BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

PHẠM QUANG KHÁNH

NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
ỨNG DỤNG CHO ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LÊ NHẬT THĂNG

Hà Nội, 10-2013

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 chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Phạm Quang Khánh

2



cơ bản của thiết bị. ........................................................................................ 33

3


3.2.3: Khối xử lý trung tâm: vi điều khiển AT89C51 ................................... 33
3.2.4: Khối hiển thị: ...................................................................................... 35
3.2.5: Khối truyền dữ liệu: ............................................................................ 36
3.2.5.1: Các thông số kỹ thuật của module Sim900 ................................. 37
3.2.5.2: Tập lệnh AT ................................................................................ 38
3.2. Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 38
3.2.1. Khối nguồn .......................................................................................... 38
3.2.2. Khối nhập dữ liệu ................................................................................ 39
3.2.3. Khối giao tiếp GSM ............................................................................ 40
3.2.4. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................. 41
3.3. Mạch in ....................................................................................................... 42
3.4. Thuật toán ................................................................................................... 43
3.5. Phần mềm nhúng ........................................................................................ 45
3.6. Kết luận chƣơng 3 ....................................................................................... 47
CHƢƠNG 4: MỘT SỐ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................... 48
4.1. Thiết bị thử nghiệm..................................................................................... 48
4.2. Kich bản thử nghiệm................................................................................... 48
4.2.1: Nạp trƣơng trình nhúng vào mạch. ..................................................... 48
4.2.2.Thử nghiệm 1: ...................................................................................... 49
4.2.3.Thử nghiệm 2: ...................................................................................... 51
4.3. Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................... 54
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 58
Phụ lục ....................................................................................................................... 59


Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ..................................................................... 39
Hình 3.10: Nút nhấn truy nhập dữ liệu ..................................................................... 39
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch GSM ................................................................... 40
Hình 3.12. Module GSM đƣợc lắp ráp hoàn chỉnh ................................................... 40
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................... 41
Hình 3.14: Sơ đồ mạch in tích hợp 2 mạch slave và master ..................................... 42
Hình 3.15: Mạch in sau khi lắp ráp linh kiện ............................................................ 42
Hình 3.16: Lƣu đồ thuật toán mạch master ............................................................... 43
Hình 3.17: Lƣu đồ thuật toán mạch slave ................................................................. 44
Hình 3.18: Mô hình phần mềm nhúng cho vi điều khiển 8051 ................................ 47
6


Hình 4.1: Dịch chƣơng trình nhúng bằng Keil uVision 4.0. ..................................... 48
Hình 4.2: Nạp chƣơng trình nhúng ........................................................................... 49
Hình 4.3: Bản mạch slave(trạm con) sau khi đã lắp ráp các linh kiện hoàn chỉnh ... 49
Hình 4.4: Tin nhắn có nội dung “th?” đƣợc gửi từ mạch master tới mạch slave..... 50
Hình 4.5: Tin nhắn có nội dung chứa thông số nhiệt độ môi trƣờng đƣợc gửi từ
mạch slave tới mạch master ...................................................................................... 50
Hình 4.6: Bản mạch master sau khi khởi động xong sẵn sàng nhận dữ liệu từ slave51
Hình 4.7: Bản mạch master sau khi nhận thông số đo nhiệt độ từ slave gửi về ....... 51
Hình 4.8: Mô hình thực nghiệm dùng điện thoại di động làm trạm gốc (master) .... 51
Hình 4.9: Điện thoại di động (master) gửi mật khẩu “th?” tới trạm con (slave) ...... 52
Hình 4.10: Điện thoại di động nhận dữ liệu từ trạm con qua tin nhắn sms .............. 52
Hình 4.11: Điện thoại di động hiển thị thông số nhiệt độ từ slave gửi về ................ 53
Hình 4.12: Biểu đồ nhiệt độ đo đƣợc trong ngày ...................................................... 54

