tiêu chuẩn về mạng cảm biến không dây, ứng dụng vi điều khiển pic để triển khai hệ thống đo đạc nhiệt độ, áp dụng tiêu chuẩn truyền tin ieee 802.15.4

1
Mục lục
2
Lời cảm ơn
Đồ án này thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy .Trong quá trình làm đồ án
chúng em chân thành cảm ơn thầy đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình chúng em.Nếu
chúng em có thiếu sót gì mong thầy bỏ qua .
3
Phân công công việc
Trong quá trình làm chúng em thường xuyên họp nhóm để đưa ra ý kiến xây
dựng. Để tiện cho công việc từng các nhân chúng em đã phân công công việc như
sau
Nguyễn Huy Hoàng: lập trình giao diện giao tiếp giữa máy tính và vi điều
khiển
Trần Thị Hiền: lập trình thu phát Zigbee, viết báo cáo
Đinh Văn Hiếu:Thiết kế mạch, hàn mạch, giao tiếp giữa máy tính và vi điều
khiển
Phạm Tuấn Hải: Thiết kế nguồn cho mạch
Lê Đức Hiếu:Thiết kế mạch, hàn mạch
4
Danh mục các sơ đồ,hình vẽ
Hình 1-1. Các loại thiết bị Zigbee
Hình 1-2. Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee
Hình 1-3. Các kiểu mạng của Zigbee
Hình 1-4. Mô hình giao thức
Hình 1-5. Băng tần hệ thống của Zigbee
Hình 2-1. Sơ đồ kết nối với PIC
Hình 2-2. Sơ đồ chân
Hình 2-3. Sơ đồ cấu tạo
Hình 3-1. Cảm biến DS18B20
Hình 3-2. Sơ đồ nguyên lý của khối SPI tích hợp trong Vi Điều Khiển PIC

Hình 3-3. Giao diện khi kết nối với máy tính
Hình 4-1.Đo nhiệt độ từ cảm biến và truyền số liệu
Hình 4-2.Nhận số liệu và hiển thị lên máy tính
Hình 4-3. Sơ đồ hệ thống
5
Danh mục bảng biểu
Bảng 1-1. Băng tần và tốc độ dữ liệu
Bảng 1-2. Kênh truyền và tần số
Bảng 2-1. Bảng chức năng các chân
Bảng 2-2. Điều kiện hoạt động
6
LỜI NÓI ĐẦU
Trong vài thập niên trở lại đây mạng truyền thông không dây đã có những
bước phát triển nhanh chóng tuy nhiên hầu hết đều tập trung ở các mạng truyền
thông tốc độ cao, vùng phủ sóng rộng ví dụ như chuẩn WLAN IEEE802.11. Tiêu
chuẩn đầu tiên tập trung vào mạng WLAN tốc độ thấp là Bluetooth. Tuy nhiên vẫn
còn hạn chế về giới hạn dung lượng để triển khai mạng nhiều nút. Trong thực tế, có
rất nhiều ứng dụng điều khiển và giám sát đòi hỏi công suất tiêu thụ nhỏ hay nói
cách khác là tuổi thọ của pin cao, tốc độ dữ liệu thấp và đỡ phức tạp hơn so với các
chuẩn ra đời trước đó. Chuẩn IEE802.15.4 ra đời đã đáp ứng được yêu cầu cho các
nhóm ứng dụng như vậy.
Mục tiêu của đồ án là tìm hiểu cơ sở lý thuyết cũng như các tiêu chuẩn về
mạng cảm biến không dây, ứng dụng vi điều khiển PIC để triển khai hệ thống đo
đạc nhiệt độ, áp dụng tiêu chuẩn truyền tin IEEE 802.15.4. Báo cáo chia thành bốn
phần :
+Phần I: Trình bày tổng quan về mạng cảm biến không dây
+Phần II: MODULE làm việc của ZIGBEE
+Phần III: Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ DS18B20
+Phần IV: Thiết kế mạch
+Phần V: Tổng kết

7
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Bản đồ án tập trung vào nghiên cứu các chuẩn truyền tin không dây đặc biệt
là chuẩn Zigbee IEEE 802.15.4 sử dụng cho mạng cảm biến (WSN), nghiên cứu
ứng dụng vi điều khiển Zigbee và công cụ phát triển tích hợp MicroC for PIC qua
đó thiết kế chế tạo mạch đo nhiệt độ môi trường tự động, ứng dụng chuẩn truyền
tin Zigbee IEEE 802.15.4 để truyền số liệu.
1.
8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
1. Khái niệm về mạng WPAN (wireless personal are netword)
Mạng cá nhân được sử dụng để phục vụ truyền thông tin trong những
khoảng cách tương đối ngắn.Mạng WPAN có thể liên lạc hiệu quả mà không đòi
hỏi nhiều cơ sở hạ tầng.Tính năng này cho phép có thêm các hướng giải quyết rẻ
tiền,nhỏ gọn mà vẫn mang lại hiệu suất cao trong liên lạc nhất là trong một băng
tần eo hẹp.
2. Tính năng mạng WPAN
WPAN tập trung giải quyết vấn đề về điều khiển dữ liệu trong những khoảng
không gian nhỏ(bán kính 30m)
Tính năng của chuẩn mạng WPAN là suy hao năng lượng nhỏ,tiêu tốn ít năng
lượng,vận hành trong vùng không gian nhỏ,kích thước bé.Chính vì thế mà nó tận
dụng được tốt nhất ưu điểm của kĩ thuật sử dụng lại kênh tần số. Nhóm chuẩn IEEE
802.15 ra đời để phục vụ cho chuẩn WPAN.
3. Phân loại các chuẩn mạng WPAN
WPAN tốc độ cao(chuẩn IEEE 802.15.3) phù hợp các ứng dụng đa phương
tiện chất lượng cao
WPAN tốc độ trung bình(chuẩn IEEE 802.15.1 / bluetooth) ứng dụng các
mạng điện thoại đến máy tính cá nhân bỏ túi PDA
WPAN tốc độ thấp(chuẩn IEEE 802.15.4 /LR-WPAN) công nghệ
Zigbee/IEEE 802.15.4 là 1 ví dụ điển hình

4. Khái quát về Zigbee/IEEE 802.15.4
4.1 Khái niệm
Cái tên Zigbee xuất phát từ cách mà các con ong mật truyền những thông tin
quan trọng với các thành viên khác trong tổ ong.Đó là kiểu liên lạc“Zig-Zag”của
9
loài ong “honeyBee” và nguyên lý Zigbee được hình thành từ việc ghép hai chữ cái
đầu với nhau.Công nghệ này ra đời nhằm giải quyết cho các thiết bị tách rời có thể
làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó.
4.2 Đặc điểm
Đặc điểm của công nghệ Zigbee là tốc độ truyền tin thấp,tiêu hao ít năng
lượng,chi phí thấp,giao thức mạng không dây hướng đến các điều khiển từ xa và tự
động hóa
Công nghệ Zigbee có thể truyền tin trong khoảng từ 10m-75m tùy thuộc vào
môi trường vs công suất phát được yêu cầu mỗi ứng dụng.Tốc độ dữ liệu là
250kbps ở dải tần 2.4GHz(toàn cầu). 40kbps ở dải tần 915MHz(Mỹ+Nhật). 20kbps
ở dải tần 868MHz(Châu âu).
IEEE 802.15.4 nghiên cứu tập trung vào 2 tầng thấp của giao thức(tầng vật lý
và tầng liên kết dữ liệu)
4.3 Ưu điểm của Zigbee/IEEE 802.15.4 với Bluetooth/802.15.1
Zigbee tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn.Zigbee có tốc độ truyền
dữ liệu thấp hơn,tiết kiệm năng lượng hơn.
Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth là 10m.
Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu.tốc độ truyền của Zigbee là
250kbps tại 2.4GHz. 40kbps tại 915MHz. 20kbps tại 868MHz. còn Bluetooth là
1Mbps
Zigbee sử dụng mạng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh
trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ.loại mạng này cho
phép tối đa 254 nút mạng.Bluetooth chỉ cho phép tối đa 8 nút slave trong một mạng
chủ tớ cơ bản
Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng hơn.nó có thể gửi và

nhận các gói tin trong 15msec trong khi Bluetooth là 3sec.
10
5. Mạng Zigbee/IEEE 802.15.4 LR-WPAN
Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo,tiêu hao ít năng lượng,tốc độ
truyền dữ liệu thấp.sử dụng trong khu vực nhà riêng,văn phòng
Các thành phần:một hệ thống Zigbee/IEEE 802.15.4 LR-WPAN gồm nhiều
phần tạo nên.
+Phần cơ bản nhất là FFD(full-function device)đảm nhận tất cả các chức năng
trong mạng và hoạt động như một điều phối mạng PAN. 1 mạng tối thiểu phải có 1
FFD.
+RFD(reduce-function device) được dùng cho các ứng dụng đơn giản,không
yêu cầu gửi dữ liệu lớn.
Một FFD có thể làm việc với nhiều RDF hay nhiều FFD.trong khi 1RFD chỉ
có thể làm việc với 1 FFD.
Có 3 loại thiết bị Zigbee:

Hình 1-1. Các loại thiết bị Zigbee
a) Zigbee Coordinator(ZC) thiết bị này duy trì và hình thành kiến trúc tổng
thể,đồng thời điều khiển và giám sát mạng,lưu trữ các thông tin về mạng.là
thiết bị FFD
11
b) Zigbee Router(ZR) là một thiết bị thông minh có khả năng mở rộng tầm bao
phủ bằng cách định tuyến và cung cấp tuyến dự phòng,hoặc hồi phục những
tuyến bị tắc nghẽn.hoạt động như 1 Router trung gian.là thiết bị FFD.
c) Zigbee End Device(ZED) các nút cảm biến có thông tin từ môi trường.nó có
thể nhận tin nhưng không thể chuyển tiếp tin.kết nối đước với ZC,ZR nhưng
không thể kết nối với nhau.có thể là FFD hoặc RFD.
Hình 1-2. Ví dụ về mạch thu phát sử dung modul Zigbee
6. Kiến trúc liên kết mạng
Các nude mạng trong Zigbee liên kết theo kiểu cấu trúc hình sao(star),cấu trúc

mạng hình lưới(mesh),cấu trúc mạng hình cây(cluster-tree).
Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee ứng dụng một
cách rộng dãi.
12
Hình 1-3. Các kiểu mạng của Zigbee
6. Mô hình giao thức của Zigbee/IEEE 802.15.4
Công nghệ Zigbee/IEEE 802.15.4 xây dựng và phát triển các tần ứng dụng và
tầng mạng trên nền tảng của 2 tâng là PHY va MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4,
chính vì thế nó thừa hưởng ưu điểm của chuẩn IEEE 802.15.4.Đó là tính tin
cậy,tiêu hao ít năng lượng,đơn giản và khả năng thích ứng cao với môi trường
mạng.dựa vào mô hình như hình vẽ sau mà các nhà sản xuất khác nhau có thể chế
tao sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích với nhau.
13
Hình 1-4. Mô hình giao thức
a) Tầng vật lý(PHY)
Tầng vật lý cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lí
PHY.
Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu
PPDU(PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý
Các tính năng của tâng PHY là sự kích hoạt hay giảm kích hoạt của bộ phận
nhận sóng,phát hiện năng lượng,chỉ số đường truyền,giải phóng kênh truyền,thu và
phát các gói dữ liệu qua kênh truyền.
Chuẩn IEEE 82.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau sau:
14
Bảng 1-1. Băng tần và tốc độ dữ liệu
Có 27 kênh truyền trên khác sải tần số khác nhau:
Bảng 1-2. Kênh truyền và tần số
15
Hình 1-5. Băng tần hệ thống của Zigbee
b) Tầng điều khiển dữ liệu MAC

