Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM QUANG KHÁNH NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS LÊ NHẬT THĂNG Hà Nội, 10-2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Phạm Quang Khánh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 11 1.1 Giới thiệu chung 11 1.2 Tổng quan kỹ thuật WSNs 15 1.3 Tiêu chuẩn phƣơng thức truyền nhận 18 1.4 Ứng dụng mạng cảm biến không dây 20 1.4.1 Các mô hình phân bố 20 1.4.2 Các ứng dụng mạng WSNs 21 1.5 Kết luận chƣơng 23 CHƢƠNG 2: ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN 24 KHÔNG DÂY 24 2.3 Trong việc cảnh báo lũ 26 2.4 Trong nuôi trồng thuỷ sản 26 2.5 Bài toán đo nhiệt độ môi trƣờng sử dụng mạng cảm biến không dây 27 2.5.1 Giới thiệu mô hình tổng quan 27 2.5.2 Nguyên tắc hoạt động 28 2.5.3 Sơ lƣợc SMS 28 2.6 Kết luận chƣơng 30 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM, THUẬT TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM NHÚNG 31 3.1 Mô hình hệ thống thực nghiệm 31 3.2: Các linh kiện đƣợc sử dụng hệ thống thực nghiệm: 32 3.2.1: Khối thu tín hiệu nhiệt độ: 32 3.2.2: Keyboard: bàn phím gồm phím cho phép thiết lập số thông số thiết bị 33 3.2.3: Khối xử lý trung tâm: vi điều khiển AT89C51 33 3.2.4: Khối hiển thị: 35 3.2.5: Khối truyền liệu: 36 3.2.5.1: Các thông số kỹ thuật module Sim900 37 3.2.5.2: Tập lệnh AT 38 3.2 Sơ đồ nguyên lý 38 3.2.1 Khối nguồn 38 3.2.2 Khối nhập liệu 39 3.2.3 Khối giao tiếp GSM 40 3.2.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41 3.3 Mạch in 42 3.4 Thuật toán 43 3.5 Phần mềm nhúng 45 3.6 Kết luận chƣơng 47 CHƢƠNG 4: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 48 4.1 Thiết bị thử nghiệm 48 4.2 Kich thử nghiệm 48 4.2.1: Nạp trƣơng trình nhúng vào mạch 48 4.2.2.Thử nghiệm 1: 49 4.2.3.Thử nghiệm 2: 51 4.3 Kết luận chƣơng 54 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 Phụ lục 59 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ SHT10 32 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật LCD 1602A 36 Bảng 4.1: Số liệu đo nhiệt độ đo đƣợc ngày 53 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mạng đơn bƣớc 12 Hình 1.2: Mạng đa bƣớc 12 Hình 1.3: Mô hình mạng cảm biến thông thƣờng 17 Hình 1.4: Giao thức truyền nhận mạng cảm biến 18 Hình 2.1 : Ứng dụng mạng cảm biến không dây nông nghiệp 24 Hình 2.2: Ứng dụng mạng cảm biến không dây cảnh bảo cháy rừng 25 Hình 2.3 : Sơ đồ ứng dụng mạng cảm biến không dây nuôi trồng 26 thủy sản 26 Hình 2.4: Hệ thống giám sát nhiệt độ môi trƣờng 27 Hình 2.5 : Cấu trúc tin nhắn SMS 29 Hình 3.1: Mô hình hệ thống thực nghiệm 31 Hình 3.2: SHT10 32 Hình 3.3: Giới hạn độ xác tƣơng đối SHT10 33 Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết đấu nối SHT10 33 Hình 3.5: Vi điều khiển AT89C51 34 Hình 3.6: Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 34 Hình 3.7: Màn hình LCD 1602A 35 Hình 3.8: Module Sim900 