7



8


trƣờng” làm luận văn tốt nghiệp của mình với yêu cầu đặt ra là xây dựng cấu trúc
phần cứng nhỏ gọn, xử lý nhanh, chi phí thấp mà vẫn có khả năng đạt đƣợc hiệu
quả nhƣ mong muốn. Hệ thống này phải có khả năng ứng dụng cao trong các điều
kiện khí hậu khác nhau, giảm thiểu đáng kể những chi phí không cần thiết cho việc
đo nhiệt độ thủ công hoặc sử dụng những thiết bị đƣợc nhập về nhƣ hiện nay.
2. Mục tiêu và nội dung thực hiện của đề tài
Với những ứng dụng rộng rãi và cấp thiết nhƣ trên, mục tiêu của đề tài “Nghiên
cứu mạng cảm biến không dây cho đo nhiệt độ môi trƣờng” là đề xuất xây dựng
hệ thống đo nhiệt độ khắc phục đƣợc những hạn chế mà một số sản phẩm đã có trên
thị trƣờng chƣa giải quyết đƣợc nhƣ:
- Tốc độ lấy mẫu nhanh, tính tự động cao, giá thành rẻ.
- Thuật toán xử lý, đảm bảo đƣợc độ chính xác, tin cậy cao. Thuật toán này phải có
độ bảo mật an toàn cho thiết bị.
Do hạn chế về mặt thời gian nên đề tài tập trung giải quyết các vấn đề sau:
- Thực hiện giao tiếp giữa 2 nút mạng, hiển thị hình ảnh thông số kỹ thuật ra
màn hình LCD.
- Nghiên cứu, đề xuất hệ thống chuyền dữ liệu về nhiệt độ môi trƣờng thông
qua hạ tầng GSM
- Thiết kế, xây dựng một mạng cụ thể bao gồm 2 nút mạng.
Dựa trên các nội dung đó, luận văn này đƣợc chia thành 4 chƣơng với các nội dụng
chính nhƣ sau:
Nội dung chi tiết của bản luận văn bao gồm
- Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây.
- Chƣơng 2: Đo nhiệt độ môi trƣờng sử dụng mạng cảm biến không dây.
- Chƣơng 3: Mô hình hệ thống thực nghiệm, thuật toán và thiết kế phần mềm
nhúng.
- Chƣơng 4: Một số thử nghiệm và đánh giá.

phạm vi không gian nhất định. Các nút cảm nhận này sẽ tiến hành đo đạc các thông
số của môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, độ mặn.…việc thu thập các thông tin này
trong văn phòng, nhà kho, công xƣởng, viện bảo tàng, trong công nghiệp, y tế, nông
nghiêp, lâm nghiệp… WSN dƣờng nhƣ đã trở thành giải pháp hấp dẫn vì mang đến
sự tiện lợi về nhiều phƣơng diện, và đặc biệt trong nhiều trƣờng hợp thậm chí còn
hạn chế đƣợc sự nguy hiểm cho con ngƣời trong những môi trƣờng làm việc khắc
nghiệt (nút mạng thay thế cho sự làm việc trực tiếp của con ngƣời trong những môi
trƣờng có độc tính hay nhiệt độ cao...). Một hệ thống WSN hoàn thiện còn có khả
năng theo dõi và cảnh báo mức độ an toàn của môi trƣờng hoặc định vị sự di
chuyển các đối tƣợng trong phạm vi của nó. Tùy theo mục đích của mạng cảm biến
mà có thể thiết kế các nút mạng sao cho phù hợp. Các nút cảm biến có bộ vi xử lý
bên trong, thay vì gửi dữ liệu thô tới nút đích nó có thể tiến hành xử lý đơn giản và
gửi về dữ liệu đã đƣợc xử lý theo yêu cầu.

