B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
--------------------------------------
LUN VĂN THC SĨ KHOA HC
NGHIÊN CU, NG DNG CÔNG NGH TRUYN TIN
BLUETOOTH TRONG THIT K MNG CM BIN
KHÔNG DÂY
NGÀNH : ĐO LƯỜNG VÀ CÁC H THNG ĐIU KHIN
LÊ MINH THÙY
Người hướng dn khoa hc : TS. NGUYN QUC CƯỜNG
Hà Ni 2008
Lun văn thc s khoa hc 1
Đo lường và các h thng điu khin
LI CAM ĐOAN
Đề tài lun văn ca em là "Nghiên cu, ng dng công ngh truyn tin
Bluetooth trong thiết kế mng cm biến không dây". Lun văn bao gm các
vn đề chính sau :
Nghiên cu v mng cm biến không dây và các ng dng
Nghiên cu v công ngh Bluetooth
Nghiên cu module Bluetooth ARF32 s dng vi mch LMX9820A
ca hãng National Semiconductor.
Thiết kế, chế to mng cm biến không dây (thiế
t kế kiến trúc mng,
chế to nút cm biến, b chuyn tiếp, nút điu khin). ng dng trong
mng cm biến nhit độ không dây vi đầu đo nhit độ là DS18B20, vi
điu khin ATMega32, Real-time clock DS1307, th nh MMC.
Thiết kế gói phn mm trên máy tính: quan sát, điu khin và giao tiếp
vi mng cm biến không dây.
Em xin cam đoan lun văn này do chính em làm dưới s
hướng dn ca TS.
Nguyn Quc Cường
Hà Ni ngày tháng năm 2008
Hc viên
Lê Minh Thu
Lun văn thc s khoa hc 2
Đo lường và các h thng điu khin
MC LC
PHN I CƠ S LÝ THUYT.......................................................................6
Chương I. Mng cm biến không dây........................................................... 6
I.1. Mng cm biến không dây và các đặc trưng cơ bn................................... 6
I.1.1. Mng cm biến không dây là gì?................................................. 7
I.1.2. Các đặc trưng cơ bn ca mng cm biến không dây ................ 8
I.1.3. Nhng yêu cu đối vi mt mng cm biến không dây............ 12
I.2. Cu trúc mng cm biến không dây .........................................................13
I.2.1. Cu trúc phn cng ca nút cm biến........................................ 13
I.2.2. Vn đề tiêu th năng lượng trong mng cm biến không dây... 17
I.2.2.1. Vic tiêu th năng lượng các trng thái hot động
khác nhau ........................................................................................ 18
I.2.2.2. Vic tiêu th năng lượng ca khi điu khin.................... 20
I.2.2.3. Vic tiêu th năng lượng ca b nh.................................. 22
I.2.2.4. Vic tiêu th năng lượng ca b truyn nhn sóng
vô tuyến...........................................................................................22
I.2.2.5. Vic tiêu th năng lượng ca các cm biến........................ 26
I.2.3. Các kiến trúc mng trong mng cm biến không dây ............... 26
I.2.3.1. Kiến trúc đơn bước (single-hop) ........................................ 27
I.2.3.2. Kiến trúc đa bước (Multi-hop)............................................28
I.2.3.3. Kiến trúc mng hn hp .....................................................29
I.3. Mt s dch v và giao thc truyn thông s dng trong mng cm biến
không dây ........................................................................................................ 30
I.3.1. Lp vt lý (Physical layer)......................................................... 30
I.3.2. Giao thc MAC (MAC protocol) ..............................................30
I.3.3. Vn đề đồng b thi gian...........................................................33
I.4. Các ng dng ca mng cm biến không dây.......................................... 34
Lun văn thc s khoa hc 3
Đo lường và các h thng điu khin
I.4.1. ng dng trong quân s ............................................................34
I.4.2. ng dng trong công nghip và dân dng ................................ 35
I.5. Các công ngh không dây trong mng cm biến không dây....................37
I.5.1. Công ngh Zigbee...................................................................... 37
I.5.2. Công ngh UWB........................................................................ 39
I.5.3. Công ngh Bluetooth ................................................................. 40
Chương II. Tng quan v công ngh Bluetooth ......................................... 41
II.1. Gii thiu v công ngh Bluetooth.......................................................... 41
II.1.1. Các đặc trưng cơ bn ca công ngh Bluetooth....................... 44
II.1.2. Cu trúc mt h thng Bluetooth ............................................. 46
