XÂY DỰNG HỆ THỐNG AN TOÀN ĐƯỜNG SẮT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY

1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
BÁO CÁO
THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
Đề tài:
XÂY DỰNG HỆ THỐNG AN TOÀN ĐƯỜNG
SẮT DỰA TRÊN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG
DÂY
Sinh viên thực hiện: HOÀNG LÊ MINH
Lớp ĐT03 - K51
Giảng viên hướng dẫn: TS. PHẠM VĂN TIẾN
Hà Nội, 2-2011
Mục lục
1. Mở đầu 4
2. Thiết kế hệ thống 16
3. Kết quả đã đạt được 23
4. Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới 25
5. Tài liệu tham khảo 26
2
Danh mục hình vẽ
Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến 6
Hình 2-2 Sơ đồ khối module thu phát RF 16
Hình 2-3 Sơ đồ khối module MRF24J40MA 17
Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ thống 18
Hình 2-5 Sơ đồ khối node cảm biến 19
Hình 2-6 Sơ đồ khối node thu phát trung gian 19
Hình 2-7 Sơ đồ khối node điều khiển barrier 20
Hình 2-8 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 21
Hình 2-9 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến 22
Hình 2-10 Sơ đồ trạng thái của node điều khiển barrier 23

Hình 3-11 Mạch thu phát [1] 24
Hình 3-12 Mạch thu phát [2] 24
Hình 3-13 Mạch thu phát [3] 25
Hình 3-14 Kết nối với máy tính 25
3
1. Mở đầu
Hệ thống đường sắt ở Việt Nam hiện nay còn tồn đọng rất nhiều vấn đề đặc
biệt là về an toàn đường sắt. Nhiều đoạn đường sắt có giao cắt với đường dân
sinh mà không hề có rào chắn hoặc nếu có thì cũng do người trực điều khiển bằng
tay do đó độ an toàn và tin cậy không cao. Rất nhiều những vụ tai nạn thương tâm
đã xảy ra do những thiếu thốn về cơ sở vật chất này. Có thể thấy rằng việc xây
dựng một hệ thống tự động có khả năng phát hiện tàu tới và điều khiển đóng mở
rào chắn cũng như kết hợp với cảnh báo người đi lại bằng âm thanh là yêu cầu rất
cấp thiết hiện nay.
Trong quá trình thực tập tại phòng Lab C9 - 411 khoa Viện Điện Tử Viễn
Thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội, em đã tham gia nhóm nghiên cứu về mạng
cảm biến không dây (WSN) dựa trên chuẩn truyền thông không dây 802.15.4.
Với ưu điểm là các thiết bị thu phát theo chuẩn này tiêu thụ năng lượng rất thấp,
tốc độ dữ liệu không cao, chi phí cho phần cứng thấp có khả năng tạo mạng với
số lượng node lớn nên công nghệ này rất thích hợp khi áp dụng vào việc xây
dựng hệ thống an toàn đường sắt.
1.1. Khái niệm chung về mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network - WSN) là một mạng
bao gồm một số lượng lớn các node cảm biến có kích thước nhỏ gọn, giá
thành thấp, có sẵn nguồn năng lượng, có khả năng tính toán và trao đổi với
các thiết bị khác nhằm mục đích thu thập thông tin toàn mạng để đưa ra các
thông số về môi trường, hiện tượng và sự vật mà mạng quan sát.
Các node cảm biến là các sensor có kích thước nhỏ, thực hiện việc thu phát
dữ liệu và giao tiếp với nhau chủ yếu qua kênh vô tuyến. Các thành phần của
node cảm biến bao gồm: các bộ vi xử lý rất nhỏ, bộ nhớ giới hạn, bộ phận cảm

