Thiết kế mô hình mạng cảm biến không dây tiết kiệm năng lượng dùng giao diện labview

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

PHAN TRỊN

THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY TIẾT
KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số chuyên ngành: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HOÀNG MINH TRÍ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Lê Tiến Thường

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Hoàng Trang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày . . . . . tháng 12 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.

4.
5.

..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................
..............................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Tròn

MSHV:11140067

Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1984

Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử

Mã số: 62.50.70

I. TÊN ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY TIẾT KIỆM NĂNG
LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒNG MINH TRÍ

Tp. HCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến TS. Hồng Minh Trí là
người đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Thầy đã tận tình hướng đi
đúng đắn trong nghiên cứu khoa học, rèn luyện cho em cách làm việc khoa học và tư
duy khoa học, đồng thời, luôn theo dõi và định hướng em trong q trình hồn thành

đề tài.
Em cũng xin cảm ơn q thầy cơ khoa Điện-Điện Tử, những người đã tận tình
chỉ bảo, cung cấp cho chúng em những kiến thức kỹ thuật nền tảng và chuyên sâu,
là cơ sở quan trọng để em hoàn thành luận văn này và vững bước chuyên môn trong
con đường sự nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đã thường xuyên động viên,
giúp đỡ cả về vật chất và tinh thần, giúp em hoàn thành thật tốt luận văn này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến trường Cao đẳng Kinh Tế - Kỹ Thuật
Phú Lâm, nơi em đang công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều cho em về thời gian,
giúp em có thể hồn thành tốt khóa học cũng như luận văn này.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 11 năm 2013

Phan Trịn

i


TĨM TẮT
Mạng cảm biến khơng dây gần đây đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm trong
lĩnh vực thông tin vơ tuyến vì sự hiệu quả của nó. Trong mơ hình thiết kế, các node
mạng được sử dụng như một giải pháp hiệu quả trong việc đo được các thông số như
nhiệt độ, độ ẩm tại môi trường xung quanh. Các node mạng xử lý thông số đo được
và truyền thông không dây gián tiếp hoặc trực tiếp giữa các node mạng gửi đến trung
tâm. Tại trung tâm hiển thị thống số như nhiệt độ, độ ẩm, công suất phát và biểu đồ
dạng sóng của các node lên giao diện Labview.
Trong mạng cảm biến không dây, nguồn cung cấp cho các node mạng hoạt động
chủ yếu là nguồn pin. Các node mạng hoạt động đo đạt các thông số như nhiệt độ, độ
ẩm ở những mơi trường khó khăn trong tiếp cận. Do đó, việc thay thế nguồn pin cho
các node mạng gặp rất nhiều khó khăn. Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho các node

mạng là rất cần thiết để duy trì thời gian sống của mạng. Vì vậy, các node mạng hoạt
động ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng. Mặc khác, vấn đề tiết kiệm năng lượng
cho các node mạng sử dụng các giao thức định tuyến, các giao thức lập trình ngủ. Đã
có rất nhiều cơng trình nghiên cứu các mơ hình thiết kế mạng cảm biến không dây.
Luận văn này tập trung vào thiết kế mơ hình mạng cảm biến khơng dây tiết kiệm năng
lượng dùng giao diện Labview. Trước tiên, tìm hiểu tổng quan mạng cảm biến không
dây, các giao thức lập trình ngủ và các module thiết kế. Cuối cùng, thực hiện thiết kế
mơ hình và phân tích, so sánh các kết quả đo được ở môi trường xung quanh.

ii


ABSTRACT
Wireless sensor networks has recently received much attention in the field of radio
communications for its performance. In the design model, the network node is used
as an effective solution to achieve the measured parameters such as temperature,
humidity in the surrounding environment. The network nodes process measured
parameters and transfer indirectly or directly by wireless communications between
nodes and send to the central network. At the center network, these parameters, such
as temperature, humidity, power output and waveform of node are displayed on
LabVIEW interface.
In wireless sensor networks, power supply for network nodes operation is mainly
battery. The network nodes get the measured parameters such as temperature,
humidity of the environment is so far from the center network. Therefore, the battery
replacement for the network node encounteres many difficulties. The issue of energy
saving for the network node is required to maintain the network life time. Therefore,
the network nodes must be set up and configured in sleep mode to save energy. On
the other hand, the issue of energy saving for the network node uses the routing
protocol, the sleep programmable protocol. There have been many researches of
model designed for wireless sensor networks. This thesis focuses on the design model

for wireless sensor networks to save energy using LabVIEW interface. The first are
overview of wireless sensor networks, sleep programming protocols and designed
modules. The second is the implementation of design models, analysising, and
comparing the measured results of the surrounding environment.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả, số liệu
nêu trong luận văn là trung thực. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với
những lời cam đoan nói trên.

