Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây với phần mềm nhúng

Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây với phần mềm nhúng

TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Trong khoá luận này tôi đã nghiên cứu vể một loại đầu đo ứng dụng công nghệ vicảm biến tương tự, đó là dùng đầu đo áp suất để đo độ sâu của nước Từ các đặc trưngcơ bản của các bộ cảm biến nói chung cũng như của cảm biến áp suất nói riêng, bảnluận văn này đã đưa ra cấu trúc cùng nguyên lý hoạt động của đầu đo áp suất - mứcnước Đó là một loại đầu đo thuộc loại cảm biến tương tự được chế tạo theo công nghệvi cảm biến áp suất kiểu áp điện trở có độ nhạy và độ ổn định cao.

Qua việc thực nghiệm đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng hoặc giảm độ sâucủa nước tôi đã rút ra được một số đặc trưng cơ bản của đầu đo là độ nhạy và độ tuyếntính Đầu đo này sử dụng module XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật, có độ phângiải 1cm, độ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm, đầu đo có thể đo được độ sâu của nướckhoảng 600cm.

Trong khoá luận này tôi cũng xin giới thiệu về một mạng cảm nhận không dây cócác nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy Từ việcnghiên cứu các đặc tính của mạng, của nút mạng cảm nhận, chúng tôi đã xây dựng cácbước để ghép nối đầu đo áp suất với nút mạng đồng thời xây dựng một chương trìnhnhúng truyền nhận không dây qua nút mạng cơ sở và tiến hành thực nghiệm việctruyền nhận này qua một số nút mạng.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƯỚC 6

1.1 Giới thiệu về cảm biến 7

1.1.3 Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối 10

1.2 Các phương pháp đo áp suất 11

1.2.1 Tồng quan về áp suất 12

1.2.2 Nguyên tắc và các phương pháp đo áp suất 13

1.2.3 Đầu đo áp suất - mức nước 16

1.3 Khảo sát một số đặc trưng của đầu đo: độ nhạy, độ tuyến tính 21

1.3.1 Dụng cụ thí nghiệm 21

1.3.2 Mục đích thí nghiệm 22

1.3.3 Đo điện thế lối ra của đầu đo khi giảm độ cao của cột nước 22

1.3.4 Đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng độ cao của cột nước 27

2.2.2.4 Biến đổi ADC 39

2.2.2.5 Bộ định thời 39

2.2.2.6 Bộ thu phát không dây RF (RF transceiver) 40

2.2.2.6.1 Miêu tả chung 40

2.2.2.6.2 Mạch ứng dụng RF 42

2.2.2.6.3 Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lượng 43

2.2.2.6.4 Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu 44

MỞ ĐẦU

Trong số các ngành công nghiệp khác nhau các cảm biến áp suất được ứngdụng nhiều nhất trong nhiều lĩnh vực Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng lượngthuỷ lực, nhiệt, hạt nhân … cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục Nếu ápsuất vượt ngưỡng cho phép sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến cơ sở vật chất vàtính mạng con người Chính vì vậy, cảm biến áp suất là rất quan trọng trong đời sống.

Trong y tế cũng có rất nhiều ứng dụng của cảm biến áp suất như dùng để đohuyết áp, nhịp tim và đo nồng độ máu từ xa.

Trong khoá luận này chúng ta sẽ khảo sát một số đặc tính của một cảm biến ápsuất dùng để đo độ sâu của nước Đây là loại cảm biến có rất nhiều ứng dụng và ýnghĩa trong khoa học cũng như trong thực tế, chúng có thể dùng để đo liên tục suốtngày đêm và trong tự động hoá thì ngày càng có lợi Đặc biệt ứng dụng trong theo dõidiễn biến môi trường, thời tiết, ứng dụng trong thu thập thông tin và cảnh báo,… thìviệc theo dõi được một cách liên tục sẽ rất có lợi, phục vụ đắc lực cho con người

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay có rất nhiều loại đầuđo áp suất ra đời với những ưu thế vượt trội, ngày càng đáp ứng nhu cầu sử dụng củađời sống Các loại đầu đo này đạt được độ chính xác càng cao càng tốt, cỡ centimet(cm), decimet (dm), thậm chí lên đến hang chục centimet, và chúng có độ tuyến tínhtrên một dải rộng.

Để thu thập và xử lý các thông tin từ đầu đo áp suất thì cần phải kết nối đầu đovới một số thiết bị khác có thể truyền/nhận, xử lý, tính toán các dữ liệu thông tin đó đểphục vụ cho những mục đích khác nhau của con người Một trong các thiết bị đó làmạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN).

Một đặc điểm nổi bật của mạng cảm nhận không dây là sự kết hợp việc cảmnhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ Thông qua mạng hình lưới,những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý Trong khi khảnăng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hang trăm thiết bị như vậy yêu cầu phải cócông nghệ mới.

Thế mạnh của WSN là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ cóthể tự thiết lập cấu hình hệ thống Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thờigian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc hình dạng thiếtbị.

Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấydữ liệu thấp.Chẳng hạn, có thể dễ dàng giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hóa chất bờihang trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập tứcphát hiện và thông báo có sự rò rỉ Không giống những hệ thống có dây truyền thống,chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu Thay vì hang ngàn mét dây dẫn thôngqua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơicần thiết Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị,không cần các thao tác phức tạp như trong hệ thống mạng có dây Hệ thống cũng cókhả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.

Nhìn chung, khi nói đến mạng không dây thì người ta thương sẽ nghĩ đến cácthiết bị di động, PDA hay laptop Đó là những thiết bị có giá thành cao, được ứngdụng theo một mục đích cho trước, và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn Ngược lại,mạng cảm nhận không dây lại sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho cácứng dụng đa dạng và không dựa trên bất kì cơ sở hạ tầng nào đã sẵn có từ trước.Không giống các thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không cầntruyền trực tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới mạng gần nó, rồi lần lượt truyền vểtrạm gốc theo dạng truyền thông multihop.

Một thách thức cơ bản của WSN là đưa các ràng buộc khắt khe vào chỉ trongmột thiết bị đơn lẻ Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị được triển khai với sốlượng lớn cần có kích thước nhỏ và giá thành thấp Kích thước giảm là điều chủ yếudẫn đến giá thành giảm cũng như khả năng cho phép được sử dụng trong một dải rộngcác ứng dụng.

Một khó khăn lớn của WSN là năng lượng tiêu thụ Kích thước vật lý giảm thìcũng làm giảm năng lượng tiêu thụ, các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên nhữnggiới hạn tính toán.

Bản luận văn “Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dâyvới phần mềm nhúng” sẽ giới thiệu về một loại vi cảm biến thuộc công nghệ MEMS

là đầu đo áp suất - mức nước, khảo sát một số đặc trưng của đầu đo như độ nhạy, độtuyến tính, khả năng làm việc… Đồng thời bản luận văn này cũng khái quát hoá vềmạng cảm nhận không dây WSN và xây dựng một thử nghiệm mạng cảm nhận khôngdây dùng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy.