4
biến, bộ phận thu phát không dây, nguồn nuôi. Kích thước của các con cảm
biến này thay đổi tùy thuộc vào từng ứng dụng.
Mạng cảm biến không dây ra đời đáp ứng nhu cầu thu thập thông tin về
môi trường, khí hậu, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh
học và hóa học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, …để từ đó
phân tích, xử lý và đưa ra các phương án phù hợp hoặc cảnh báo hay đơn
thuần chỉ là lưu trữ số liệu.
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, công nghệ nano,
giao tiếp không dây, công nghệ mạch tích hợp, vi mạch phần cảm biến… đã
tạo ra những con cảm biến có kích thước nhỏ gọn, đa chức năng, giá thành
thấp, tiêu thụ năng lượng ít, làm tăng khả năng ứng dụng rộng rãi của mạng
cảm biến không dây.
Mạng cảm biến không dây có một số đặc điểm sau:
− Phát thông tin quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop.
− Được triển khai với mật độ sensor lớn.
− Cấu hình mạng thường xuyên thay đổi phụ thuộc và fadinh và
hư hỏng ở các node.
− Các node trong mạng cảm biến bị hạn chế về công suất, khả
năng xử lý và dung lượng nhớ.
− Mạng cảm biến thường phụ thuộc vào ứng dụng.
− Vị trí các node mạng cảm biến không cần thiết phải thiết kế
hoặc xác định trước. Do đó có thể phân bố ngẫu nhiên trong các địa
hình phức tạp.
− Khả năng phối hợp giữa các node cảm biến: các node cảm biến
có gắn bộ xử lý bên trong, do đó thay vì gửi dữ liệu thô tới đích thì
chúng gửi dữ liệu đã qua tính toán đơn giản.
5
1.2. Cấu trúc toàn mạng cảm biến không dây

Các node cảm biến được phân bố trong một trường sensor như hình 1.1.
Mỗi node cảm biến có khả năng thu thập dữ liệu và định tuyến lại đến các
sink.
Dữ liệu được định tuyến lại đến các sink bởi một cấu trúc đa điểm như
hình dưới. các sink có thể giao tiếp với các node quản lý nhiệm vụ (task
manager node) qua mạng Internet hoặc vệ tinh.
Sink là một thực thể, tại đó thông tin được yêu cầu. Sink có thể là thực thể
bên trong mạng (là một node cảm biến) hoặc ngoài mạng. Thực thể ngoài
mạng có thể là một thiết bị thực sự ví dụ như máy tính xách tay mà tương tác
với mạng cảm biến, hoặc cũng đơn thuần chỉ là một gateway mà nối với mạng
khác lớn hơn như Internet nơi mà các yêu cầu thực sự đối với các thông tin lấy
từ một vài node cảm biến trong mạng.
Hình 1-1 Cấu trúc mạng cảm biến
Như trên ta đã biết, 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 ràng buộc về tài
nguyên đặc biệt là năng lượng rất khắc khe. Do đó, cấu trúc mạng mới có đặc
điểm rất khác với mạng truyền thống. Sau đây, ta sẽ phân tích một số đặc
điểm nổi bật trong mạng cảm biến như sau:
Khả năng chịu lỗi: một số các node cảm biến có thể không hoạt động nữa
do thiếu năng lượng, do những hư hỏng vật lý hoặc do ảnh hưởng của môi
6
trường. Khả năng chịu lỗi thể hiện ở việc mạng vẫn có thể hoạt động bình
thường, duy trì những chức năng của nó ngay cả khi một số node mạng không
hoạt động.
Khả năng mở rộng: số lượng các node cảm biến là tùy thuộc vào từng ứng
dụng cụ thể, có khi lên đến hàng triệu. Do đó cấu trúc mạng mới phải có khả
năng mở rộng để có thể làm việc với số lượng lớn các node này.
Giá thành sản xuất: vì các mạng cảm biến bao gồm một cố lượng lớn các
node cảm biến nên chi phí của mỗi node rất quan trọng trong việc điều chỉnh
chi phí của toàn mạng. Nếu chi phí của toàn mạng đắt hơn chi phí triển khai

