiệu ) đã tạo ra những cảm biến cókích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, làm tăngkhả năng ứng dụng rộng rãi của mạng cảm biến không dây
2.1.1 Khái niệm
Một mạng cảm biến không dây là một mạng bao gồm nhiều node cảm biếnnhỏ có giá thành tháp, tiêu thụ năng lượng ít, giao tiếp thông qua các kết nói khôngdây và có nhiệm vụ cảm nhận, đo đạc, tính toán nhằm mục đích thu thập, tập trungdir liệu đê đưa ra các quyết định toàn cục về môi trường tự nhiên
Những node cảm biến nhỏ bé này bao gồm các thành phan: bộ vi xử lý nhỏ,
bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm biến, bộ thu phát không dây, nguồn nuôi Kích thướccủa các cảm biến thay đôi từ to như hộp giấy cho đến nhỏ như hạt bụi, tùy thuộc
vào từng ứng dụng.
Khi nghiên cứu về mạng cảm biến không dây, một trong những đặc điểmquan trọng và then chốt đó là thời gian sống của các cảm biến hay chính là sự giớihạn về năng lượng của chúng Các node cảm biến này yêu cầu tiêu thụ công suấtthấp Các node cảm biến hoạt động có giới hạn và nói chung là không thẻ thay thếđược nguồn cung cấp trong thời gian ngắn Do đó, trong khi mạng truyền thông tậptrung vào đạt được các dịch vụ chất lượng cao, thì các giao thức mạng cảm biếnphải tập trung đầu tiên vào bảo toàn công suất
Mạng cảm biến có một số đặc trưng rõ nét như sau:
© Co khả năng tự tô chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con
người.
© Truyén thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp
© Trién khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các node cảm biến
© _ Cấu hình mạng thay đôi thường xuyên phụ thuộc vào hư hỏng ở các node
Trang 17ĐÁNH GIÁ MẠNG CẢM BIEN KHÔNG DAY
® Có giới han về mặt năng lượng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính
© Các node cảm biến dé bị lỗi
© _ Cấu trúc mạng cảm biến thay đồi khá thường xuyên
© Các node cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông kiểu quảng bá, trong
khi hầu hết các mang ad-hoc đều dựa trên việc truyền điểm - điểm.
© Các node cảm biến bi giới hạn về năng lượng, khả năng tính toán và bộ
nhớ.
© Các node cảm biến có thé không có số nhận dạng toàn cầu (global
identification).
Do vậy, cầu trúc mạng mới sẽ:
© - Kết hợp van dé năng lượng và khả năng định tuyến
® _ Tích hợp dữ liệu và giao thức mạng.
© Truyén năng lượng hiệu quả qua các phương tiện không dây
® Chia sẻ nhiệm vụ giữa các node lân cận.
Cấu trúc mạng mới có đặc diém rất khác với các mạng truyền thống Một số
đặc điểm nồi bật trong mạng cảm biến như sau:
© Kha năng chịu lỗi: Một số các node cảm biến có thé không hoạt động dothiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môitrường Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn hoạt động bìnhthường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mang
không hoạt động.
Trang 18Khả năng mở rộng: Khi nghiên cứu một hiện tượng, số lượng các nodecảm biến được triển khai có thể đến hàng trăm nghìn node, phụ thuộc vàotừng ứng dụng con số này có thể vượt quá hàng triệu Do đó cấu trúcmạng mới phải có khả năng mở rộng đê có thể làm việc với số lượng lớn
các node này.
Giá thành sản xuất: Vì các mạng cảm biến bao gồm một số lượng lớncác node cảm biến nên chỉ phí của mỗi node rất quan trọng trong việcđiều chỉnh chỉ phí của toàn mạng Nếu chỉ phí của toàn mạng đắt hơnviệc triển khai theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thànhhợp lý Do vậy, chỉ phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp
Ràng buộc về phần cứng: Vì số lượng các node trong mạng rất nhiềunên các node cảm biến cần phải có các ràng buộc về phần cứng như: kíchthước phải nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp, có khả năng hoạt động ở những
nơi có mật độ cao.
Môi trường hoạt động: Các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rấtgần hoặc bên trong các hiện tượng đề quan sát Vì thế, chúng thường làmviệc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi Chúng có thể làm việc
ở bên trong các máy móc lớn, ở dưới đáy biên, hoặc trong những vùng ô
nhiễm hóa học hoặc sinh học, ở gia đình hoặc những tòa nhà lớn.
Phương tiện truyền dẫn: Các node được kết nỗi bằng những phương tiệnkhông dây, các đường kết nối này có thể tạo nên bởi sóng vô tuyến, hồngngoại hoặc những phương tiện quang học Để thiết lập sự hoạt độngthống nhất của những mạng này, các phương tiện truyền dẫn phải đượcchọn phải phù hợp trên toàn thế giới Hiện tại nhiều phần cứng của cácnode cảm biến dựa vào thiết kế mạch RE Những thiết bị cảm biến nănglượng thấp dùng bộ thu phát vô tuyến 1 kênh RF hoạt động ở tần số916MHz Một cách khác mà các node trong mạng giao tiếp với nhau làbằng hồng ngoại Thiết kế máy thu phát vô tuyến dùng hồng ngoại thì giáthành rẻ và dé dang hơn Cả hai loại hồng ngoại và quang đều yêu cầu bộ
Trang 19ĐÁNH GIÁ MẠNG CẢM BIEN KHÔNG DAY
phat và thu nằm trong phạm vi nhìn thấy, tức là có thé truyền ánh sáng
cho nhau được.
Trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn node được triển khai trênmột khu vực Chúng được triên khai trong vòng hàng chục node mỗi mét Mật độcác node có thể lên tới 20 node/m3 Do số lượng các node cảm biến rất lớn nên cầnphải thiết lâp một cầu hình ồn định
2.1.3 Kĩ thuật truyền tin, khoảng cách thu phát
Lop vật lý: có nhiệm vụ lựa chon tần số, tạo ra tần số sóng mang, phát hiệntín hiệu, điều chế và mã hóa tín hiệu Băng tần ISM 915 MHZ được sử dụng rộngrãi trong mạng cảm biến Vấn đề hiệu quả năng lượng cũng cần phải được xem xét
ở lớp vật lý.
Lớp liên kết dữ liệu: lớp này có nhiệm vụ ghép các luồng dữ liệu, phát hiệncác khung(frame) dữ liệu, cách truy nhập đường truyền và điều khién lỗi Vì môitrường có nhiễu và các node cảm biến có thể di động, giao thức điều khiển truynhập môi trường (MAC) phải xét đến vấn đề công suất và phải có khả năng tối thiểu
hóa việc va chạm với thông tin quảng bá của các node lân cận.
Lớp mạng: Lớp mạng của mạng cảm biến được thiết kế tuân theo nguyên tắc
sau:
© Hiéu quả năng lượng luôn luôn được coi là van dé quan trọng
© Mang cảm biến chủ yếu là tập trung dữ liệu
® Tich hợp dữ liệu chỉ được sử dụng khi nó không can trở sự cộng tác có
hiệu quả của các node cảm biên.
Lép truyền tải: Chỉ cần thiết khi hệ thống có kế hoạch truy cập thông qua
mạng Internet hoặc các mạng bên ngoài khác.
Lớp ứng dung: Tuy theo nhiệm vụ cảm biến, các loại phần mềm ứng dụngkhác nhau có thé được xây dựng và sử dụng ở lớp ứng dụng
2.1.4 Mô hình mạng
Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng, tất cả các node đều ngang hàng và đồng nhất tronghình đạng và chức năng Các node giao tiếp với node trung tâm qua multihop sử
Trang 20dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng Với phạm vi truyền cố định, các nodegần node trung tâm hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lượnglớn node nguồn Giả thiết rằng tat cả các node nguồn đều dùng cùng một tần số détruyền dữ liệu, vì vậy có thé chia sẻ thời gian Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quavới điều là có nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số
Cấu trúc tầng
Trong cấu trúc tang, các cụm được tao ra giúp các tài nguyên trong cùng mộtcụm gửi đữ liệu đến một node định sẵn, thường gọi là node chủ Trong cấu trúc nàycác node tạo thành một hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác địnhthực hiện các nhiệm vụ đã định sẵn.
Trong cầu trúc tầng, chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ liệu
không đồng đều giữa các node Những chức năng này có thể phân theo cấp, cấpthấp nhất thực hiện tất cả nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, và cấptrên cùng thực hiện phân phối dữ liệu
Mạng cảm biến xây dựng theo cầu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúcphẳng, do các lý do sau:
© Cấu trúc tầng có thé giảm chi phi cho mạng cảm biến bằng việc định vịcác tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất Rõ ràng là nếutriển khai các phần cứng thống nhất, mỗi node chỉ cần một lượng tàinguyên tối thiêu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ Vì số lượng các nodecần thiết phụ thuộc vào vùng phủ sóng xác định, chỉ phí của toàn mạng vìthế sẽ không cao Thay vào đó, nếu một số lượng lớn các node có chỉ phíthấp được chỉ định làm nhiệm vụ cảm nhận, một số lượng nhỏ hơn cácnode có chỉ phí cao hơn được chỉ định để phân tích dữ liệu, định vị vàđồng bộ thời gian, chỉ phí cho toàn mạng sẽ giảm đi
© Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phăng Khi cầnphải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộcvào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán Tuy nhiên, với các nhiệm vụcảm nhận cần hoạt động trong khoảng thời gian dai, các node tiêu thụ ítnăng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả
Trang 21ĐÁNH GIÁ MẠNG CẢM BIEN KHÔNG DAY
hơn Do vậy với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng phân chia giữa cácphần cứng đã được thiết kế riêng cho từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ
của mạng.
2.2 Ưu điểm
Mạng không dây có những đăc điểm tạo nên ưu điểm như sau:
© Không cần dây nối để liên lạc giữa các thiết bị Việc này giúp tiết
kiệm một lượng lớn chi phí khi ứng dụng trên diện tích rộng.
