Luận Văn Thạc Sĩ Về Thiết Kế Mô Hình Mạng Cảm Biến Không Dây Tiết Kiệm Năng Lượng Sử Dụng LabVIEW

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử trình bày thiết kế mô hình mạng cảm biến không dây tiết kiệm năng lượng sử dụng giao diện LabVIEW.

• Tác giả: Phan Tròn
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Trí
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Mạng Cảm Biến Không Dây Tiết Kiệm Năng Lượng Với LabVIEW
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Khảo sát các công trình nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu đề tài và hướng nghiên cứu
• 1.3.1. Mục tiêu đề tài
• 1.3.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3.3.1. Nghiên cứu lý thuyết
• 1.3.3.2. Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY WSNs
• 2.1. Tổng quan mạng cảm biến không dây
• 2.2. Các đặc trưng của mạng cảm biến không dây
• 2.2.1. Năng lượng tiêu thụ
• 2.2.2. Loại hình mạng
• 2.2.3. Tính bảo mật
• 2.2.4. Tính di động
• 2.3. Kiến trúc node mạng
• 2.3.1. Vi điều khiển (Microcontroller)
• 2.3.2. Bộ thu phát (Transceiver)
• 2.3.3. Bộ nhớ ngoài
• 2.3.4. Nguồn năng lượng
• 3. CHƯƠNG 3: MẠNG ZIGBEE
• 3.1. Ứng dụng mạng Zigbee
• 3.2. Giao thức IEEE 802
• 3.2.1. Tầng điều khiển dữ liệu Zigbee/IEEE 802
• 3.2.1.1. Thuật toán Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance CSMA-CA
• 3.2.1.2. Các mô hình truyền dữ liệu
• 3.3. Giao thức ZigBee
• 3.3.1. Lớp ứng dụng ZigBee
• 3.3.2. Lớp mạng ZigBee
• 3.3.2.1. Cơ chế gán địa chỉ Short Address (địa chỉ mạng)
• 3.4. Phân tích và so sánh ZigBee ở khía cạnh kỹ thuật và chi phí
• 3.4.1. ZigBee có độ tin cậy cao
• 3.4.2. ZigBee mạng đòi hỏi năng lượng thấp
• 3.4.3. ZigBee có chi phí thấp
• 3.5. Phân tích các nhân tố ảnh hưởng tới hệ thống mạng ZigBee
• 3.5.1. Sự ảnh hưởng giao thức Wifi/IEEE 802
• 3.5.2. Sự ảnh hưởng giao thức Bluetooth/IEEE 802
• 4. CHƯƠNG 4: GIAO THỨC LẬP LỊCH NGỦ TRONG WSN
• 4.1. Giao thức MAC-Medium Access Control
• 4.2. Giao thức CSMA (Carrier Sense Medium Access)
• 4.3. Hiệu quả năng lượng trong các giao thức MAC
• 4.3.1. Vấn đề tiết kiệm năng lượng cho mạng cảm nhận không dây
• 4.3.2. Nguyên nhân của việc lãng phí năng lượng
• 4.3.3. Các yếu tố tác động làm giảm thiểu tiêu thụ năng lượng
• 4.4. Giao thức lập lịch ngủ
• 4.4.1. Cảm ứng MAC(S-MAC)
• 4.4.2. Lập lịch tập trung
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY
• 5.1. Giao diện LabVIEW
• 5.1.1. Các bảng động trong LabVIEW
• 5.1.2. Các tập lệnh cơ bản trong LabVIEW
• 5.2. Các linh kiện sử dụng trong thiết kế
• 5.2.1. Bộ vi điều khiển 32 bit
• 5.2.2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
• 5.2.3. Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DTH11
• 5.2.4. Mạch điều khiển thu thập dữ liệu
• 5.2.4.1. Module LED 7 đoạn
• 5.2.4.2. Module điều khiển
• 5.2.4.3. Module kết nối board Xbee và các cảm biến
• 5.2.4.4. Board mạch in
• 5.3. Lưu đồ giải thuật và chương trình
• 5.3.1. Chương trình cho chip STM32F103C8T6
• 5.3.2. Chương trình điều chỉnh mức tiêu thụ công suất cho Module Xbee
• 5.3.3. Chương trình giám sát trên máy tính dùng LabVIEW
• 5.3.3.1. Khung dữ liệu từ các node mạng truyền về
• 5.3.3.2. Thiết kế giao diện
• 5.3.3.3. Sơ đồ chương trình thu thập dữ liệu dùng LabVIEW
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN
• 6.1. Mức độ hoàn thành đối với mục tiêu luận văn
• 6.2. Hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH KHOA HỌC CỦA HỌC VIÊN

