Luận Văn Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây với phần mềm nhúng

TÓM TẮT NỘI DUNG CỦA KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Trong khoá luận này tôi đã nghiên cứu vể một loại đầu đo ứng dụng công nghệ vi
cảm biến tương tự, đó là dùng đầu đo áp suất để đo độ sâu của nước. Từ các đặc trưng
cơ bản của các bộ cảm biến nói chung cũng như của cảm biến áp suất nói riêng, bản
luận văn này đã đưa ra cấu trúc cùng nguyên lý hoạt động của đầu đo áp suất - mức
nước. Đó là một loại đầu đo thuộc loại cảm biến tương tự được chế tạo theo công nghệ
vi cảm biến áp suất kiểu áp điện trở có độ nhạy và độ ổn định cao.
Qua việc thực nghiệm đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng hoặc giảm độ sâu
của nước tôi đã rút ra được một số đặc trưng cơ bản của đầu đo là độ nhạy và độ tuyến
tính. Đầu đo này sử dụng module XFPM-200KPG của hãng Fujiura - Nhật, có độ phân
giải 1cm, độ nhạy của đầu đo cỡ 2mV/cm, đầu đo có thể đo được độ sâu của nước
khoảng 600cm.
Trong khoá luận này tôi cũng xin giới thiệu về một mạng cảm nhận không dây có
các nút mạng sử dụng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy. Từ việc
nghiên cứu các đặc tính của mạng, của nút mạng cảm nhận, chúng tôi đã xây dựng các
bước để ghép nối đầu đo áp suất với nút mạng đồng thời xây dựng một chương trình
nhúng truyền nhận không dây qua nút mạng cơ sở và tiến hành thực nghiệm việc
truyền nhận này qua một số nút mạng.

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 4

CHưƠNG 1: ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NưỚC . 6
1.1. Giới thiệu về cảm biến. . 7
1.1.1. Khái niệm. 7
1.1.2. Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến. . 8
1.1.2.1. Hàm truyền. . 8
1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào. . 9
1.1.2.3. Sai số và độ chính xác. . 9
1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối. 10
1.2. Các phương pháp đo áp suất. . 11
1.2.1. Tồng quan về áp suất. . 12
1.2.2. Nguyên tắc và các phương pháp đo áp suất. 13
1.2.3. Đầu đo áp suất - mức nước. 16
1.3. Khảo sát một số đặc trưng của đầu đo: độ nhạy, độ tuyến tính. 21
1.3.1. Dụng cụ thí nghiệm 21
1.3.2. Mục đích thí nghiệm. 22
1.3.3. Đo điện thế lối ra của đầu đo khi giảm độ cao của cột nước. . 22
1.3.4. Đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng độ cao của cột nước. 27
1.3.5. Kết luận. . 28

CHưƠNG 2: GHÉP NỐI ĐẦU ĐO VỚI NÚT MẠNG CẢM NHẬN KHÔNG
DÂY 30
2.1. Giới thiệu mạng cảm nhận không dây. 30
2.1.1. Các ứng dụng của mạng cảm nhận. . 30
2.1.2. Các chỉ tiêu hệ thống. . 32
2.1.3. Các chỉ tiêu nút mạng. 33
2.2. Giới thiệu về nút mạng. 35
2.2.1. Một số vi điều khiển có thể làm nút mạng cảm nhận. 35
2.2.2. Giới thiệu về vi điều khiển CC1010. . 36
2.2.2.1. Các đặc điểm chính. . 36
2.2.2.2. Cổng. . 36
2.2.2.3. Ngắt. 37
2.2.2.4. Biến đổi ADC. . 39
2.2.2.5. Bộ định thời. 39
2.2.2.6. Bộ thu phát không dây RF (RF transceiver). 40
2.2.2.6.1. Miêu tả chung. . 40
2.2.2.6.2. Mạch ứng dụng RF. . 42
2.2.2.6.3. Điều khiển bộ thu phát RF và quản lý năng lượng. 43
2.2.2.6.4. Điều chế dữ liệu và các chế độ dữ liệu. 44
2.2.2.6.5. Tốc độ Baud. . 44
2.2.2.6.6. Truyền và nhận dữ liệu. . 45
2.2.2.7. Module CC1010EM. 47
2.3. Ghép nối nút mạng CC1010 với đầu đo áp suất - mức nước. . 48
2.4. Kết luận. 49

