BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ VĂN SANG NGHIÊN CỨU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ ỨNG DỤNG Chuyên ngành : Điện tử tin học LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN ĐỨC MINH Hà Nội – Năm 2012 Mục lục Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục từ kí hiệu, viết tắt Lời mở đầu Phần Mở Đầu Lý chọn đề tài Quá trình phát triển mạng cảm biến không dây Mục đích nghiên cứu luận văn Tình hình nghiên cứu giới Tóm tắt nội dung Phương pháp nghiên cứu 10 Phần nội dung luận văn 11 Chương 1: Tổng quan ứng dụng mạng cảm biến không dây 11 1.1 Tổng quan kĩ thuật mạng cảm biến không dây (WSNs) 11 1.1.1 Công nghệ Sensor Network 11 1.1.2 Các thành phần cấu trúc mạng cảm biến 15 1.2 Ứng dụng mạng cảm biến 19 1.2.1 Ứng dụng quân sự, an ninh thiên nhiên 20 Chương 2: Các kĩ thuật mạng cảm biến không dây 22 2.1 Các kĩ thuật sử dụng WSNs 22 2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây 22 2.2.1 Các node cảm biến 22 2.2.2 Phần cứng phần mêm WSNs 24 2.2.3 Phân loại cảm biến 26 2.2.4 Môi trường hoạt động sensor 27 2.2.5 Xu hướng phát triển node 28 2.3 Kĩ thuật truyền dẫn không dây 28 2.3.1 Quá trình truyền sóng 28 2.3.2 Điều chế tín hiệu 31 2.2.3 Các công nghệ không dây 32 2.3 Giao thức điều khiển truy nhập mạng WSNs 33 2.3.1 Mô hình giao thức cho WSNs 34 2.3.2 Giao thức MAC 35 2.3.3 Các giao thức MAC cho mạng WSNs 47 2.3.4 Nghiên cứu trường hợp SENSOR-MAC (S - MAC) 51 2.4 Định tuyến mạng WSNs 55 2.4.1 Đặt vấn đề 55 2.4.2 Thiết kế định tuyến mạng WSNs 57 2.4.3 Giao thức định tuyến WSNs 57 2.4.4 Các kĩ thuật định tuyến 59 Chương 3: Thiết kế hệ thống WSNs 64 3.1 Đặc tả yêu cầu hệ thống 64 3.1.1 Yêu cầu chức 64 3.1.2 Yêu cầu phi chức 64 3.2 Thiết kế hệ thống 65 3.2.2 Khối mạch vào: 67 3.2.4 Khối cao tần 68 3.2.5 Khối xử lý trung tâm (ở xử lý trung tâm) 68 3.2.6 Khối hiển thị 68 3.2.7 Khối phím bấm 68 3.2.8 PC 68 3.2.9 Giao thức mạng (protocol) 68 3.3 Thiết kế chi tiết 69 3.3.1 Thiết kế phần cứng 69 3.3.2 Thiết kế giao thức mạng 82 3.3.3 Tiết kiệm lượng mạng 83 Tổng kết 84 Tài liệu tham khảo 84 Danh mục hình vẽ Hình 1: Bảng thống kế số liệu nghiên cứu WSN [1] 12 Hình 2: Mô hình cấu trúc mạng [1] 15 Hình 3: Sơ đồ khối node 16 Hình 4: Sơ đồ khối giao thức chung cho mạng cảm biến 18 Hình 5: Các giao thức dùng cho Lower-Layer WSNs 18 Hình 6: Ứng dụng sensor network an ninh quốc phòng luật pháp [1] 21 Hình 7: Ứng dụng WSNs thiêt bị quân 21 Hình 8: Sơ đồ phát triển loại cảm biến 24 Hình 9: Sơ đồ khối phần cứng phần mềm WSNs [1] 25 Hình 10: Mô tả công nghệ cảm biến 27 Hình 11: Quá trình truyền sóng không gian 29 Hình 12: Bảng suy hao va sóng điện từ va chạm với vật cản theo số 30 Hình 13: Minh họa trình truyền sóng 30 Hình 14: Sơ đồ đánh giá hiệu dạng điều chế 32 Hình 15: Bảng so sánh giao thức 33 Hình 16: Đồ thị so sánh chuẩn truyền dẫn không dây phổ biến 33 Hình 17: Mô hình tham khảo OSI cấu trúc lớp liên kết liệu 35 Hình 18: Giao thức TDMA dùng WSNs 48 Hình 19: Khung thời gian hoạt động Node 53 Hình 20: Các ứng dụng mạng WSNs [1] 56 Hình 21: Truyền liệu đa chặng 57 Hình 22: Mô hình Flooding 60 Hình 23: Hoạt động giao thức SPIN 62 Hình 24: Thủ tục bắt tay giao thức SPIN - PP 63 Hình 25: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 65 Hình 26: Cảm biến nhiệt độ LM35 66 Hình 27: Cảm biến ánh sáng OPT101 66 Hình 28: LED thu phát hồng ngoại 67 Hình 29: Bộ thu phát RF 68 Hình 30: Sơ đồ khối tổng quát mạch cảm biến 69 Hình 31: Mạch nguyên lý cảm biến LM35 70 Hình 32: Sơ đồ nguyên lý khối CPU node mạng 71 Hình 33: Sơ đồ nguyên lý khối RF 71 Hình 34: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo nhiệt độ 72 Hình 35: Sơ đồ mạch in node đo nhiệt độ 73 Hình 36: Nguyên lý mạch vào sensor đo ánh sáng 73 Hình 37: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo ánh sáng 74 Hình 38: Sơ đồ mạch in mạch đo ánh sáng 75 Hình 39: Mạch vào node mạng phát vật 76 Hình 40: Sơ đồ nguyên lý mạch phát vật 76 Hình 41: Sơ đồ mạch