sensor theo kiểu truyền thống, như vậy mạng không có giá thành hợp lý. Do
vậy, chi phí của mỗi node cảm biến phải giữ ở mức thấp.
Dễ triển khai: là một ưu điểm quan trọng của mạng cảm biến không dây.
Người sử dụng không cần phải hiểu về mạng cũng như cơ chế truyền thông
khi làm việc với WSN. Bởi để triển khai hệ thống thành công, WSN cần phải
tự cấu hình. Thêm vào đó, sự truyền thông giữa hai node có thể bị ảnh hưởng
trong suốt thời gian sống do sự thay đổi vị trí hay các đối tượng lớn. Lúc này,
mạng cần có khả năng tự cấu hình lại để khắc phục những điều này.
Ràng buộc về phần cứng: vì trong mạng có một số lượng lớn các node cảm
biến nên chúng phải có sự ràng buộc với nhau về phần cứng: kích thước phải
nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng, có khả năng hoạt động ở những nơi có mật độ cao,
hoạt động không cần có người kiểm soát, thích nghi với môi trường…
Môi trường hoạt động: các node cảm biến được thiết lập dày đặc, rất gần
hoặc trực tiếp bên trong các hiện tượng để quan sát. Vì thế, chúng thường làm
việc mà không cần giám sát ở những vùng xa xôi. Chúng có thể làm việc ở
bên trong các máy móc lớn, những điều kiện môi trường khắc nhiệt, ô nhiễm.
Phương tiện truyền dẫn: ở những mạng cảm biến multihop, các node trong
mạng giao tiếp với nhau bằng sóng vô tuyến, hồng ngoại hoặc những phương
tiện quang học. Các phương tiện truyền dẫn phải được chọn phù hợp trên toàn
thế giới để thiết lập sự hoạt động thống nhất của những mạng này.
Cấu hình mạng cảm biến: trong mạng cảm biến, hàng trăm đến hàng nghìn
node được triển khai trên trường cảm biến. Chúng được triển khai trong vòng
7
hàng chục feet của mỗi node. Mật độ các node lên tới 20 node/m
3
. Do số
lượng các node cảm biến rất lớn nên cần phải thiết lập một cấu hình ổn định.
Sự tiêu thụ năng lượng: các node cảm biến không dây, có thể coi là một
thiết bị vi điện tử chỉ có thể được trang bị nguồn năng lượng giới hạn (<0.5
Ah, 1.2 V). Trong một số ứng dụng, việc bổ sung nguồn năng lượng không

thể thực hiện được. Vì thế khoảng thời gian sống của các node cảm biến phụ
thuộc mạng vào thời gian sống của pin. Ở mạng cảm biến multihop ad hoc,
mỗi một node đóng vai trò kép vừa khởi tạo vừa định tuyến dữ liệu. Sự trục
trặc của một vài node cảm biến có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong
cấu hình và yêu cầu định tuyến tại các gói và tổ chức lại mạng. Vì vậy, việc
duy trì và quản lý nguồn năng lượng đóng một vai trò quan trọng.
Bảo mật: các thông tin về nhiệt độ đối với ứng dụng giám sát môi trường
dường như vô hại nhưng việc giữ bí mật thông tin và rất quan trọng. Các hoạt
động của một tòa nhà có thể thu thập được dễ dàng bằng cách lấy thông tin về
nhiệt độ và ánh sáng của tòa nhà đó. Những thông tin này có thể được sử dụng
để sắp xếp một kế hoạch tấn công vào một công ty. Do đó, WSN cần có khả
năng giữ bí mật các thông tin thu thập được. Trong các ứng dụng an ninh, dữ
bảo mật trở nên rất quan trọng. không chỉ duy trì tính bí mật, nó còn phải có
khả năng xác thực dữ liệu truyền. Sự kết hợp tính bí mật và xác thực là yêu
cầu cần thiết của cả ba dạng ứng dụng. Việc sử dụng mã hóa và giải mã sẽ làm
tăng chi phí về năng lượng và băng thông. Dữ liệu mã hóa và giải mã cần
được truyền cùng với mỗi gói tin. Điều đó ảnh hưởng tới hiệu suất ứng dụng
do giảm số lượng dữ liệu lấy từ mạng và thời gian sống mong đợi.
1.3. Hai cấu trúc đặc trưng của mạng cảm biến
1.3.1. Cấu trúc phẳng
Trong cấu trúc phẳng (flat architectute) (hình 1.4): tất cả các node đều
ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng và chức năng. Các node giao
tiếp với sink qua multihop sử dụng các node ngang hàng làm bộ tiếp sóng.
8
Hình 1-1 Cấu trúc phẳng của mạng cảm biến
Với phạm vi truyền cố định, các node gần sink hơn sẽ đảm bảo vai trò
của bộ tiếp sóng đối với một số lượng lớn nguồn. Giả thiết rằng tất cả các
nguồn đều dùng cùng một tần số để truyền dữ liệu, vì vậy có thể chia sẻ
thời gian. Tuy nhiên cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có nguồn
chia sẻ đơn lẻ, ví dụ như thời gian, tần số.