36 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 39 Hình 3.10: Nút nhấn truy nhập liệu 39 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch GSM 40 Hình 3.12 Module GSM đƣợc lắp ráp hoàn chỉnh 40 Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 41 Hình 3.14: Sơ đồ mạch in tích hợp mạch slave master 42 Hình 3.15: Mạch in sau lắp ráp linh kiện 42 Hình 3.16: Lƣu đồ thuật toán mạch master 43 Hình 3.17: Lƣu đồ thuật toán mạch slave 44 Hình 3.18: Mô hình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 8051 47 Hình 4.1: Dịch chƣơng trình nhúng Keil uVision 4.0 48 Hình 4.2: Nạp chƣơng trình nhúng 49 Hình 4.3: Bản mạch slave(trạm con) sau lắp ráp linh kiện hoàn chỉnh 49 Hình 4.4: Tin nhắn có nội dung “th?” đƣợc gửi từ mạch master tới mạch slave 50 Hình 4.5: Tin nhắn có nội dung chứa thông số nhiệt độ môi trƣờng đƣợc gửi từ mạch slave tới mạch master 50 Hình 4.6: Bản mạch master sau khởi động xong sẵn sàng nhận liệu từ slave51 Hình 4.7: Bản mạch master sau nhận thông số đo nhiệt độ từ slave gửi 51 Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm dùng điện thoại di động làm trạm gốc (master) 51 Hình 4.9: Điện thoại di động (master) gửi mật “th?” tới trạm (slave) 52 Hình 4.10: Điện thoại di động nhận liệu từ trạm qua tin nhắn sms 52 Hình 4.11: Điện thoại di động hiển thị thông số nhiệt độ từ slave gửi 53 Hình 4.12: Biểu đồ nhiệt độ đo đƣợc ngày 54 LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày dƣới phát triển mạnh mẽ khoa học kĩ thuật nói chung công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm biến không dây – WSN (Wireless Sensor Network) đời thành tựu cao công nghệ chế tạo công nghệ thông tin Một lĩnh vực mạng cảm biến không dây kết hợp việc cảm biến, tính toán truyền thông vào thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày cao ngƣời nhƣ phục vụ ngày tốt cho lợi ích ngƣời, làm cho ngƣời không nhiều sức lực, nhân công nhƣng hiệu công việc cao Sức mạnh WSN nằm chỗ khả triển khai số lƣợng lớn thiết bị nhỏ có khả tự thiết lập cấu hình hệ thống Sử dụng thiết bị để theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trƣờng, theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị… Trong nghiên cứu hầu hết ứng dụng WSN giám sát môi trƣờng từ xa mang theo thiết bị nhỏ gọn nhƣng có sức mạnh làm việc hiệu không hệ thống thiết bị cồng kềnh Ví dụ nhƣ ứng dụng WSN vào công việc phòng cháy rừng nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để phát vùng có khả cháy gây cháy đƣa cảnh báo báo động cần thiết Một ƣu điểm lớn mạng không dây WSN chi phí chiển khai đƣợc giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt kích thƣớc nhỏ gọn, dễ sử dụng Thay hàng ngàn km dây dẫn thông qua ống dẫn bảo vệ, ngƣời lắp đặt làm công việc đơn giản đặt thiết bị đƣợc lắp đặt nhỏ gọn vào vị trí cần thiết Mạng đƣợc mở rộng theo ý muốn mục đích sử dụng WSN, đơn giản ta việc