in mạch phát vật 77 Hình 42: Sơ đồ khối tổng quan khối xử lý trung tâm 77 Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối CPU mạch xử lý trung tâm 78 Hình 44: Mạch nguyên lý khối hiển thị 78 Hình 45: Mạch nguyên lý khối giao tiếp máy tính 79 Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 79 Hình 47: Sơ đồ mạch in mạch xử lý trung tâm 80 Hình 48: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi tin nhắn SMS 81 Hình 49: Sơ đồ mạch in mạch gửi nguyên lý SMS 81 Hình 50: Sơ đồ khối mô tả giao thức truyền dẫn 82 Hình 51: Sơ đồ mô tả trình truyền tin node mạng 83 Danh mục từ kí hiệu, viết tắt Kí hiệu ACK AES API APS ATM BE BTS CAP CCA CDMA CFP CID Viết đầy đủ Acknowledge Advanced Encryption Standard Application Programming Interface Application Support Sublayer Asynchronous Transfer Mode Back-off Exponent Base Transceiver Station Contention Access Period Clear Channel Assessment Code Division Multiple Access Contention Free Period Cluster Identity CSMA CSMA/CA CSMA/CD CTS CW DCE DSSS DTE DTMC E2E FDMA FFD GTS HbH IEEE IrisNet ITU LAN LEACH LQI LRWPANs MAC MANET MIB MiLAN NAV NB OS PHY RED RF RFID RTS S-MAC SMACS TDMA TS WAN WSNs Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Clear to send Congestion Window Data Circuit-Terminating Equipment Direct-Sequence Spread Spectrum Data Terminal Equipment Discrete-Time Markov Chain End-to-End Frequency Division Multiple Access Full-Function Device Guaranteed Time Slot Hop-by-Hop Institute of Electrical and Electronic Engineers Internet-Scale Resource-Intensive Sensor Networks Services International Telecommunication Union Local Area Network Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Link Quality Indicator Low Rate Wireless Personal Area Networks Medium access control Mobile ad hoc Network Management Information Base Middleware Linking Application and Network Network Allocation Vector Number of Back-off Operating System Physic Layer Receiver Energy Detection Radio Frequency Radio Frequency Identify Device Ready to send sensor Medium access control Self-Organizing Medium Access Control for Sensornets Time Division Multiple Access Timeslot Wide Area Networks Wireless Sensor Networks Lời mở đầu Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ Internet, truyền thông công nghệ thông tin kết hợp với hàng loạt phát minh khoa học kĩ thuật thời gian gần tạo điều kiện cho hệ cảm biến với chức đặc tính như: Giá thành thấp, kích thước nhỏ, độ xác cao tiêu thụ lượng thấp Công nghệ điều khiển cảm biến gồm hệ cảm biến có dây, cảm biến không dây phát triển mạnh Các tiến lĩnh vực công nghệ vật liệu thiết kế cảm biến cho phép giảm kích thước, trọng lượng cảm biến giảm chi phí sản xuất cảm biến đồng thời tăng khả hoạt động độ xác Hệ thống cảm biến không dây hệ thống cảm biến tích hợp nhiều cảm biến khác hệ thống Các cảm biến giao tiếp với giao tiếp với tập trung thông qua hệ thống wireless thiêt kế đặc thù riêng, không sử dụng sở mạng có sẵn Qua đảm bảo tính bảo mật cao hệ thống mạng cảm biến không dây Hệ thống mạng cảm biến không dây cho phép người dùng theo dõi, giám sát môi dạng môi trường ứng dụng khác như: ứng dụng quân sự, nghiên cứu hóa chất độc hại hay theo dõi thông tin môi trường dùng nghiên cứu sống Qua đó, nâng cao hiệu công việc, giảm chi phí nhân công, nâng cao chất lượng sống Xuất phát từ thực tế này, em định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng” Trong luận văn em trình bày kĩ thuật xây dựng hệ thống mạng cảm biến từ đơn giản đế phức tạp Qua trình bày hệ thống WSN đơn giản demo cho phần trình bày luận văn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Đức Minh hướng dẫn tận tình tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài Phần Mở Đầu Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, khoa học kĩ thuật đời sống người dân phát triển nhanh Các ngành nghiên cứu đòi hỏi phải theo dõi, giám sát thông số vật lý môi trường hay vật chất cách liên tục điều kiện khắc