Tầng điều khiển môi trường truy nhập MAC(media access cotrol) cung cấp 2 dịch
vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lí MAC.
+Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lí việc thu phát của khối
MPDU(giao thức dữ liệu MAC)thông qua dịch vụ dữ liệu PHY
+Nhiệm vụ của tâng MAC là quản lí việc phát thông tin báo hiệu beacon,định
dạng khung tin để truyền đi trong mạng,điều khiển truy nhập kênh,quản lí khe thời
gian GTS,điều khiển kết nối và giải phóng kết nối,phát khung Ack.
16
Chương II: MODULE làm việc của ZIGBEE
ZIGBEE có nhiều loại modul làm việc điển hình như
o TI C2480
o Xbee
o Microchip MRF 24J40
Xét về mặt thông dụng và có nhiều tài liệu tham khao thì chúng em chọn modul thu
và phát MRF 24J40 với một số đặc điểm sau:
1. Chuẩn IEEE 802.15.4 tương thích thu và phát sóng vô tuyến
2. Hỗ trợ Zigbee,Miwi,Miwi P2P,và các giao thức mạng không dây
3. Tốc độ truyền dữ liệu 250kbps.
4. Tương thích với nhiều loại vi điều khiển (PIC16F, PIC18F,
PIC24F/H,PIC32)
5.
• Sơ đồ của MRF 24J40 khi kết nối với Pic
Hình 2-1. Sơ đồ kết nối với PIC
Modul MRF24J40MA có một ăng-ten PCB tích hợp, phù hợp với mạch, và hỗ trợ
ZIGBEE. Module MRF24J40 kết nối đến các vi điều khiển PIC thông qua một
17
giao diện SPI 4 dây và là một giải pháp lý tưởng cho các mạng cảm biến không
dây, tự động hóa, xây dựng các ứng dụng tự động hóa .
1.Các tính năng chính và thông số kĩ thuật của modul MRF24J40MA
+IEEE Std. 802.15.4™ Compliant RF Transceive

+Hỗ trợ ZigBee®, MiWi™, MiWi™ P2P và Proprietary Wireless Networking
Protocols
+Kích thước nhỏ gọn: 0.7” x 1.1” (17.8 mm x 27.9 mm), Surface Mountable
+Tích hợp thạnh anh, ổn áp trong.
+Dễ tích hợp vào phát triển sản phẩm.
+Chứng nhận Radio Regulation Certification cho United States (FCC),
Canada (IC) and Europe (ETSI).
+Thích hợp với Microchip Microcontroller Families (PIC16F, PIC18F,
PIC24F/H, dsPIC33 và PIC32)
+Phạm vi truyền sóng khoảng 75m-100m
Điều kiện hoạt động:
• Điện áp cung cấp: 2.4-3.6V (chuẩn là 3.3V)
• Dải nhiệt độ: -40°C to +85°C công nghiệp
• Đơn giản với giao tiếp SPI 4 dây.
• Dòng tiêu thụ nhỏ:
- RX mode: 19 mA (chuẩn)
- TX mode: 23 mA (chuẩn)
- Sleep: 2 μA (chuẩn)
Các tính năng RF/Analog:
18
• Dải tần hoạt động ISM Band 2.405-2.48 GHz
• Tốc độ dữ liệu: 250 kbps
• Độ nhậy thông thường -94 dBm với mức đầu vào lớn nhất +5 dBm
• Công suất ra +0 dBm với dải điều khiển công xuất TX 36 dB
• Tích hợp Low Phase Noise VCO, Đồng bộ tần số và bộ lọc lặp PLL Loop
Filter
• Digital VCO và Filter Calibration
• Tích hợp RSSI ADC and I/Q DACs
• Tích hợp LDO
• High Receiver and RSSI Dynamic Range

Các tính năng MAC/Baseband:
• Hardware CSMA-CA Mechanism, tự động đáp ứng ACK và kiểm tra FCS
• Independent Beacon, Transmit and GTS FIFO
• Hỗ trợ tất cả các chế độ CCA và RSS/LQI
• Có khả năng gửi lại gói tin tự động.
• Bảo mật phần cứng (AES-128) với các chế độ CTR, CCM và CBC-MAC
• Hỗ trợ Mã hoá và giải mã cho MAC Sublayer và Upper Layer.
1.1. Cấu tạo modul
Sơ đồ chân:
19
Hình 2-2. Sơ đồ chân
Hình 2-3. Sơ đồ cấu tạo
Bảng 2-1. Bảng chức năng các chân
20
Bảng 2-2. Điều kiện hoạt động
21
Chương III: Vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến nhiệt độ
DS18B20
1. DS18B20
DS18b20 là một sản phẩm của công ty MAXIM.hình dạng bên ngoài của cảm biến
DS18B20 được mô tả trên hình trong đó dạng vỏ TO-90 với 3 chân là dạng thường
gặp và được dùng trong nhiều ứng dụng.Còn dạng vỏ SOIC 8 chân dung để đo
nhiệt độ bề mặt.
Hình 3-1. Cảm biến DS18B20
22
• DS18B20 là một nhiệt kế số có độ phân giải khi nhiệt độ từ 9-12 bit.Dải đo
nhiệt độ từ -55°C đến 125°C,từng bậc 0.5°C và có thể đạt chính xác đến
0.1°C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm
• Sử dụng giao diện 1_Write nên chỉ cần 1 chân ra để truyền thông.
• Rất thích hợp với các ứng dụng đo lường đa điểm vì nhiều đầu đo có thể