thêm vào thiết bị, linh kiện không cần thao tác phức tạp Trƣớc xu phát triển nhanh chóng mạng cảm biến không dây, vào tình hình thực tế nƣớc ta cần hệ thống giám sát thông số môi trƣờng để phục vụ cho nhiều nghành, nhiều lĩnh vực Tôi chọn hƣớng nghiên cứu đồ án “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trƣờng” làm luận văn tốt nghiệp với yêu cầu đặt xây dựng cấu trúc phần cứng nhỏ gọn, xử lý nhanh, chi phí thấp mà có khả đạt đƣợc hiệu nhƣ mong muốn Hệ thống phải có khả ứng dụng cao điều kiện khí hậu khác nhau, giảm thiểu đáng kể chi phí không cần thiết cho việc đo nhiệt độ thủ công sử dụng thiết bị đƣợc nhập nhƣ Mục tiêu nội dung thực đề tài Với ứng dụng rộng rãi cấp thiết nhƣ trên, mục tiêu đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trƣờng” đề xuất xây dựng hệ thống đo nhiệt độ khắc phục đƣợc hạn chế mà số sản phẩm có thị trƣờng chƣa giải đƣợc nhƣ: - Tốc độ lấy mẫu nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ - Thuật toán xử lý, đảm bảo đƣợc độ xác, tin cậy cao Thuật toán phải có độ bảo mật an toàn cho thiết bị Do hạn chế mặt thời gian nên đề tài tập trung giải vấn đề sau: - Thực giao tiếp nút mạng, hiển thị hình ảnh thông số kỹ thuật hình LCD - Nghiên cứu, đề xuất hệ thống chuyền liệu nhiệt độ môi trƣờng thông qua hạ tầng GSM - Thiết kế, xây dựng mạng cụ thể bao gồm nút mạng Dựa nội dung đó, luận văn đƣợc chia thành chƣơng với nội dụng nhƣ sau: Nội dung chi tiết luận văn bao gồm - Chƣơng 1: Tổng quan mạng cảm biến không dây - Chƣơng 2: Đo nhiệt độ môi trƣờng sử dụng mạng cảm biến không dây - Chƣơng 3: Mô hình hệ thống thực nghiệm, thuật toán thiết kế phần mềm nhúng - Chƣơng 4: Một số thử nghiệm đánh giá Kết đạt đƣợc Bằng phƣơng pháp thực nghiệm, mạng cảm biến không dây, hoàn thành đáp ứng các yêu cầu đặt ra:  Module quản lý nhỏ, gọn, trực quan  Hiển thị thông số nhiệt độ LCD  Chuyển đổi nhiệt độ nhanh  Thực nghiệm cho thấy thuật toán đề đạt độ xác cao với điều kiện môi trƣờng khác Để thực hoàn thành đề tài này, xin đƣợc chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Nhật Thăng tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ suốt trình thực đề tài Học viên Phạm Quang Khánh 10 Bƣớc 1: Gửi mật đƣợc lập trình sẵn mạch master tới slave Mật ta mặc định ký tự “th?” Th? master slave Hình 4.4: Tin nhắn có nội dung “th?” đƣợc gửi từ mạch master tới mạch slave Bƣớc 2: Nhận thông số nhiệt độ từ slave thông qua tin nhắn sms Nhiệt độ master slave Hình 4.5: Tin nhắn có nội dung chứa thông số nhiệt độ môi trƣờng đƣợc gửi từ mạch slave tới mạch master Bƣớc 3: Hiển thị thông số nhiệt độ đo đƣợc hình LCD Hình 4.6: Bản mạch master sau khởi động xong sẵn sàng nhận liệu từ slave 50 Hình 4.7: Bản mạch master sau nhận thông số đo nhiệt độ từ slave gửi 4.2.3.Thử nghiệm 2: Ta dùng điện thoại di động làm trạm gốc gửi tin nhắn yêu cầu mạch slave (trạm con) gửi thông số nhiệt độ môi