Đồ án Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và mô phỏng qua ứng dụng mạng ZigBee (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu và mô phỏng qua ứng dụng mạng ZigBee (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 ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE GVHD: PHAN VĂN CA SVTH: ĐẶNG PHÚC ĐẠT MSSV: 11141357 SVTH: VŨ HOÀNG MSSV: 11141280 S K L 0 0 4 1 7 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE GVHD: PHAN VĂN CA SVTH : ĐẶNG PHÚC ĐẠT MSSV : 11141357 SVTH : VŨ HOÀNG MSSV : 11141280 Khoá : 2011 – 2015 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2016
3. CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên Sinh viên :1 ĐẶNG PHÚC ĐẠT MSSV: 11141357 Họ và tên Sinh viên 2: VŨ HOÀNG MSSV: 11141280 Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PHAN VĂN CA Ngày nhận đề tài: 15/09/2015 Ngày ộn p đề tài: 14/01/2016 1. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE. 2. Các số liệu ban đầu: Tài liệu ZigBee End Device. Kiến thức lập trình C, ZigBee Datasheet, Z-Stack Developer’s Guide. Phần mềm mô phỏng NS.2 35. 3. Nội dung thực hiện đề tài: Tìm hiểu cấu trúc mạng ZigBee. Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng ZigBee. Mô phỏng hệ thống thu thập dữ liệu qua NS2. 4. Sản phẩm Ba bộ thu thập dữ liệu. Sơ đồ thể hiện độ trễ trong quá trình truyền. Trưởng ngành Giảng viên hướng dẫn i
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 1:Đ ẶNG PHÚC ĐẠT MSSV: 11141357 Họ và tên Sinh viên 2: VŨ HOÀNG MSSV: 11141280 Ngành:ĐI ỆN TỬ VIỄN THÔNG Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: PHAN VĂN CA Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE. NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài và 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 Giáo viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) ii
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 1: ẶĐ NG PHÚC ĐẠT MSSV: 11141357 Họ và tên Sinh viên 2: VŨ HOÀNG MSSV: 11141280 Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Họ và tên Giáo viên phản biện: Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE. NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài và 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 hữ:c ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm Giáo viên phản biện (Ký và ghi rõ ọh tên) iii
6. LỜI CÁM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô khoa Đào tạo Chất lượng cao cùng với các thầy cô khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm vô cùng quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Phan Văn Ca, người đã trực tiếp hướng dẫn, đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện một cách tốt nhất. Sự giúp đỡ của Thầy có ý nghĩa rất to lớn trong quá trình thực hiện đồ án này. Cuối cùng nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cám ơn gia đình, thầy cô, bạn bè đã luôn là chỗ dựa vững chắc. Xin kính chúc quý Thầy, Cô và gia đình dồi dào sức khỏe, thành công trong cuộc sống và ựs nghiệp. Xin chân thành ảc m ơn, Nhóm nghiên cứu. iv
7. TÓM TẮT ĐỀ TÀI BẰNG TIẾNG VIỆT Ngày nay khoa học kỹ thuật càng ngày càng phát triển, đặc biệt về các ngành công nghiệp viễn thông đã nghiên cứu thành công và đặt ra một loạt các chuẩn truyền dữ liệu không dây mới. Trong đó ZigBee/IEEE 802.15.4 là một trong những mạng phát triển khá nhanh trong những năm gần đây, mở ra một trang mới trong ngành điều khiển và giám sát thiết bị với công nghệ không dây. Với mong muốn tìm hiểu và trải nghiệm một công nghệ mới, đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE” được thực hiện với những nội dung sau: Tìm hiểu mạng ZigBee và chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 Tìm hiểu về module SIM900 và các thiết bị thu thập dữ liệu CC2530, LM35. Xây dựng và kiểm tra hệ thống thu thập dữ liệu qua mạng ZigBee. Mô phỏng hệ thống thu thập dữ liệu qua NS2. v
8. MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CÁM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI BẰNG TIẾNG VIỆT v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH xiv CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 2 ĐỐI TƯỢNG - KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU 2 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 2 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 4 2.1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE 4 Giới thiệu chung 4 Khái niệm 4 Đặc điểm 4 So sánh giải pháp ZigBee với các giải pháp không dây khác 5 Ứng dụng chính của mạng ZigBee. 6 Kiến trúc mạng. 9 Các thiết bị trong mạng. 9 vi
9. Topology. 10 Địa chỉ 12 Các thuật toán định tuyến cho ZigBee. 13 Thuật toán định tuyến theo yêu cầu AODV. 13 Thuật toán hình cây 15 2.2. GIỚI THIỆU CHUẨN ZIGBEE/IEEE 802.15.4. 19 2.2.1. Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4. 19 2.2.2. Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4. 20 2.2.3. Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC. 22 2.2.3.1. Cấu trúc siêu khung. 22 2.2.3.2. Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA. 24 2.2.3.3. Định dạng khung tin MAC. 24 2.2.4. Tầng mạng ZigBee/IEEE 802.15.4. 25 2.2.5. Tầng ứng dụng ZigBee/IEEE 802.15.4. 26 2.3. TỔNG QUAN VỀ MODULE SIM900 26 Giới thiệu 26 Đặc điểm của Module SIM900. 27 Cách thiết lập lệnh AT cho module SIM900A. 29 Thiết lập cấu hình mặc định. 29 Đọc tin nhắn SMS. 30 Gửi tin nhắn SMS. 33 2.4. CÁC THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU. 34 CC2530. 34 Cảm biến nhiệt độ LM35. 35 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 36 3.1. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG. 36 Sơ đồ khối của hệ thống. 36 Yêu cầu của hệ thống. 37 vii
10. 3.2. PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG. 37 3.2.1. Nhiệm vụ của module thu thập dữ liệu. 37 3.2.2. Nhiệm vụ của khối xử lý trung tâm. 38 3.3. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM 38 3.3.1. Sơ đồ khối khối xử lý trung tâm. 38 3.3.2. Yêu cầu của node trung tâm. 38 3.3.3. Thiết kế node trung tâm. 39 3.4. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG KHỐI THU THẬP DỮ LIỆU. 39 Vai trò của module thu thập dữ liệu. 39 Thiết kế module thu thập dữ liệu. 39 3.5. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM. 41 3.5.1. Nạp code cho chương trình ZigBee. 41 3.5.2. Giao tiếp máy tính. 42 3.6. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CỦA HỆ THỐNG. 43 3.6.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống. 44 3.6.2. Lưu đồ thuật toán module trung tâm. 45 3.6.3. Lưu đồ thuật toán module thu thập dữ liệu. 45 CHƯƠNG 4: KIỂM TRA HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG. 47 4.1. KIỂM TRA KHOẢNG CÁCH TRUYỀN NHẬN. 47 4.2. KIỂM TRA HOẠT ĐỘNG PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG. 47 4.3. MỘT SỐ KHUYẾT ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG. 47 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG QUA NS-2 48 GIỚI THIỆU VỀ NS-2 48 KIẾN TRÚC CỦA NS-2 48 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA NS-2 50 CHẠY CHƯƠNG TRÌNH NS-2 51 CÁC BƯỚC CƠ BẢN MÔ PHỎNG KỊCH BẢN TRONG NS-2 52 5.5.1. Khởi tạo và kết thúc. 52 5.5.2. Định nghĩa các nút và ạm ng liên kết 52 viii