1.3.2. Cấu trúc tầng
Trong Cấu trúc tầng (tiered architecture) (hình 1.5): các cụm được tạo
ra giúp các tài nguyên trong cùng một cụm gửi dữ liệu single hop hay
multihop (tùy thuộc vào kích cỡ của cụm) đến một node định sẵn, thường
gọi là node chủ (cluster head). Trong cấu trúc này các node tạo thành một
hệ thống cấp bậc mà ở đó mỗi node ở một mức xác định thực hiện các
nhiệm vụ đã định sẵn.
Hình 1-2 Cấu trúc tầng của mạng cảm biến
9
Hình 1-3 Cấu trúc mạng phân cấp chức năng theo lớp
Trong cấu trúc tầng thì chức năng cảm nhận, tính toán và phân phối dữ
liệu không đồng đều giữa các node. Những chức năng này có thể phân
theo cấp, cấp thấp nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện
tính toán, và cấp trên cùng thực hiện phân phối dữ liệu (xem hình 1.6)
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn so
với cấu trúc phẳng, vì một số lý do sau:
− Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí cho mạng cảm biến bằng việc
định vị các tài nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động hiệu quả nhất.
Rõ ràng là nếu triển khai các phần cứng thống nhất. Mỗi node chỉ
cần một lượng tài nguyên tối thiểu để thực hiện tất cả các nhiệm vụ.
− Mạng cấu trúc tầng có tuổi thọ cao hơn cấu trúc mạng phẳng. Khi
cần phải tính toán nhiều thì một bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn,
phụ thuộc vào thời gian yêu cầu thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với
các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong khoảng thới gian dài,
các node tiêu thụ ít năng lượng phù hợp với yêu cầu xử lý tối thiểu
sẽ hoạt động hiệu quả hơn. Do vậy, với cấu trúc tầng mà các chức
năng mạng phân chia giữa các phần cứng đã được thiết kế riêng cho
từng chức năng sẽ làm tăng tuổi thọ của mạng.
− Về độ tin cậy: mỗi mạng cảm biến phải phù hợp với số lượng các
node yêu cầu thỏa mãn điều kiện về thời gian sống và băng thông.

10
Với mạng cấu trúc phẳng, khi kích cỡ mạng tăng lên thì thông
lượng của mỗi node sẽ giảm về 0. Việc nghiên cứu các mạng cấu
trúc tầng đem lại nhiều triển vọng để khắc phục vấn đề này. Một
cách tiếp cận là dùng một kênh đơn lẻ trong cấu trúc phân cấp,
trong đó các node ở cấp thấp hơn tạo thành một cụm xung quanh
trạm gốc. Trong trường hợp này, dung lượng của mỗi lớp trong cấu
trúc tầng và dung lượng của mỗi cụm trong mỗi lớp xác định là độc
lập với nhau.
Tóm lại, khi dùng cấu trúc tầng thì việc tương thích giữa các chức năng
trong mạng có thể đạt được. Hiện nay, người ta đang tập trung nghiên cứu về
các tiện ích về tìm địa chỉ trong mạng cấu trúc tầng.
1.4. Khái quát về ZIGBEE / IEEE 802.15.4
1.4.1. Khái quát về mạng WPAN
WPAN là mạng vô tuyến cá nhân. Nhóm này bao gồm các công nghệ
vô tuyến có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét tối đa. Các công
nghệ này phục vụ mục đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn
phím, chuột, đĩa cứng, khóa USB,đồng hồ, với điện thoại di động, máy
tính. Các công nghệ trong nhóm này bao gồm: Bluetooth, Wibree, ZigBee,
UWB, Wireless USB, EnOcean
1.4.2. Khái niệm ZigBee
− Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn
có tốc độ truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn
Zigbee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz.
Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong
mật đó là kiểu “zig-zag” của loài ong “honey-Bee”. Cái tên Zigbee
cũng được ghép từ 2 từ này.
− Với những đặc điểm chính :
+ Tốc độ truyền dữ liệu thấp 20-250Kbps
+ Sử dụng công suất thấp, ít tiêu hao điện năng

