Đang tải... (xem toàn văn)
Ngày nay dưới sựphát triển rất mạnh mẽcủa khoa học kĩthuật nói chung và công nghệthông 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
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. Đồ án tốt nghiệp Sinh viên: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 10 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG – LCD VÀ VI ĐIỀU KHIỂN 2.1. Giới thiệu về Vi điều khiển Có thể nói hiện nay vi điều khiển đã được ứng dụng rất phổ biến ở Việt Nam đã và đang được ứng dụng rất nhiều vào tất cả các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại Vi điều khiển và được chia làm 3 loại chính đó là: Vi điều khiển họ 8051, PIC và Motorola. 2.2. Vi điều khiển. 2.2.1. Vi điều khiển là gì ? Vi điều khiển là một IC lập trình vì vậy vi điều khiển muốn sử dụng được phải được lập trình từ trước, mỗi phần cứng nhất định phải có một phần mềm riêng kèm theo, nói theo cách khác thì Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, thường được dùng để điều khiển các thiết bị điện tử , Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu xuất đủ dùng với giá thành thấp.Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng nó xuất hiện nhiều trong các thiết bị điện tử (ví dụ như trong Mạng cảm nhận không dây WSN ). Hầu hết các Vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc VonNewman, kiến trúc này định nghĩa được 4 thành phần quan trọng của một hệ thống nhúng là lõi CPU, bộ nhớ chương trình thường là ROM và Flash, bộ nhớ dữ liệu-RAM, một hoặc một vài bộ định thời, các cổng vào ra chung. 2.2.2. Kiến trúc của Vi điều khiển Thực chất vi điều khiển cũng là một kiến trúc siêu nhỏ, gồm các linh kiện điện tử ở kích thước rất nhỏ có th ể là micro hoặc là Nano, các linh kiện này được kết hợp với nhau và được nối với các thiết bị bên ngoài thông qua các chân của vi điều khiển vì vậy để bắt tay vào xây dựng một ứng dụng cụ thể của vi điều khiển ta cần phải hiểu rõ được kiến trúc của vi điều khiển. [...]... sau : - Giới thiệu về Vi điều khiển trong đó có các nội dung đã được trình bày như vi điều khiển là gì, kiến trúc của vi điều khiển, các tập lệnh của vi điều khiển Trước khi bắt tay vào vi t chương trình cho vi điều khiển chúng ta cần nắm rõ các đặc điểm của vi điều khiển nói chung để từ đó chọn ra được loại vi điều khiển mà mình muốn làm vi c - Màn hình tinh thể lỏng -LCD Sinh vi n: Đoàn Duy Hà – CT701... 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 vi c mà có những loại màn hình khác nhau, yêu cầu công vi c càng cao thì các loại màn hình tinh thể lỏng lại có chất lượng khác nhau.Trong mô hình mạng cảm nhận WSN lại không... dùng để điều khiển độ sáng tối của màn hình LCD, LCD 1602A có 8 đường dữ liệu từ DB0 đến DB7, hai đường Vss và Vee điều khiển độ tương phản của LCD 3.2 Cơ chế hoạt động và điều khiển hiển thị trên LCD Khi LCD được khởi động để sẵn sàng nhận dữ liệu hoặc lệnh cần thiết lập các đặc trưng của LCD như : độ dài giao diện, ghi mã lệnh (0x010) để tắt màn hình hiển thị, ghi mã lệnh (0x001) để xóa màn hình hiển... với vi xử lý thông qua một bus dữ liệu 8bit hoặc 4bit, khi làm vi c LCD 1602A cần nguồn cung cấp là +5V Có hai chế độ làm vi c với màn hình LCD 1602A Chế độ 8 bit Chế độ 4 bit Chúng ta hay dùng cách này vì đơn giản và tiết kiệm chân cho vi điều khiển, tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm đó là tốc đọ chậm hơn so với khi làm vi c ở chế độ 8 bit Để có thể loạt động LCD 1602A yêu cầu 3 đường điều khiển. .. về loại màn hình tinh thể lỏng LCD 1602A Đặc điểm chung của màn hình tinh thể lỏng LCD 1602A LCD 1602A là màn hình loại 16 ký tự * 2 đường, là loại màn hình đơn sắc có một bộ ASCII chuẩn.Kiến trúc phần cứng gồm có 64 bytes CGRAM (Charactor-Genarator) đây là bộ nhớ dùng để lưu trữ những ký tự được định nghĩa sẵn bởi người dùng và có 80 bytes DDRAM dùng để lưu trữ những ký tự đặc biệt .Màn hình LCD có... 1:"); lcd_ com(0xC0); lcd_ puts(so); // in giá trị nhiệt độ lcd_ puts(" C "); delayy(5000); lcd_ init(); lcd_ com(15); lcd_ puts("Tinh trang nut 1"); // phán đoán lcd_ com(0xC0); lcd_ puts(" An toan "); // nút 1 an toàn delayy(5000); } else{ lcd_ init(); lcd_ com(15); lcd_ puts("Nhiet tai nut 1:"); lcd_ com(0xC0); lcd_ puts(so); lcd_ puts(" C "); // nhiệt độ nút 1 delayy(5000); lcd_ init(); lcd_ com(15); lcd_ puts("Tinh... thể vi t các lệnh hoặc dữ liệu lên LCD Quá trình vi t các kí tự giống như vi t một byte điều khiển, chỉ khác về mức thế điều khiển trên RS Nhờ vi c lập bit RC qua lệnh di chuyển con trỏ / dịch chuyển màn hình trong quá trình khởi tạo, sau mỗi một kí tự được gửi đến màn hình LCD Nội dung con trỏ tăng một đơn vị, con trỏ dịch tới vị trí tiếp theo ( bên phải hoặc bên trái ) Theo sơ đồ thiết kế LCD làm vi c... được những yêu cầu đã đặt ra Vi điều khiển CC1010 được cung cấp bởi hãng điện tử nổi tiếng Chipcon, có lõi tương thích với vi điều khiển 8051 Vi điều khiển CC1010 là dòng vi điều khiển mạnh ,kích thước nhỏ ,tiêu thụ năng lượng ít ,có thời gian sống dài ,có đủ tài nguyên phần cứng để đáp ứng chức năng mạng và chức năng cảm ứng thích hợp cho các ứng dụng truyền nhận không dây, CC1010 được tích hợp nhiều... này được đưa vào lưu trữ trong ROM, khi thực hiện chương trình Vi điều khiển đọc các mã lệnh này, giải mã lệnh, và thực hiện lệnh Vì các lệnh của Vi điều khiển có dạng số nhị phân quá dài và khó nhớ, hơn nữa vi c gỡ lỗi khi chương trình phát sinh lỗi rất phức tạp và kho khăn Khó khăn náy được giải quyết với sự hỗ trợ của máy tính, người vi t chương trình có thể vi t chương trình cho Vi điều khiển bằng... hiện hiển thị số liệu và kiểm tra ngưỡng // } else{ // thông báo không có số liệu } } } Sinh vi n: Đoàn Duy Hà – CT701 Trang 30 Đồ án tốt nghiệp - Đoạn hiển thị lên LCD dùng một số hàm được vi t ở trong file thư vi n: lcd. h điều khiển LCD ở chế độ 4 bit: + Để in một xâu ra LCD cần thực hiện các động tác: lcd_ init(); lcd_ com(a); // a là đặt địa chỉ trên màn hình ta cần in lcd_ puts("xâu cần in ");//