Bản luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụlục và tài liệu tham khảo.

Chương 1: Đầu đo áp suất - mức nước sẽ tổng quát về đầu đo, các đặc trưng cơ

bản của cảm biến, đưa ra các phương pháp đo áp suất cùng các đặc trưng chính củađầu đo.

Chương 2: Ghép nối đầu đo với nút mạng cảm nhận không dây Chương này sẽ

giới thiệu qua về mạng cảm nhận không dây và nút mạng cơ sở dùng vi điều khiểnCC1010, đồng thời chỉ ra phương thức kết nối giữa đầu đo và nút mạng.

Chương 3: Chương trình nhúng truyền/ nhận thông qua nút mạng cơ sở.

Chương này giới thiệu về phần mềm nhúng, các bước xây dựng một phần mềm nhúngvà chương trình nhúng cụ thể dùng để ghép nối đầu đo cảm biến cho nút mạng khôngdây cơ sở.

Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt

được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.

Để hoàn thành được khoá luận này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGSTS.Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đạihọc Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiệnkhoá luận Tôi xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất.

CHƯƠNG 1

ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƯỚC

1.1 Giới thiệu về cảm biến.

Đầu đo áp suất - mức nước là một loại vi cảm biến MEMS Trước khi đi vàokhảo sát các đặc tính của đầu đo này, tôi xin đưa ra một số đặc tính cơ bản của bộ cảmbiến, từ đó sẽ hiểu được các đặc tính của đầu đo.

1.1.1 Khái niệm.

Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởicác trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… Các cảm biến trạng thái nàythường là các đại lượng không điện Để điều khiển các quá trình thì ta cần thu thậpthông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Các cảmbiến thực hiện chức năng này chúng thu nhận, đáp ứng và kích thích, là “tai mắt” củacác hợat động khoa học và công nghệ của con người.

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận vàđáp ứng với các tín hiệu và kích thích.

Hay như trong từ điển bách khoa toàn thư Việt Nam thì: cảm biến là dụng cụ cóthể cảm nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biến thiên của một đại lượng vật lý (ví dụ: nhiệtđộ, áp suất tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh sang, âm thanh hoặc sóng vô tuyến,vv…) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thầp vàxử lý thông tin.

Trong mô tả mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó đầuvào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thíchđầu vào x:

Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lýdữ liệu thường do máy tính đảm nhiệm.

Trong sơ đồ hình 1.1, quá trình (đối tượng) được đặc trưng bởi các biến trạngthái và được các bộ cảm biến thu nhận rồi đưa đến bộ xử lý Đầu ra của bộ vi xử lýđược phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình Đây là sơ đồ điềukhiển tự động, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá cácthông số của hệ thống, bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điềukhiển quá trình.

1.1.2 Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến.1.1.2.1 Hàm truyền.

Gọi x là tín hiệu kích thích, y là đáp ứng của bộ cảm biến Hàm truyền cho taquan hệ giữa đáp ứng và kích thích Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạngtuyến tính, phi tuyến, logarit, hàm luỹ thừa hay hàm mũ.

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:y = ax + b

trong đó: a là hằng số, a bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không.b là độ nhạy.

y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, y có thể là biên độhoặc pha tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến.

Quá trình

(Các biến trạng thái)Cơ cấu

chấp hành Bộ cảm biếnChương trình

Bộ vi xử lý

Hình 1.1 Hệ thống tự động điều khiển qúa trình

Hàm truyền dạng logarit:

y = 1 + blnxDạng mũ:

dxxodyb ( )

Trong một số trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằngphương pháp tuyến tính hoá từng đoạn.

1.1.2.2 Độ lớn của tín hiệu vào.

Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quángưỡng cho phép.

1.1.2.3 Sai số và độ chính xác.

Cũng như các ứng dụng đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) bộcảm biến còn chịu nhiều tác động của bộ cảm biến gây nên sai số giữa giá trị đo đượcvà giá trị của đại lượng cần đo.

Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, sai số tươngđối của bộ cảm biến được tính theo công thức:

Δ% = .100

Có hai loại sai số thường dùng là: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:

Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổihoặc thay đổi rất chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giátrị thực và giá trị đo được Sai số này thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc dođiều kiện sử dụng không tốt.

Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện thay đổi theo số lần đo, có độ lớn và chiềukhông xác định.

1.1.3 Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối.

Nhìn chung, cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đốitượng và chuyển đổi thành tín hiệu điện Một cảm biến cổ điển có thể bao gồm 4 khốinhư hình 1.2:

Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ: điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu ápđiện, photodiot, cầu điện trở, …) Tín hiệu từ khối này thường bị nhiễu, do có cần cócác kĩ thuật xử lý tín hiệu như khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm thiểunhững tác động của nhiễu.

Trong trường hợp thu thập dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến có dạng nối tiếp haysong song Chức năng này có thể nhận ra bởi bộ biến đổi tương tự - số hoặc tần số - số.Khối bus giao tiếp nối tất cả các dữ liệu nguồn với các nơi nhận, hệ thống busđiều khiển tất cả các dữ liệu truyền và được nối với một giao tiếp phù hợp mà cảmbiến có thể gửi dữ liệu tới máy tính.

Sơ đồ giao tiếp giữa cảm biến với vi điều khiển được thể hiện ở hình 1.3:Thành phần

cảm nhận Xử lý tín hiệu Chuyển đổi A/D Bus giao tiếp Máy tính

Hình 1.2 Cảm biến tích hợp

Có hai loại cảm biến cơ bản là cảm biến tương tự và cảm biến số.

Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng dòng điện hay điện áp vềvi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồimới đọc dữ liệu Tín hiệu từ cảm biến truyền đi là tín hiệu tương tự rất dễ bị ảnhhưởng bởi nhiễu.

Cảm biến số ngay bản thân nó đã thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi đưagiá trị đã chuyển đổi về vi điều khiển dưới dạng các xung thể hiện giá trị của cảm biến,Như vậy cảm biến số có ưu thế hơn cảm biến tương tự ở chỗ cảm biến số có khảnăng chống nhiễu tốt hơn do nó sử dụng đường truyền số nên rất khó bị ảnh hưởng bởinhiễu lúc truyền dữ liệu

Tuy nhiên trong khoá luận này chúng tôi lại chọn thử nghiệm với một loại đầu đolà cảm biến tương tự để thấy được những đặc tính của đầu đo cũng như của cảm biếntương tự ngày nay vẫn được sử dụng và phục vụ rất hữu ích cho đời sống con người.

