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. 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.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 do an 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.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 do an 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 vực đó. 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.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 do an 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.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.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. Thiết kế một giải pháp mô hình. Thi công hệ thống. 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.