Nghiên cứu tích hợp mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ Zigbee

Trong nghiên cứu này, một mạng cảm biến không dây với công nghệ Zigbee ứng dụng trong nông nghiệp thông minh được tích hợp thử nghiệm với các đơn vị nhỏ nhất là các nút cảm biến có chức năng thu thập các thông số về môi trường, gửi đến trạm kiểm soát trung tâm và sau đó dữ liệu sẽ được gửi lên Database để quản lý và lưu trữ.

SCIENCE TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ ZIGBEE RESEARCH ON INTEGRATING SENSORS NETWORK BASED ON ZIGBEE TECHNOLOGY Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Ngọc Linh* TĨM TẮT Hiện nay, giới có nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền liệu với tốc độ cao thiết bị với BlueTooth hay Wifi Nhưng mạng quản lý cảm biến ứng dụng điều khiển - tự động hóa thiết bị nhà hay bệnh viện Wifi hay BlueTooth lại khơng thể đáp ứng Chúng có nhiều khuyết điểm sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện không cần thiết, sử dụng nguồn điện trực tiếp, sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, chế bảo mật đơn giản (BlueTooth), yêu cầu thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn Nhờ chức điều khiển từ xa không dây, truyền liệu ổn định, tiêu thụ lượng cực thấp, công nghệ mở giúp công nghệ ZigBee trở nên hấp dẫn sử dụng cho ứng dụng mạng không dây Trong nghiên cứu này, mạng cảm biến không dây với công nghệ Zigbee ứng dụng nông nghiệp thơng minh tích hợp thử nghiệm với đơn vị nhỏ nút cảm biến có chức thu thập thông số môi trường, gửi đến trạm kiểm sốt trung tâm sau liệu gửi lên Database để quản lý lưu trữ Người dùng theo dõi thơng số qua trang web điện thoại di động Android, từ đưa định phù hợp với trồng Nhóm nghiên cứu thiết kế giao diện cho trực quan, dễ dàng sử dụng để tiếp cận Đây sản phẩm nhân rộng vùng rộng lớn phạm vi tỉnh, chí quốc gia, liên kết vùng nơng nghiệp trồng trọt lại với nhau, đưa nông nghiệp thông minh trở nên phổ biến phát triển mạnh Việt Nam Từ khóa: Mạng cảm biến, cơng nghệ Zigbee, mạng không dây, đo lường thông số môi trường ABSTRACT Nowadays, we apply many wireless technologies in high-speed data transfer between devices such as BlueTooth or Wifi However, these technologies cannot satisfy the demands in control and automation, such as in household or hospital devices They possess many shortcomings such as the use of broadband leading to unnecessary power consumption, using direct power sources, rarely using battery power sources, having narrow range of connectivity, high latency, single security mechanism (BlueTooth), requiring high-cost hardware devices Thanks to wireless remote control, stable data transfer, ultra-low power consumption, open technology has made ZigBee technology attractive for wireless network applications In this study, a wireless sensor network using Zigbee technology for smart farming was integrated with small units of sensor nodes collecting environmental parameters, sending them to the central control station From there, data will be sent to the database for management and storage Users can track those parameters through the web or an Android mobile phone, thus making the right decision for the crop The team has designed the interface with intuitive, easy features,allowing easy access for anyone This will be a product that can be replicated across a large area or province, even nation, linking farming areas together, enabling smart agriculture to become popular and thrives in Vietnam Keywords: Sensor Network, Zigbee Technology, wireless network, measuring environment parameters Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội * Email: nlnguyen@vnu.edu.vn Ngày nhận bài: 20/8/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 21/10/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2018 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mạng cảm biến không dây [5] Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks) mạng