© C6 thể chạy được bằng pin và có thé đặt ở những nơi mà điện lướiquốc gia khó có thê hoặc không thê tới được
© Dé dàng thay đổi vị trí lắp đặt
Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sửdụng sóng radio Ưu thế của mạng không dây là khả năng di động và sự tự do,người dùng không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối Những ưu điểm củamạng không dây bao gồm:
© Kha năng di động và sự tự do, cho phép kết nói từ bat kỳ đâu
© _ Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nói
Mạng không dây có những nhược điểm sau:
© C6 thể bị nhiễu sóng do thời tiết xấu Điều này rất không tốt trong môitrường luận văn đang ứng dụng Thiết kế node cảm biến cần khắc
phục được nhược điêm này trong quá trình thực nghiệm.
© Chi phí đắt nếu sử dụng các công nghệ như Wifi hay Zigbee Một sốthiết bị phần cứng như NRF24L01 vẫn chạy tốt và đảm bảo đúng môhình cần thiết
© Qua trình gửi dữ liệu có thé bị sai rớt một vài bit Vì vậy khi xây dựng
lại quá trình truyền đữ liệu phải có một bộ checksum
Trang 22Chương 3 MẠNG CAM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
3.1 Ứng dụng của mạng cám biến không dây trong thực tế
Mạng cảm biến không dây là tập hợp các cảm biến được kết nối với nhaubằng sóng không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) dé cùng nhau làm mộthoặc nhiều nhiệm vụ được người sử dụng quy định hoặc lập trình sẵn
Nhiệm vụ chính của các mạng cảm biến đó là thu thập các dữ liệu trên mộtvùng không gian rộng lớn mà các hệ thống mạng cảm biến có dây không thé đápứng được hoặc đáp ứng được nhưng với giá thành đắt đỏ hơn nhiều lần Mạng cáccảm biến có thé kết nối tới các node trung tâm hoặc kết nối tới các node truyền dẫntrung gian (repeater) Các cảm biến trong mạng có thé nói tới nhiều repeater trướckhi tới node trung tâm, dữ liệu trên đường truyền có thê được tiền xử lý hoặc không.Nhưng điềm chung của toàn bộ node, đó là dữ liệu cần đi đến đích Việc truyền tảitín hiệu từ cảm biến đến node trung tâm không nhất thiết phải thông qua một loạicông nghệ truyền tải có định nào đó, mà có thể kết hợp nhiều công nghệ truyền tải
lại với nhau, vi dụ: công nghệ wifi, công nghệ RF 2.4GHz hay công nghệ
GSM/GPRS Việc kết hợp nhiều công nghệ giúp việc triển khai trở nên linh hoạt, dễdàng mở rộng khi cần thiết Ngoài ra, điều này cũng giúp giảm giá thành toàn bộ hệthống khi chỉ cần tập trung vào một số yêu cầu cốt lõi
Ứng dụng của các mạng cảm biến trong thực tế rất nhiều Tùy vào ngành,mục tiêu, bài toán cụ thể mà chúng được ứng dụng khác nhau Ví dụ trong ngành anninh, các mang cảm biến hau hết được ứng dụng dé đánh giá sự nguy hiểm thông
qua việc giải bài toán “có người trong khu vực hẹp đó hay không?”; hay trong
ngành nông nghiệp, các mạng cảm biến được rải khắp một khu vực rộng lớn hànghecta ruộng lúa để dự đoán sớm việc bị bệnh đạo ôn bằng cách lắp đặt các cameraquan sát; hay trong các hỗ bơi, để hỗ trợ cho các tình nguyện viên cứu hộ các hệthống camera ở các vị trí khác nhau được lắp đặt để cảnh báo sớm đuối nước vàthông báo kịp thời; và cụ thể trong luận văn này, tác giả muốn hướng đến việc xâydung một mang cam bién ứng dụng trong lĩnh vực môi trường nhằm dự báo việc cóxảy ra mưa trong một khu vực có định hay không? Từ đó giúp diêm dân có thé raquyết định phù hợp với sự thay đổi thời tiết
Trang 23MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
3.2 Vấn đề cần quan tâm khi triển khai mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây có đặc điểm đó là, mọi node trong mạng, kê cảnode repeater và node trung tâm, đều phải tự hoạt động bằng chính nguồn nănglượng của chính bản thân nó Tuy nhiên, ở một số trường hợp ngoại lệ, các cảmbiến có thể hoạt động từ nguồn điện từ điện áp trong nhà hoặc điện áp trong khuvực Nguồn nuôi chính của cảm biến là pin hoặc ắc quy Các loại pin/ắc quy có théđược nạp lại điện trong quá trình sử dụng bằng cách kết hợp thêm các bộ pin năng
lượng mặt trời.
Đặc biệt quan trọng, các node trong mạng phải giao tiếp với nhau qua sóngkhông dây Nếu bất kỳ một node bị hỏng thì phải được node trung tâm hoặc cácnode repeater nhận nhiệm vụ thu thập node cảm biến phát hiện và thông báo cho
người sử dụng.