11. 5.5.3. Khởi tạo node 55 5.5.4. Khởi tạo link 56 5.5.5. Khởi tạo network agents. 57 5.5.6. Khởi tạo các loại traffic: 58 5.5.7. Các dịch vụ cơ bản trong Internet. 59 5.5.8. Tracing 60 5.5.9. Routing 62 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 62 5.6.1. Chương trình mô phỏng. 62 5.6.2. Kết quả mô phỏng. 66 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 70 6.1. KẾT LUẬN 70 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 ix
12. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AES Advanced Encryption Standard AODV Ad hoc On-Demand Distance Vector AT Attention command CAP Competative Access Phase CB Cell Broadcast CID Cluster IDentifier CLH Cluster Head Carrier Sense Multiple Access/Collision CSMA-CA AvoIDance DCS Digital Cellular Service DD Designated Device ED Energy Detection EGSM Extended GSM FCS Frame Check Sequence FFD Full Function Device GND Ground GSM Global System for Mobile Communications ID IDentifier IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS InterFrame Space IP Internet Protocol LQI Link Quality Indication LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Network MAC Media Access Control MFR MAC Footer MHR MAC header MPDU Media access control Protocol Data Unit NID Node IDentifier PAN Personal Area Network PAP Password Authentication Protocol PBCCH Broadcast Channel Control PCS Personal Communications Service PDU Protocol Data Unit PPDU Physical Protocol Data Unit PPP Point-to-Point Protocol x
13. PHR Physical Header PHY Physical RFD Reduced Function Device RREP Route Reply Packet RREQ Route REQuest RXD Receive Data SAT SIMApplication Toolkit SHR Synchronization Header SIM Subscriber IDentity Module SMS Short Message Service SNR Signal-to-noise ratio TXD Transmit Data USSD Unstructured Supplementary Service Data ZC ZigBee Coordinator ZED ZigBee End Device ZR ZigBee Router xi
14. DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN NGÀNH 1. Beacon: là một dạng frame ngắn được gửi từ AP đến trạm client (trong mạng Infrastructure) hoặc từ trạm đến trạm (trong mạng Ad-Hoc) để tổ chức và đồng bộ hóa các truyền thông trong mạng WLAN. 2. HELLO_MESSAGE: thông điệp được gửi ra định kì từ một thiết bị để thiết lập và xác nhận mối quan hệ với thiết bị liền kề khác trong mạng. 3. Node (nút): là ộtm thiết bị điểm được ghép nối lại cùng với nhiều thiết bị khác tạo nên một mạng lưới truyền thông. Mỗi một nút phải có địa chỉ MAC riêng hoặc một địa chỉ khống chế liên kết dữ liệu nếu thiết bị ấy đạt tiêu chuẩn tối thiểu của mô hình OSI tầng 2. Các nút có thể là các máy tính, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân, điện thoại di động hoặc những thiết bị mạng truyền thông khác như bộ định tuyến (router), thiết bị chuyển mạch (switch) và máy chủ truy cập (hub) 4. System-on-Chip: là hệ thống mạch tích hợp bao gồmtất cả các thành phần cần thiết được tích hợp trên một chip duy nhất. Các thành phần này có thể bao gồm mạch số (digital), mạch analog hoặc sự pha trộn giữa hai mạch này (mixed-signal). xii
15. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU So sánh các thông số cơ bản của mạng ZigBee với Bluetooth và Wifi. 5 Băng tần và ốt c độ truyền. 20 Các kênh truyền và ầt n số. 20 Định dạng khung PPDU 22 Định dạng khung MAC. 24 Chức năng các chân SIM900A. 27 Các tính năng chủ chốt của SIM900. 27 Biểu đồ 5.1. Throughput 68 Biểu đồ 5.2. E2E Latency 68 Biểu đồ 5.3. M2M Latency 69 xiii
16. DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH CHƯƠNG 2: Hình 2.1: So sánh tốc độ truyền của mạng ZigBee với một số mạng không dây khác. 6 Hình 2.2: Phạm vi ứng dụng của ZigBee 6 Hình 2.3: ZigBee nhà thông minh (SmartHome). 7 Hình 2.4: ZigBee năng lượng thông minh (Smart Energy). 8 Hình 2.5: ZigBee chăm sóc sức khỏe (Health Care). 9 Hình 2.6: Các thiết bị trong mạng ZigBee. 10 Hình 2.7: Ba cấu hình cơ bản của mạng ZigBee. 10 Hình 2.8: Mạng hình sao. 11 Hình 2.9: Mạng hình lưới. 11 Hình 2.10: Mạng hình cây 12 Hình 2.11: Định dạng tuyến đường trong giao thức AODV. 15 Hình 2.12: Quá trình chọn node gốc. 16 Hình 2.13: Thiết lập kết nối giữa CH vànode thành viên. 17 Hình 2.14: Quá trình hình thành nhánh nhiều bậc. 17 Hình 2.15: Gán địa chỉ nhóm trực tiếp. 18 Hình 2.16: Mạng cây đa nhánh và các node trung gian. 19 Hình 2.17: Mô hình giao thức của ZigBee/IEEE 802.15.4. 20 Hình 2.18: Băng tầng hệ thống của ZigBee. 21 Hình 2.19: Cấu trúc siêu khung. 23 Hình 2.20: Khoảng cách giữa 2 khung. 24 Hình 2.21: Khung tin mã hóa tầng MAC. 25 Hình 2.22: Khung tin mã hóa tầng mạng. 26 Hình 2.23: SIM900A và sơ ồđ chân. 27 Hình 2.24: Thiết lập cấu hình mặc định. 29 Hình 2.25: Khởi tạo vùng nhớ. 31 Hình 2.26: Nhận và đọc tin nhắn SMS. 32 Hình 2.27: Gửi tin nhắn SMS. 33 Hình 2.28: Thiết kế CC2530. 34 Hình 2.29: Cảm biến nhiệt độ LM35. 35 CHƯƠNG 3: Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống. 37 Hình 3.2: Sơ đồ khối node trung tâm. 38 Hình 3.3: Hình ảnh thực tế node trung tâm. 39 xiv
17. Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý module thu thập dữ liệu. 40 Hình 3.5: Hình mặt trước module thu thập dữ liệu 40 Hình 3.6: Giao diện chương trình IAR Information Center for 8051. 41 Hình 3.7: Viết chương trình cho ZigBee. 42 Hình 3.8: SmartRF04EB 42 Hình 3.9: Phần mềm Terminal. 43 Hình 3.10: UART 43 Hình 3.11: Lưu đồ thuật toán hệ thống. 44 Hình 3.12: Lưu đồ thuật toán module trung tâm. 45 Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán module thu thập dữ liệu 46 CHƯƠNG 5: Hình 5.1: Kiến trúc của NS-2. 49 Hình 5.2: Tổng quan về NS-2 dưới góc độ người dùng. 49 Hình 5.3: Luồng các sự kiện cho file Tcl chạy trong NS. 50 Hình 5.4: Kiến trúc thư mục cài đặt của NS-2 trong môi trường Linux 51 Hình 5.5: Sự liên kết các đối tượng cơ bản trong NS. 55 Hình 5.6: Node unicast và node multicast. 56 Hình 5.7: Link. 57 Hình 5.8: Chèn đối tượng trace. 60 Hình 5.9: Kết quả khi chạy file star.nam 67 xv
18. CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Mạng viễn thông ngày nay không ngừng mở rộng và phát triển. Có rất nhiều chuẩn không dây (wireless) để truyền dữ liệu với tốc độ cao giữa các thiết bị với nhau như Bluetooth hay Wifi. Nhưng đối với những mạng quản lý các sensor trong các ứng dụng điều khiển - tự động hóa của các thiết bị trong nhà hay bệnh viện thì Wifi hay Bluetooth lại không thể đáp ứng được vì chúng có nhiều khuyết điểm như sử dụng băng thông rộng làm tiêu hao nhiều điện năng không cần thiết, sử dụng các nguồn điện trực tiếp, ít sử dụng pin, phạm vi kết nối nhỏ hẹp, độ trễ cao, cơ chế bảo mật đơn giản (Bluetooth), yêu cầu về các thiết bị phần cứng cao, chi phí lớn. Vì vậy, các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu để đưa ra một giải pháp có thể khắc phục được các nhược điểm của các chuẩn không dây nói trên. Và ộm t giải pháp được đưa ra là sử dụng chung kênh tần số. Công nghệ mới hiện đang được ứng dụng trong các mạng liên lạc đã đạt được hiệu quả cao là công nghệ ZigBee. Công nghệ ZigBee được áp dụng cho các hệ thống điều khiển và ảc m biến có tốc độ truyền tin thấp nhưng chu kỳ hoạt động dài. Công nghệ ZigBee hoạt động ở dải tần 868/915MHz và 2,4GHz