Đồ án Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: ThS. TRẦN THANH MAI NGUYỄN NGỌC MINH SVTH: VÕ THỊ HƯƠNG GIANG MSSV: 11941009 S K L 0 0 4 1 8 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬCÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. GVHD: ThS. Trần Thanh Mai Nguyễn Ngọc Minh SVTH: Võ Thị Hương Giang Lớp: 11941DT MSSV: 11941009 TP. Hồ Chí Minh – 02/2016
3. TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 1 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin sinh viên Họ và tên: Võ Thị Hƣơng Giang. MSSV: 11941009 Tel: 01673359744 Email: huonggiangspk301292@gmail.com 2. Thông tin đề tài Tên của đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến. Mục đích của đề tài: là đề xuất những giải pháp nâng cao hiệu quả an toàn, chính xác trong hệ thống giá sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây. Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tự động, từ đó đƣa vào ứng dụng thực tiễn. Giúp cho việc phòng chống cháy nổ ở nƣớc ta có những phƣơng án mới và đạt đƣợc hiệu quả. Đồ án tốt nghiệp đƣợc thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện Tử, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: Từ ngày 12/10/2015 đến 21/1 /2016 3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Tìm hiểu kiến trúc và chức năng vi điều khiển PIC16F887. - Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn EEE802.15.4. - Khảo sát cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga. - Thiết kế và kiểm tra chất lƣợng, độ tin cậy của hệ thống. 4. Lời cam đoan của sinh viên Tôi – Võ Thị Hƣơng Giang cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của thạc sỹ Trần Thanh Mai và cao học Nguyễn Ngọc Minh. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Tp.HCM, ngày 21 tháng 2 năm 2016 SV thực hiện đồ án Võ Thị Hƣơng Giang Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 Xác nhận của Bộ Môn Giáo viên hƣớng dẫn
4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. Hồ Chí Minh, ngày . tháng 1 năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Võ Thị Hƣơng Giang Lớp: 11941DT MSSV: 11941009 Tên đề tài: Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến. Tuần/ngày Nội Dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (12- 18/10) Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đồ án. Tuần 2 (19 -25/10) Tìm hiểu lý thuyết về cảm biến. Tuần 3 (26/10-1/11) Tìm hiểu lý thuyết về vi điều khiển. Tuần 4 (2-8/11) Tìm hiểu lý thuyết về mạng không dây. Tuần 5(9-15/11) Vẽ sơ đồ khối và mạch nguyên lý. Viết code và mô phỏng. Tuần 6(16-22/11) Viết code và mô phỏng. Tuần 7 (23-29/11) Tuần 8(30/11-6/12) Thi công mạch Tuần 9(7-13/12) Thi công mạch. Tuần 10(14-20/12) Thi công mạch. Tuần 11 (21-27/12) Viết báo cáo. Tuần 12 (28/12-3/01) Kiểm tra hoạt động của toàn hệ thống và hoàn thiện báo cáo. Báo cáo đồ án. GV HƢỚNG DẪN Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 2
5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Cô hƣớng dẫn, Th.s Trần Thanh Mai và C.h Nguyễn Ngọc Minh. đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình lựa chọn đề tài và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện, trong quá trình hƣớng dẫn Cô luôn có những đóng góp ý kiến và chỉ dẫn rất tận tình cũng nhƣ tạo những điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thiện đồ án một cách tốt nhất trong thời gian cho phép. Em xin kính gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý Thầy (Cô) trong khoa Điện- Điện tử trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh nói chung và bộ môn Điện Tử Công Nghiệp nói riêng đã tận tình giảng dạy những kiến thức chuyên ngành làm nền tảng để từ đó em có thể ứng dụng và phát triển lên nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu và thực hiện đồ án. Ngoài ra em cũng cảm ơn gia đình, bố mẹ đã hỗ trợ, giúp đỡ động viên em trong quá trình thực hiện đồ án này. Sau cùng đó là lời cảm ơn đến các bạn lớp Sƣ phạm kỹ thuật Điện – Điện tử những ngƣời bạn đã luôn cùng sát cánh bên nhau trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và có những đóng góp ý kiến rất thiết thực để em có thể tìm ra những hƣớng giải quyết khác nhau để hoàn thành đồ án một cách tốt nhất. Ngƣời thực hiện đề tài Võ Thị Hƣơng Giang Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 3
