thiết kế nút mạng cảm biến không dây ứng dụng trong y tế

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây 2

1.1.1. Khái niệm 2

1.1.2. Node cảm biến 2

1.1.3. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến 2

1.1.4. Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây 3

1.1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 4

1.2. Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4 4

1.2.1. Khái niệm 4

1.2.2. Đặc điểm 4

1.3. Tổng quan về Xbee ZB24 9

1.3.1. Thông số kỹ thuật 9

1.3.2. Truyền thông Xbee 10

1.4. Tổng quan về Arduino 15

1.3. Kết luận chương: 18

CHƯƠNG II 19

THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 19

2.1. Mô hình hệ thống 19

2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống 19

2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống 20

2.2. Phân tích hoạt động hệ thống giám sát nhiệt độ, nhịp tim và gửi tin nhắn SMS
qua mạng GSM. 33


2.2.1. Giám sát nhịp tim dựa trên lượng SpO
2
33

2.2.2. Hoạt động của hệ thống 35

CHƯƠNG III 38

XÂY DỰNG PHẦN MỀM VÀ KẾT QUẢ 38

3.1. Xây dựng phần mềm 38

3.1.1. Lập trình nhúng với nền tảng Arduino 38

3.1.2. Lưu đồ thuật toán chương trình nhúng 40

3.2. Kết quả đạt được 43

3.2.1. Hình ảnh hệ thống thực tế 43

3.2.2. Hình ảnh hoạt động của hệ thống 44

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47





MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu trúc liên kết mạng 5
Hình 1.2: Cấu trúc mạng hình sao 6
Hình 1.3: Cấu trúc mạng mesh 7
Hình 1.4: Cấu trúc mạng hình cây 8
Hình 1.5. Hình ảnh Xbee ZB24 9
Hình 1.6. Hoạt động truyền thông RF 11
Hình 1.7. Khung truyền UART 11
Hình 1.8. Cấu trúc khung API chế độ 1 12
Hình 1.9. Khung API ở chế độ 2 12
Hình 1.10. Cấu trúc cụ thể khung API. 13

Hình 1.11. API truyền 64 bít địa chỉ 13
Hình 1.12. API truyền 16 bít địa chỉ 14
Hình 1.13. Khung trạng thái truyền. 14
Hình 1.14. Khung nhận 64 bít địa chỉ 14
Hình 1.15. Khung nhận 16 bít địa chỉ 15
Hình 1.16. Máy in 3D 16
Hình 1.17. Robot 17
Hình 1.18. Máy bay không người lái 17
Hình 1.19. Lập tình game tương tác 17
Hình 1.20. Điều khiển hiệu ứng ánh sáng. 18
Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống giám sát sức khỏe trong mạng cảm biến không dây.
19
Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống 20
Hình 2.3. Khối điều khiển. 21

Hình 2.4. Khối truyền phát. 22
Hình 2.5. Kết nối sim tới modul SIM 900A. 24
Hình 2.6. Modul SIM 900A. 24
Hình 2.7. Cảm biến nhiệt độ DS18B20. 29
Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo nhịp tim bằng hồng ngoại. 31
Hình 2.9. Pin Lithium cung cấp nguồn cho hệ thống. 32
Hình 2.10. Mạch ổn áp 5V cung cấp nguồn cho board mạch Arduino. 32
Hình 2.11. Mạch ổn áp 3,3V được sử dụng cung cấp nguồn cho Xbee ZB24. 32
Hình 2.12. Mạch ổn áp 4,1V dành cho Modul SIM900. 32
Hình 2.13. Sơ đồ khối mạch đo nhịp tim dựa trên SpO2. 34
Hình 2.14. Sơ đồ mạch dò nhịp tim. 34
Hình 2.15. Khi người sử dụng ở ngoài phạm vi của mạng cảm biến không dây. 36
Hình 2.16. Khi người sử dụng ở trong phạm vi của mạng cảm biến không dây. 36
Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán chương trình chính. 40
Hình 3.2. Chương trình timer. 41