nghiệt, chí độc hại thể người Nhu cầu cấp bách đòi hỏi phải có thiết bị có khả theo dõi, giám sát thông số cách liên tục môi trường độc hại, giúp giảm sức người lao động nâng cao chất lượng công việc Bên cạnh đó, hoạt động quân cần theo dõi giám sát vùng không gian rộng lớn cách liên tục để ngăn kẻ thù công hay theo dõi hoạt động lực lượng đối địch Việc thực dựa vào sức người, đòi hỏi trợ giúp khoa học kĩ thuật Ngoài ra, nhiều lĩnh vực đời sống xã hội đòi hỏi nhu cầu theo dõi, giám sát như: quản lý ô nhiễm môi trường, theo dõi, cảnh báo thiên tai Xuất phát từ nhu cầu trên, với phát triển mạnh mẽ công nghệ cảm biến thời gian gần đây, định chọn đề tài “Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng” để góp phần tìm hiểu phát triển lĩnh vực nghiên cứu mạng cảm biến không dây, đáp ứng phần nhu cầu xã hội Quá trình phát triển mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây công nghệ phát triển thời gian gần đây, trình phát triển mạng phân tách giai đoạn sau:  Thời kì chiến tranh lạnh: Các mạng ngầm phát triển rộng rãi Mỹ dùng ứng dụng giám sát ngầm đáy biển Mạng không phòng thủ radar triển khai Bắc Mỹ  Sự thúc đẩy mạnh mẽ cho nghiên cứu mạng cảm biến vào đầu năm 1980 với chương trình Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)  Sự phát triển ứng dụng quân sự: Vào năm 1980 – 1990, coi hệ thống thứ sản phẩm thương mại dựa nghiên cứu DARPA-DSN  Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ngày coi sản phẩm thứ ứng dụng thương mại Các bước tiến mạnh mẽ truyền thông cộng với công nghệ cảm biến khoảng thời gian 1990 – 2000 tạo cảm biến với số lượng lớn, giá thành hạ, công suất tiêu thụ thấp thúc đẩy mạnh mẽ phát triển mạng cảm biến không dây Mục đích nghiên cứu luận văn Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, phương pháp thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây, từ đơn giản đến phức tạp Nghiên cứu quy trình công nghệ, thành phần công nghệ, giao thức điều kiện hoạt động mạng cảm biến không dây Kết cuối luận văn đưa phương pháp thiết kế mạng cảm biến không dây Các phương án thiết kế phần cứng xây dựng phần mềm giao thức truyền dẫn mạng cảm biến Xây dựng hệ thống mạng cảm biến không dây đơn giản minh chứng cho nghiên cứu luận văn Hệ thống demo mạng cảm biến không dây gồm thành phần node mạng theo dõi thông số nhiệt độ, ánh sáng phát vật thể khu vực quan sát Truyền xử lý trung tâm thông qua giao thức mạng cảm biến không dây Từ xử lý trung tâm xử lý truyền lên máy tính thông số từ node gửi tin nhắn đến thuê bao nạp sẵn thông số môi trường có điều kiện bất thường xảy Tình hình nghiên cứu giới Những năm gần đây, mạng cảm biến không dây phát triển mạnh mẽ giới với ứng dụng nhiều ngành khoa học kĩ thuật đời sống xã hội như:  Ứng dụng lĩnh vực quân an ninh quốc gia o Giám sát chiến trường o Bảo vệ an ninh cho công trường trọng yếu o Ứng dụng quân đội o Thông tin, giám sát, điều khiên o Phát phóng xạ  Ứng dụng bảo vệ môi trường o Phát hoạt động núi lửa o Giám sát cháy rừng o Giám sát dịch bệnh o Sử dụng hiệu tài nguyên thiên nhiên  Ứng dụng thương mại o Điều khiển không lưu o Quản lý cầu đường o Điều khiển nhiệt độ Tóm tắt nội dung Nghiên cứu thiết kế chi tiết hệ thống mạng cảm biến không dây hoàn chỉnh thực tế phức tạp, quy mô tốn Để thực việc cần phải có lượng thời gian, kiến thức định vấn đề tài Trong phạm vi kiến thức có hạn, đề tài thực số nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến không dây ứng dụng  Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạng cảm biến không dây, bao gồm việc thiết kế phần cứng, phần mềm thiết kế giao thức truyền dẫn thông tin  Nghiên cứu, thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây thu gọn với số lượng node mạng it (3 node mạng) xử lý trung tâm với giao thức truyền dẫn đơn giản  Hệ thống demo mạng cảm biến không dây thực việc đọc liệu giây lần truyền xử lý trung tâm Việc đọc thông tin hoàn toàn độc lập node mạng Bộ xử lý trung tâm nhận liệu, xử lý, truyền