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


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 ................................................................................................ 10
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 12
CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG
DỤNG ............................................................................................................................ 13
1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây ............................................................... 13
1.1.

Mạng cảm biến không dây là gì? ..................................................................... 13

1.2.

Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây ........................... 13

1.2.1.

Cấu trúc mạng cảm biến. ........................................................................... 14

1.2.2.

Cấu trúc một nút mạng [6] ........................................................................ 15

1.3.

WSN trong quân sự .......................................................................................... 21

3. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không dây [4] . 22
3.1.

Những khó khăn thƣờng thấy .......................................................................... 22

3.2.

Hạn chế trong việc xây dựng WSN ................................................................. 23

4. Kết luận ................................................................................................................... 24
CHƢƠNG 2 – ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ............ 25


4

1. Những vấn đề cần quan tâm về định tuyến trong mạng WSN[4],[8] ..................... 25
1.1.

Tính động của mạng......................................................................................... 25

1.2.

Trật tự sắp xếp của mạng ................................................................................. 25

1.3.

Khả năng của các nút mạng ............................................................................. 25


3.3.1.

Giao thức LEACH ..................................................................................... 32

3.3.2.

Giao thức PEGASIS .................................................................................. 34

3.4.

Định tuyến dựa vào vị trí ................................................................................. 34

3.4.1.

Giao thức GAF .......................................................................................... 34

3.4.2.

Giao thức GEAR ....................................................................................... 36

4. Kết luận ................................................................................................................... 36
CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 . 37
1. Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] ............................................................................... 37
2. Mô mình mạng Zigbee[10] ..................................................................................... 38
2.1.

Mạng hình sao (Star Network) ......................................................................... 38

2.2.


Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-

CA. 48
5.3.

Các mô hình truyền dữ liệu. ............................................................................. 50

5.4.

Phát thông tin báo hiệu beacon ........................................................................ 54

5.5.

Định dạng khung tin MAC. ............................................................................. 54

6. Tầng mạng của Zigbee [5] ...................................................................................... 54
6.1.

Dịch vụ mạng ................................................................................................... 54

6.2.

Dịch vụ bảo mật ............................................................................................... 55

7. Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] ...................................................... 55
8. Kết luận ................................................................................................................... 56
CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG
....................................................................................................................................... 57
1. Bài toán đặt ra ......................................................................................................... 57
1.1.


Hoạt động truyền dữ liệu của các nút mạng .............................................. 67

3.4.3.

Hoạt động giao tiếp giữa nút chủ và máy tính .......................................... 69

4. Kết quả của bài toán................................................................................................ 70
4.1.

Mạch thực tế..................................................................................................... 70

4.2.

Màn hình giám sát ............................................................................................ 72

5. Kết luận ................................................................................................................... 74


6

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI .................................................................... 75
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.

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


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


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


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




10

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây .................................................. 13
Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN .............................................................................. 14
Hình 1- 3 Cấu trúc tầng của WSN ................................................................................. 15
Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến .......................................................... 16
Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng ................................................................... 18
Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt. .......................................................................... 18
Hình 1- 7 Cảnh báo và đo thông số động đất ................................................................ 19
Hình 1- 8 Ứng dụng ngôi nhà thông minh .................................................................... 20
Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng ........................................................................................... 20
Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt ........................................................................... 21
Hình 1- 11 Ứng dụng trong quân đội ............................................................................ 21
Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica ...................................................................... 22

Hình 2- 1 Mô hình truyền dữ liệu giữa Sink và các nút cảm biến ................................ 28
Hình 2- 2 Truyền gói trong Flooding ............................................................................ 28
Hình 2- 3 Hiện tƣợng bản tin kép .................................................................................. 29
Hình 2- 4 Hiện tƣợng chồng chéo ................................................................................. 29
Hình 2- 5 Hoạt động của SPIN ...................................................................................... 30
Hình 2- 6 Ba tín hiệu bắt tay của SPIN ......................................................................... 30
Hình 2- 7 Các pha của giao thức truyền tin trực tiếp .................................................... 32
Hình 2- 8 Tạo lƣới ảo trong mạng ................................................................................. 35
Hình 2- 9 Sự chuyển trạng thái trong GAF ................................................................... 35