Các cảm biến trong mạng phải hoạt động được trong thời gian dài hoặc trongmột thời gian chấp nhận được Ví dụ, trong việc xây dựng các cảm biến trong luậnvăn này, các cảm biến phải hoạt động được trong thời gian một năm liên tục Cáccảm biến này ngoài việc phải gửi các thông tin về môi trường, nó phải báo thêm cácthông tin về bản thân nó như ID trong mạng và mức pin còn lại
Các cảm biến trong mạng ngoài việc phải liên kết với node trung tâm hoặccác node repeater, nó phải biết tự liên hệ với nhau đề gửi dữ liệu nếu node repeater
bị lỗi Nghĩa là, mỗi mạng cảm biến sẽ có một chỉ số độ trễ, chỉ số này thê hiện khả
năng chống thất thoát dữ liệu trong quá trình truyền lệnh Việc tìm node gần nhấtquanh đó mà node đó tới node trung tâm hoặc node repeater tiếp theo là gần nhất làmột bài toán không quá khó với node Vì mạng cảm biến hoạt động trong môitrường tự nhiên cùng với con người, vì vậy, có thé dé dang bị ảnh hưởng bởi conngười và các yếu tố môi trường Việc đánh giá độ chịu lỗi của một hệ thống mangcảm biến chỉ có thể được đánh giá thông qua việc thử nghiệm với cường độ lớn dữliệu trong các khoảng thời gian và môi trường cụ thê, nhất định theo một tiêu chuẩn
chung.
Trang 243.3 Mang 2.4GHz sử dụng NRF24L01 với mức năng lượng thấp
3.3.1 Tìm hiểu về module NRF24L01
Module NRF24L01 là module làm sẵn với một con chip 2.4GHz duy nhấtđảm nhận việc truyền phát dữ liệu với công nghệ truyền phát EnhancedShockBurstTM siêu tiết kiệm năng lượng Vì vậy, nó rất phù hợp với các ứng dụng
sử dụng nguồn năng lượng thấp Module NRF24L01 được sử dụng trong các dự ángiao tiếp vô tuyến với các băng tần giao động từ 2.400-2.4835GHz Dé sử dungmodule NRF24L01, một vi điều khiển và một vài thành phần khác như ănten mởrộng khả năng thu phát sóng được thiết kế kèm theo Module NRF24L01 được quantâm rộng rãi vì một số lý do sau:
Khoảng cách thu phát khoảng tối đa 100m (với điều kiện trống trải),khoảng 30-50m (trong điều kiện nhà ở) Với một số phiên bản đặc biệt,việc sử dụng bổ sung chip khuếch đại tín hiệu (Power Amplifier & LowNoise Amplifier - PA LNA) thì khoảng cách kết nối có thé lên tới 1km.Với bộ NRF24L01 PA LNA, việc kết nối các cảm biến trên ruộng muối
thật dễ đàng.
Có anten sẵn trên bảng mạch Với việc có sẵn ănten sẵn như thé nay, giáthành của mỗi node trong mạng sẽ rẻ hơn rất nhiều so với module Zigbee
Có khả năng truyền tín hiệu hai chiều Tức là một module vừa có thể là
bộ phát vừa có thé là bộ nhận trên cùng một kênh truyền
Giá thành thấp khoảng 10.000 VNĐ/cái, rẻ hon module Zigbee đến 8 lần.Linh kiện có thể được thay thế rất dễ đàng
Điều kiện hoạt động của module:
VCC (chân nguồn cấp) phải nằm trong khoảng 1.9V đến 3.6V Nếu cấpnguồn không trong phạm vi này thì có thé làm hong module
Ngoại trừ VCC và GND phải tuân theo điện áp như trên thì các chân khác
trên module NRF24L01 có thé nối trực tiếp đến các chân /O (của vi điềukhiển) có điện thế lên đến 5V
Nếu mỗi chân I/O có dòng điện đến 10mA đi qua thì một điện trở 2kOhm là cần thiết để giảm cường độ dòng diện
Trang 25MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
Bang 3.1 Thông số kĩ thuật module NRF24L01
Tiêu chí Kích thước mạch in
256kbps / IMbps / 2Mbps
Enhanced ShockBurst TM /ShockBurst TM
Chế độ tắtChế độ chờChế độ gửi di liệuChế độ nhận dữ liệuTrong suốt quá trình hoạt động: -40°C
~ 85°C
40°C ~
Hinh 3.1 Hinh anh module NRF24L01
Trang 26Cách sử dụng
® Công nghệ Enhanced ShockBurstTM
o Công nghệ Enhanced ShockBurstTM sẽ bật chức năng cải thiện
đáng kể về sóng trong cả mô hình mạng một chiều và hai chiều màkhông yêu cầu vi xử lý phải xử lý thêm các thuật toán phức tạp
Ở chế độ nay, vi điều khiển có thé thay đổi các tham số như số lầntối đa tái gửi dữ liệu và độ trễ giữa lần gửi lại này với lần gửi lạitiếp theo Tất cả quá trình này được xử lý tự động mà không cần
sự can thiệp của vi điều khiển Ứng dụng của công nghệ này trongthực tế có thé kê đến như trong chuột máy tính
® Công nghệ ShockBurstTM
o Với công nghệ ShockBurstTM, module NRF24L01 có khả năng