với những ưu điểm nổi bật là ộđ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng tương thích cao và giá thành thiết bị thấp. Tất cả những ưu điểm đó đang khiến cho công nghệ ZigBee trở thành ộm t trong những xu hướng phát triển trong tương lai. Vì vậy, nhóm quyết định thiết kế một ứng dụng dựa trên công nghệ ZigBee đồng thời mô phỏng trên máy tính qua phần mềm NS2 để cho chúng ta có một cái nhìn tổng quan hơn về công nghệ ZigBee thông qua đề tài“ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ MÔ PHỎNG QUA ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE”. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thời đại khoa học kỹ thuật đang thay đổi từng ngày như hiện nay, việc xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng vô tuyến thay cho việc con người phải thu thập dữ liệu và điều khiển trực tiếp thiết bị tại nơi lắp đặt là ộm t yêu cầu rất cấp bách và thiết thực. Vì việc thu thập các thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, tại một số khu vực hoặc địa điểm hẻo lánh ít người lui tới như rừng, núi để có thể kiểm soát và cảnh báo hiện tượng cháy rừng; hay việc thu thập nhiệt độ, độ rung chấn tại các miệng núi lửa để có thể phát hiện sớm và ảc nh báo hoạt động của núi lửa cho con người biết đều rất khó khăn. Với yêu cầu lấy dữ liệu tại các khu vực nguy hiểm như trên thì việc sử dụng một mạng vô tuyến để kết nối các module cập nhật dữ liệu sau đó truyền thông tin về để con người có thể xử lý, phát 1
19. hiện và đưa ra ảc nh báo để hạn chế tối đa các tai nạn xảy ra là ộm t trong những bước tiến khá quan trọng trong việc ứng dụng mạng vô tuyến vào phục vụ các nhu cầu cần thiết của con người. Mặt khác, hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng vô tuyến cần phải thỏa mãn một số yêu cầu: Hoạt động ổn định. Độ chính xác truyền nhận dữ liệu cao. Tiêu hao ít năng lượng. Có thể mở rộng thệ thống một cách dễ dàng bằng cách lắp đặt thêm thiết bị mà không ầc n phải thiết kế lại mạng. Linh động, dễ dàng ắl p đặt và ửs a chữa. Với các yêu cầu trên thì việc xây dụng một hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị bằng mạng ZigBee là ộm t giải pháp tối ưu nhất so với các chuẩn không dây hiện tại nhờ các ưu điểm như tiêu hao ít năng lượng, độ chính xác truyền nhận dữ liệu cao, hoạt động ổn định, mở rộng mạng dễ dàng ủc a mạng ZigBee. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Các mục tiêu cần nghiên cứu trong đề tài: Cấu hình và thiết lập cho từng thành viên trong ạm ng. Giao thức truyền nhận dữ liệu giữa các thành viên trong mạng. Cấu hình module SIM900. Thiết kế các đối tượng phục vụ cho việc truyền nhận dữ liệu từ mạch thu thập dữ liệu. Thiết kế và thi công ạm ch phần cứng điều khiển trực tiếp các thiết bị ngoại vi thông qua tin nhắn SMS. ĐỐI TƯỢNG - KHÁCH THỂ NGHIÊN CỨU Tập lệnh AT Commands và phương thức giao tiếp Sim900. Mạng Zigbee. Chuẩn IEEE 802.15.4. Phần mềm IAR và phương thức lập trình Zigbee GB2530. Các thiết bị liên quan đến việc thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Lý thuyết về mạng ZigBee. Các đối tượng liên quan tới SIM 900. Các đối tượng liên quan tới Zigbee GB2530. Các đối tượng liên quan tới lập trình. 2