Hình 3- 1 Mô hình mạng Zigbee ................................................................................... 39

13 Mạch kết nối chân với vi điều khiển của RF nRF24L01 ........................... 65

Hình 4- 14 Sơ đồ hoạt động chung của hệ thống ......................................................... 66
Hình 4- 15 Sơ đồ thuật toán truyền nhận dữ liệu giữa các node mạng qua module thu
phát RF nRF24L01 ........................................................................................................ 68
Hình 4- 16 Sơ đồ truyền dữ liệu và hiển thị trên phần mềm giám sát ......................... 70
Hình 4- 17 Ba mạch node con và một mạch node chính .............................................. 71
Hình 4- 18 Các node đo nhiệt độ độ ẩm ....................................................................... 72
Hình 4- 19 Đồ thị giám sát kết quả đo đạc trên máy tính............................................ 73
Hình 4- 20 Kết quả giám sát lƣu ra file text ................................................................. 74


12

MỞ ĐẦU
Ngày nay, nhu cầu đo đạc, theo dõi từ xa và không cần dây dẫn, có thể giám sát
những điều mong muốn khi không có mặt tại nơi cần giám sát là rất phổ biến, có thể
thấy các ứng dụng nhƣ: giám sát bệnh nhân, giám sát phòng máy và giám sát vùng
biên giới… Mạng cảm biến không dây ra đời đã giải quyết những bài toán đó. Những
nút mạng cảm biến tự kết nối thành một mạng và phát các tín hiệu truyền cho nhau và
truyền tới máy tính giám sát của ngƣời dùng. Mạng cảm biến không dây có thể đƣợc
mở rộng theo ý muốn và mục đích sử dụng của ngƣời dùng với việc thêm vào các thiết
bị và link kiện mà không cần thao tác phức tạp.
Trƣớc xu thế mạng cảm biến không dây ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong
cuộc sống cũng nhƣ an ninh quốc phòng, căn cứ vào tình hình thực tế của nƣớc ta đang
cần hệ thống cảnh báo và giám sát các thông số môi trƣờng để phục vụ nhiều ngành,
nhiều lĩnh vực, em đã chọn hƣớng nghiên cứu là: “Nghiên cứu, chế tạo mạng cảm
biến không dây giám sát nhiệt độ, độ ẩm môi trƣờng”.
Luận văn sẽ giới thiệu tổng quan về mạng cảm biến, một số phƣơng pháp định
tuyến, chuẩn truyền thông phổ biến đƣợc sử dụng trong mạng cảm biến và cuối cùng


Nút quản lý
nhiện vụ

E

D

C
B
A

Người sử dụng

Trường cảm biến
Nút cảm biến

Hình 1- 1 Cấu trúc cơ bản mạng cảm biến không dây
1.2. Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến WSN sẽ bao gồm nhiều nút cảm biến đƣợc sắp theo ý của
ngƣời thiết kế mạng. Trong đó, mỗi nút cảm biến đƣợc cấu tạo bởi bốn thành phần cơ
bản: Bộ phận cảm biến, bộ phận xử lý, bộ phận thu phát và bộ phận cung cấp năng
lƣợng.


14

1.2.1. Cấu trúc mạng cảm biến.
Về cơ bản, một mạng cảm biến có cấu trúc nhƣ hình 1-1. Các nút cảm biến
đƣợc triển khai trong một trƣờng cảm biến (sensor field). Mỗi nút cảm biến đƣợc phát

Cấu trúc tầng thì chức năng cảm biến, tính toán và phân phối dữ liệu không
đồng nhất giữa các nút cảm biến. Những chắc năng này có thể phân theo cấp, cấp thấp
nhất thực hiện nhiệm vụ cảm nhận, cấp giữa thực hiện tính toán, cấp trên cùng thực
hiện phân phối. [7],[9]
Mạng cảm biến xây dựng theo cấu trúc tầng hoạt động hiệu quả hơn cấu trúc
phẳng, do các lý do:
-