truyền tải một lượng dữ liệu với tốc độ cao khi kết hợp với một viđiều khiển có khả năng xử lý và xung nhịp hoạt động cao
Khi ứng dụng công nghệ ShockBurstTM trong mach gửi, module
NRF24L01 sẽ tự động tiền xử lý và kiểm tra lỗi CRC
Mô hình mạng cảm biến trong luận văn này sử dụng mô hìnhmạng các cảm biến được xây dựng với module NRF24L01 sử
dụng công nghệ ShockBursfM,
Mã kiểm tra lỗi CRC
Truyền tin nói chung không thé tránh khỏi các loại nhiễu và rủi ro làm dir
liệu nhận được ở bên nhận không được trọn vẹn Có hai cách khắc phục khi xảy ra
lỗi là sửa lỗi và báo lỗi bằng cách phản hồi Phương án sửa lỗi thực hiện bằng cách
thêm vào frame truyền đi một vài mã có thé xem là dit liệu được mã hóa Bên nhận
kiểm tra bản tin, nếu phát hiện có lỗi có thể phục hồi lại dữ Phương án báo lỗi
sẽ thêm các thông tin đặc trưng của dit liệu vào frame truyền đi Bên nhận so sánhđặc trưng dữ liệu nhận được và so sánh với thông tin kèm theo, nếu không trùngkhớp sẽ hủy bản tin và có thể đưa ra yêu cầu gửi lại
Cyclic Redundancy Check (CRC) là một cơ chế phát hiện lỗi Nguyên lý:
-D: data k-bits
Trang 27MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
-F: FCS (Frame Check Sequency) n-bits
-T: frame truyền đi k+n-bits
-P: đa thức chia n+1-bits
(Chú ý: Phép chia nhị phân nếu có số dư thì luôn ít hơn số chia 1 bit)
S
Hình 3.2 Các luồng dữ liệu của NRF24L01
Trong mô hình này, một module NRF24L01 sẽ được cài đặt là một mach thu
với 6 luồng dit liệu (pipe) chỉ dùng dé lắng nghe dữ liệu Mỗi luồng dữ liệu sẽ cómột mã dữ liệu duy nhất nhưng dùng chung một tầng số kênh Điều đó có nghĩa là,
6 module NRF24L01 khác nhau có thê được cài đặt đê gửi dữ liệu đến moduleNRF24L01 thu này theo mỗi luồng dữ liệu khác nhau Luồng dữ liệu 0 có 40 bit décài đặt địa chỉ Mỗi luồng còn lại (1-5) có 8 bit địa chỉ khác nhau và chia sẻ 32 bitđịa chỉ với luồng dữ liệu đầu tiên Tat cả các luồng dữ liệu đều có thể xử lý với toàn
bộ hiệu năng của công nghệ ShockBurstTM Module NRF24L01 sẽ sử dụng luồng
đữ liệu khi nó phát hiện và thiết lập giao thức nhận gọi tin Điều đó có nghĩa là
module NRF24L01 thu sẽ gửi gói tin ACK cùng với dia chỉ của module NRF24L01
gửi tín hiệu đến nó Quá trình này gọi là quá trình auto-ACK
3.3.2 Các thành phần cơ bản trong mạng
Sensor Unit (SU)
Trang 28Bang 3.2 Bảng kết nói chân giữa NRF24L01 và vi điều khiển
Hình 3.3 Sơ đồ nói chân NRF24L01 và vi điều khiển
Sensor Unit là thành phần cơ bản của mọi cảm biến trong hệ thống mạngcảm biến Mọi node trong mạng cảm biến đều được hình thành từ Sensor Unit Nóđảm nhận nhiệm vụ giao tiếp không day trong mạng
Sensort Unit bao gồm:
® 01 Arduino promini
® 01 NRF24L01
Hình 3.4 Ảnh thực tế kết nói module NRF24L01 và vi điều khiển
Trang 29MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
Sensor unit đảm nhận việc truyền thông trong mạng theo mô hình được nêu
Pin c—* |Ằ——]| Cảm biến tốc độ gió
Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quan của Sensor Unit
Sensor Unit BMP180
Sensor Unit BMP180 là một node thuộc loại Sensor Unit Nó nhận nhiệm vu
do áp suất môi trường Cảm biến áp suất BMP180 được sử dụng dé đo đạc mức ápsuất khí quyền tại ví trị đặt cảm biến BMPI80 là cảm biến tiết kiệm năng lượng,được thiết kế để sử dụng cho các thiết bị di động, thiết bị GPS Mức sai số chỉ ởmức 0.25m cùng với thời gian đo đạc nhanh BMP180 kết nối với vi điều khiển
thông qua giao thức I2C.
Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ - độ 4m SHT10 và áp suất BMP180
Trang 30Cảm biến áp suất BMP180
Bang 3.3 Thông số kĩ thuật chính của cảm biến áp suất BMP180
Thông sô Thâp nhất Bình thường Cao nhất Đơn vị
Nhiệt độ môi trường -40 85 °C
Độ chính xác áp suất 0,12 hPa
Độ đo nhỏ nhất - Áp 0,01 hPasuất
Độ đo nhỏ nhất — Nhiệt 0,1 °cđộ
Nguồn cấp 1,8 2,5 3,6 Vv
Tiéu thụ năng lượng 0,0001 0,65 1 mA
Sensort Unit BMP180 bao gôm :
SDA A4
SCL AS
Hinh 3.7 So đồ nối chân BMP180 và vi điều khiển
Trang 31MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
Sensor Unit SHT10
Sensor Unit SHT10 là một node thuộc loại Sensor Unit Nó nhận nhiệm vu
đo nhiệt độ môi trường.