Hình 3.3. Chương trình ngắt ngoài. 42
Hình 3.4. Hình ảnh thực tế hệ thống 43
Hình 3.5. Hệ thống được gắn vào tay bệnh nhân. 44
Hình 3.7. Hệ thống gửi tin nhắn khi mới khởi động. 45
Hình 3.6. Hệ thống chạy được test trên máy tính 45



LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn:
 Thầy giáo Phạm Quốc Thịnh – Bộ môn Công nghệ điện tử - Khoa công
nghệ Điện tử vả Truyền thông – Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền
thông Thái Nguyên.
 Chủ nhiệm dự án “Exploring future university development cooperation
in rural North Vietnam supported by existing partnerships: a harvest and
seed approach”- mã số ZEIN2011Z099.
Cùng các thầy cô giáo trong Khoa Công nghệ Điện tử và Truyền thông – Đại học
Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời
gian thực hiện đồ án.

Thái Nguyên, tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện đồ án




Dương Vũ Kiên


LỜI NÓI ĐẦU

Mạng cảm biến không dây hiện nay đang được áp dụng rộng rãi trong đời sống
và nghiên cứu tại nhiều nước trên thế giới. Một ưu điểm của mạng cảm biến không dây
là tính di động cao, nhỏ gọn và số lượng nút cảm biến lớn dẫn đến vùng phủ sóng của
mạng rộng. WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong
cuộc sống.
- Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên.
- Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan.
- Ứng dụng cho việc điều khiển các thiêt bị trong nhà.
- Ứng dụng các tòa nhà tự động.
- Ứng dụng trong quá trình quản lý tự động trong công nghiệp.
- Ứng dụng trong y sinh học.
Một ứng dụng của mạng cảm biến không dây hiện đang được phát triển và triển
khai nhiều là áp dụng trong y tế. Dựa vào những ứng dụng thực tế như trên cùng với
việc tham gian nghiên cứu phát triển hệ thống mạng cảm biến không dây trong dự án
VLIR, em đã thực hiện đồ án tốt nghiệp “Thiết kế nút mạng cảm biến không dây ứng
dụng trong y tế” với mục đích xây dựng một nút mạng cảm biến có khả năng thu thập
nhiệt độ, nhịp tim của bệnh nhân và gửi về máy tính nếu bệnh nhân đang ở trong bệnh
viện (vùng phủ sóng của mạng cảm biến), giúp bệnh nhân có thể được di chuyển quanh
khu vực bệnh viện mà không cần nằm một chỗ, ngoài ra nếu di chuyển ra ngoài khu vực
bệnh viện, hệ thống sẽ xử lý tự động gửi tin nhắn đến số điện thoại đã đặt trước nếu tình
hình sức khỏe của bệnh nhân có vấn đề.


2

CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1.1. Khái niệm
Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể hiểu đơn giản là mạng liên kết các

node với nhau bằng kết nối sóng vô tuyến (RF connection) trong đó các node mạng
thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, giá thành thấp… và có số lượng lớn, được

phân bố một cách không có hệ thống (non-topology) trên một diện tích rộng (phạm vi
hoạt động rộng), sử dụng nguôn năng lượng hạn chế (pin), có thời gian hoạt động lâu
dài( vài tháng đến vài năm) và có thể hoạt động trong môi trường

khắc nhiệt (chất độc,
ô nhiễm, nhiệt độ…).
1.1.2. Node cảm biến
Một node cảm biến được

cấu tạo bởi 3 thành phần cơ bản sau: vi điều khiển,
sensor, bộ phát radio. Ngoài ra, còn có các cổng kết nối máy tính.
- Vi điều khiển: Bao gồm CPU, bộ nhớ ROM, RAM, bộ phận chuyển đổi
tín hiệu tương

tự thành tín hiệu số và ngược

lại.
- Sensor: Chức năng cảm nhận thế giới bên ngoài, sau đó chuyển dữ liệu
qua bộ phận chuyển đổi để xử lí.
- Bộ phát radio: Bởi vì node cảm biến là thành phần quan trọng nhất trong
WSN, do vậy việc thiết kế các node cảm biến sao cho có thể tiết kiệm
được tối đa nguồn năng lượng

là vấn đề quan trọng hàng đầu.
1.1.3. Đặc điểm của cấu trúc mạng cảm biến
Đặc điểm của mạng cảm biến là bao gồm một số lượng

lớn các node cảm biến,
các node cảm biến có giới hạn và giàng buộc về tài nguyên đặc biệt là năng lượng rất
khắt khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc điểm rất khác với các mạng truyền thống.
Sau đây ta sẽ phân tích một số đặc điểm nổi bật trong các mạng cảm biến như sau:
- Khả năng chịu lỗi.
- Khả năng mở rộng.

