TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THỰC HIỆN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
THU THẬP DỮ LIỆU VỀ ĐỘ RUNG, NHIỆT ĐỘ
CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
Sinh viên thực hiện
Cán bộ hướng dẫn
Họ và tên sinh viên 1: Trần Lê Minh Nhựt
MSSV: 1118001
Lớp: Kỹ thuật Máy tính K37
ThS. GV. Trương Phong Tuyên
Họ và tên sinh viên 2: Trương Văn Nhờ
MSSV: 1117999
Lớp: Kỹ thuật Máy tính K37
Cần thơ 05/2015
LỜI CAM ĐOAN
“Thực hiện mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu về độ rung động, nhiệt độ
của các công trình xây dựng” là đề tài thực hiện bởi hai sinh viên: Trần Lê Minh Nhựt
và Trương Văn Nhờ, ngành kỹ thuật máy tính, khoá K37, khoa Công Nghệ, Trường Đại
học Cần Thơ.
Cuối cùng, chúng em cũng xin cảm ơn gia đình đã tích cực động viên, khuyến khích,
tạo mọi điều kiện và trực tiếp hỗ trợ kinh phí, tinh thần để đề tài tốt nghiệp được hoàn
thành đúng thời hạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài
Trần Lê Minh Nhựt
Trương Văn Nhờ
Luận văn được thực hiện bởi:
1. Trương Văn Nhờ, MSSV: 1117999, Lớp: TC11Z5A1
2. Trần Lê Minh Nhựt , MSSV: 1118001, Lớp: TC11Z5A1
Đề tài:
THỰC HIỆN MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THU THẬP DỮ LIỆU VỀ
ĐỘ RUNG ĐỘNG, NHIỆT ĐỘ CỦA CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG
Luận văn đã nộp và báo cáo tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn tốt nghiệp Đại học
Cần Thơ ngành Điện tử Truyền thông/ Kỹ thuật máy tính, Bộ môn Điện tử Viễn
thông vào ngày … tháng … năm …. (Quyết định số: ... /QĐ-CN ngày … tháng …
năm …. của trưởng khoa Công Nghệ).
Kết quả đánh giá: _____________
Chữ ký của các thành viên Hội đồng:
Thành viên hội đồng 1 (CBHD): ThS. Trương Phong Tuyên .........................................
Thành viên hội đồng 2: ThS. Trần Hữu Danh .................................................................
Thành viên hội đồng 3: ThS. Trần Thanh Quang ............................................................
2.5.1 Khái quát về Google Drive ................................................................. 14
2.5.2 Giới thiệu khái quát Google Spreadsheet ........................................... 15
2.5.3 Giới thiệu khái quát về Google Charts API ....................................... 15
2.5.4 Giới thiệu khái quát về Google Maps API ......................................... 17
GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT GIAO THỨC HTTP/HTTPS .................... 17
2.6.1 Giao thức HTTP ................................................................................. 17
2.6.2 Giao thức HTTPS ............................................................................... 18
GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ............. 19
2.7.1 Board Arduino mega 2560 R3............................................................ 19
2.7.2 Board Arduino Ethernet Shield .......................................................... 20
2.7.3 Giới thiệu khái quát module NRF24L01 ............................................ 20
2.7.4 Cảm biến độ rung động ADXL001 .................................................... 23
2.7.5 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm ............................................................... 24
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................. 25
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ................................................................... 25
KIẾN TRÚC HỆ THỐNG ...................................................................... 26
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ...................................................................... 26
3.3.1 Khối nút cảm biến .............................................................................. 26
3.3.2 Khối nút quản lý trung tâm................................................................. 28
THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................................................ 28
3.4.1 Đặt vấn đề ........................................................................................... 28
3.4.2 Phương thức hoạt động....................................................................... 29
3.4.3 Mô hình upload dữ liệu lên Web ........................................................ 31
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................................... 33
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 37
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 3.10 Google Apps Script và các ứng dụng web trên Google........................ 31
Hình 3.11 Phương pháp nhập dữ liệu lên Google Spreadsheet ............................. 31
Hình 3.12 Mô hình upload dữ liệu lên web ........................................................... 32
Hình 3.13 Phần cứng tại nút cảm biến và nút quản lý trung tâm .......................... 33
Hình 3.14 Dữ liệu từ mạng cảm biến được lưu trên Google Spreadsheet ............. 33
Hình 3.15 Biểu đồ thể hiện tại các nút cảm biến ................................................... 34
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Sơ đồ chức năng mỗi chân module nRF24L01 ...................................... 22
Bảng 2.2 Sơ đồ chân ADXL001 ............................................................................ 23
Bảng 2.3 Bảng đánh giá mức độ nghiêm trọng của độ rung động ........................ 34
KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
GAS – Google Apps Script
HTML – HyperText Markup Language
HTTP – HyperText Tranfer Protocol
HTTPS – Hypertext Transfer Protocol Secure
MCU – Micro Controller Unit
MISO – Master Input Slave Ouput
MOSI – Master Ouput Slave Input
PHP – Hypertext Preprocessor
SCK – Serial Clock
SHMS – Structural Health Monitoring System
SPI – Serial Peripheral Interface
SS – Slave Select
WSN – Wireless Sensor Network
Luận văn tốt nghiệp
humidity ... of bridge works. Besides that this system is capable of storing data in cloud
computing of Google Drive and provides a Web interface for users to view data easily.
Through that data collection system that will cater to management work, operation and
exploitation of effective bridge works.
Keywords: Monitoring, SHMS, Wireless sensor network, nRF24L01, Arduino,
cloud computing...
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương này trình bày các vấn đề:
Đặt vấn đề:” Bối cảnh xuất hiện của đề tài”.
Lịch sử giải quyết vấn đề.
Phạm vi của đề tài.
Phương pháp nghiên cứu.
ĐẶT VẤN ĐỀ
Tại Việt Nam, các công trình cầu đường xây dựng xong đưa vào khai thác sử dụng
vẫn xảy ra sự cố sụt lún, biến dạng bề mặt thảm nhựa, rung lắc và xuống cấp nhanh
chóng. Tuy nhiên, hiện nay, công nghệ theo dõi phương tiện qua lại và thu thập các dữ
liệu thông tin vẫn chưa được ứng dụng để phục vụ cho công tác bảo dưỡng, quản lý hệ
thống cầu.
Để khắc phục, mạng cảm biến không dây đã được phát triển để thu thập và ghi dữ
liệu của các công trình xây dựng trong thời gian dài. Module nRF24L01 của hãng
Nordic’s là board mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không dây. Để sử dụng
được cần ít nhất 2 module giao tiếp với nhau, tuy nhiên module chỉ hoạt động ở điện
University, Japan.
“Long term structural health monitoring system for cable stayed bridge in
Vietnam” của Lương Minh Chính, Transportation Department, Faculty of
Civil Engineering, Hanoi Water Resourse University, 2013.
“Hệ thống khám sức khỏe cho cầu” của GS.TS Ngô Kiều Nhi, Trung tâm
Nghiên cứu công nghệ và thiết bị công nghiệp Trường ĐH Bách khoa
TP.HCM.
PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu nhằm mục đích tạo ra một hệ thống để giám sát liên tục các đại
lượng vật lý của công trình cầu. Hệ thống sử dụng một số loại cảm biến kết hợp với
board mạch Arduino và module nRF24L01 để thu thập và truyền dữ liệu về độ rung,
nhiệt độ. Dữ liệu thu được sẽ được cập nhật trực tiếp và lưu trữ trên Google Drive.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để tiến hành thực hiện đề tài nhóm tiến hành phương pháp nghiên cứu lý thuyết
và thực nghiệm (thực tiễn).
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tiến hành nghiên cứu các thiết bị phần cứng,
ngôn ngữ lập trình cho phần mềm trên mạng internet, tham khảo tài liệu của giáo viên
hướng dẫn gửi, ngoài ra còn tìm kiếm các tài liệu liên quan trên sách báo, tài liệu nước
ngoài, tài liệu trên internet.
Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Chúng tôi tiến hành chia làm hai công việc
phải làm đầu tiên, thứ nhất thiết kế về phần cứng, thứ hai thiết kế phần mềm. Qua quá
trình tìm hiểu lý thuyết về phần cứng chúng tôi tiến hành viết chương trình giao tiếp
giữa Arduino với module nRF24L01 và module cảm biến, kiểm tra chạy trên máy ảo
bằng phần mềm Arduino sẵn có, hiển thị trên máy tính. Về phần mềm chúng tôi sử dụng
các dịch vụ web, chủ yếu là các dịch vụ trên nền tảng điện toán đám mây của Google
để làm cơ sở dữ liệu lưu trữ trên web.
