Đồ án tốt nghiệp - Mô hình mạng cảm nhận không dây - WSN

Đồ án tốt nghiệp Mô hình mạng cảm nhận không dây - WSN Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 1 MỞ ĐẦU Ngày nay dưới sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kĩ thuật nói chung và công nghệ thông tin nói riêng, mạng cảm nhận không dây ra đời là một trong những thành tựu cao của công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin. Một trong các lĩnh vực của mạng cảm nhận không dây ( Wireless Sensor Network – WSN ) là sự kết hợp của việc cảm nhận, tính toán và truyền thông vào trong các thiết bị nhỏ gọn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người c ũng như phục vụ ngày một tốt hơn cho lợi ích của con người, làm cho con người không mất quá nhiều sức lực, nhân công nhưng hiệu quả công việc vẫn cao. Sức mạnh của WSN nằm ở chỗ khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có khả năng tự thiết lập cấu hình của hệ thống. Sử dụng những thiế t bị này để theo dõi theo thời gian thực, cũng có thể để giám sát điều kiện môi trường, theo dõi cấu trúc hoặc tình trạng thiết bị… Trong những nghiên cứu mới nhất hiện nay thì hầu hết các ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa hoặc có thể mang theo một thiết bị nhỏ gọn nhưng có sức mạnh có thể làm việc hiệu quả không kém một hệ thống thiết bị cồ ng kềnh. Ví dụ như có thể ứng dụng WSN vào trong công việc phòng cháy rừng bằng rất nhiều nút cảm biến tự động kết nối thành một hệ thống mạng không dây để có thể ngay lập tức phát hiện những vùng có khả năng cháy và gây cháy có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo động cần thiết. Một trong những ưu điểm lớn của mạng không dây WSN là chi phí chiển khai và lắp đặt đượ c giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng.Thay vì hàng ngàn km dây dẫn thông qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ làm công việc đơn giản là đặt thiết bị đã được lắp đặt nhỏ gọn vào vị trí cần thiết. Mạng có thể được mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của WSN, rất đơn giả n ta chỉ việc thêm vào các thiết bị, linh kiện không cần thao tác phức tạp Trước xu thế phát triển nhanh chóng của mạng cảm nhận không dây, căn cứ vào tình hình thực tế của nước ta đang cần các hệ thống giám sát các thông số trong môi trường để phục vụ cho nhiều nghành, nhiều lĩnh vực đồ án đã chọn hướng nghiên cứu là Mô hình mạng cảm nhận không dây - WSN . Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 2 Đồ án được chia làm 5 chương với nội dung được trình bày như sau: - Chương 1: Giới thiệu về mạng cảm nhận không dây. - Chương 2: Tổng quan về màn hình tinh thể lỏng - LCD và Vi điều khiển. - Chương 3: Màn hình LCD 1602A và vi điều khiển CC1010 - Chương 4: Phần mềm nhúng cho hệ đo nhiệt tự động - Chương 5: Cài đặt thử nghiệm trên hệ thống, các kết qu ả đạt được Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 3 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (Wireless sensor Network - WSN) 1.1. Mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tin của môi trường tại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian xác định nhằm phát hiện các quy luận vận động và các đặc điểm thay đổi rất chậm của môi trường hoặc của đối tượng, mạng cảm nhận không dây thông thường bao gồm các nút mạng cảm nhận được phân bố trong một phạm vi không gian nhất định. Các nút cảm nhận này sẽ tiến hành đo đạc các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, độ mặn, độ PH, áp suất …Việc thu thập các thông tin này trong văn phòng, nhà kho, công xưởng, viện bảo tàng, trong công nghiệp, y tế, nông nghiêp, lâm nghiệp… WSN dường như đã trở thành giải pháp hấp dẫn vì mang đến sự tiện lợi về nhiều phương di ện, và đặc biệt trong nhiều trường hợp thậm chí còn hạn