Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công ty may 10 – khu công nghiệp tân liên

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết số liệu trong: Luận văn “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công ty may 10 – khu công nghiệp Tân Liên” công trình nghiên cứu riêng tôi, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Trọng Đức Trong trình làm đề tài này, nhận bảo nhiệt tình thầy giáo, nhiệt tình thầy giúp hoàn thành tốt luận văn Mọi giúp đỡ cho việc thự luận văn cám ơn thông tin trích dẫn luận văn rõ ràng phép công bố Hải Phòng, ngày 10 tháng năm 2016 Phạm Chí Minh i LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập nghiệm cứu để hoàn thành luận văn này, em nhận hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc, em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, khoa Tin học trường Đại học Hàng Hải Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em trình học tập hoàn thành luận văn Thầy giáo: TS Nguyễn Trọng Đức, người thầy kính mến hết lòng giúp đỡ, dạy bảo động viên, đôn đốc tạo điều kện thuận lợi cho em suốt trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy cô, anh, chị bạn trước, nghiên cứu mạng cảm biến không dây, nhờ mà có thông tin bổ sung hữu ích cần thiết công việc Hải Phòng, ngày 10 tháng năm 2016 Phạm Chí Minh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU v DANH MỤC CÁC BẢNG vi MỞ ĐẦU Chương MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY 1.1 Mạng cảm biến không dây 1.1.1 Mô hình kiến trúc mạng cảm biến không dây 1.1.2 Chức thành phần 1.1.3 Truyền thông mạng cảm biến 1.1.4 Các chuẩn truyền thông mạng cảm biến 12 1.1.5 Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động mạng cảm biến không dây 13 1.1.6 Giao thức mạng cảm biến không dây 15 1.2 Những đặc trưng ứng dụng mạng cảm biến không dây 16 1.2.1 Đặc trưng 16 1.2.2 Ứng dụng 16 1.3 Kết luận chương 18 Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 2.1 Mô hình kiến trúc hệ thống 19 2.1.1 Các thành phần hệ thống 19 2.1.2 Yêu cầu hệ thống 20 2.1.3 Mô hình kiến trúc phát 20 2.1.4 Hệ thống thu tín hiệu 21 2.1.5 Chức hệ thống 21 2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống 22 2.2.1 Thuật toán phát 22 2.2.2 Thuật toán điều khiển thu 23 2.2.3 Lưu đồ hệ thống ngôn ngữ lập trình 24 iii Chương 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG 26 3.1 Lựa chọn thiết bị 26 3.1.1 Arduino Nano V3 26 3.1.2 Bộ Vi điều khiển 28 3.1.3 Bộ chuyển đổi liệu ADC 30 3.1.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 34 3.1.5 Cảm biến khói MQ-5 37 3.1.6 Module thu – phát RF NRF24L01 38 3.2 Lắp ghép thiết bị thành nút mạng cảm biến không dây 43 3.3 Lắp ghép thiết bị thành thu sóng RF 44 3.4 Mô hệ thống phần mềm 45 3.5 Kết nối hệ thống 46 3.6 Kiểm thử chương trình 49 3.7 Kết luận hướng phát triển 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Từ viết tắt Giải thích WSN Wireless Sensor Networks N Node IoT Internet of Things MAC Media Access Control IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers FFDs Full Functional Dependencien RFDs Reduced-function Devices WoT Web of Things WSNs Wirless Sensor Networks ADC Analog Digital Converter RF Radio frequency LCD Liquid crystal display FTDI Future Technology Devices Internationa RISC Reduced Instructions Set Computer EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory JTAG Joint Test Action Group PWM Pulse Width Modulation USART Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter v DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Số trang Bảng 3.1 Giá trị số ngõ sau giải mã 32 Bảng 3.2 Bảng cấu hình tốc độ truyền công suất phát 42 Bảng 3.3 Bảng mã CRC, truyền nhận 42 vi Hình số DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Số trang Hình 1.1 Mô hình kiến trúc mạng Hình 1.2 Các thành phần nút cảm ứng Hình 1.3 Định tuyến điểm - điểm mạng cảm biến Hình 1.4 Định tuyến điểm - đa điểm mạng cảm biến 10 Hình 1.5 Định tuyến Đa điểm - điểm mạng cảm biến 11 Hình 1.6 Giao thức mạng cảm biến không dây 15 Hình 2.1 Kiến trúc hệ thống thu - phát trung tâm 19 Hình 2.2 Mô hình kiến trúc phát 20 Hình 2.3 Mô hình kiến trúc thu 21 Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán phát 22 Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán thu 23 Hình 2.6 Lưu đồ mô hệ thống 25 Hình 3.1 Sơ đồ chân Arduino Nano V3 26 Hình 3.2 ATmega328P sơ đồ chân kết nối 28 Hình 3.3 Mạch flash ADC với so sánh 31 Hình 3.4 Tạo nguồn AVCC từ VCC 34 Hình 3.5 Module cảm biến nhiệt độ DS18B20 35 Hình 3.6 Kết nối phần cứng 36 Hình 3.7 Chế độ nguồn data chung 36 Hình 3.8 Chế độ nguồn 36 Hình 3.9 Cảm biến khói MQ-5 37 Hình 3.10 Sơ đồ phần cứng 38 Hình 3.11 Module thu phát RF NRF24L01 39 Hình 3.12 Sơ đồ kết nối NRF24L01 với vi điều khiển 39 Hình 3.13 Cảm biến khói MQ-5 43 vii Hình 3.14 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 43 Hình 3.15 Bộ thu phát RF NRF24L01 44 Hình 3.16 Arduino Nano V3 44 Hình 3.17 Mạch hàn chân để kết nối module 44 Hình 3.18 Nút cảm biến không dây 44 Hình 3.19 Arduino Nano V3 45 Hình 3.20 Bộ thu phát RF NRF24L01 45 Hình 3.21 Mạch hàn chân để kết nối Module 45 Hình 3.22 Bộ thu sóng RF 45 Hình 3.23 Giao diện lập trình Visual Studio 2013 46 Hình 3.24 Kết nối thu vào máy tính 46 Hình 3.25 Giao diện bắt đầu chạy chương trình 47 Hình 3.26 Nhiệt độ lưu vào file Notepad 48 Hình 3.27 Giao diện quản lý Windows 48 Hình 3.28 Giao diện phát có khói 48 Hình 3.29 Mô hình thử nghiệm 49 viii MỞ ĐẦU  Tính cần thiết đề tài Ngày với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật nói chung ngành Điện tử Viễn thông nói riêng, mạng cảm biến không dây đời thành tựu cao Khoa học Công nghệ 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 người phục vụ ngày tốt cho lợi ích người, làm cho người không nhiều sức lực, nhân công hiệu công việc cao Sức mạnh mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) nằm chỗ khả triển khai số lượng 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 trường, theo dõi cấu trúc tình trạng thiết bị Nghiên cứu mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network)Bao gồm thiết bị cảm biến sử dụng để liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại quang học) để phối hợp thực nhiệm vụ thu thập thông tin liệu phân tán với quy mô lớn điều kiện vùng địa lý Mạng cảm biến không dây liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp nó, hay gián tiếp thông qua điểm thu phát nút (Sink) môi trường mạng công cộng Internet hay vệ tinh Các nút cảm biến không dây triển khai cho mục đích chuyên dụng như: Điều khiển giám sát an ninh, kiểm tra môi trường, tạo không gian sống thông minh, khảo sát đánh giá xác nông nghiệp, lĩnh vực y tế, quân Lợi chủ yếu của mạng cảm biến không dây triển khai vị trí loại hình địa lý kể môi trường nguy hiểm sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống Các thiết bị mạng cảm biến không dây liên kết thành mạng tạo nhiều khả cho người Các đầu đo với vi xử lý thiết bị vô tuyến nhỏ, gọn tạo nên