2
Giao tiếp không dây: Khi giao tiếp không dây là kỹ thuật chính, thì giao
tiếp trực tiếp giữa hai nút có nhiều hạn chế do khoảng cách hay các vật cản.
Đặt biệt khi nút phát và nút thu đặt cách xa nhau cần phải có công suất phát
lớn. Vì vậy cần có một nút trung gian làm nút chuyễn tiếp để giảm công
suất tổng thể.
Hoạt động năng lượng hiệu quả: Để hỗ trợ kéo dài thời gian sống của toàn
mạng, hoạt động năng lượng hiệu quả là kỹ thuật quan trọng trong mạng
cảm biến không dây.
3
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
Tự động cấu hình: Mạng cảm biến không dây cần phải cấu hình các thông
số một cách tự động. Như các nút có thể xác định vị trí địa lý của nó thông
qua các nút khác.
2.1.3 Kiến trúc giao thức của mạng cảm biến không dây
Kiến trúc giao thức này kết hợp giữa công suất và chọn đường, kết hợp số liệu với
các giao thức mạng, sử dụng công suất hiệu quả với môi trường vô tuyến và sự tượng
tác giữa các nút cảm biến. Kiến trúc giao thức bao gồm lớp vật lý, lớp liên kết dữ liệu,
lớp mạng, lớp truyền tải, lớp ứng dụng:
Lớp ứng dụng: Tùy thuộc vào từng nhiệm vụ của mạng cảm biến mà các
phần mềm ứng dụng khác nhau được xây dựng và sử dụng trong lớp ứng
dụng.
Lớp vận chuyển: Lớp truyền tải giúp duy trì luồng số liệu nếu ứng dụng
mạng cảm biến yêu cầu. Lớp truyền tải đặc biệt cần khi mạng cảm biến kết
Hình 2.1 Ứng dụng mạng cảm biến trong quân đội
Bảo vệ an ninh cho các công trình trọng yếu
Thông tin, giám sát, điều khiển, theo dõi mục tiêu
Phát hiện phóng xạ hạt nhân
Hệ thống radars
Ứng dụng trong bảo vệ môi trường
Bằng việc phân tán các nút cảm biến trong rừng, một mạng cảm biến được
tạo nên một cách tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin
khác nhau liên quan đến cháy như nhiệt độ, khói...Các dữ liệu thu thập
được truyền tới trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện và
cảnh báo cháy sớm hơn ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
Phát hiện hoạt động núi lửa
Giám sát cháy rừng
Hình 2.2 Mạng cảm biến cảnh báo cháy rừng
5
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
Giám sát dịch bệnh
Sử dụng hiệu quả tài nguyên thiên nhiên
Ứng dụng trong công nghiệp
Trong lĩnh vực quản lý kinh doanh: giải phóng công việc bảo quản
và lưu giữ hàng hóa. Cảm biến có thể được dùng để đo nhiệt độ và
độ ẩm. Vào ban đêm chúng được đặt ở chế độ chống trộm. Điều này
Hình 2.4 Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe
Ứng dụng trong gia đình
Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến được đặt ở các phòng
để đo nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo
thông tin này đến thiết bị báo động trong trường hợp không có ở nhà.
Hình 2.5 Ứng dụng nhà thông minh
Điều khiển từ xa các thiết bị trong gia đình
Hệ thống tự động trong gia đình, giám sát và cảnh báo an ninh
2.1.5 Khó khăn trong mạng cảm biến không dây
Vì mạng cảm biến không dây có những ứng dụng vô cùng to lớn trong cuộc sống,
nhưng trong thực tế cũng có một vài hạn chế của mạng cảm biến như:
Bị giới hạn năng lượng
Bị giới hạn về dãi thông
Bị giới hạn về phần cứng
Kết nối mạng không ổn định
7
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
GIỚI THIỆU CHUẨN GIAO TIẾP SPI
SPI (Serial Peripheral Interface) là một giao thức dữ liệu chuẩn đồng bộ nối tiếp
được sử dụng bởi vi điều khiển để giao tiếp với một hoặc nhiều thiết bị ngoại vi một
cách nhanh chóng trên một khoảng cách ngắn. Nó cũng có thể sử dụng giao tiếp giữa
Hình 2.6 Giao diện SPI
Hoạt động: Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bit. Cứ mỗi
xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu
của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được
gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song công”.