lên máy tính gửi tin nhắn đến vài số thuê bao có điều kiện bất thường xảy Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn, học viện thực phương pháp nghiên cứu sau:  Tham khảo tài liệu: Tổng hợp kiến thức, thông tin từ sách báo, tạp chí Việt Nam giới  Phương pháp quan sát: Khảo sát mạch điện tử, module wireless thị trường mạng intenet  Phương pháp tông hợp: Tổng hợp công nghệ mạng cảm biến không dây, yêu cầu thiết kế phần cứng, phần mềm giao thức truyền dẫn  Phương pháp thực nghiệm: Từ kiến thức tổng hợp kết hợp với hướng dẫn giảng viên hướng dẫn, học viên nghiên cứu tổng quan, thiết kế demo, chạy thử nghiệm chọn lọc phương án tối ưu 10 Mạch đo nhiệt độ sử dụng sensor LM35 TI Đầu sensor giá trị điện áp với tỷ lệ: 10mV/10C b Mạch vào Mạch vào đưa mức điện áp đầu sensor điện áp tiêu chuẩn trước đưa vào ADC U22 VCC C35 C36 10uF 100nF VS+ VOUT ADC0 R21 100 LM35/TO C34 100nF Hình 31: Mạch nguyên lý cảm biến LM35 c ADC (Analog digital converter) Bộ ADC chuyển đổi điện áp từ tương tự (liên tục) sang số (rời rạc) để xử lý xử lý Bộ ADC tích hợp sẵn vi điều khiển Atmega16 mà luận văn lựa chọn sử dụng d CPU CPU nhận liệu từ đầu ADC, xử lý gửi thông tin qua cao tần để truyền 70 PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 GND VCC PA0 PA1 PA2 PA3 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 IR_OUT PA3 PA2 PA1 PA0 VCC GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PD0 PD1 PD2 U1 mega16_dan PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND AVCC PC7 PC6 PC5 PC4 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 PA4 PA5 PA6 PA7 VCC GND VCC PC7 PC6 PC5 PC4 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 VCC GND PC0 PC1 PC2 PC3 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 RXD TXD DE PB5 PB6 PB7 RES VCC GND XL1 XL2 PD0 PD1 PD2 PC3 PC2 CLK_ PC1 PC0 GND VCC PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 Hình 32: Sơ đồ nguyên lý khối CPU node mạng e Cao tần Khối cao tần sử dụng thu phát sóng FRB12 với chức điều chế tín hiệu truyền thông tin điều khiển trung tâm: J39 INT/VND SDI PB6 SEL PB4 PD2 IRQ DCLK/ RES 11 10 12 PB7 PB5 3.3V CLK SDO FSK/DATA/FFS CLK_ GND CON12A Hình 33: Sơ đồ nguyên lý khối RF 71 R37 10K Sơ đồ mạch nguyên lý U4 J40 D5 U3 R20 VIN VOUT 3 VOUT VOUT 3.3V C10 10U C11 104 IR_OUT PA3 PA2 PA1 PA0 VCC GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 GND LM7805/TO SW3 SW KEY -SPST C8 CAP RES R35 R U22 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 VCC PB5 PB6 PB7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PD0 PD1 PD2 U1 mega16_dan PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND AVCC PC7 PC6 PC5 PC4 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 PA4 PA5 PA6 PA7 VCC GND VCC PC7 PC6 PC5 PC4 C35 C36 10uF 100nF Y1 CAP NP CRY STAL C7 XL2 CAP NP ADC0 PC3 PC2 CLK_ PC1 PC0 GND VCC PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 J28 VCC INT/VND SDI PB6 SEL PB4 IRQ PD2 DCLK/ RES 11 PB5 10 12 PB7 PB5 3.3V CLK SDO FSK/DATA/FFS CLK_ GND R37 RES PB7 PB6 10 VCC GND J39 CON10A_CHIP40 10K CON12A Hình 34: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo nhiệt độ 72 VOUT ADC0 R21 100 C34 XL1 GND VS+ LM35/TO C6 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 VCC GND PC0 PC1 PC2 PC3 10 11 VCC PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 GND VCC PA0 PA1 PA2 PA3 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 RXD TXD DE PB5 PB6 PB7 RES VCC GND XL1 XL2 PD0 PD1 PD2 D6 LED 330 C9 10U LD1117/DD DIODE CON2 VIN GND GND VCC 100nF Hình 35: Sơ đồ mạch in node đo nhiệt độ Mạch đo ánh sáng Tương tự node mạng đo nhiệt độ, mạch đo ánh sáng gồm khối sau: a Sensor Mạch sensor sử dụng cảm biến ánh sáng OPT101 R R38 trình bày bên C10 b Mạch vào CAP NP Mạch vào thực U2 nhiệm vụ biến đổi tín hiệu đầu cảm biến dạng VCC xung thành tín hiệu chiều DC với điện áp trung bình C9 104 để đưa vào ADC xử lý -IN OUT ADC0 FB VS -V COM OPT101 Hình 36: Nguyên lý mạch vào sensor đo ánh sáng 73 