Báo cáo Đồ Án môn học mạng cảm biến không dây Đề tài mạng cảm biến Đo nhiệt Độ môi trường

Yêu cầu của dự án STT Yêu cầu Chức năng, thông số Mức độ ưu tiên 1 Thông số, nhiệt độ đo Chức năng: Đo nhiệt độ tại các đầu máy trong nhà máy, các vị trí cách trạm thu gateway 6 Quản lý

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

ĐỀ TÀI: MẠNG CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN NHÂN HẠNG NGUYỄN KHÁNH NGUYÊN

20202369

20202669 Lớp học: 145445

Giảng viên hướng

dẫn:

ThS ĐÀO ĐỨC THỊNH

Hà Nội, 1-2024

PHẦN 1: TỔ CHỨC THỰC HIỆN

I Yêu cầu của dự án

STT Yêu cầu Chức năng, thông số Mức độ ưu tiên

1 Thông số, nhiệt độ

đo

Chức năng: Đo nhiệt độ tại các đầu máy trong nhà máy, các vị trí cách trạm thu (gateway)

6 Quản lý thiết bị

Tối thiếu 11 thiết bị đo

1

Phát kiện thiết bị mất nguồn/không hoạt động/out mạng

Phát hiện thiết bị tham gia mạng Cấu trúc mạng (dự kiến) mesh

7 Phần mềm máy tính

Thu nhập giá trị đo từ thiết bị đo: sử dụng

2

Thingsboard: Quản lý dữ liệu

đo, dao diện gồm giá trị nhiệt

độ mỗi node, update 10s/lần Giao diện hiển thị realtime, lưu trữ dữ liệu và có thể thay đổi chu kì đo

8 Cảnh báo

3 LED báo ngưỡng nhiệt độ

2 Cập nhật ngưỡng nhiệt độ từ

máy tính

9 OTA Tính năng cập nhật firmware

II Giới thiệu thành viên của dự án

Họ và tên: Nguyễn Khánh Nguyên MSSV: 20202669

- Gửi dữ liệu từ Gateway lên máy tính

Họ và tên: Nguyễn Nhân Hạng

MSSV: 20202369

Phụ trách công việc

- Đưa ra mô hình chung

- Lựa chọn linh kiện phần cứng

- Tính toán công suất tiêu thụ

- Đưa ra mô hình chung

- Tìm hiểu các công nghệ truyền thông không dây

- Tính toán công suất tiêu thụ

- Lập trình đọc dữ liệu cảm biến và điều khiển hệ thống

- Lập trình node mạng và Gateway

- Đề xuất kịch bản đo và đánh giá chất lượng mạng

III Kế hoạch thực hiện chung của dự án

Nội dung Kết quả cần đạt Thời gian

(Tuần)

Ghi chú

Tìm hiểu các bài

toán liên quan

Phân tích ứng dụng của thiết bị

1 - 3

Lựa chọn công nghệ truyền thông

và kiến trúc mạng Lên phương án sơ

bộ

Xây dựng chỉ tiêu thiết kế cho

Xây dựng sơ đồ khối chức năng

Lựa chọn linh kiện

Lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ

mạch Phát triển các chức

năng nâng cao

Kiểm thử toàn diện 12 - 13

IV Kế hoạch và nội dung thực hiện của từng thành viên

liệu liên quan

Hiểu và trình bày cho

dữ liệu từ các node trong mạng

T14 Đã hoàn

thành Tìm hiểu giao thức

RF

Gửi dữ liệu lên

máy tính

Lựa chọn giao thức phù hợp (RF) Gửi dữ liệu lên máy tính và hiển thị dữ liệu trên bảng giám sát

