(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: ThS TRẦN THANH MAI NGUYỄN NGỌC MINH SVTH: VÕ THỊ HƯƠNG GIANG MSSV: 11941009 SKL004184 Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2016 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬCÔNG NGHIỆP - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: ThS Trần Thanh Mai Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Võ Thị Hương Giang Lớp: 11941DT MSSV: 11941009 TP Hồ Chí Minh – 02/2016 TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên MSSV: 11941009 Họ tên: Võ Thị Hƣơng Giang Email: huonggiangspk301292@gmail.com Tel: 01673359744 Thông tin đề tài Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng cơng nghệ mạng cảm biến Mục đích đề tài: đề xuất giải pháp nâng cao hiệu an tồn, xác hệ thống giá sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây Vận dụng kiến thức học để nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống tự động, từ đƣa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc phòng chống cháy nổ nƣớc ta có phƣơng án đạt đƣợc hiệu Đồ án tốt nghiệp đƣợc thực tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện Tử, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Thời gian thực hiện: Từ ngày 12/10/2015 đến 21/1 /2016 Các nhiệm vụ cụ thể đề tài Tìm hiểu kiến trúc chức vi điều khiển PIC16F887 - Nghiên cứu mơ hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn EEE802.15.4 - Khảo sát cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga - Thiết kế kiểm tra chất lƣợng, độ tin cậy hệ thống Lời cam đoan sinh viên Tôi – Võ Thị Hƣơng Giang cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn thạc sỹ Trần Thanh Mai cao học Nguyễn Ngọc Minh Các kết công bố ĐATN trung thực không chép từ cơng trình khác Tp.HCM, ngày 21 tháng năm 2016 SV thực đồ án Võ Thị Hƣơng Giang Tp.HCM, ngày tháng Xác nhận Bộ Môn năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến TRƢỜNG ĐH SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Võ Thị Hƣơng Giang Lớp: 11941DT MSSV: 11941009 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Tuần/ngày Tuần (12- 18/10) Tuần (19 -25/10) Tuần (26/10-1/11) Tuần (2-8/11) Tuần 5(9-15/11) Tuần 6(16-22/11) Tuần (23-29/11) Tuần 8(30/11-6/12) Tuần 9(7-13/12) Tuần 10(14-20/12) Tuần 11 (21-27/12) Tuần 12 (28/12-3/01) Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LỜI CẢM ƠN Lời em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến Cô hƣớng dẫn, Th.s Trần Thanh Mai C.h Nguyễn Ngọc Minh tận tình giúp đỡ em trình lựa chọn đề tài hỗ trợ em trình thực hiện, q trình hƣớng dẫn Cơ ln có đóng góp ý kiến dẫn tận tình nhƣ tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thiện đồ án cách tốt thời gian cho phép Em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến tất quý Thầy (Cô) khoa ĐiệnĐiện tử trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh nói chung mơn Điện Tử Cơng Nghiệp nói riêng tận tình giảng dạy kiến thức chuyên ngành làm tảng để từ em ứng dụng phát triển lên nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu thực đồ án Ngoài em cảm ơn gia đình, bố mẹ hỗ trợ, giúp đỡ động viên em trình thực đồ án Sau lời cảm ơn đến bạn lớp Sƣ phạm kỹ thuật Điện – Điện tử ngƣời bạn sát cánh bên suốt thời gian học tập, nghiên cứu có đóng góp ý kiến thiết thực để em tìm hƣớng giải khác để hoàn thành đồ án cách tốt Ngƣời thực đề tài Võ Thị Hƣơng Giang Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC LIỆT KÊ HÌNH VẼ LIỆT KÊ BẢNG TÓM TẮT CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN 1.1.Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu 1.2.Mục đích đề tài 1.3.Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ 1.3.2 Giới hạn 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.Tóm tắt đề tài CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 2.1.1 Tổng quan PIC 2.1.2 Các dòng PIC cách lựa chọn vi điều khiển PIC : 2.1.3 Lý chọn vi điều khiển PIC : 2.1.4 Ngơn ngữ lập trình cho PIC : 2.1.5 PIC 16F887 : 2.2.Tổng quan mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 2.2.1 Khái niệm mạng cảm biến không dây - WSN 2.2.2 Tổ chức hoạt động mạng cảm biến không dây 2.2.3 Module WSN Xbee ZB ZigBee 2.3.Cảm biến 2.3.