6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 LỜI CẢM ƠN 3 MỤC LỤC 4 LIỆT KÊ HÌNH VẼ 6 LIỆT KÊ BẢNG 7 TÓM TẮT 8 CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN 9 1.1. Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu 9 1.2. Mục đích đề tài 9 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 9 1.3.1. Nhiệm vụ 9 1.3.2. Giới hạn 10 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 10 1.5. Tóm tắt đề tài 10 CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1. Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 11 2.1.1. Tổng quan về PIC 11 2.1.2. Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC : 11 2.1.3. Lý do chọn vi điều khiển PIC : 13 2.1.4. Ngôn ngữ lập trình cho PIC : 13 2.1.5. PIC 16F887 : 15 2.2. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network 16 (WSN) 16 2.2.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN 16 2.2.2 Tổ chức và hoạt động của một mạng cảm biến không dây 17 2.2.3 . Module WSN Xbee ZB ZigBee 23 2.3. Cảm biến 34 2.3.1. Cảm biến nhiệt độ LM35. 34 2.3.2. Cảm biến khói MQ-2 35 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 4
7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 3.1. Thiết kế phần cứng hệ thống 38 3.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống báo cháy 38 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch. 39 3.2.1. Khối vi điều khiển. 40 3.2.2. Khối cảm biến. 41 3.2.3. Khối hiển thị. 42 3.2.4. Khối cảnh báo. 43 3.3. Thiết kế mạch in. 43 3.4. Lƣu đồ chƣơng trình. 45 3.5. Mạch thi công. 46 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 49 4.1 Kết luận 49 4.2 Kết quả thực hiện 49 4.3 Hƣớng phát triển đề tài 49 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 5
8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 2.1 Kích thước vi điều khiển PIC 11 Hình 2.2 Hình dạng thực tế một số vi điều khiển PIC 12 Hình 2.3 Giao diện chương trình mikroC PRO for PIC 14 Hình 2.4 Hình dạng thức tế của PIC16F887 40 chân 15 Hình 2.5 Sơ đồ chân của PIC 16F887 15 Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây 18 Hình 2.7. Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee. 19 Hình 2.8. Quá trình trao đổi thông tin về trạng thái đườngliên kết. 21 Hình 2.9. Quá trình gửi gói tin đến đích trong mạng ZigBee. 21 Hình 2.10. Bảng định tuyến của một nút mạng WSN. 22 Hình 2.11. Nút mạng R3 tìm đường đi đến nút mạng R6 theo thuật toán AODV. 22 Hình 2.12. Nút mạng R6 phản hồi bản tin tìm đường cho nút mạng R3. 22 Hình 2.13. Module XBee ZB ZigBee của hãng Digi International®. 24 Hình 2.14 Sơ đồ chân của module XBee ZB ZigBee. 26 Hình 2.15 Quá trình trao đổi thông tin của module XBee. 26 Hình 2.16. Trạng thái của chân SLEEP_RQ và ON/SLEEP theo thời gian. 27 Hình 2.17. Cấu trúc dữ liệu của khung tin API. 27 Hình 2.18 Cấu trúc dữ liệu của khung tin API. 28 Hình 2.19. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Request. 30 Hình 2.21. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Transmit Status. 32 Hình 2.22. Cấu trúc dữ liệu khung API ZigBee Receive Packet. 33 Hình 2.23. Cấu trúc dữ liệu khung API Remote AT Command Request. 34 Hình 2.24: Hình dạng thực tế LM35 35 Hình 2.25: cảm biến khói MQ-2 36 Hình 2.26: chân cảm biến MQ-2 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy. 38 Hình 3.2 vi điều khiển 16F887 40 Hình 3.3 khối reset và nạp chương trình 41 Hình 3.4 cảm biến nhiệt độ LM35 41 Hình 3.5 cảm biến khí gas MQ2 42 Hình 3.6 module hiển thị. 42 Hình 3.7 nguyên lý module cảnh báo 43 Hình 3.8 Mặt trên mạch in. 43 Hình 3.9 Mặt dưới mạch in. 44 Hình 3.10. Lưu đồ chương trình. 45 Hình 3.11 Ttrạng thái bình thường 47 Hình 3.12 Trạng thái phát hiện có khói. 47 Hình 3.13 Trạng thái quá nhiệt. 48 Hình 3.14 Trạng thái vừa quá nhiệt vừa có khói. 48 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 6
9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản của module Xbee ZBZigBee. 25 Bảng 2.2. Các loại khung tin API. 29 Bảng 2.3: Thông số cảm biến nhiệt độ LM35. 35 Bảng 2.4 Thông số cảm biến MQ-2 37 Bảng 3.1 Mức logic cảm biến hiển thị 46 Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 7
10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến TÓM TẮT Nội dung đồ án nghiên cứu và xây dựng một hệ thống cảnh báo cháy sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (wireless sensor network), với khả năng phát hiện sớm nguy cơ cháy và giám sát hệ thống theo thời gian thực từ xa thông qua phần mềm quản lý và mạng Internet/GPRS/3G. Sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây, hệ thốngđƣợc thiết kế để sử dụng ở những khu vực khó tiếp cận, đòi hỏi năng lƣợng tiêu thụ thấp và không yêu cầu cấp nguồn bằng điện lƣới nhƣ: rừng, núi ; hoặc không làm thay đổi thiết kế cũng nhƣ mỹ quan của công trình nhƣ: khu chung cƣ, văn phòng, kho lƣu trữ hàng hóa, siêu thị Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 8
11. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN 1.1. Tổng Quan Về Lĩnh Vực Nghiên Cứu Việt Nam là một đất nƣớc nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới nên không thể tránh khỏi có rất nhiều vụ cháy, nổ xảy ra hàng năm gây thƣơng tích cho con ngƣời cũng nhƣ thiệt hại rất lớn về tài sản.Vì vậy hỏa hoạn luôn là một nguy cơ tiềm ẩn nhiều rủi ro trong sản xuất và sinh hoặt hàng ngày. Mặc dù có nhiều biện pháp và hệ thống đƣợc đƣa ra để phát hiện và cảnh báo cháy nhƣng nhiều thảm họa do cháy vẫn xảy ra. Trong phòng chống cháy hiện nay, chƣa có một hệ thống cảnh báo cháy tự động nào đƣợc triễn khai. Do đó, nếu để xảy ra cháy thì thiệt hại vô cùng lớn, để khắc phục hậu quả mất nhiều thời gian và tiền của. Theo kết luận của các cơ quan chức năng, phần lớn các vụ cháy ở trên gây hậu quả nghiêm trọng là do hệ thống báo cháy không hoạt động hoặc không phát tín hiệu cảnh báo kịp thời. Thêm vào đó, do hệ thống báo cháy không đƣợc kết nối tới trung tâm PCCC nên phải mất một thời gian khá lâu lực lƣợng chức năng mới tiếp cận đƣợc khu vực hỏa hoạn. Việt Nam nằm trong khu vực có khí hậu gió mùa nên vào mùa khô, nhiều khu vực rừng có nguy cơ cháy rất cao. Do địa hình hiểm trở, lực lƣợng kiểm lâm và lâm trƣờng còn mỏng, các trang bị phòng cháy và chữa cháy còn thiếu thốn, nên nếu để xảy ra cháy thì hậu quả rất nghiêm trọng. Vụ cháy hơn 1000ha tại vùng lõi rừng U Minh Thƣợng và U Minh Hạ năm 2002 đã làm cho thảm thực vật ở đây gần nhƣ bị phá hủy hoàn toàn, có thể phải mất hàng chục năm sau mới phục hồi đƣợc nguyên trạng. Từ những thực trạng trên ngƣời nghiên cứu nhận thấy rằng, với mong muốn xây dựng nên một hệ thống có khả năng giám sát liên tục và cảnh báo sớm nguy cơ cháy, giúp hạn chế tối đa hậu quả do hỏa hoạn gây ra. Vì vậy đề tài “thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến”nhằm tìm ra giải pháp giúp phòng chống cháy, nổ và hạn chế tối đa thiệt hại mà nó gây ra nhƣ hiện nay. 1.2. Mục đích đề tài Mục đích của đề tài là đề xuất những giải pháp nâng cao hiệu quả an toàn, chính xác trong hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây. Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tự động, từ đó đƣa vào ứng dụng thực tiễn. Giúp cho việc phòng chống cháy nổ ở nƣớc ta có những phƣơng án mới và đạt đƣợc hiệu quả. 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 1.3.1. Nhiệm vụ - Tìm hiểu kiến trúc và chức năng vi điều khiển PIC16F887. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 9