Hình 2.7 Truyền dữ liệu SPI
Với tính năng truyền nhận của chuẩn SPI nên việc giao tiếp giữa Arduino với
Enthernet Shield làm mạch điều khiển trung tâm có tốc độ truyền nhận nhanh hơn.
Trong đó Arduino mega 2560, Arduino Uno R3 điều có thể giao tiếp với Enthernet
Shield.
Ngoài ra MISO, MOSI, SCK có sẵn một vị trí phù hợp trên ICSP. Các chân điều
khiển trên ICSP đều được sử dụng giao tiếp với Shield. Các chân này kết nối với Shield,
các chân ICSP đều được hổ trợ của chuẩn SPI.
9
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
Hình 2.8 Sơ đồ chân ICSP trên Arduino
Hình 2.9 Sơ đồ kết nối với chân SPI trên Arduino
Phiên bản mới nhất của HTML là HTML 4.01 (1999). Sau đó, các nhà phát triển
thay thế nó bằng XHTML. Hiện nay, HTML đang được phát triển tiếp với phiên bản
HTML5. Với phiên bản mới HTML5 này sẽ thay đổi nhiều so với phiên bản trước.
Ngôn ngữ HTML dùng các tag hoặc các mã lệnh để chỉ cho các trình duyệt (Web
browsers) cách hiển thị các thành phần của trang như text và graghics, hầu hết các Web
browser, đặc biệt là Microsoft Internet Explorer, Chrome, Firefox và nhận biết các tag
của HTML vượt xa chuẩn HTML đặt ra. Ngoài ra HTML còn sử dụng thẻ để giải thích
nội dung của trang web. Một trang HTML có phầm mở rộng là *.html.
2.3.2 Ngôn ngữ PHP
PHP (Hypertext Preprocessor) được phát triển từ một sản phẩm có tên là PHP/FI.
PHP/FI do Rasmus Lerdorf tạo ra 1994, ban đầu được xem như một tập con đơn giản
theo dõi tình hình truy cập đến sơ yếu lý lịch của ông trên mạng. Ông đã đặt tên cho mã
kịch bản là ‘Personal Home Page Tools’. Khi cần đến chức năng rộng hơn, Rasmus đã
viết ra một bộ thực thi bằng C lớn hơn để có thể truy vấn tới các cơ sở dữ liệu và giúp
cho người sử dụng phát triển các ứng dụng web đơn giản.
PHP là ngôn ngữ lập trình dùng để phát triển các ứng dụng cho máy chủ, mã nguồn
mở, dùng cho mục đích tổng quát. Nó rất thích hợp với web và có thể dễ dàng nhúng
vào trang HTML. Do được tối ưu hóa các ứng dụng web, tốc độ nhanh, nhỏ gọn, cú
pháp giống C và java, dễ học và thời gian xây dựng sản phẩm ngắn hơn so với các ngôn
ngữ khác nên PHP trở thành ngôn ngữ web phổ biến nhất trên thế giới.
PHP là một ngôn ngữ lập trình kịch bản dùng để sinh ra mã html, không giống
như javacript chạy ở client, PHP được sử dụng để chạy trên server. Trong đề tài sử dụng
PHP làm nhiệm vụ lấy dữ liệu đưa lên Google Drive.
11
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Kịch bản được phát triển trong trình soạn thảo kịch bản dựa trên trình duyệt của Google
Apps Script, được chạy trong các máy chủ của Google.
Google Apps Script là rất linh hoạt, dưới đây là một số ưu điểm khi sử dụng:
12
Luận văn tốt nghiệp
Năm học 2014 - 2015
Khoa Công Nghệ
Trường đại học Cần Thơ
Xây dựng các chức năng tùy chỉnh trong bảng tính Google, mở rộng một
số sản phẩm Google Apps bằng cách tạo ra các menu tùy chỉnh liên quan
đến kịch bản
Tạo và xuất bản các ứng dụng web, có thể chạy trên nền riêng của họ hoặc
nhúng trong một trang web của Google
Lịch các tác vụ như tạo báo cáo và phân phối chạy chúng trên lịch trình tùy
chỉnh
Tự động hóa quy trình công việc như tài liệu hoặc chi phí phê duyệt, thực
hiện đơn hàng, theo dõi thời gian
Chúng ta có thể phát triển GAS trong trình duyệt, còn là trung tâm phát triển trình
soạn thảo kịch bản, GAS còn cho phép quản lý các tập tin, các dự án hổ trợ sửa lỗi.