Tìm hiểu và đánh giá các ứng dụng liên quan

3 - 4 Đã hoàn

thành

Lên phương án

sơ bộ

Xây dựng chỉ tiêu thiết kế nguồn

- Lựa chọn Pin phù hợp

3 - 5 Đã hoàn

thành

Xây dựng sơ đồ khối chức năng Sơ đồ khối chức năng Lựa chọn linh

kiện

Tính toán + Lựa chọn linh kiện cho mạch nguồn

Mua các linh kiện lựa chọn

- Khối cảm biến

- Khối nguồn pin

- Khối truyền thông + MCU/kit

6 - 11 Đã hoàn

thành

Layout mạch File PCB Đặt mạch Mạch

Phát triển chức

năng cơ bản

Kiểm thử toàn diện

Hệ thống chạy được những chức năng cơ bản

Đã hoàn thành

Hoàn thiện

Hàn mạch Mạch hoàn thiện 13 - 15 Đã hoàn

thành Tổng kiểm tra Kiểm tra hệ thống sản phẩm 17 - 19 Đã hoàn

thành Test Đo các thông số về

khoảng cách giữa các node, thời gian truyền, độ chính xác

dữ liệu

Bùi Đức Anh

Nội dung Mô tả (tính năng, thông số,…) Kết quả cần đạt

Thời gian thực hiện (theo tuần)

Hiểu và trình bày cho cả nhóm

1 - 3 Đã hoàn

thành

Tìm hiểu các dự

án có sẵn trên thị trường

Tìm hiểu và đánh giá các ứng dụng liên quan

Tính toán công suất

dự kiến

3 - 5 Đã hoàn

thành Xây dựng sơ đồ

khối chức năng Sơ đồ khối chức năng

Gateway nhận được

dữ liệu từ các node trong mạng

- Hoàn thiện báo cáo

17 - 19

V 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 gì của dự án

(cần ghi rõ để có cơ sở đánh giá tỷ lệ) Nguyễn Khánh Nguyên 33% - Tìm hiểu đề tài và lựa chọn các công

nghệ truyền thông

Xây dựng phần mềm:

+ Chọn cảm biến + Lập trình đọc dữ liệu cảm biến + Lập trình cho node + gateway sử dụng STM32

+ Đẩy dữ liệu lên máy tính + Test, kiểm tra hệ thống, đánh giá thông

số, hoàn thiện báo cáo Nguyễn Nhân Hạng 33% - Tìm hiểu đề tài và lựa chọn các công

nghệ truyền thông

Xây dựng phần cứng:

+ Chọn thiết bị phần cứng + Xây dựng kiến trúc mạch nguồn +Thiết kế mạch nguồn

- Đề xuất đánh giá chất lượng mạng Bùi Đức Anh 33% - Tìm hiểu đề tài và lựa chọn các công

nghệ truyền thông

Xây dựng phần mềm và tính toán công suất tiêu thụ:

+ Tính toán công suất tiêu thụ + Lập trình đọc dữ liệu cảm biến + Lập trình cho node + gateway sử dụng STM32

+ Test, kiểm tra hệ thống, đánh giá thông

số, hoàn thiện báo cáo

PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN

I Phân tích các yêu cầu của dự án

1 Tổng quan đề tài

Tổng quan về mạng cảm biến không dây:

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là một hệ thống bao gồm các cảm biến không dây được triển khai để thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh Các cảm biến trong mạng này thường được trang bị các chức năng cảm biến,

xử lý, và giao tiếp không dây Mục tiêu của mạng cảm biến không dây là giúp thu thập thông tin hiệu quả về môi trường, như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, âm thanh, hoặc các thông số khác, và truyền dữ liệu này về một trung tâm điều khiển hay hệ thống xử

lý

Mạng cảm biến không dây bao gồm các node cảm biến kích thước nhỏ, đa chức năng, giá thành rẻ, tiêu thụ ít năng lượng

Các ứng dụng của mạng cảm biến không dây rất đa dạng, bao gồm:

● Quản lý môi trường: Giám sát và thu thập dữ liệu về môi trường tự nhiên, như rừng, đồng cỏ, hồ nước, để theo dõi biến động sinh thái và môi trường tự nhiên

● Quản lý tài nguyên: Sử dụng cảm biến để theo dõi và quản lý tài nguyên như nước, năng lượng, và các nguồn tài nguyên khác

● Quản lý hạ tầng: Theo dõi và bảo trì hạ tầng đô thị, như cầu, đường sá, cống,

để dự đoán và phòng tránh sự cố

● Quản lý nông nghiệp thông minh: Sử dụng cảm biến để theo dõi và quản lý các thông số như độ ẩm đất, nhiệt độ, và ánh sáng để tối ưu hóa sản xuất nông nghiệp