12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến - Nghiên cứu mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee chuẩn EEE802.15.4. - Khảo sát cảm biến cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến khí ga. - Thiết kế và kiểm tra chất lƣợng, độ tin cậy của hệ thống. 1.3.2. Giới hạn Vì tính chất của hệ thống rất phức tạp và cần có nhiều thời gian hơn để nghiên cứu nên ngƣời thực hiện đề tài chỉ dừng lại ở việc thiết kế các chức năng quan trọng nhất của hệ thống. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Đọc các tài liệu có liên quan. - Tìm ra các hƣớng tiếp cận khác nhau thuộc lĩnh vực nghiên cứu. - Suy luận và thực nghiệm trên mô hình thực tế. - Đánh giá kết quả thực nghiệm và tìm ra các hƣớng giải quyết mới để đi đến thống nhất và hoàn thiện đề tài nghiên cứu. 1.5. Tóm tắt đề tài Nhƣ vậy, với các yêu cầu về nhiệm vụ và mục tiêu đề ra, luận văn đƣợc xây dựng bao gồm các chƣơng sau: - Chƣơng 1: Tổng quan. - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết. - Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống. - Chƣơng 4: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 10
13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến CHƢƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Khảo sát vi điều khiển PIC16F887 2.1.1. Tổng quan về PIC PIC là một họ vi điều khiển có kiến trúc Harvard (bộ nhớ đƣợc tách ra làm 2 loại bộ nhớ độc lập : bộ nhớ lƣu chƣơng trình và bộ nhớ lƣu dữ liệu nên có thể thay đổi số bit lƣu trữ của từng bộ nhớ mà không ảnh hƣởng đến nhau). PIC đƣợc chế tạo bởi Microchip Technology, bắt nguồn là chữ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên PIC 1650 ra đời vào năm 1975. Lúc này, PIC 1650 đƣợc dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, ngƣời ta cũng gọi PIC với cái tên “Peripheral Interface Controller” (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). PIC sử dụng MicroCode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC (viết tắt của Reduced Instructions Set Computer – Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) chƣa đƣợc sử dụng thời bây giờ, nhƣng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). 2.1.2. Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC : Có các dòng PIC sau : - Dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ : PIC12Cxxx). - Dòng PIC mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ : PIC16Fxxx). - Dòng PIC high-end (độ dài mã lệnh 16 bit, ví dụ : PIC18Fxxx). Hình 2.1 Kích thước vi điều khiển PIC Dòng PIC low-end và PIC mid-end tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, dòng PIC highend bao gồm khoảng 70 lệnh (tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, với các hằng số hoặc các vị trí bộ nhớ, cũng nhƣ có các lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm và các lệnh để quay trở về, nó cũng có các tính năng phần cứng khác nhƣ ngắt hoặc sleep) Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 11
14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Các ký hiệu của vi điều khiển PIC : C : PIC có bộ nhớ EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory – Một chip nhớ chỉ đọc ra có khả năng lập trình và lập trình lại đƣợc) chỉ có 16C84 là EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory – Bộ nhớ không mất dữ liệu khi ngừng cung cấp điện). F : PIC có bộ nhớ flash. LF : PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV : tƣơng tự nhƣ LF, đây là k ý hiệu cũ. Hình 2.2 Hình dạng thực tế một số vi điều khiển PIC Bên cạnh đó, một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash). Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 12