TPHCM, ngày 22 tháng 11 năm 2013
Học viên thực hiện
Ký tên

Phan Tròn

iv


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
TÓM TẮT .................................................................................................................. ii
ABSTRACT .............................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iv
MỤC LỤC ................................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU ........................................................... viii
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ........................................................................... 1
1.1 Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
1.2 Khảo sát các cơng trình nghiên cứu .............................................................. 2
1.3 Mục tiêu đề tài và hướng nghiên cứu ............................................................ 3
1.3.1 Mục tiêu đề tài ......................................................................................... 3
1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................... 4
1.3.3 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................... 4
1.3.3.1 Nghiên cứu lý thuyết....................................................................... 4
1.3.3.2 Thiết kế mơ hình mơ phỏng hệ thống ............................................. 5
1.4 Kết quả .......................................................................................................... 5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNs .......... 6
2.1 Tổng quan mạng cảm biến không dây .......................................................... 6
2.2 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây............................................... 8
2.2.1 Năng lượng tiêu thụ .................................................................................. 8
2.2.2 Chi phí ..................................................................................................... 8
2.2.3 Loại hình mạng ........................................................................................ 8
2.2.4 Tính bảo mật ............................................................................................ 9
2.2.5 Độ trễ ....................................................................................................... 9
2.2.6 Tính di động ............................................................................................. 9
2.3 Kiến trúc node mạng ................................................................................... 10
2.3.1 Vi điều khiển (Microcontroller) ............................................................ 10
2.3.2 Bộ thu phát (Transceiver) ...................................................................... 10
v


2.3.3 Bộ nhớ ngoài .......................................................................................... 11
2.3.4 Cảm biến (Sensor) ................................................................................. 11
2.3.5 Nguồn năng lượng ................................................................................. 11
CHƯƠNG 3: MẠNG ZIGBEE ................................................................................. 13
3.1 Mạng WPAN ............................................................................................... 13

3.2 Zigbee .......................................................................................................... 13
3.3 Ứng dụng mạng Zigbee ............................................................................... 15
3.4 Giao thức IEEE 802.15.4 ............................................................................ 18
3.4.1 Tầng vật lý ............................................................................................. 19
3.4.2 Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802.15.4 MAC .......................... 21
3.4.2.1

Thuật toán Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance

CSMA-CA ........................................................................................................ 22
3.4.2.2

Các mơ hình truyền dữ liệu ........................................................ 23

3.5 Giao thức ZigBee ........................................................................................ 25
3.5.1 Lớp ứng dụng ZigBee............................................................................. 26
3.5.2 Lớp mạng ZigBee ................................................................................... 29
3.5.2.1 Cơ chế gán địa chỉ Short Address (địa chỉ mạng).......................... 30
3.5.2.2 Định tuyến ...................................................................................... 32
3.6

Phân tích và so sánh ZigBee ở khía cạnh kỹ thuật và chi phí .................... 35

3.6.1 ZigBee có độ tin cậy cao ....................................................................... 35
3.6.2 ZigBee mạng đòi hỏi năng lượng thấp .................................................. 36
3.6.3 ZigBee có chi phí thấp ........................................................................... 36
3.7 Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới hệ thống mạng ZigBee ..................... 37
3.7.1 Sự ảnh hưởng giao thức Wifi/IEEE 802.11b/g...................................... 37
3.7.2 Sự ảnh hưởng giao thức Bluetooth/IEEE 802.15.1 ............................... 38
3.7.3 Microwave Ovens (sóng viba) ............................................................... 39

CHƯƠNG 4: GIAO THỨC LẬP LỊCH NGỦ TRONG WSN ................................. 40
4.1 Giao thức MAC-Medium Access Control ................................................... 40
4.2 Giao thức CSMA (Carrier Sense Medium Access) ..................................... 41
4.3 Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC ......................................... 42
4.3.1 Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây................ 43
4.3.2 Nguyên nhân của việc lãng phí năng lượng .......................................... 43
vi


4.3.3 Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng ...................... 44
4.4 Giao thức lập lịch ngủ .................................................................................. 45
4.4.1 Cảm ứng MAC(S-MAC) ....................................................................... 47
4.4.2 Timeout MAC(T-MAC) ........................................................................ 50
4.4.3 Lập lịch tập trung ................................................................................... 50
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY ............. 53
5.1 Giao diện LabVIEW ..................................................................................... 53
5.1.1 Các bảng động trong LabVIEW ............................................................ 54
5.1.2 Các tập lệnh cơ bản trong LabVIEW..................................................... 55
5.2 Các linh kiện sử dụng trong thiết kế ............................................................. 56
5.2.1 Bộ vi điều khiển 32 bit .......................................................................... 56
5.2.2 Các cảm biến.......................................................................................... 57
5.2.2.1

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ....................................................... 57

5.2.2.2

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DTH11 ........................................... 62

5.3 Mạch điều khiển thu thập dữ liệu ................................................................ 64

5.3.1 Module LED 7 đoạn .............................................................................. 64
5.3.2 Module điều khiển ................................................................................. 65
5.3.3 Module kết nối board Xbee và các cảm biến......................................... 65
5.3.4 Board mạch in ........................................................................................ 66
5.4 Lưu đồ giải thuật và chương trình ............................................................... 70
5.4.1 Chương trình cho chip STM32F103C8T6 ............................................ 70
5.4.2 Chương trình điều chỉnh mức tiêu thụ công suất cho Module Xbee ..... 74
5.4.3 Chương trình giám sát trên máy tính dùng LabVIEW .......................... 76
5.4.3.1 Khung dữ liệu từ các node mạng truyền về ................................... 76
5.4.3.2 Thiết kế giao diện .......................................................................... 77
5.4.3.3 Sơ đồ chương trình thu thập dữ liệu dùng LabVIEW ................... 78
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .......... 83
6.1 Mức độ hoàn thành đối với mục tiêu luận văn ............................................ 83
6.2 Hướng phát triển của luận văn .................................................................... 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 84
LÝ LỊCH KHOA HỌC CỦA HỌC VIÊN................................................................ 87

