LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi cơ điện tử và công
nghệ vi hệ thống với những mạch tích hợp cao xử lí thông minh dẫn đến mô
hình mạng cảm nhận không dây đã và đang ngày cành phát triển mạnh mẽ và
ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống xã hội (nông nghiệp, y tế, công
nghiệp ...).
Mạng cảm nhận không dây (Wiress Sensor Network) với đặc điểm của
loại mạng này vừa có chức năng mạng vừa có chức năng cảm nhận. Nó hoạt
động trên nguyên lí là tại một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của môi trường
cần đo,đo đạc thông số và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môi trường không
dây về trạm gốc (nút gốc), để trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xừ lý
cần thiết.
Khoá luận này nghiên cứu việc ghép nối cảm biến với vi điều khiển AVR
để từ đó ghép nối với nút mạng và xây dựng một mô hình đo nhiệt độ tự động và
truyền nhận không dây sử dụng vi mạch tích hợp cao CC1010.
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh
kiện điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sự thay đổi to lớn trong
cuộc sống. Mô hình mạng cảm nhận không dây ra đời dựa trên cơ sở ứng dụng
những thành tựu của công nghệ truyền thông không dây. Nó ra đời nhằm thỏa
mãn nhiều yêu cầu trong thực tế trong đó việc đo một thông số môi trường là rất
cần thiết và đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi bởi vì nó đem lại nhiều
ứng dụng cần thiết cho con người. Đặc điểm của mạng cảm nhận không dây là
vừa có chức năng mạng vửa có chức năng cảm nhận. Nó hoạt động trên nguyên
lí là tại một nút mạng sẽ cảm nhận thông số của môt trường cần đo , đo đặc
thông số và sau đó tiến hành truyền dữ liệu qua môt trường không dây về trạm
gốc (nút gốc), để trên cơ sở đó nút gốc có thể đưa ra các lệnh xử lý cần thiết
hoặc truyền số liệu vào máy tính. Bản thân nút gốc không nhất thiết phải là một
máy vi tính mà cũng có thể được chế tạo với kích thước nhỏ,phù hợp với đặc thù
của từng lĩnh vực ứng dụng cụ thể.
Mạng cảm nhận không dây do vây đã mở ra một hướng nghiên cứu

lớp,bộ công cụ phát triển Keil uVision 2 ,các IC cảm biến và vi điều khiển
có độ tích hợp cao...)
Nội dung để tài chia làm 3 chương:
Chương I: Tổng quan về mạng cảm nhận không dây.
Chương II: Các phương pháp ghép nối dạng đầu đo và chương trình
thực hiện chức năng thu thập dữ liệu.
Chương III: Phần mềm nhúng.
Chương I GIỚI THIỆU MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG DÂY
I. Mạng cảm nhận không dây
Khái niệm mạng cảm nhận không dây dựa trên công thức đơn giản sau:
Cảm nhận + CPU + Radio = WSN
Từ công thức đơn giản trên, rất nhiều ứng dụng xuất hiện. Tuy nhiên, việc
kết hợp các cảm biến, radios, và CPU vào một mạng cảm nhận không dây
(wireless sensor network-WSN) đòi hỏi hiểu biết chi tiết về khả năng và giới
hạn của các thành phần phần cứng, cũng như hiểu rõ các công nghệ mạng hiện
đại, lý thuyết phân bố hệ thống. Một thách thức là ánh xạ toàn bộ yêu cầu hệ
thống vào một thiết bị riêng lẻ. Để làm cho WSN trở nên thực tế, một kiến trúc
cần được phát triển để tổng hợp các ứng dụng dựa trên khả năng của phần cứng.