II.1.3. K thut nhy tn trong công ngh Bluetooth .........................47
II.2. Mô hình các tng giao thc trong công ngh Bluetooth ......................... 50
II.2.1. Bluetooth radio......................................................................... 51
II.2.2. BaseBand.................................................................................. 52
II.2.3. Link Manager Protocol.............................................................54
II.2.4. Logical link control and adaption protocol (L2CAP) ..............54
II.2.5. Service Discovery Protocol......................................................55
II.2.6. RFCOMM Protocol.................................................................. 58
II.2.7. Host Controller Interface.......................................................... 59
II.3. Các chế độ hot động ca thiết b Bluetooth........................................... 60
II.3.1. Standby..................................................................................... 61
II.3.2. Active mode.............................................................................. 61
II.3.3. Sniff mode ................................................................................ 62
II.3.4. Hold mode ................................................................................ 62
II.3.5. Park mode................................................................................. 62
II.4. Các kiu địa ch ca thiết b Bluetooth.................................................... 64
II.5. Các kiến trúc mng ca Bluetooth .......................................................... 65
Lun văn thc s khoa hc 4
Đo lường và các h thng điu khin
II.5.1. Mng piconet............................................................................65
II.5.2. Mng Scatternet........................................................................67
II.5.3. Vn đề bo mt trong công ngh Bluetooth............................. 70
PHN II THIT K MNG CM BIN NHIT ĐỘ KHÔNG DÂY S
DNG CÔNG NGH BLUETOOTH......................................................... 73
Chương III. Thiết kế mng cm biến nhit độ không dây s dng công
ngh Bluetooth............................................................................................... 73
III.1. Tng quan h thng................................................................................74
III.2. Thiết lp mng cm biến........................................................................75
III.2.1. Thiết lp cu hình mng.......................................................... 77
III.2.2. Định tuyến thông tin ............................................................... 79
III.2.3. Qun lý năng lượng................................................................. 81
Chương IV. Chế to và th nghim mng cm biến nhit độ .................. 84
IV.1. Thiết kế phn cng................................................................................. 84
IV.1.1. Nút cm biến...........................................................................84
IV.1.2. Nút chuyn tiếp....................................................................... 86
IV.1.3. Nút điu khin.........................................................................87
IV.2. Mô hình mng th nghim.....................................................................88
IV.3. Kết qu th nghim................................................................................ 90
KT LUN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIN................................................... 93
TÀI LIU THAM KHO ............................................................................ 94
PH LC
Lun văn thc s khoa hc 1
Đo lường và các h thng điu khin
DANH MC HÌNH V
Hình I.1 Mô hình mt mng cm biến không dây ............................................ 8
Hình I.2 Liên kết gia các WSNs thông qua mng Internet........................... 10
Hình I.3 Kiến trúc mt WSN có các nút cm biến hai chế độ hot động.... 11
Hình I.4 Cu trúc ca mt nút cm biến ......................................................... 14
Hình I.5 Cu trúc chung ca b truyn-nhn (transceiver).............................16
Hình I.6 Quá trình chuyn trng thái hot động ca nút cm biến................. 19
Hình I.7 mi liên quan gia năng lượng tiêu th vi đin áp hot động và