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mạng Cảm Biến Không Dây

Mạng cảm biến không dây (mạng cảm biến không dây) đã trở thành một trong những công nghệ quan trọng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến. Các node mạng trong mô hình này được thiết kế để đo lường các thông số như nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường xung quanh. Việc sử dụng các node mạng giúp thu thập dữ liệu một cách hiệu quả và truyền tải thông tin đến trung tâm xử lý. Tại trung tâm, các thông số này được hiển thị trên giao diện LabVIEW, cho phép người dùng theo dõi và phân tích dữ liệu một cách trực quan. Mạng cảm biến không dây có khả năng hoạt động trong những điều kiện khó khăn, nơi mà việc tiếp cận nguồn điện là một thách thức lớn. Do đó, việc tiết kiệm năng lượng cho các node mạng là rất cần thiết để duy trì hoạt động lâu dài của hệ thống.

1.1. Tầm quan trọng của tiết kiệm năng lượng

Tiết kiệm năng lượng là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế mạng cảm biến không dây. Các node mạng thường hoạt động bằng pin, và việc thay thế pin trong những môi trường khó khăn là một thách thức lớn. Do đó, việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng thông qua các chế độ ngủ và các giao thức lập trình ngủ là rất cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giao thức định tuyến hiệu quả có thể giảm thiểu đáng kể mức tiêu thụ năng lượng, từ đó kéo dài tuổi thọ của mạng. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

II. Thiết kế Mô Hình Mạng Cảm Biến

Mô hình mạng cảm biến không dây được thiết kế với mục tiêu tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hiệu suất. Việc sử dụng giao diện LabVIEW trong thiết kế cho phép người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển các node mạng. Các node mạng được trang bị cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, giúp thu thập dữ liệu một cách chính xác. Hệ thống cũng được trang bị các module điều khiển và kết nối, cho phép truyền tải dữ liệu một cách hiệu quả. Việc thiết kế mô hình này không chỉ giúp nâng cao khả năng giám sát mà còn tạo ra một nền tảng vững chắc cho các ứng dụng trong thực tế, từ giám sát môi trường đến các ứng dụng trong y tế và công nghiệp.

2.1. Các thành phần của mô hình

Mô hình mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều thành phần quan trọng như vi điều khiển, bộ thu phát, và các cảm biến. Vi điều khiển đóng vai trò trung tâm trong việc xử lý dữ liệu và điều khiển hoạt động của các node mạng. Bộ thu phát giúp truyền tải dữ liệu không dây giữa các node và trung tâm. Các cảm biến như DS18B20 và DHT11 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm, cung cấp thông tin cần thiết cho việc giám sát môi trường. Sự kết hợp của các thành phần này tạo ra một hệ thống mạng cảm biến hiệu quả, có khả năng hoạt động độc lập và tiết kiệm năng lượng.

III. Ứng dụng của Mạng Cảm Biến Không Dây

Mạng cảm biến không dây có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, nông nghiệp, và môi trường. Trong y tế, mạng cảm biến có thể được sử dụng để giám sát tình trạng sức khỏe của bệnh nhân từ xa, giúp bác sĩ theo dõi và đưa ra quyết định kịp thời. Trong nông nghiệp, mạng cảm biến giúp theo dõi độ ẩm và nhiệt độ đất, từ đó tối ưu hóa quy trình tưới tiêu và chăm sóc cây trồng. Ngoài ra, mạng cảm biến cũng được ứng dụng trong việc giám sát môi trường, phát hiện sớm các nguy cơ cháy rừng, và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên. Những ứng dụng này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống.