Cảm biến nhiệt độ và độ 4m SHT10 được sử dụng do đáp ứng được độ chính
xác cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp, hoạt động én định không ảnh hưởng bởi
nguồn bên ngoài Độ phân giải của cảm biến đạt mức 14-bit, tốc độ đo nhanh Việccân chỉnh cảm biến được thực hiện tại nhà máy, các mức cân chỉnh được lưu trữtrong cảm biến
Bảng 3.5 Thông số kĩ thuật chính của cam biến nhiệt độ - độ âm SHT10
Thông số Thấp nhất Bìnhthường Caonhất Đơn vị
Tiêu thu năng lượng, 0.0015 0,55 1 mA
Sensort Unit SHT10 bao gồm :
Trang 32Hình 3.9 Cảm biến nhiệt độ & độ am — áp suất sau khi lắp hoàn chỉnh
Sensor Unit cảm biến mưa
Sensor Unit Cảm biến mưa là một node thuộc loại Sensor Unit Nó nhậnnhiệm vụ kiểm tra xem có mưa hay không
Cảm biến mưa
Cảm biến mưa hứng nước mưa và đếm số lần đầy ngăn chứa mưa dé xác
Trang 33MẠNG CAM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
Công thức tính lượng mua:
2,54
50 L=cx (3.1)
Trong đó:
® _L: lượng mưa tính theo mm.
© _ c: số lần đếm cảm biến mưa trong thời gian 60 giây
Sensort Unit Cảm biến mưa bao gồm :
Cảm biến gió là cảm biến cơ học hoạt động theo nguyên tắc khi cảm biến
xoay một vòng, lưỡi gà điện tử sẽ đóng một lần, sau đó ngắt.
Công thức tính vận tốc cảm biến gió dựa trên số vòng quay trong thời gian
10 giây:
(2+*mrxr)*=
aes @2)
100000 +t * 300°
Trang 34Trong đó:
© V: vận tốc gió (km/h)
¢ r: bán kính vòng quay cảm biến (cm)
© t: thời gian đếm số vòng quay (giây)
© c: s6 lần đếm vòng quay cảm biến trong thời gian t (lần)
Sensort Unit Cảm biến gió bao gồm :
® 01 Arduino promini 3v3
¢ 01 NRF24L0I
ién gió
DATA GND
Hình 3.12 Sơ đồ nói chân cảm biến vận tốc gid và vi điều khiển
3.3.3 Giới thiệu một số bộ cảm biến thương mại
Bên cạnh việc tự thiết kế các bộ cảm biến, một số bộ cảm biến có sẵn trên thịtrường có thể được sử dụng Các bộ cảm biến này được trang bị hầu hết các cảmbiến cần thiết Tuy nhiên, vấn đề cần lưu ý là các bộ cảm biến loại này thường có
Trang 35MẠNG CAM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
giao thức truyền tin riêng, không công bố Do đó, việc sử dung lại các cảm biến cần
điều chuyển tín hiệu và/hoặc loại bỏ thành phần truyền tin của các bộ biến.
RainWise, cung cấp khả năng đo đạc 6 yếu tố: nhiệt độ, độ âm, vận tốc gió,hướng gió, áp suất, lượng mưa Giá bán: 999 USD
Hình 3.13 Bộ cảm biến RainWise
Davis VantageView, cung cấp khả năng đo đạc 6 yếu tố: nhiệt độ, độ am, vận tốc gió, hướng gió, áp suất, lượng mưa Giá bán: 715 USD.
Hình 3.14 Bộ cảm biến Davis VantageView
Ambient Weather, cung cấp khả năng đo đạc 8 yếu tố: nhiệt độ, độ 4m, vận
tốc gió, hướng gió, áp suất, lượng mưa, bức xạ năng lượng mặt trời, UV Giá bán:
299 USD.
Trang 36Hình 3.15 Bộ cảm biên Ambient Weather
AcuRite, cung cấp khả năng đo đạc 6 yếu tố: nhiệt độ, độ âm, vận tốc gió,hướng gió, áp suất, lượng mưa Giá bán: 129 USD
Hinh 3.16 Bộ cảm biến AcuRite
Các bộ cảm biến tổng hợp dữ liệu từ tất cả các cảm biến được lắp đặt trênthiết bị, sau đó gửi thông tin này về bộ thu phát trung tâm Thành phan cảm biếnkhông thể thêm vào hoặc loại bỏ để giảm chỉ phí
3.3.4 Mô hình truyền thông trong mạng cảm biến
Mô hình truyền thông trong mạng trong hệ thống mạng cảm biến được xâydựng trên mô hình OSI Nhưng được lướt gọn đi các phần không cần thiết để mạng
có thể linh hoạt trong việc xử lý tín hiệu Mô hình cụ thể gồm các tầng khác nhau
được thể hiện qua bảng sau:
Trang 37MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
Bang 3.7 Bảng phân tang dữ liệu trong mạng cảm biến
Tâng Tên Nhiệm vụ Gói tin
1 Application Dữ liệu cần gửi Data
2 Checksum Tao checksum dé khôi phuc Checksum + Data
dữ liệu
3 Transport Thêm định dang gói tin Protocol + checksum + data
4 Network Thêm dia chỉ node nhận Địa chỉ node nhận + protocol
+ checksum + data
5 Datalink Thêm địa chi node gửi Địa chỉ node gửi + địa chỉ
node nhận + protocol +
checksum + data
6 Physical Truyền dữ liệu
Quy trình gửi dữ liệu trong mạng
Trong đó ở tầng Application, dữ liệu được chia nhỏ và đưa vào một mảnggồm 8 byte Với 8 byte nay, tang Application có thé chứa được các dữ liệu ở định
dang: char, int, long, long long, float, double và mảng có kích thước không quá 8 ký
tự.