xung nhp clock ca Intel StrongARM SA-1100............................................ 22
Hình I.8 Cu trúc mt khi truyn-nhn sóng vô tuyến ................................. 23
Hình I.9 Các liên kết trong mng cm biến đơn bước.................................... 27
Hình I.10 Mt liên kết trong mng cm biến đa bước (Multi-hop)................ 28
Hình I.11 Mng s dng nhiu thiết b ngun (Source) và nhiu thiết b
đích (Sink)....................................................................................................... 29
Hình I.12 H thng xác định v trí ca địch để bn ........................................ 35
Hình I.13 H thng xác định v trí và quĩ đạo di chuyn ca voi................... 36
Hình I.14 H thng cnh báo và phát hin cháy rng .................................... 37
Hình II.1 Cu trúc phn cng ca mt h thng Bluetooth............................ 46
Hình II.2 Các packets trên các kênh tn s và các khe thi gian khác nhau .. 48
Hình II.3 Ví d v vic truyn tin gia 1 Master và 2 Slaves......................... 49
Hình II.4 Mô hình phân lp ca chun Bluetooth .......................................... 51
Hình II.5 Ví d minh ho vic s dng các kiu liên kết ACL và SCO......... 53
Hình II.6 Định dng mt gói d liu được qui định và thc hin
lp Baseband ................................................................................................... 53
Hình II.7 : Mô t mt giao tiếp tìm kiếm dch v gia ch và t ................... 55
Hình II.8 : Các thành phn ca Bn ghi các dch v-Service Record............. 56
Hình II.9 : Các thành phn ca Service Attribute........................................... 56
Lun văn thc s khoa hc 2
Đo lường và các h thng điu khin
Hình II.10 Các quá trình để tiến đến trng thái kết ni (connection) ............. 60
Hình II.11: Cu trúc ca mt gói d liu (packet) trong chun Bluetooth..... 63
Hình II.12: Mô hình mng piconet..................................................................65
Hình II.13 Mô hình mng Scatternet .............................................................. 67
Hình II.14 : Slave trong piconet này làm Slave ca Piconet kia ....................69
Hình II.15 : Slave trong Piconet này tr thành Master trong Piconet kia....... 69
Hình III.1 Mô hình mng cm biến................................................................. 74
Hình III.2 Cu hình mng cm biến không dây.............................................. 75
Hình III.3 Ví d minh ha bng địa ch ca nút 3.2.2.1 trong mng.............. 77
Hình III.4 Lưu đồ thiết lp cu hình mng ..................................................... 78
Hình III.5 Lưu đồ truyn gói tin trong mng ..................................................80
Hình III.6 Lưu đồ hot động ca nút chuyn tiếp và nút cm biến ................ 81
Hình IV.1 Sơ đồ khi ca nút cm biến.......................................................... 84
Hình IV.2 Sơ đồ nguyên lý ca nút cm biến................................................. 86
Hình IV.3 Sơ đồ nguyên lý ca nút chuyn tiếp............................................. 87
Hình IV.4 Sơ đồ nguyên lý ca nút điu khin............................................... 88
Hình IV.5 Mô hình mng th nghim............................................................. 89
Hình IV.6 Giao din ca b thu thp trung tâm s dng công ngh Bluetooth
trên máy tính PC.............................................................................................. 90
Hình IV.7 nh chp thc tế mt nút cm biến............................................... 90
Hình IV.8 nh chp thc tế mt nút chuyn tiếp........................................... 91
Hình IV.9 nh chp thc tế mt nút điu khin............................................. 92
Lun văn thc s khoa hc 3
Đo lường và các h thng điu khin
M ĐẦU
Tng quan tình hình nghiên cu thuc lĩnh vc ca đề tài
Vi s phát trin ca không ngng ca công nghip vi mch s, truyn tin
không dây và công ngh MEMS (Micro-ElectroMechanical System), hin nay
trên thế gii bt đầu phát trin ng dng mng cm biến không dây (Wireless
sensors Networks). Vi công ngh này vic kết ni các thiết b đin t tr lên
đơn gin và linh hot. Do không b bó buc bi vn đề
đi dây dn, h thng
các sensor không dây cho phép người s dng d dàng thay đổi sơ đồ b trí
cm biến sao cho phù hp vi yêu cu ti tng thi đim khác nhau cũng như
trong khâu sa cha, bo trì.
