Xây dựng hệ thống phát hiện xâm nhập bằng công nghệ zigbee

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED LỜI CẢM ƠN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED LỜI CAM ĐOAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSNS) 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA NODE CẢM BIẾN 1.2.1 Bộ xử lý nhúng nguồn thấp (Low-power embedded processor) 1.2.2 Bộ nhớ (Memory/storage) 1.2.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio transceiver) 1.2.4 Cảm biến (Sensors) 1.2.5 Hệ thống định vị toàn cầu (Geopositioning system) 10 1.2.6 Nguồn cung cấp (Power source) 10 1.3 KIẾN TRÚC GIAO THỨC MẠNG WSNS 10 1.3.1 Lớp vật lý (Physical layer) 11 1.3.2 Lớp liên kết liệu (Data link layer) 11 1.3.3 Lớp mạng (Network layer) 11 1.3.4 Lớp truyền tải (Transport layer) 11 1.3.5 Lớp ứng dụng (Application) 11 1.3.6 Phần quản lý công suất (Power management plane) 11 1.3.7 Phần quản lý di động (Mobility management plane) 12 1.3.8 Phần quản lý nhiệm vụ (Task management plane) 12 1.4 ĐỊNH TUYẾN TRONG WSNS 12 1.5 ỨNG DỤNG CỦA WSNS 14 CHƯƠNG 17 CHUẨN ZIGBEE TRONG MẠNG WSNS 17 2.1 TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE 17 2.1.1 Lịch sử phát triển 17 2.1.2 Đặc điểm 18 2.1.3 Kiểu thiết bị 19 2.1.4 Cấu hình mạng 20 2.1.5 Profile chuẩn ZigBee 22 2.1.6 Kiểu thông báo kết nối 23 2.1.7 Định dạng thông báo chuẩn ZigBee 24 2.1.8 Định dạng khung chuẩn ZigBee 25 2.1.9 Kết hợp mạng 26 2.1.10 Cơ chế truyền liệu 27 2.1.11 Bảo mật (Security) 27 2.2 KIẾN TRÚC GIAO THỨC ZIGBEE 28 2.2.1 Lớp vật lý (PHY layer) 29 2.2.2 Lớp MAC (MAC sup-layer) 33 2.2.3 Lớp mạng (Network layer) 34 2.2.4 Lớp ứng dụng (Application layer) 35 CHƯƠNG 37 TỔNG QUAN VỀ MODULE XBEE/XBEE PRO (MAXSTREAM) 37 3.1 CẤU TRÚC MODULE XBEE/XBEE – PRO 37 3.2 ĐIỀU KHIỂN DỮ LIỆU 39 3.3 MẠNG XBEE/XBEE - PRO 40 3.3.1 Mạng không báo hiệu thường 40 3.3.2 Mạng không báo hiệu (w/Coordinator) 40 3.3.3 Quá trình liên kết 41 3.4 ĐỊNH ĐỊA CHỈ XBEE/XBEE - PRO 45 3.4.1 chế độ Unicast 45 3.4.2 Chế độ Broadcast 46 3.5 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XBEE/XBEE - PRO 46 Các lệnh sử dụng điều khiển module Xbee 47 3.6 KHUNG DỮ LIỆU API 50 3.7 THỰC HIỆN LIÊN KẾT TRUYỀN THÔNG TRÊN BỘ KIT MODULE XBEE 55 3.7.1 Thực trình liên kết module dạng điểm – điểm (peer – peer) 55 3.7.2 Thực kết nối point – point module (coordinator – End Device) 56 3.7.3 Thực liên kết module (1 Coordinator – End Device) 57 CHƯƠNG 59 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG PHÁT HIỆN XÂM NHẬP 59 4.1 YÊU CẦU HỆ THỐNG 59 4.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 59 4.2.1 Mô hình hệ thống 59 4.2.2 Sơ đồ khối hệ thống: 60 4.2.3 Khối giám sát ZED 60 4.2.4 Khối điều hành quản lý ZC 61 4.2.5 Cấu trúc gói tin giao tiếp 62 4.2.6 Quá trình xử lý thông tin 64 4.2.7 Hệ thống phần cứng 68 CHƯƠNG 75 THỰC HIỆN TRIỂN KHAI THIẾT KẾ HỆ THỐNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 5.1 CÁC THIẾT BỊ ĐƯỢC THIẾT KẾ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 5.1.1 Mạch layout module: Error! Bookmark not defined 5.1.2 Hình ảnh sản phẩm 75 5.1.3 Phần mềm điều khiển máy tính 76 5.2 QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 5.2.1 Hướng dẫn sử dụng hệ thống Error! Bookmark not defined 5.2.2 Thí nghiệm hệ thống .Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 LỜI NÓI ĐẦU Lĩnh vực công nghệ thông tin ngày phát triển đất nước Việt Nam, ngày ứng dụng rộng rãi lĩnh vực sống, đời sống xã hội Việc hội nhập, tiếp thu kiến thức để áp dụng vào sống vấn đề tầng lớp quan tâm Con người ngày sáng chế nhiều loại máy móc, phương tiện hữu ích để phục vụ cho người, nhằm giảm công sức mà người phải bỏ ra, giúp cho công việc đạt hiệu Các thiết bị phục vụ cho hoạt động người ngày thường không thiết bị đơn lẻ mà tập hợp thành hệ thống thiết bị có liên kết quan hệ với Các hệ thống mạng liên kết với phát triển từ hệ thống có dây đến hệ thống không dây “Wireless Sensor Networks” – vấn đề quan tâm giới khái niệm Việt Nam Thành tựu mà mang lại vô lớn cho nghiên cứu khoa học, lao động sản xuất phục vụ trực tiếp cuốc sống hàng ngày với ứng dụng công nghệ cao WSNs với chuẩn công nghệ không ZigBee công nghệ tiên tiến chiếm ưu Công việc đo đạc, giám sát khó khăn xưa với WSNs thực dễ dàng hơn, khoa học với chi phí thấp Ở Việt Nam, WSNs nghiên cứu phát triển tất khởi đầu Những hệ thống theo dõi, ứng dụng nông nghiệp, công nghiệp bắt đầu quan tâm nghiên cứu Với mục tiêu sử dụng kiến thức học Khoa Công Nghệ Thông tin – Đại Học Thái Nguyên, nghiên cứu tìm tòi thân, em “Xây dựng hệ thống phát xâm nhập công nghệ Zigbee” với mong muốn bước triển khai công nghệ “Wireless Sensor Networks” vào thực tế Việt Nam Đồ án em chia thành chương với nội dung sau:  Chương 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây: Nội dung chương giới thiệu chung hệ thống mạng cảm biến không dây WSNs  Chương 2: Chuẩn Zigbee mạng WSNs: Nội dung chương trình bày giao thức chuẩn Zigbee sử dụng mạng WSNs  Chương 3: Tổng quan module Xbee/Xbee – pro (Maxstream): Nội dung chương trình bày cấu trúc, đặc tính cách sử dụng module Xbee/Xbee – pro hãng Maxstream  Chương 4: Thiết kế hệ thống mạng phát xâm nhập: Nội dung chương trình bày trình xây dựng giao thức, trình xử lý xây dựng phần cứng cho thiết bị sử dụng cho hệ thống mạng giám sát  Chương 5: Thực triển khai thiết kế hệ thống: Nội dung chương trình bày trình chế tạo thực tiễn thiết bị sử dụng cho hệ thống trình kiểm tra hoạt động thực nghiệm hệ thống CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY (WSNs) 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG “Wireless sensor network” khái niệm mạng không dây gồm có không gian phân tán thiết bị tự trị sử dụng “sensors” để “hợp tác” theo dõi vật lý hay điều kiện môi trường, nhiệt độ, âm thanh, rung động, sức ép, chuyển động hay chất gây ô nhiễm, vị trí khác Hình 1.1a: Mạng cảm biến Trong khái niệm việc nối mạng phân phối cảm biến sử dụng chúng quân đội công nghiệp từ năm 1970 Nhưng thực từ năm 1990, mà công nghệ không dây thiết kế vi mạch tích hợp nguồn thấp trở thành khả Các nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu phát triển rộng khắp hệ thống nhúng cho mạng cảm biến không dây Hình 1.1b: Thiết bị đo lường cảm biến không dây MICAz Có lẽ công trình nghiên cứu sớm theo hướng dự án tích hợp cảm biến không dây nhỏ nguồn thấp UCLA (University of California, Los Angeles) Dự án tập trung phát triển thiết bị điện tử nguồn thấp cho phép mạng cảm biến không dây phổ biến rộng rãi Dự án thành công với việc dự án Wireless Integrated Networked Sensors (WINS), năm sau nhà nghiên cứu UCLA cộng tác với Trung Tâm Khoa học Rockwell để phát triển vài thiết bị cảm biến không