Để phát triển kiến trúc hệ thống cần đi từ yêu cầu ứng dụng mức cao xuống
các yêu cầu phần cứng mức thấp. Để giới hạn số các ứng dụng phải xem xét, cần
tập trung vào một tập các dạng ứng dụng được sử dụng nhiều trong thực tế. Sử
dụng các dạng ứng dụng này để tìm ra các yêu cầu mức hệ thống cho toàn bộ
kiến trúc. Từ các yêu cầu mức hệ thống này, có thể có các yêu cầu cho các nút
mạng riêng lẻ
1. Các ứng dụng của mạng cảm nhận không dây
Có ba dạng ứng dụng của mạng cảm nhận không dây: thu thập dữ liệu môi
trường, giám sát an ninh, và theo dõi đối tượng. Hầu hết các ứng dụng chủ yếu
của WSN đều thuộc ba dạng này.
1.1 Thu thập dữ liệu môi trường
Mạng cảm nhận không dây thu thập dữ liệu môi trường ra đời đáp ứng cho

o Kích thước vật lý nhỏ.
o Có công cụ phát triển giúp người phát triển xây dựng hệ thống dễ
dàng và thuận tiện như: sử dụng ngôn ngữ cấp cao, có các thư viện
hỗ trợ cho việc cảm nhận cũng như truyền nhận không dây, hỗ trợ
gỡ lỗi…
o Giá thành rẻ.
Hiện giờ có 3 họ VĐK trên thị trường có thể thoả mãn các tiêu chí trên:
- Họ VĐK MSP430 của Texas.
- Họ VĐK ATMEGA của Atmel.
- VĐK CC1010 của hãng Chipcon.
Các VĐK nói trên đều thỏa mãn các tiêu chí đề ra. Tuy nhiên, hai họ VĐK
đầu tiên không có tích hợp truyền nhận không dây, vì thế nếu sử dụng những
VĐK như vậy sẽ phải có thêm mạch truyền nhận không dây bên ngoài, quá trình
xây dựng hệ thống sẽ phức tạp. VĐK CC1010 được lựa chọn nhờ có tích hợp
truyền nhận không dây, do đó việc chọn VĐK CC1010 làm nút mạng hợp lý hơn
chọn các VĐK khác.
1.4 Giới thiệu Vi điều khiển CC1010
A. Các đặc điểm chính:
- Thu phát không dây 300-1000 MHz.
- Dòng tiêu thụ rất thấp (9,1 mA trong chế độ nhận).
- Độ nhạy cao (-107 dBm).
- Có thể lập trình cho công suất đầu ra tới +10 dBm.
- Tốc độ truyền RF có thể đạt 76.8 kbit/s.
- Cần rất ít thành phần ngoài
- Đo được cường độ RF (RSSI)
- Tương thích họ VĐK 8051
- 32 kB Flash, 2048 + 128 Byte SRAM
- 3 kênh ADC 10 bit, 4 timers / 2PWMs, 2 UARTs, RTC, Watchdog, SPI,
mã hoá DES, 26 cổng I/O
- Có khả năng gỡ lỗi sử dụng chương trình dịch Keil μVision2 IDE qua

Ngắt Timer 1 4 IP.PT1 0x1B IE.ET1 TCON.TF1
Ngắt truyền nối tiếp 0
Ngắt nhận nối tiếp 0
5 IP.PS0 0x23 IE.ES0 SCON0.TI 0
SCON0.RI 0
Ngắt truyền nối tiếp 1
Ngắt nhận nối tiếp 1
6 IP.PS1 0x3B IE.ES1 SCON1.TI 1
SCON1.RI 1
Ngắt truyền/nhận RF 7 EIP.PRF 0x43 EIE.RFIE EXIF.RFIF
Ngắt Timer 2 8 EIP.PT2 0x4B EIE.ET2 EXIF.TF2
Ngắt ADC
Ngắt mã hoá/giải mã
DES
9 EIP.PAD 0x53 EIE.ADIE
và ADCON2.
ADCIE
EXIF.ADIF
và
ADCON2.
ADCIF
EIE.ADIE
và
CRPCON.