11
+ Thời gian sử dụng pin rất dài
+ Cài đặt, bảo trì dễ dàng
+ Độ tin cậy cao
+ Có thể mở rộng đến 65000 node
+ Chi phí đầu tư thấp.
− Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4 GHz(toàn cầu), 40 kbps ở dải
tần 915 MHz (Mỹ ,Nhật) và 20kbps ở dải tần 868 MHz (Châu Âu).
1.4.3. Lịch sử phát triển
− Mạng Zigbee được hình thành năm 1998 khi các kỹ sư công nghệ nhận
thấy Wifi và Bluetooth không thích hợp với nhiều ứng dụng. Tháng 5
năm 2003, tiêu chuẩn IEEE 802.15.4 được hoàn thành. Tháng 10 năm
2004, Liên minh Zigbee ra đời. Đây là hiệp hội các công ty làm việc
cùng nhau để cho phép và kiểm soát các sản phẩm mạng không dây tốc
độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật cao. Là
một tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận. Nó tạo ra các tiêu chuẩn
kỹ thuật cho Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thị
trường.
− Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời từ đó đến nay:
+ Ngày 11/12/2004, phiên bản đầu tiên ra đời: Zigbee 2004. Cũng
trong thời gian này điện thoại Zigbee đầu tiên trên thế giới được
giới thiệu với những tính năng như điều khiển các thiết bị điện gia
dụng, theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và hệ thống báo động.
+ Tháng 12/2006, Zigbee 2006 ra đời.
+ Năm 2007, Zigbee PRO ra đời với những tính năng vượt trội hơn.
1.4.4. So sánh ZigBee với Bluetooth và Wifi
− Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh
network) thay vì chỉ có 2 sản phẩm tương tác với nhau như Bluetooth
và Wifi. Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét
lên đến vài trăm mét.

12
− Công nghệ này đòi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ
chỉ đạt 256 Kb/giây, đồng thời Zigbee sử dụng rộng hơn trong các
mạng mắt lưới rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Phạm vi hoạt
động của nó có thể đạt từ 10 – 75m trong khi đó Bluetooth chỉ có 10
mét trong trường hợp không có khuếch đại .
Zigbee Wifi Bluetooth
Tần số 868 MHz, 915
MHz, 2.4 GHz
2.4 GHz 2.4GHZ, 5GHz
Data Rate 20-250 Kbps 1-100Mbps 1-3Mbps
Khoảng cách 10-100m 30-300m 2-10m
1.4.5. Ứng dụng
− Năng lượng thông minh:
Là tiêu chuẩn hàng đầu thế giới cho các sản phẩm tương thích mà
theo dõi, kiểm soát, thông báo và tự động hóa việc cung cấp và sử dụng
năng lượng nước. Nó giúp tạo ra ngôi nhà xanh hơn bằng cách cho
người tiêu dung những thông tin và tự động hóa cần thiết để giảm mức
tiêu thụ của họ một cách dễ dàng và tiết kiệm tiền. Tiêu chuẩn này hỗ
trợ các nhu cầu đa dạng của hệ sinh thái toàn cầu, các nhà sản xuất sản
phẩm và những dự án của chính phủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng và
nước trong tương lai.
− ZigBee điều khiển từ xa:
Cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu tiên tiến và dễ sử dụng điều
khiển từ xa RF hoạt động non-line-of-sight, hai chiều, còn phạm vi sử
dụng và tuổi thọ pin mở rộng. Nó được thiết kế cho một loạt các thiết
bị rạp hát tại nhà, các hộp set-top, thiết bị âm thanh khác. Điều khiển từ
xa ZigBee giải phóng người tiêu dùng từ chỉ điều khiển từ xa ở các
thiết bị. Nó cung cấp cho người tiêu dùng linh hoạt hơn, cho phép kiểm
soát các thiết bị từ phòng gần đó và vị trí của các thiết bị hầu như bất