được nối trên 1 bus.bus này được gọi là bus 1 dây(1_Write)
• Không cần thêm linh kiện bên ngoài.
• Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng,tư 3V đến 5.5VDC và
có thể được cấp thong qua đường dẫn dữ liệu
• Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.
• Thời gian lấy mẫu và biến đổi ra 12 bit không quá 75ms
• Mỗi cảm biến có 1 mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM
trên chip(on chip),giá trị nhị phân được khắc bằng tia laser.
2. Vi điều khiển PIC16F877A
a) Để truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và modul thu phát ZIGBEE ta sử
dụng giao thức truyền nhận SPI
SPI Mode trong PIC cho phép 8 bit dữ liệu được truyền nhận đồng bộ 1 cách
simultaneously. Hỗ trợ hoạt động ở cả 4 Mode. Để tiến hành hoạt động giao tiếp,
về cơ bản, 3 chân sau đây được sử dụng:
+Serial Data Out – RC5/SDO
+Serial Data In – RC4/SDI/SDA
+Serial Clock – RC3/SCK/SCL
Ngoài ra, nếu trong hệ thống có nhiều hơn 1 Slave thì chân Chip Select sẽ được
dùng:
+ Slave Select – RA5/AN4/SS/HLVDIN
23
Hình 3-2. Sơ đồ nguyên lý của khối SPI tích hợp trong Vi Điều Khiển PIC
b) Giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính sử dụng cổng usb
sử dụng bộ chuyển đổi FT232 để kết nối giữa mạch và phần mềm.
FTDI (Future Technology Devices International) là tên của công ty thiết bị
bán dẫn Scotlen . Đây là công ty chuyên biệt hóa về công nghệ USB (Universal
Serial Bus). Công ty này phát triển, sản xuất và hỗ trợ các thiết bị và các phần mềm
driver có liên quan trong việc chuyển đổi RS-232 hoặc TTL serial transmission
sang tín hiệu USB để hỗ trợ cho các thiết bị kế thừa với các máy tính hiện đại.
Trong bài này chúng em sử dụng con chip FT232 làm nhiệm vụ chuyển đổi

sang tín hiệu USB .
24
Hình 3-3. Giao diện khi kết nối với máy tính
Do FT232 chỉ là phần chuyển tiếp từ kết nối serial sang kết nối USB nên thực
tế khi lập trình ta cũng lập trình như lập trình giao diện cho kết nối RS-232. Nghĩa
là cũng có các thông số như: Port , Stop bit, Data Bit, Baud Rate, Parity .
Baud Rate: Ví dụ bạn truyền 1bit trong 1ms , ta thấy rằng để việc truyền và
nhận không đồng bộ xảy ra thành công thì các thiết bị tham gia phải thống nhất với
nhau về khoảng thời gian giành cho 1 bit truyền. Hay nói cách khác tốc độ này phải
được cài đặt từ trước , tốc độ này gọi là tốc độ Baud.
Data Bit:là thông tin chính chúng ta cần gửi và nhận . Dât không nhất thiết
phải là 8 bit. Ở đây, bít có ảnh hưởng nhỏ nhất(LSB-Least Significant Bit) sẽ
truyền trước và cuối cùng là bít có ảnh hưởng lớn nhất (MSB-Most Significant Bit).
Parity Bit: dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không . Có hai loại
parity : chẵn (even parity) và lẻ (odd parity) . Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1
trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn . Ngược lại tổng lượng số 1 trong
parity lẻ luôn là số lẻ.
25
Stop Bit: là một hoặc các báo cáo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã
được gửi xong. Sau khi nhận được stop bit , thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra
khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu . Stop bits là các bít bắt buộc
xuất hiện trong khung truyền , có thể là 1 hoặc 2 bit.