1.2 Các phương pháp đo áp suất.

1.2.1 Tồng quan về áp suất.

Áp suất là đại lượng đặc trưng cho cường độ lực nén trung bình tác động theophương vuông góc trên bề mặt vật thể, được xác định bằng tỉ số giữa lực phân bố đềuvà diện tích bề mặt bị tác động:

P =

Hình 1.3 Sơ đồ giao tiếp điển hình giữa vi điều khiển và cảm biến nối tiếp

Trong đó: P là áp suất.

F là lực phân bố đều trên bề mặt diện tích S

Đơn vị của l ực F là Newton (N), đơn vị của diện tích S là m2, trong hệ SI ápsuất có đơn vị là N/m2.

Đơn vị dẫn suất của áp suất là Pascal (Pa) 1Pa tương ứng với áp suất đồngdạng do lực 1N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1m2

1Pa = 1N/m2

Áp suất 1Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường dùng đơn vị ápsuất là bar (1bar = 105Pa).

Một đơn vị cũng hay được dùng trong y tế là mmHg hay torr.

Mối quan hệ tương đối giữa các đơn vị đo áp suất hay được sử dụng cho trong bảng1.1.

Đơn vị đoáp suất

1.2.2 Nguyên tắc và các phương pháp đo áp suất.

Có rất nhiều phương pháp đo áp suất Một phương pháp cổ điển là dùng áp suấtkế Torricielli (hình 1.4) Áp suất kế Torricielli là một ống thuỷ tinh bịt kín, đầu phíatrên được úp xuống một bể đựng thuỷ ngân (Hg) Khi đó, áp suất tác dụng lên bề mặt

thuỷ ngân trong bể bằng độ lớn cột thuỷ ngân trong ống Đơn vị đo áp suất sử dụng ápsuất kế là mmHg.

Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, rất nhiều loại cảm biến áp suất ra đời.Để đo áp suất, người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S của một thành bình phân chiahai môi trường, trong đó một môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất.

Cách đo này có thể chia làm ba trường hợp chính sau:

- Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích hình tròn được khoan trên thànhbình.

- Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.

- Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào là áp suấtthành tín hiệu đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo vàsự thay đổi của nó theo thời gian,

Cách đo thứ nhất phải sử dụng một cảm biến đặt ngay gần sát thành bình, sai sốcủa phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải khôngđáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.

Trường hợp thứ hai người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đoHình 1.4: Áp suất kế torricelli

èng thuûtinh§Çu bÞt kÝn

1 atm1 atm

§Çu hëThñy ng©n

Cách thứ ba đo bằng cảm biến áp suất với các vật trung gian thường là các phầntử đo lực có một thông số Thông số này có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F= P.S, phổ biến nhất là sử dụng màng Màng (diaphrahm) là một tấm mỏng, thường làchất bán dẫn, có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên Khi áp suất bên ngoàitác dụng lên màng, tuỳ thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn sosánh mà màng bị biến dạng Độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn của áp suấttác dụng vào.

Cảm biến áp suất kiểu màng có một số cấu trúc như sau:

Hình 1.5: Các loại cảm biến áp suất kiểu màng.a) Cảm biến áp suất tuyệt đối.b) Cảm biến áp suất tương đối.

c) Cảm biến áp suất vi sai.

Người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng mỏng thành các tín hiệu điệnthông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, daođộng cơ điện, dùng phương pháp quang điện, phương pháp transistor áp điện …

Trong công nghệ MEMS có hai phương pháp được sử dụng rộng rãi là cảm biếnkiểu tụ điện và cảm biến kiểu áp trở Trong khoá luận này chúng tôi sử dụng đầu đo ápsuất thuộc loại vi cảm biến kiểu áp trở Để đi vào khảo sát các đặc tính của đầu đo nàychúng ta cùng tìm hiểu nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp chế tạo vi cảmbiến áp suất kiểu

màng hiệu ứng ápđiện trở:

Nguyên lý làm việc chung của các vi cảm biến kiểu áp trở là dựa trên sự thay đổicủa cấu trúc màng hay cấu trúc dầm (gọi chung là các phần tử nhạy cơ) được chuyểnthành tín hiệu điện tương ứng nhờ các áp điện trở được cấy trên phần tử nhạy cơ Khiphần tử nhạy cơ bị uốn cong thì các áp điện trở cũng thay đổi giá trị Độ nhạy cũngnhư vùng làm việc tuyến tính của vi cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào kích thước cấutrúc cơ, dạng và kích thước các áp điện trở, vị trí của các áp điện trở trên phần tử nhạycơ.

Cấu trúc của cảm biến áp suất được chỉ ra trong hình 1.7 Cảm biến được chế tạotrên một phiến (đế) Silic loại n có định hướng bề mặt là {100}, bằng phương pháp ănmòn điện hoá tạo ra một màng silicon với kích thước và bề dày thay đổi được, màngnày rất nhạy với các tín hiệu áp suất Sau đó bốn điện trở được đặt lên màng silicon tạitrung điểm của các cạnh hình vuông bằng phương pháp khuếch tán Boron từ nguồnnạp hoặc bằng phương pháp cấy ion tạo thành cầu Wheatstone Các điện trở này đượcđặt một cách chính xác, trong đó hai điện trở được đặt song song với cạnh màng, haiđiện trở còn lại được đặt vuông góc với cạnh màng, các cạnh màng có định hướng là{110}.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến: khi không có áp suất đặt lên màng, cầu điệntrở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra bằng không Khi có áp suất đặt lên, màngmỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng bị thay đổi dẫn tới các giá trị của cácđiện trở trong mạch cầu bị thay đổi do hiệu ứng áp điện trở, cụ thể là nếu các điện trởsong song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màngsẽ tăng giá trị và ngược lại Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là kháckhông Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, tức phụthuộc vào áp suất, do đó độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suất Bằng

Sau đây chúng tôi xin giới thiêu một đầu đo áp suất sử dụng vi cảm biến kiểu ápđiện trở có nguyên lý hoạt động cũng như cấu trúc đã nêu ở trên Sơ đồ đầu đo thườngcó dạng như hình 1.8.

Hình 1.8: Sơ đồ đâu đo áp suất.

1.2.3 Đầu đo áp suất - mức nước.

Để đo được độ sâu của nước có rất nhiều cách khác nhau Trong khoá luận nàychúng tôi sử dụng đầu đo áp suất để đo, bởi cảm biến áp suất là một trong những loạicảm biến thường dùng nhất trong công nghiệp Ưu điểm lớn nhất của cảm biến áp suấtvi cơ điện tử là độ nhạy Cụ thể, đối với dải điện áp thấp, độ nhạy của cảm biến áp suấtthay đổi trong khoảng từ 0.1 đến 3mV/mbar (hay 10 đến 300 mV/Pa) phụ thuộc hìnhdạng của màng và cường độ dòng điện; trong dải áp suất từ vài trăm mbar đến hangtrăm bar, độ nhạy thay đổi từ 0.3 đến 12.5mV/bar Một ưu điểm nữa đó là kích thướccủa cảm biến này do chế tạo theo công nghệ MEMS nên rất nhỏ, thuận tiện sử dụngtrong mọi thiết bị.