● Quản lý y tế: Sử dụng cảm biến để theo dõi sức khỏe của bệnh nhân, giám sát các thủ tục y tế, và cung cấp dữ liệu cho quá trình chăm sóc sức khỏe từ xa Các khối chức năng của một node cảm biến:

● Khối nguồn cung cấp

● Khối đầu đo cảm biến/cơ cấu chấp hành

● Khối điều khiển (khối xử lý uC/uP)

● Bộ nhớ

● Khối truyền thông không dây

Trong thực tế, các node cảm biến thường được triển khai ở các vị trí khó tiếp cận Thông thường, pin được sử dụng để cấp nguồn cho mỗi node Tuy nhiên, xu hướng hiện nay là sử dụng những node cảm biến tự chủ năng lượng bằng công nghệ sạc không dây

Một mạng cảm biến không dây có thể bao gồm hàng trăm, hàng nghìn node cảm biến phân bố rải rác Trong mạng cảm biến không dây, các node thực hiện đồng thời hai chức năng đó là:

● Chức năng sinh dữ liệu: Các node cảm biến thu thập thông tin về các sự kiên trong trường cảm biến và thực hiện việc truyền thông để gửi dữ liệu về điểm thu thập

● Chức năng định tuyến dữ liệu: Các node cảm biến cũng tham gia và quá trình chuyển tiếp các bản tin nhận được từ các node lân cận trong tuyến đường đa chặn đến điểm thu thập

Với yêu cầu thiết kế mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ, chúng em lựa chọn mô hình mạng cảm biến nhiệt độ cho việc quản lý nhiệt độ trong ngôi nhà thông minh

2 Mục tiêu, tiêu chí

● Xây dựng những node cảm biến, đặt ở nhiều vị trị khác nhau

● Công suất tiêu thụ thấp để kéo dài thời gian sử dụng pin, pin có thể sạc lại

o Lựa chọn linh kiện dòng tiêu thụ thấp

o Lựa chọn công nghệ truyền thông phù hợp

● Dải đo nhiệt độ đạt chuẩn

● Thời gian đo mẫu: 15 giây

● Khoảng cách truyền trong phạm vi 20-100m, từ node tới Gateway, sử dụng công nghệ RF Mesh

● Quản lý tối thiểu 10 thiết bị đo

● Xây dựng giao diện hiển thị và giao tiếp với người dùng: thu thập giá trị đo từ thiết bị đo, quản lý dữ liệu, xuất báo cáo dạng excel

3 Triển khai dự án theo yêu cầu đặt ra

- Dải đo: 25oC ÷ 150oC

- Độ chính xác: ±1oC

- Độ phân giải hiển thị: 0.1oC

Đo nhiệt độ tại các điểm đo, mỗi điểm

đo cách nhau 1-5m

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

Sử dụng 2 Pin Lithium dung lượng 1200mAh

Tính toán công suất tiêu thụ cực đại khoảng 980mW

Đưa ra thuật toán truyền dữ liệu

- 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

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

Có nút bấm cấp nguồn và nút bấm bắt đầu đo

3 Led xanh lục, xanh dương, đỏ hiển thị ngưỡng nhiệt độ

OTA (nâng cao)

II Lựa chọn giải pháp và lên phương án thiết kế

1 Lựa chọn giải pháp

1.1.Lựa chọn công nghệ mạng không dây

Công nghệ truyền thông lựa chọn cần tối thiểu đáp ứng các điều kiện

- Quản lý được nhiều thiết bị

- Khoảng cách: tầm gần, giữa các đầu máy trong nhà máy (1 - 5m)

- Suy hao thấp trong môi trường nhà máy với các vật cản

- Dữ liệu có thể được đẩy về 1 máy trung tâm để quản lý

- Ưu tiên công nghệ truyền thông với công suất tiêu thụ thấp và khoảng cách truyền xa