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 2.3.2 Cảm biến khói MQ-2 CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống 3.1.1 Thiết kế sơ đồ k 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 3.2.1 Khối vi điều kh 3.2.2 Khối cảm biến 3.2.3 Khối hiển thị 3.2.4 Khối cảnh báo 3.3 Thiết kế mạch in 3.4 Lƣu đồ chƣơng trình 3.5 Mạch thi công CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1 Kết luận 4.2 Kết thực 4.3 Hƣớng phát triển đề tài Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 2.1 Kích thước vi điều khiển PIC 11 Hình 2.2 Hình dạng thực tế số vi điều khiển PIC 12 Hình 2.3 Giao diện chương trình mikroC PRO for PIC 14 Hình 2.4 Hình dạng thức tế PIC16F887 40 chân 15 Hình 2.5 Sơ đồ chân PIC 16F887 15 Hình 2.6: Cấu trúc mạng cảm biến không dây 18 Hình 2.7 Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ZigBee 19 Hình 2.8 Quá trình trao đổi thông tin trạng thái đườngliên kết 21 Hình 2.9 Q trình gửi gói tin đến đích mạng ZigBee 21 Hình 2.10 Bảng định tuyến nút mạng WSN 22 Hình 2.11 Nút mạng R3 tìm đường đến nút mạng R6 theo thuật tốn AODV .22 Hình 2.12 Nút mạng R6 phản hồi tin tìm đường cho nút mạng R3 22 Hình 2.13 Module XBee ZB ZigBee hãng Digi International® .24 Hình 2.14 Sơ đồ chân module XBee ZB ZigBee 26 Hình 2.15 Q trình trao đổi thơng tin module XBee 26 Hình 2.16 Trạng thái chân SLEEP_RQ ON/SLEEP theo thời gian .27 Hình 2.17 Cấu trúc liệu khung tin API 27 Hình 2.18 Cấu trúc liệu khung tin API 28 Hình 2.19 Cấu trúc liệu khung API ZigBee Transmit Request 30 Hình 2.21 Cấu trúc liệu khung API ZigBee Transmit Status 32 Hình 2.22 Cấu trúc liệu khung API ZigBee Receive Packet 33 Hình 2.23 Cấu trúc liệu khung API Remote AT Command Request 34 Hình 2.24: Hình dạng thực tế LM35 35 Hình 2.25: cảm biến khói MQ-2 36 Hình 2.26: chân cảm biến MQ-2 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy 38 Hình 3.2 vi điều khiển 16F887 40 Hình 3.3 khối reset nạp chương trình 41 Hình 3.4 cảm biến nhiệt độ LM35 41 Hình 3.5 cảm biến khí gas MQ2 42 Hình 3.6 module hiển thị 42 Hình 3.7 nguyên lý module cảnh báo 43 Hình 3.8 Mặt mạch in 43 Hình 3.9 Mặt mạch in 44 Hình 3.10 Lưu đồ chương trình 45 Hình 3.11 Ttrạng thái bình thường 47 Hình 3.12 Trạng thái phát có khói 47 Hình 3.13 Trạng thái nhiệt 48 Hình 3.14 Trạng thái vừa q nhiệt vừa có khói 48 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật module Xbee ZBZigBee 25 Bảng 2.2 Các loại khung tin API 29 Bảng 2.3: Thông số cảm biến nhiệt độ LM35 35 Bảng 2.4 Thông số cảm biến MQ-2 37 Bảng 3.1 Mức logic cảm biến hiển thị 46 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Bảng 2.4 Thông số cảm biến MQ-2 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống 3.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống báo cháy Với yêu cầu đặt từ đề tài ngƣời thực xin đƣa khối cần thiết để hệ thống hoạt động đƣợc nhƣ sau: - Khối Điều khiển trung tâm - Khối cảm biến - Khối báo cháy - Khối nguồn Sơ đồ khối chi tiết hệ thống xem hình dƣới Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy Theo yêu cầu đồ án sơ đồ khối mạch đƣợc thiết kế nhƣ sau : Khối cảm biến :Khối có chức cảm biến nhiệt độ khói mơi trƣờng đƣợc kết nối trực tiếp với vi điều khiển PIC sở liệu cho vi điều khiển điều khiển thiết bị Khối điều khiển :Khối vi xử lý khối trung tâm việc xử lý điều khiển phần cứng Khối vi điều khiển PIC16F887 đảm nhận Vi điều khiển có nhiệm vụ giao tiếp với khối hiển thị LCD, khối cảm biến khối thiết bị Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Khối hiển thị :Hiển thị nhiệt độ phòng, mức nhiệt độ cảnh báo nhiệt thay đổi đƣợc, mức điện áp xuất từ cảm biến khói, mức điện áp cảnh báo có khói điều chỉnh đƣợc Khối cảnh báo :Chứa thiết bị cần điều khiển (Chuông báo hỏa hoạn, LED, Buzzer) Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm PIC 16F887, khối hiển thị, khối cảm biến 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.2.1 Khối vi điều khiển Khối vi điều khiển trung tâm hệ thống, thực tất chức vận hành hệ thống Vi điều khiển sử dụng thạch anh MHz cho chức vi điều khiển Chân reset (1) để khởi động lại hệ thống cần Nhiệm vụ vi điều khiển 16F887 nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt LM35 cảm biến khí gas MQ2 để xử lý hiển thị lên hình LCD Hình 3.2 vi điều khiển 16F887 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Hình 3.3 khối reset nạp chương trình 3.2.2 Khối cảm biến 