bao gồm nhiều nút cảm biến, tích hợp cảm biến đo thông số môi trường cảm biến nhiệt độ độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng… có khả giao tiếp khơng dây với nút lại tạo nên mạng cảm biến khơng dây phủ sóng vùng nhằm giám sát, theo dõi quản lý thông số tồm vùng Một số ứng dụng mạng cảm biến không dây: - Giám sát điều khiển công nghiệp: Phục vụ việc thu thập thông tin, giám sát trạng thái hoạt động hệ thống, trạng thái van, trạng thái thiết bị, nhiệt độ áp suất nguyên liệu lưu trữ; hệ thống điều khiển không dây ánh sáng quảng cáo - Tự động hóa gia đình điện dân dụng: hỗ trợ dịch vụ gia đình ơtơ: ổ khố không dây, cảm biến cửa vào cửa sổ điều khiển bóng đèn khơng dây - Cảm biến quân sự: kiểm tra lực lượng, trang bị, đạn dược, giám sát chiến trường, trinh sát vùng lực lượng địch, tìm mục tiêu, đánh giá thiệt hại trận đánh, trinh sát phát vũ khí hóa học - sinh học - hạt nhân - Cảm biến y tế giám sát sức khỏe: cung cấp khả giao tiếp cho người khuyết tật; Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 19 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chẩn đoán; quản lý dược phẩm bệnh viện; kiểm tra từ xa số liệu sinh lý người; giám sát, kiểm tra bác sĩ bệnh nhân bên bệnh viện - Cảm biến môi trường nông nghiệp thông minh: Theo dõi di chuyển loài chim, loài thú nhỏ, côn trùng; kiểm tra điều kiện môi trường ảnh hưởng tới mùa màng vật ni; tình trạng nước tưới; tính tốn nơng nghiệp; kiểm tra mơi trường khơng khí, đất trồng, biển; phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường 1.2 Công nghệ Zigbee [4] ZigBee giao thức mạng không dây dùng để kết nối thiết bị với Công nghệ ZigBee xây dựng dựa tiêu chuẩn 802.15.4 tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, cấu trúc 802.15.4 có tầng tầng vật lý tầng MAC (medicum Access Control) Cơng nghệ ZigBee dùng sóng radio có tầng Hơn ZigBee thiết lập tầng khác nhờ mà thiết bị nhà sản xuất dù khác tiêu chuẩn kết nối với vận hành vùng bảo mật hệ thống Bảng Các phiên Zigbee Phiên Chi tiết Zigbee 2004 Đây phiên ZigBee - gọi ZigBee 1.0, đời vào tháng 6/2005 Zigbee 2006 Phiên giới thiệu khái niệm chùm, đời vào tháng 9/2006 Zigbee 2007 Phiên đời tháng 10/2007 có hai loại hình dạng khác Zigbee PRO Phiên phiên năm 2007 nâng cấp lên để cài đặt nhanh tăng tính bảo mật cho hệ thống RF4CE Là dạng tần sóng vơ tuyến cho thiết bị điện tử có ứng dụng âm nghe nhìn, đời năm 2009 Cấu trúc Zigbee: Ngoài tầng vật lý tầng MAC xác định tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêu chuẩn ZigBee có thêm tầng hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị đối tượng ứng dụng - Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hồn điều biết gói tín hiệu vào khơng gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu mạnh môi trường nhiễu - Tầng MAC: sử dụng công nghệ đa truy cập nhận biết song mang CSMA để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định xác định hình dạng mạng, giúp hệ thống mạnh vững - Tầng mạng - NWK tầng phức tạp ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 20 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 49.2018 lên dạng lưới Tầng xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa ZigBee thay địa tầng MAC bên - Tầng hỗ trợ ứng dụng - APS tầng kết nối với tầng mạng nơi cài đặt ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt gói liệu trùng lắp từ tầng mạng - Tầng đối tượng thiết bị - ZDO có trách nhiệm quản lý thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý yêu cầu xác định trạng thái thiết bị - Tầng đối tượng ứng dụng người dùng - APO: tầng mà người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng cho phép người dùng tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống Mơ hình mạng Zigbee: Hình Các mơ hình mạng Zigbee ZigBee có dạng hình mạng hỗ trợ ZigBee: dạng hình (Star), hình lưới (Mesh), hình (Cluster Tree) Mỗi dạng hình có ưu điểm riêng ứng dụng trường