Phần tử cảm biến trong đầu đo là loại cảm biến áp điện trở có độ nhạy và độ ổnđịnh cao Tín hiệu ra của cảm biến rất nhỏ nên được khuếch đại ngay khi ra khỏi cảmbiến Ngoài ra, do khoảng cách giữa trạm đo và đầu đo khá xa nên tín hiệu áp đượcchuyển sang tín hiệu dòng để tránh nhiễu và suy giảm tín hiệu Cảm biến và mạchkhuếch đại được bố trí bên trong một buồng kín bằng thép không gỉ, mặt tiếp xúc vớinước của cảm biến được cách ly bằng một lớp lưới bằng thép không gỉ để tránh vachạm vào bề mặt cảm biến Đầu đo loại này thường có dạng như hình 1.9.

Hình 1.9: Đầu đo trước khi lắp ráp.Mô hình hoạt động của đầu đo:

Hình 1.10: Mô hình hoạt động của đầu đo.

Như vậy bên trong đầu đo vừa chứa áp trở, vừa chứa mạch khuếch đại và tín hiệutrước khi ra ngoài đầu đo đã được xử lý sơ bộ.

Ngày nay có nhiều loại cảm biến áp suất dùng siêu âm, có độ tin cậy cao hơn,vì thiết bị đo bằng siêu âm để trên cao, không phải nhúng dưới nước nên bền hơn.Nhưng một nhược điểm của thiết bị đo siêu âm này là chùm tia có góc khoảng 8 độnên dải đo càng lớn thì không gian nơi cần đo phải càng rộng để phạm vi chum tia siêuâm không được chạm vào vật cản Đầu đo áp suất ở trên tuy có độ tin cậy không caobằng thiết bị đo siêu âm nhưng lại có ưu điểm là nhỏ gọn và có thể dễ dàng đo độ sâucủa nước tại những nơi có không gian hẹp.

Module sensor áp suất có dạng như hình 1.11

Hình 1.11: Module sensor áp suất, trong đó:Vcc = +5V, dải áp suất từ 0 đến 200KPa chân 1 là GND, chân 2 là Vout, chân 3 là Vcc.

Trong modul có sử dụng XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật với các đặctính nổi bật sau:

- Điện áp nguồn làm việc: +5V.- Dòng tiêu thụ nhỏ hơn 200mA.

- Dải nhiệt độ làm việc: -400C → 1250C.

- Tín hiệu lối ra của sensor bình thường có độ rộng 0.5V → 4.5V.

- Sensor có thể kết nối trực tiếp vời bộ chuyển đổi A/D hoặc có thể kết nốitrực tiếp với Microprocessor xử lý tín hiệu số.

Sơ đồ nguyên lý của đầu đo như hình 1.12.

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của đầu đo.Trong đó, sơ đồ chân của XFPM:

Hình 1.13: Sơ đồ chân của XFPM.Với: chân 1 và chân 6: nối đất GND.

Chân 2: lối ra Vout.Chân 3: nguồn nuôi Vcc.

Chân 4 và chân 5 là không kết nối, chúng hoàn toàn thả nổi, không nốivới bất kì đường dây nào và không nối với nhau.

Để hiểu rõ hơn vể XFPM bạn có thể xem thêm ở tài liệu tham khảo [7].

Nguyên lý hoạt động của XFPM thể hiện qua công thức:

Vout = Vs × (P × α + β) ± (sai số áp suất × sai số theo nhiệt độ × α ×V) ± (sai số áp suất × sai số theo nhiệt độ × α ×Vs) (1)Trong đó:

Sai số áp suất = 5.0 (kPa) với loại XFPM-200KPGSai số theo nhiệt độ thể hiện ở đồ thị sau:

Đồ thị sai số theo nhiệt độ

00.511.522.533.5

Thiết bị đo áp suất dựa trên nguyên lý đo áp suất của nước tại một điểm cốđịnh, quan hệ giữa áp suất và độ sâu của nước tại điểm đo là tuyến tính và phụ thuộcvào khối lượng riêng của nước.

Độ sâu thực tế của nước được tính theo công thức:

Trong đó: h: độ sâu thực tế của nước.h0: độ sâu tham chiếu ban đầu.

p: áp suất của nước tương ứng độ cao h.

p0: áp suất tham chiếu tương ứng với độ cao tham chiếu h0.ρ: khối lượng riêng của nước.

- Module sensor áp suất như đã giới thiệu ở trên.

- Ống nhựa chức nước hình trụ: đường kính 10cm, cao 150cm, một đầu bịtkín, một đầu để hở, thành ống có gắn thang chia độ để dễ theo dõi mực nước.

- Mạch khuếch đại ngoài sẽ được mô tả ở phần tiếp theo.- Nguồn nuôi 3.5V.

- Đồng hồ đo thế.

1.3.2 Mục đích thí nghiệm.

Các thí nghiệm sau đây nhằm mục đích khảo sát độ nhạy, độ tuyến tính, khảnăng phân giải của đầu đo, để từ đó viết chương trình nhúng truyền, nhận và xử lýthông tin qua mạng cảm nhận không dây.

1.3.3 Đo điện thế lối ra của đầu đo khi giảm độ cao của cột nước.

Mô hình thí nghiệm như sau:

Hình 1.13: Sơ đồ thí nghiệm.

Đổ đầy nước vào ống chứa nước hình trụ, thả đầu đo vào ống sao cho đầu đovừa trạm đáy ống, để đầu đo cố định Lối ra của đầu đo được nối trực tiếp vào đồng hồđo điện thế (như hình 1.14).

Hạ từng cm nước trong ống ta thu được giá trị điện áp lối ra tương ứng của đầuđo tại một số điểm chính như bảng 1.2.

Bảng 1.2: Điện thế lối ra khi hạ dần mức nước.

Từ các số liệu thu được ta có đồ thị thể hiện sự tuyến tính của điện thế ra theomực nước:

Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khi hạ từng cm nước

Hình 1.14: Đồ thị thể hiện thế ra theo mức nước khị hạ từng cm nước.

Các số liệu đo cụ thể bạn có thể xem trong phần phụ lục 01.

Từ đồ thị 1.15 ta thấy điện thế ra của đầu đo tỉ lệ rất tuyến tính với độ cao củacột nước, cụ thể là khi mực nước giảm thì điện thể lối ra cũng giảm và ngược lại.

Độ nhạy của đầu đo chính là hệ số góc của đồ thị, được tính như sau:Gọi ε là độ nhạy của đầu đo thì ta có:

Độ phân giải của ADC được tính bằng:

Bộ khuếch đại ngoài được dùng trong thực nghiệm là một bộ khuếch đại lặpkhông đảo, có sơ đồ nguyên lý như hình 1.16.

