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




3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................
MỤC LỤC .......................................................................................................................
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .....................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................

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

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

1.2.

Thành phần cấu trúc cơ bản của mạng cảm bi

1.2.1. Cấu trúc mạng cảm biến. ...........................................................................
1.2.2. Cấu trúc một nút mạng [6] ........................................................................
1.3.

Đặc điểm cơ bản của mạng cảm biến không d


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

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] .....................

1.1.Tính động của mạng .........................................

1.2.Trật tự sắp xếp của mạng ..................................

1.3.Khả năng của các nút mạng ..............................

1.4.Vấn đề năng lƣợng ...........................................

1.5.Vấn đề tập trung hợp nhất dữ liệu ....................
2.

Cách truyền dữ liệu trong mạng cảm biến ..............................................................

3.

Giao thức GEAR

Kết luận ...................................................................................................................

CHƢƠNG 3–CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 . 37
1.

Tổng quan về chuẩn Zigbee[1] ...............................................................................

2.

Mô mình mạng Zigbee[10] .....................................................................................

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

2.2.Mạng hình lƣới (Mesh Network) .....................

2.3.Mạng hình cây (Cluster Tree Topology) ...........
3.

Cấu trúc tầng trong chuẩn Zigbee[2] ......................................................................

4.

Tầng vật lý (PHY)[10] ............................................................................................

4.1.Điều chế tín hiệu của tầng vật lý. .....................

4.2.Thông số kỹ thuật .............................................


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

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

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

6.2.

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

7.

Tầng ứng dụng của Zigbee/IEEE 802.15.4 [5] ......................................................

8.

Kết luận ...................................................................................................................

CHƢƠNG 4–MÔ HÌNH ỨNG DỤNG GIÁM SÁT CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG
.......................................................................................................................................

1.

Bài toán đặt ra .........................................................................................................
1.1.

Mô hình bài toán cần xây dựng ......................

1.2.


5.

Kết quả của bài toán................................................................................................
4.1.

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

4.2.

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

Kết luận ...................................................................................................................


6

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG ĐỀ TÀI ....................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................
PHỤ LỤC ......................................................................................................................
1. Chƣơng trình code cho vi điều khiển ..................................................................

1.1.Chƣơng trình cho từng nút con t

1.2.Chƣơng trình cho nút chủ đo, ph
2. Chƣơng trình code phần mềm ...........................................................................

2.1.Hàm chính đọc giá trị từ nút chủ

2.2.Giao diện chính ........................


PAN
PEGASIS
PHY
PPDU
REQ
RF
RFD
SPIN
WLAN
WSN
ZC
ZDO


9

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1- 1 Sự khác nhau giữa WSN và mạng truyền thống.......................................... 17

Bảng 3- 1 Ƣu và nhƣợc điểm của Zigbee................................................................... 37
Bảng 3- 2 So sánh Zigbee và Bluetooh........................................................................ 38
Bảng 3- 3 Băng tần và tốc độ dữ liệu........................................................................... 41
Bảng 3- 4 Kênh truyền và tần số................................................................................. 41
Bảng 3- 5 Biến đổi bit to chip...................................................................................... 44
Bảng 3- 6 Định dạng khung PPDU.............................................................................. 45
Bảng 3- 7 Định dạng khung MAC............................................................................... 54



Hình 3- 4 Sơ đồ điều chế ...............................................................................................
Hình 3- 5 Pha của sóng mang ........................................................................................
Hình 3- 6 Cấu trúc siêu khung ......................................................................................
Hình 3- 7 Khoảng cách khung .......................................................................................
Hình 3- 8 Lƣu đồ thuật toán ..........................................................................................
Hình 3- 9 Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon ....................................................
Hình 3- 10 Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon. ........................................................


11

Hình 3- 11 Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon ...............................................................
Hình 3- 12 Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon ............................................

Hình 41
Sơ đồ tổng quát .........
Hình 42
Sơ đồ khối chung của
Hình 43
Vi điều khiển ATmega
Hình 4- 4
Mạch nguyên lý chung
Hình 4- 5
Cảm biến nhiệt độ, độ
Hình 4- 6 Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ, độ ẩm [15] ................................................
Hình 4- 7 Mạch nguyên lý kết nối với Atmega8 ...........................................................
Hình 48
Gửi tín hiệu start [15]
Hình 49
Giao tiếp bit 0 [15] ....

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
là đề xuất chế tạo mô hình mạng cảm biến không dây với số lƣợng node mạng cảm
biến.
Luận văn sẽ có kết cấu nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về mạng cảm biến không dây và ứng dụng
Chƣơng 2: Định tuyến trong mạng cảm biến không dây
Chƣơng 3: Chuẩn truyền thông không dây Zigbee/IEEE 802.15.4
Chƣơng 4: Mô hình ứng dụng giám sát các thông số môi trƣờng


13

CHƢƠNG1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ
ỨNG DỤNG

Trong chƣơng này, trình bày khái quát về mạng cảm biến không dây với đặc
điểm và cấu trúc, đồng thời giới thiệu những ứng dụng mà mạng cảm biến không dây
mang lại.
1. Tổng quan về mạng cảm biến không dây
1.1. Mạng cảm biến không dây là gì?
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) là các thiết bị


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
tán trong mạng có khả năng thu thập thông số liệu, định tuyến số liệu về bộ thu nhận
(Sink) để chuyển tới ngƣời dùng (User) và định tuyến các bản tin mang theo yêu cầu
từ nút Sink đến các nút cảm biến. Số liệu đƣợc định tuyến về phía bộ thu nhận (Sink)
theo cấu trúc đa liên kết không có cơ sở hạ tầng nền tảng (Multihop Infrastructureless
Architecture), tức là không có các trạm thu phát gốc hay các trung tâm điều khiển. Bộ
thu nhận có thể liên lạc trực tiếp với trạm điều hành (Task Manager Node) của ngƣời
dùng hoặc gián tiếp thông qua Internet hay vệ tinh (Satellite). [6]
1.2.1.1.