vii


DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 2.1: Mơ hình các ứng dụng mạng cảm biến khơng dây ..................................... 6
Hình 2.2: Công nghệ phát triển Mote cảm biến không dây ........................................ 7
Hình 2.3: Cấu trúc và các thành phần mạng cảm biến khơng dây ............................. 7
Hình 2.4: Sơ đồ kiến trúc node mạng cảm biến ........................................................ 10
Hình 3.1: Phổ tần số ZigBee – WiFi – Bluetooth theo qui định IEEE ..................... 14
Hình 3.2: Phổ tần số ZigBee – WiFi – Bluetooth theo qui định IEEE ..................... 15
Hình 3.3: Mơ hình hệ thống nhà thông minh Soloha dùng mạng Zigbee ................. 15
Hình 3.4: Ứng dụng năng lượng thơng minh trong ngơi nhà xanh .......................... 16
Hình 3.5: Mơ hình hệ thống nhà thơng minh Soloha dùng mạng ZigBee ................ 17

Hình 3.6: Hệ thống giám sát đo huyết áp từ xa ........................................................ 17
Hình 3.7: Các ứng dụng viễn thơng của ZigBee ....................................................... 18
Hình 3.8: Các băng tần hoạt động do IEEE 802.15.4 qui định ................................ 20
Hình 3.9: CSMA-CD được sử dụng trong cơng nghệ Ethernet ................................ 22
Hình 3.10: CSMA-CA được sử dụng trong IEEE-802.15.4 ...................................... 22
Hình 3.11: Liên lạc trong mạng khơng hỗ trợ beacon.............................................. 23
Hình 3.12: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon.................................................... 24
Hình 3.13: Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon .......................................................... 24
Hình 3.14: Kết nối trong mạng khơng hỗ trợ phát beacon ....................................... 25
Hình 3.15: Kiến trúc ZigBee ..................................................................................... 26
Hình 3.16: Các loại thiết bị của ZigBee ................................................................... 27
Hình 3.17: Các mơ hình mạng ZigBee ...................................................................... 28
Hình 3.18: Mơ hình tham khảo lớp Network ............................................................ 30
Hình 3.19: Lược đồ địa chỉ Coordinator (giá trị thập phân) ................................... 32
Hình 3.20: Tương quan mức độ hoạt động và tuổi thọ pin ...................................... 36
Hình 3.21: 802.11b Spectral Mask ........................................................................... 37
Hình 3.22: 802.11g Spectral Mask ........................................................................... 37
Hình 3.23: Sự đan xen của IEEE802.15.4 và IEEE802.11b/g ................................. 38
Hình 3.24: Bluetooth Spectral Mask ......................................................................... 39
Hình 4.1: Giao thức CSMA ....................................................................................... 42
Hình 4.2: Lập lịch ngủ đồng bộ ................................................................................ 46
viii


Hình 4.3: Lập lịch ngủ khơng đồng bộ ..................................................................... 46
Hình 4.4: Khoảng lắng nghe – ngủ của giao thức S-MAC ....................................... 47
Hình 4.5: Chu kì ngủ – lắng nghe ............................................................................. 47
Hình 4.6: 2 node có cùng schedule ........................................................................... 48
Hình 4.7: Các node có 2 schedule khác nhau ........................................................... 49
Hình 4.8: Sự hoạt động của S-MAC basic và adaptive ............................................ 49

Hình 4.9: Thời gian truyền cho polling .................................................................... 51
Hình 5.1: Giao diện LabVIEW .................................................................................. 53
Hình 5.2: Bảng controls ............................................................................................ 54
Hình 5.3: Bảng Functions ......................................................................................... 54
Hình 5.4: Bảng Tools ................................................................................................ 54
Hình 5.5: Cảm biến nhiệt độ DS18B20..................................................................... 57
Hình 5.6: Sơ đồ bộ nhớ của DS18B20 ...................................................................... 60
Hình 5.7: Thanh ghi CONFIG .................................................................................. 60
Hình 5.8: Giản đồ thời gian quá trình khởi động DS18B20 ..................................... 61
Hình 5.9: Giản đồ thời gian quá trình đọc ghi dữ liệu từ DS18B20 ........................ 62
Hình 5.10: Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DTH11 ...................................................... 62
Hình 5.11: Mạch kết nối cảm biến DHT11 với MCU ............................................... 63
Hình 5.12: Giản đồ thời gian điều khiển đọc giá trị đo từ cảm biến ........................ 63
Hình 5.13: Giản đồ thời gian đọc data bit 0 từ cảm biến ......................................... 63
Hình 5.14: Giản đồ thời gian đọc data bit 1 từ cảm biến ......................................... 64
Hình 5.15: Sơ đồ mạch module LED 7 đoạn ............................................................ 64
Hình 5.16: Sơ đồ mạch module điều khiển ............................................................... 65
Hình 5.17: Module kết nối board Xbee và các cổng nối thiết bị .............................. 66
Hình 5.18: Board module hiển thị LED 7 đoạn lớp TOP ......................................... 66
Hình 5.19: Board module hiển thị LED 7 đoạn lớp BOTTOM................................. 66
Hình 5.20: Board module điều khiển lớp TOP ......................................................... 67
Hình 5.21: Board module điều khiển lớp BOTTOM ................................................. 67
Hình 5.22: Board module kết nối board Xbee và các cảm biến lớp TOP ................ 67
Hình 5.23: Board module kết nối board Xbee và các cảm biến lớp BOTTOM ........ 68
Hình 5.24: Hình lớp BOTTOM của 3 module sau khi gia công .............................. 68
Hình 5.25: Hình lớp TOP của 3 module sau khi gia công........................................ 68
ix