Cấu trúc tầng có thể giảm chi phí mạng cảm biến bằng việc định vụ các tài

-

nguyên ở vị trí mà chúng hoạt động tốt nhất.
Mạng cấu trúc tầng sẽ có tuổi thọ cao hơn cấu trúc phẳng. Khi cần phải tính
toán nhiều thì bộ xử lý nhanh sẽ hiệu quả hơn, phụ thuộc vào thời gian yêu cầu
thực hiện tính toán. Tuy nhiên, với các nhiệm vụ cảm nhận cần hoạt động trong
thời gian dài, các nút cảm biến tiêu thụ ít năng lƣợng phù hợp với yêu cầu xử lý
tối thiểu sẽ hoạt động hiệu quả hơn.Với cấu trúc tầng mà các chức năng mạng
phân chia giữa các phần cứng đã đƣợc thiết kế riêng cho từng chức năng, sẽ làm
tăng tuổi thọ của mạng.

1.2.2. Cấu trúc một nút mạng [6]
Mỗi nút cảm biến bao gồm bốn thành phần cơ bản là: bộ cảm biến, bộ xử lý, bộ
thu phát không dây và nguồn điện. Tuỳ theo ứng dụng cụ thể, nút cảm biến còn có thể
có các thành phần bổ sung nhƣ hệ thống tìm vị trí, bộ sinh năng lƣợng và thiết bị di
động.


16


1.3. Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không dây
Có khả năng tự tổ chức, yêu cầu ít hoặc không có sự can thiệp của con ngƣời.
Truyền thông không tin cậy, quảng bá trong phạm vi hẹp và định tuyến
multihop.


17

-

Triển khai dày đặc và khả năng kết hợp giữa các nút cảm biến.
Cấu hình mạng thay đổi thƣờng xuyên phụ thuộc vào fading và hƣ hỏng ở các
nút.

- Các giới hạn về mặt năng lƣợng, công suất phát, bộ nhớ và công suất tính toán.
WSN đã kế thừa những ƣu điểm của mạng vô tuyến cùng với những đặc điểm
riêng của mạng cảm biến nó có thể đƣợc ứng dụng vào mạng gồm một số lƣợng lớn
các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tiêu thụ ít năng lƣợng có khả năng xử lý, tính toán
và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm đáp ứng các yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
1.4. Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
Dựa vào những trình bày ở trên, ta dễ dàng nhận thấy sự khác nhau giữa WSN
và mạng truyền thống. Sự khác nhau này đƣợc trình bày ở Bảng 1-1.
Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống
WSN

Mạng truyền thống

Số lƣợng node lớn

Số lƣợng node ít hơn

nhƣ nghiên cứu vi sinh vật biển, giám sát việc chuyên chở các chất gây ô nhiễm, kiểm
tra giám sát hệ sinh thái và môi trƣờng sinh vật phức tạp, điều khiển giám sát trong


18

công nghiệp và trong lĩnh vực quân sự, an ninh quốc phòng hay các ứng dụng trong
đời sống hàng ngày.
2.1. Mạng cảm biến trong môi trƣờng
Các mạng cảm biến không dây đƣợc dùng để theo dõi sự chuyển động của chim
muông, động vật, côn trùng; theo dõi các điều kiện môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm…
Một số ứng dụng quan trọng đối với việc giám sát môi trƣờng nhƣ:

Hình 1- 5 Mạng WSN cảnh báo cháy rừng
-

Phát hiện cháy rừng: Các nút cảm biến sắp xếp theo kiểu phân tán trong rừng
tạo thành một mạng tự phát. Mỗi nút cảm biến có thể thu thập nhiều thông tin
khác nhau liên quan đến cháy nhƣ nhiệt độ, khói …Các dữ liệu thu thập đƣợc

-

truyền multihop tới nơi trung tâm điều khiển để giám sát, phân tích, phát hiện
và cảnh báo cháy sớm ngăn chặn thảm họa cháy rừng.
Cảnh báo lũ lụt: Các nút cảm biến sẽ đo các chỉ tiêu lƣợng mƣa, mực nƣớc,
cung cấp thông tin cho trung tâm để phân tích và cảnh báo lụt sớm.