3

-

Ràng buộc phần cứng.

-

Môi trường

hoạt động.

- Phương tiện truyền dẫn.
- Cấu hình mạng cảm biến.
1.1.4. Ưu nhược điểm của mạng cảm biến không dây
a. Ưu điểm
Mạng không dây không dùng cáp cho các kết nối, thay vào đó, chúng sử
dụng sóng radio, cũng tương tự như điện thoại không dây. Ưu thế của mạng không dây
là khả năng di động va sự tự do, người dùng không bị hạn chế về không gian và vị trị
kết nối. Những ưu điểm của mạng không dây bao gồm:
- Khả năng di động và sự tự do – cho phép kết nối từ bất kì đâu.
- Không bị hạn chế về không gian và vị trí kết nối.
- Dễ lắp đặt và triển khai.

- Không cần mua cáp.
-

Tiết kiệm thời gian lắp đặt cáp.

-
Dễ
dàng mở rộng.
b. Những thách thức trở ngại
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thách thức và
trở ngại cần phải vượt

qua.
 Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thước.
 Yếu tố nguồn cung cấp.
 Giá thành các node.
 Yếu tố môi trường.
 Đặc tính kênh truyền.
 Giao thức quảng lý mạng phức tạp và sự phân bố rải các node.
 Tiêu chuẩn và quyền sở hữu.
 Các vấn đề mở rộng

4

1.1.5. Ứng dụng của mạng cảm biến không dây
WSN bao gồm các node cảm biến nhỏ gọn, thích ứng được môi trường khắc
nghiệt. Những node cảm biến này, cảm nhận môi trường xung quanh, sau đó gửi
những thông tin thu đư
ợc
đến trung tâm xử lí theo ứng dụng. Các node không những

có thể liên lạc với các node xung quanh nó, mà còn có thể xử lí theo ứng dụng. Các
node không những có thể liên lạc được

với các node xug quanh nó, mà còn có thể xử lí
dữ liệu trước khi gửi đến các node khác. WSN cung cấp rất nhiều những ứng dụng
hữu ích ở nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.
- Ứng dụng quân sự an ninh và thiên nhiên.
- Ứng dụng trong giám sát xe cộ và các thông tin liên quan.
- Ứng dụng cho việc điều khiển các thiêt bị trong nhà.
- Ứng dụng các tòa nhà tự động.
- Ứng dụng trong quá trình quản lý tự động trong công nghiệp.
- Ứng dụng trong y sinh học.
1.2. Khái quát về ZigBee/ IEEE 802.15.4
1.2.1. Khái niệm
Cái tên ZigBee được 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 loài ong “honeyBee”. Và nguyên lý ZigBee được hình thành từ việc ghép hai chữ
cái đầu với nhau. Việc công nghệ này ra đời chính là sự giải quyết cho vấn đề các thiết
bị tách rời có thể làm việc cùng nhau để giải quyết một vấn đề nào đó.
1.2.2. Đặc điểm
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng
,
chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa
và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được
một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy
tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới
việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng

nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị
chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền

5

tin như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt
lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây
sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy
thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng,
Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz
(Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu).
a. Kiến trúc liên kết mạng
Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng
cho công nghệ Zigbee. Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với
nhau theo cấu trúc mạng hình sao (star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó
cụm hình cây. Sự đa rạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ Zigbee được ứng
dụng một cách rộng rãi. Hình 1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tôpô sao,
tôpô mắt lưới,

tôpô cây.