Hình 5.26: Sản phẩm sau khi lắp ráp ....................................................................... 69

Hình 5.27: Sản phẩm sau khi lắp ráp ....................................................................... 69
Hình 5.28: Lưu đồ giải thuật chương trình đọc nhiệt từ cảm biến DS18B20 .......... 70
Hình 5.29: Lưu đồ giải thuật đọc giá trị độ ẩm từ cảm biến DTH11 ....................... 72
Hình 5.30: Lưu đồ giải thuật điều chỉnh mức công suất và dị tìm thiết bị đích ...... 75
Hình 5.31: Giao diện giám sát thu thập dữ liệu ....................................................... 77
Hình 5.32: Sơ đồ khởi động và đặt các thông số cổng COM từ LabVIEW .............. 78
Hình 5.33: Lưu đồ giải thuật đọc dữ liệu nhận được từ cổng COM ........................ 78
Hình 5.34: Chương trình đọc dữ liệu nhận được từ cổng COM trên LabVIEW ...... 79
Hình 5.35: Lưu đồ giải thuật dị tìm, phân luồng gói dữ liệu và tách giá trị đo ...... 80
Hình 5.36: Sơ đồ xử lý dị tìm gói dữ liệu nhận được trong bộ đệm trên LabVIEW 80
Hình 5.37: Sơ đồ tách, phân luồn dữ liệu trên LabVIEW ......................................... 81
Hình 5.38: Sơ đồ xử lý hiển thị dữ liệu lên Waveform Chart và các Indicator ........ 81
Hình 5.39: Sơ đồ thực hiện xóa các hiển thị khi nhấn nút “Clear Waveform
Chart” ....................................................................................................................... 81
Hình 5.40: Kết quả đo được các thông số nhiệt độ, độ ẩm, công suất phát và biểu
đồ dạng sóng của các node mạng ............................................................................. 82
Bảng 3.1: So sánh ZigBee – BlueTooth – WiFi ........................................................ 14
Bảng 3.2: Dãi tần số theo chuẩn IEEE 802.15.4 ...................................................... 19
Bảng 3.3: Mô tả kênh truyền theo chuẩn IEEE 802.15.4 ......................................... 19
Bảng 5.1: Các Indicator cơ bản trong LabVIEW ..................................................... 55
Bảng 5.2: Các control cơ bản trong LabVIEW ........................................................ 56
Bảng 5.3: Các kiểu dữ liệu biến trong LabVIEW ..................................................... 61

x


DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt

Chữ đầy đủ

ACK

Acknowledgement

ADC

Analog-to-Digital Converter

AODV

Ad-Hoc On Demand Distance Vector

APL

Application Layer

CIN

Code Interface Node

CSMA

Carrier Sense Medium Access

CSMA-CA

Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance

DMAC

Dynamic Media Access Control

DPM

Dynamic Power Management

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

DVS

Dynamic Volt Scaling

ED

Energy Detection

FFD

Full Function Devices

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

ISM

Industrial Scientific and Medical Band

LabVIEW

Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench

LQI

Link Quality Indicator

MAC

Media Access Control

NI

National Instruments

NWL

Network Layer

O-QPSK

Offset Quadrature Phase Shift Keying

OSI

Open Systems Interconnection

PAN

Persional Area Network

PHY

Physiscal

RAM

Random Access Memory

RF

Radio Frequency

RFD

Reduced Function Devices

ROM

Read-only memory

SMAC

Sensor Media Access Control
xi


SoC

System on Chip

TDMA

Time Division Multiple Access

TMAC

Timeout Media Access Control

VI

Virtual Instrument

WLAN

Wireless Local Area Network

WPAN

Wireless Persional Area Networks

WSNs

Wireless sensor networks

ZC

Zigbee Coordinator

ZDO

ZigBee Device Object

ZED

Zigbee End Device

ZR

Zigbee Router

xii


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Lý do chọn đề tài
Trong kỷ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ
thuật, mạng cảm biến không dây WSNs ra đời là một thành tựu cao công nghệ chế
tạo và công nghệ thông tin. Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển
mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá
thành thấp. Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc
lập trong các loại môi trường và ở những vị trí địa lý khác nhau. Các node mạng là
sự kết hợp bộ cảm biến, bộ thu phát vô tuyến, bộ vi điều khiển và bộ nguồn được tích

hợp vào một thiết bị nhỏ, gọn. Nhiều node mạng cảm biến không dây trong một phạm
vi địa lý tạo thành mạng WSNs. Thơng qua mơ hình mạng Mesh, những node mạng
này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Các node mạng đo đạc thông
số nhiệt độ, độ ẩm, xử lý thông số đo được và truyền thông không dây gián tiếp hoặc
trực tiếp về trung tâm. Các node mạng WSNs là các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp,
tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng và cấu hình đơn giản. Ứng dụng mạng
cảm biến không dây trong lĩnh vực y tế, công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, môi
trường, giao thông và trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày.
Trong những nghiên cứu hiện nay, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến là
giám sát môi trường từ xa. Ứng dụng mạng WSNs trong việc phịng cháy rừng, chăm
sóc sức khỏe người bệnh… bằng rất nhiều node mạng cảm biến đặt lân cận kết nối tự
động thành một hệ thống mạng WSNs để có thể lập tức phát hiện những vùng có khả
năng cháy, gây cháy và sức khỏe của người bệnh có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo
động cần thiết. Các node mạng gửi các thông số cảnh báo, báo động về trung tâm để
con người xử lý khắc phục hậu quả. Ưu điểm, WSNs là chi phí triển khai và lắp đặt
được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. Các node mạng
theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường xung quanh và gửi
thông số đo đạc được về trung tâm.
Một thách thức lớn nhất của các node mạng là nguồn năng lượng bị giới hạn, các
node mạng hoạt động ngồi mơi trường xa rất khó khăn nạp lại năng lượng cho nguồn
pin. Mỗi node mạng cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để tối đa
HVTH: Phan Tròn