CHưƠNG 3: CHưƠNG TRÌNH NHÚNG TRUYỀN/NHẬN THÔNG QUA NÚT
MẠNG CƠ SỞ . 51
3.1. Giới thiệu về chương trình nhúng. . 51
3.1.1. Tổng quan về phần mềm nhúng. . 51
3.1.2. Các bước xây dựng một phần mềm nhúng. . 52
3.2. Phần mềm nhúng viết cho CC1010. . 52
3.3. Chương trình khảo sát quan hệ áp suất - độ cao cột nước. . 57
3.4. Kết luận. 77

PHẦN KẾT LUẬN 78
PHỤ LỤC . 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 83

MỞ ĐẦU

Trong số các ngành công nghiệp khác nhau các cảm biến áp suất được ứng
dụng nhiều nhất trong nhiều lĩnh vực. Đó là vì trong các thiết bị cung cấp năng lượng
thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân cần phải đo và theo dõi áp suất một cách liên tục. Nếu áp
suất vượt ngưỡng cho phép sẽ gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đến cơ sở vật chất và
tính mạng con người. Chính vì vậy, cảm biến áp suất là rất quan trọng trong đời sống.
Trong y tế cũng có rất nhiều ứng dụng của cảm biến áp suất như dùng để đo
huyết áp, nhịp tim và đo nồng độ máu từ xa.
Trong khoá luận này chúng ta sẽ khảo sát một số đặc tính của một cảm biến áp
suất dùng để đo độ sâu của nước. Đây là loại cảm biến có rất nhiều ứng dụng và ý
nghĩa trong khoa học cũng như trong thực tế, chúng có thể dùng để đo liên tục suốt
ngày đêm và trong tự động hoá thì ngày càng có lợi. Đặc biệt ứng dụng trong theo dõi
diễn biến môi trường, thời tiết, ứng dụng trong thu thập thông tin và cảnh báo, thì
việc theo dõi được một cách liên tục sẽ rất có lợi, phục vụ đắc lực cho con người.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay có rất nhiều loại đầu
đo áp suất ra đời với những ưu thế vượt trội, ngày càng đáp ứng nhu cầu sử dụng của
đời sống. Các loại đầu đo này đạt được độ chính xác càng cao càng tốt, cỡ centimet
(cm), decimet (dm), thậm chí lên đến hang chục centimet, và chúng có độ tuyến tính
trên một dải rộng.
Để thu thập và xử lý các thông tin từ đầu đo áp suất thì cần phải kết nối đầu đo
với một số thiết bị khác có thể truyền/nhận, xử lý, tính toán các dữ liệu thông tin đó để
phục vụ cho những mục đích khác nhau của con người. Một trong các thiết bị đó là
mạng cảm nhận không dây (Wireless Sensor Network, viết tắt là WSN).
Một đặc điểm nổi bật của mạng cảm nhận không dây là sự kết hợp việc cảm
nhận, tính toán và truyền thông vào một thiết bị nhỏ. Thông qua mạng hình lưới,
những thiết bị này tạo ra một sự kết nối rộng lớn trong thế giới vật lý. Trong khi khả
năng của từng thiết bị là rất nhỏ, sự kết hợp hang trăm thiết bị như vậy yêu cầu phải có
công nghệ mới.
Thế mạnh của WSN là khả năng triển khai một số lượng lớn các thiết bị nhỏ có
thể tự thiết lập cấu hình hệ thống. Sử dụng những thiết bị này để theo dõi theo thời
gian thực, để giám sát điều kiện môi trường, để theo dõi cấu trúc hoặc hình dạng thiết
bị.
Hầu hết những ứng dụng của WSN là giám sát môi trường từ xa với tần số lấy
dữ liệu thấp.Chẳng hạn, có thể dễ dàng giám sát sự rò rỉ của một nhà máy hóa chất bời
hang trăm cảm biến tự động kết nối thành hệ thống mạng không dây để ngay lập tức
phát hiện và thông báo có sự rò rỉ. Không giống những hệ thống có dây truyền thống,
chi phí triển khai cho WSN được giảm thiểu. Thay vì hang ngàn mét dây dẫn thông