11


Hình 1.1: Mạng đơn bƣớc

Hình 1.2: Mạng đa bƣớc
Mạng đơn bƣớc đơn giản là từ nút con ta có thể gửi dữ liệu trực tiếp về nút cơ
sở, mạng loại này thƣờng là mạng nhỏ, thông thƣờng trƣờng hợp mạng đơn bƣớc
đƣợc coi là một trƣờng hợp đặc biệt của mạng đa bƣớc khi xem xét trên một phạm
vi nhỏ. Trong trƣờng hợp trên phạm vi lớn dữ liệu không thể gửi trực tiếp từ nút con
về nút cơ sở thì dữ liệu sẽ đƣợc gửi qua các nút trung gian trƣớc khi tới nút cơ sở, ta

12


gọi đây là truyền đa bƣớc. Đôi khi không phải vì không thể truyền trực tiếp từ nút


Mạng WSNs có đặc điểm riêng, công suất bị giới hạn, thời gian cung cấp năng
lƣợng của nguồn (chủ yếu là pin) có thời gian ngắn, chu kỳ nhiệm vụ ngắn, quan hệ
đa điểm – điểm, số lƣợng lớn các node cảm biến. Cảm biến có thể chỉ gồm một
hoặc dãy cảm biến với kích thƣớc rất đa dạng.
Do đặc tính của mạng WSNs là di động và trƣớc đây chủ yếu phục vụ cho ứng
dụng quân sự nên đòi hỏi tính bảo mật cao. Ngày nay, các ứng dụng WSNs mở rộng
cho các ứng dụng thƣơng mại, việc tiêu chuẩn hóa sẽ tạo nên tính thƣơng mại cao
cho mạng WSNs.
Các nghiên cứu gần đây phát triển thông tin công suất thấp với các nút xử lý
giá thành thấp và có khả năng tự phân bố, sắp xếp, lựa chọn giao thức cho mạng,
giải quyết bài toán quan trọng nhất của mạng WSNs là khả năng cung cấp năng
lƣợng cho các nút bị giới hạn. Các mô hình không dây, có mạch tiêu thụ năng lƣợng
thấp đƣợc ƣu tiên phát triển. Hiệu quả sử dụng công suất của WSNs về tổng quát
dựa trên 3 tiêu chí:
 Chu kỳ vận động ngắn.
 Xử lý dữ liệu nội bộ tại các nút để giảm chiều dài dữ liệu, thời gian truyền.
 Mô hình mạng multihop làm giảm chiều dài đƣờng truyền, qua đó làm giảm
suy hao tổng cộng, giảm công suất cho đƣờng truyền.
WSNs đƣợc chia làm 2 loại, theo mô hình kết nối và định tuyến mà các nút sử
dụng:


Loại 1 (C1WSNs):

 Sử dụng giao thức định tuyến động.
 Các nút tìm đƣờng đi tốt nhất đến đích.
 Vai trò của các nút cảm biến này với các nút cảm biến kế tiếp nhƣ là các
trạm lặp (repeater).
 Khoảng cách rất lớn (hàng trăm mét).

kênh truyền. Một vài kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp với mạng cảm biến nhƣ sau:


Cảm biến:

 Chức năng cơ bản.
 Xử lý tín hiệu.
 Nén và các giao thức phát hiện, sửa lỗi.
 Phân chia Cluster.
 Tự phân nhóm.


Kỹ thuật truyền vô tuyến:

 Dãy truyền sóng.
15


 Sự hƣ hại đƣờng truyền.
 Kỹ thuật điều chế.
 Giao thức mạng.


Tiêu chuẩn:

 IEEE802.11a/b/g.
 IEEE802.15.1 PAN/Bluetooth.
 IEEE802.15.3 Ultra Wideband (UWB).
 IEEE802.15.4/Zigbee (IEEE802.15.4 là tiêu chuẩn cho vô tuyến, Zigbee là
phần mềm ứng dụng và mạng logic).