15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 2.1.3. Lý do chọn vi điều khiển PIC : Hiện nay trên thị trƣờng có rất nhiều họ vi điều khiển nhƣ : PIC, 8051, Motorola, 68HC, AVR, ARM, Mỗi họ vi điều khiển đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng, sinh viên thực hiện đã chọn họ vi điều khiển PIC vì một số nguyên nhân sau : - PIC có thể tìm mua dễ dàng tại thị trƣờng Việt Nam với giá thành không quá đắt và có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập. - PIC đƣợc tích hợp sẵn những ngoại vi thông dụng mà các dòng vi điều khiển cũ không có nhƣ ADC, PWM, COMPARATER, không ngừng đƣợc phát triển. - PIC có kiến trúc lệnh RISC, còn 8051 có kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computer – Máy tính có tập lệnh phức tạp). Tập lệnh của RISC tập trung vào các lệnh chính yếu và phần cứng đƣợc thiết kế sao cho các phần tử RISC hiểu ngay đƣợc lệnh máy do chƣơng trình cung cấp, không cần phải giải mã thành một chuỗi các vi lệnh nhƣ CISC (8051 sử dụng). Nhƣ vậy thời gian thực hiện lệnh RISC rút ngắn đi nhiều so với CISC. - Trong khi các trình biên dịch cho AVR thì không đƣợc download miễn phí, PIC hầu nhƣ là miễn phí sử dụng và đảm bảo không bị trục trặc so với bản crack. Bên cạnh đó với bề dày của sự phát triển lâu đời, PIC đã tạo ra rất nhiều diễn đàn sôi nổi về vi điều khiển PIC và công ty Microchip cũng tạo ra diễn đàn www.microchip.comcho chính sản phẩm của mình nhằm hỗ trợ về các kỹ thuật và giải đáp thắc mắc, nếu có vốn tiếng Anh khá, lập trình viên có thể tham gia vad học hỏi rất nhiều ở đó, ngoài ra còn có những thƣ viện đồ sộ các project về PIC đƣợc cập nhật rất nhiều trên www.piclist.com. Có thể nói, lập trình viên sẽ an tâm lựa chọn dòng vi điều khiển PIC vì sẽ rất dễ dàng tìm kiếm các thông tin lập trình các dòng PIC cũng nhƣ sự hỗ trợ rất nhiều từ nhà sản xuất. 2.1.4. Ngôn ngữ lập trình cho PIC : Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng. Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (đƣợc cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn bao gồm C, Basic, Pascal, Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình đƣợc phát triển dành riêng cho PIC nhƣ HT-PIC, PICBasic, MikroBasic, mikroC PRO for PIC, Sinh viên thực hiện chọn ngôn ngữ lập trình cho PIC trong đề tài này là mikroC PRO for PIC vì nguyên nhân sau : Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 13
16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Hình 2.3 Giao diện chương trình mikroC PRO for PIC mikroC PRO for PIC là một trình biên dịch đầy đủ tính năng ANSI C cho PIC từ Microchip. Phần mềm này là sự lựa chọn tốt nhất để phát triển Code cho PIC. Nó có tính năng IDE trực quan, là một trình biên dịch mạnh mẽ với sự tối ƣu hóa tiên tiến, hỗ trợ rất nhiều thƣ viện cho phần cứng và phần mềm cùng các công cụ bổ sung giúp ích rất nhiều cho công việc. Trình biên dịch này có file Help đi kèm với rất nhiều ví dụ có thể sử dụng ngay đƣợc thiết kế để các lập trình viên mới làm quen có thể bắt đầu dễ dàng. Có thể tham khảo thêm về trình biên dịch mikroC PRO for PIC tại trang WEB : Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 14
17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến 2.1.5. PIC 16F887 : Hình 2.4 Hình dạng thức tế của PIC16F887 40 chân Hình 2.5 Sơ đồ chân của PIC 16F887 Về sơ đồ chân của PIC16F887 : Các chân nguồn có 1 hƣớng còn hầu hết các chân có 2 hƣớng. PIC16F887 có các PORT A,B,C,D,E ứng với 35I/O và 1 input (chân RE3). Hầu hết các PORT có 8 chân, chức năng mỗi chân có khi lên đến 5 chức năng/chân. Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA, đủ điều khiển 2 LED mắc song song. Tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ là 90mA mà thôi. Do đó, khi thiết kế cần tính toán tránh quá tải cho từng chân (vƣợt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT (90mA). Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 15
18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit. Mỗi lệnh đều đƣợc thực thi trong một chu kỳ xung clock. Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là 200ns. Cụ thể : - 8k Flash Rom. - 368 Bytes SRAM. - 2 bộ định thời timer0 và timer2 8 bit có thể lập trình đƣợc. - 1 bộ định thời timer1 16bit có thể hoạt động trong chế độ sleep với nguồn xung clock ngoài. - 2 bộ module CCP (bao gồm Capture bắt giữ, Compare so sánh, PWM điều chế xung 10 bit). - 1 bộ ADC với 14 kênh ADC 10 bit. - 2 bộ so sánh tƣơng tự hoạt động độc lập. - Bộ giám sát định thời Watchdogtimer. - Hỗ trợ giao tiếp I2C. - Chế độ sleep tiết kiệm năng lƣợng. 2.2. Tổng quan về mạng cảm biến không dây – Wireless Sensor Network (WSN) 2.2.1 Khái niệm về mạng cảm biến không dây - WSN Mạng cảm biến không dây – WSN là khái niệm để mô tả một hệ thống mạng thông tin, đƣợc sử dụng để giám sát các thông số môi trƣờng nhƣ: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, nồng độ khí mà trong đó các nút mạng trao đổi thông tin với nhau qua đƣờng truyền vô tuyến. Trong những năm gần đây, mạng cảm biến không dây đã và đang đƣợc phát triển và triển khai cho nhiều các ứng dụng khác nhau nhƣ: theo dõi sự thay đổi của môi trƣờng, khí hậu, giám sát các mặt trận quân sự, phát hiện và do thám việc tấn công bằng hạt nhân, sinh học và hoá học, chuẩn đoán sự hỏng hóc của máy móc, thiết bị, theo dấu và giám sát các bác sỹ, bệnh nhân cũng nhƣ quản lý thuốc trong các bệnh viện, theo dõi và điều khiển giao thông, các phƣơng tiện xe cộ, cảnh báo trƣớc các thảm họa, thiên tai trong tự nhiên.Các mạng vô tuyến khác bao gồm mạng cellular, mạng cục bộ Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 16
19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây (Wireless local area network - WLAN), và mạng Bluetooth. Các gói dữ liệu trong các mạng vô tuyến này đƣợc chuyển từ mạng này qua mạng khác thông qua mạng internet không dây. Mạng cellular đích đến là những ngƣời sử dụng đang di chuyển, mạng cellular có tính di động cao. Mạng WLAN có khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao tối đa lên đến 600Mb/s, mạng Bluetooth ứng dụng truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tốc độ truyền của mạng Bluetooth là 1Mb/s. Mạng cảm biến không dây có một số điểm khác biệt với các mạng kể trên, đó là: - Số lƣợng nút cảm biến trong một mạng cảm biến lớn hơn nhiều lần so với những nút trong các mạng truyền thống. - Các nút cảm biến thƣờng đƣợc triển khai với mật độ dày đặc, những nút cảm biến lân cận phân bố rất gần nhau. Chính vì vậy, truyền thông đa bƣớc nhảy trong mạng cam biến cần phải tiêu thụ ít năng lƣợng hơn truyền thông đơn bƣớc nhảy trong mạng truyền thống - Những nút cảm biến dễ hƣ hỏng và ngừng hoạt động - Mạng cảm biến chủ yếu sử dụng truyền thông quảng bá, trong khi đó đa số các mạng truyền thống là điểm – điểm. - Những nút cảm biến bị giới hạn về năng lƣợng, khả năng tính toán và bộ nhớ. - Yêu cầu ràng buộc quan trọng đối với các nút cảm biến là mức độ tiêu thụ điện phải thấp, nguồn cung cấp năng lƣợng điện này là có hạn và thƣờng là không thể thay thế. Tiêu chuẩn tần số đang đƣợc áp dụng cho mạng cảm biến không dây (WSNs) hiện nay là chuẩn IEEE 802.15.4, chuẩn hoạt động tại tần số 2.4GHz đƣợc ứng dụng trong công nghiệp, khoa học và y học. Tốc độ đƣờng truyền có thể lên tới 250Kbps ở khoảng cách từ 9m đến 60m. Công nghệ ZigBee/IEEE 802.15.4 đƣợc thiết kế để hỗ trợ giao thức truyền nhận dữ liệu trong mạng cảm biến. Ƣu điểm của công nghệ này là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và có khả năng tƣơng thích cao. 2.2.2 Tổ chức và hoạt động của một mạng cảm biến không dây 2.2.2.1 Mô hình mạng cảm biến không dây tổng quát Theo nhƣ khái niệm ở trên, có thể thấy rằng, một mạng cảm biến không dây là tập hợp rất nhiều các nút mạng giao tiếp với nhau qua đƣờng truyền vô tuyến theo chuẩn giao thức IEEE 802.15.4, và trên mỗi nút mạng sẽ có các cảm biến để quan trắc các thông số môi trƣờng. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 17
20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến Hình 2.6: Cấu trúc cơ bản của mạng cảm biến không dây Gateway có nhiệm vụ quản lý thông tin về các nút trong mạng, đồng thời chuyển tiếp dữ liệu từ chuẩn giao thức IEEE802.15.4 của WSN sang chuẩn giao thức khác để kết nối WSN với hệ thống thu thập dữ liệu. Số lƣợng các nút trong mạng có thể lên tới hàng nghìn nút và đƣợc tổ chức theo nhiều mô hình vật lý khác nhau nhƣ : mạng hình sao, mạng hình cây, mạng hỗn hợp Đƣợc tối ƣu về mặt sử dụng năng lƣợng, các nút mạng sẽ đƣợc cấp nguồn bằng pin hoặc ắc quy và có thể hoạt động liên tục trong vài năm mới phải thay nguồn cung cấp. Các nút mạng đƣợc điều khiển bởi hệ điều hành nhúng trên nó, để thức dậy trong một thời gian ngắn đủ để xử lý dữ liệu, rồi chuyển sang trạng thái ngủ trong một thời gian dài, và lặp lại quá trình đó. Khi một nút mạng liên kết vào WSN, nó sẽ nhận một nút khác làm nút “cha“ của nó. Nút “cha” có nhiệm vụ lƣu giữ bản tin gửi tới nút “con” khi nút “con” đang trong trạng thái ngủ; và khi nút “con” thức dậy, nósẽ hỏi nút “cha” về bản tin dành cho nó. Khi một nút “con” muốn gửi bản tin tới nút mạng khác, nó buộc phải gửi bản tin đó tới nút “cha”, sau đó nút “cha” có nhiệmvụ định tuyến gói tin đến đích. Nhƣ vậy, trạng thái chủ yếu trong một mạng cảm biếnkhông dây là trạng thái ngủ, nhƣng sự trao đổi thông tin giữa các nút mạng với nhau vẫn đƣợc đảm bảo. 2.2.2.2 Mạng cảm biến không dây ZigBee ZigBee là một mô hình mạng cảm biến không dây, địnhnghĩa lớp ứng dụng dựa trên mô tả kỹ thuật của chuẩn giao thức IEEE 802.15.4. Hiện nay, tổ chức định nghĩa nên mô hình mạng ZigBee đã có trên 300 thành viên, là các tập đoàn sản xuất bán dẫn và phát triển ứng dụng. Trong mô hình mạng ZigBee, có ba loại thiết bị mạng: • Cordinator: đóng vai trò là Gateway trong mô hình WSN. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 18
21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Thiết kế hệ thống giám sát tự động sử dụng công nghệ mạng cảm biến - Trong một mạng ZigBee, có duy nhất một Cordinator. - Có nhiệm vụ lựa chọn kênh tần số và PAN_ID để khởi tạo WSN. - Cho phép router và end device liên kết vào mạng. - Hỗ trợ router trong việc định tuyến cho các bản tin. - Có nhiệm vụ đệm dữ liệu cho các end device. - Luôn ở trạng thái thức, phải đƣợc cấp nguồn liên tục. Hình 2.7.Mô hình mạng cảm biến không dây ZigBee. • Router: là thiết bị trung gian, có chức năng đệm dữliệu, định tuyến và chuyển tiếp dữliệu trong mạng. - Trong một mạng ZigBee có nhiều router. - Router phải liên kết vào mạng trƣớc khi truyền, nhận và định tuyến bản tin. - Sau khi liên kết vào mạng, một router có thể cho phép end device hoặc router khác liên kết vào mạng. - Có nhiệm vụ đệm dữ liệu và chuyển tiếp dữ liệu chocác end device. - Luôn ở trạng thái thức, phải đƣợc cấp nguồn liên tục. • End device: là các nút mạng có gắn cảm biến. - Phải liên kết vào mạng trƣớc khi truyền hoặc nhận dữ liệu. - Không có khả năng cho phép nút khác liên kết vào mạng. Võ Thị Hƣơng Giang - 11941009 Page 19
22. S K L 0 0 2 1 5 4