Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trường

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

1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Phan Quốc Thắng


2

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đƣợc luận văn này, em đã đƣợc học hỏi những kiến thức vô cùng
quý báu từ các thầy, cô giáo trong trƣờng Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà
Nội trong hai năm qua. Em vô cùng biết ơn sự dạy dỗ, chỉ bảo tận tình của các thầy,
các cô trong thời gian học tập cao học tại 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 đã chỉ bảo và
định hƣớng cho em nghiên cứu đề tài này. Thầy đã cho em những lời khuyên bổ ích và
quý báu trong suốt quá trình hoàn thành luận văn.
Do hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ bản thân, bài luận văn của em
không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong các thầy cô góp ý và củng cố đề bài
luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. 9
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.
1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ............... Error! Bookmark not defined.
1.1.

Mạng cảm biến không dây là gì? ..................... Error! Bookmark not defined.

1.2.

Thành phần cấu trúc cơ bản của 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 một nút mạng [6] ........................ Error! Bookmark not defined.

1.3.

Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây........... Error! Bookmark not

defined.
1.4.

Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống ............ Error! Bookmark not

defined.
2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3] ............... Error! Bookmark not defined.
2.1.

Mạng cảm biến trong môi trƣờng .................... Error! Bookmark not defined.

2.2.

Ứng dụng trong y tế ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.

Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng ..... Error! Bookmark not defined.

2.4.

Ứng dụng trong giám sát và điều khiển công nghiệp .... Error! Bookmark not

defined.
2.5.

WSN trong nông nghiệp .................................. Error! Bookmark not defined.

2.6.

WSN trong quân sự .......................................... Error! Bookmark not defined.

3. Những khó khăn và hạn chế trong 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 trong việc xây dựng WSN ................. Error! Bookmark not defined.

4. Kết luận ................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .... Error!
Bookmark not defined.
1. Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] ............. Error!
Bookmark not defined.
1.1.

Tính động của mạng......................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.

Trật tự sắp xếp của mạng ................................. Error! Bookmark not defined.

1.3.

Khả năng của các nút mạng ............................. Error! Bookmark not defined.

1.4.

Vấn đề năng lƣợng ........................................... Error! Bookmark not defined.

1.5.

Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu.................... Error! Bookmark not defined.

2. Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến .............. Error! Bookmark not defined.
3. Các định tuyến chính hay đƣợc dùng trong mạng WSN[5],[11] . Error! Bookmark
not defined.
3.1.

Định tuyến trung tâm dữ liệu ........................... Error! Bookmark not defined.

3.1.1.

Giao thức Flooding và 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.

4. Kết luận ................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4

....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] ............................... Error! Bookmark not defined.
2. Mô mình mạng Zigbee[10] ..................................... Error! Bookmark not defined.


5

2.1.

Mạng hình sao (Star Network) ......................... Error! Bookmark not defined.

2.2.

Mạng hình lƣới (Mesh Network) ..................... Error! Bookmark not defined.

2.3.

Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) ......... Error! Bookmark not defined.

3. Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] ...................... Error! Bookmark not defined.
4. Tầng vật lý (PHY)[10] ............................................ Error! Bookmark not defined.
4.1.

Điều chế tín hiệu của 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.

5. Tầng điều khiển dữ 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 dữ 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.

6. Tầng mạng của 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.

7. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] ...... Error! Bookmark not defined.
8. Kết luận ................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG
....................................................................................... Error! Bookmark not defined.
1. Bài toán đặt ra ......................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.

Mô hình bài toán cần xây dựng........................ Error! Bookmark not defined.

1.2.

Bài toán mô phỏng đặt ra ................................. Error! Bookmark not defined.

2. Sơ đồ khối chung của mạch .................................... Error! Bookmark not defined.
3. 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 ở 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 dữ liệu của các nút mạng ............ Error! Bookmark not

defined.
3.4.3.

Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính ........ Error! Bookmark not

defined.
4. Kết quả của bài toán................................................ Error! Bookmark not defined.
4.1.

Mạch thực tế..................................................... Error! Bookmark not defined.

4.2.

Màn hình giám sát ............................................ Error! Bookmark not defined.

5. 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
1. Chƣơng trình code cho vi điều khiển .................................................................. 79
1.1.

Chƣơng trình cho từng nút con thực hiện đo, thu và phát tín hiệu ............... 79

1.2.

Chƣơng trình cho nút chủ đo, phát và thu tín hiệu ....................................... 92

2. Chƣơng trình code phần mềm ...........................................................................114
2.1.

Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ và vẽ đồ thị ............................................114

2.2.

Giao diện chính ........................................................................................... 118


7

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 do

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang phát
with Collision Detection

hiện đụng độ

CW

Congestion Window

Cửa sổ tranh chấp

FFD

Full Function Device

Thiết bị hỗ trợ đầy đủ chức năng theo
chuẩn Zigbee

GAF

Global

Assessment

of Giải thuật chính xác theo địa lý

Functioning
GEAR

Geographic

Energy- Định tuyến nhận biết năng lƣợng và

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 và điện tử

Electronics Engineers
LCD

Liquid Crystal Display

LEACH

Low

Engergy

Màn hình tinh thể lỏng

Adaptive Phân cấp cụm thích ứng với năng 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 bộ

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

8

Mạng cá nhân

PAN

Personal Area Networks

PEGASIS

Power-efficient Gathering in Giao thức định tuyến và tập trung hiệu
Sensor Information Systems

suất trong mạng cảm biến

PHY

Physical layer

Tầng vật lý

PPDU

Presentation

Protocol

Data Khối dữ liệu của 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 năng của
chuẩn Zigbee

SPIN

Sensor

Protocol

for Giao thức định tuyến thông tin dựa vào

Information via Negotiation

sự dàn sếp dữ liệu

WLAN

Wireless local area network

Mạng vô tuyến cục bộ

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không đây

ZC

Zigbee Coordinator

Thiết bị điều phối Zigbee

ZDO

Zigbee Device Object

Đối tƣợng thiết bị Zigbee


77

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng việt
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 Trung Dũng, Nguyễn Văn Đức, Nguyễn Ngọc Tuấn, Nguyễn Tiến
Dũng, Trịnh Hùng Tín, Lƣu Tiến Đạt (2013), “Sử dụng hiệu quả năng 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( số 157), tháng 3/2014
Tiếng Anh
7. Anna Ha’c (2003), Wireless Sensor Network Designs, University of Hawaii at
Manoa, Honolulu, USA, John Wiley & Sons Ltd
8. Deying Li, Magie Xiaoyan Cheng (2001), Advances in wireless ad hoc and
sensor Networks, Springer
9. 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.


78

14. />15. />16. />