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


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 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

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


- 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


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

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
#

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

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

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


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