CRPIE
EXIF.ADIF
và
CRPCON.
CRPIF
Ngắt Timer 3 10 EIP.PT3 0x5B EIE.ET3 EXIF.TF3

analog được điều khiển bởi ADCON.ADCREF. ADCON.AD_PD cần đặt bằng
1 khi không sử dụng ADC để tiết kiệm năng lượng. Biến đổi ADC được bắt đầu
sau 5µs sau khi xoá bit điều khiển ADCON.ADCRUN khi sử dụng VDD hay
nguồn tham chiếu ngoài, hoặc 100 µs khi sử dụng tham chiếu trong 1.25V.
Bộ định thời
CC1010 có 4 bộ định thời Timer 0, Timer 1, Timer 2, Timer 3 hoạt động
như là bộ định thời hay bộ đếm (Timer/Counter) trong đó Timer2 và Timer3 còn
có thể hoạt động như bộ điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width
Modulation).
Time 0/ Timer 1
Timer/Counter 0 và 1 có thể được lập trình và hoạt động độc lập theo 4 chế độ,
được điều khiển bởi các thanh ghi TMOD và TCON. Các chế độ có thể như sau:
- 13 bit Timer/Counter (Mode 0)
- 16 bit Timer/Counter (Mode 1)
- 8 bit Timer/Counter tự động nạp lại (Mode 2)
- 2 Timer 8 bit (chỉ dùng cho Timer 0, Mode 0)
Chi tiết về các chế độ, cách điều khiển sử dụng 2 thanh ghi TCON và
TMOD xin xem thêm phần Tài liệu tham khảo [6].
Timer 2/ Timer 3
Ngoài tính năng như là bộ định thời, Timer 2 và 3 có thể được sử dụng như
bộ điều chế độ rộng xung PWM. Nếu xoá bit TCON2.M2/TCON2.M3 thì sẽ là
bộ định thời. Nếu thiết lập bit TCON2.M2/TCON2.M3 thì sẽ là PWM. Khi đó
chân P3.4 và chân P3.5 là chân phát xung đầu ra tương ứng cho Timer2/Timer3.
Chu kỳ T
nPWM
đối với Timer n như sau:
fsystem
TnPRE
T
nP

frequency - IF) bởi bộ trộn (MIXER). Trong giai đoạn trung tần (IF STAGE) tín
hiệu được khuếch đại và lọc trước khi đưa tới bộ giải điều chế (DEMOD). Như
Hình 2.1. Sơ đồ khối của bộ thu phát RF
một lựa chọn, một tín hiệu RSSI hay IF sau khi trộn được đưa vào AD2. Sau khi
giải điều chế, tín hiệu số được đưa tới thanh ghi RFBUF. Ngắt có thể được sinh
ra theo mỗi bit hay mỗi byte nhận được (EXIF.RFIF).
Trong chế độ truyền, dao động được điều khiển bởi điện áp (VCO) được
đưa trực tiếp tới khuếch đại công suất (PA). Đầu ra RF là khoá dịch chuyển tần
số (frequency shift keyed - FSK) bởi luồng bit được đưa tới thanh ghi RFBUF.
Ngắt có thể được sinh ra cho mỗi bit hay byte được truyền (EXIF.RFIF). Mạch
chuyển bên trong T/R làm cho giao tiếp với antenna dễ dàng và sử dụng rất ít
thành phần ngoại vi.
Bộ tổ hợp tần số tạo ra dao động bên trong được đưa tới MIXER trong chế
độ nhận và PA trong chế độ truyền. Bộ tổ hợp tần số bao gồm một dao động
thạch anh (XOSC), bộ nhận biết pha (phase detector - PD), bơm nạp (CHARGE
PUMP), bộ lọc (internal loop filter - LPF), VCO, và các bộ chia tần (/R và /N).
Một tinh thể ngoài có thể được nối vào XOSC. VCO chỉ cần một cuộn cảm
ngoài.