Hình 1.1: Cấu trúc liên kết mạng

6

b. Cấu trúc liên kết mạng hình sao

Hình 1.2: Cấu trúc mạng hình sao
Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết
bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi
FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một
bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân

của riêng mình được gọi là PAN ID (PAN identifier), nó cho phép mạng này có thể
hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều
phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất,
các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điều phối mạng PAN.

7

c. Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

Hình 1.3: Cấu trúc mạng mesh
Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator).
Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu
trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là
thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này
có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh
báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….).

8

d. Cấu trúc liên kết mạng hình cây

Hình 1.4: Cấu trúc mạng hình cây
Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị
là FFDvà một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối
của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và
cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc
mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao.Trong loại cấu hình này
mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng
PAN (PAN coordinator).
Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu

ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận
dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH (cluster head)
bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng
bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận. Thiết bị nào nhận được khung tin này có thể yêu
cầu kết nối vào mạng với CLH. Nếu bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng
ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới

9

kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để
các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng. Từ đó có thể hình thành được các CLH1,
CLH2 … (như hình 1.4).
1.3. Tổng quan về Xbee ZB24
1.3.1. Thông số kỹ thuật

Hình 1.5. Hình ảnh Xbee ZB24
- Cự ly truyền thông trong nhà lên tới 30m
- Cự ly truyền ngoài trời lên tới 90m
- Công suất truyền đi là 1mW(dBm)
- Tốc độ truyền dữ liệu RF là 250.000 bps
- Tốc độ dữ liệu giao tiếp nhận nối tiếp là 1200 bps-250 kps.
- Độ nhạy thu là -92dBm(1% tỷ lệ gói lỗi)
- Nguồn cung cấp 2.8-3.4V
- Dòng truyền 45mA – 3.3V
- Sử dụng dải tần 2.4 GHz
- Mạng hỗ trợ: Point to Point, Point to MultiPoint, peer to peer.
- Dải nhiệt độ hoạt động -40-85 độ C.
Mô tả các chân
PIN
#

Tên Hoạt
động
Mô tả
1
VCC - Cung cấp nguồn
2
DOUT Output Đầu ra UART
3
DIN Input Đầu vào UART

10

4
D08 output Đầu ra chân số 8
5
Reset input Khởi tạo trạng thái của Xbee
6
PWM0/RSSI output Chân băm xung, chỉ số độ dài tín
hiệu Rx
7
PWM1 output Đầu ra băm xung 1
8
Không dùng Not connect
9
DTR.SLEEP_RQ,DI8 input Điều khiển sleep và đầu ra số8
10
GND - Nối đất
11
AD4.DI04 Cả hai Đầu tương tự4, hoặc vào ra số 4

12
CTS.DIO7 Cả hai Cờ điều khiển xóa khi tràn,vào
ra số7
13
ON/SLEEP Output Chỉ số trạng thái module
14
VREF input Điện áp tham chiều chân Analog

15
Associate / AD5 / DIO5

Cả hai Chỉ số kết hợp, tương tự5 và vào
ra số 5
16
RTS/ AD6 / DIO6 Cả hai Cờ yêu cầu gửi dữ liệu, tương
tự6 và vào ra số 6
17
AD3 / DIO3 Cả hai tương tự3 và vào ra số 3
18
AD2 / DIO2 Cả hai tương tự2 và vào ra số 2
19
AD1 / DIO1 Cả hai tương tự1 và vào ra số 1
20
AD0 / DIO0 Cả hai tương tự0 và vào ra số 0
1.3.2. Truyền thông Xbee
a. Truyền thông nối tiếp RF
Thiết bị Xbee có thể truyền từ thiết bị này sang thiết bị khác trực tiếp như hình
dưới đây:

11

Hình 1.6. Hoạt động truyền thông RF
Như hình trên các Module Xbee giao tiếp với vi điều khiển bởi các chân DI truyền
data, DO nhận data, các cờ báo truyền nhận CTS và RTS. Dữ liệu ở đây cũng là dạng
truyền thông nối tiếp truyền thống.