1


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

thời gian sống của mạng. Trong trường hợp mạng an ninh, mỗi node phải sống trong
nhiều năm.
Mạng WSNs đã có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nó mang lại cho con người
những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực mà ít cần đến các hoạt động trực tiếp
của con người. Những kết quả đạt được là do khả năng hoạt động độc lập của mỗi
node mạng. Để hoạt động độc lập hồn tồn, mỗi node mạng ln ln đi kèm với
một nguồn năng lượng cung cấp chúng. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm nguồn năng lượng
để kéo dài thời gian sống node mạng là rất cần thiết. Yêu cầu này làm xuất hiện một
hướng mới cho nghiên cứu của con người đó là: tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho
node mạng. Đây là một hướng lớn có tầm quan trọng và đang được thực hiện thông
qua những nghiên cứu, thử nghiệm,...
Mục tiêu quan trọng nhất của các nghiên cứu này là tìm ra được tất cả những yếu
tố có thể tác động để giảm tối thiểu tiêu thụ năng lượng. Và thơng qua các yếu tố đó
sẽ thực hiện tác động để tiết kiệm năng lượng. Các node mạng hoạt động chế độ ngủ,
chế độ ngắt điện sao cho tiết kiệm năng lượng đến mức thấp nhất có thể. Để tiết kiệm
năng lượng cho mỗi node thì mỗi node mạng hoạt động chế độ ngủ. Mỗi node mạng
có thời gian ngủ và thời đánh thức theo chu kỳ; ngủ và đánh thức khi có sự kiện tác
động của mơi trường. Ngoài ra, sử dụng các giao thức định tuyến, giao thức lập trình
ngủ để tiết kiệm năng lượng.
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu các mơ hình mạng WSN dựa trên các tiêu chí
khác nhau như mơ phỏng mạng WSNs. Để duy trì thời gian sống của mạng WSNs,
mỗi node mạng WSNs tiêu thụ nguồn năng lượng thấp nhất. Mỗi node mạng phải
hoạt động chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng và duy trì thời gian sống của mạng lâu
nhất có thể, luận văn này tơi đã quyết định chọn thực hiện đề tài “THIẾT KẾ MƠ
HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG
GIAO DIỆN LABVIEW” với mong muốn đề tài có thể ứng dụng tốt trong cuộc sống
thực tiễn.
1.2 Khảo sát các cơng trình nghiên cứu
Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu các mơ hình mạng WSNs, các node mạng

cảm biến được thiết kế ở trường đại học UC Berkeley. Sau đó, các node mạng WSNs
HVTH: Phan Tròn

2


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

được thương mại hóa bởi Crossbow [17]. Mơ hình hệ thống mạng WSNs được thiết
kế bởi Analog Device [24]. Các node mạng trong mơ hình mạng WSNs của Analog
Device bao gồm node trung tâm, node đo nhiệt độ, node đo độ ẩm, node đo CO2...
Ngồi ra, cịn phát triển mơ hình mạng WSNs được thiết kế bởi NI [23]. Các node
mạng trong mơ hình mạng WSNs được đề xuất bởi các tác giả gồm có các thành phần
như vi điều khiển, bộ thu phát vô tuyến, các bộ cảm biến, nguồn cung cấp và các
ngoại vi. Có rất nhiều triển khai WSNs trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết kế
một viện bảo tàng thông minh [1] ở Đài Loan không chỉ là trưng bày các tác phẩm
nghệ thuật mà còn có thể tương tác với chúng, một mơ hình khác được triển khai
trong [2] của đại học Harvard để thu thập thực thông tin của núi lửa Raventador đang
hoạt động ở Ecuador, hay hệ thống GlacsWed [3] được thiết kế để thu thập dữ liệu
của các song băng tại Brisdalsbreer Nany, hoặc việc xây dựng một mạng WSN thu
thập thông tin để cảnh báo cháy rừng sớm ở Bỉ trong [4]. Một số ứng dụng trong lĩnh
vực ý tế như trong [5] để giám sát theo dõi tình trạng bệnh nhân…Tuy nhiên, các
node cảm biến được lập trình với nhiệm vụ nhất định (thường là thu thập dữ liệu,
kiểm soát mạng lưới) và trí thơng minh của các node cảm biến này đã khơng được
đưa vào vì lý do phức tạp và khả năng xử lý. Một mơ hình WSNs thông minh hơn
được xây dựng trong [6] – nhận biết ngữ cảnh trong Logictics – các node cảm biến
sẽ tương tác với sự thay đổi mơi trường, vị trí của container để đưa ra các quyết định