Với mảng dữ liệu data, tầng Checksum tạo ra một byte checksum ở mứcParity checksum, mỗi bit trong byte đó là mã đề kiểm tra tra mảng data có chính xác
ở mạch nhận hay không.
Sau đó, ở tầng Transport, lúc này dựa vào mong muốn của người lập trình
mà sẽ thêm một byte để quy định lệnh gửi dữ liệu (6bit), phương pháp gửi(TCP/UDP = Ibit) và một bit còn lại dé đánh dấu đây có phải là lệnh gửi đầu tiên
Tiếp đến ở tầng Network, người lập trình sẽ thêm các thông tin về mạch gửi,bao gồm 3 pipe thể hiện mã pipe
Sau đó, ở tầng Datalink, chương trình trên vi điều khiển sẽ thêm vào pipe củanode gửi, cũng bao gồm 3 pipe thể hiện mã pipe
Cuối cùng, ở tầng Physical, chương trình trên vi điều khiển sử dụng thư việnNRF24L01 dé chuyền gói tin trên thành mã nhị phân và gửi nó trong sóng vô tuyến
ở tang số 2.4GHz
Trang 38Quy trình nhận dữ liệu trong mạng
Khi nhận được một gói tin ở tầng Physical, tầng Datalink sẽ lọc xem nodenào là node gửi và cắt phần còn lại gửi lên tầng Network Nếu không lấy được
thông tin nào là node gửi thì bỏ qua.
Tầng Network sẽ kiểm tra xem node nhận có mình là node này không Nếukhông thì bỏ qua, nếu đúng là node này (thông qua 3 mã pipe) thì cắt phần thông tinnode gửi ra và chuyển lên Transport
Tầng Transport sẽ kiểm tra mã lệnh có trong danh sách lệnh của node nàyhay không Nếu không và đây node repeater thì đánh dấu Flags là 1 rồi đóng gói lạilệnh qua các tầng Network, Datalink và tái gửi lại ở tầng Physical Nếu lệnh nằmtrong danh sách lệnh tai node này thì đưa phần dữ liệu còn lại đến tang checksumcùng với tên hàm sẽ xử lý Nếu flags là 1 thì gọi thêm thông báo có độ trễ trong
mạng (vì phải gửi thông qua repeater).
Tầng Checksum sẽ kiểm tra độ chính xác dữ liệu Nếu dữ liệu chính xác thìgọi hàm tương ứng và dữ liệu tương ứng Nếu dữ liệu sai thì yêu cầu gửi lại nếuprotocol là TCP Nếu không thì bỏ qua
Ở tang Application, hàm được gọi sẽ nhận tham số đầu vào là một mang 8byte, sau đó sẽ được chuyền về kiểu dữ liệu phù hợp trong hàm đó rồi xử lý như
trong cài đặt của hàm.