Trong sơ đồ ta có:R1 = 5.52 kΩR2 = 10.11kΩ

Suy ra hệ số khuếch đại của mạch là:A = (1 + R2/R1) ≈ 2.83

Các chân lối vào và ra của bộ khuếch đại:Lối vào:

Chân 1 và 7: đất GND.

Chân 6: tín hiệu lối vào INChân 5 và 9: nguồn Vcc

Lối ra:

Chân 1 và 2: đất GND.

Chân 4: lối ra của bộ khuếch đại OUT.Chân 5: nguồn Vcc

Hình 1.15: Sơ đồ nguyên lý của mạch khuếch đại ngoài.

Khả năng phân giải của ADC có liên quan đến độ sâu cực đại mà đầu đo có thểđo được Cụ thể, nếu chọnt ham chiếu lối vào cho ADC là 3.5V, theo trên mạchkhuếch đại ngoài có hệ số khuếch đại là 2.83, thì điện thế lối ra cực đại của đầu đo là:

3.5 / 2.83 = 1.24 (V) = 1240 (mV)

Độ sâu tối đa của nước mà đầu đo có thể đo được là:1240(mV) / 2.074(mV/cm) = 598 (cm) Như vậy ta có sơ đồ kết nối như hình 1.17.

Hình 1.16: Sơ đồ kết nối giữa đầu đo, bộ khuếch đại và ADC.

Sau khi mắc thêm bộ khuếch đại ngoài, tiến hành đo thực nghiệm hạ từng cmnước xuống và đo điện thế tại lối ra của mạch khuếch đại ta thu được kết quả tại mộtsố điểm như bảng 1.3:

Điện thế ra (mV) 425 503 609 721 836 950 1069 1187Bảng 1.3: Điện thế lối ra của bộ khuếch đại khi hạ dần mức nước.Các số liệu cụ thể xem ở phần phụ lục 02.

Từ các kết quả đó ta có đồ thị hình 1.18:

Đồ thị thể hiện điện thế lối ra khi hạ dần mức nước (có mạch khuếch đại ngoài)

Hình 1.17: Điện thế lối ra của bộ khuếch đại khi hạ dần mức nước.

Sự thay đổi điện thế khi hạ dần mức nước là 5.479 mV/cm.

Ta thấy rằng khi không dùng mạch khuếch đại ngoài thì độ nhạy của đầu đo là2.074 mV/cm, dùng thêm bộ khuếch đại thì độ nhạy tăng lên 5.479 mV/cm (tức tăng2.61 lần) Điều này giúp cho việc đo đạc được dễ dàng hơn và đã thể hiện được rõ khảnăng phân giải 1cm của đầu đo, đồng thời ta cũng thấy được điện thế ra rất tuyến tínhso với độ sâu của nước tại dải đo.

1.3.4 Đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng độ cao của cột nước.

Ở trên ta đo và thấy được độ tuyến tính cũng như độ phân giải của đầu đo khigiảm dần mức nước Phần này chúng ta sẽ khảo sát xem các đặc tính ấy của đầu đo cócòn không khi mực nước tăng dần lên.

Mô hình thí nghiêm được bố trí như hình 1.19.

Bảng 1.4: Điện thế lối ra khi tăng dần mức nước.Số liệu cụ thể các bạn xem thêm phần phụ lục 03.

Đồ thị thể hiện điện thế lối ra khi tăng dần mức nước

Hình 1.19: Đồ thị thể hiện điện thế lối ra khi tăng dần mức nước.

Điện thế lối ra vẫn thay đổi tuyến tính theo mực nước, độ phân giải của đầu đolà 1cm Sự thay đổi điện thế trung bình khi tăng từng cm nước là 5.613 mV/cm.

Khi tăng mức nướcKhi hạ mức nước

Hình 1.20: Đồ thị so sánh điện thế ra của bộ khuếch đại khi tăng và giảm mức nước.Ta thấy hai đường điện thế khi tăng và giảm mức nước gần sát nhau, lệch nhaukhông đáng kể Sự chênh lệch này là đo sai số trong khi đo đạc.

Sở dĩ chúng tôi tiến hành đo thực nghiệm với cả khi tăng và hạ mực nướcxuống vì khi áp dụng trong thực tế đo độ sâu của nước tại một nơi nào đó thì khôngphải khi nào nước cũng chỉ lên hoặc chỉ xuống mà độ sâu ấy thăng giáng liên tục theothời gian Do vậy, yêu cầu phải có đầu đo ổn định cả khi nước lên hay xuống Đầu đochúng tôi sử dụng đáp ứng được yêu cầu đó.

Tín hiệu từ đầu đo cần được truyền đi và xử lý Trong khoá luận này chúng tôithực hiện việc truyền/nhận qua mạng cảm nhận không dây Việc ghép nối đầu đo vớinút mạng này sẽ được giới thiệu cụ thể ở chương tiếp theo.

CHƯƠNG 2

GHÉP NỐI ĐẦU ĐO VỚI NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNGDÂY WSN.

2.1 Giới thiệu mạng cảm nhận không dây.

Mạng cảm nhận không dây được dịch từ tên tiếng Anh là Wireless SensorNetwork, viết tắt là WSN Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thứcđơn giản sau:

Cảm nhận + CPU + Radio = WSN

Công thức này ta có thể hiểu là mạng cảm nhận không dây là sự kết hợp của cáccảm biến, radios và CPU Tuy nhiên việc kết hợp các thành phần này vào một mạngcảm nhận không dây đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về khả năng và giới hạn của của cácthành phần phần cứng, cũng như hiểu rõ các công nghệ mạng hiện đại, lý thuyết phânbố hệ thống Một thách thức đặt ra là phải ánh xạ toàn bộ yêu cầu hệ thống vào mộtthiết bị riêng lẻ Để làm cho WSN trở nên thực tế, một kiến trúc cần được phát triểnnhằm tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng.

Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống cácyêu cầu phần cứng mức thấp, và ta chỉ cần tập trung vào một số các ứng dụng được sửdụng nhiều trong thực tế Từ các ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thốngcho toàn bộ kiến trúc Và từ các yêu cầu hệ thống này có thể có các yêu cầu cho cácnút mang riêng lẻ.

Sau đây tôi xin đưa ra một số ứng dụng của WSN.

- Theo dõi đối tượng.

Thu thập dữ liệu môi trường.

WSN thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho nhu cầu thu thập thông tintại một tập hợp các điểm xác định trong một khoảng thời gian nhất định nhằm pháthiện xu hướng hoặc quy luật vận động của môi trường Bài toán này được đặc trưngbời một số lớn các nút mạng, thường xuyên cung cấp thông số môi trường gửi về mộthoặc một tập các trạm gốc có kết nối với trung tâm xử lý (thường là hệ thống máytính) phân tích, xử lý, đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo, hay đơn thuần chỉlà lưu trữ số liệu Yêu cầu đặt ra đối với mạng kiểu này là thời gian sống phải dài, từvài tháng đến vài năm, và các nút mạng phải tiêu thụ năng lượng ít Phần mềm nhúngphải được thiết kế và lập trình sao cho phù hợp nhất với bài toán truyền thông số đođược như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sang… Phần mềm phải tương thích với phầncứng để hệ có khả năng hoạt động ổn định theo thời gian.