qua các ống dẫn bảo vệ, người lắp đặt chỉ việc đơn giản là đặt thiết bị nhỏ gọn vào nơi
cần thiết. Mạng có thể được mở rộng chỉ bằng cách đơn giản là thêm các thiết bị,
không cần các thao tác phức tạp như trong hệ thống mạng có dây. Hệ thống cũng có
khả năng hoạt động trong vài năm chỉ với một nguồn pin duy nhất.
Nhìn chung, khi nói đến mạng không dây thì người ta thương sẽ nghĩ đến các
thiết bị di động, PDA hay laptop. Đó là những thiết bị có giá thành cao, được ứng dụng
theo một mục đích cho trước, và dựa trên cơ sở hạ tầng đã có sẵn. Ngược lại, mạng
cảm nhận không dây lại sử dụng các thiết bị nhúng nhỏ, giá thành thấp cho các ứng
dụng đa dạng và không dựa trên bất kì cơ sở hạ tầng nào đã sẵn có từ trước. Không
giống các thiết bị không dây truyền thống, các nút mạng WSN không cần truyền trực
tiếp tới trạm gốc, mà chỉ cần truyền tới mạng gần nó, rồi lần lượt truyền vể trạm gốc
theo dạng truyền thông multihop.
Một thách thức cơ bản của WSN là đưa các ràng buộc khắt khe vào chỉ trong
một thiết bị đơn lẻ. Rất nhiều ràng buộc đối với các thiết bị được triển khai với số
lượng lớn cần có kích thước nhỏ và giá thành thấp. Kích thước giảm là điều chủ yếu
dẫn đến giá thành giảm cũng như khả năng cho phép được sử dụng trong một dải rộng
các ứng dụng.
Một khó khăn lớn của WSN là năng lượng tiêu thụ. Kích thước vật lý giảm thì
cũng làm giảm năng lượng tiêu thụ, các ràng buộc về năng lượng sẽ tạo nên những
giới hạn tính toán.
Bản luận văn “Ghép nối đầu đo áp suất cho nút mạng cảm nhận không dây
với phần mềm nhúng” sẽ giới thiệu về một loại vi cảm biến thuộc công nghệ MEMS
là đầu đo áp suất - mức nước, khảo sát một số đặc trưng của đầu đo như độ nhạy, độ
tuyến tính, khả năng làm việc Đồng thời bản luận văn này cũng khái quát hoá về
mạng cảm nhận không dây WSN và xây dựng một thử nghiệm mạng cảm nhận không
dây dùng vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon – Nauy.
Bản luận văn gồm 3 chương nội dung, phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ
lục và tài liệu tham khảo.
Chương 1: Đầu đo áp suất - mức nước sẽ tổng quát về đầu đo, các đặc trưng cơ
bản của cảm biến, đưa ra các phương pháp đo áp suất cùng các đặc trưng chính của
đầu đo.
Chương 2: Ghép nối đầu đo với nút mạng cảm nhận không dây. Chương này sẽ
giới thiệu qua về mạng cảm nhận không dây và nút mạng cơ sở dùng vi điều khiển
CC1010, đồng thời chỉ ra phương thức kết nối giữa đầu đo và nút mạng.
Chương 3: Chương trình nhúng truyền/ nhận thông qua nút mạng cơ sở.
Chương này giới thiệu về phần mềm nhúng, các bước xây dựng một phần mềm nhúng
và chương trình nhúng cụ thể dùng để ghép nối đầu đo cảm biến cho nút mạng không
dây cơ sở.
Phần kết luận tổng kết những công việc đã thực hiện và những kết quả đã đạt
được, đồng thời đề cập đến công việc và hướng nghiên cứu trong tương lai.
Để hoàn thành được khoá luận này là nhờ sự hướng dẫn tận tình của PGS
TS.Vương Đạo Vy, thuộc Khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ, Đại
học Quốc gia Hà Nội, người đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện
khoá luận. Tôi xin chân thành gửi tới thầy lời cảm ơn sâu sắc nhất.