chế được sự nguy hiểm cho con người trong những môi trường làm việc khắc nghiệt ( nút mạng thay thế cho sự làm việc trực tiếp của con người trong những môi trường có độc tính hay nhiệt độ cao, áp suất cao . ). Một hệ thống WSN hoàn thiện còn có khả năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trường hoặc định vị sự di chuyển các đối tượng trong phạm vi của nó. Tùy theo mục đích của mạng cảm nhận mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp.Các nút cảm nhận có bộ vi xử lý bên trong, thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích nó có thể tiến hành xử lý đơn giản và gửi về dữ liệu đã được xử lý theo yêu cầu. Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 4 Hình 1.1: Minh họa mạng cảm nhận không dây cảnh báo sự cố Các nút mạng cảm nhận thu thập thông tin môi trường sau đó gửi về nút gốc ( nút cơ sở), nút gốc thường là cố định và được nối với PC, hoặc máy tính xách tay qua cổng RS232 việc đó nảy sinh những vấn đề như sự thiếu linh hoạt trong việc theo dõi ,dám sát trực tiếp môi trường, không cơ động… Hình 1.2 là mô hình của một m ạng cảm nhận không dây truyền thống có nút gốc được nối cố định với máy vi tính hoặc máy tính xách tay. Hình 1.2: Mạng cảm nhận thông thường sử dụng CC1010 Nút cảm nhận CC1010 Nút cảm nhận CC1010 Nút cảm nhận CC1010 Nút gốc CC1010 PC RS 232 Liên kết có dây Liên kết không dây Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 5 Từ đề tài cụ thể “CHƯƠNG TRÌNH THU NHẬN, XỬ LÝ DỮ LIỆU, CẢNH BÁO SỰ CỐ TRÊN NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (WSN), HIỂN THỊ BẰNG MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG - LCD ”. Sau đây em xin giới thiệu một ứng dụng của mạng cảm nhận WSN thu thập dữ liệu môi trường, giải quyết được đa số những nhược điểm của một mạng cả m nhận không dây thông thường, cụ thể đề tài sẽ đi vào tìm hiểu, phân tích thiết kế một nút mạng di động có khả năng thu nhận dữ liệu, xử lý, hiển thị lên màn hình LCD với kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, tiết kiệm…Hình 1.3 minh họa một mô hình mạng cảm nhận sử dụng CC1010 được kết nối với một màn hình tinh thể lỏng. Hình 1.3: Hệ thố ng cảm nhận sử dụng CC1010 kết nối với LCD Ở đây LCD được gắn với bộ phận nhân dữ liệu ,xử lý và hiển thị kết quả lên màn hình LCD.Có thể coi đây như một nút mạng di động ,hoạt động tốt trong phạm vi của mạng cảm nhận không dây - WSN.Như vậy chúng ta không cần thiết phải có kết nối PC mà vãn có thể theo dõi được các thông số của môi trường cũ ng như tình trạng ở những nút mạng cảm nhận một cách linh hoạt và cơ động hơn rất nhiều. Cảm biến (Sensor) VĐK CC1010 VĐK CC1010 LCD LK có dây LK không dây Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 6 1.2. Mô tả hệ thống Từ hình 1.3 ta thấy hệ thống gồm có 2 phần cơ bản là: 1.2.1. Các nút cảm nhận và truyền dữ liệu: Đại diện cho tất cả nút mạng cảm nhận, bao gồm các nút cảm nhận thông số cần đo, mạch tích hợp CC1010EM nhận, xử lý rồi truyền không dây đến nút di động. Mỗi nút cảm nhận trên đều được gán một địa chỉ cụ thể. Từ những phân tích lý thuyết ở trên ta có mô hình của nút mạng cảm nhận và truyền dữ liệu như sau : Hình 1.4: Mô hình nút cảm nhận và truyền dữ liệu Cảm biến-Sensor a) Khái niệm Trong các hệ thông đo lường, điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mô men…Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập các thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này chúng thu thập, đáp ứng với các tín hiệu và các kích thích, có thể nói chúng có thể so sánh như là tai, mắt của các hoạt động kha học và công nghệ của con người. CC1010 Sensor Angten phát Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 7 Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong các hệ thống đo