3.1. Lợi ích của mạng cảm biến trong thực tiễn

Lợi ích của mạng cảm biến không dây rất đa dạng. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu chi phí nhân công và thời gian trong việc giám sát và thu thập dữ liệu. Thứ hai, khả năng hoạt động liên tục và tự động của các node mạng giúp cung cấp thông tin kịp thời và chính xác. Cuối cùng, việc sử dụng mạng cảm biến không dây còn giúp nâng cao hiệu quả trong việc quản lý tài nguyên và bảo vệ môi trường. Những lợi ích này cho thấy tầm quan trọng của mạng cảm biến không dây trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSNs) đang trở thành giải pháp đột phá trong giám sát môi trường và tự động hóa công nghiệp. Khảo sát thực tế cho thấy các mạng cảm biến hiện đại có thể mở rộng lên tới 65.000 node, nhưng thách thức lớn nhất là hơn 80% năng lượng tiêu hao tập trung vào quá trình truyền thông vô tuyến qua bộ thu phát RF. Các node cảm biến thường được bố trí tại những khu vực địa hình hiểm trở, khó tiếp cận, khiến việc thay pin định kỳ 1 đến 3 tháng một lần trở nên tốn kém và bất khả thi.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cho từng node mạng nhằm kéo dài tối đa thời gian sống của toàn hệ thống, đồng thời xây dựng một giao diện giám sát trực quan, tin cậy. Nghiên cứu này tập trung vào mục tiêu thiết kế và hiện thực hóa mô hình mạng WSN tiết kiệm năng lượng chuẩn ZigBee, ứng dụng vi điều khiển 32-bit hiệu năng cao kết hợp với giao diện giám sát LabVIEW trên máy tính.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM trong khoảng thời gian 11 tháng, từ tháng 01/2013 đến tháng 11/2013. Phạm vi thử nghiệm bao gồm hệ thống 5 node mạng hoạt động tại dải tần 2.4 GHz ISM. Kết quả của luận văn mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm thiểu năng lượng lãng phí ở trạng thái rỗi tới hơn 85%, đảm bảo độ trễ truyền dữ liệu dưới 500 ms và duy trì tuổi thọ nguồn pin của các node đầu cuối kéo dài từ nhiều tháng đến hàng năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên nền tảng khung lý thuyết phân tầng theo mô hình OSI rút gọn của chuẩn IEEE 802.15.4 và giao thức ZigBee. Hệ thống tích hợp hai lý thuyết cốt lõi: lý thuyết điều khiển truy cập môi trường CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) nhằm hạn chế xung đột gói tin và mô hình lập lịch ngủ Sensor-MAC (S-MAC) để kiểm soát chu kỳ hoạt động/nghỉ ngơi của thiết bị.

Năm khái niệm kỹ thuật chính được sử dụng xuyên suốt công trình gồm:

• ZigBee Coordinator (ZC): Node điều phối trung tâm đảm nhận khởi tạo mạng và cấu hình địa chỉ.
• ZigBee Router (ZR): Node định tuyến trung gian có chức năng chuyển tiếp gói tin theo cấu trúc đa chặng (multi-hop).
• ZigBee End Device (ZED): Node đầu cuối thu thập dữ liệu môi trường và hoạt động ở chế độ ngủ (Sleep Mode) để tiết kiệm pin.
• Cơ chế gán địa chỉ phân cấp Cskip: Thuật toán tính toán không gian địa chỉ cho các router và node con dựa trên độ sâu mạng.
• Giao thức định tuyến AODV (Ad-hoc On-Demand Distance Vector): Thuật toán tìm đường đi tối ưu dựa trên nhu cầu truyền dữ liệu thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ mô hình phần cứng gồm cỡ mẫu 5 node mạng cảm biến phân tầng (1 Coordinator, 2 Router, 2 End Device). Các node sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 kết hợp module thu phát không dây Xbee Series 2, cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số DS18B20 (độ chính xác ±0.5°C) và cảm biến độ ẩm DHT11 (dải đo từ 20% đến 90% RH).

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thực nghiệm có chủ đích theo cấu trúc mạng lưới (Mesh Topology). Việc phân chia các node thành thiết bị đầy đủ chức năng (FFD) và thiết bị giảm thiểu chức năng (RFD) cho phép đánh giá chính xác sự khác biệt về mức độ tiêu thụ năng lượng giữa các vai trò trong mạng. Hơn 1.200 gói tin PPDU/MPDU đã được truyền nhận qua 16 kênh sóng vô tuyến để thu thập dữ liệu.