c ADC (Analog digital converter) Khối ADC khối chuyển đổi điện áp từ tương tự (liên tục) sang số (rời rạc) để xử lý xử lý Bộ ADC tích hợp sẵn vi điều khiển Atmega16 mà luận văn lựa chọn sử dụng d CPU khối cao tần thiết kế tương tự mạch đo nhiệt độ Sơ đồ nguyên lý mạch node mạng đo ánh sáng: U3 D5 U4 J41 R20 VIN VOUT 3 VOUT VOUT 3.3V IR_OUT PA3 PA2 PA1 PA0 VCC GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 SW3 SW KEY -SPST ADC0 GND C11 104 C10 10U LM7805/TO D6 LED 330 C9 10U LD1117/DD DIODE CON2 VIN GND GND VCC C8 CAP RES PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 GND VCC PA0 PA1 PA2 PA3 VCC 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 R35 R PB5 PB6 PB7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PD0 PD1 PD2 U1 mega16_dan PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND AVCC PC7 PC6 PC5 PC4 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 PA4 PA5 PA6 PA7 VCC GND VCC PC7 PC6 PC5 PC4 C10 CAP NP U2 VCC C6 XL1 CRY STAL C7 XL2 -IN ADC0 OUT FB VS -V COM OPT101 J28 CAP NP VCC PB5 RES PB7 PB6 J39 INT/VND PB6 SDI SEL PB4 PD2 IRQ DCLK/ RES 9 11 10 12 PB7 PB5 3.3V CLK SDO FSK/DATA/FFS CLK_ GND R37 CON10A_CHIP40 R CON12A Hình 37: Sơ đồ nguyên lý node mạng đo ánh sáng 74 10 VCC GND GND Y1 C9 104 PC3 PC2 CLK_ PC1 PC0 GND VCC PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 CAP NP R R38 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 RXD TXD DE 10 11 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 VCC GND PC0 PC1 PC2 PC3 PB5 PB6 PB7 RES VCC GND XL1 XL2 PD0 PD1 PD2 Sơ đồ mạch in: Hình 38: Sơ đồ mạch in mạch đo ánh sáng Mạch phát vật thể Tương tự node mạng trên, node mạng phát vật thể thiết kế gồm khối sau: a Sensor Node mạng sử dụng sensor phát vật thể cặp LED thu phát hồng ngoại b Mạch vào Mạch vào khối phát vật thể thiết kế sau: 75 Hình 39: Mạch vào node mạng phát vật c Khối ADC (Analog digital converter) Khối ADC khối chuyển đổi điện áp từ tương tự (liên tục) sang số (rời rạc) để xử lý xử lý Bộ ADC tích hợp sẵn vi điều khiển Atmega16 mà luận văn lựa chọn sử dụng d Khối CPU khối cao tần thiết kế tương tự node mạng khác Sơ đồ nguyên lý mạch sau: U3 R20 VIN VIN VOUT VOUT 3.3V D6 LED 330 C90 10U LD1117/DD C100 10U C110 104 IR_OUT PA3 PA2 PA1 PA0 VCC GND PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 ADC0 CON2 3 VOUT C1 CAP NP LM7805/TO GND GND VCC GND U2 J40 SW3 SW KEY -SPST C8 CAP RES PB5 PB6 PB7 RESET VCC GND XTAL2 XTAL1 PD0 PD1 PD2 U1 mega16_dan PA4 PA5 PA6 PA7 AREF GND AVCC PC7 PC6 PC5 PC4 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 PA4 PA5 PA6 PA7 VCC GND VCC PC7 PC6 PC5 PC4 R39 PA4 VCC 220 D1 LED ADC0 R R40 10K C6 XL1 CRY STAL XL2 J28 VCC PB5 CAP NP RES PB7 PB6 J39 CON10A_CHIP40 INT/VND SDI PB6 SEL PB4 IRQ PD2 DCLK/ RES 11 10 12 PB7 PB5 3.3V CLK SDO FSK/DATA/FFS CLK_ GND R37 R CON12A Hình 40: Sơ đồ nguyên lý mạch phát vật 76 10 VCC GND Y1 C7 PC3 PC2 CLK_ PC1 PC0 GND VCC PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 CAP NP GND D2 DIODE R41 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 VCC GND PC0 PC1 PC2 PC3 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 RXD TXD DE PB5 PB6 PB7 RES VCC GND XL1 XL2 PD0 PD1 PD2 VCC PB4 PB3 PB2 PB1 PB0 GND VCC PA0 PA1 PA2 PA3 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 R35 R C10 CAP NP Hình 41: Sơ đồ mạch in mạch phát vật Khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm thiết kế với sơ đồ khối tổng quan sau: Hình 42: Sơ đồ khối tổng quan khối xử lý trung tâm a Khối cao tần: Làm nhiệm điều chế tín hiệu nhận từ khối CPU truyền giải điều chế tín hiệu nhận từ node mạng truyền để đưa CPU xử lý Khối thiết kế tương tự khối cao tần node mạng b Khối CPU: Làm nhiệm vụ nhận thông tin từ cao tần, xử lý hiển thị lên 77 hình LCD, giao tiếp máy tính Khối CPU thiết kế với dòng vi điều khiển ATmega128 với nguyên lý sau: U1 PE0 12 PE1 11 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 VCC R1 R #RST SW1 C40 C SW DPST Y1 XTAL2 XTAL1 