Hình 1- 6 Mạng WSN cảnh báo lũ lụt.




Hình 1- 9 Ứng dụng ở cảng
2.5.

WSN trong nông nghiệp


21

Hình 1- 10 Ứng dụng trong trồng trọt
Ứng dụng trong nông nghiệp của mạng cảm biến đƣợc phát huy mạnh nhất là
trong trồng trọt và chăn nuôi. Các cảm biến đƣợc dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng
ở nhiều điểm trên thửa ruộng hay trang trại gia súc, gia cầm và truyền dữ liệu mà
chúng thu đƣợc về trung tâm để ngƣời nông dân có thể giám sát và chăm sóc, điều
chỉnh cho phù hợp.
2.6.

WSN trong quân sự

Hình 1- 11Ứng dụng trong quân đội
-

Giám sát lực lƣợng, trang thiết bị và đạn dƣợc.
Giám sát chiến trƣờng.
Giám sát địa hình và lực lƣợng quân địch.
Đánh giá sự nguy hiểm của chiến trƣờng.
Trong các cuộc chiến tranh hóa học và sinh học đang gần kề, một điều rất quan

trọng là sự phát hiện đúng lúc và chính xác các tác nhân đó. Mạng cảm biến triển khai
ở những vùng mà đƣợc sử dụng nhƣ là hệ thống cảnh báo sinh học và hóa học có thể

128K-1M
Phạm vi bộ nhớ

Bộ nhớ

66% tổng chi phí yêu
cầu giám sát

Bộ vi xử lý

8 bit, 10MHz
Tính toán chậm

Pin

Thời gian sống bị
giới hạn

Cảm biến

Hình 1- 12 Cấu trúc phần cứng hạt Mica
Dải thông giới hạn:
Trong mạng cảm biến, năng lƣợng cho xử lý dữ liệu ít hơn nhiều so với việc
truyền nó đi. Hiện nay việc truyền thông vô tuyến bị giới hạn bởi tốc độ dữ liệu
khoảng 10-100 Kbits/s. Sự giới hạn về băng thông này ảnh hƣởng trực tiếp đến việc
-

truyền thông tin giữa các sensor. Và nếu không có sự truyền thông tin này thì không
thể đồng bộ hóa đƣợc.
-

Sự kết hợp chặt chẽ giữa sensor và môi trƣờng tự nhiên. WSNs dùng để giám
sát các hiện tƣợng trong thế giới thực nên việc thiết kế mạng phải thích ứng với
các đặc trƣng của môi trƣờng mà nó cảm nhận. WSNs phải đƣợc thiết kế phù
hợp với từng ứng dụng nhƣ kiểm tra trong quân đội, cảnh báo cháy rừng, dùng
loại sensor nào để đo nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh hay độ ẩm tùy từng loại ứng
dụng.

-

Thách thức lớn nhất trong mạng cảm biến là nguồn năng lƣợng bị giới hạn và
không thể nạp lại. Hiện nay rất nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải
thiện khả năng sử dụng hiệu quả năng lƣợng trong từng lĩnh vực khác nhau.
Trong mạng cảm biến, năng lƣợng đƣợc sử dụng chủ yếu cho 3 mục đích:
truyền dữ liệu, xử lý dữ liệu và đảm bảo cho phần cứng hoạt động. Không dừng
lại ở đó, ngƣời ta cũng mong muốn phát triển quá trình xử lý năng lƣợng một
cách hiệu quả, giảm thiểu tối đa các yêu cầu về năng lƣợng qua các mức của
protocol stack, các bản tin truyền qua mạng để điều khiển và phối hợp mạng.