Hình 1.7. Khung truyền UART
Khung truyền bao gồm 1 bit Start 8 bit data và một 1 stop.
b. Truyền thông kiểu API
Truyền thông API là giao diện lập trình ứng dụng được ứng dụng cho các module
Xbee nâng cao khả năng truyền thông, giảm xác xuất lỗi. Có thể mở rộng khung data
tùy ý. Khi hoạt động ở chế độ API tất cả dữ liệu vào ra thông qua Xbee đều có một
khung xác định như quy định. Truyền khung dữ liệu ở chân DI(pin3) bao gồm: Khung
truyền dữ liệu RF và khung truyền lệnh (AT Command). Khung dữ liệu nhận ở chân sô
2 DO bao gồm: Khung dữ liệu nhận RF và lệnh trả về.
Chế độ API cho phép Xbee hoạt động ở 3 chế độ:
AP=0: đây là chế độ mặc định của Xbee( truyền thông nối tiếp bình thường).
AP=1: Hoạt động ở chế độ API
AP=2: Hoạt động ở chế độ API( với ký tự thoát).
Bất kỳ dữ liệu nhận trước khi bắt đầu ký tự phân cách được âm thầm bỏ đi. Nếu
khung dữ liệu không nhận được hoặc checksum bị lỗi thì dữ liệu âm thầm được bỏ qua.


12

 Hoạt động API ở chết độ 1 (AP=1)
Khi chế độ API được cho phép thì khung dữ liệu được xác định như sau:

Hình 1.8. Cấu trúc khung API chế độ 1

Khung bao gồm 1 byte bắt đầu 0x7E, 2byte độ dài của khung dữ liệu , các byte
dữ liệu và byte checksum.
 Chế độ API ở chế độ 2 (AP=2)
Khi hoạt động ở chế độ 2 với ký tự thoát thì khung API được xác định như sau:

Hình 1.9. Khung API ở chế độ 2
Ký tự thoát: Khi truyền và nhận khung dữ liệu UART, giá trị dữ liệu cụ thể phải
được đánh dấu như sau: Chèn byte 0x7D trước ký tự cần xác định là thoát và Xor nó với
giá trị 0x20 để báo thoát.
Ví dụ khung dữ liệu cần đánh dấu bao gồm:
0x7E – xác định khung.
0x7D- ký tự thoát.
0x11 – XON
0x13 – XOFF
Vì vậy khung dữ liệu trước lúc được đánh dấu có dạng như sau: 0x7E 0x00 0x02
0x23 0x11 0xCB
Sau khi đánh dấu nó sẽ trở về như sau: 0x7E 0x00 0x02 0x23 0x7D 0x31 0xCB
vì 0x11 đã được đánh dấu bằng các XOR với 0x20.

13

Tính toán Byte Checksum như sau : lấy 0xFF- tất cả các byte trừ byte xác định
khung và các byte độ dài.
c. Các kiểu API
Khung API có cấu trúc như sau:

Hình 1.10. Cấu trúc cụ thể khung API.
Khung API trong phần khung dữ liệu bao gồm có byte xác định API và dữ liệu.
 Truyền thông với 64 bít địa chỉ.
API identifier : 0x00

Một khung RF sẽ gửi đi tới module RF tới module nhận.

Hình 1.11. API truyền 64 bít địa chỉ
Trong phần khung dữ liệu Byte6-13 chứa địa chỉ của đích muốn gửi đến, nếu
muốn truyền kiểu quảng bá thì đặt là 0x000000000000FFFF. Byte 14 là tùy chọn 0x01
vô hiệu hóa ACK, 0x04 gửi dữ liệu tới tất cả PANID, tất cả thiết bị khác để là 0.
 Truyền thông với 16 bít địa chỉ
Giá trị xác định khung là 0x01
Một khung RF sẽ gửi đi tới module RF tới module nhận.

14


Hình 1.12. API truyền 16 bít địa chỉ
 Trạng thái truyền
Giá trị xác định của khung API là 0x89
Khi truyền thành công module sẽ gửi trạng thái như khun dưới đây.