CRY STAL C6 C PG0 PG1 PG2 33 34 43 #RST PG5 20 XTAL1 XTAL2 23 24 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 (T2) (T1) (XCK1) (IC1) (TXD1/INT3) (RXD1/INT2) (SDA/INT1) (SCL/INT0) PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 (RXD0/PDI) (TXD0/PDO) (XCK0/AIN0) (OC3A/AIN1) (OC3B/INT4) (OC3C/INT5) (T3/INT6) (IC3/INT7) PC0 (A8) PC1 (A9) PC2 (A10) PC3 (A11) PC4 (A12) PC5 (A13) PC6 (A14) PC7 (A15) PF7 (ADC7/TDI) PF6 (ADC6/TDO) PF5 (ADC5/TMS) PF4 (ADC4/TCK) PF3 (ADC3) PF2 (ADC2) PF1 (ADC1) PF0 (ADC0) 44 45 46 47 48 49 50 51 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 35 36 37 38 39 40 41 42 PC0 A8 PC1 A9 PC2 A10 PC3 A11 PC4 A12 PC5 A13 PC6 A14 PC7 A15 54 55 56 57 58 59 60 61 PF7 PF6 PF5 PF4 PF3 PF2 PF1 PF0 TDI TDO TMS TCK VCC AVCC VCC VCC AREF PG0 (WR) PG1 (RD) PG2 (ALE) 64 52 21 62 RESET PEN XTAL1 XTAL2 VCC C5 C (AD7) (AD6) (AD5) (AD4) (AD3) (AD2) (AD1) (AD0) C8 C GND 32 31 30 29 28 27 26 25 GND CON10A CRY STALPD7 PD6 PD5 PD4 PD3 21 PD2 22 PD1 PD0 22 #RST SCK PE1 Y2 63 VCC 10 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 PB0 (SS) PB1 (SCK) PB2 (MOSI) PB3 (MISO) PB4 (OC0) PB5 (OC1A) PB6 (OC1B) PB7 (OC2/OC1C) TOS2/PG3 TOSC1/PG4 GND ISP PE0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 53 SCK PB0 SS PB1 PB2 MOSI PB3 MISO PB4 PB5 PB6 PB7 ATMEGA128 C2 10nF Hình 43: Sơ đồ nguyên lý khối CPU mạch xử lý trung tâm J6 c Khối LCD display 16 15 14 13 12 11 10 Hình 44: Mạch nguyên lý khối hiển thị 78 GND AD7 LCD7 AD6 LCD6 AD5 LCD5 AD4 LCD4 R100 10K VCC AD2 E_lcd AD1 R_W AD0 RS_LCD CONTRAST VCC GND R200 10K d Khối giao tiếp máy tính VCC 16 C15 CAPACITOR R1OUT R2OUT T1OUT T2OUT C2+ C+ C1V- C2V+ 12 22 OUT OUT1 C P1 GND IN C130 C 15 C141MAX232 12 14 OUT CONNECTOR DB9 VCC C120 C R1IN R2IN T1IN T2IN GND 13 11 10 VCC U6 IN IN1 11 21 C4 CAP Hình 45: Mạch nguyên lý khối giao tiếp máy tính Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế sau: U3 D5 J40 R20 GND VCC VCC VIN VOUT VOUT 3.3V D6 LED 330 C90 10U LD1117/DD DIODE C100 10U CON2 C110 104 VCC U1 PG0 PG1 PG2 33 34 43 #RST PG5 20 XTAL1 XTAL2 23 24 (RXD0/PDI) (TXD0/PDO) (XCK0/AIN0) (OC3A/AIN1) (OC3B/INT4) (OC3C/INT5) (T3/INT6) (IC3/INT7) PF7 (ADC7/TDI) PF6 (ADC6/TDO) PF5 (ADC5/TMS) PF4 (ADC4/TCK) PF3 (ADC3) PF2 (ADC2) PF1 (ADC1) PF0 (ADC0) AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 35 36 37 38 39 40 41 42 PC0 A8 PC1 A9 PC2 A10 PC3 A11 PC4 A12 PC5 A13 PC6 A14 PC7 A15 54 55 56 57 58 59 60 61 PF7 PF6 PF5 PF4 PF3 PF2 PF1 PF0 R3 R J39 INT/VND MISO SDI SS SEL PD0 IRQ DCLK/ #RST 11 10 12 3.3V SCK CLK MOSI SDO FSK/DATA/FFS CLK_ GND AVCC VCC VCC AREF PC0 PC1 SW4PUSHBUTTON-SPST SW PC2 TDI TDO TMS TCK J6 16 15 14 13 12 11 10 64 52 21 62 RESET PEN XTAL1 XTAL2 SW2 R CON12A VCC PG0 (WR) PG1 (RD) PG2 (ALE) R37 SW3 SW PUSHBUTTON-SPST VCC SW PUSHBUTTON-SPST SW5 GND AD7 LCD7 AD6 LCD6 AD5 LCD5 AD4 LCD4 R100 10K VCC VCC AD2 E_lcd AD1 R_W AD0 RS_LCD CONTRAST VCC GND PC4 R200 10K PC6 SW9 SW PUSHBUTTON-SPST 16 PC7 SW PUSHBUTTON-SPST C120 C C6 C C5 C R1IN R2IN T1IN T2IN C+ C2+ C1- C2V+ V- C141MAX232 C R1OUT R2OUT T1OUT T2OUT 12 14 12 22 OUT OUT1 P2 P1 GND IN C130 C OUT 5 GND IN1 OUT1 CONNECTOR DB9 VCC 13 11 10 GND IN IN1 11 21 VCC U6 Y1 PC5 ATMEGA128 C2 10nF CRY STAL SW7 SW PUSHBUTTON-SPST SW8PUSHBUTTON-SPST SW C15 CAPACITOR C8 C PC3 SW PUSHBUTTON-SPST SW6 CON_LCD 15 C40 C PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 44 45 46 47 48 49 50 51 GND SW DPST (T2) (T1) (XCK1) (IC1) (TXD1/INT3) (RXD1/INT2) (SDA/INT1) (SCL/INT0) GND SW1 PE0 12 PE1 11 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 GND R1 R #RST 32 31 30 29 28 27 26 25 63 VCC CRY STALPD7 PD6 PD5 PD4 PD3 21 PD2 22 PD1 PD0 (AD7) (AD6) (AD5) (AD4) (AD3) (AD2) (AD1) (AD0) PC0 (A8) PC1 (A9) PC2 (A10) PC3 (A11) PC4 (A12) PC5 (A13) PC6 (A14) PC7 (A15) 53 CON10A Y2 XTAL1 VCC 10 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 PB0 (SS) PB1 (SCK) PB2 (MOSI) PB3 (MISO) PB4 (OC0) PB5 (OC1A) PB6 (OC1B) PB7 (OC2/OC1C) TOS2/PG3 TOSC1/PG4 22 ISP PE0 #RST SCK PE1 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 XTAL2 SCK PB0 SS PB1 PB2 MOSI PB3 MISO PB4 PB5 PB6 PB7 CONNECTOR DB9 C4 CAP Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm 79 R4 R R5 R R6 R R7 R8 R R R9 R R10 R Sơ đồ thiết kế mạch in sau: Hình 47: Sơ đồ mạch in mạch xử lý trung tâm Ngoài ra, hệ thống thiết kế với đường giao tiếp với thiết bị nhắn tin SMS qua hệ thống thông tin di động với mạng có sẵn để nhắn tin đến thuê bao lưu sẵn ROM có điều kiện bất thường phát 80 Thiết bị nhắn tin thiết kế với module SIM 900 VCC U80 R6 J16 LS4 VBAT 12V 4 2.2K Reset_Signal RJ451 VCC J41 LS5 D17 PD0 1K R20 LED R4 LED D16 VCC LED D21 VCC 12V PC817 PC6 12V D7 LS7 3.3K RELAY_7 DIODE Mov _sensor #RST PG5 20 XTAL1 XTAL2 23 24 PC0 PC1 PC2 PC3 DIODE ZENER TDI TDO TMS TCK XTAL1 XTAL2 J40 D202 CON1 CON1 CON1 J26 LED R209 300R SW5 Athenna CON1 Power_on_button 22 Power_on C15 CAPACITOR R201 16 Q1 NPN C2V+ 47K VBAT R21 11 RXD_SIM C130 C Q5 NPN 1 10 11 12 13 14 15 16 17 P2 GND CAP VCC IN1 OUT1 R1 10K 12 TXD_SIM C4 CON10A R22 R25 10K 4.7K EXT_VDD #RST VCC Computer C40 104 SW DPST SW6 C6 C XTAL2 RESET_button PWRKEY NC DTR RI DCD NC CTS RTS TXD RXD DISP_CLK DISP_DATA DISP_D/C DISP_CS VDD_EXT N_RESET GND GPIO10 GPIO9/KBC1 GPIO8/KBC2 GPIO7/KBC3 GPIO6/KBC4 GND GND GPIO5/KBR0 GPIO4/KBR1 GPIO3/KBR2 GPIO2/KBR3 GPIO1/KBR4 GND SCL SDA PWM2 PWM1 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 SIM900 R2010 4.7K R2020 C4011 104 D201 Q3 NPN DIODE U5 R205 R206 XTAL1 Y1 C4010 104 EX_RESET CRYSTAL R208 4.7K VBAT VBAT VBAT SIM1 R2 10K VCC reset_state_button SW1 Q2 NPN Q4 NPN 4.7K VCC V- C PD6 22 OUT OUT1 C2+ C1- C141MAX232 SW4 R1OUT R2OUT T1OUT T2OUT C+ GND VCC R1IN R2IN T1IN T2IN C120 C 10 12 14 15 13 11 10 1 R202 U6 21 #RST SCK PE1 VBAT VCC VCC IN IN1 VCC PE0 J25 1 64 52 21 62 R170 PF1 ADC1 10K J24 ISP PD5 C25 104 CON8A ATMEGA128 C2 10nF C8 C SW3 J30 12V RELAY_5 RELAY_6 RELAY_7 RELAY_8 12V 4.7K test_button 18 17 16 15 14 13 12 11 10 J23 C401 104 VCC R14 10K OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7 OUT8 COM UNL2803 RESET PEN VCC R13 10K 5V R11 47K current D6 VCC AVCC VCC VCC AREF PG0 (WR) PG1 (RD) PG2 (ALE) D14 PC4 33 34 43 PC817 LED U9 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 IN8 GND 1K status PG0 PG1 PG2 ISO4 PF7 PF6 PF5 PF4 PF3 PF2 PF1 PF0 1K RELAY_8 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 56 55 54 53 52 2.2K 54 55 56 57 58 59 60 61 R26 Current AD3 AD2 AD1 AD0 C126 10uF BD2 GPIO12 GPIO11 STATUS GND GND GND GND GND RF_ANT GND GND VBAT VBAT VBAT GND GND NETLIGHT R9 J19 PF7 (ADC7/TDI) PF6 (ADC6/TDO) PF5 (ADC5/TMS) PF4 (ADC4/TCK) PF3 (ADC3) PF2 (ADC2) PF1 (ADC1) PF0 (ADC0) PE0 (RXD0/PDI) PE1 (TXD0/PDO) PE2 (XCK0/AIN0) PE3 (OC3A/AIN1) PE4 (OC3B/INT4) PE5 (OC3C/INT5) PE6 (T3/INT6) PE7 (IC3/INT7) PC0 A8 PC1 A9 PC2 A10 PC3 A11 PC4 A12 PC5 A13 PC6 A14 PC7 A15 PF0 ADC0 D20 J1 GND MIC_P MIC_N SPK_P SPK_N UNON_R UNON_L ADC VRTC DBG_TXD DBG_RXD GND SIM_VDD SIM_DATA SIM_CLK SIM_RST SIM_PRESENCE VCC 35 36 37 38 39 40 41 42 Power_on status EX_RESET PE0 22 PE1 21 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 Vib_sensor PC0 (A8) PC1 (A9) PC2 (A10) PC3 (A11) PC4 (A12) PC5 (A13) PC6 (A14) PC7 (A15) PD7 (T2) PD6 (T1) PD5 (XCK1) PD4 (IC1) PD3 (TXD1/INT3) PD2 (RXD1/INT2) PD1 (SDA/INT1) PD0 (SCL/INT0) AD7 AD6 AD5 32 31 30 29 28 27 26 25 11 12 44 45 46 47 48 49 50 51 GND RXD_SIM TXD_SIM GND R10 47K 12V PD7 PD6 PD5 PD4 PD3 PD2 PD1 PD0 ISO3 PC817 PC5 GND 2.2K J18 PA7 (AD7) PA6 (AD6) PA5 (AD5) PA4 (AD4) PA3 (AD3) PA2 (AD2) PA1 (AD1) PA0 (AD0) 63 R8 12V PB0 (SS) PB1 (SCK) PB2 (MOSI) PB3 (MISO) PB4 (OC0) PB5 (OC1A) PB6 (OC1B) PB7 (OC2/OC1C) TOS2/PG3 TOSC1/PG4 53 VCC 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 R2021 Relay _NO 12V 2.2K PB0 SS PB1 PB2 MOSI PB3 MISO PB4 PB5 PB6 PB7 R17 1K 12V LED R23 U1 SCK R15 BD1 J15 D19 R80 47K C700 R30 1K C60 C1 104 470uF 2.2K Tem_sensor R100 100K R27 47K D200 C30 LED J17 VCC VCC_5V ISO2 1K 470uF U50 