ổn định - là tiêu chí chính mà nhóm đưa ra ……

Hiện nay Zigbee, BLE và Wifi đang là ba công nghệ không dây indoor phổ biến được

sử dụng Ngoài ra còn có các công nghệ truyền thông không dây outdoor thường được

sử dụng như Lora, 4G-LTE, NB-IoT,… Tuy nhiên, do hệ thống mạng cảm biến sử

dụng nguồn pin để hoạt động, yêu cầu phải tiêu thụ năng lượng thấp, vì vậy cần công nghệ truyền tin không dây vừa đảm bảo được về khoảng cách truyền đủ lớn, vừa đảm bảo được công suất tiêu thụ thấp đồng thời phù hợp ứng dụng truyền thông trong môi trường nào Theo như bảng 1.1, nhóm chọn công nghệ truyền thông RF để xây dựng

Phạm vi

truyền

100m(ngoài trời),30-50m(trong nhà

50 m (trong nhà), 100 m (ngoài trời)

Công suất

tiêu thụ

Tx,Rx: 0,1 W

Tx: 0.5-2 W,Rx: 0.1-1

W

Tx/Rx:

0.5 W

~0.01-Tx: 0.06 W, Rx:

256kbps-72-600 Mbps 1 Mbps 250 kbps 250 kbps 250 kbps

Indoor/

Outdoor Tốt cả hai Tốt trong

nhà

Tốt trong nhà

Tốt trong nhà

Tốt ngoài trời

Tốt ở trong nhà

Thông qua bảng so sánh, nhóm lựa chọn RF làm công nghệ giao tiếp giữa các nút cảm biến và gateway vì những lý do sau

- Công suất tiêu thụ thấp nhưng vẫn đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu

- Khả năng quản lý số lượng thiết bị đáp ứng yêu cầu

- Mesh topology giúp tăng cường phạm vi phủ sóng

- Phù hợp với môi trường indoor (trong nhà máy)

Ngoài ra, do nhóm sử dụng MCU STM32 nên không đẩy dữ liệu lên server mà đẩy dữ liệu từ gateway trực tiếp lên máy tính thông qua cổng COM

1.2 Mô hình mạng triển khai

Trong khuôn khổ của dự án triển khai hệ thống mạng cảm biến không dây để giám sát nhiệt độ môi trường tại nhà kính, nhóm quyết định chọn kiến trúc mạng Mesh,giao tiếp giữa các nút cảm biến qua RF và sử dụng Gateway để thu thập dữ liệu từ nút và truyền lên máy tính thông qua COM PORT

- Gateway đóng vai trò quản lý trung tập, thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến

- Trong kiến thức hình mesh, một nút hỏng sẽ không ảnh hưởng đến việc routing khi các note khác có thể chọn một đường đi khác để đến với gateway

Hình 1.1 Mô hình triển khai mạng RF Mesh

Giải thích:

● Các node cảm biến thu thập thông tin từ môi trường, cụ thể là nhiệt độ ở các phòng

● Thông tin từ các node được gửi lên gateway thông qua công nghệ RF Mesh

● Gateway xử lý các luồng thông tin nhận được từ node và đưa lên máy tính thông qua cổng COM

1.3 Công nghệ truyền thông RF Mesh

RF Mesh là một mạng kết nối các thiết bị thông qua chuẩn giao tiếp RF, cho phép giao tiếp mượt mà giữa chúng Với RF Mesh, có thể thiết lập một mạng lưới quy mô lớn nối các thiết bị khác nhau với nhau Việc chia sẻ dữ liệu giữa các thiết bị không xảy ra thông qua trao đổi trực tiếp mà thông qua việc truyền dữ liệu từ một thiết bị sang thiết bị khác cho đến khi nó đạt đến điểm đích mong muốn

Các đặc điểm của RF Mesh:

● Giới thiệu: Công nghệ RF Mesh, hệ thống RF MESH do CPC IT xây dựng

● Tính ổn định: Mạng RF Mesh có khả năng tự thích nghi, tức là chúng có khả năng tự xây dựng lại và hoạt động như bình thường ngay cả khi một vài node

bị hỏng, hoặc tìm đường đi khác khi đường đi thông thường bị chặn - đây đều

là những tình huống có thể xảy ra trong hệ thống công nghiệp Một node mạng trung tâm sẽ kiểm soát các node mạng khác kết nối với nó Nếu một node không liên lạc được với một node khác, hai node có thể liên lạc với nhau bằng cách sử dụng các node trung gian