dây Và nhiều dự án khác tiến hành để phát triển WSNs Hình 1.1c: Sự phát triển công nghệ cảm biến theo thời gian Những nhà nghiên cứu Berkeley phát triển thiết bị nhúng nối mạng cảm biến không dây gọi motes, sẵn sàng đưa vào ứng dụng với TinyOS – hệ điều hành nhúng cho thiết bị sử dụng dễ dàng Đối với WSNs lượng vấn đề quan trọng bậc nhất, mà nút sensor vấn đề tiêu tốn lượng lại chủ yếu dùng vào việc sử dụng truyền sóng RF Vì chế quản lý điều khiển thu phát vô quan trọng Nếu không cần thiết, nút mạng vào trạng thái Sleep để tiết kiệm lượng Nhưng truyền bị xung đột, liệu truyền bị mất, trình truyền thất bại, lượng tiêu tốn không nhỏ Vậy để qúa trình hiệu tiết kiệm lượng WSNs có hai phương pháp truy nhập kênh sử dụng mạng báo hiệu không báo hiệu Trong mạng không báo hiệu, chế truy nhập kênh CSMA/CA sử dụng Trong kiểu mạng này, định tuyến điển hình có thu phát luôn tích cực, nên yêu cầu cung cấp lượng phải linh hoạt Hình 1.1d: Phương pháp truy nhập kênh CSMA\CA Trong mạng báo hiệu, truy nhập kênh sử dụng cấu trúc siêu khung Định dạng siêu khung định nghĩa coordinator chia thành 16 khe thời gian Khung báo hiệu truyền khe thời gian siêu khung Nếu coordinator không muốn sử dụng cấu trúc siêu khung, việc tắt truyền nhận báo hiệu Báo hiệu sử dụng để đồng thiết bị gắn vào, để nhận PAN mô tả cấu trúc siêu khung Bất kỳ thiết bị muốn truyền thông thời gian truy nhập tranh giành hai báo hiệu tranh đua với thiết bị khác sử dụng khe chế CSMA\CA Tất giao dịch hoàn thành thời gian báo hiệu mạng siêu khung có phần tích cực phần không tích cực Hình 1.1e: Cấu trúc Siêu khung Đối với ứng dụng yêu cầu băng thông liệu, coordinator PAN dành phần siêu khung tích cực cho ứng dụng Những phần gọi khe thời gian đảm bảo (GTSs) GTSs hình thành chu kỳ tự tranh giành (CFP), phần cuối siêu khung tích cực, bắt đầu slot ranh giới sau CAP Coordinator PAN cấp phát tới bẩy GTSs Mỗi GTS chiếm giữ nhiều khe thời gian Tuy nhiên phần CAP để lại dành cho thiết bị khác truy nhập mạng hay thiết bị muốn tham gia vào mạng Tất giao dịch tranh giành phải hoàn thành trước CFP bắt đầu Mỗi thiết bị phát GTS đảm bảo giao dịch hoành thành trước thời gian GTS hay kết thúc CFP Wireless ad-hoc network hay mạng tùy biến không dây tập hợp gồm nhiều thiết bị/nút mạng với khả nối mạng giao tiếp không dây với mà không cần hỗ trợ quản trị trung tâm Mỗi nút mạng tùy biến không dây hoạt động vừa nút chủ (host) vừa thiết bị định tuyến Mạng cảm biến có vài điểm tương đồng với mạng mạng ad-hoc nói chung Như vậy, thiết kế giao thức cho mạng cảm biến phải tính toán thuộc tính mạng ad-hoc, bao gồm:  Thời gian tồn bị ràng buộc lượng giới hạn cung cấp cho phần tử mạng  Truyền thông không đáng tin cậy môi trường không dây  Cần tự cấu hình, yêu cầu can thiệp người vào Tuy nhiên, vài đặc điểm tồn mạng cảm biến không dây mà không tồn mạng ad-hoc Những đặc điểm đưa thách thức yêu cầu cải biến thiết kế cho mạng ad-hoc truyền thống:  Trong mạng ad-hoc truyền thống có kích thước khoảng 10 nút, mạng cảm biến lên đến hàng nghìn nút mạng  Các nút cảm biến đứng yên đặc thù, có nghĩa chế sử dụng giao thức mạng ad-hoc truyền thống giao tiếp với tính di động không cần thiết nặng nề  Các nút triển khai điều kiện môi trường khắc nghiệt, tình trạng nút không thực thi phổ biến  Nút cảm biến nhiều nhỏ mạng ad-hoc truyền thống (ví dụ như: PDA, laptop), với nguồn pin nhỏ đẫn đến thời gian tồn tại, khả tính toán, nhớ  Thêm dịch vụ, thông tin định vị yêu cầu mạng cảm biến không dây  Trong nút mạng ad-hoc truyền thống cạnh tranh tài nguyên băng thông, mạng cảm biến có hợp tác Truyền thông tin tiêu biểu liệu - trung tâm địa - trung tâm, có nghĩa liệu định tuyến phụ thuộc vào miêu tả liệu  Truyền thông mạng cảm biến diễn với dạng gói tin ngắn, có nghĩa đầu mục thêm vào lớp mạng khác trở thành quan trọng Việc hợp đặc điểm mạng cảm biến vào thiết kế giao thức quan trọng để đạt hiệu với tài nguyên có hạn mạng Đồng thời, giữ cho giao thức “nhẹ” tốt 1.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA NODE CẢM BIẾN Sơ đồ khối thiết bị cảm biến không dây đơn giản: Hình 1.2: Sơ đồ khối thiết bị cảm biến không dây đơn giản 1.2.1 Bộ xử lý nhúng nguồn thấp (Low-power embedded processor) Nhiệm vụ tính toán thiết bị WSNs bao gồm việc xử lý truyền thông tin phần tử cảm biến khác Hiện nay, chủ yếu ràng buộc kinh tế, xử lý nhúng thường hạn chế tốc độ tính toán Vì hạn chế này, thiết bị điển hình chạy hệ điều hành nhúng thành phần chuyên dụng TinyOS Tuy nhiên, mạng cảm biến, nút không thiết phải đồng nhất, số nút trang bị tốc độ tính toán cao 1.2.2 Bộ nhớ (Memory/storage) Bộ nhớ bao gồm nhớ chương trình nhớ liệu Số lượng nhớ board thiết bị WSNs bị hạn chế yêu cầu kinh tế 1.2.3 Bộ thu phát sóng vô tuyến (Radio transceiver) Những thiết bị WSNs có đặc điểm tốc độ liệu thấp, khoảng cách sóng vô tuyến tầm ngắn (10 - 100 kbps, < 100 m) Truyền sóng vô tuyến thường thao tác nhiều lượng thiết bị WSNs Do đó, cần kết hợp hiệu chế độ Sleep Wake-up để tiết kiệm lượng 1.2.4 Cảm biến (Sensors) Vì băng thông ràng buộc lượng, thiết bị WSNs chủ yếu hỗ trợ cảm biến tốc độ liệu thấp Các ứng dụng sử dụng nhiều cảm Bước hai: Nếu có tín hiệu từ sensor, hệ thống thiết lập trạng thái báo động (phát chuông) gửi thông điệp đến cho khối điều hành quản lý ZC xuống bước ba Nếu tín hiệu xuống bước ba Bước ba: Nếu có liệu điều khiển từ khối điều hành về, hệ thống tiến hành phân tích tin thực yêu cầu tin (tắt báo động, đồng thời gian, cập nhật lịch hoạt động) Tiếp tục xuống bước bốn Bước bốn: Hệ thống quay trở lại bước đầu để tiến hành vòng lặp BẮT ĐẦU NHẬN TÍN HIỆU TỪ SENSOR KIỂM TRA TÍN HIỆU ĐẦU VÀO CÓ TÍN HIỆU BÁO ĐỘNG THIẾT LẬP BÁO ĐỘNG KHÔNG CÓ TÍN HIỆU BÁO ĐỘNG GỬI BẢN TIN BÁO ĐỘNG ĐÊN ZC NHẬN DỮ LIỆU TỪ ZC NO BẢN TIN TẮT BÁO ĐỘNG YES BẢN TIN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN YES GỦI BẢN TIN TẮT BÁO ĐỘNG NHẬN DỮ LIỆU ĐỒNG BỘ THỜI GIAN NO BẢN TIN LỊCH HOẠT ĐỘNG NO HỦY GÓI TIN YES NHẬN DỮ LIỆU LỊCH HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG THIẾT LẬP TẮT BÁO ĐỘNG Hình 4.2.6.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển ZED 65 4.2.6.2 Khối điều hành quản lý ZC Quá trình hoạt động ZC theo chu trình khép kín với vong lặp vô hạn - Bước đầu: hệ thống gửi tin đồng thời gian (sau 24 gửi lại tin đồng bộ) - Bước hai: hệ thống kiểm tra xem có tin gửi từ ZED máy tính không? Nếu có tiến hành thực xử lý theo yêu cầu tin (thiết lập báo động, gửi danh sách ZED, tắt báo động) - Bước ba: hệ thống tiếp tục kiểm tra yêu cầu tự động từ hệ thống Nếu có yêu cầu hệ thống phát tin đồng thời gian, đặt lịch hoạt động tắt báo động - Bước 4: Quá trình trở bước đầu thực chu trình 66 BẮT ĐẦU PHÁT BẢN TIN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN NHẬN DỮ LIỆU TỪ CÁC ZED VÀ MÁY TÍNH BẢN TIN BÁO ĐỘNG NO YES NO BẢN TIN LẤY DANH SÁCH ZED NO HỦY GÓI TIN YES YES THIẾT LẬP BÁO ĐỘNG YÊU CẦU TẮT BÁO ĐỘNG TỪ MÁY TÍNH GỬI TOÁN BỘ DANH SÁCH ZED LÊN MÁY TÍNH GỬI BẢN TIN TẮT BÁO ĐỘNG GỬI LẠI BÁO NHẬN NHẬN LỆNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐỒNG BỘ THỜI GIAN HỆ THỐNG YES NO ĐẶT LỊCH HỆ THỐNG NO NO YES YES GỬI BẢN TIN ĐỒNG BỘ THỜI GIAN HỆ THỐNG YÊU CẦU TẮT BÁO GỬI BẢN TIN ĐẶT LỊCH HỆ THỐNG GỬI BẢN TIN TẮT BÁO ĐỘNG Hình 4.2.6.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển ZC 4.2.6.3 Máy tính Phần mềm máy tính thực nhiệm vụ hiển thị, điều khiển giao tiếp module ZC với module ZED Sơ đồ giải thuật phần mềm máy tính sau: 67 Hình 4.2.6.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển phần mềm máy tính 4.2.7 Hệ thống phần cứng 4.2.7.1 Hệ thống phần cứng khối giám sát ZED Module ZED cấu thành module sau: - Module Sensor nhận tín hiệu chuyện động: Tín hiệu chuyển động Sensor PIR D203S thu lại đưa đến khuêch đại thuật toán Tín hiệu tiếp tục đưa qua khuêch đại thuật toán, khuếch đại so sanh lọc nhiễu Tín hiệu đưa đến vi điều khiển 68 +5V R1 10K R17 1M LM324A 11 10uF 10 0.1uF C7 + 0.1uF R19 - C8 R8 D4 DIODE U13C 1M 1M R16 +5V ALARM_SIGNAL1 U13A R5 10K 1k 11 13 U13B 12 +5V +5V D7 DIODE C10 10uF LM324A 4.7uF CAP D5 DIODE 14 R6 47K D6 10k DIODE 4 J1 11 CAP LM324A + + R7 + C11 - - PIR D203S - 11 LM324A U13D R15 10k +5V R18 1M Hình 4.2.7.1a: Sơ đồ Mạch nguyên lý module Sensor Module Vi điều khiển có nhiệm vụ phân tích, xử lý tính hiệu đầu vào Xử lý hệ thống thu phát lệnh điều khiển tới module Xbee Vi điều khiển AVR sử dụng Atmage32 +5V J23 J24 J25 J22 BELL 1 1 R9 MOSI MISO SCK RST +5V 10k XTAL2 12 VC C 10 IC1 ATMega32-DIP40 PB0/(XCK/T0) PB1/(T1) PB2/(INT2/AIN0) PB3/(OC0/AIN1) PB4/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) PA0/(ADC0) PA1/(ADC1) PA2/(ADC2) PA3/(ADC3) PA4/(ADC4) PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) XTAL2 AVCC 14 15 16 17 18 19 20 21 32 30 XTAL1 PD0/(RXD) PD1/(TXD) PD2/(INT0) PD3/(INT1) PD4/(OC1B) PD5/(OC1A) PD6/(ICP) PD7/(OC2) PC7/(TOSC2) PC6/(TOSC1) PC5/(TDI) PC4/(TDO) PC3/(TMS) PC2/(TCK) PC1/(SDA) PC0/(SCL) GND GND 13 RX_XB TX_XB ALARM_SIGNAL2 LED_ALARM RESET AREF XTAL1 40 39 37 38 36 35 34 33 29 28 27 26 25 24 23 22 ALARM_OFF J13 J14 J15 J16 J17 1 11 31 - Hình 4.2.7.1b: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép nối Vi điều khiển 69 - Module Xbee nhận gói tin gửi đến bên nhận module trung tâm ZC Ta cần ý vấn đề điện áp Xbee sử dụng khác nên điện áp giao tiếp qua cổng UART khác Nên cần thực hạ áp giao tiếp UART.Xbee sử dụng loại Xbee 802.15.4 U9 +3v XBee Module RX_XB TX_XB R11 R13 10K 10K J8 J9 R14 10K 1 10 VCC AD0 / DIO0 DOUT AD1 / DIO1 DIN / CONFIG AD2 / DIO2 CD / DOUT_E / DO8 AD3 / DIO3 / CRD_SEL /RESET AD6 / DIO6 / RTS PWM0 / RSSI AD5 / DIO5 / Asso NC1 Vref NC2 ON / SLEEP DTR / SLEEP_RQ / DI8 DIO7 / CTS GND AD4 / DIO4 / RF_TX 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 J10 J12 1 J11 Xbee Hình 4.2.7.1c: Sơ đồ ghép nối Xbee - Module báo động gồm:chuông báo, LED, công tắc tắt báo động: +5V R2 D1 LED_ALARM R3 SW1 BELL 1K LED Q3 C828 10K ALARM_OFF J2 SW_PB_SPST CON_BELL LED ALARM BELL CONNECTOR BUTTONS CONTROLLER Hình 4.2.7.1d: Sơ đồ điều khiển phụ 70 RX_XB TX_XB +5V 12 XTAL2 10K 10K R14 10K J9 J8 14 15 16 17 18 19 20 21 RX_XB TX_XB ALARM_SIGNAL2 R11 R13 13 XTAL1 RST 10k J22 BELL J23 J24 J25 1 MOSI MISO SCK R9 +3v 10 PD0/(RXD) PD1/(TXD) PD2/(INT0) PD3/(INT1) PD4/(OC1B) PD5/(OC1A) PD6/(ICP) PD7/(OC2) XTAL1 XTAL2 RESET PB0/(XCK/T0) PB1/(T1) PB2/(INT2/AIN0) PB3/(OC0/AIN1) PB4/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) IC1 ATMega32-DIP40 10 VC C GND GND 29 28 27 26 25 24 23 22 30 32 40 39 37 38 36 35 34 33 1 J13 ALARM_OFF LED_ALARM XBee Module PC7/(TOSC2) PC6/(TOSC1) PC5/(TDI) PC4/(TDO) PC3/(TMS) PC2/(TCK) PC1/(SDA) PC0/(SCL) AVCC AREF PA0/(ADC0) PA1/(ADC1) PA2/(ADC2) PA3/(ADC3) PA4/(ADC4) PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) J14 Xbee VCC AD0 / DIO0 DOUT AD1 / DIO1 DIN / CONFIG AD2 / DIO2 CD / DOUT_E / DO8 AD3 / DIO3 / CRD_SEL /RESET AD6 / DIO6 / RTS PWM0 / RSSI AD5 / DIO5 / Asso NC1 Vref NC2 ON / SLEEP DTR / SLEEP_RQ / DI8 DIO7 / CTS GND AD4 / DIO4 / RF_TX U9 11 31 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 J15 J16 J17 J10 J11 J12 1K LED D1 J1 CON3 LED ALARM LED_ALARM R2 R6 47K BUTTONS CONTROLLER SW_PB_SPST C10 10uF R5 10K R19 +5V SW_T_SPDT SW2 10K U13A LM324A 1M 0.1uF C8 R1 J3 CON_POWER 10uF D2 3V +3v CAP C11 +5V IN OUT BELL R7 R18 1M D7 DIODE DIODE D6 10k R17 1M POWER +5V C4 47uF U1LM7805C/TO POWER +3V R4 100R +3V GN D Q2 C828 +5V Q3 C828 CON_BELL J2 +5V 0.1uF U13B LM324A 1M R8 C7 C1 470UF J30 CON_5V R15 10k 10 12 13 BELL CONNECTOR 10K R3 +5V +5V 11 +5V +5V J4 J6 LM324A U13D 14 LM324A U13C D5 DIODE D4 DIODE 1k R16 JUMP ALARM R20 CON_ALARM_SIGNAL 10K ALARM_SIGNAL1 ALARM_SIGNAL2 8 10 CON_PROGRAM 4.7uF CAP 33P XTAL1 CON4 J31 CRYSTAL C3 Y1 8MHZ C2 33P NOT CONNECTOR ALARM_SIGNAL1 PROGRAM CONNECTOR RST SCK MISO MOSI XTAL2 SW1 + ALARM_OFF 11 - VI DIEU KHIEN + - +5V 11 11 + - + 71 - Hình 4.2.7.1e: Sơ đồ nguyên lý mạch ZED 4.2.7.2 Hệ thống phần cứng khối điều hành quản lý ZC Module ZC cấu thành module sau: - Module ghép nối máy tính Thực giao tiếp trung gian vi điều khiển với máy tính Module thực chuyển mức điện áp TTL (+5V) sang điện áp CMOS (12V) Linh kiện sử dụng: MAX232 +5V TX_XB 11 10 C5 D4 R1OUT R2OUT T1IN T2IN C6 10uF MAX232 TX_OUT 14 DIODE ZENER GND C1+ C1C2+ C2V+ V- T1OUT T2OUT RX_XB 12 15 10uF R1IN R2IN VCC 13 16 U10 RX_IN +5V C7 10uF C8 10uF Hình 4.2.7.2a: Sơ đồ module ghép nối máy tính - Module Vi điều khiển, có nhiệm vụ phân tích xử lý gói liệu từ ZED máy tính.Vi điều khiển AVR sử dụng Atmega32 +5V J23 J24 J25 J22 BELL 1 1 MOSI MISO SCK R5 RST +5V XTAL2 10k 12 VCC 10 IC1 ATMega32-DIP40 PB0/(XCK/T0) PB1/(T1) PB2/(INT2/AIN0) PB3/(OC0/AIN1) PB4/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) PA0/(ADC0) PA1/(ADC1) PA2/(ADC2) PA3/(ADC3) PA4/(ADC4) PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) RESET XTAL2 AREF AVCC J14 J15 J16 J17 RX_XB TX_XB 14 15 16 17 18 19 20 21 J26 J27 J28 1 J29 LED_ALARM CON1 J30 J31 CON1 CON1 J32 1 CON1 CON1 CON1 CON1 32 30 XTAL1 PD0/(RXD) PD1/(TXD) PD2/(INT0) PD3/(INT1) PD4/(OC1B) PD5/(OC1A) PD6/(ICP) PD7/(OC2) PC7/(TOSC2) PC6/(TOSC1) PC5/(TDI) PC4/(TDO) PC3/(TMS) PC2/(TCK) PC1/(SDA) PC0/(SCL) 29 28 27 26 25 24 23 22 SET SELECT UP DOWN ALARM_OFF 11 31 1 1 13 GND GND J13 XTAL1 40 39 37 38 36 35 34 33 Hình 4.2.7.2b: Sơ đồ ghép nối vi điều khiển - Module Xbee nhận gói tin gửi đến bên nhận module trung tâm ZC Ta cần ý vấn đề điện áp Xbee sử dụng khác nên