3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ Hình 3.4 cảm biến nhiệt độ LM35 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.2.2.2 Cảm biến khí gas Hình 3.5 cảm biến khí gas MQ2 3.2.3 Khối hiển thị Hệ thống sử dụng hình TFT 4.3” MD043SD giao tiếp với hình qua chân điều khiển 16 bit tín hiệu port E Cảm ứng giao chuẩn SPI với vi điều khiển Phần giao tiếp thẻ nhớ hình nhận thấy khơng cần thiết nên không kết nối ngõ thẻ nhớ với vi điều khiển Hình 3.6 module hiển thị Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 42 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.2.4 Khối cảnh báo Sử dụng Buzzervà loa phát âm thanh, để phát cảnh báo theo mức độ Hình 3.7 nguyên lý module cảnh báo 3.3 Thiết kế mạch in Mạch in đƣợc thiết kế vẽ Orcad Hình 3.8 Mặt mạch in Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 43 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Hình 3.9 Mặt mạch in Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng cơng nghệ mạng cảm biến 3.4 Lƣu đồ chƣơng trình Hình 3.10.Lưu đồ chương trình Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 45 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.5 Mạch thi công Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu tài liệu có liên quan đến đề tài ngƣời thực tiến hành lập trình giao tiếp thành phần hệ thống đạt đƣợc kết nhƣ sau: Bảng 3.1 Mức logic cảm biến hiển thị Mức logic 00 01 10 11 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Hình 3.11 Trạng thái bình thường Ở mức logic 00, tƣơng ứng nhiệt độ < nhiệt độ giới hạn khơng có khí lạ khơng khí => Tình trạng bình thƣờng.LCD hiển thị nhiệt độ phịng Hình 3.12 Trạng thái phát có khói Ở mức logic 01, tƣơng ứng nhiệt độ < nhiệt độ giới hạn có khí lạ khơng khí => Đèn LED màu vàng nhấp nháy báo hiệu khơng khí bị nhiễm Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 47 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng cơng nghệ mạng cảm biến Hình 3.13 Trạng thái nhiệt Ở mức logic 10, tƣơng ứng nhiệt độ> nhiệt độ giới hạn khơngcó khí lạ khơng khí =>Đèn LED màu đỏ nhấp nháy báo hiệu nhiệt độ ngƣỡng nguy hiểm Hình 3.14 Trạng thái vừa nhiệt vừa có khói Ở mức logic 11, tƣơng ứng nhiệt độ > nhiệt độ giới hạn khơng có khí lạ khơng khí =>2 Đèn LED nhấp nháy báo hiệu nhiệt độ ngƣỡng nguy hiểm.Chng reo báo hỏa hoạn xảy Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 48 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 4.1 Kết luận Mạch hoạt động bình thƣờng, phát cảnh báo có khói có khí gas.Nhƣng chƣa kết nối đƣợc với mạng module ZigBee 4.2 Kết thực Ngƣời thực sử dụng kiến thức đƣợc học hƣớng dẫn Giảng viên thực đƣợc yêu cầu sau: + Vẽ mạch nguyên lý, mạch layout mạch báo cháy + Thi công mạch - Kết chƣa làm đƣợc: + Mạch chƣa ổn định + Chƣa kết nối đƣợc với mạng module ZigBee 4.3 Hƣớng phát triển đề tài Từ tảng thiết bị, trƣớc tiên hoàn thiện kết nối với module ZigBee báo cháy cho máy chủ.Sau mở rộng hƣớng phát triển thêm cách sử dụng giao tiếp với module Sim để báo cho chủ nhà có cháy xảy ra, giao tiếp với DS1307để điều kiện bình thƣờng hiển thị đồng hồ thời gian thực LCD Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 49 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Chí Kiên, Đo Lƣờng Cảm Biến, ĐH SPKT TPHCM, năm 2014 [2] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Vi Điều Khiển PIC 16F887, năm 2014 [3]Datasheet MQ-2.pdf, MQ2/resources/MQ2.pdf [4] MikroC http://www.mikroe.com/chapters/view/16/chapter-3-pic16f887-microcontroller/ [5] https://zigbeeresearch.wordpress.com/2013/06/20/chuan-truyen-thong-zigbee-ieee802-15-4/ [6] Trang thông tin điện tử :http://www.dientuvietnam.net/forums/ [7] Trang thông tin điện tử : http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 50 ... tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng cơng nghệ mạng cảm biến Mục đích đề tài: đề xuất giải pháp nâng cao hiệu an tồn, xác hệ thống giá sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không. .. thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Bảng 2.4 Thông số cảm biến MQ-2 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ. .. NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng cơng nghệ mạng cảm biến TĨM TẮT Nội dung đồ án nghiên cứu xây dựng hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor