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.

PHẦN KẾT LUẬN

Bản luận văn đã giới thiệu về bộ cảm biến cũng như một số đặc trưng cơ bản của nó như: hàm truyền, độ lớn tín hiệu vào, sai số và độ chính xác. Từ đó giới thiệu về một loại cảm biến áp suất sử dụng công nghệ MEMS. Các loại vi cảm biến có rất nhiều ứng dụng trong khoa học cũng như trong thực tế. Trong khoá luận này, chúng tôi khảo sát một ứng dụng của vi cảm biến áp suất mang lại rất nhiều lợi ích cho đời sống con người, đó là đầu đo áp suất - mức nước. Nhu cầu đo mực nước trong các ngành kinh tế quốc dân rất lớn, điển hình là các lĩnh vực như cấp nước đô thị, thuỷ lợi và phòng chống thiên tai. Thiết bị này có thể được sử dụng để đo mực nước ở các đô thị, các nhà máy nước, các cơ quan xử lý nước thải, và đặc biệt là nhu cầu đo mực nước của hệ thống tưới tiêu sông ngòi, hồ ao… nhằm quản lý tốt hơn nguồn nước quốc gia. Hiện nay, mỗi công trình thuỷ nông đều cần hàng chục đầu đo, thiết bị đo mực nước từ xa để phục vụ quy trình vận hành trạm bơm, đảm bảo đủ nước tưới tiêu cho vùng công tác rộng mà vẫn đảm bảo tiết kiệm điện, không lãng phí nước.

Loại đầu đo áp suất chúng tôi sử dụng thuộc loại vi cảm biến kiểu áp trở có độ nhạy và độ ổn định cao, với các đặc tính nổi bật là: dòng tiêu thụ nhỏ hơn 200mA, dải nhiệt độ làm việc từ -40 đến 125 độ C, dải tín hiệu lối ra của sensor bình thường có độ rộng từ 0.5 đến 4.5V, sensor có thể kết nối trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự - số hoặc có thể kết nối trực tiếp với vi điều khiển, có thể dễ dàng ghép nối với bộ chuyển đổi áp – dòng (với dải 0.4 đến 20mA) dùng cho mạch xử lý tín hiệu số.

Kết quả thực nghiệm đo điện thế lối ra của đầu đo khi tăng/giảm độ cao của cột nước cho thấy quan hệ giữa điện thế - mức nước là rất tuyến tính với độ phân giải của đầu đo là 1cm, độ nhạy cỡ 2mV/cm. Hệ thống làm việc chính xác và khá ổn định.

Để xử lý dữ liệu từ đầu đo, chúng tôi thực hiện việc truyền/nhận không dây qua hệ thống mạng cảm nhận không dây WSN. Trong bản luận văn này tôi cũng đã giới thiệu về WSN với một số ứng dụng điển hình của nó là: thu thập dữ liệu môi trường, giám sát an ninh và theo dõi đối tượng. Từ đó đưa ra các chỉ tiêu đánh giá hệ thống mạng cũng như đánh giá các nút mạng. Bên cạnh đó bản luận văn cũng giới thiệu vi điều khiển CC1010 của hãng Chipcon dùng để làm nút mạng cảm nhận không dây đáp ứng được các tiêu chí của nút mạng cảm nhận như: năng lượng tiêu thụ thấp, tính mềm dẻo, sức mạnh của nút mạng, tính bảo mật, tính truyền thông, khả năng tính toán và kích thước của nút mạng. Đây là vi điều khiển tương thích họ 8051 thông dụng, sử dụng ngôn ngữ lập trình C và chương trình biên dịch Keil uVision2.

Từ việc nghiên cứu về hệ thống mạng WSN sử dụng CC1010 đó chúng tôi đã tiến hành thực nghiệm ghép nối đầu đo áp suất - mức nước với nút mạng, xây dựng các bước để giao tiếp giữa vi điều khiển và vi cảm biến tương tự - đầu đo áp suất. Việc ghép nối giữa cảm biến tương tự và vi điều khiển CC1010 được thực hiện qua ba lối vào tương tự của CC1010, đó là các chân AD0, AD1 và AD2.

Bản luận văn cũng đã giới thiệu vể phần mềm nhúng cùng các yêu cầu, các bước để xây dựng một phần mềm nhúng cho nút mạng. Phần mềm nhúng cho vi điều khiển CC1010 sử dụng chương trình biên dịch Keil uVision2 – môi trường phát triển tích hơp IDE cho phép người sử dụng có thể soạn thảo chương trình, dịch và gỡ lỗi trên cùng một môi trường, và sử dụng bộ thư viện do hãng Chipcon cung cấp nhằm hỗ trợ cho việc xây dựng phần mềm được dễ dàng và nhanh chóng hơn. Bộ thư viện đó bao gồm: thư viện tiện ích chipcon CUL, thư viện phần cứng HAL, các file định nghĩa phần cứng HDF.

Việc thử nghiêm ghép nối đầu đo áp suất với nút mạng cảm nhận không dây được thực hiện từ một hệ thống mạng gồm hai nút mạng và mở rộng ra nhiều nút mạng. Kết quả thực nghiệm cho thấy nút mạng cảm nhận sử dụng vi điều khiển CC1010 đạt được một số tiêu chí cho nút mạng đã đề ra, đó là tiêu thụ mức năng lượng thấp, việc truyền nhận dữ liệu ổn định và tin cậy, không bị xung đột. Cũng từ kết quả trên cho thấy việc xây dựng một mạng cảm nhận không dây WSN bước đầu đã đạt được một số kết quả mang tính cơ bản, cho phép tiếp tục phát triển và đi sâu theo hướng đã xác lập. Việc theo dõi thông số môi trường trở nên dễ dàng và tiện lợi, người sử dụng chỉ cần ngồi tại một chỗ cũng có thể giám sát các thông số đó nhằm phục vụ cho công việc của mình cũng như cho đời sống con người.