13
cứ nơi nào - bao gồm cả phía sau gỗ, tường, trang trí nội thất hoặc thủy
tinh.
− ZigBee nhà thông minh:
ZigBee nhà thông minh cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu cho các
sản phẩm tương thích cho phép nhà thông minh có thể kiểm soát thiết
bị, chiếu sáng, quản lý môi trường năng lượng, và an ninh, cũng như
mở rộng để kết nối với các mạng ZigBee. Nhà thông minh cho phép
người tiêu dùng tiết kiệm tiền, cảm thấy an toàn hơn và tận hưởng một
loạt các tiện nghi dễ dàng và ít tốn kém để duy trì.
Zigbee nhà thông minh hỗ trợ một hệ sinh thái đa dạng của các nhà
cung cấp dịch vụ và các nhà sản xuất sản phẩm khi họ phát minh ra sản
phẩm cần thiết để tạo ra ngôi nhà thông minh. Những sản phẩm này là
lý tưởng để xây dựng mới thêm các thị trường, và rất dễ sử dụng, duy
trì và cài đặt. Tất cả sản phẩm Zigbee nhà thông minh được chứng
nhận để thực hiện. Nhiều công ty đổi mới đã đóng góp chuyên môn của
họ vào tiêu chuẩn này, bao gồm Phillips, Control4 và Texas
Instruments.
− ZigBee chăm sóc sức khỏe:
Là theo dõi bệnh nhân tại nhà. Ví dụ, huyết áp và nhịp tim của một
bệnh nhân được đo bởi các thiết bị đeo trên người. Bệnh nhân mang một
thiết bị Zigbee tập hợp các thông tin lien quan đến sức khỏe như huyết áp
và nhịp tim. Sau đó dữ liệu được truyềnkhông dây đến một máy chủ địa
phương, có thể là một máy tính cá nhân đặt trong nhà bệnh nhân, nơi mà
việc phân tích ban đầu được thực hiện.
Cuối cùng, thông tin quan trọng được chuyển tới y tá của bệnh nhân
hay nhân viên vật lý trị liệu thông qua Internet để phân tích sâu hơn. Chăm
sóc sức khỏe hàng đầu và công ty đang hỗ trợ công nghệ cho sự phát triển
của ZigBee Chăm sóc sức khỏe, bao gồm Motorola, Phillips, Freescale
Semiconductor, Awarepoint và công nghệ RF.

− ZigBee xây dựng tự động:
+ Điều khiển:
14
• Tích hợp và tập trung quản lý chiếu sáng, sưởi ấm, làm mát, an
ninh.
• Tự động kiểm soát nhiều hệ thống để cải thiện tính linh hoạt và
an ninh.
+ Linh hoạt:
• Cấu hình lại hệ thống chiếu sáng một cách nhanh chóng để tạo
ra không gian làm việc thích nghi.
• Mở rộng và nâng cấp xây dựng cơ sở hạ tầng.
+ An toàn:
• Mạng và tích hợp dữ liệu từ các điểm kiểm soát truy cập nhiều
chiều.
• Triển khai mạng lưới giám sát không dây để tăng cường bảo vệ
vòng ngoài.
− ZigBee dịch vụ viễn thông
+ ZigBee Dịch vụ viễn thông cung cấp một tiêu chuẩn toàn cầu
cho các sản phẩm tương thích cho phép một loạt các dịch vụ giá
trị gia tăng, bao gồm giao thông, chơi game di động, dịch vụ dựa
trên địa điểm, thanh toán di động an toàn, quảng cáo di động,
thanh toán khu vực, tiếp cận văn phòng di động kiểm soát, thanh
toán, và peer-to-peer dịch vụ chia sẻ dữ liệu. Điều này tiêu
chuẩn duy nhất cung cấp một cách hợp lý và dễ dàng để giới
thiệu dịch vụ sáng tạo mới mà tất cả mọi người liên lạc hầu như
sử dụng điện thoại di động và thiết bị cầm tay điện tử khác. Nó
cung cấp nhiều dịch vụ giá trị gia tăng cho các nhà khai thác
mạng điện thoại di động, nhà bán lẻ, các doanh nghiệp, và chính
phủ. Người tiêu dùng có thể sử dụng điện thoại di động của họ
để trả cho các sản phẩm và dịch vụ, tạo ra game riêng của họ và

mạng lưới truyền thông, nhận được giảm giá hoặc phiếu giảm
giá từ các nhà bán lẻ, và có được hướng dẫn hoặc thông tin về
không gian công cộng với GPS.
15
+ ZigBee Dịch vụ viễn thông hỗ trợ các nhà sản xuất sản phẩm,
các nhà khai thác điện thoại mạng di động, các doanh nghiệp và
chính phủ khi họ tìm cách mới để tương tác với công chúng. Tất
cả các sản phẩm ZigBee dịch vụ viễn thông được chứng nhận để
thực hiện. Các công ty viễn thông hàng đầu, các nhà sản xuất
sản phẩm và công ty công nghệ dẫn sự phát triển của tiêu chuẩn
này, bao gồm cả Phillips, Telecom Italia, Telefonica, OKI,
Huawei, Motorola và Texas Instruments.
2. Thiết kế hệ thống
2.1. Nền tảng phần cứng
2.1.1. Bộ thu phát vô tuyến MRF24J40 và module
MRF24J40MA
− MRF24J40 là bộ thu phát vô tuyến của Microchip theo chuẩn
IEEE802.15.4, công suất tiêu thụ thấp, chi phí thấp và tốc độ dữ liệu
thấp (250 hoặc 625 kbps).
+ Sơ đồ khối:
Hình 2-2 Sơ đồ khối module thu phát RF
+ Các tính năng chính:
• Nguồn cung cấp : 2.4 - 3.6 V
• Giao diện : SPI.
16
• Tích hợp mạch dao động thạch anh : 20MHz và 32.768 KHz.
• Dòng tiêu thụ :
 Chế độ thu : 19mA.
 Chế độ phát : 23mA.
 Chế độ ngủ : 2µA.

• Băng tần sử dụng cho mục đích công nghiệp, khoa học và y tế
(ISM Band) : 2.405 GHz - 2.48 GHz.
• Độ nhạy : -95 dbm.
• Phần cứng hỗ trợ thực hiện:
 Cơ chế CSMA-CA.
 Tự động phản hồi ACK.
 Kiểm tra FCS (frame check sequence).
− MRF24J40MA là một module được xây dựng dựa trên bộ thu phát vô
tuyến MRF24J40 tích hợp thêm mạch phối hợp trở kháng và anten
PCB. Sơ đồ khối:
Hình 2-3 Sơ đồ khối module MRF24J40MA
2.1.2. PIC18F46K20
− PIC18F46K20 là một loại vi điều khiển 8 bit của Microchip sử dụng
công nghệ nano Watt XLP. Các tính năng chính:
+ Nguồn cung cấp : 1.8-3.6 V
17
+ Hỗ trợ nhiều chế độ sử dụng nguồn dao động
• Tích hợp nguồn dao động nội từ 31KHz đến 16 MHz.
• Cho phép sử dụng nguồn dao động ngoài lên tới 40MHz.
• Tích hợp vòng khóa pha nhân tần số, cho phép tần số dao động
lên tới 64MHz.
+ Bộ nhớ
• Flash memory : 64K.
• EEPROM : 1K
+ Công suất tiêu thụ thấp, có nhiều chế độ hoạt động cho phép quản
lý năng lượng một cách hiệu quả.
− Mục đích : trong đề tài này, PIC18F46K20 được sử dụng để điều khiển
module thu phát vô tuyến MRF24J40MA qua giao diện SPI, qua đó
thực hiện truyền dữ liệu giữa các node trong mạng cảm biến không
dây, phục vụ cho việc báo hiệu trong hệ thống an toàn đường sắt.

2.2. Sơ đồ khối
− Các node mạng sử dụng trong hệ thống an toàn đường sắt được chia
làm 2 loại:
+ Node cảm biến : sử dụng nhằm mục đích phát hiện tàu hỏa sắp đến
vị trí có đường giao cắt (nơi đặt barrier).
+ Node thu phát trung gian.
+ Node điều khiển barrier : được đặt tại vị trí có đường giao cắt để
điều khiển việc đóng mở barrier dựa trên tín hiệu báo hiệu từ các
sensor.
Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ thống
18
2.2.1. Node cảm biến
Hình 2-5 Sơ đồ khối node cảm biến
2.2.2. Node trung gian
Hình 2-6 Sơ đồ khối node thu phát trung gian
19
2.2.3. Node điều khiển barier
Hình 2-7 Sơ đồ khối node điều khiển barrier
2.3. Cơ chế hoạt động
2.3.1. Node cảm biến
20
Hình 2-8 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến
2.3.2. Node thu phát trung gian
21
Hình 2-9 Sơ đồ trạng thái tại node cảm biến
2.3.3. Node điều khiển barier
22
Hình 2-10 Sơ đồ trạng thái của node điều khiển barrier
3. Kết quả đã đạt được
3.1. Module thu phát

− Dưới đây là hình ảnh về một số module thu phát RF do nhóm em xây
dựng:
23
Hình 3-11 Mạch thu phát [1]
Hình 3-12 Mạch thu phát [2]
24
Hình 3-13 Mạch thu phát [3]
3.2. Kết quả truyền số liệu giữa 2 module thu phát
− Dưới đây là hình ảnh truyền dữ liệu giữa 2 module thu phát sau đó hiển thị
kết quả trên của sổ terminal:
Hình 3-14 Kết nối với máy tính
4. Định hướng nghiên cứu trong thời gian tới
− Khảo sát các loại cảm biến có thể sử dụng để phát hiện tàu hỏa để tích hợp
vào hệ thống.
25