Giám sát an ninh:

Ứng dụng thứ hai của WSN là giám sát an ninh Mạng này được tạo bởi các nútđặt ở những vị trí cố định trong môi trường liên tục theo dõi một hay nhiều cảm biếnđể nhận biết sự bất thường Sự khác nhau chủ yếu giữa giám sát an ninh và giám sátmôi trường là các mạng an ninh không thu thập bất kì dữ liệu nào Điều này có tácđộng lớn đến việc tối ưu kiến trúc mạng, việc truyền tức thời và tin cậy của thông điệpcảnh báo là yêu cầu chính của hệ thống.

Trong các mạng an ninh, phần lớn năng lượng tiêu thụ dành cho việc xác nhậnchức năng của các nút láng giềng và chuẩn bị chuyển tiếp thông báo cảnh báo Việctruyền dữ liệu hiện thời sẽ tốn một phần năng lượng của mạng Sự tiêu thụ năng lượngchủ yếu là gặp các yêu cầu báo hiệu cảnh báo khi có sự vi phạm an ninh và sự vi phạmnày cần chuyển tới trạm gốc ngay lập tức Độ trễ của việc truyền dữ liệu tới trạm gốclàm ảnh hưởng nhất định tới hiệu quả của ứng dụng Việc giảm thời gian trễ của sựtruyền cảnh báo quan trọng hơn việc giảm chi phí năng lượng khi truyền Điều này docác sự kiện cảnh báo rất ít xảy ra và mỗi khi có sự kiện xảy ra thì năng lượng chủ yếuđược dùng cho việc truyền Giảm độ trễ làm tăng năng lượng tiêu thụ vì các nút địnhtuyến phải giám sát các kênh radio thường xuyên hơn.

Theo dõi đối tượng:

Đối với các WSN, các đối tượng có thể được theo dõi đơn giản bằng việc gắn vớichúng một nút cảm biến nhỏ Nút này sẽ được theo dõi khi chúng đi qua một trườngcác nút cảm biến được triển khai tại những vị trí đã biết Thay vì cảm nhận dữ liệu môitrường, những nút này sẽ cảm nhận các thông điệp RF của các nút gắn với các đối

(đối tượng) Một cơ sở dữ liệu ghi lại vị trí tương đối của đối tượng đối với các nútmạng, do đó có thể biết được vị trí hiện thời của đối tượng.

Trong khoá luận này chúng tôi sử dụng ứng dụng thứ nhất của mạng cảm nhậnkhông dây là thu thập dữ liệu môi trường, thông tin cần thu thập chính là độ sâu củanước Thông tin được đưa về trung tâm xử lý để tại đây phân tích, xử lý, đưa ra cácphương án phù hợp hoặc cảnh báo về độ sâu của nước tại địa điểm cần đo.

2.1.2 Các chỉ tiêu hệ thống

Sau đây là các chỉ tiêu để đánh giá một WSN Các chỉ tiêu chủ yếu là thời giansống, độ bao phủ, chi phí và dễ triển khai, thời gian trả lời, độ chính xác thời gian vàtốc độ lấy mẫu hiệu quả Các chỉ tiêu này liên quan với nhau, thông thường khi tăngtham số này lên thì đồng thời cũng làm giảm tham số kia.

- Thời gian sống là giới hạn của mạng cảm nhận không dây Hai ứng dụng thu

thập dữ liệu môi trường và giám sát an ninh các nút mạng đều được đặt ngoàimôi trường, không có người giám sát theo hàng tháng, thậm chí hàng năm Khókhăn chủ yếu của thời gian sống là năng lượng cung cấp cho nút mạng Mỗi nútcần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để đảm bảo tối đa thờigian sống của nút mạng, trong một vài trường hợp có thể sử dụng nguồn nănglượng ngoài nhưng điều này lại mâu thuẫn với ưu điểm chính của mạng khôngdây là tính linh hoạt dễ triển khai Do đó một giải pháp thoả hiệp là có mộtnhóm các nút mạng đặc biệt được cấp nguồn ngoài và yêu cầu năng lượng tiêuthụ trung bình của các nút càng ít càng tốt.

- Độ bao phủ: đây cũng là một thông số để đánh giá cho nút mạng Nó có thuận

lợi là khả năng triển khai trên một vùng rộng lớn Điều này làm tăng giá trị hệthống đối với người dùng cuối Điều quan trọng là độ bao phủ của mạng khôngđược tương đương với khoảng cách kết nối không dây được sử dụng Ràngbuộc khoảng cách sẽ dẫn đến việc mở rộng một số lượng lớn các nút mạng Giátrị chủ yếu của WSN là khả năng mở rộng, một người dùng có thể triển khaimột mạng nhỏ ban đầu và sau đó tiếp tục thêm các nút Việc tăng nút này lạilàm ảnh hưởng đến thời gian sống, càng nhiều điểm cảm nhận thì càng có nhiềudữ liệu được truyền dẫn đến làm tăng năng lượng tiêu thụ của mạng.

- Chi phí và dễ triển khai: ưu điểm mấu chốt của WSN là dễ triển khai nên hệ

thống cần phải tự cấu hình đối với sự lắp đặt nút vật lý Tuy nhiên, các hệ thống

thực thì các nút không thể có khoảng cách vô hạn WSN cần có khả năng phảnhồi, khả năng đánh giá chất lượng của việc triển khai mạng và chỉ rõ các vấn đềtiềm ẩn, có nghĩa là các nút mạng cần có khả năng tìm kết nối và xác định chấtlượng kết nối Bên cạnh đó, hệ thống cần có sự thích nghi đối với sự thay đổiđiều kiện môi trường Để mở rộng khả năng kiểm tra trước khi triển khai, hệcảm nhận cần được xây dựng để có thể thực hiện việc tự bảo trì Khi cần, nó cóthể tạo ra các yêu cầu bảo trì ngoài.

- Thời gian đáp ứng: là một thông số quan trọng để đánh giá hệ thống Các nút

mạng cần có khả năng truyền tức thời các thông điệp qua mạng càng nhanhcàng tốt Thời gian đáp ứng cũng quan trọng khi điều khiển máy móc trong nhàmáy, những hệ thống này chỉ thành hiện thực khi đảm bảo được thời gian đápứng Khả năng có thời gian đáp ứng ngắn xung đột với các kĩ thuật làm tăngthời gian sống của mạng Có thể cải thiện thời gian đáp ứng bằng cách cấpnguồn cho một số nút trong toàn bộ thời gian Tuy nhiên, điều này lại làm giảmtính dễ triển khai của hệ thống.