Cấu trúc phẳng

Với cấu trúc này, các nút mạng đều ngang hàng và đồng nhất trong hình dạng
và chức năng hình 1-2. Các nút giao tiếp với sink qua multihop và sử dụng nút mạng
ngang hàng làm bộ tiếp sóng. Nếu trong phạm vi truyền cố định, các nút mạng gần
sink hơn sẽ đảm bảo vai trò của bộ tiếp sóng đối với một số lƣợng nguồn lớn. Khi đó,
các node mạng có thể chia sẻ thời gian khi giả thiết tất cả các nguồn đều dùng cùng
một tần số để truyền dữ liệu. Nhƣng cách này chỉ có hiệu quả với điều kiện là có
nguồn chia sẻ đơn lẻ, ví dụ nhƣ thời gian, tần số… [7],[9]

Hình 1- 2 Cấu trúc phẳng của WSN
1.2.1.2.

Cấu trúc tầng

Trong cấu trúc tầng (hình 1-3), các cụm đƣợc tạo ra giúp các tài nguyên trong
cùng một cụm gửi dữ liệu single hay multihop (tùy thuộc vào kích cỡ cụm) đến một

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

Hình 1- 4 Các thành phần của một nút cảm biến
-

Bộ phận cảm biến: thƣờng bao gồm hai bộ phận nhỏ: sensors và bộ phận
chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số. Tín hiệu tƣơng tự đƣợc sản sinh
bởi những thành phần cảm biến dựa vào quan sát hiện tƣợng đƣợc chuyển đổi
tới tín hiệu số bởi ADCs, và sau đó đƣợc chuyển tới bộ phận xử lý.

-

Bộ phận xử lý: thƣờng liên quan đến một bộ phận lƣu trữ nhỏ, quản lý những
thủ tục làm cho nút cảm biến hợp tác với nhau để thực hiện nhiệm vụ cảm biến
đƣợc định trƣớc.

-

Bộ phận thu phát: để kết nối nút với mạng. Nó làm nhiệm vụ gửi và nhận dữ
liệu thu đƣợc từ chính nó hoặc các nút lân cận tới các nút khác hoặc tới sink.

-

Bộ nguồn: Một trongnhững thành phần quan trọng của một nút cảm biến là bộ

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
Số lƣợng node lớn
Mật độ triển khai node dầy
Cấu trúc mạng có thể thay đổi
Truyền dữ liệu theo kiểu quảng bá
Các node cảm biến thƣờng bị giới hạn
về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ
nhớ
Các node cảm biến có thể chia sẻ nhiệm
vụ với các node lân cận
Các node cảm biến có thể có hoặc không
có số định dạng toàn cầu (Global
Indentification –ID)

2. Ứng dụng mạng cảm biến không dây [3]



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.


19

Hình 1- 7Cảnh báo và đo thông số động đất
-

Giám sát và cảnh báo các hiện tƣợng địa chấn: Với phần giám sát này, các cảm
biến đƣợc thiết kế để đo độ rung và đặt ở mặt đất hay trong lòng đất những khu
vực hay xảy ra động đất, hay gần các núi lửa để giám sát và cảnh báo sớm hiện
tƣợng động đất và núi lửa phun trào.
2.2.

Ứng dụng trong y tế

Một số ứng dụng trong y tế của mạng cảm biến không dây là cung cấp khả năng
giao tiếp cho ngƣời khuyết tật; kiểm tra tình trạng bệnh nhân; chuẩn đoán; quản lý
dƣợc phẩm trong bệnh viện; kiểm tra sự di chuyển và các cơ chế sinh học bên trong
của côn trùng và các loài sinh vật nhỏ khác….
2.3.

Ứng dụng trong gia đình và điện dân dụng

Trong lĩnh vực tự động hóa nhà ở, các nút cảm biến đƣợc đặt ở các phòng để đo
nhiệt độ, phát hiện những dịch chuyển trong phòng và thông báo lại thông tin này đến


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

cung cấp các thông tin mang ý nghĩa quan trọng đúng lúc nhằm tránh thƣơng vong
nghiêm trọng.


22

3. Những khó khăn và hạn chế trong việc phát triển mạng cảm biến không

dây [4]
Xác định rõ những hạn chế của mạng cảm biến và các vấn đề kỹ thuật sẽ gặp
phải khi triển khai giúp ta tận dụng triệt để những thuận lợi cũng nhƣ tiện ích từ
những ứng dụng vô cùng to lớn của mạng cảm biến không dây trong cuộc sống.

-


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

Phần cứng giới hạn: