Đồ án Mạng cảm biến không dây ứng dụng cho thaǹ h phố thông minh (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Mạng cảm biến không dây ứng dụng cho thaǹ h phố thông minh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TIŃ H MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO THAǸ H PHỐ THÔNG MINH GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH: VŨ ĐỨC PHÚ MSSV : 12119021 PHẠM NHỰT MINH MSSV : 12119092 S K C0 0 4 6 2 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG CHO THÀNH PHỐ THÔNG MINH SVTH: VŨ ĐỨC PHÚ MSSV: 12119021 SVTH: PHẠM NHỰT MINH MSSV: 12119092 Khóa: 2012 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: MSSV: Ngành: Lớp: Giảng viên hướng dẫn: ĐT: Ngày nhận đề tài: Ngày nộp đề tài: 1. Tên đề tài: Mạng cảm biến không dây ứng dụng cho thành phố thông minh. 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: Các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và chỉ số chất lượng không khí, datasheet của nRF24L01, sách kỹ thuật truyền số liệu. 3. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết lập mạng cảm biến không dây nhằm thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí tại các node cảm biến truyền về trung tâm xử lý. 4. Sản phẩm: phần cứng và phần mềm của hệ thống mạng cảm biến không dây. TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
4. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)
5. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: MSSV: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: 2. Ưu điểm: 3. Khuyết điểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)
6. Lời cảm ơn Trong một khóa đào tạo, đồ án tốt nghiệp phản ánh kết quả học tập, đồng thời cũng là một công trình nghiên cứu khoa học, thể hiện sự lao động độc lập, sự tìm tòi, sáng tạo, ý tưởng khoa học của người thực hiện. Thông qua đồ án này, nhóm thực hiện báo cáo xin chân thành cám ơn Thầy Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và Thầy Cô Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao nói riêng đã tận tâm giảng dạy, truyền đạt kiến thức cơ sở, kiến thức chuyên ngành cho nhóm trong suốt thời gian học tập tại trường. Nhóm thực hiện báo cáo xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS.Đỗ Đình Thuấn. Thầy đã động viên, chia sẻ rất nhiều kinh nghiệm quý báu cho nhóm về cuộc sống, nghề nghiệp, mục tiêu học tập, nghiên cứu khoa học. Sự động viên của Thầy là động lực không nhỏ để giúp cho nhóm hoàn thành Đồ án này ở mức tốt nhất có thể. Bên cạnh đó, nhóm thực hiện báo cáo xin gửi lời cám ơn chân thành đến Gia đình, đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập, nghiên cứu. Cám ơn anh chị, bạn bè cùng Quý Thầy Cô trong Khoa đã góp ý để nhóm hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Đồ án được thực hiện trong thời gian ngắn với kiến thức còn hạn chế, do đó không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của Quý Thầy Cô cùng các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn. i
7. Tóm tắt Wireless Sensor Network (WSN) – Mạng cảm biến không dây được công nhận rộng rãi là một trong những công nghệ quan trọng vào thế kỷ 21. Các công nghệ vô tuyến đã đạt được tốc độ phát triển thần kỳ vào những năm gần đây. Các công nghệ đấy đã nhận được sự chú ý rất nhiều từ cả trong lĩnh vực nghiên cứu và lĩnh vực công nghiệp trên toàn cầu, và được ưa chuộng ở rất nhiều lĩnh vực khác. Sự gia tăng trong việc phổ biến mạng cảm biến không dây đã khuyến khích thêm vào các môn học về mạng cảm biến không dây trong các trường đại học. Thêm vào đó sự phát triển về dân số trong các thành phố trong thế kỷ gần đây, nhu cầu về các ứng dụng liên quan đến cảm biến không dây trong việc quản lý thành phố đang rất cần thiết. Để đáp ứng cho quá trình trên, nhóm thực hiện báo cáo đã thiết kế, xây dựng và đánh giá hệ thống cho một ứng dụng thành phố thông minh mà cung cấp cho cư dân trong thành phố các dữ liệu hữu ích về nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí trong một hệ thống dễ tiếp cận và thân thiện với người dùng. Hệ thống của nhóm thực hiện với mục tiêu làm cho cuộc sống đô thị ngày càng hiện đại và phát triển nơi mà các cư dân trong thành phố có cuộc sống thoải mái để sinh sống và làm việc. ii
8. Mục lục Lời cảm ơn i Tóm tắt ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt vii Danh mục các bảng biểu ix Danh mục các hình ảnh và biểu đồ x Chương 1 Tổng quan 1 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Tổng quan về SmartCity 1 1.3 Tính cấp thiết của đề tài 2 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3 1.5 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.6 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu 4 1.7 Giới hạn của việc nghiên cứu 5 1.8 Bố cục đồ án 5 Chương 2 Cơ sở lý thuyết 6 2.1 Truyền nhận dữ liệu dựa trên lớp liên kết dữ liệu Enhanced Shock퐁퐮퐫퐬퐭퐓퐌 6 2.2 Định dạng gói dữ liệu của Enhanced Shock퐁퐮퐫퐬퐭퐓퐌 7 2.2.1 Vùng mở đầu 7 2.2.2 Vùng địa chỉ 8 2.2.3 Vùng kiểm soát tải trọng 8 2.2.4 Vùng tải trọng 8 2.2.5 Vùng CRC 9 2.3 Xử lý gói tự động 9 2.3.1 Độ dài tải trọng tĩnh và độ dài tải trọng động 9 2.3.2 Đóng gói tự động 9 2.3.3 Xác nhận gói tự động 10 iii
9. 2.3.4 Gỡ gói tin tự động 11 2.4 Truyền gói tự động 11 2.4.1 Tự động thừa nhận (Auto acknowledgement - ACK) 11 2.4.2 Tự động truyền lại (Auto Retransmission – ART) 12 2.5 Các chế độ Standby và hoạt động của PTX và PRX 13 2.5.1 Các chế độ standby 13 2.5.2 Hoạt động của PTX 13 2.5.3 Hoạt động của PRX 13 2.6 Thời gian truyền trong Enhanced Shock퐁퐮퐫퐬퐭퐓퐌 14 2.7 Enhanced Shock퐁퐮퐫퐬퐭퐓퐌 và biểu đồ giao dịch 16 2.7.1 Giao dịch duy nhất với một gói ACK và các ngắt 16 2.7.2 Một giao dịch bị mất gói tin 17 2.7.3 Một giao dịch bị mất gói tin ACK 19 2.7.4 Một giao dịch với một gói tải trọng ACK 20 2.7.5 Một giao dịch với một gói ACK và một gói mất 21 2.7.6 Hai giao dịch với tải trọng gói ACK và gói ACK đầu bị mất 23 2.7.7 Hai lần giao dịch mà khi số lần truyền lại đạt tới hạn. 24 2.8 Đường dữ liệu và giao diện của nRF24L01 cho phép giao tiếp qua SPI .25 2.8.1 Tính năng 26 2.8.2 Mô tả chức năng 26 2.8.3 Hoạt động của SPI 26 2.9 Dữ liệu FIFO 29 2.10 IRQ 30 2.11 Tóm tắt về cấu hình truyền nhận 30 2.11.1 Bên truyền khi gửi một gói tin chứa dữ liệu 30 2.11.2 Bên nhận khi nhận một gói tin chứa dữ liệu 32 2.12 Truyền dữ liệu trong không khí 33 2.13 Bộ xử lý trung tâm 34 2.13.1 Board Arduino Uno R3 34 iv
10. 2.13.2 Board Arduino Mega2560 41 2.14 Giao diện hiển thị trên phần cứng 44 2.14.1 Arduino Mega LCD TFT Shield 44 2.14.2 UTFT_320QVT_9341 45 2.14.3 LCD Graphic 128X64B 48 2.14.4 LCD 16x2 50 2.15 Bộ truyền nhận vô tuyến 51 2.15.1 nRF24L01+ 52 2.15.2 nRF24L01 + PA 52 2.15.3 Giao tiếp nRF24L01 qua SPI 53 2.16 Các cảm biến và đồng hồ thời gian thực 54 2.16.1 Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11 54 2.16.2 Cảm biến chất lượng không khí MQ_135 58 2.16.3 Module I2C 59 2.16.4 Đồng hồ thời gian thực DS1307 61 Chương 3 Tính toán và thiết kế hệ thống 62 3.1 Tổng quan về hệ thống 62 3.1.1 Yêu cầu của hệ thống 62 3.1.2 Hoạt động của hệ thống 64 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 64 3.2.1 Khối mạng 64 3.2.2 Khối cảm ứng 81 Chương 4 Mô hình mạng, mô phỏng thực tế trên phần cứng, so sánh và đánh giá kết quả. 88 4.1 Hệ thống mạng cảm biến không dây phân tầng 88 4.2 Mô hình mạng cảm biến không dây khi triển khai 90 4.3 Hiện thực hóa mô hình và kết quả thu được so với hệ thống mạng lý thuyết 92 4.4 Tiến hành thi công và kết quả đạt được 93 4.5 Ưu điểm và Nhược điểm 96 v
11. 4.5.1 Ưu điểm 96 4.5.2 Nhược điểm 96 4.6 Màn hình cảm ứng UTFT hiển thị tại trung tâm 97 4.7 Giao diện tại trung tâm điều khiển 99 4.8 Tổng hợp 101 4.9 Tính khả thi trong thực tế 101 4.10 So sánh với hệ thống mạng cảm biến không dây khác 102 Chương 5 Kết luận và hướng phát triển 105 5.1 Kết luận về đề tài đồ án 105 5.2 Các mặt hạn chế và thiếu sót 105 5.3 Hướng phát triển đề tài 106 Tài liệu tham khảo 107 Phụ lục 108 vi
12. Danh mục các chữ viết tắt ACK Auto Acknowledgement Tự động thừa nhận ART Auto Retransminssion Tự động truyền lại ARD Auto Retransmiss Delay Tự động trì hoãn truyền lại ADDR Address Địa chỉ CE Chip Enable Cho phép chip thực hiện CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra tuần hoàn dư EN Enable Cho phép SPI Serial Peripheral Interface Giao diện chu vi nối tiếp MCU Microcontroller Vi xử lý PTX Primary Transmitter Chủ yếu truyền PRX Primary Receiver Chủ yếu nhận PLD Pipe Line Data Đường truyền dữ liệu TX Transmitter Bộ truyền RX Receiver Bộ nhận PID Packet Identity Danh tính của gói WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây SPL Static Payload Length Độ dài tải trọng gói tĩnh DPL Dynamic Payload Length Độ dài tải trọng gói động IRQ Interrupt Request Yêu cầu ngắt DR Data Ready Dữ liệu sẵn sàng DS Data Sent Dữ liệu gửi đi FIFO First In First Out Vào trước ra trước SCK Serial Clock Xung clock của serial MOSI Master Output Slave Input Chủ ra tớ vào MIOS Master Input Slave Output Chủ vào tớ ra vii
13. SS Slave Select Chọn thiết bị PA Power Amplifier Bộ khuyếch đại năng lượng RF Radio Frequency Sóng tín hiệu rađiô UL Upload Tải lên OA On Air Trong không khí ID Identity Danh tính CSN Chip Select Enable Chọn Chip PW Pulse Width Chiều rộng xung PWM Pulse Width Modulation Phương pháp điều chỉnh xung RT Retransmit Truyền lại UART Universal Asynchronous Mạch tích hợp được dùng trao đổi dữ Receiver - Transmitter liệu giữa máy tính và thiết bị ngoại vi viii
14. Danh mục các bảng biểu Bảng 2.1 Công thức tính thời gian 15 Bảng 2.2 Các từ viết tắt dùng cho các hình 2.24 – 2.26 28 Bảng 2.3 Một số thông số của Arduino Uno R3 35 Bảng 2.4 Bốn cổng Serial của Arduino Mega 2560 42 Bảng 2.5 Các chân ngắt của Arduino Mega 2560 42 Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 43 Bảng 2.7 Mô tả sơ đồ chân của UTFT_320QVT_9341 46 Bảng 2.8 Chức năng các chân của LCD Graphic 128x64B 50 Bảng 2.9 So sánh giữa nRF24L01 + và nRF24L01 + PA 53 Bảng 2.10 Các chân giao tiếp của nRF24L01 với Arduino R3 53 Bảng 2.11 Điều kiện làm việc tiêu chuẩn 59 Bảng 3.1 Phương án giữa Arduino và Raspberry 66 Bảng 4.1 So sánh giữa hai đề tài 103 ix
15. Danh mục các hình ảnh và biểu đồ Hình 1.1 Các thành phần trong mạng WSN 1 Hình 1.2 Các ứng dụng có thể triển khai dựa trên hệ thống cảm biến không dây cho thành phố thông minh 2 Hình 2.1 Phương pháp dừng đợi ACK 7 Hình 2.2 Một gói Enhanced Shock 풖풓풔풕푻푴 với tải trọng (0-32 byte). 7 Hình 2.3 Vùng kiểm soát gói 8 Hình 2.4 Tạo và phát hiện PID 11 Hình 2.5 TX FIFO (PRX) với các tải trọng đang chờ 12 Hình 2.6 Gửi một gói đi khi NO_ACK được bật 14 Hình 2.7 Thời gian của Enhanced Shock 풖풓풔풕푻푴 khi truyền đi một gói 15 Hình 2.8 Tuần hoàn TX/RX với ACK và các ngắt kèm theo 16 Hình 2.9 Giao dịch một gói ACK 17 Hình 2.10 Tuần hoàn TX/RX và các ngắt kèm theo khi gói truyền đầu tiên bị thất bại 18 Hình 2.11 Giao dịch bị mất một gói tin 18 Hình 2.12 Tuần hoàn TX/RX với ACK kèm theo là các ngắt khi gói ACK bị thất bại 19 Hình 2.13 Giao dịch bị mất một gói tin ACK 19 Hình 2.14 Tuần hoàn TX/RX với tải trọng ACK và các ngắt kèm theo 20 Hình 2.15 Một giao dịch với một gói tải trọng ACK 21 Hình 2.16 Tuần hoàn TX/RX và các ngắt kèm theo khi một gói truyền thất bại 22 Hình 2.17 Giao dịch với một gói ACK và một gói mất 22 Hình 2.18 Tuần hoàn TX/RX với các ngắt kèm theo khi truyền gói thất bại 23 Hình 2.19 Giao dịch khi gói ACK đầu tiên bị mất 23 Hình 2.20 Tuần hoàn TX/RX với tải trọng ACK và các ngắt kèm theo khi truyền thất bại. ARC được thiết lập tới 2. 24 Hình 2.21 Hai lần giao dịch và số lần truyền đạt tới hạn 25 Hình 2.22 Các chân trên mạch PCB của nRF24L01 26 Hình 2.23 Master-Slave truyền thông SPI 27 Hình 2.24 Chế độ đọc của SPI 28 Hình 2.25 Chế độ ghi của SPI 28 Hình 2.26 Sơ đồ thời gian của SPI 29 Hình 2.27 Sơ đồ khối của FIFO 30 Hình 2.28 Địa chỉ riêng biệt của mỗi đường truyền 31 Hình 2.29 Board Arduino Uno R3 34 Hình 2.30 Vi điều khiển Atmega328 trên Arduino Uno 37 x
16. Hình 2.31 Các cổng ra vào trên Arduino Uno R3 39 Hình 2.32 Giao diện phần mềm Arduino IDE 40 Hình 2.33 Arduino Mega 2560 41 Hình 2.34 Giao diện Arduino Mega 2560 43 Hình 2.35 Arduino Mega LCD TFT Shield 44 Hình 2.36 Sơ đồ 40 chân của Shield 45 Hình 2.37 Sơ đồ chân và màn hình UTFT_320QVT_9341 45 Hình 2.38 Lắp shield vào Arduino Mega 2560 47 Hình 2.39 Sau khi lắp Shiled lên Arduino Mega 2560 47 Hình 2.40 Sau khi lắp màn hình UTFT 48 Hình 2.41 Màn hình LCD Graphic 128x64B 48 Hình 2.42 LCD 16x2 50 Hình 2.43 Module nRF24L01 + 52 Hình 2.44 nRF24L01 + PA 52 Hình 2.45 DHT11 54 Hình 2.46 Module DHT11 54 Hình 2.47 Sơ đồ chân của DHT11 55 Hình 2.48 Sơ đồ kết nối của vi xử lý 56 Hình 2.49 Cách gửi tín hiệu của DHT11 56 Hình 2.50 Cách gửi dữ liệu bit 0 57 Hình 2.51 Cách gửi dữ liệu bit 1 58 Hình 2.52 MQ-135 58 Hình 2.53 Module I2C 59 Hình 2.54 Chân I2C trên Arduino Uno R3 60 Hình 2.55 Sơ đồ chân I2C và các linh kiện 60 Hình 2.56 Đồng hồ thời gian thực DS1307 61 Hình 3.1 Sơ đồ khối của khối mạng 62 Hình 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống cảm ứng 63 Hình 3.3 Kết nối phần cứng của Node Mạng 69 Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật của Node 1 70 Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật của Node 2 72 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật của Node 3 74 Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật của Node Chủ 76 Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật của Node 4 78 Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật kết nối với giao diện điều khiển 80 Hình 3.10 Kết nối phần cứng của khối cảm ứng 83 Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật của chương trình chính 84 Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật vẽ màn hình giao diện chính 86 xi
17. Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật các chương trình con phục vụ chương trình chính 87 Hình 4.1 Hệ thống mạng cảm biến không dây phân tầng 89 Hình 4.2 Sơ đồ mạng lý thuyết 90 Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động truyền nhận gói tin và tín hiệu ACK được sử dụng trong hệ thống 91 Hình 4.4 Kết nối thành công giữa Node 1 và Node Master 92 Hình 4.5 Sơ đồ mạng trên phần cứng 93 Hình 4.6 Dữ liệu Node Master thu thập được từ Node 2 và Node 3 94 Hình 4.7 Kết quả hiển thị trên màn hình LCD 128x64B 95 Hình 4.8 LCD 16x2 Hiển thị tại node thứ cấp 96 Hình 4.9 Màn hình Menu cảm ứng UTFT 97 Hình 4.10 Màn hình cảm ứng hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí 98 Hình 4.11 Màn hình cảm ứng hiển thị thời gian và hình ảnh thời tiết 98 Hình 4.12 Màn hình đăng nhập 99 Hình 4.13 Lựa chọn 99 Hình 4.14 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí tại Thủ Đức 100 Hình 4.15 Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí tại Quận 9 và Quận Gò Vấp 101 xii
18. Chương 1 Tổng quan 1.1 Giới thiệu Mạng cảm biến không dây là một mạng lưới được thiết lập bởi một loạt các node cảm biến độc lập và được triển khai trên một vùng địa lý nhằm mục đích thu thập dữ liệu về môi trường và truyền tất cả dữ liệu thu thập được tới một trạm đích thông qua kênh tín hiệu vô tuyến. Trạm đích thường được kết nối với máy tính của trung tâm qua một cổng chính và thu thập tất cả dữ liệu từ các node cảm biến tới. Một ứng dụng chạy trên máy tính ở trung tâm điều khiển sẽ đánh giá các dữ liệu thu thập được, thực hiện tính toán chính xác và hiển thị lên màn hình trung tâm. Mạng cảm biến không dây những năm gần đây đã được triển khai vào rất nhiều các ứng dụng của rất nhiều lĩnh vực khác nhau; từ chăm sóc y tế công cộng cho đến điều khiển từ xa. Các thành phần trong mạng lưới cảm biến không dây cơ bản là các node cảm biến và cổng kết nối hoặc các node thứ cấp như được mô tả trong hình 1.1. Một nút đa hợp gồm: các cảm biến (như nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí), nguồn cung cấp, bộ truyền/ nhận (trannceiver), và một “bộ não” điện tử (vi xử lý). Môt node cổng thường bao gồm bộ truyền nhận, vi xử lý, bộ thu thập dữ liệu và màn hình hiển thị. Hình 1.1 Các thành phần trong mạng WSN 1.2 Tổng quan về SmartCity SmartCity – Thành phố thông minh là tầm nhìn phát triển đô thị nhằm kết hợp sự đa dạng trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông để giải quyết một cách vững chắc vấn đề quản lý thành phố trong tương lai. Các dịch vụ trong thảnh phố không có bất kỳ giới hạn nào từ trường học, thư viện, hệ thống vận chuyển, bệnh viện, mạng lưới cung cấp điện, nước, và tất cả các dịch vụ khác. Mục đích của việc xây dựng thành phố thông minh là cải thiện chất lượng cuộc sống bằng cách sử dụng công nghệ 1
19. để cải thiện hiệu suất của các dịch vụ và đáp ứng nhu cầu của cư dân đô thị. Công nghệ thông tin và truyền thông cho phép các nhà quản lý thành phố tương tác trực tiếp với cộng đồng dân cư và hạ tầng thành phố và giám sát tất cả hoạt động của thành phố. Bằng cách sử dụng các cảm biến tích hợp và hệ thống giám sát thời gian thực, dữ liệu thu thập sẽ được tiến trình hóa và phân tích. Thông tin thu thập được là chìa khóa để ngăn chặn sự kém hiệu quả trong việc quản lý. Công nghệ thông tin và truyền thông được sử dụng để gia tăng chất lượng, hiển thị và độ tương tác của các dịch vụ đô thị, nhằm làm giảm thiểu về tài nguyên và chi phí đồng thời cải thiện mức độ tương tác giữa cư dân và nhà quản lý. Các ứng dụng thành phố thông minh được phát triển với mục tiêu cải thiện chất lượng quản lý thành phố hiện nay và cho phép giải quyết các vấn đề trong thời gian thực. Thành phố thông minh vì thế mà cụm từ được sử dụng để chỉ ra việc chuẩn bị nhằm đối phó với các vấn đề mới của các thành phố trong tương lai. Hình 1.2 Các ứng dụng có thể triển khai dựa trên hệ thống cảm biến không dây cho thành phố thông minh 1.3 Tính cấp thiết của đề tài Quá trình sử dụng công nghệ trong lĩnh vực thành phố thông minh yêu cầu một kiến thức khá chuyên sâu về công nghệ thông tin, truyền thông, địa lý Có rất nhiều thang đo cần phải được xem xét và kiểm tra một cách chuyên sâu khi thiết kế một hệ thống cải thiện chất lượng cuộc sống của các cư dân trong thành phố một cách toàn diện mà hệ thống hoạt động ổn định và lâu dài. Để có thể thiết kế và thi công một hệ thống mạng cảm biến không dây chính xác mà có thể mang lại tiện ích cho nhiều người dùng, rất nhiều câu hỏi được đặt ra. Một vài câu hỏi chính như sau: 2
20. Có thể thiết kế một hệ thống chạy được trên tất cả mọi kịch bản được đưa ra trong một mạng lưới hay không và áp dụng cho tất cả người dùng ? Liệu ứng dụng có thiết thực đối với cuộc sống của cư dân trong thành phố không ? Chi phí và năng lượng tiêu thụ của hệ thống có lớn không và liệu có thể cắt giảm ? Thành phần nào trong hệ thống là đắt nhất và liệu có thể cắt giảm? Làm thế nào và bao nhiêu có thể được cắt giảm ? Liệu các điều kiện vật lý có làm tác động tới các giá trị đo được không ? Giá trị cảm biến đo nào là ảnh hưởng tới người dùng nhiều nhất ? Ngày nay, mọi câu hỏi mở như trên đều không thể trả lời một cách tự tin ngay cả những đối với các chuyên gia. Lĩnh vực thành phố thông minh rất đa dạng và trên tất cả mọi khía cạnh cần phải được lưu ý khi đưa ra bất kỳ quyết định lựa chọn nào. Hơn nữa, việc nghiên cứu có liên quan rất lớn tới khu vựcđó. Khí hậu và thời tiết thay đổi từ nơi này đến nơi khác từ thời điểm này tới thời điểm khác. Khi khí hậu thay đổi thì sự thay đổi của nhiệt độ và độ ẩm cũng thay đổi theo. Chính do đó, thiết kế và thi công một hệ thống thu được các dữ liệu cảm biến từ các nơi khác nhau là một quá trình khá khó khăn đối với những ai không có kiến thức về địa phương ấy và làm sao hệ thống hoạt động lâu dài trong một khu vực địa lý riêng biệt và một vùng khí hậu thu nhỏ. Do những vấn đề nêu trên nhóm quyết định chọn đề tài đồ án hệ thống mạng cảm biến không dây cho thành phố thông minh làm đề tài nghiên cứu. 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Ở nước ngoài, lĩnh vực thành phố thông minh đã và đang được nghiên cứu rộng rãi ở khắp các quốc gia trên thế giới. Trước bài toán quản lý đô thị trong tương lai, các quốc gia đang đầu tư rất nhiều nguồn lực trong việc nghiên cứu và phát triền mô hình thành phố thông minh. Chẳng hạn một số thành phố muốn tập trung vào việc xây dựng các cộng đồng công nghệ, như thành phố Kansas ở bang Missouri (Mỹ) đang thực hiện một dự án đầy tham vọng là tạo ra khu tập trung cho các công ty công nghệ khởi nghiệp dọc theo một tuyến xe điện 2,2 dặm xây mới. Chính quyền thành phố đang hợp tác với Cisco lắp đặt nhiều loại cảm biến