Hình 1.13. Khung trạng thái truyền.
 Gói nhận 64 bít địa chỉ
Giá trị API là 0x80 khi nhận được dữ liệu nó sẽ gửi ra UART một bản tin như
sau:

Hình 1.14. Khung nhận 64 bít địa chỉ
 Gói nhận 16 bít địa chỉ
Giá trị là 0x81. Khi nhận được gói data nó sẽ gửi ra UART một bản tin như sau:

15

Hình 1.15. Khung nhận 16 bít địa chỉ
1.4. Tổng quan về Arduino
Môi trường Arduino được thiết kế đơn giản cho người mới bắt đầu sử dụng.
Không phải phần mềm hoặc các thiết bị điện tử thực nghiệm. Với Arduino bạn có thể
xây dựng một dự án đáp ứng được các yêu cầu về điều khiển ánh sáng, âm thành, chuyển
động… Arduino được sử dụng để tạo ta rất nhiều thứ tuyệt vời như nhạc cụ, robot, điêu
khắc ánh sáng, trò chơi, đồ nội thất tương tác thậm chí là quần áo thông minh có khả
năng tương tác với cơ thể.
Arduino được sử dụng rất nhiều trong các chương trình giáo dục trên toàn thế
giới, đặc biệt đối với các nhà thiết kế và nghệ sĩ những người muốn tạo ra những cái mới
độc mà không cần am hiểu sâu về vấn đề của kỹ thuật của những thứ mà họ đã sáng tạo
ra. Bởi vì Arduino được thiết kế sử dụng cho những người không am hiểu về kỹ thuật,
phần mềm Arduino có rất nhiều ví dụ được cung cấp bởi nhà phát triển nên rất dễ dàng
để tiếp cận và sử dụng.
Mặc dù dễ dàng sử dụng nhưng Arduino có phần cứng được thiết kế rất tinh tế
nên các kỹ sư có thể dễ dàng nhúng nó vào trong các ứng dụng nhúng. Người đã sử dụng
và phát triển các ứng dụng nhúng bằng vi điều khiển cũng bị thu hút bởi Arduino do khả
năng phần cứng tốt và và phần mềm tiện dụng dễ dàng cho việc giải quyết các ý tưởng.
Arduino được biết đến nhiều nhất là phần cứng của nó, nhưng phải có phần mềm
để lập trình phần cứng. Cả phần cứng và phần mềm gọi chung là “Arduino’’. Sự kết
hợp đó cho phép bạn tạo ra các dự án có ý nghĩa và kiểm soát thế giới vật chất. Các phần
mềm là tự do, mã nguồn mở thông qua một nền tảng. Các board bạn có thể mua với giá
rẻ hoặc bạn có thể tự thiết kế với mã nguồn schematic mở. Ngoài ra, có một số hoạt
động liên quan tới Arduino được giải đáp bởi diễn đàn Arduino trên toàn thế giới và
Wikimedia gọi chung là sân chơi Arduino.

16

a. Phần mềm Arduino:
Phần mềm Arduino được gọi là sketches, được tạo ra trên máy tính có tích hợp

môi trường phát triển(IDE). IDE cho phép bạn viết, chỉnh sửa code và chuyển đổi sao
cho phần cứng có thể hiểu. IDE dung để biên dịch và nạp vào Arduino (quá trình sử lý
này gọi là UPLOAD).
b. Phần cứng Arduino:
Phần cứng Arduino là các board Arduino nơi thực thi các chương trình lập trình.
Các board này có thể điều khiển hoặc đáp trả các tín hiệu điện, vì vậy các thành phần
được ghép trực tiếp vào nó để tương tác với thế giới thực để cảm nhận hoặc truyền thông.
Ví dụ các cảm biến bao gồm các thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc. Các
thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa và các thiết bị hiển thị.
c. Ứng dụng của Arduino
Trong thực tế Arduino có rất nhiều ứng dụng bởi khả năng xử lý linh hoạt, phần
cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác. Do đó có thể ứng dụng trong hầu hết các hệ
thống điều khiển tự động từ đơn giản là các thiết bị báo cháy báo ga, hay phức tạp hơn
là xử lý máy in 3D.