20. Chuẩn không dây ZigBee/IEEE 802.15.4. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Nhóm sinh viên chỉ thực hiện thiết kế chương trình trên nền tảng mạng ZigBee theo chuẩn IEEE 802.15.4. Vì lý do giới hạn về thời gian nghiên cứu đề tài, cũng như có những giới hạn nhất định về kiến thức chuyên ngành, nhóm sinh viên thực hiện đề tài ốt t nghiệp chỉ tập trung nghiên cứu một số vấn đề chính: Đặc điểm của mạng Zigbee. Các ưu, khuyết điểm của mạng ZigBee so với mạng Wifi, Bluetooth . Biết cách cài đặt, cấu hình và ửs dụng các bộ công cụ dùng cho việc lập trình, phát triển phần mềm ứng dụng. Biết cách tạo mới một project, biên dịch và đóng gói project. Biết cách cấu hình cho từng thiết bị trong mạng. Lập trình các chức năng tương thích với từng thành viên trong ạm ng. Lập trình cho các hoạt động như nhận tin nhắn SMS hay gửi tin nhắn SMS. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sau khi được sự chấp nhận đề tài nghiên cứu của giáo viên hướng dẫn, nhóm sinh viên đã từng bước tiến hành đề tài như sau: Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C. Tìm hiểu các tập lệnh AT Commands của module SIM900. Tiến hành nghiên cứu phương thức truyền nhận dữ liệu giữa các ZigBee Gb2530. Tìm hiểu các thông tin cơ bản về mạng ZigBee như: lịch sử hình thành và phát triển, đặc điểm Tìm kiếm, tải và tham khảo các tài liệu về mạng ZigBee. Phác thảo về giao diện, tính năng, các đối tượng sẽ được sử dụng để lập trình cho phần ứng dụng. Thiết kế và chỉnh sửa sao cho hoàn chỉnh ứng dụng. Tiến hành chạy thử nghiệm mô phỏng trên máy tính để phát hiện các lỗi cú pháp và ỗl i logic của bộ chương trình. Thi công mạch phần cứng. Sau khi đã chạy mô phỏng và thi công ạm ch phần cứng hoàn chỉnh, tiến hành cài đặt chương trình chạy thực tế kiểm nghiệm tính tương thích của phần mềm. Tiến hành viết báo cáo. 3
21. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG ZIGBEE Giới thiệu chung ZigBee là ộm t tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn, có tốc độ truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên tiêu chuẩn ZigBee hoạt động trên 3 dãy tần số là 868MHz, 915MHz và 2.4GHz. Bộ tiêu chuẩn ZigBee chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance vào năm 2004 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Đối tượng mà ZigBee nhắm vào là mạng điều khiển dành cho nhà thông minh (Smarthome), trong các quá trình tự động hóa (Home Automation, Building Automation), các hoạt động theo dõi, tiếp nhận và xử lý thông tin trong lĩnh vực y tế (Health Care) và phương thức quản lý năng lượng hiệu quả (Smart Energy) Khi được sử dụng trong các hệ thống này, ZigBee có khả năng phát huy tất cả các điểm mạnh của nó như độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, giá thành thấp, ít lỗi, dễ mở rộng và thời gian sử dụng pin dài m( ột cặp pin AA có thể hoạt động trong vòng hai năm). Khái niệm ZigBee là ộm t giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (Personal Area Network) nhằm phục vụ cho những ứng dụng yêu cầu về giá thành và công suất thấp nhưng phải có khả năng linh động trong phạm vi rộng. Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zigzag của loàiong mật (honey bee), điệu nhảy này được loài ong sử dụng để trao đổi thông tin với nhau về vị trí của hoa và nguồn nước. Đặc điểm Về bản chất ZigBee cũng là một chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác: UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng. Vì vậy ZigBee sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng dụng nhất định. Tín hiệu truyền trong giao thức ZigBee thực chất là tín hiệu radio. Trong nhiều ứng dụng, người ta hay dùng giao thức ZigBee ở dải tần 2.4GHz – 2.835GHz. Đây là dải tần phổ biến và được hỗ trợ bởi nhiều thiết bị. Hơn nữa với ZigBee, dải tần này có tới 16 kênh tín hiệu trong dải (mỗi kênh cách nhau 5MHz tần số) với tốc độ truyền lớn nhất 250kb/s. Các đặc điểm chính của mạng ZigBee: 4
22. S K L 0 0 2 1 5 4