giám sát do công ty Sensity Systems cung cấp, để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống đèn đường LED. Các loại cảm biến thông minh khác tạo nên mạng IoT (Internet of Things) rộng lớn sẽ được bổ sung dần. Nhiều thành phố khác, nhất là ở Brazil, đang tập trung áp dụng công nghệ vào lĩnh vực du lịch, nhằm đem lại nhiều thuận lợi cho du khách. Ở trong nước, lĩnh vực thành phố thông minh cũng đang rất được quan tâm và thu hút nhiều nguồn lực tham gia vào việc nghiên cứu. Các nhà hoạch định và quản lý thành phố như tại TP. Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng đã mở các hội nghị thảo luận 3
21. về lĩnh vực thành phố thông minh, các sân chơi thu hút các nhà khoa học trẻ có niềm đam mê tham dự vào việc nghiên cứu, các buổi triển lãm công nghệ thông tin và truyền thông của các doang nghiệp công nghệ thông tin trong nước đồng thời kêu gọi các nước đã và đang phát triển lĩnh vực thành phố thông minh giúp đỡ trong việc phát triển mô hình thành phố thông minh tại Việt Nam trong tương lai. 1.5 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Việc xây dựng một mạng lưới cảm biến không dây đòi hỏi sự chuẩn bị các kiến thức nền tảng và lựa chọn các thiết bị phù hợp. Quá trình này đòi hỏi việc lựa chọn đúng vị trí lắp đặt, cấu hình và các ứng dụng của các thiết bị. Trong đồ án, hệ thống mạng cảm biến không dây đã xác định rõ các mục tiêu ngay từ lần đầu tiên để đảm bảo cho nhóm thực hiện báo cáo có cái nhìn tổng quan tới tất cả mọi thiết bị được dùng trong việc xây dựng hệ thống. Đầu tiên nhóm thực hiện báo cáo sẽ triển khai hệ thống một cách đơn giản; bắt đầu bằng sử dụng vi xử lý, board mạch Arduino trong hệ thống, nhằm thiết lập đường truyền giữa hai nRF24L01 từ đó dần tiến tới các mục tiêu khác cao hơn trong việc xây dựng hệ thống mạng cảm biến như: mở rộng mạng, gửi dữ liệu, bảo mật thông tin trong truyền nhận, tốc độ ổn định và không nhiễu. Đối tượng nghiên cứu ở đây là nRF24L01 vì thế việc kết nối và giao tiếp với thiết bị liên lạc vô tuyến này là trọng tâm mà nhóm thực hiện. Phạm vi nghiên cứu là các cách thức liên lạc giữa một node chủ với một node thứ cấp, một node thứ cấp tới một node thứ cấp. Thông tin liên lạc đúng và chính xác, đảm bảo không bị các tín hiệu khác xâm nhập vào hệ thống. Lựa chọn linh kiện điện tử hợp lý. 1.6 Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu Đồ án sẽ tiến hành khảo sát mạng cảm biến không dây và các ứng dụng trong lĩnh vực thành phố thông minh – một phương pháp thẩm định sẽ được sử dụng. Phương pháp này sẽ giúp nhóm thực hiện báo cáo hiểu sâu hơn về việc như thế nào và làm cách nào tiến trình hoạt động. Hơn nữa, công việc sẽ được chia thành các phần như sau: 1. Tìm hiểu về lý thuyết nRF24L01, thiết kế và tiến hành khảo sát. 2. Thiết kế một giải pháp mô hình. 3. Thi công hệ thống. 4. Đánh giá các kết quả của hệ thống. Việc nghiên cứu trên mặt lý thuyết là cần thiết cho việc hiểu biết khi thiết kế, thi công và các ứng dụng được thực thi. Việc khảo sát sử dụng các câu hỏi dựa trên các nhu cầu của người sử dụng nhằm tối ưu hóa hệ thống và hình mẫu tốt nhất để áp dụng cho ứng dụng. Ứng dụng được dựa trên các nguyên tắc hoạt động của thiết kế. Thành quả của thiết kế là một mô hình hệ thống có thể cung cấp địa chỉ mạng theo yêu cầu khi mà một thiết bị mới thêm vào hay bị mất liên lạc và hồi phục lại được. Bên cạnh việc 4
22. S K L 0 0 2 1 5 4