lường- điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. b) Phân loại các loại cảm biến Ta có thể phân loại các loại cảm biến theo một số các đặc trưng sau: ¾ Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích - Vật lý: Nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, nhiệt quang - Hóa học: Biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ ¾ Theo dạng kích thích - Âm thanh: Biến, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng… - Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp… - Từ: Từ trường, độ t ừ thẩm… - Quang: Biên, pha, phân cực, phổ… - Cơ: Lực, áp suất, gia tốc, vận tốc,khối lượng, tỷ trọng… - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỉ nhiệt… - Bức xạ: Kiểu, năng lượng, cường độ… - Ngoài ra còn có rất nhiều loại cảm biến tùy theo tính năng và phạm vi sử dụng… Theo chức năng mạng và đặc điểm của mỗi cấu hình mạng c ảm nhận mà có thể sử dụng những loại cảm biến khác nhau ,Trong đồ án này cảm biến được chọn để nghiên cứu là loại cảm biến nhiệt độ có tên là LM61 có dạng IC. c) Đặc điểm IC LM61 : ¾ Biến đổi nhiệt độ cảm nhận được ra điện áp nối ra ¾ Khoảng cảm nhận từ -30 0 C đến 100 0 C. ¾ Nguồn cung cấp 2,7V. ¾ Khoảng thay đổi điện áp nối ra là 10mV/ 0 C ¾ Điện thế bù DC = 600mV. Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 8 ¾ Khoảng thay đổi điện áp lối ra là từ 300mV đến 1600mV ứng với khoảng nhiệt độ từ -30 0 C tới 100 0 C. IC cảm biến thu nhận thông tin của môi trường sau đó biến đổi thông tin đó thành đại lượng điện dưới dạng tín số hoặc tín hiệu tương tự ,sau đó được số hóa để có thể truyền đi trong mạng không dây.IC LM61 thu nhận thông tin nhiệt độ của môi trường sau đó biến đổi thành điện áp lối ra ( Dạng thông tin tương tự ). 1.2.2. Nút mạng di động( Nhận và hiển thị ) Bao gồm mạch tích hợp CC1010EM nhận dữ liệu của các nút cảm nhận ,xử lý ,sau đó hiển thị kết quả của mỗi nút lên mà hình LCD.Nút mạng di dộng trên vừa có thể thu nhận tín hiệu do các nút mạng cảm nhận truyền về, vừa xử lý để lấy thông tin càn thiết và trong quá trình xử lý dữ liệu có thể đưa ra các dạng cảnh báo khác nhau ví dụ bằng âm thanh, đóng mở hệ thống .trong báo cáo này nút mạng di động được kết nối với một màn hình tinh thể lỏng LCD, các kết quả và các cảnh báo của từng nút mạng (nếu có) sẽ được hiển thị trên màn hình LCD nói trên và loại LCD được sử dụng loại màn hình LCD 1602A 16x2 dòng. Hình 1.5: Mô hình nút mạng di động LCD 1602A CC1010 Angten thu Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 9 1.3. Kết luận Ở chương 1 em đã trình bày được một số những kiến thức cơ bản của mạng WSN. Các nội dung đã được trình bày: ¾ Mạng cảm nhận không dây. ¾ Mô hình mạng cảm nhận thông thường kết nối máy tính thông qua cổng nối tiếp RS-232. ¾ Mô hình mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 có ghép nối với màn hình tinh thể lỏng – LCD. ¾ Mô tả hệ thống. [...]... chức năng mạng và chức năng cảm ứng thích hợp cho các ứng dụng truyền nhận không dây, CC1010 được tích hợp nhiều các tính năng phục vụ cho các ứng dụng không dây như bộ truyền nhận vô tuyến, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ lập trình Flash Vì vậy CC1010 chỉ cần đến rất ít các thành phần phụ khác để có thể trở thành một nút mạng cảm nhận không dây Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 16 Đồ án tốt nghiệp Đặc... nhau.Trong mô hình mạng cảm nhận WSN lại không cần dùng đến loại hiện đại và chất lượng hình ảnh quá cao mà chỉ cần dùng các loại màn hình đơn sắc ví dụ như loại 20x2 dòng, 20x4 dòng, do yêu cầu hiển thị của nút mạng không cao như chỉ đưa ra thông tin dạng ký tự hoàn toàn không cần màn hình hiển thị nhiều thông số vì vậy em chọn màn hình tinh thể lỏng-LCD1602A để hiển thị kết quả thu được của nút mạng sau... CC1010 - Vi điều