Tuy nhiên, có thể thấy cấu trúc mạng phức tạp và giao thức phân chia Cluster và
định tuyến cũng trở nên khó khăn hơn.
Một vài đặc điểm của mạng cảm biến:
 Các nút phân bố dày đặc
 Các nút dễ bị hỏng.
 Giao thức mạng thƣờng xuyên thay đổi.
 Nút bị giới hạn về công suất, khả năng tính toán và bộ nhớ.
 Các nút có thể không đƣợc đồng nhất toàn hệ thống vì số lƣợng lớn các nút.
Các thành phần cấu tạo nên một nút trong mạng cảm biến
 Một cảm biến (có thể là một hay dãy cảm biến) và đơn vị thực thi (nếu có).
 Đơn vị xử lý.
 Đơn vị liên lạc bằng vô tuyến.
 Nguồn cung cấp.
 Các ứng dụng khác…

17


Để cung cấp sự hoạt động cho các nút, phần quan trọng là các hệ điều hành mã
nguồn mở đƣợc thiết kế đặc biệt cho WSNs. Thông thƣờng, các hệ điều hành nhƣ
thế dùng kiến trúc dựa trên thành phần để có thể thiết lập một cách nhanh chóng
trong khi kích thƣớc code nhỏ phù hợp với bộ nhớ có giới hạn của Sensor
Networks. TinyOS là một ví dụ về dạng này, đây là một chuẩn không chính thức.
Thành phần của TinyOS gồm giao thức mạng, phân phối các nút, drivers cho các
cảm biến và các ứng dụng. Rất nhiều nghiên cứu sử dụng TinyOS trong mô phỏng
để phát triển và kiểm tra các giao thức và giải thuật mới, nhiều nhóm nghiên cứu
đang cố gắng kết hợp các mã để xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ mạng tƣơng
ứng.

1.3. Tiêu chuẩn về phƣơng thức truyền nhận

cho phép hạn chế sự dƣ thừa trong mạng, làm giảm số đƣờng truyền, giảm năng
lƣợng tiêu thụ. Vấn đề quan tâm trong xử lý nội mạng, ngay khi dữ liệu đang đƣợc
truyền nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lƣợng của toàn hệ thống. Băng thông
không bị giới hạn, khả năng cung cấp công suất tại các nút bị hạn chế hay giá thành
cao. Để giải quyết vấn đề này, cần có quá trình xử lý trƣớc tại nguồn trƣớc khi
chuyển qua các nút lân cận, chỉ truyền thông tin tóm tắt, ngắn gọn, tổng hợp nhất.
Tổ chức mạng cảm biến: Các vấn đề liên quan, sự sắp xếp mạng và sự theo dõi
giám sát bao gồm quản lý nhóm các cảm biến, khả năng tự phân chia nhóm, xây
dựng phiên làm việc.
Tính toán: Tính toán liên quan đến tập hợp dữ liệu, dung hợp, phân tích, tính
toán cấu trúc và xử lý tín hiệu.
Quản lý dữ liệu: Quản lý dữ liệu phụ thuộc vào kiến trúc dữ liệu, quản lý cơ sở
dữ liệu, kỹ thuật truy vấn và lƣu trữ dữ liệu. Trong môi trƣờng mạng truyền thống,
dữ liệu đƣợc thu thập đến trung tâm để lƣu trữ khi có yêu cầu đƣợc gửi đi. Trong

19


các mạng phức tạp hơn, các yêu cầu theo thời gian thực, cần có các kỹ thuật đƣợc
xây dựng dùng cho các mô hình lƣu trữ dữ liệu phân bố. Dữ liệu cần đƣợc đánh chỉ
số cho việc kiểm tra (theo không gian và thời gian) hiệu quả hơn.
Bảo mật: Bảo mật là phần quan trọng trong WSNs, sự chắc chắn, sự nhất quán
và sự sẵn sàng của thông tin.
Các thách thức và trở ngại
Để WSNs thực sự trở nên rộng khắp trong các ứng dụng, một số thử thách và
trở ngại cần phải vƣợt qua:
 Chức năng giới hạn, bao gồm cả vấn đề về kích thƣớc
 Yếu tố nguồn cung cấp
 Giá thành các nút mạng
 Yếu tố môi trƣờng