Mt trong nhng công ngh được s dng hin nay trên thế trong mng cm
biến không dây đó là s dng công ngh Bluetooth. Đây là công ngh do hãng
Ericsson phát trin vào năm 1994 và sau đó
được rt nhiu hãng h tr vào
năm 1998 để tr thành chun Bluetooth (bao gm Ericsson, IBM, Intel,
Nokia, và Toshiba). Ban đầu công ngh Bluetooth được ng dng trong các
thiết b đa phương tin như máy tính, đin thoi di động, headphone,
speaker,... Tuy nhiên hin nay công ngh này đã bt đầu được tích hp vào
trong các thiết b đo nhit độ, độ m để lp đặt trong các phương tin giao
thông, ti nhng nơi mà vi
c đi dây dn là rt khó khăn. Hoc trong các thiết
b đo và điu khin các h thng đin, điu hòa không khí, đóng m ca s t
động khi tri mưa ...trong mô hình nhà thông minh (smart home) [1].
Trong nước đã có mt s nghiên cu s dng công ngh Bluetooth. Tuy nhiên
các ng dng này ch yếu là tìm hiu công ngh lp trình cho các thiết b di
động có s dng truyn tin Bluetooth, ví d như
đề tài “Lp trình ng dng
công ngh Bluetooth trên nn J2ME” ca tác gi Phan Võ Minh Duy ti Phân
vin công ngh thông tin ti thành ph H Chí Minh.
Lun văn thc s khoa hc 4
Đo lường và các h thng điu khin
Tính cp thiết ca đề tài
Cùng vi s tiến b không ngng ca khoa hc k thut, trong lĩnh vc đo
lường đã và đang xut hin nhiu thế h công ngh mi. Vic áp dng các
công ngh truyn tin không dây vào các h thng đo cm biến phân tán là mt
trong các hướng phát trin mi khi xây dng các h thng đo lường thông
minh. Vi công ngh không dây, vic l
p đặt các thiết b đo tr nên đơn gin,
vic sa cha cũng thun li hơn. Đặc bit trong mt s ng dng gii pháp
s dng truyn tin không dây t đầu đo v b điu khin trung tâm là la
chn ti ưu nht, khi mà vic ni dây tr nên quá khó khăn, phc tp [1] [3]
[9]: ví d trong các xe ô tô ch thc phm đông l
nh, thì vic ni dây t các
thiết b đo nhit độ không khí bên trong ngăn lnh v b điu khin trung tâm
rt khó khăn. Hay ti các bnh vin, vic theo dõi tình hình sc khe ca các
bnh nhân trong khi h vn có th di chuyn là vn đề hết sc khó khăn nếu
s dng các thiết b theo dõi có dây truyn thông tin thông thường. Trong
ngành chế to công nghip robot, vic ni dây các cm bi
ến đo ti các b
phn v b x trung tâm s tr nên phc tp nếu s lượng cm biến tăng.
Các công ngh không dây thông dng hin nay ch yếu là công ngh truyn
tin hng ngoi (IrDA), công ngh RFID (Radio Frequency Identification),
công ngh Bluetooth, công ngh Zigbee (IEEE 802.15.4), công ngh Wi-Fi
(IEEE 802.11) hay công ngh UWB (Ultra-Wideband). Trong các ng dng
khi khong cách truyn tin ngn và yêu cu tc độ truyn tin không cao thì
công ngh Bluetooth là mt la chn thích hp, nó cũng
được s dng và
phát trin trong các h thng mng cm biến không dây. Vic nghiên cu và
ng dng công ngh này trong các h thng đo lường là hướng nghiên cu
ng dng có nhiu trin vng. Vì vy, em chn đề tài “Nghiên cu, ng dng
công ngh truyn tin Bluetooth trong thiết kế mng cm biến không dây” vi
mc tiêu thiết kế, chế to mt mô hình mng cm biến không dây s d
ng
Lun văn thc s khoa hc 5
Đo lường và các h thng điu khin
công ngh Bluetooth có th ng dng trong vic đo và thu thp các đại lượng
đo lường, sn phm c th ca lun văn là mng cm biến nhit độ không
dây.
Lun văn bao gm hai phn chính:
Phn I:
là toàn b các nghiên cu lý thuyết để ng dng cho mc tiêu thiết kế
ca đề tài. Phn I được gói gn trong 2 chương.
- Chương I: Mng cm biến không dây trình bày mt cách chi tiết v các
kiến trúc mng, cu to phn cng và các dch v s dng trong mng cm
biến không dây cũng như nhng ng dng ca mng cm biến không dây.
- Chương II
: Tng quan v công ngh Bluetooth trình bày v<