- Độ chính xác về thời gian: trong ứng dụng theo dõi đối tượng và giám sát môi

trường các mẫu từ nhiều nút có liên quan theo thời gian để xác định các hiệntượng khác thường được theo dõi Tính chính xác của cơ chế tương quan phụthuộc vào tốc độ lan truyền của hiện tượng được đo Để đạt được độ chính xáctheo thời gian, mạng cần được xây dựng và duy trì một thời gian cơ sở toàn cụccó thể được sử dụng để sắp xếp các mẫu và các sự kiện theo thời gian.

- Tốc độ thu thập thông tin hiệu quả: đây là tham số đánh giá hiệu suất hệ

thống Đó là mẫu lấy được từ mỗi nút riêng lẻ và truyền về điểm thu thập trungtâm Thông thường, các ứng dụng thu thập dữ liệu chỉ có tốc độ lấy mẫu là 1-2mẫu trong một phút.

2.1.3 Các chỉ tiêu nút mạng.

Phần này tôi xin đưa ra một số chỉ tiêu để đánh giá nút mạng trong WSN nhằmmục đích là qua các chỉ tiêu đánh giá đó có thể lựa chọn loại vi điều khiển thích hợp vàcũng để xây dựng hệ thống hiệu quả.

- Năng lượng: để duy trì năng lượng hoạt động trong nhiều năm thì các nút mạng

cần phải tiêu thụ năng lượng rất thấp Điều này chỉ đạt được bằng cách kết hợpcác thành phần cứng năng lượng thấp và chu trình hoạt động ngắn Các thuậttoán và các giao thức cần được phát triển để giảm hoạt động truyền nhận radio

– có thể đạt được bằng cách sử dụng sự tính toán cục bộ để giảm luông dữ liệunhận được từ cảm biến.

- Tính mềm dẻo: các nút mạng phải có khả năng thích nghi cao để thích hợp với

các môi trường khác nhau Một kiến trúc WSN cần phải đủ mềm dẻo để cungcấp một dải rộng các ứng dụng Thêm vào đó, vì lý do chi phí mỗi thiết bị sẽ chỉcó phần cứng và phần mềm cho một ứng dụng cụ thể, kiến trúc phải đơn giảnđể kết hợp giữa phần cứng và phần mềm Vì vậy những thiết bị này đòi hỏi tínhmodul tốc độ cao trong khi vẫn giữ được kết quả.

- Sức mạnh: modul hoá hệ thống là một công cụ mạnh để phát triển hệ thống.

Bằng cách chia hệ thống thành các thành phần con độc lập, mỗi chức năng cóthể được kiểm tra đầy đủ trước khi kết hợp chúng thành một ứng dụng hoànchỉnh Các thành phần hệ thống phải độc lập đến mức có thể giao tiếp chặt chẽ,để ngăn ngừa các tương tác không mong đợi, có khả năng hoạt động trong môitrường đã có các thiết bị không dây khác hoạt động một hay nhiều tần số Khảnăng tránh tắc nghẽn tần số là điều cốt yếu đảm bảo sự triển khai thành công.

- Bảo mật: các nút mạng riêng lẻ cần có khả năng thực hiện mã hoá phức tạp và

thuật toán xác thực Truyền dữ liệu không dây rất dễ bi chặn, chỉ có một cáchbảo mật là mã hoá toàn bộ dữ liệu truyền, mỗi nút mạng cần tự bảo mật dữ liệucủa chúng.

- Truyền thông: khi độ bao phủ của mạng không bị giới hạn bởi khoảng cách

truyền của các nút riêng biệt, khoảng cách truyền có một ảnh hưởng quan trọngtới mật độ tối thiểu các nút có thể chấp nhận được Tốc độ truyền cũng ảnhhưởng lớn đến hiệu suất của nút mạng Tốc độ truyền tăng làm cho việc truyềnmất ít thời gian hơn và đòi hỏi ít năng lượng hơn Tuy nhiên, tăng tốc độ cũngthường làm tăng năng lượng tiêu thụ radio dẫn tới tăng hiệu suất hệ thống Tổngthể, lợi ích của việc tăng tốc độ có thể được bù lại bởi các yếu tố khác.

- Tính toán: tập trung chủ yếu vào xử lý dữ liệu nội mạng và quản lý các giao

thức truyền thông không dây mức thấp Tốc độ truyền cao đòi hỏi việc tính toánnhanh hơn.

- Đồng bộ thời gian: các nút cần duy trì đồng bộ thời gian chính xác với các nút

khác trong mạng để hỗ trợ tương quan thời gian đọc cảm biến và chu trình hoạtđộng ngắn của ứng dụng thu thập dữ liệu Các nút cần ngủ và thức dậy cùngnhau để chúng có thể định kỳ truyền thông cho nhau Các lỗi trong việc tính

thời gian sẽ tạo nên sự hoạt động không hiệu quả dẫn đến tăng chu trình làmviệc Phụ thuộc vào điện áp, độ ẩm, nhiệt độ, thời gian dựa theo lao động sẽkhông như nhau Cần có cơ chế đồng bộ hoá cao để bù lại những sự khôngchính xác như vậy.

- Kích thước và chi phí: có ảnh hưởng đến sự dễ dàng và chi phí khi triển khai.

Tổng chi phí vật tư và chi phí triển khai ban đầu là hai yếu tố chủ chốt dẫn đễnviệc chấp nhận các công nghệ WSN Kích thước vật ký cũng ảnh hưởng đến sựdễ dàng khi triển khai mạng Các nút nhỏ có thể được đặt ở nhiều vị trí hơn vàđược sử dụng trong nhiều tình huống hơn.

2.2 Giới thiệu về nút mạng

2.2.1 Một số vi điều khiển có thể làm nút mạng cảm nhận.

Lựa chọn vi điều khiển (VĐK) là một vấn đề quan trọng Việc chọn VĐK hợp lýsẽ làm rút ngắn quá trình xây dựng hệ thống, hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy vàđạt các chỉ tiêu đề ra.

Một số tiêu chí quan trọng để chọn VĐK như sau: Tiêu thụ năng lượng thấp.

 Tích hợp ADC để có thể ghép nối với cảm biến tương tự.

 Bộ nhớ chương trình cũng như bộ nhớ dữ liệu có kích thước hợp lý. Kích thước vật lý nhỏ.

 Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ dàng vàthuận tiện như: sử dụng ngôn ngữ cấp cao, có các thư viện hỗ trợ cho việccảm nhận cũng như truyền nhận không dây, hỗ trợ gỡ lỗi …

ngoài, như thế làm cho quá trình xây dựng hệ thống sẽ phức tạp VĐK CC1010 có tíchhợp truyền nhận không dây nên được lựa chọn làm nút mạng là hợp lý hơn cả.