GAS chạy trên điện toán đám mây nên không có sử dụng phần mềm biên dịch nào,
trong đó Google cung cấp trình biên dịch cho GAS thông qua trình duyệt web. GAS là
chương trình truy cập hầu hết các sản phẩm của Google (Google Docs, Gmail, Youtube,
Google Spreadsheet,Google Forms,...) các ứng dụng của Google được viết bằng
javascript thường xuyên và lưu trữ trên máy chủ của Google.
SƠ LƯỢT VỀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH C/C++
ngôn ngữ khác: C++, C#, Java.
2.4.2 Ngôn ngữ C++
C++ là một loại ngôn ngữ lập trình. Đây là một dạng ngôn ngữ đa mẫu hình có
kiểu tĩnh và hổ trợ lập trình thủ tục, dữ liệu trừu tượng, lập trình hướng đối tượng, và
lập trình đa hình. C++ là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng được mở rộng từ ngôn
ngữ C. Do vậy, C++ ưu điểm là kế thừa được các điểm mạnh truyền thống của ngôn
ngữ C như uyển chuyển, tương thích với các thiết bị phần cứng.
Ngôn ngữ lập trình C++ là ngôn ngữ phổ biến trong các lĩnh vực ứng dụng của
người dùng, và các phần mềm giải trí như game video. Ngôn ngữ C++ cũng đã ảnh
hưởng rất lớn đến nhiều ngôn ngữ lập trình phổ biến khác nhau như C# và Java.
Ngôn ngữ lập trình C++ còn có bốn chức năng thông dụng trong ngôn ngữ như:
tính trừu tượng, tính bao gói, tính đa hình, và tính kế thừa.
Nền tảng thư viện của Arduino cũng được hổ trợ bởi ngôn ngữ lập trình hướng đối
tượng.
GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT CÁC DỊCH VỤ CỦA GOOGLE
2.5.1 Khái quát về Google Drive
Google Drive là một dịch vụ lưu trữ và đồng bộ hóa tập tin được tạo ra bởi Google.
Cho phép người dùng sử dụng để lưu trữ các tập tin trong các đám mây, chia sẽ tập tin,
và chỉnh sửa văn bản, bảng tính, thuyết trình. Google Drive bao gồm Google Docs,
Sheets, và Slides, một bộ phần mềm cho phép chỉnh sửa các tài liệu, bảng tính, thuyết
trình, bảng vẽ, hình thức, và nhiều hơn nữa.
Google Drive đã được phát hành vào ngày 24 tháng 4 năm 2012. Google Drive là
dịch vụ lưu trữ và chỉnh sửa dữ liệu trực tuyến với 15GB dung lượng miễn phí, cho
phép người dùng lưu trữ nhiều dạng dữ liệu như văn bản, video, âm thanh, PDF,... trên
nền tảng “đám mây”. Google Drive với khả năng hỗ trợ Google Docs và Google+ và
nhiều ứng dụng khác cao cấp giúp người dùng dễ dàng truy cập và chỉnh sửa tài liệu ở
bất cứ đâu.
14
đồ từ một số liệu và nhúng nó vào một trang web. Google Chart cung cấp các gói API
miễn phí, đầy đủ giúp cho người dùng tạo ra biểu đồ nhanh chóng với nhiều tùy chỉnh
mạnh mẽ.
Các gói API này cung cấp nhiều biểu đồ khác nhau, có thể nhúng biểu đồ này vào
một trang web một cách dễ dàng bằng URL dựa trên Google Chart API, hoặc nâng cao
hơn là nhúng những đoạn Javascript vào trang HTML.
Google Chart API sẽ trả về cho chúng ta một hình ảnh biểu đồ. Trong đó, tất cả
những thông tin của biểu đồ, như loại biểu đồ, tiêu đề, dữ liệu, chú thích, kích thước,
màu sắc...chính là phần của URL. Để đưa tấm ảnh biểu đồ vào trang HTML, chúng ta
chỉ cần lồng URL vào thẻ đó.
15
Copyright: Tài liệu đại học ©