trƣờng cần đo máy điện thoại di động, thông số nhiệt độ môi trƣờng đƣợc gửi dƣới dạng tin nhắn text Mô hình thực nghiệm đƣợc minh họa hình 4.8 SMS (th?) SMS (data) Điện thoại di động Slave BTS Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm dùng điện thoại di động làm trạm gốc (master) 51 Bƣớc 1: Soạn tin nhắn điện thoại với nội dung “th?” gửi tới trạm (slave) yêu cầu gửi thông số nhiệt độ môi trƣờng thời điểm nhận tin nhắn Th? master slave Hình 4.9: Điện thoại di động (master) gửi mật “th?” tới trạm (slave) Bƣớc 2: Thông số nhiệt độ đƣợc trạm (slave) đo đƣợc gửi điện thoại di động dƣới dạng tin nhắn SMS SMS Nhiệt độ master slave Hình 4.10: Điện thoại di động nhận liệu từ trạm qua tin nhắn sms Bƣớc 3: Hiển thị thông số nhiệt độ cần đo hình điện thoại di động qua tin nhắn sms 52 Hình 4.11: Điện thoại di động hiển thị thông số nhiệt độ từ slave gửi Lần lƣợt sử dụng mạch để đo nhiệt độ môi trƣờng ngày ta thu đƣợc bảng số liệu sau Bảng 4.1: Số liệu đo nhiệt độ đo đƣợc ngày Kết Thời gian đo Giá trị nhiệt độ đo đƣợc (oC ) Giá trị đo nhiệt độ thiết bị đo chuẩn (oC ) Sai số tính theo phần trăm 6h 28.5 29.0 1.7% 10h 30.3 31.3 3.1% 11h 31.4 31.8 1.5% 12h 34.0 34.9 2.6% 15h 28.4 29.0 2.2% 17h 27.2 27.5 1.1% 18h 26.8 27.1 1.4% 53 Từ bảng số liệu đo đƣợc ta có biểu đồ biểu diễn tƣơng ứng : nhiệt độ chuẩn nhiệt độ thiết bị đo 35 30 25 Nhiệt độ (oC ) 20 15 10 10 11 12 15 17 18 Thời gian Hình 4.12: Biểu đồ nhiệt độ đo đƣợc ngày Qua bảng số liệu biểu đồ ta thấy, giá trị nhiệt độ đo đƣợc có sai số không 3.1% so với giá trị chuẩn 4.3 Kết luận chƣơng Qua kết thực nghiệm chứng minh đƣợc khả chuyền liệu nhiệt độ thông qua mạng di dộng GSM Tuy nhiên, có điều kiện cần tiến hành truyền nhận hệ thống mạng với quy mô lớn Điều nghiên cứu hoàn toàn khắc phục thực tế mạng cảm biến không dây truyền liệu thông qua RF khoảng cách xa tín hiệu yếu, việc nhận tín hiệu trở lên khó khăn 54 KẾT LUẬN Sau trình thực luận văn, tìm hiểu giải đƣợc vấn sau: - Tìm hiểu cấu trúc phần cứng nhƣ lập trình kiểm soát vi điều khiển có tốc độ cao Từ xây dựng thành công hệ thống đo nhiệt độ với độ sai số không 3.1% - Tìm hiểu phƣơng pháp đo nhiệt độ Sử dụng đƣợc IC đo thông số chuyên dụng nhƣ SH-T10 - Tìm hiểu lập trình giao tiếp với modem GSM/GPRS SIM900 sử dụng tập lệnh AT Lập trình truyền nhận liệu đo lƣờng SMS - Từ kiến thức nghiên cứu, hệ thống đo nhiệt độ đƣợc xây dựng bao gồm phần cứng phần mềm quản lý với tính sau: Về phần cứng: + Thiết bị cho phép nguồn nuôi có điện áp vào dải rộng, lên tới 24V + Có linh kiện bảo vệ thiết bị ngƣời dùng cắm ngƣợc nguồn + Phần cứng có đầy đủ chức hiển thị lƣu trữ + Nhờ việc hỗ trợ giao thức truyền thông công nghiệp, thiết bị dễ dàng ghép nối vào mạng điều khiển công nghiệp + Hỗ trợ cổng gỡ rối, thuận tiện cho kỹ sƣ phát triển sửa chữa, nâng cấp firmware + Phần cứng linh hoạt, có khả mở rộng thêm chức để phù hợp