hợp khác - Hình (Star network): Các nút hình liên kết với nút trung tâm - Hình lưới (Mesh network): Mạng hình lưới có tính tin cậy cao, nút mạng lưới có khả kết nối với nút khác, cho phép truyền thơng liên tục điểm nút với bền vững Nếu có tác động cản trở, hệ thống có khả tự xác định lại cấu hình cách nhảy từ nút sang nút khác - Hình (Cluster network): Mạng hình dạng đặc biệt mạng hình lưới, dạng mạng có khả phủ sóng mở rộng cao Đặc điểm cấu trúc mạng Zigbee: Tín hiệu cơng nghệ Zigbee truyền xa đến 75m tính từ trạm phát khoảng cách xa nhiều tiếp tục phát từ nút liên kết hệ thống Các liệu truyền theo gói, gói tối đa 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104bytes Tiêu chuẩn hỗ trợ địa 64bit địa ngắn 16bit Loại địa 64bit xác định thiết bị có địa IP Khi mạng thiết lập, địa ngắn sử dụng cho phép 65000 nút liên kết SCIENCE TECHNOLOGY NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG NƠNG NGHIỆP THƠNG MINH 2.1 Mơ hình hệ thống Hệ thống sử dụng mơ hình mạng Zigbee hình (Start Network): Mạng có Coordinator (ZC) End Device (ZED) Khi ZC kích hoạt lần trở thành điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình có PAN ID riêng để hoạt động độc lập Mạng có ZC kết nối với FFD RFD khác ZED không truyền trực tiếp liệu cho 2.2 Truyền nhận liệu Lưu đồ truyền nhận liệu từ nút cảm biến tới trạm trung tâm hình Các nút cảm biến thực truyền nhận liệu đến thiết bị chủ Gateway thông qua giao thức Zigbee Khi nút cảm biến nhận liệu từ Gateway gửi đến (là địa Node), gửi khung truyền gồm 12 ký tự (bao gồm thông số cảm biến) đến Gateway Hình Frame truyền liệu qua Zigbee sử dụng giao tiếp UART Khung truyền chuỗi 12 ký tự gồm: ký tự địa Nút cảm biến, ký tự nhiệt độ, ký tự độ ẩm khơng khí, ký tự độ ẩm đất ký tự “#” để kết thúc khung (hình 4) Lưu đồ thuật tốn từ nút cảm biến tới trạm trung tâm hình Hình Mơ hình mạng Zigbee hình sơ đồ khối tổng quan node gateway Hình Lưu đồ truyền liệu từ nút cảm biến Hình Lưu đồ thuật tốn trạm kiểm sốt liệu Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 21 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình Một frame truyền liệu Từ thiết bị chủ Gateway truyền liệu từ nút cảm biến lên Server thông qua Internet giao thức TCP/IP Gateway gửi liệu địa Node khoảng thời gian định từ Node đến Node Khi nhận liệu Node gửi về, thực kiểm tra xem liệu từ Node gửi Sau thực tách chuỗi nhận từ Node, gửi thơng số cảm biến Node lên Server Chuỗi ký tự bao gồm ký tự đầu địa Node, ký tự dấu phẩy “,”, sau giá trị cảm biến, giá trị cảm biến ngăn cách ký tự dấu phẩy, cuối kết thúc chuỗi ký tự “#” (hình 6) Khi thiết bị trung tâm Gateway nhận từ Node sensor chuỗi qua mạng Zigbee thông qua giao tiếp UART, vi điều khiển xử lý tách chuỗi để lấy tên địa Node gửi liệu đến, giá trị cảm biến Node đo đạc Sau đó, gửi liệu tách lưu Web Server TÍCH HỢP HỆ THỐNG VÀ ĐĨNG GĨI SẢN PHẦM 3.1 Nút cảm biến (Sensor Nodes) Sơ đồ chức nút cảm biến hình Hình Sơ đồ khối chức nút cảm biến 3.2 Thiết bị trung tâm (Gateway) Sơ đồ khối chức thiết bị trung tâm hình Thành phần thiết bị trung tâm bao gồm: module nguồn, vi điều khiển có khả kết nối WiFi (ESP8266), hình hiển thị LCD truyền tín hiệu không dây (Zigbee) Trạm giám sát thiết bị thu thập liệu thông số môi trường gửi từ nút cảm biến Thiết bị phân tích gói tin mà nút cảm biến gửi đến, lấy thông số môi trường mà nút cảm biến đo được, hiển thị chúng lên hình LCD gửi chúng lên sở liệu qua Wifi Thiết bị Gateway sử dụng vi điều khiển ESP8266 phiên V12E kết nối WiFi, thiết bị ngoại vi bao gồm module Zigbee CC2530 TTL giao tiếp UART, hình hiển thị LCD20x4 3.3 Xây dựng phần mềm giám sát, quản lý lưu liệu Hình Truyền nhận liệu từ Gateway lên Server Giao diện phần mềm bao gồm giao diện là: Web App điện thoại Android Giao diện Android hiển thị giá trị cảm biến theo thời gian thực Node mà Gateway gửi lên Giao diện Web có chức tương tự ứng dụng Android xem liệu thời gian thực Tuy nhiên giao diện