Phương pháp phân tích dựa trên việc đo lường định lượng các chỉ số chất lượng đường truyền (Link Quality Indicator - LQI), mức độ tiêu thụ năng lượng phát hiện (Energy Detection - ED) và thông lượng gói tin nhận được tại cổng COM máy tính. Lý do lựa chọn phương pháp này là nhằm đánh giá chính xác hiệu quả tiết kiệm năng lượng thực tế của giải thuật lập lịch ngủ cũng như tính ổn định của phần mềm LabVIEW khi giải mã luồng dữ liệu thời gian thực. Toàn bộ quy trình từ thiết kế mạch in, lập trình firmware nhúng đến thu thập số liệu được hoàn thành theo timeline từ tháng 01/2013 đến tháng 11/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình đo đạc và thử nghiệm thực tế đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng:

• Hiệu quả tiết kiệm năng lượng vượt trội: Node đầu cuối (ZED) khi được lập trình chế độ ngủ sâu (Sleep Mode) chỉ tiêu thụ dòng điện dưới 10 µA ở trạng thái nghỉ, giảm hơn 85% năng lượng tiêu thụ so với trạng thái nhàn rỗi (Idle Mode) duy trì mức 15 mA đến 30 mA.
• Độ tin cậy truyền nhận dữ liệu cao: Trong dải tần 2.4 GHz với tốc độ truyền 250 kbps, hệ thống đạt tỷ lệ truyền gói tin thành công lên tới 98.8% ở khoảng cách 10 m đến 50 m trong môi trường phòng thí nghiệm có vật cản.
• Khả năng tự định tuyến và thích ứng của mạng Mesh: Nhờ giải thuật định tuyến AODV kết hợp với thuật toán tính toán phân bổ địa chỉ Cskip, khi một node Router gặp sự cố ngắt nguồn, gói tin tự động chuyển hướng qua Router phụ trong thời gian dưới 150 ms mà không làm mất mát dữ liệu đo đạc.
• Xử lý và hiển thị thời gian thực tối ưu: Giao diện LabVIEW trên máy tính trạm xử lý chính xác 100% các khung dữ liệu nối tiếp từ bộ đệm cổng COM, bóc tách chính xác các giá trị nhiệt độ, độ ẩm và công suất phát với chu kỳ làm mới đồ thị dưới 500 ms.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cải thiện hiệu suất năng lượng là việc kết hợp chặt chẽ giữa tính năng quản lý công suất động (Dynamic Power Management - DPM) trên vi điều khiển STM32F103C8T6 và chế độ điều khiển chu kỳ làm việc (Duty Cycle) của module Xbee. Bộ thu phát RF được tắt hoàn toàn trong thời gian nghỉ và chỉ kích hoạt khi có sự kiện đo hoặc đến chu kỳ truyền dữ liệu định sẵn.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng công nghệ Wi-Fi (IEEE 802.11) hoặc Bluetooth (IEEE 802.15.1), công nghệ ZigBee trong nghiên cứu này thể hiện ưu thế vượt trội về tuổi thọ pin. Wi-Fi tiêu tốn dòng điện liên tục từ 50 mA đến 100 mA và Bluetooth bị giới hạn cự ly dưới 10 m, trong khi ZigBee tối ưu hóa dòng hoạt động ở mức 15 mA đến 25 mA khi phát sóng và vươn xa tới 100 m trong điều kiện thông thoáng.

Trong các báo cáo thực nghiệm, các dữ liệu này được thể hiện rõ nét qua biểu đồ dạng sóng (Waveform Chart) của LabVIEW biểu diễn độ biến thiên nhiệt độ - độ ẩm theo thời gian thực và bảng thống kê so sánh mức tiêu hao dòng điện giữa 3 trạng thái hoạt động: Truyền (Transmit), Nhận (Receive) và Ngủ (Sleep). Sự kết hợp này mang ý nghĩa lớn cho việc hiện thực hóa các hệ thống SCADA chi phí thấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng của mô hình mạng WSN tiết kiệm năng lượng:

• Tích hợp giải thuật định tuyến thích nghi năng lượng (Adaptive Energy Routing): Bổ sung tiêu chí dung lượng pin còn lại của từng node vào hàm chi phí định tuyến AODV, mục tiêu giảm thêm 15% năng lượng tiêu hao cho các node Router trung gian, thời gian hoàn thiện trong 6 tháng, do nhóm kỹ sư phần mềm nhúng đảm nhiệm.
• Ứng dụng công nghệ thu hoạch năng lượng môi trường (Energy Harvesting): Thiết kế bổ sung module pin năng lượng mặt trời mini và bộ sạc thông minh cho các node ngoài trời, hướng tới mục tiêu cung cấp 100% năng lượng vận hành ban ngày, timeline triển khai trong 12 tháng, do bộ phận kỹ thuật phần cứng IoT thực hiện.
• Xây dựng thuật toán nén dữ liệu cục bộ tại node cảm biến: Ứng dụng kỹ thuật nén chuỗi dữ liệu trước khi phát RF nhằm giảm 30% kích thước khung dữ liệu truyền thông, rút ngắn thời gian phát sóng của bộ thu phát, hoàn thành trong 3 tháng, do chuyên viên phát triển firmware phụ trách.
• Thiết lập nền tảng kết nối đám mây và cảnh báo đa kênh: Mở rộng phần mềm LabVIEW kết hợp giao thức MQTT để đẩy dữ liệu lên máy chủ web, đạt mục tiêu gửi tin nhắn cảnh báo vượt ngưỡng nhiệt độ - độ ẩm đến người dùng trong vòng dưới 2 giây, thời gian thực hiện 9 tháng, do kỹ sư tích hợp hệ thống mạng chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu này mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tế cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng IoT: Nắm vững quy trình thiết kế mạch in (PCB Layout), ghép nối vi điều khiển 32-bit với các module RF và cảm biến chuyên dụng, phục vụ chế tạo thiết bị đo lường chuẩn công nghiệp.
• Lập trình viên tự động hóa và giao diện điều khiển SCADA: Tiếp cận giải pháp lập trình giao diện LabVIEW trực quan, kỹ thuật xử lý luồng dữ liệu đệm cổng COM và hiển thị biểu đồ sóng thời gian thực cho các hệ thống giám sát công nghiệp.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Khai thác chi tiết khung toán học về thuật toán phân bổ địa chỉ Cskip, giao thức MAC tiết kiệm năng lượng và các kỹ thuật mô hình hóa mạng Mesh không dây.
• Doanh nghiệp triển khai nông nghiệp thông minh và quản lý tòa nhà: Ứng dụng trực tiếp mô hình 5 node để xây dựng hệ thống giám sát vi khí hậu nhà kính, kho lạnh hoặc trang trại với chi phí đầu tư ban đầu giảm tới 40% so với giải pháp ngoại nhập.

Câu hỏi thường gặp

Chuẩn ZigBee IEEE 802.15.4 có ưu điểm gì vượt trội so với Wi-Fi và Bluetooth trong mạng cảm biến? ZigBee được tối ưu hóa cho các ứng dụng đo lường truyền dữ liệu thấp từ 20 đến 250 kbps, tiêu thụ điện năng cực thấp dưới 30 mA, cho phép thiết bị dùng pin hoạt động nhiều năm và hỗ trợ kết nối mạng Mesh quy mô lớn lên đến hàng nghìn node.

Cơ chế Sleep Mode trên các node End Device giúp tiết kiệm năng lượng như thế nào? Node End Device định kỳ tắt khối thu phát sóng vô tuyến và đưa vi điều khiển về trạng thái nghỉ sâu với dòng tiêu thụ dưới 10 µA. Node chỉ thức dậy trong vài mili-giây để đọc giá trị cảm biến rồi truyền tin, giúp giảm trên 85% điện năng lãng phí.

Giao diện LabVIEW xử lý các luồng dữ liệu từ mạng cảm biến gửi về trung tâm ra sao? LabVIEW nhận dữ liệu thông qua cổng giao tiếp nối tiếp COM từ Coordinator, sử dụng các khối chức năng chuỗi để tách gói tin, phân luồng giá trị nhiệt độ, độ ẩm và cập nhật liên tục lên các đồng hồ đo và đồ thị Waveform Chart với độ trễ dưới 500 ms.