3.3.5 Đặc điểm của mang cắm biến sir dung NRF24L01
Sóng vô tuyến hoạt động ở khoảng tần số 2.4GHz hiện nay đang được ứngdụng rất phô biến Có thể kể đến các công nghệ được ứng dụng phô biến trong hệthống mạng cảm biến như công nghệ wifi, công nghệ NRF24L01 và công nghệZigbee Trong đó, công nghệ sóng wifi là công nghệ phỏ biến nhất vì các chuẩn của
nó và khả năng truyền tai dir liệu lớn của nó Tuy nhiên, sóng wifi rất tốn nănglượng và giá thành của các thiết bị khá đất Khả năng wifi là truyền data liên tục vàkhông bị lỗi trong quá trình (tức là đảm bảo khả năng chịu lỗi là số 1) Tuy nhiên,chúng ta không cần thiết phải cần duy trì một mạng lưới như thế trong mạng cảmbiến Vì mạng cảm biến không cần gửi dữ liệu một cách liên tục mà chỉ cần gửi cáctín hiệu — tức là dữ liệu dạng gói đơn với thời gian quảng cách giữa các lần gửi là
Trang 39MẠNG CẢM BIEN KHONG DAY SỬ DỤNG NRF24L01
khá lớn Đó là lý do vì sao công nghệ NRF24L01 ra đời Nó giúp cho các hệ thống.mạng cảm biến có một công nghệ không dây tương đối ồn định và hoạt động với ítnăng lượng những vẫn đảm bảo mọi node chịu lỗi tốt Tuy nhiên, phần cứng của nókhá đơn giản và không dễ cho người phát triển để phát triển một hệ thống lớn Đó là
lý do để Zigbee ra đời, vì Zigbee đã phát triển sẵn các công cụ phần cứng dé địnhtuyến thiết bị Nhưng giá thành của nó cũng khá đắt Có thé nói Zigbee là sóng wificủa công nghệ truyền dẫn NRF24L01
Vì vậy, để xây dựng một mạng cam biến phù hợp với môi trường Việt Nam
và có thể mở rộng với số lượng lớn, tác giả sử dụng công nghệ NRF24L01 để pháttriển từ đầu Từ đó xây dựng các thiết bị phần cứng có khả năng định tuyến, truyềntải dữ liệu một cách hoàn hảo nhằm thu thập dữ liệu từ khu vực xung quanh ruộngmuối
Công nghệ NRF24L01 có đặc điểm:
© Méi module NRF24L01 có 6 luồng dữ liệu; mỗi luồng có thể đượcdùng phát hoặc thu Mặc định, sẽ có 5 luồng dữ liệu đê phát dit liệu va
1 luồng dữ liệu dé lắng nghe dữ liệu
® Module NRF24L01 hoạt động ở điện thé 3V3 với mức tiêu thụ 10uAkhi ở chế độ nghỉ và 3-4mA khi lắng nghe hoặc gửi dữ liệu
© Module NRF24L01 sử dụng công nghệ SPI dé giao tiếp với các viđiều khiển, trong trường hợp của luận văn là Atmega328P được đóng
gói trong board mạch Arduino Promini.
© Module NRF24L01 có tầm phủ sóng trong phạm vi 100m theo lýthuyết và trong điều kiện thử nghiệm trong nhà có phạm vi 30m vàthực nghiệm ngoài ruộng muối là 50m
3.3.6 Định tuyến trong mạng
Có ba loại giao thức định tuyến chính hay được dùng trong mạng cảm biến,
đó là định tuyến trung tâm dữ liệu (data-centric protocol), định tuyến phân cấp(hierarchical protocol) và định tuyến dựa vào vị tri (location-based protocol)
Mục đích chính của mạng cảm biến là truyền thông dữ liệu trong mạng trongkhi cố gắng kéo dài thời gian sống của mạng và ngăn chặn việc giảm các kết nối
Trang 40bằng cách đưa ra những kỹ thuật quản lý năng lượng linh hoạt Trong khi thiết kếcác giao thức định tuyến, chúng ta thường gặp phải các van dé sau:
Đặc tính thay đỗi thời gian và trật tự sắp xếp của mạng
Các node cảm biến hoạt động với sự giới hạn về khả năng tính toán, lưu trữ
và truyền dẫn, dưới ràng buộc về năng lượng khắt khe Tùy thuộc vào ứng dụng,mật độ các node cam biến trong mạng có thể từ thưa thớt đến dày đặc Hơn nữatrong nhiều ứng dụng số lượng các node cảm biến có thể lên đến hàng trăm, thậmchí hàng ngàn node được triển khai tùy ý và thông thường không bị giám sát, baophủ một vùng rộng lớn Trong mạng này, đặc tính của các cảm biến là có tính thíchnghỉ động, như là nhu cầu tự tổ chức và bảo toàn năng lượng buộc các node cảmbiến phải điều chỉnh liên tục dé thích ứng hoạt động hiện tại
Ràng buộc về tài nguyên
Các node cảm biến được thiết kế với độ phức tạp nhỏ nhất cho triển khaitrong phạm vi lớn để giảm chi phí toàn mạng Năng lượng là mối quan tâm chínhtrong mạng cảm biến không dây, làm thế nào để đạt được thời gian sống kéo dàitrong khi các node hoạt động với sự giới hạn về năng lượng dự trữ Việc truyền góimutilhop chính là nguồn tiêu thụ năng lượng chính trong mạng Dé giảm việc tiêuthụ năng lượng có thé đạt được bằng cách điều khiển tự động chu kỳ công suất củamạng cảm biến Tuy nhiên vấn đề quản lý năng lượng đã trở thành một thách thứcchiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng
Mô hình dữ liệu trong mạng cảm biến không dây
Mô hình dữ liệu mô tả luồng thông tin giữa các node cảm biến và node trungtâm Mô hình này phụ thuộc nhiều vào bản chất của ứng dụng trong đó có cách ditliệu được yêu cầu và sử dụng Một vài mô hình đữ liệu được đề xuất nhằm tập trungvào yêu cầu tương tác và nhu cầu tập hợp dữ liệu của đa dạng các ứng dụng
Một loại ứng dụng của mạng cảm biến yêu cầu mô hình thu thập dữ liệu màdựa trên việc lấy mẫu theo chu kỳ hay sự xảy ra của sự kiện trong môi trường quansát Trong các ứng dụng khác dữ liệu có thể được chụp và lưu trữ hoặc có thể được
xử lý, tập hợp tại một node trước khi chuyên tiếp dữ liệu đến node trung tâm Một