1.4.2. Các ứng dụng của mạng WSNs
Chia ra 2 loại ứng dụng theo mô hình: hệ thống điểm - điểm dùng định tuyến
tĩnh và hệ thống phức tạp dùng giao thức định tuyến động.
Sự hội tụ của Internet, thông tin vô tuyến và kỹ thuật thông tin đã tạo cho công
nghệ cảm biến sự phát triển đầy tiềm năng. Phần cứng WSNs, đặc biệt là các vi xử
lý giá thành thấp, cảm biến nhỏ gọn, phần phát thu vô tuyến tiêu thị công suất thấp
trở thành các tiêu chuẩn chung. Mạng cảm biến thông thƣờng hoạt động ở tần số
900MHz (868 và 915MHz), hệ thống thƣơng mại (IEEE802.11b hay IEEE802.5.4)
trong dải tần 2.4 GHz
Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về WSNs đã đạt đƣợc những bƣớc
phát triển mạnh mẽ, các bƣớc tiến từ các nghiên cứu hứa hẹn tác động lớn đến các
ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc gia, chăm sóc sức khỏe, môi trƣờng,
an toàn thực phẩm và sản xuất,…
Các ứng dụng của mạng WSNs thực sự chỉ bị giới hạn bởi sự tƣởng tƣợng của
con ngƣời. Sau đây là các ứng dụng phổ biến nhất của WSNs:
Ứng dụng trong quân sự và an ninh quốc gia:
 Giám sát chiến trƣờng
 Bảo vệ anh ninh cho các công trình trọng yếu
 Ứng dụng trong quân đội
 Thông tin, giám sát, điều khiển

21


 Theo dõi các mục tiêu
 Phát hiện phóng xạ hạt nhân
 Giám sát dƣới nƣớc, trên không
 Hệ thống radar
Ứng dụng trong bảo vệ môi trƣờng:
 Phát hiện hoạt động của núi lửa

Giám sát an ninh
 Quân sự: theo dõi các mục tiêu, chiến trƣờng, các nguy cơ tấn công nguyên
tử, sinh hóa…
 Môi trƣờng: giám sát cháy rừng, thay đổi khí hậu, bão, lũ lụt…
 Y tế, sức khỏe: Giám sát bệnh nhân trong bệnh viện, quản lý thuốc, điều
khiển từ xa…
 Gia đình: ngôi nhà thông minh, điều khiển các thiết bị điện, hệ thống sƣởi
ấm…
 Thƣơng mại: điều khiển trong môi trƣờng công nghiệp, văn phòng, giám sát
xe cộ, giao thông…

1.5. Kết luận chƣơng 1
Ở chƣơng 1 đã trình bày tóm lƣợc một số những kiến thức cơ bản của mạng
WSN. Các nội dung đã đƣợc trình bày: Mô hình mạng cảm biến thông thƣờng, một
số ứng dụng của mạng cảm biến không dây đang đƣợc ứng dụng trong thực tiễn
phục vụ đời sống con ngƣời.

23


CHƢƠNG 2:
ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƢỜNG SỬ DỤNG MẠNG CẢM BIẾN
KHÔNG DÂY
Nhiệt độ môi trƣờng luôn ảnh hƣởng trực tiếp tới sinh hoạt và đời sống của
chúng ta. Việc xác định nhiệt độ môi trƣờng từ lâu đã là điều không thể thiếu.
Chúng ta có rất nhiều cách xác định nhiệt độ môi trƣờng nhƣ nhiệt kế thuỷ ngân …
Ngày nay với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật thì nhiệt độ đƣợc xác định và
xử lý dựa vào các linh kiện điện tử để giúp đạt hiệu quả cao nhất.
Do những điều kiện về nền kinh tế, kỹ thuật mà việc ứng dụng mạng cảm biến
không dây trong lỹ vực y tế ở nƣớc ta rất khó triển khai. Dƣới đây là một số ứng

25