với ứng dụng cụ thể + Hỗ trợ hạ tầng mạng viễn thông tiên tiến với việc điều khiển thành công trình truyền nhận liệu thông qua mạng GSM Nhờ đó, thiết bị dễ dàng đƣợc triển khai diện rộng theo vùng phủ sóng mạng GSM Về phần mềm: + Phần mềm đơn giản, trực quan, thân thiện với ngƣời dùng + Phần mềm hỗ trợ đặt thông số cho thiết bị từ xa việc gửi lệnh qua cửa sổ lệnh 55 Những vấn đề tồn đề tài hƣớng giải Giảm thiểu sai số phép đo Nguyên nhân sai số xuất phát từ hai yêu tố chính: - Bản thân thiết bị đo có sai số trình lấy mẫu ADC - Cảm biến đo nhiệt gây sai số đặc biệt với thay đổi có giá trị nhỏ Cách khắc phục: Sử dụng nhiều đầu đo lấy giá trị trung bình đầu đo Trên đầu đo, phần mềm đƣợc tích hợp thêm phần lọc nhiễu ADC cách lấy nhiều mẫu chia trung bình, sử dụng lọc thông thấp - Bảo mật liệu đảm bảo tính toàn vẹn liệu Nguyên nhân: - Mạng GSM không ổn định Làm gói tin trình kết nối - Dữ liệu đƣợc gửi dƣới dạng văn Cách khắc phục: - Tích hợp thêm chế sửa lỗi báo nhận với tin tin đƣợc gửi nhiều lần - Mã hóa tin trƣớc gửi thuật toán đảo mã ký tự Hƣớng phát triển đề tài Đề tài xây dựng đƣợc hệ thống phục vụ việc giám sát chuyền liệu thông số nhiệt độ thông qua mạng di động Trong tƣơng lai, để áp dụng vào thực tế, thiết bị cần tối ƣu hóa phần cứng, giảm thiểu sai số đo lƣờng, loại bỏ khối chức không cần thiết để hạ giá thành sản phẩm Đồng thời sản phẩm phải hỗ trợ hạ tầng mạng tiên tiến nhƣ GPRS/3G, đảm bảo tốc độ nhanh không bị liệu, chi phí rẻ Giải pháp sau đƣợc hoàn thiện có khả thay giải pháp ghi số liệu nhiệt độ truyền thống Đồng thời xây dựng đƣợc sở liệu lớn phục vụ cho việc phát triển dịch vụ giá trị gia tăng khác Phần mềm quản lý phải đƣợc viết lại dƣới dạng ứng dụng web hỗ trợ chạy tảng di động để phục vụ số đông ngƣời dùng Ngoài ra, phần 56 mềm đƣợc tích hợp thêm tính nhƣ dự đoán nhiệt độ môi trƣờng, cảnh báo tác động môi trƣờng sống ngƣời Hệ thống cần thời gian kiểm nghiệm dài hơn, hệ thống ổn định hoạt động tốt đƣa vào ứng dụng đời sống để giám sát nhiệt độ môi trƣờng nhà máy, nhà kho, hầm mỏ, công sở 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Kim Giao (2004), Kỹ Thuật Số, NXB ĐHQG [2] Đào Nam Thái (2009), Điều khiển giám sát cấu chấp hành từ xa qua mạng di động, Khoá luận tốt nghiệp, Trƣờng Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Website: [3] http://www.alldatasheets.com [4] http://www.developershome.com/SMS [5] http://www.microchip.com [6] http://www.ARM.com [7] http://wm.sim.com [8] http://www.simcom.us/product_detail.php?cid=1&pid=37 58 Phụ lục Phần mềm nhúng mạch master #include #include #include "lcd4bit.h" #define nut1 P1_0 #define nut2 P1_1 bit st=0; unsigned char chuoi[64],dem=0,dem2=0,demkt=0; void khoitao_uart(void) { SCON=0x52; TMOD=0x21; TH1=TL1=-3; // baud = 9600 TR1=1; EX0 = 1; IT0 = 1; EA =1; } void tre(unsigned int m) { unsigned int a; unsigned char b; for(a=0;a