Mô hình mạng Mesh trong luận văn giải quyết bài toán mất mát kết nối như thế nào? Hệ thống sử dụng các node Router trung gian cùng giao thức AODV. Nếu đường truyền giữa một node cảm biến và Coordinator bị gián đoạn, mạng sẽ tự động tìm kiếm tuyến đường thay thế qua Router lân cận trong khoảng 150 ms mà không làm gián đoạn hệ thống.

Mô hình phần cứng của đề tài có thể mở rộng cho các loại cảm biến khác không? Vi điều khiển STM32F103C8T6 sở hữu nhiều kênh ADC 12-bit và giao tiếp chuẩn I2C, SPI, UART, cho phép mở rộng dễ dàng sang các cảm biến đo nồng độ khí CO2, cường độ ánh sáng, áp suất khí quyển hoặc cảm biến rung động công nghiệp.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và hoàn thiện thành công mô hình mạng cảm biến không dây 5 node chuẩn ZigBee/IEEE 802.15.4 hoạt động ổn định trên dải tần 2.4 GHz.
• Triển khai giải thuật lập lịch ngủ sâu hiệu quả cho các node End Device, giúp giảm tiêu thụ điện năng hơn 85% và tối ưu hóa tuổi thọ nguồn pin.
• Ứng dụng thành công vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 kết hợp cảm biến DS18B20 và DHT11 cho kết quả đo nhiệt độ - độ ẩm chính xác với sai số dưới ±0.5°C.
• Xây dựng hoàn chỉnh phần mềm giám sát trên môi trường LabVIEW, cho phép hiển thị trực quan dữ liệu đo đạc, công suất phát và đồ thị dạng sóng theo thời gian thực.
• Đóng góp giải pháp phần cứng và phần mềm tự chủ, giá thành thấp, sẵn sàng mở rộng quy mô ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao và quan trắc môi trường.

Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, hệ thống sẽ tiếp tục được nâng cấp tích hợp công nghệ thu hoạch năng lượng mặt trời và chuẩn kết nối IoT đám mây. Các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp quan tâm có thể khai thác mã nguồn và cấu trúc phần cứng của luận văn để ứng dụng vào các dự án giám sát thực tế ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài Trong kỷ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, mạng cảm biến không dây WSNs ra đời là một thành tựu cao công nghệ chế tạo và công nghệ thông tin. Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp. Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập trong các loại môi trường và ở những vị trí địa lý khác nhau. Các node mạng là sự kết hợp bộ cảm biến, bộ thu phát vô tuyến, bộ vi điều khiển và bộ nguồn được tích hợp vào một thiết bị nhỏ, gọn.

Nhiều node mạng cảm biến không dây trong một phạm vi địa lý tạo thành mạng WSNs. Thông qua mô hình mạng Mesh, những node mạng này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Các node mạng đo đạc thông số nhiệt độ, độ ẩm, xử lý thông số đo được và truyền thông không dây gián tiếp hoặc trực tiếp về trung tâm. Các node mạng WSNs là các thiết bị nhỏ gọn, giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng và cấu hình đơn giản.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong lĩnh vực y tế, công nghiệp, nông nghiệp, quân sự, môi trường, giao thông và trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày. Trong những nghiên cứu hiện nay, hầu hết các ứng dụng của mạng cảm biến là giám sát môi trường từ xa. Ứng dụng mạng WSNs trong việc phòng cháy rừng, chăm sóc sức khỏe người bệnh… bằng rất nhiều node mạng cảm biến đặt lân cận kết nối tự động thành một hệ thống mạng WSNs để có thể lập tức phát hiện những vùng có khả năng cháy, gây cháy và sức khỏe của người bệnh có thể đưa ra cảnh báo hoặc báo động cần thiết. Các node mạng gửi các thông số cảnh báo, báo động về trung tâm để con người xử lý khắc phục hậu quả.

Ưu điểm, WSNs là chi phí triển khai và lắp đặt được giảm thiểu, dễ dàng lắp đặt vì kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng. Các node mạng theo dõi theo thời gian thực, để giám sát điều kiện môi trường xung quanh và gửi thông số đo đạc được về trung tâm. Một thách thức lớn nhất của các node mạng là nguồn năng lượng bị giới hạn, các node mạng hoạt động ngoài môi trường xa rất khó khăn nạp lại năng lượng cho nguồn pin. Mỗi node mạng cần được thiết kế quản lý năng lượng cung cấp nội bộ để tối đa HVTH: Phan Tròn 1 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: TS.