● Tính linh hoạt: Các vị trí vật lý của node trung tâm là rất linh hoạt, miễn là nó nằm trong phạm vi thông tin liên lạc của các thiết bị khác trong hệ thống, nó có thể được đặt bất cứ đâu, ở vị trí hợp lý nhất và thuận tiện nhất

● Chi phí: Loại bỏ các chi phí phần cứng gặp phải khi sử dụng Zigbee cho từng thiết bị trong hệ thống Chi phí bỏ ra chỉ dành cho việc lắp đặt các node trung tâm để quản lý mạng

● Khả năng mở rộng: Một mạng lưới duy nhất có thể hỗ trợ hàng ngàn cá nhân thiết bị Để bổ sung thêm các thiết bị mới, chỉ đơn giản là đặt nó tại nơi bạn muốn, và sau đó bật nó lên

● Độ tin cậy và mạnh mẽ: Một mạng lưới có thể được cải thiện bằng cách thêm nhiều thiết bị hơn - mở rộng khoảng cách, nâng cao chất lượng liên kết và độ tin cậy chung Điều này đặc biệt dễ dàng trong mạng RF Mesh, nơi chúng ta có thể thêm, di chuyển và loại bỏ các thiết bị mà không cần phải thực hiện cài đặt hay cấu hình lại cho mạng

● RF Mesh hoạt động ở tần số 408 ± 37.5 MHz (đây là tần số đã được CPC thuê riêng nhằm phục vụ hệ thống RF Mesh), tránh bị nhiễu tín hiệu với Wifi hay Bluetooth Còn Zigbee chủ yếu dùng tần số 2.4 GHz, trùng tần số với Wifi và Bluetooth, nên chúng có thể bị nhiễu tín hiệu nhau

● Khả năng tự cấu hình, tự động phát hiện sự cố tại một node bất kỳ trong mạng khi có vấn đề xảy ra

⮚ Cấu trúc chi tiết của RF Mesh:

Hình 1.2: Cấu trúc chi tiết của RF Mesh

1.4 Sơ đồ khối chức năng của từng thành phần trong mạng 1.4.1 Sơ đồ khối nút cảm biến

Hình 1.3 Sơ đồ khối nút cảm biến

1.4.2 Sơ đồ khối kết nối gateway với máy tính

Hình 1.4 Sơ đồ khối gateway kết nối với máy tính

2 Phương án thiết kế phần cứng

2.1 Khối ngoại vi

2.1.1 Cảm biến nhiệt độ

Ưu tiên lựa chọn cảm biến nhiệt độ giá thành thấp nhưng vẫn đáp ứng đủ các yêu cầu

về dải đo, độ chính xác, độ phân giải mà đề bài yêu cầu

Bảng 1.2 So sánh một số cảm biến nhiệt độ

(Analog

DHT11 (Digital

TMP235 (Analog)

DS18B20 (Digital

Từ bảng so sánh trên, lựa chọn cảm biến DS18B20 để đo nhiệt độ tại môi trường xung quanh

- DS18B20 có giá cả cạnh tranh so với các loại cảm biến khác, giúp giảm chi phí đầu

tư khi cần triển khi một mạng lưới cảm biến lớn

- Dải đo, độ chính xác và độ phân giải của DS18B20 đáp ứng được đề bài

Từ đó, ta đưa ra được Schematic mạch đo và chuẩn hóa cho DS18B20

Hình 1.5 Mạch nguyên lý của DS18B20

● Led: dùng để báo ngưỡng nhiệt độ

o Đèn xanh lục: Dưới ngưỡng cho phép

o Đèn xanh lam: Trong khoảng nhiệt độ cho phép

o Đèn đỏ: Trên ngưỡng cho phép

2.2 Khối MCU và truyền thông

Ta lựa chọn MCU và module giao tiếp dựa trên các tiêu chí

- Hoạt động hiệu quả

Dòng tiêu thụ 27 µA/MHz 28 µA/MHz 27 µA/MHz

9.3 mA (+5 dBm)

Vì cả 4 đều đáp ứng đầy đủ yêu cầu về bộ nhớ, tốc độ, analog ổn định, khả năng tiêu thụ nhưng với giá thành rẻ như STM32 thì lựa chọn STM32 là sự lựa chọn ổn