Hình 1.16. Máy in 3D
Một cuộc cách mạng khác cũng đang âm thầm định hình nhờ vào Arduino, đó là
sự phát triển máy in 3D nguồn mở Reprap. Máy in 3D là công cụ giúp tạo ra các vật thể
thực trực tiếp từ các file CAD 3D. Công nghệ này hứa hẹn nhiều ứng dụng rất thú vị

17

trong đó có cách mạng hóa việc sản xuất cá nhân. Máy in 3D là sự tổng hòa của kỹ thuật
và công nghệ để làm cho cuộc sống trở nên đẹp hơn nhờ các ứng dụng của nó.

Hình 1.17. Robot
Trong hình trên Robot được lập trình bởi Arduino với chức năng quay camera dò
đường và truyền thông về máy tính. Trên máy tính sẽ quản lý và điều chỉnh hướng của
Robot. Ứng dụng này cũng rất hay, có thể ứng dụng trong công nghiệp, dân dụng hoặc
quân sự làm robot do thám

Hình 1.18. Máy bay không người lái
UAV là một ứng dụng đặc biệt thíchhợp với Arduino do chúng có khả năng xử
lý nhiều loại cảm biến như Gyro, accelerometer, GPS…; điều khiển động cơ servo và
cả khả năng truyền tín hiệu từ xa.

Hình 1.19. Lập tình game tương tác

18

Việc đọc cảm biến và tương tác với PC là một nhiệm vụ rất đơn giản đối với
Arduino. Do đó rất nhiều ứng dụng game tương tác có sử dụng Arduino. Trong hình trên
game được tương tác với Arduino ngưới dùng có thể điều khiển cần chơi game , trên
màn hình LCD cũng hiển thị các chức năng bấm và máy tính là giao diện tương tác
người dùng.

Hình 1.20. Điều khiển hiệu ứng ánh sáng.
Các tác vụ điều khiển đơn giản như đóng ngắt đèn LED hay phức tạp như điều
khiển ánh sáng theo nhạc hoặc tương tác với ánh sáng laser đều có thể thực hiện với
Arduino.
1.3. Kết luận chương
Trong chương

này chúng ta đã tìm hiểu tổng quan về mạng cảm nhận không dây,
cấu trúc và các ứng dụng của nó đã cho thấy sự phát triển của mạng cảm biến và tầm
quan trọng đối với cuộc sống của chúng ta. Với sự phát triển như vũ bão của khoa học
công nghệ thì lĩnh vực mạng cảm biến sẽ có nhiều ứng dụng mới.


19

CHƯƠNG II
THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Mô hình hệ thống
2.1.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống

Hình 2.1. Sơ đồ ngữ cảnh hệ thống giám sát sức khỏe trong mạng cảm biến không dây.
Hệ thống được đưa ra bao gồm một thiết bị giám sát nhịp tim và nhiệt độ được
gắn vào cổ tay của bệnh nhân. Thết bị này được kết nối với mạng cảm biến không dây
qua chuẩn truyền thông Zigbee bằng Arduino kết hợp Xbee ZB24, ngoài ra còn được
ghép nối với mạng GSM qua modul SIM 900A. Khi bệnh nhân nằm trong vùng mạng
cảm biến không dây, dữ liệu về nhịp tim và nhiệt độ sẽ được đưa về máy chủ để các bác
sỹ theo dõi. Nhưng khi bệnh nhân đi ra khỏi vùng phủ sóng của mạng cảm biến không
dây thì khi bệnh nhân gặp vấn đề về sức khỏe (Nhịp tim thay đổi bất thường hoặc nhiệt
độ thay đổi), thiết bị sẽ báo về số điện thoại của người thân hoặc bác sỹ thông báo tính
hình sức khỏe của bệnh nhân thông qua SMS.

20

2.1.2. Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống gồm các khối như hình trên được kết nối với nhau với các chức năng
cụ thể sau:
a. Khối điều khiển
Khối điều khiển là modul Arduino Mega2560 có nhiệm vụ nhận dữ liệu cảm biến
nhiệt độ trên cơ thể, và số nhịp tim mỗi phút của người bệnh để phân tích và đưa về máy
tính hoặc gửi về điện thoại.