ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN QUỐC THẮNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHAN QUỐC THẮNG NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM MÔI TRƢỜNG Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn Thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.PHẠM MINH TRIỂN Hà Nội – Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Phan Quốc Thắng LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em đƣợc học hỏi kiến thức vô quý báu từ thầy, cô giáo trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội hai năm qua Em vô biết ơn dạy dỗ, bảo tận tình thầy, cô thời gian học tập cao học trƣờng Em đặc biệt bày tỏ lòng biết ơn tới thầy TS.Phạm Minh Triển – Khoa Điện Tử Viễn Thông – Trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội bảo định hƣớng cho em nghiên cứu đề tài Thầy cho em lời khuyên bổ ích quý báu suốt trình hoàn thành luận văn Do hạn chế thời gian, tài liệu trình độ thân, luận văn em tránh khỏi thiếu sót, mong thầy cô góp ý củng cố đề luận văn đƣợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ 75 MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Error! Bookmark not defined Tổng quan mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.1 Mạng cảm biến không dây gì? Error! Bookmark not defined 1.2 Thành phần cấu trúc mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu trúc mạng cảm biến Error! Bookmark not defined 1.2.2 Cấu trúc nút mạng [6] Error! Bookmark not defined 1.3 Đặc điểm mạng cảm biến không dây Error! Bookmark not defined 1.4 Sự khác WSN mạng truyền thống Error! Bookmark not defined Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] Error! Bookmark not defined 2.1 Mạng cảm biến môi trƣờng Error! Bookmark not defined 2.2 Ứng dụng y tế Error! Bookmark not defined 2.3 Ứng dụng gia đình điện dân dụng Error! Bookmark not defined 2.4 Ứng dụng giám sát điều khiển công nghiệp Error! Bookmark not defined 2.5 WSN nông nghiệp Error! Bookmark not defined 2.6 WSN quân Error! Bookmark not defined Những khó khăn hạn chế việc phát triển mạng cảm biến không dây [4] Error! Bookmark not defined 4 3.1 Những khó khăn thƣờng thấy Error! Bookmark not defined 3.2 Hạn chế việc xây dựng WSN Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Error! Bookmark not defined Những vấn đề cần quan tâm định tuyến mạng WSN[4],[8] Error! Bookmark not defined 1.1 Tính động mạng Error! Bookmark not defined 1.2 Trật tự xếp mạng Error! Bookmark not defined 1.3 Khả nút mạng Error! Bookmark not defined 1.4 Vấn đề lƣợng Error! Bookmark not defined 1.5 Vấn đề tập trung hợp liệu Error! Bookmark not defined Cách truyền liệu mạng cảm biến Error! Bookmark not defined Các định tuyến hay đƣợc dùng mạng WSN[5],[11] Error! Bookmark not defined 3.1 Định tuyến trung tâm liệu Error! Bookmark not defined 3.1.1 Giao thức Flooding gossiping Error! Bookmark not defined 3.1.2 Giao thức SPIN Error! Bookmark not defined 3.2 Truyền tin trực tiếp Error! Bookmark not defined 3.3 Định tuyến phân cấp Error! Bookmark not defined 3.3.1 Giao thức LEACH Error! Bookmark not defined 3.3.2 Giao thức PEGASIS Error! Bookmark not defined 3.4 Định tuyến dựa vào vị trí Error! Bookmark not defined 3.4.1 Giao thức GAF Error! Bookmark not defined 3.4.2 Giao thức GEAR Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 Error! Bookmark not defined Tổng quan chuẩn Zigbee[1] Error! Bookmark not defined Mô mạng Zigbee[10] Error! Bookmark not defined 5 2.1 Mạng hình (Star Network) Error! Bookmark not defined 2.2 Mạng hình lƣới (Mesh Network) Error! Bookmark not defined 2.3 Mạng hình (Cluster Tree Topology) Error! Bookmark not defined Cấu trúc tầng chuẩn Zigbee[2] Error! Bookmark not defined Tầng vật lý (PHY)[10] Error! Bookmark not defined 4.1 Điều chế tín hiệu tầng vật lý Error! Bookmark not defined 4.2 Thông số kỹ thuật Error! Bookmark not defined 4.3 Định dạng khung tin PPDU Error! Bookmark not defined Tầng điều khiển liệu (MAC) [5] Error! Bookmark not defined 5.1 Cấu trúc siêu khung Error! Bookmark not defined 5.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA- CA Error! Bookmark not defined 5.3 Các mô hình truyền liệu Error! Bookmark not defined 5.4 Phát thông tin báo hiệu beacon Error! Bookmark not defined 5.5 Định dạng khung tin MAC Error! Bookmark not defined Tầng mạng Zigbee [5] Error! Bookmark not defined 6.1 Dịch vụ mạng Error! Bookmark not defined 6.2 Dịch vụ bảo mật Error! Bookmark not defined Tầng ứng dụng Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG Error! Bookmark not defined Bài toán đặt Error! Bookmark not defined 1.1 Mô hình toán cần xây dựng Error! Bookmark not defined 1.2 Bài toán mô đặt Error! Bookmark not defined Sơ đồ khối chung mạch Error! Bookmark not defined Chi tiết phần cứng cho mạch Error! Bookmark not defined 3.1 Vi điều khiển ATmega[13] Error! Bookmark not defined 3.2 Mạch cảm biến nhiệt độ, độ ẩm[14],[15] Error! Bookmark not defined 3.3 Mạch thu phát sóng radio tần số 2.4Ghz[16] Error! Bookmark not defined 6 3.4 Phần mềm giám sát Error! Bookmark not defined 3.4.1 Hoạt động chung Error! Bookmark not defined 3.4.2 Hoạt động truyền liệu nút mạng Error! Bookmark not defined 3.4.3 Hoạt động giao tiếp nút chủ máy tính Error! Bookmark not defined Kết toán Error! Bookmark not defined 4.1 Mạch thực tế Error! Bookmark not defined 4.2 Màn hình giám sát Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 79 Chƣơng trình code cho vi điều khiển 79 1.1 Chƣơng trình cho nút thực đo, thu phát tín hiệu 79 1.2 Chƣơng trình cho nút chủ đo, phát thu tín hiệu 92 Chƣơng trình code phần mềm 114 2.1 Hàm đọc giá trị từ nút chủ vẽ đồ thị 114 2.2 Giao diện 118 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Nghĩa tiếng Anh Từ viết tắt Nghĩa tiếng việt ACK Acknowledge Báo nhận đƣợc ADC Analog to Digital converter Bộ chuyển tín hiệu điện sang số BE Backoff Exponent Chỉ số Backoff BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CAP Contention Access Period Thời gian tranh chấp truy cập CCA Clear Channel Assessment Ƣớc lƣợng kênh truyền CFP Contention Free Period Thời gian tranh chấp tự CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát with Collision Detection đụng độ CW Congestion Window Cửa sổ tranh chấp FFD Full Function Device Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức theo chuẩn Zigbee GAF Global Assessment of Giải thuật xác theo địa lý Functioning GEAR Geographic Energy- Định tuyến nhận biết lƣợng and Aware Routing phƣơng pháp báo thong tin qua địa lý GTS Guaranteed Time Slots Quản lý khe thời gian IEEE Institute of Electrical and Viện kỹ thuật điện điện tử Electronics Engineers LCD Liquid Crystal Display LEACH Low Engergy Màn hình tinh thể lỏng Adaptive Phân cấp cụm thích ứng với lƣợng Clustering Hierachy thấp MAC Medium access control Điều khiển truy nhập MCU Microprocessor Control Unit Vi điều khiển MSK Minimun Shift Keying Khóa dich tối thiểu đồng NB Number of Backoff Số lần back off O-QPSK Offset-Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha góc 1/4 có