Mạch ứng dụng RF
Bộ thu phát RF đòi hỏi rất ít các ngoại vi. Một mạch ứng dụng điển hình
được thể hiện ở hình 2.2. Các giá trị của các thành phần này xin xem thêm phần
Tài liệu tham khảo [6].
Tương ứng vào/ra
Cặp C31/L32 là đầu vào cho nơi nhận của bộ nhận, và nội trở của L32 có
tác dụng định thiên (bias) một chiều. C41, L41 và C42 được sử dụng để tương
ứng với bộ truyền có trở kháng 50 Ohm. Một bộ chuyển mạch trong T/R làm
cho nó có khả năng cùng nối với đầu vào và đầu ra và thích hợp với bộ thu
phát 50Ω trong cả hai chế độ RX và TX. VCO được tích hợp hoàn toàn trừ
cuộn cảm L101.
Lọc

khá thích hợp với mô hình mạng cảm nhận không dây.Dùng vi điều khiển
CC101 có thể xây dựng được nhiều ứng dụng hấp dẫn với sơ đồ thiết kế không
quá phức tạp.Phần mềm nhúng có thể đi theo hướng hệ điều hành hoặc đơn giản
hơn là các phương trình nhỏ có thể viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông
dụng như ASM,C … và nạp cho vi điều khiển
Kết luận: Trong chương này chúng ta đã trình bày sơ lược về mạng cảm
nhận không dây và vi điều khiển CC101,cách dùng CC1010 vào mạng không dây
Chương II GHÉP NỐI VI ĐIỀU KHIỂN AVR VỚI CẢM BIẾN
II. Những nét cơ bản của vi điều khiển AVR-Micro Atmega64L
-Hãng Atmel đã từ lâu nổi tiếng với chíp vi điều
khiển họ 89Cxx phù hợp với các ứng dụng đơn
giản. Chuyển sang họ AVR, Atmel đã thêm vào
chip vi điều khiển này nhiều tính năng mà chíp
họ 8051 không có như là ADC, PWM, BUS I
2
C,
2 Wire v.v..., để giúp cho người sử dụng có thêm nhiều tính năng để sử
dụng.
2.1 Đặc điểm cấu tạo của AVR
-AVR là vi điều khiển được thiết kế cho rất nhiều ứng dụng. Từ các
ứng dụng điều khiển, đo lường...
-Vi điều khiển AVR có thể coi như là một máy vi tính được tích hợp trên một
chíp đơn. AVR là vi điều khiển 8 bit ( không thuộc họ vi điều khiển xử lý số
DSP ) thiết kế hướng vào mục đích điều khiển. Được tích hợp các bộ nhớ
EEPROM và bộ nhớ Flash (có thể lập trình được trong hệ thống- In system
programmable)
-AVR có các trình dịch hộ trợ để lập trình từ mức thấp assembly (AVR Studio),
đến ngôn ngữ bậc cao như là C ( ICC, AVR CodeVision ). AVR có thể thực
hiện được hàng triệu lệnh đơn trong một giây.
2.1.1. Tính năng của Atmega64L

o Ngắt trong và ngắt ngoài.
o Sáu chế độ ngủ ( Sleep) để tiết kiệm năng lượng.
o Tần số làm việc có thể xác định bằng phần mềm.
-Điện áp làm việc:
o 2,7 – 5,5V cho Atmega64L
o 4,5 – 5,5V cho Atmega64
-Tốc độ:
o 0 - 8 MHz cho Atmega64L
o 0 - 16 MHz cho Atmega64
Chân
- Sơ đồ cấu hình chân của Atmega64L
Hình 19: Sơ đồ phần cứng
- Sơ đồ khối:
Hình 20: Sơ đồ khối vi điều khiển AVR: Atmega64L
2.1.2 Khối của Atmega64L
-Do các khối chức năng của Atmega64L rất nhiều lên em chỉ đề cập đến
các khối chức năng sử dụng trong luận văn này.