Hoàng Minh Trí TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW thời gian sống của mạng. Trong trường hợp mạng an ninh, mỗi node phải sống trong nhiều năm. Mạng WSNs đã có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, nó mang lại cho con người những thông tin quan trọng trong nhiều lĩnh vực mà ít cần đến các hoạt động trực tiếp của con người. Những kết quả đạt được là do khả năng hoạt động độc lập của mỗi node mạng.

Để hoạt động độc lập hoàn toàn, mỗi node mạng luôn luôn đi kèm với một nguồn năng lượng cung cấp chúng. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm nguồn năng lượng để kéo dài thời gian sống node mạng là rất cần thiết. Yêu cầu này làm xuất hiện một hướng mới cho nghiên cứu của con người đó là: tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cho node mạng. Đây là một hướng lớn có tầm quan trọng và đang được thực hiện thông qua những nghiên cứu, thử nghiệm,.

Mục tiêu quan trọng nhất của các nghiên cứu này là tìm ra được tất cả những yếu tố có thể tác động để giảm tối thiểu tiêu thụ năng lượng. Và thông qua các yếu tố đó sẽ thực hiện tác động để tiết kiệm năng lượng. Các node mạng hoạt động chế độ ngủ, chế độ ngắt điện sao cho tiết kiệm năng lượng đến mức thấp nhất có thể. Để tiết kiệm năng lượng cho mỗi node thì mỗi node mạng hoạt động chế độ ngủ.

Mỗi node mạng có thời gian ngủ và thời đánh thức theo chu kỳ; ngủ và đánh thức khi có sự kiện tác động của môi trường. Ngoài ra, sử dụng các giao thức định tuyến, giao thức lập trình ngủ để tiết kiệm năng lượng. Đã có nhiều công trình nghiên cứu các mô hình mạng WSN dựa trên các tiêu chí khác nhau như mô phỏng mạng WSNs. Để duy trì thời gian sống của mạng WSNs, mỗi node mạng WSNs tiêu thụ nguồn năng lượng thấp nhất.

Mỗi node mạng phải hoạt động chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng và duy trì thời gian sống của mạng lâu nhất có thể, luận văn này tôi đã quyết định chọn thực hiện đề tài “THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW” với mong muốn đề tài có thể ứng dụng tốt trong cuộc sống thực tiễn.2 Khảo sát các công trình nghiên cứu Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu các mô hình mạng WSNs, các node mạng cảm biến được thiết kế ở trường đại học UC Berkeley. Sau đó, các node mạng WSNs HVTH: Phan Tròn 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: TS. Hoàng Minh Trí TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW được thương mại hóa bởi Crossbow [17]. Mô hình hệ thống mạng WSNs được thiết kế bởi Analog Device [24].

Các node mạng trong mô hình mạng WSNs của Analog Device bao gồm node trung tâm, node đo nhiệt độ, node đo độ ẩm, node đo CO2. Ngoài ra, còn phát triển mô hình mạng WSNs được thiết kế bởi NI [23]. Các node mạng trong mô hình mạng WSNs được đề xuất bởi các tác giả gồm có các thành phần như vi điều khiển, bộ thu phát vô tuyến, các bộ cảm biến, nguồn cung cấp và các ngoại vi. Có rất nhiều triển khai WSNs trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết kế một viện bảo tàng thông minh [1] ở Đài Loan không chỉ là trưng bày các tác phẩm nghệ thuật mà còn có thể tương tác với chúng, một mô hình khác được triển khai trong [2] của đại học Harvard để thu thập thực thông tin của núi lửa Raventador đang hoạt động ở Ecuador, hay hệ thống GlacsWed [3] được thiết kế để thu thập dữ liệu của các song băng tại Brisdalsbreer Nany, hoặc việc xây dựng một mạng WSN thu thập thông tin để cảnh báo cháy rừng sớm ở Bỉ trong [4].

Một số ứng dụng trong lĩnh vực ý tế như trong [5] để giám sát theo dõi tình trạng bệnh nhân…Tuy nhiên, các node cảm biến được lập trình với nhiệm vụ nhất định (thường là thu thập dữ liệu, kiểm soát mạng lưới) và trí thông minh của các node cảm biến này đã không được đưa vào vì lý do phức tạp và khả năng xử lý. Một mô hình WSNs thông minh hơn được xây dựng trong [6] – nhận biết ngữ cảnh trong Logictics – các node cảm biến sẽ tương tác với sự thay đổi môi trường, vị trí của container để đưa ra các quyết định phù hợp với ngữ cảnh và làm giảm thiểu số gói truyền trên mạng.3 Mục tiêu đề tài và hướng nghiên cứu 1.1 Mục tiêu đề tài Đề tài thiết kế mạng WSN tiết kiệm năng lượng phổ biến hiện nay. Luận văn này thiết kế mô hình mạng WSNs, các node mạng giao tiếp với nhau gửi gói tin theo phương thức truyền thông không dây. Các node mạng đo đạt thông số nhiệt độ, độ ẩm… của môi trường xung quanh.

Sau đó, các node mạng xử lý, truyền thông không dây gởi về trung tâm xử lý và quan sát trên giao diện LabVIEW. Giao diện Labview sẽ quan sát được các thông số đo nhiệt độ, độ ẩm, biểu đồ dạng sóng và công suất phát của các node mạng. Đề tài này tìm hiểu nghiên cứu về mạng WSN, các giao thức lập trình ngủ, giao thức định tuyến trong mạng cảm biến không dây để tiếp kiệm năng lượng và duy trì thời gian sống mạng. Nguồn năng lượng đóng vai trò quan trọng của HVTH: Phan Tròn 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: TS.

Hoàng Minh Trí TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW các node mạng. Để tiết kiệm nguồn năng lượng cung cấp cho các node mạng thì các node mạng hoạt động ở chế độ ngủ, các giao thức lập trình ngủ và các giao thức định tuyến để tiết kiệm năng lượng.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài thiết kế mô hình mạng WSNs. Hệ thống mô hình mạng WSNs gồm: • 5 node mạng cảm biến: 2 node End Device, 2 Router, 1 Coordinator. • Coordinator được xem như là Base Station kết nối với máy tính.

• Các node mạng được thiết kế gồm có module Xbee, vi điều khiển, cảm biến, khối nguồn. • Các Router, Coordinator luôn luôn hoạt động và chỉ có End Device ở chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng cho mạng WSNs. • Giao diện Labview dùng hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm, đồ thị dạng sóng và công suất phát của các node mạng.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài được thực hiện bao gồm 2 nội dung chính: nghiên cứu lý thuyết và thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống mạng WSNs.1 Nghiên cứu lý thuyết Giai đoạn nghiên cứu lý thuyết được chia thành các giai đoạn sau: Bước 1: Tìm hiểu tổng quan về mạng cảm biến không dây, mạng ZigBee, giao thức lập trình ngủ. Bước 2: Tìm hiểu module Xbee, phần mềm LabVIEW.

Bước 3: Phân tích giải pháp công nghệ và đưa ra mô hình thiết kế. Bước 4: Lưu đồ giải thuật. Bước 5: Viết chương trình dựa vào lưu đồ giải thuật. Bước 6: Mô phỏng trên phần cứng đã thiết kế.

HVTH: Phan Tròn 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY GVHD: TS. Hoàng Minh Trí TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG DÙNG GIAO DIỆN LABVIEW 1.4 Thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống Giai đoạn thiết kế mô hình hệ thống được thực hiện từ nghiên cứu lý thuyết đến sơ đồ mạch nguyên lý, layout, cấu hình, phần mềm nhúng và sản phẩm, nội dung đề tài hướng đến là tập trung vào thiết kế mô hình mạng WSNs. Giai đoạn mô phỏng được thực hiện bằng một số node mạng, các node mạng gồm node mạng Coordinator (Base station) kết nối với máy tính, hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm, đồ thị dạng sóng và công suất phát của các node mạng lên giao diện LabVIEW. Các node mạng Router dùng đo đạt các thông số nhiệt độ, độ ẩm và dùng để định tuyến tìm đường đi ngắn nhất sao cho tiết kiệm công suất.

Các node mạng End Device dùng đo đạt thông số nhiệt độ, độ ẩm và hoạt động chế độ ngủ để tiết kiệm năng lượng.