góc lệch pha Keying ban đầu Mạng cá nhân PAN Personal Area Networks PEGASIS Power-efficient Gathering in Giao thức định tuyến tập trung hiệu Sensor Information Systems suất mạng cảm biến PHY Physical layer Tầng vật lý PPDU Presentation Protocol Data Khối liệu giao thức trình diễn Unit REQ Request Yêu cầu RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RFD Reduced Function Device Những thiết bị giới hạn chức chuẩn Zigbee SPIN Sensor Protocol for Giao thức định tuyến thông tin dựa vào Information via Negotiation dàn sếp liệu WLAN Wireless local area network Mạng vô tuyến cục WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không ZC Zigbee Coordinator Thiết bị điều phối Zigbee ZDO Zigbee Device Object Đối tƣợng thiết bị Zigbee 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Bùi Đức Thắng (2008), “Một số nét khái quát chuẩn Zigbee”, Tạp chí tự động hóa ngày nay, tháng 8/2008 Đồng Thảo Phƣơng, Nguyễn Đại Dƣơng, Bùi Đăng Thảnh (2013), “Giao thức Zigbee truyền thông công nghiệp”, Tạp chí tự động hóa ngày nay(số 147), tháng 4/2013 Khiếu Thị Hoài (2013),“Ứng dụng mạng cảm biến không dây”, Tạp chí khoa học công nghệ, Trƣờng đại học Phan Châu Trinh Nguyễn Trung Dũng, Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Tiến Dũng, Trịnh Hùng Tín, Lƣu Tiến Đạt (2013), “Sử dụng hiệu lƣợng với mô hình giám sát theo vùng mạng cảm biến không dây”, Tạp chí khoa học công nghệ(số 95), Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội Trần Văn Công Thành (2013), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây vào giám sát thay đổi môi trường, Luận văn thạc sĩ , Trƣờng Đại Học Đà Nẵng, tr.28-42, 53-69 Trịnh Lƣơng Miên(2014), “Tổng quan mạng cảm biến không dây”, Tạp chí tự động hóa ngày nay( số 157), tháng 3/2014 Tiếng Anh Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd Deying Li, Magie Xiaoyan Cheng (2001), Advances in wireless ad hoc and sensor Networks, Springer Edgar H.Callaway Jr (2004), Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, A CRC Press Company 10 Implementing ZigBee in Existing Industrial Automation Networks, Sensors Expo 2005 11 Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Wireless Automation Systems: Optimizing Reliability, Security and Coexistence, 2008 12 Holger Karl Andreas Willig (2005), Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, EngLand Internet 13 http://www.alldatasheet.com 78 14 http://arduino.vn/bai-viet/91-doc-nhiet-do-do-am-va-xuat-ra-man-hinh-lcd 15 http://mcu.banlinhkien.vn/threads/dht11-cam-bien-do-am.122/ 16 http://mcu.banlinhkien.vn/threads/module-nrf24l01-2-4g-cach-thuc-su-dungvoi-tat-ca-cac-dong-vdk.129/ [...]... lƣợng với mô hình giám sát theo vùng trong mạng cảm biến không dây , Tạp chí khoa học công nghệ(số 95), Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội 5 Trần Văn Công Thành (2013), Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạng không dây vào giám sát sự thay đổi của môi trường, Luận văn thạc sĩ , Trƣờng Đại Học Đà Nẵng, tr.28-42, 53-69 6 Trịnh Lƣơng Miên(2014), “Tổng quan mạng cảm biến không dây , Tạp chí tự động hóa ngày nay(... 1 Bùi Đức Thắng (2008), “Một số nét khái quát về chuẩn Zigbee”, Tạp chí tự động hóa ngày nay, tháng 8/2008 2 Đồng Thảo Phƣơng, Nguyễn Đại Dƣơng, Bùi Đăng Thảnh (2013), “Giao thức Zigbee trong truyền thông công nghiệp”, Tạp chí tự động hóa ngày nay(số 147), tháng 4/2013 3 Khiếu Thị Hoài (2013),“Ứng dụng của mạng cảm biến không dây , Tạp chí khoa học và công nghệ, Trƣờng đại học Phan Châu Trinh 4 Nguyễn