phù hợp với ngữ cảnh và làm giảm thiểu số gói truyền trên mạng.
1.3 Mục tiêu đề tài và hướng nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu đề tài
Đề tài thiết kế mạng WSN tiết kiệm năng lượng phổ biến hiện nay. Luận văn này
thiết kế mô hình mạng WSNs, các node mạng giao tiếp với nhau gửi gói tin theo
phương thức truyền thơng khơng dây. Các node mạng đo đạt thông số nhiệt độ, độ
ẩm… của mơi trường xung quanh. Sau đó, các node mạng xử lý, truyền thông không
dây gởi về trung tâm xử lý và quan sát trên giao diện LabVIEW. Giao diện Labview
sẽ quan sát được các thông số đo nhiệt độ, độ ẩm, biểu đồ dạng sóng và cơng suất
phát của các node mạng. Đề tài này tìm hiểu nghiên cứu về mạng WSN, các giao thức
lập trình ngủ, giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây để tiếp kiệm năng
lượng và duy trì thời gian sống mạng. Nguồn năng lượng đóng vai trị quan trọng của
HVTH: Phan Trịn

3


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

các node mạng. Để tiết kiệm nguồn năng lượng cung cấp cho các node mạng thì các
node mạng hoạt động ở chế độ ngủ, các giao thức lập trình ngủ và các giao thức định
tuyến để tiết kiệm năng lượng.
1.3.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài thiết kế mô hình mạng WSNs. Hệ thống mơ hình mạng WSNs gồm:
•

5 node mạng cảm biến: 2 node End Device, 2 Router, 1 Coordinator.

•

Coordinator được xem như là Base Station kết nối với máy tính.

•

Các node mạng được thiết kế gồm có module Xbee, vi điều khiển, cảm biến,
khối nguồn.

•

Các Router, Coordinator ln ln hoạt động và chỉ có End Device ở chế độ
ngủ để tiết kiệm năng lượng cho mạng WSNs.

•

Giao diện Labview dùng hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm, đồ thị dạng sóng và
cơng suất phát của các node mạng.

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài được thực hiện bao gồm 2 nội dung chính: nghiên cứu lý thuyết và thiết kế mơ
hình mơ phỏng hệ thống mạng WSNs.
1.3.3.1 Nghiên cứu lý thuyết
Giai đoạn nghiên cứu lý thuyết được chia thành các giai đoạn sau:
Bước 1: Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây, mạng ZigBee, giao
thức lập trình ngủ.
Bước 2: Tìm hiểu module Xbee, phần mềm LabVIEW.
Bước 3: Phân tích giải pháp cơng nghệ và đưa ra mơ hình thiết kế.
Bước 4: Lưu đồ giải thuật.

Bước 5: Viết chương trình dựa vào lưu đồ giải thuật.
Bước 6: Mô phỏng trên phần cứng đã thiết kế.

HVTH: Phan Tròn

4


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

1.3.3.4 Thiết kế mơ hình mơ phỏng hệ thống
Giai đoạn thiết kế mơ hình hệ thống được thực hiện từ nghiên cứu lý thuyết đến sơ
đồ mạch nguyên lý, layout, cấu hình, phần mềm nhúng và sản phẩm, nội dung đề tài
hướng đến là tập trung vào thiết kế mơ hình mạng WSNs.
Giai đoạn mô phỏng được thực hiện bằng một số node mạng, các node mạng gồm
node mạng Coordinator (Base station) kết nối với máy tính, hiển thị thơng số nhiệt
độ, độ ẩm, đồ thị dạng sóng và cơng suất phát của các node mạng lên giao diện
LabVIEW. Các node mạng Router dùng đo đạt các thông số nhiệt độ, độ ẩm và dùng
để định tuyến tìm đường đi ngắn nhất sao cho tiết kiệm công suất. Các node mạng
End Device dùng đo đạt thông số nhiệt độ, độ ẩm và hoạt động chế độ ngủ để tiết
kiệm năng lượng. Mạng WSNs, các node mạng truyền và nhận bằng sóng vô tuyến.
Nội dung đề tài hướng đến là tập trung vào xác định thông số nhiệt độ, độ ẩm và công
suất phát của mỗi node. Trong mạng WSN, vấn đề tiết kiệm được năng lượng cho
mỗi node để duy trì thời gian sống mạng, các node mạng phải hoạt động ở chế độ ngủ
để tiết kiệm năng lượng.
1.4 Kết quả
Đã hồn thành được 3 mục tiêu đề ra, đó là: sử dụng phần mềm LabVIEW là một

phần mềm lập trình mạnh, phổ biến, với cách lập trình dùng biểu đồ hết sức độc đáo,
trực quan, để tạo một chương trình giám sát, đo đạt từ xa. Triển khai được thuật toán
nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng cho module Xbee, giúp tiết kiệm năng lượng tiêu
thụ của các node mạng. Thực hiện được cách truyền phức tạp trong mạng ZigBee
(ZigBee Mesh Network), với cách thức truyền thông này hệ thống mạng ZigBee có
thể phát triển trên phạm vi rất rộng.

HVTH: Phan Tròn

5


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSN
2.1

Tổng quan mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây WSNs là một cấu trúc, sự kết hợp các khả năng cảm

biến, xử lý thông tin và các thành phần liên lạc để tạo khả năng quan sát, phân tích
và phản ứng lại với các sự kiện và hiện tượng xảy ra trong mơi trường cụ thể nào đó.
Mơi trường có thể là thế giới vật lý, hệ thống sinh học.
Mạng cảm biến không dây WSN là một trong những công nghệ thông tin mới phát
triển nhanh, với nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: điều khiển q trình cơng
nghiệp, bảo mật, giám sát, cảm biến môi trường, kiểm tra sức khỏe…

Hình 2.1: Mơ hình các ứng dụng mạng cảm biến không dây
Mạng WSNs là mạng liên kết các node với nhau nhờ sóng vơ tuyến. Trong đó,
mỗi node mạng bao gồm đầy đủ các chức năng để cảm nhận, thu thập, xử lý và truyền
dữ liệu. 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 khơng có hệ thống trên phạm vi rộng, sử dụng
nguồn năng lượng (pin) hạn chế, thời gian hoạt động lâu dài. Các mạng vô tuyến khác
bao gồm mạng tế bào (cellular), mạng WLAN và mạng phạm vi ở nhà (Bluetooth).
Các gói chuyển từ mạng này qua mạng khác để hỗ trợ internet không dây, nhưng
mạng thoại vẫn là ứng dụng ưu thế hơn trong mạng tế bào. Mạng tế bào với đích đến
là tại những người sử dụng có tính di động cao. Tốc độ dữ liệu cho tính di động tại
mức này bị giới hạn do dịch tần Doppler. Mặt khác, WLAN có tốc độ dữ liệu cao.
Bluetooth có đích đến là tại nhà. Tốc độ dữ liệu mong muốn có dải vơ tuyến (radio)
thấp hơn và ngắn hơn nhiều, tính di động cũng thấp.
HVTH: Phan Trịn

6


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

Trong mạng WSNs có một số lượng lớn các node mạng. Khoảng cách giữa các
node lân cận là ngắn hơn so với mạng cảm biến. Do mạng WSNs hoàn toàn chỉ là các
node, chi phí cho mỗi node là ít. Mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều bởi vì việc
thay thế pin của mỗi node thậm chí 1 tháng 1 lần sẽ rất vất vả. Tốc độ dữ liệu và tính
di động trong WSNs cũng thấp hơn.
Cơng nghệ phát triển mơ hình các node mạng được nghiên cứu từ trước đến nay.
Các nhà sản xuất như Crossbow, Berkeley, Tmote Sky, NI…Công nghệ phát triển

các mote WSNs từ năm 1998 đến năm 2009.

Hình 2.2: Cơng nghệ phát triển mote cảm biến khơng dây

Hình 2.3: Cấu trúc và các thành phần mạng cảm biến khơng dây
Hệ thống mạng WSNs hình 2.3 có trạm gốc và trung tâm điều khiển. Trạm gốc
đóng vai trò cổng kết nối giữa các node mạng và trung tâm điều khiển, tiếp nhận
thông tin của các node mạng chuyển tới trung tâm điều khiển qua nhiều cách khác
nhau. Các node mạng truyền thông tin theo kiểu nhiều chặng từ node mạng này sang
node mạng khác và về trạm gốc. Từ trạm gốc có thể gửi thơng tin cho người dùng
(trung tâm điều khiển) theo nhiều cách như trực tiếp qua hệ thống máy tính, qua mạng
Internet, qua vệ tinh… nhờ đó người giám sát có thể nhận được thơng tin dù đang ở
bất cứ đâu.
HVTH: Phan Trịn

7


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

2.2 Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây
2.2.1 Năng lượng tiêu thụ
Các ứng dụng mạng WSNs thường yêu cầu các thành phần tiêu thụ công suất
thấp hơn nhiều so với công nghệ không dây hiện tại như Bluetooth, WiFi. Các node
cảm biến trong công nghiệp và y tế được cung cấp năng lượng từ những nguồn Pin,
có thể sống được vài tháng đến vài năm. Các ứng dụng quan sát môi trường, khi mà
số lượng node cảm biến lớn được rải trên diện tích rộng lớn thì thường xun phải

thay pin để cung cấp nguồn năng lượng cho node cảm biến là khơng khả thi. Chính
vì thế, trong mạng WSN, ngoài việc quản lý nguồn năng lượng để sử dụng một cách
hiệu quả nhất cần kết hợp với các thuật tốn định tuyến, các giao thức lập trình ngủ
tiết kiệm nguồn năng lượng.
2.2.2

Chi phí

Khi thiết kế một node ứng dụng mạng cảm biến khơng dây thì giá thành là yếu
tố chính cần quan tâm. Để có thể đạt được mục tiêu này, khi thiết kế node mạng
cảm biến có cấu hình mạng và giao thức truyền thơng cần tránh sử dụng các thành
phần đắt tiền và tối thiểu hóa độ phức tạp của giao thức truyền thông. Trong mạng
cảm biến, số lượng node mạng sử dụng khá lớn và khi chi phí sản xuất từng node
con được giảm đi thì giá thành của tồn bộ hệ thống giảm đi đáng kể.
Ngồi ra yếu tố trên thì một phần khá lớn tác động đến giá thành đó là chi phí
quản trị và bảo trì hệ thống. Mạng WSNs đã làm tốt hai chức năng cơ bản đó là tự
cấu hình và tự bảo trì. Tự cấu hình có nghĩa là tự động dị tìm vị trí các node lân cận
và tổ chức thành một cấu trúc xác định. Tự bảo trì có nghĩa là tự động phát hiện và
sửa lỗi nếu phát sinh trong hệ thống (các node mạng hoặc các liên kết giữa các
node) mà không cần sự tác động của con người.
2.2.3

Loại hình mạng

Một số ứng dụng đơn giản trong phạm vi hẹp thì mạng hình sao (star network)
có thể đáp ứng được các yêu cầu truyền nhận và xử lý dữ liệu. Trong mạng hình
sao, một node mạng đóng vai trị node mạng chủ các node mạng còn lại là node
mạng con kết nối với node mạng chủ. Tuy nhiên khi mạng được mở rộng thì cấu
trúc hình sao đơn thuần sẽ khơng đáp ứng được, mạng sẽ phải có cấu hình đa chặng
HVTH: Phan Trịn

8


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

(multi-hop). Cấu hình này sẽ địi hỏi nhiều tài ngun bộ nhớ và xử lý tính tốn
nhanh hơn do mật độ các node mạng tăng và diện tích của mạng được phủ trên một
phạm vi lớn.
2.2.4

Tính bảo mật

Trong các ứng dụng mạng cảm biến khơng dây thì tính bảo mật rất quan trọng,
đặc biệt là các ứng dụng quân sự. Không giống như các mạng có dây rất khó có thể
lấy được thông tin khi truyền đi giữa hai đối tượng, khi truyền tín hiệu khơng dây
được truyền đi trong khơng gian và có thể được thu lại bất kỳ ai. Những mối hiểm
họa không chỉ là việc đánh cắp thông tin mà cịn ở chỗ những thơng tin đó có thể bị
chỉnh sửa và phát lại để phía thu nhận được những thơng tin khơng chính xác.
Như vậy, bảo mật trong mạng cảm biến không dây cần đảm bảo các yếu tố: dữ
liệu được mã hóa, có mã xác thực và nhận dạng giữa người gởi và người nhận. Việc
này sẽ thực hiện kết hợp giữa cả phần mềm và phần cứng bằng việc mã hóa các tập
tin, điều chỉnh các bit thông tin, thêm các bit xác thực…
Các chức năng này làm tiêu tốn thêm tài nguyên của hệ thống về mặt năng lượng
và băng thông. Tuy nhiên, bảo mật là một yếu tố bắt buộc trong truyền tin. Do vậy,
cần đạt được sự cân bằng giữa 2 yếu tố này để đảm bảo cho hệ thống tối ưu nhất.
2.2.5

Độ trễ

Các ứng dụng thơng thường của WSNs có u cầu cao về thời gian thực khi
truyền mà chủ yếu chú trọng vào chất lượng nguồn tin (trừ một số trường hợp đặc
biệt như hệ thống báo cháy). Tuy nhiên, trong một mạng lưới khá lớn, các thông tin
các node mạng con được tập hợp xung quanh các node mạng chủ để xử lý và đưa
về trạm trung tâm thì yếu tố đồng bộ hóa rất quan trọng.
2.2.6

Tính di động

Nhìn chung, các ứng dụng trong mạng WSN khơng địi hỏi tính di động nhiều
vì khi triển khai các node mạng thường ở các vị trí cố định. Các phương thức định
tuyến trong mạng cảm biến không dây cũng đơn giản hơn so với các mạng Ad-hoc
khác (như MANET).

HVTH: Phan Tròn

9


THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHƠNG DÂY
TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW

GVHD: TS. Hồng Minh Trí

2.3 Kiến trúc node mạng
Một node mạng cảm biến gồm 5 thành phần chính như: Các sensor cảm ứng, vi
điều khiển, bộ nhớ, bơ thu phát và nguồn.

Hình 2.4: Sơ đồ kiến trúc node mạng cảm biến
2.3.1

Vi điều khiển (Microcontroller)

Bộ vi điều khiển thực hiện nhiệm vụ, xử lý dữ liệu và kiểm soát các chức năng
của các thành phần khác trong các node mạng cảm biến. Vi điều khiển thường được
sử dụng trong hệ thống nhúng vì chi phí thấp, tính linh hoạt để kết nối với các thiết
bị khác, dễ dàng lập trình và mức tiêu thụ năng lượng thấp. So sánh với bộ vi xử lý,
FPGA, DSP, lợi thế DSP thường khơng có tầm quan trọng nhiều đến các node mạng
WSN. FPGA có thể được lập trình lại và cấu hình lại theo yêu cầu, nhưng điều này
cần có nhiều thời gian và năng lượng lớn hơn mong muốn.
2.3.2

Bộ thu phát (Transceiver)

Các phương tiện truyền thông không dây tần số vô tuyến RF, truyền thông quang
học Laser và hồng ngoại. Laser địi hỏi ít năng lượng hơn, nhưng cần đường thẳng
(line-of-sight) để giao tiếp và nhạy cảm với điều kiện khí quyển. Hồng ngoại, tương
tự như Laser, khơng cần Annten nhưng nói được giới hạn trong khả năng phát sóng
của nó. Chính vì vậy, thơng tin liên lạc dựa trên tần số vô tuyến phù hợp với hầu
hết các ứng dụng mạng WSNs. Mạng WSNs sử dụng các tần số truyền thông trong
băng tần ISM (Industrial, Scientific and Medical Band): 173, 433, 868, 915 MHz
và 2.4GHz. Các chức năng truyền và nhận được kết hợp thành một thiết bị duy nhất
gọi là bộ thu phát vô tuyến. Các trạng thái hoạt động bô thu phát như truyền, nhận,
nhàn rỗi và ngủ. Thu phát thế hệ hiện nay được xây dựng trên các máy trạng thái để
thực hiện truyền thơng tự động.
HVTH: Phan Trịn

10