LM7805C/SMD IN OUT ADAPTER RELAY_6 12V R12 LED PD4 104 LS6 R24 2.2K 470uF D18 1K R7 OUT ADJ GND RJ452 2.2K PD1 C200 VCC 12V C100 DIODE Relay _NC R5 47K IN EN MIC29302ADJ/TO220 RELAY_5 D15 R19 PC7 D8 2.2K 12V PC817 J14 R3 ISO1 C5 C BT1 3V 47K 22R 22R USIM_VDD GND USIM_RST VPP USIM_CLK USIM_DATA SIMCARD C4013 22p Hình 48: Sơ đồ nguyên lý mạch gửi tin nhắn SMS Sơ đồ mạch in thiết kế sau: Hình 49: Sơ đồ mạch in mạch gửi nguyên lý SMS 81 R207 22R R180 2.2K C205 220uF 104 LED 3.3.2 Thiết kế giao thức mạng Trong phạm vi luận văn, giao thức mạng sử dụng thuộc loại (C2WSNs) với đặc tính sau:  Mô hình điểm – điểm, kết nối radio đến node mạng trung tâm  Sử dụng giao thức định tuyến tĩnh  Một node mạng không cung cấp thông tin cho node mạng khác  Khoảng cách vài trăm mét  Trong ứng dụng luận văn không sử dụng mô hình node mạng chuyển tiếp  Hệ thống tương đối đơn giản Mô hình tổng quát mạng sau: Hình 50: Sơ đồ khối mô tả giao thức truyền dẫn 82 Giao thức mạng sử dụng giao thức phân chia ngẫu nhiên (Random Assignment Protocols) Trong ứng dụng này, node thông tin chia khe thời gian TDMA Sự phân chia tĩnh, không quan tâm đến node có hay liệu để phát, đó, xảy trình đụng độ nhiều node truyền thời điểm Tuy nhiên, ứng dụng sử dụng node mạng xác suất xảy đụng độ tin không cao Để đảm bảo tin truyền tới xử lý trung tâm trình đụng độ tin node, node mạng truyền thông tin lên xử lý trung tâm chờ đến nhận ACK xác nhận Trong trường hợp không nhận ACK, node mạng tự động gửi lại tin tới xử lý trung tâm đến nhận ACK kết thúc trình truyền thông tin Trường hợp nhận ACK Trường hợp lỗi ACK Trường hợp lỗi tin Thông tin Thông tin Thông tin ACK Thông tin ACK Thông tin ACK ACK Node mạng Bộ trung tâm Bộ trung tâm Node mạng Node mạng Bộ trung tâm Hình 51: Sơ đồ mô tả trình truyền tin node mạng 3.3.3 Tiết kiệm lượng mạng Như trình bày trên, đặc điểm mạng WSNs node mạng bị giới hạn nguồn cung cấp Vì vậy, việc thiết kế mạch tiết kiệm lượng, việc áp dụng thuật toán tiết kiệm lượng công việc bắt buộc node mạng Trong ứng dụng luận văn, node mạng kích hoạt chế độ sleep mode để tiết kiệm lượng Chế độ sleep mode đánh thức ngắt timer Khi 83 đến thời gian ngắt timer, chế độ sleep mode dừng, node mạng thực việc đo đạc thông số gửi xử lý trung tâm Chế độ sleep mode kích hoạt lại sau node mạng nhận tin phản hồi ACK Tổng kết Trên toàn phần trình bày luận văn bao gồm nghiên cứu lý thuyết thiết kế mạng cảm biến không dây phần thiết kế minh họa cho luận văn Luận văn mô tả chi tiết lý thuyết mạng cảm biến không dây, đồng thời phân tích, thiết kế chi tiết hệ thống WSN đơn giản để minh họa Tuy tác giả có nhiều cố gắng kiến thức thời gian không cho phép nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong hội đồng đóng góp, chỉnh sửa giúp luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tài liệu tham khảo [1] Kazem Sohraby, Daniel Minoli, Taieb Znati (2007) Wireless Sensor Network Technology, Protocol, and Application John Wiley & Sons, Inc [2] Anna Hác (2003).Wireless Sensor Network Designs.John Wiley & Sons, Inc [3] Taub Schilling (1986) Principles of Communication Systems, Edition McGrawHill International Editions [4] Feng ZHAO, Leonidas GUIBAS Wireless Sensor Networks: An information processing approach [5] Lê Nhật Thăng, Nguyễn Quý Sỹ Các kĩ thuật phân nhóm mạng cảm biến vô tuyến 84 ... công nghệ cảm biến thời gian gần đây, định chọn đề tài Nghiên cứu mạng cảm biến không dây ứng dụng để góp phần tìm hiểu phát triển lĩnh vực nghiên cứu mạng cảm biến không dây, đáp ứng phần nhu... tài thực số nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quan mạng cảm biến không dây ứng dụng  Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạng cảm biến không dây, bao gồm việc thiết kế phần cứng, phần mềm thiết kế giao... dây • Phần mềm cho mạng cảm biến không dây • Hệ điều hành cho mạng cảm biến không dây 2.2 Kĩ thuật cảm biến không dây 2.2.1 Các node cảm biến Mạng WSNs gồm nhiều cảm biến phân bố phân tán bao phủ