khiển CC1010 có lõi là vi điều khiển 8051 - Tốc độ xử lý được nâng cấp nhanh hơn 2.5 lần so với 8051 chuẩn - Có 32kb flash, 2048 + 128 Byte SRAM - Có 4 bộ định thời - Có 2 cổng UART, RTC - Có 3 kênh ADC 10 Bit - Giao diện lập trình SPI - Bộ mã hóa DES tích hợp bên trong - Có 26 chân vào ra chung - Cần rất ít thành phần bên ngoài - Độ nhạy cao (-1 07 dBm) - Nguồn nuôi từ 2,7 – 3,6 V - Có... hành kiểm tra, nếu nhận được địa chỉ là địa chỉ nút 1 thì sẽ lấy dữ liệu của nút 1 để truyền tiếp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 33 Đồ án tốt nghiệp ♦ Thuật toán Hình 4.6: Thuật toán nút trung gian trường hợp truyền nối tiếp ( multi hop) ♦ Chương trình - Định địa chỉ nút 2: #define TBC_MY_SPP_ADDRESS 1 nodeIDs[0] = TBC_MY_SPP_ADDRESS; - Loại bỏ phần cảm nhận của nút 2 bằng cách không gọi các chương... : dịch chuyển màn hình hiển thị sau mỗi bytes được hiển thị Cho phép hiển thị mà hình / con trỏ: - D : On(1) / Off(0) màn hình - C : On(1) / Off(0) con trỏ - B : On(1) / Off(0) nhấp nháy con trỏ Di chuyển con trỏ trên mà hình hiển thị: - SC : On(1) / Off(0) Sự dịch chuyển màn hình hiển thị - RL : Hướng dịch chuyển Phải(1) / Trái (0) - DL : Thiết lập độ dài dữ liệu 8bit(1) / 4bit(0) - N : Số dòng hiển... nghiệp c) Phần mềm SW1-MH ♦ Thuật toán Hình 4.5: Thuật toán nút 1 trường hợp truyền nối tiếp ( multi hop) ♦ Chương trình Nút 1 được gắn địa chỉ bằng 1 và truyền đi: #define TBC_MY_SPP_ADDRESS 1 nodeIDs[0] = TBC_MY_SPP_ADDRESS; Phần mềm SW 1- MH chính là phần mềm SW1-SH với giá trị gán địa chỉ là 1 d) Phần mềm SW2-MH Bản thân nút 2 sẽ không cảm nhận nhiệt độ Nút 2 có địa chỉ là 2 Nút 2 nhận dữ liệu từ các... làm việc - Màn hình tinh thể lỏng-LCD Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 12 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 3: MÀN HÌNH LCD 1620A VÀ VI ĐIỀU KHIỂN CC1010 3.1 Màn hình tinh thể lỏng LCD 1602A Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại màn hình tinh thể lỏng khác nhau tùy theo mục đích sử dụng và đòi hỏi của công việc mà có những loại màn hình khác nhau, yêu cầu công việc càng cao thì các loại màn hình tinh... quan trọng nhất của phần mềm này là viết hàm nhận dữ liệu và viết hàm để hiển thị lên màn hình LCD làm việc ở chế độ 4bit Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 29 Đồ án tốt nghiệp Hình 4.4: Thuật toán cho nút gốc trường hợp truyền single hop ♦ Chương trình - Để nhận dữ liệu : sppReceive(&RXI); do { /* khong lam gi ca */ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE); - Đoạn kiểm tra tín hiệu tại địa chỉ x : for... vận chuyển mà không có vai trò cảm nhận Trong phần mềm sẽ không có đoạn kết nối LM61 với kênh AD1 Phần mềm cho nút gốc ( software 3 multi hop SW3-MH) : SW3-MH Phần mềm này đảm bảo cho nút 3 nhận dữ liệu liên tục, kiểm tra nếu đúng dữ liệu do nút 2 gửi đến thì cho phép hiển thị và tiến hành phân tích để xử lý hiển thị và đưa ra dạng cảnh báo Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 32 Đồ án tốt nghiệp c) Phần... qua các bước như sau: - Tìm hiểu bài toán - Phân tích - Thiết kế - Viết chương trình Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 23 Đồ án tốt nghiệp - Kiểm thử Việc xây dựng một phần mềm nhúng cũng tuân theo trình tự các bước như trên Ngoài ra, phần mềm nhúng còn có đặc trưng là làm việc trực tiếp với phần cứng Do đó để kiểm soát quá trình làm việc với các thành phần chấp hành có đúng đắn không là điều kiện . THIỆU VỀ MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY (Wireless sensor Network - WSN) 1.1. Mạng cảm nhận không dây Mạng cảm nhận không dây (WSN) thu thập dữ liệu môi trường. lĩnh vực đồ án đã chọn hướng nghiên cứu là Mô hình mạng cảm nhận không dây - WSN . Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 2 Đồ án được chia