Lõi CPU của Atmega64L
-Trong mục này sẽ mô tả tổng quát về cấu trúc lõi CPU của AVR. Chức
năng chính của lõi CPU là đảm bảo cho chương trình hoạt động. CPU phải
có khả năng truy cập vào bộ nhớ, thực hiện tính toán, điều khiển ngoại vi
và quản lý ngắt.
- Sơ đồ khối của CPU:
Hình 21: Sơ đồ khối CPU.
-Các bộ xử lý AVR có kiến trúc Harvard, nghĩa là có bộ nhớ dữ liệu và
bộ nhớ chương trình tách biệt nhau. Hình trên minh họa sơ đồ khối CPU
của AVR. Bus dữliệu dùng cho bộ nhớ dữ liệu là 1 bus 8 bit, cho phép
nối hầu hết các bộ phận ngoại vi với tệp thanh ghi ( register file). Bus dữ
liệu dùng cho bộ nhớ chương trình có độ rộng 16 bit và chỉ nối với
thanh ghi lệnh.

trị khỏi ngăn xếp sẽ làm tăng SP thêm một giá trị.
Việc thực thi lệnh
Bộ xử lý AVR được điều khiển bởi đồng hồ hệ thống, đồng hồ này có thể
ở bên ngoài hoặc, nếu có tồn tại và được phép, một đồng hồ RC bên trong có thể
được sử dụng. Đồng hồ hệ thống này không qua bất kỳ bộ chia nào và được sử
dụng trục tiếp cho tất cả các thao tác truy nhập bên trong bộ xử lý. Bộ xử lý có
một đường ống (pipeline) 2 tầng, và lệnh tìm nạp/ giải mã được thực hiện đồng
thời vời việc thực thi lệnh.
Hình 22: Tìm nạp/ giải mã lệnh và việc thực thi lệnh.
Cứ mỗi lần lệnh được tìm nạp, nếu đây là một lệnh liên quan đến ALU,
nó có thể được thực thi bởi khối ALU như được minh họa tren hình 3-5 cho một
chu trình đơn lẻ.
Hình 23: Việc thực thi của ALU bao gồm tim/nạp. thực thi, và ghi ngược lại vào
thanh ghi
Mặt khác, việc truy nhập bộ nhớ SRAM chiếm mất 2 chu kỳ, như dược
minh họa ở hình dưới. Nguyên nhân là việc truy nhập bộ nhớ SRAM sử dụng
một thanh ghi con trỏ dùng cho địa chỉ bộ nhớ SRAM. Thanh ghi con trỏ này
chỉ là một trong các thanh ghi con trỏ (các cặp thanh ghi X, Y hoặc Z) có trên
chip. Chu trình đồng hồ thứ nhất được cần đến để truy nhập tệp thanh ghi và để
thao tác trên thanh ghi con trỏ (các lệnh truy nhập bộ nhớ SRAM cho phếp tăng
địa chỉ trước/ sau thao tác trên thanh ghi con trỏ). Ở thời điểm kết thúc của chu
kỳ đồng hồ thứ nhất, khối ALU thực hiện phép tính này, và sau đó địa chỉ này
được sử dụng để truy nhập ô nhớ SRAM và để ghi vào ô nhớ này (hoặc đọc ra
rừ đó vòa thanh ghi đích), như được minh họa hình dưới.
Hình 24: Các chu trình truy nhập dữ liệu lên thanh ghi SRAM trên chip.
2.1.3 Các chu trình truy nhập dữ liệu lên thanh ghi SRAM trên chip 5
của Atmega64L
- Bộ nhớ của Atmega64L được chia làm 2 phần : bộ nhớ chương trình
và bộ nhớ dữ liệu. Trong trường hợp đặc biệt bộ nhớ EEPROM được
mô tả như là bộ nhớ dữ liệu.