thiết bị cảm biến không dây có kích thước nhỏ, tiết kiệm không gian Chúng hoạt động môi trường nhiễu sóng, với khả xử lý tốc độ cao Ngày nay, mạng cảm biến không dây ứng dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu vi sinh vật biển, cảnh báo cháy đời sống, giám sát việc chuyên chở chất gây ô nhiễm, điều khiển giám sát công nghiệp lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay ứng dụng đời sống hàng ngày Vậy mạng không dây có nhiều ứng dụng thực tiễn, định tuyến quan trọng, đảm bảo nhiều tiêu chí: Phân cụm, phân cấp, tính lượng lại nút thời gian hoạt động nút mạng Vì mạng biến không dây quan trọng lĩnh vực thu thập liệu cảnh báo cháy đời sống, có tinh ưu việt hệ thống mạng khác Vì em chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy khu công nghiệp”  Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu mạng máy tính, công nghệ mạng không dây - Nghiên cứu công nghệ mạng cảm biến - Xây dựng mô hình ứng dụng mạng cảm biến không dây  Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ứng dụng tảng mạng cảm biến - Đề tài nghiên cứu môi trường truyền liệu node phạm vi nhỏ, lĩnh vực cụ thể  Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết ứng dụng thực tế Tiến hành theo bước sau: - Thu thập liệu - Phân tích tài liệu thông tin liên quan - Mô xây dựng ứng dụng  Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1.5 Cảm biến khói MQ-5 Cảm biến MQ-5 ứng dụng thiết bị phát rò rỉ gas dân dụng công nghiệp, cảm biến có khả phát khí LPG, khí thiên nhiên, khí than Tránh tác nhân gây nhiễu rượu, khói nấu ăn khói thuốc Độ nhạy cảm biến điều chỉnh biến trở tinh chỉnh Cảm biến khói MQ – thích hợp cho gia đình khu công nghiệp có khí hóa lỏng công nghiệp, khí đốt, thiết bị giám sát không khí [4] Hình 3.9.Cảm biến khói MQ-5  Tính - Phát khí: LPG, rượu, CO, khói - Tốc độ phản hồi nhanh - Hoạt động ổn định bền bỉ - Mạch đơn giản, dễ dàng sửa chữa - Có bốn lỗ vít để định vị dễ dàng - Sản phẩm Kích thước: 32 (L) * 20 (W) * 22 (H) - Sử dụng chất lượng cao thiết kế dual-inch, với số sức mạnh tín hiệu TTL dẫn đầu - Với tín hiệu chuyển mạch (TTL) AO analog đầu tín hiệu đầu 37 - Đầu TTL tín hiệu hợp lệ thấp (Khi đầu tín hiệu ánh sáng thấp kết nối trực tiếp vi điều khiển module relay) 3.1.6 Module thu – phát RF NRF24L01 Module NRF24L01 hoạt động tần số sóng ngắn 2.4GHz nên module khả truyền liệu tốc độ cao truyền nhận liệu điều kiện môi trường có vật cản NRF24L01 có 126 kênh truyền, điều giúp ta truyền nhận liệu nhiều kênh khác Modul khả thay đổi công suất phát chương trình, điều giúp hoạt động chế độ tiết kiệm lượng Chú ý: Điện áp cung cấp cho 1.9 và3.6V Điện áp thường cung cấp 3.3V Nhưng chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều giúp giao tiếp rộng dãi với dòng vi điều khiển [6] Hình 3.10 Sơ đồ phần cứng 38 Hình 3.11 Module thu phát RF NRF24L01  Đặc điểm kĩ thuậtRF NRF24L01 - Hoạt động giải tần 2.4G - Có 126 kênh - Truyền tốc độ cao 1Mbps 2Mbps - Công suất phát:Có thể cài đặt công suất nguồn phát: 0,-6,-12,18dBm - Có lọc nhiễu đầu thu - Nguồn cấp: hoạt động từ 1.9-3.6V - Giao tiếp:4 pin SPI - Tốc độ tối đa 8Mbps - 3-32 bytes khung truyền nhận  Sơ đồ kết nối vi điều khiểnRF NRF24L01 Hình 3.12 Sơ đồ kết nối NRF24L01 với vi điều khiển 39  Nguyên lí hoạt độngRF NRF24L01 - Cấu hình địa nhận Khung truyền nRF24L01 từ 3-5 bytes dùng làm địa Có thể cấu hình, địa truyền địa nhận chip tương ứng phải giống để thu tín hiệu #define TX_ADR_WIDTH // uints TX address width #define RX_ADR_WIDTH // uints RX address width unsigned char TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x68,0x31,0x08,0x10,0x01}; unsigned char RX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x68,0x31,0x08,0x10,0x01}; Hàm cấu hình địa truyền nhận SPI_Write_Buf(WRITE_RE + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WRITE_RE+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_W IDTH); - Khung truyền dữ liêụ Khung liệu từ 0-32 byte, chương trình dùng 32 byte Nếu bạn dùng số lượng byte khác cấu hình biến ở truyề n 32 bytes #define TX_PLOAD_WIDTH 32 // 32 uints TX payload #define RX_PLOAD_WIDTH 32 // 32 uints TX payload Hàm nRF 24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf) gửi dữ liê ̣u mảng tx_buf SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//gửi dữ liê ̣u bytes 40 SPI_Write_Buf(WRITE_RE+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_W IDTH); Độ rộng bytes nhận 32 bytes (Nhâ ̣n tố i đa 32bytes) - Kênh truyền và điạ chỉ nhâ ̣n Modul thu phát RF24L01 có 126 kênh truyền Có thể lựa chọn kênh truyền muốn hàm SPI_RW_Reg(WRITE_RE + RF_CH, 0); Trong kênh truyền, nRF24L01 nhận luồng liệu Do lựa chọn luồng SPI_RW_Reg(WRITE_RE + EN_AA, 0x01); // 0x01 Luồng P0 // 0x02 Luồng P1 // 0x03 Luồng P2 // 0x04 Luồng P3 // 0x05 Luồng P4 // 0x06 Luồng P5 - Cấ u hin ̀ h tố c đô ̣ truyền công suấ t phát Hàm cấu hình công suất phát SPI_RW_Reg(WRITE_RE + RF_SETUP, 0x07); Cấ u hin ̀ h tố c đô ̣ truyề n 1Mpbs, công suấ t phát 0dmb Để cấ u hình tố c đô ̣ truyề n theo công suấ t phát theo riêng mình các ba ̣n chỉ cầ n sửa giá tri ̣0x07 thành giá trị khác dựa theo bảng sau 41 Bảng 3.2 Bảng cấu hình tốc độ truyền công suất phát - Mã CRC, truyền nhận Truyền SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0E);// Enable CRC, byte CRC Nhận SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG, 0x0F);// Enable CRC, byte CRC Bảng 3.3 Bảng mã CRC, truyền nhận Bảng CONFIG cho ta thấy: Bit thứ để cấu hình mode truyền nhận Bằ ng “1” ứng với PRX cấ u hình nhận, bằ ng “0” ứng với PTX cấ u hiǹ h truyề n 42 Bit thứ 1: “0” chế đô ̣ tiế t kiê ̣m lươ ̣ng hay tra ̣ng thái nghỉ , bằ ng “1” cho phép Linh kiện điện tử NRF24L01 hoạt động - Cách gửi liệu Sau cấu hình trạng thái hoạt động linh kiện điện tử nRF24L01 thông qua hàm void init_NRF24L01(void) Để gửi liệu bạn làm theo bước sau Cho liệu vào buffer, biến TxBuf[32] Chọn nRF24L01 chế độ phát, gọi hàm void SetTX_Mode(void); Gọi hàm void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf) để truyền liệu TxBuf[32] - Cách nhận liệu Chọn nRF24L01 chế độ thu, gọi hàm void SetRX_Mode(void); Độ liệu đệm sau gọi hàm unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf); 3.2 Lắp ghép thiết bị thành nút mạng cảm biến không dây Sau lựa chọn xong thiết bị lúc tiến hành lắp ghép module lại thành nút mạng Hình 3.13 Cảm biến khói MQ-5 Hình 3.14 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 43 Hình 3.15 Bộ thu phát RF NRF24L01Hình 3.16.Arduino Nano V3 Hình 3.17 Mạch hàn chân để kết nối module Hình 3.18 Nút cảm biến không dây 3.3 Lắp ghép thiết bị thành thu sóng RF Sau chuẩn bị xong thiết bị lúc tiến hành lắp ghép module lại thành thu sóng RF 44 Hình 3.19.Arduino Nano V3Hình 3.20 Bộ thu phát RF NRF24L01 Hình 3.21 Mạch hàn chân để kết nối Module Hình 3.22 Bộ thu sóng RF 3.4.Mô hệ thống phần mềm Sau lựa chọn thiết bị phù hợp tiến hành lắp ghép thành module cho hệ thống.Lúc tiến hành chọn phần mềm Visual Studio 2013 viết chương trình quản lý hệ thống máy tính 45 Hình 3.23 Giao diện lập trình Visual Studio 2013 3.5 Kết nối hệ thống Sau khiviết chương trình điều khiển xong, tiến hành việc kết nối thiết bị vào máy qua cổng USB Hình 3.24 Kết nối thu vào máy tính 46 Máy tính tự động nhận thiết bị, lúc người sử dụng chạy chương trình quản lý hệ thống chọn cổng COM4 kết nối, máy tính tự nhận tín hiệu thị nhiệt độ thực nhận từ cảm biến nhiệt Hình 3.25 Giao diện bắt đầu chạy chương trình Hoạt động chương trình điều khiển hiển thị nhiệt độ môi trường vị trí cảm lắp đặt vị trí cảm biến, người điều khiển quan sát giao diện hình.Khi phát nhiệt độ môi trường cao 700C hệ thống cảnh phát tín hiệu cảnh báo đèn LED bật sáng Hệ thống cảm biến khói phát có khói khí ga hệ thống tự động phát tín hiệu cảnh báo đèn LED bật sáng, giao diện hình hệ thống báo có khói chuyển màu đỏ Tất sử thay đổi nhiệt độ cảnh báo có khói lưu vào hệ thống File log theo thời gian thực, tên File đặt theo năm, tháng, ngày (Hình 3.26) 47 Hình 3.26 Nhiệt độ lưu vào file Notepad Hình 3.27 Giao diện quản lý Windows Hình 3.27 giao diện quản lý chạy Windows gồm Module thể nhiệt độ cập nhật liện tục qua hệ thống thu phát tín hiệu Bộ phận cảm biến khói phát có khí ga khói thể hai hình vuông chuyển sang màu đỏ có tiếng còi kêu cảnh báo Hình 3.28 Giao diện phát có khói 48 3.6 Kiểm thử chương trình Sau thiết kế xong hệ thống test nút mạng đặt cách xa hệ thống thu 30m có tường bê tông ngăn cách nút mạng hoạt động truyền tín tốt tới phận thu Thời gian từ hệ thống phát tín hiệu đến thu nhận có thời gian trễ 1s Qua trình kiểm thử, theo đánh giá khách quan em thấy hệ thống hoạt động tốt, nhiệt hiển thị hình với nhiệt độ môi trường sung quanh thiết bị cảm biển Hình 3.29 Mô hình thử nghiệm 3.7 Kết luận hướng phát triển Sau thời gian em nghiên cứu mạng cảm biến không dây, em tích lũy thêm nhiều kinh nhiệm trình nghiệm cứu làm việc với vi điều khiển, công nghệ mạng cảm biến không dây(WSN), Sản phẩm đề tài có tính khả thi cao có nhiều ưu điểm so với hệ thống báo cháy sử dụng Nếu triển khai sử dụng, hệ thống góp phần làm giảm thiệt hại hỏa hoạn gây ra, tiết kiệm chi phí bảo trì vận hành hệ thống cảnh báo cháy 49 Thông qua nghiên cứu luận văn phát triển thêm bước có điều kiện thực nghiệm trường cho triển khai thực tế Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trọng Đức tận tình hướng dẫn tạo điều kiện tốt để em hoàn thành luận văn 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ibrahiem M, M El Emary, S Ramakrishnan "Wireless Sensor Networks” , CRC Press, 2013 [2] https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano [3] http://www.hocavr.com/index.php/lectures/adc [4] http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Ds18b20&gclid=CJeQ1eT vsM8CFZGXvQodog8IsA [5] http://elecfreaks.com/store/download/datasheet/Brick/MQ5.pdf [6] http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01 51 ... thống cảnh báo cháy khu công nghiệp  Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu mạng máy tính, công nghệ mạng không dây - Nghiên cứu công nghệ mạng cảm biến - Xây dựng mô hình ứng dụng mạng cảm biến không. .. công ty may 10 – khu công nghiệp Tân Liên" mục tiêu nghiên cứu mà đánh giá tồn lâu dài của hệ thống mạng Kết luận văn làm tảng cho hướng nghiên cứu chủ đề mạng cảm biến không dây Chương 1.MẠNG CẢM... cảm biến không dây, gống ta xây dựng kỹ thuật để xác định chất lượng truyền tối ưu Xuất phát từ xu hướng trên, đề tài Nghiên cứu mạng cảm biến không dây, xây dựng hệ thống cảnh báo cháy cho công