2.2.2 Giới thiệu về vi điều khiển CC1010.2.2.2.1 Các đặc điểm chính.

- Thu phát không dây 300 – 1000 MHz.

- Dòng tiêu thụ rất thấp (9.1 mA trong chế độ nhận).- Độ nhạy cao (-107 dBm).

- Có thể lập trình cho công suất đầu ra tới +10 dBm.- Tốc độ truyền RF có thể đạt 76.8 Kbps.

- Cần thêm rất ít thành phần ngoài.- Đo được cường độ RF (RSSI).- Tương thích họ VĐK 8051.

- 32kB Flash, 2048 + 128Byte SRAM.

- 3 kênh ADC 10bít, 4 timers / 2PWMs, 2UARTs, RTC, watchdog, SPI, mã hoáDES, 26 cổng I/O.

- Có khả năng gỡ lỗi sử dụng chương trình dịch Keil uVision2 IDE qua cổng nốitiếp.

Đặt PxDIR.y = 1 sẽ làm cho Px.y là cổng nhận dữ liệu (input).Đặt PxDIR.y = 0 sẽ làm cho Px.y là cổng xuất dữ liệu (output).

2.2.2.3 Ngắt.

CC1010 có tổng cộng 15 nguồn ngắt, chia sẻ 12 đường ngắt Mỗi ngắt có mộtmức ưu tiên, vector ngắt, cờ cho phép ngắt và cờ báo ngắt Các tham số cụ thể đượcchỉ rõ trong bảng 2.1.

ưutiên tự

Điều khiểnmức ưu

Cờ cho phépngắt

Cờ ngắt

Ngắt truyền nốitiếp 0

Ngắt nhận nối tiếp0

SCON0.RI 0

Ngắt truyền nốitiếp 1

Ngắt nhận nối tiếp1

SCON1.RI 1

Ngắt truyền/nhậnRF

ADCIF

Ngắt mã hoá/giảimã DES

FBảng 2.1: Các tham số ngắt

Mặt nạ ngắt:

IE.EA là cờ cho phép toàn bộ các ngắt, ngoại trừ ngắt Flash/Debug Khi IE.EAđược thiết lập, mỗi ngắt được che bởi cờ cho phép ngắt được liệt kê trong bảng 2.1.Khi cờ IE.EA bị xoá, tất cả các ngắt bị che, ngoại trừ ngắt Flash/Debug có bít che ngắtriêng EICON.FDIE.

Xử lý ngắt:

Khi một ngắt được cho phép xảy ra, CPU trỏ tới địa chỉ phục vụ ngắt tương ứngvới ngắt đó (ISR) như đã chỉ ra trong bảng 2.1 CC1010 thực hiện ISR để hoàn thànhngắt trừ khi xảy ra một ngắt khác có mức ưu tiên cao hơn Mỗi ISR kết thúc với lệnhRETI (return from interrupt) Sau khi thực hiện lệnh REIT, CC1010 quay trở lại lệnhtiếp theo sau lệnh đã được thực hiện trước khi xảy ra ngắt Nếu lệnh đang thực hiện làRETI hay đang ghi vào các thanh ghi IP, IE, EIP, EIE, thì CC1010 hoàn thành thêmmột lệnh trước khi phục vụ ngắt.

2.2.2.4 Biến đổi ADC.

Bộ biến đổi ADC của CC1010 có độ phân giải 10 bit, được điều khiển bởi cácthanh ghi ADCON và ADCON2 Có ba kênh vào ADC là AD0, AD1 và AD2, cáckênh này được chọn bởi thanh ghi ADCON.ADADR Thanh ghi này cũng được sửdụng để chọn chân AD1 như là điện áp tham chiếu ngoài (khi sử dụng AD0) Khi chânAD1 được dùng như tham chiếu ngoài, chỉ có hai lối vào AD0 và AD2 của ADC đượcsử dụng Đầu ra của ADC là đơn cực, nghĩa là giá trị 0 tương ứng với 0V, giá trị 1023(tức 210) tương ứng với điện áp tham chiếu, điện áp tham chiếu có thể được chọn bằng1.25V hoặc VDD phụ thuộc vào bit ADCREF Điện áp tham chiếu analog được điềukhiển bởi ADCON.ADCREF Để tiết kiệm năng lượng thì cần đặt bitADCON.AD_PD = 1 khi không sử dụng ADC.

Biến đổi ADC được bắt đầu sau 5μs sau khi xoá bit điều khiểns sau khi xoá bit điều khiểnADCON.ADCRUN nếu sử dụng VDD hay nguồn tham chiếu ngoài, hoặc bắt đầu sau100μs sau khi xoá bit điều khiểns nếu sử dụng tham chiếu trong 1.25V.

2.2.2.5 Bộ định thời

CC1010 có bốn bộ định thời Timer 0, Timer 1, Timer 2 và Timer 3 hoạt độngnhư là bộ định thời hoặc bộ đếm (Timer/Counter), trong đó hai bộ định thời Timer 2và Timer 3 còn có thể hoạt động như bộ điều chế độ rộng xung PWM (Pulse WidthModulation).

thời, nếu CON2.M2/TCON2.M3 = 1 thì sẽ là PWM Khi đó chân P3.4 và chân P3.5 làchân phát xung đầu ra tương ứng cho Timer2/ Timer3 chu kì TnPWM đối với timer nnhư sau (n = 2, 3):

Trong đó thời gian trạng thái cao Tnh là:

Điều này có nghĩa là trong chế độ PWM, nếu Tn = 0 thì có mức thấp ở đầu ra và nếu Tn = 255 thì có mức cao.

Trong đó thanh ghi Tn và TnPRE được đặt từ trước.

2.2.2.6 Bộ thu phát không dây RF (RF transceiver).2.2.2.6.1 Miêu tả chung.

Bộ thu phát CC1010 UHF RF được thiết kế chững ứng dụng tiêu thụ năng lượngthấp và điện áp thấp Mạch thu phát được dành cho ISM (Industrial, Scientific andMedical) và SRD (Short Range Device) dải tần 315, 433, 868 và 915 MHz, nhưng cóthể dễ dàng lập trình để hoạt động trong dải tần 300 – 1000 MHz Các thông số chínhcủa CC1010 có thể được lập trình thông qua các thanh ghi chức năng SFRs (SpecialFunction Registers), làm cho CC1010 rất mềm dẻo và dễ sử dụng bộ thu phát vôtuyến Bộ thu phát RF đòi hỏi rất ít các thành phần tích cực cho hoạt động của mình.

Sơ đồ khối đã được đơn giản hoá của bộ thu phát RF mô tả trong hình 2.1 Ở đóchỉ có các chân tín hiệu tương tự được chỉ ra và bus dữ liệu SFR bên trong được dùngđể thiết lập giao diện RF và để truyền/nhận dữ liệu.