điện áp giao tiếp qua cổng UART khác Nên cần thực hạ áp giao tiếp UART 72 Xbee sử dụng loại Xbee 802.15.4 U9 +3v XBee Module RX_XB TX_XB R11 R13 10K 10K 10 J8 J9 R14 10K 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 VCC AD0 / DIO0 DOUT AD1 / DIO1 DIN / CONFIG AD2 / DIO2 CD / DOUT_E / DO8 AD3 / DIO3 / CRD_SEL /RESET AD6 / DIO6 / RTS PWM0 / RSSI AD5 / DIO5 / Asso NC1 Vref NC2 ON / SLEEP DTR / SLEEP_RQ / DI8 DIO7 / CTS GND AD4 / DIO4 / RF_TX J10 J12 1 J11 Xbee Hình 4.2.7.2c:Sơ đồ ghép nối Xbee Module sử dụng có công tắc điều khiển SET, SELECT, UP, DOWN, ALARM_OFF: SET J37 SET1 SET1 SELECT1 UP1 DOWN1 ALARM_OFF1 UP UP1 SELECT SELECT1 DOWN DOWN1 ALARM_OFF ALARM_OFF1 CON6 Hình 4.2.7.2d: Sơ đồ ghép nối đến công tắc - Module báo động gồm:chuông báo, LED Hình 4.2.7.2e: Sơ đồ điều khiển phụ Hai loại module cần phải sử dụng nguồn nuôi là: - Nguồn nuôi module Sensor Vi điều khiển 5V - Nguồn nuôi Xbee 3V +5V J32 CON_5V J5 CON_POWER +5V +3V R10 100R U2LM7805C/TO IN OUT C6 47uF C5 470UF GND SW3 +3v Q4 C828 SW_T_SPDT POWER +5V D3 3V POWER +3V Hình 4.2.7.2f: Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi +5V +3V 73 RX_XB TX_XB 10K R8 R9 10K J17 1 1 +5V 10uF C7 10uF 10uF C6 XBee Module C1+ C1C2+ C2V+ V- T1OUT T2OUT R1OUT R2OUT 14 12 29 28 27 26 25 24 23 22 30 32 TX_OUT MODULE MAX232 C8 10uF MAX232 T1IN T2IN R1IN R2IN U10 +5V MODULE XBEE 11 10 Xbee 13 C5 PC7/(TOSC2) PC6/(TOSC1) PC5/(TDI) PC4/(TDO) PC3/(TMS) PC2/(TCK) PC1/(SDA) PC0/(SCL) AVCC AREF 40 39 37 38 36 35 34 33 VCC AD0 / DIO0 DOUT AD1 / DIO1 DIN / CONFIG AD2 / DIO2 CD / DOUT_E / DO8 AD3 / DIO3 / CRD_SEL /RESET AD6 / DIO6 / RTS PWM0 / RSSI AD5 / DIO5 / Asso NC1 Vref NC2 ON / SLEEP DTR / SLEEP_RQ / DI8 DIO7 / CTS GND AD4 / DIO4 / RF_TX TX_XB 10 U9 PD0/(RXD) PD1/(TXD) PD2/(INT0) PD3/(INT1) PD4/(OC1B) PD5/(OC1A) PD6/(ICP) PD7/(OC2) XTAL1 XTAL2 RESET PA0/(ADC0) PA1/(ADC1) PA2/(ADC2) PA3/(ADC3) PA4/(ADC4) PA5/(ADC5) PA6/(ADC6) PA7/(ADC7) VI DIEU KHIEN RX_IN +3v DIODE ZENER J8 D3 J14 14 15 16 17 18 19 20 21 RX_XB TX_XB J15 13 XTAL1 J13 12 10k XTAL2 J16 +5V RST PB0/(XCK/T0) PB1/(T1) PB2/(INT2/AIN0) PB3/(OC0/AIN1) PB4/(SS) PB5/(MOSI) PB6/(MISO) PB7/(SCK) 10 VCC GND GND 11 31 +5V J10 1 J11 J12 RX_XB DIODE ZENER D4 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 SET SELECT UP DOWN ALARM_OFF J26 J27 J28 1 J29 LED_ALARM CON1 J30 J31 CON1 CON1 J32 1 CON1 CON1 CON1 CON1 CON6 J37 CON_EX_PORTA CON_RS232 SELECT SET DOWN1 UP1 DOWN UP +5V D2 3V +3V POWER +3V R4 100R Q2 C828 C4 47uF +3v CON6 J36 33P CON_BELL J2 C3 Y1 8MHZ CON4 J38 C2 33P J4 10 CON_PROGRAM IN OUT U1LM7805C/TO LED D1 LED ALARM 1K R2 VCC +5V C1 470UF J33 CON_5V PROGRAM CONNECTOR RST SCK MISO MOSI POWER 5V LED_ALARM button2 SW1 NOT CONNECTOR J3 CON_POWER CRYSTAL ALARM_OFF ALARM_OFF1 Q3 C828 +5V BELL CONNECTOR 10K R3 SET SELECT UP DOWN ALARM_OFF BELL CONBUTTON BUTTONS CONTROLLER SELECT1 SET1 SET1 SELECT1 UP1 DOWN1 ALARM_OFF1 PORT RS232 TX_OUT RX_IN J35 EXTERNER PORT A J34 XTAL1 J22 BELL J23 J24 J25 1 MOSI MISO SCK R5 16 VCC GND XTAL2 IC1 ATMega32-DIP40 74 15 Hình 4.2.7.2g: Sơ đồ nguyên lý mạch ZC CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 5.1 TÍNH NĂNG CỦA HỆ THỐNG Hệ thống vận hành liên kết khối nên cần khởi động khối điều hành quản lý ZC khối giám sát ZED Khối giám sát ZED lắp nơi cần theo dõi báo động Khối điều hành quản lý ZC lắp phòng bảo vệ kết nối với máy tính Khối giám sát ZED sử dụng hông ngoại để kiểm tra vị trí cần giám sát Nếu phát đối tượng chuyển động, khối báo động gửi thông tin khối hiều hành quản lý Khối điều hành quản lý có nhiệm vụ điều khiển toàn hộ hệ thống theo dõi, lưu trữ thông tin khối thành viên hệ thống Người sử dụng truy cập khối điều hành ZC thông qua máy tính để theo dõi trình vận hành, thiết lập lịch hoạt động hệ thống 5.2 VẬN HÀNH HỆ THỐNG 5.2.1 Hình ảnh sản phẩm Hình ảnh mạch điện tử sản phẩm: Hình 5.1.2a: Module ZC Hình 5.1.2b: Module ZED 75 Hình ảnh sản phẩm hệ thống mạng bảo vệ: Hình 5.1.2c: Hình ảnh sản phẩm 5.2.2 Phần mềm điều khiển máy tính Giao diện hệ thống: Các thành phần chương trình: - Phần kết nối tới cổng COM - Phần hiển thị thông tin ZED - Phần cảnh báo báo động (là Shape hình chữ nhật) - Mục View chứa phần yêu cầu load thông tin từ ZC 5.2.3 Cách sử dụng hệ thống - Tiến hành lắp đặt khối giám sát vị trí cần giám sát cụ thể ( vị trí có tầm nhìn phải lớn, vật chắn) 76 - Ta cấp nguồn cho hệ thống hoạt động cấp nguồn, hệ thống hoạt động chưa ổn định nên phát báo động sai, ta cần tiến hành tắt báo động Sau 30 giây, hoạt động ổn định - Tiến hành chạy phần mềm điều khiển máy tính Kết nối với khối điều hành quản lý thông qua cổng COM - Ta cần thực cập nhật thông tin lên máy tính cách vào View\Load Information… - Tiến hành đặt lịch hoạt động cho khối giám sát cách chọn ZED cần đặt lịch: - Thiết lập thông số Start Time gồm giờ, phút; Stop Time gồm giờ, phút; mục checkbox Warning Sau nhấn nút Update để cập nhật cho khối giám sát Hệ thống hoạt động từ thời gian Start time đến Stop time - Khi có tín hiệu báo động nút báo động màu xanh nhấp nháy sang màu đỏ - Muốn tắt báo động phần mềm ta chọn nút Alarm Off 77 KẾT LUẬN Dựa sở tìm hiểu lý thuyết, kiến thức tiếp thu trình thực tập tốt nghiệp thời gian nghiên cứu làm đồ án, em thu số kết sau: Về mặt lý thuyết:  Tìm hiểu cấu trúc, đặc điểm mạng cảm biến không dây  Chuẩn mạng Zigbee với kiểu mạng hình sao, hình hình mắt lưới  Các đặc điểm cách sử dụng module Xbee/Xbee – PRO (maxstream) Về mặt thực nghiệm:  Nắm cách điều khiển module Xbee vi điều khiển AVR atmega32  Tự thiết kế module chế tạo sản phẩm hoàn chỉnh thiết bị hệ thống mạng bảo vệ Những hạn chế: Hệ thống chế tạo điều kiện không đủ thiết bị Hiện hệ thống thấu kính fresnel giúp hội tụ tín hiệu nên độ nhạy thiết bị không cao (khoảng cách thu tín hiệu 1m ÷ 2m) Hệ thống mạng em thiết kế tương đối hoàn chỉnh mặt chức chung Hệ thống thiết kế có tính mở rộng để phát triển thêm chức kèm liên kết với hệ thống gửi tin nhắn qua SMS, gắn kết với hệ thống RFID sử dụng thẻ quẹt… Mặc dù cố gắng, thời gian thực đồ án không nhiều, kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên không tránh khỏi sai sót Em kính mong nhận thông cảm bảo đóng góp ý kiến thầy cô bạn bè 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ thuật vi điều khiển AVR – Ngô Diên Tập – Nhà xuất Khoa học kỹ thuật (03/2003) [2] Zigbee specification – Zigbee Alliance http://www.zigbee.org [3] XBee® 802.15.4 OEM RF Module Xbee-PRO® 802.15.4 OEM RF Module [4] Microsoft Visual Basic 6.0 Và Lập Trình Cơ Sở Dữ Liệu – Nguyễn Thị Ngọc Mai – Nhà xuất Lao động Xã hội (2004) [5] http://dientuvietnam.net trang web diễn đàn điện tử Việt Nam [6] http://vi.wikipedia.org trang web tri thức tổng hợp 79