Web giá trị cảm biến lưu trữ MySQL, người dùng theo dõi giám sát giá trị cảm biến Node theo ngày tháng, xem đồ thị ngày, lưu data vào file Excel Để truyền liệu từ Gateway lên Server, Gateway kết nối WiFi thực Request trang PHP (trang có chức kết nối gửi liệu tới MySQL) sử dụng phương thức GET Phương thức GET phương thức gửi liệu thông qua đường dẫn URL nằm địa Browser Server nhận đường dẫn phân tích trả kết cho bạn Server phân tích tất thơng tin đằng sau dấu hỏi (?) phần liệu mà Client gửi lên Ví dụ: Với URL freetuts.net?id=12 Server nhận giá trị id = 12 Để truyền nhiều liệu lên Server ta dùng dấu & để phân cách cặp giá trị Giả sử muốn truyền id = 12 title = 'method_get' URL có dạng hungelnino.com?id=12&title=method_get KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sau trình nghiên cứu tích hợp, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình mẫu 01 hệ thống mạng cảm biến khơng dây ứng dụng nơng nghiệp gồm có trạm giám sát, node cảm biến, giao diện phần mềm giám sát, quản lý liệu thu thập (hình 10) Hình Sơ đồ khối chức thiết bị trung tâm 22 Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 49.2018 SCIENCE TECHNOLOGY Hình 12 Dữ liệu hiển thị giao diện web Hình 10 Các nút cảm biến có tích hợp cấu chấp hành Hình 11 Giao diện điện thoại Smartphone Web Trên Smartphone, hiển thị giá trị cảm biến theo thời gian thực Node Trên Web, liệu cảm biến Node lưu trữ vào sở liệu MySQL, người dùng giám sát theo dõi liệu cảm biến ngày, xem đồ thị lưu trữ liệu vào file Excel (hình 12) KẾT LUẬN Các mạng cảm biến khơng dây với chi phí đầu tư thấp, tiêu thụ điện năng, cho phép triển khai nhiều điều kiện địa hình khí hậu phức tạp, đặc biệt khả tự tổ chức mạng, khả xử lý cộng tác chịu hư hỏng cố tạo triển vọng ứng dụng đầy tiềm nhiều lĩnh vực khác Tuy nhiên để triển khai mạng cảm biến không dây, người thiết kế hệ thống cần phải nắm bắt nhân tố tác động đến mạng, nhược điểm mạng cần phải khắc phục, cần quan tâm đến tham số mạng,… cần có mơ đánh giá để từ thiết kế hệ thống theo cách tối ưu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Standard for part 15.4: Wireless MAC and PHY specifications for low rate WPAN,” IEEE, New York, NY, IEEE Std 802.15.4, Oct 2003 [2] Bob Heile, 2006 “Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New Opportunities with ZigBee” [3] Ricardo Augusto Rodrigues da Silva Severino, “On the use of IEEE 802.15.4/ZigBee for Time-Sensitive Wireless Sensor Network Applications”, Thesis Master [4] http://automation.net.vn/Cong-nghe-Ung-dung/Giao-thuc-ZigBeetrong-truyen-thong-cong-nghiep.html [5] https://automation.net.vn/The-gioi-cam-bien/Tong-quan-ve-mangcam-bien-khong -day.html [6] Derek Walter, Mark Sherman “Learning MIT App Inventor – A Hands-On Guide to Building Your Own Android Apps” [7] Kumar, Vimal; Sanjay K Madria (August 2012) "Secure Hierarchical Data Aggregation in Wireless Sensor Networks: Performance Evaluation and Analysis" MDM 12 [8] ServersCheck "Wireless temperature sensor for Data Centers" [9] Sohraby, K., Minoli, D., Znati, T., 2007 Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications John Wiley and Sons [10] https://akizukidenshi.com/download/ds/aosong/DHT11.pdf [11] https://firebase.google.com/docs/database/ Số 49.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 23 ... LUẬN Sau q trình nghiên cứu tích hợp, nhóm nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình mẫu 01 hệ thống mạng cảm biến không dây ứng dụng nơng nghiệp gồm có trạm giám sát, node cảm biến, giao diện phần... hiệu khơng dây (Zigbee) Trạm giám sát thiết bị thu thập liệu thông số môi trường gửi từ nút cảm biến Thiết bị phân tích gói tin mà nút cảm biến gửi đến, lấy thông số môi trường mà nút cảm biến đo... phát cháy rừng; nghiên cứu khí tượng địa lý; phát lũ lụt; vẽ đồ sinh học phức tạp môi trường nghiên cứu ô nhiễm môi trường 1.2 Công nghệ Zigbee [4] ZigBee giao thức mạng không dây dùng để kết