Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nghiên cứu xây dựng và phát triển mạng giám sát, điều khiển không dây sử

dụng giao thức zigbee/Miwi

Research and development wireless sensor network using zigbee/Miwi

protocol

Doãn Đạt Phước

Trường ĐHBK – Đại Học Đà Nẵng

e-Mail: phuocddat@gmail.com

Trần Thái Anh Âu

Khoa Điện, Trường ĐHBK – Đại Học Đà Nẵng

e-Mail: tranthaianhau2001@yahoo.com

Tóm tắt Hệ thống mạng giám sát và điều khiển không dây

hiện đang là một trong những chủ đề nghiên cứu nổi

bật vì có nhiều tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều

lĩnh vực như tự động hóa tòa nhà, nhà máy cũng như

các ứng dụng điều khiển quá trình. Bài báo này trình

bày nghiên cứu thiết kế một hệ thống giám sát và điều

khiển không dây điển hình sử dụng giao thức

Zigbee/Miwi phục vụ cho thí nghiệm cũng như quá

trình thương mại hóa sản phẩm. Trong đó, chú trọng

đến khả năng sinh mã tự động và cập nhật chương

trình tự động cho toàn bộ hệ thống, những tính năng

giúp ích rất nhiều trong quá trình phát triển cũng như

bảo dưỡng, nâng cấp hệ thống sau này.

Abstract Wirelss Sensor Networks is currently one of

emerging research topics as its potential applications

in building automation, factory automation and

process control systems. This paper presents a

framework to rapidly, flexibly implemeting a typical

wireless sensors networks using Zigbee/Miwi

protocol for laboratorial purpose as well as

commercial purpose. Automatd C-code generation

and network programming for the whole systems

which is very useful for developer is foscused.

1. Giới thiệu 1.1. Tổng quan

Mạng giám sát và điều khiển không dây đang là một

trong những hướng nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực

hệ thống nhúng. Cùng với sự ra đời của bộ tiêu chuẩn

truyền thông không dây IEEE 802.15.4, hàng loạt

giao thức mạng đã và đang được nghiên cứu, thiết kế

và phát triển. Các bộ giao thức mạng đa dạng từ quy

mô hệ thống, khả năng tương thích cho tới các yêu

cầu ứng dụng trong thực tế. Nếu như Zigbee được

đông đảo các nhà sản xuất hậu thuẫn vì tính tương

thích cao, quy mô hệ thống cực lớn (lên đếnkhoảng

65000 nút mạng) nhưng cần tốn phí bản quyền nếu

muốn thương mại hóa sản phẩm; thì Miwi, một giao

thức được phát triển bởi hãng Microchip một trong

những nhà sản xuất linh kiện điện tử lớn nhất của Mỹ

- Tuy giới hạn số lượng số nút mạng trong 1 hệ thống

(chỉ khoảng 8000 nút mạng) nhưng cung cấp các tính

năng tương đương Zigbee, đồng thời miễn phí khi

thương mại hóa. Tại Việt Nam, quá trình nghiên cứu

xây dựng và phát triển các hệ thống giám sát và điều

khiển không dây trong những năm gần đây đã bắt đầu.

Tuy nhiên, hiện vẫn còn nhiều hạn chế từ việc thiết kế

tổng thể hệ thống cho tới lập trình ứng dụng cho từng

nút mạng riêng biệt. Trong bài báo này, nhóm tác giả

trình bày một giải pháp thiết kế một hệ thống mạng

giám sát, điều khiển không dây sử dụng chuẩn

Zigbee/Miwi nhanh gọn, ít tốn kém, dễ phát triển

cũng như mở rộng, nâng cấp trong tương lai. Giải

pháp này có thể được sử dụng trong các phòng nghiên

cứu chuyên biệt về mạng giám sát, điều khiển không

dây cũng như cho các công ty chuyên thiết kế phát

triển hệ thống với mục tiêu đảm bảo khả năng đưa sản

phẩm ra thị trường một cách nhanh nhất, chi phí thiết

kế, phát triển, nâng cấp ở mức thấp và khả năng mở

rộng, nâng cấp cũng như bảo trì, bảo dưỡng dễ dàng.

1.2. Giới thiệu sơ bộ về mạng giám sát và điều

khiển không dây

Theo [1], một hệ thống mạng giám sát và điều khiển

không dây điển hình được mô tả như hình H.1.

Đây là cấu trúc mạng đa lớp với nhiều loại thiết bị nút

mạng khác nhau: nhóm thiết bị RFD (rút gọn tính

năng), nhóm thiết bị FFD (đầy đủ tính năng), nhóm

thiết bị bắc cầu giao tiếp (kết nối toàn bộ mạng giám

sát điều khiển không dây với hệ thống truyền thông

hiện có). Trong các nhóm thiết bị này, tùy vào chức

năng nhiệm vụ cụ thể, chúng sẽ được phân thành

nhiều loại khác nhau. Ví dụ theo [2], có nhóm thiết bị

điều khiển hoàn toàn, bán điều khiển, nhóm thiết bị cố

định, di động ...

2. Xây dựng mạng giám sát và điều khiển

không dây với giao thức Zigbee/Miwi 2.1. Thiết kế hệ thống

2.1.1. Thiết kế phần cứng

Kiến trúc phần cứng tổng thể của một nút mạng gồm

có 2 phần:

Đơn vị lõi (Core Unit): là đơn vị cơ bản của thiết

bị. Trong nhiều trường hợp, thiết bị điều phối

(điều phối trung tâm, điều phối viên) chỉ cần có

đơn vị này là có thể tiến hành thành lập mạng,

566

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

o H. 1 Mạng giám sát và điều khiển không dây điển hình.

PIC

18F46K20

MRF24J

40MA

MỞ

RỘNG

ANALOG

SPI

DIGITAL

S

A

MỞ

RỘNG

MODULE ĐƠN VỊ LÕI

DATA

STORAGE

H. 2 Sơ đồ khối phần cứng của thiết bị

điều phối mạng. Đơn vị lõi gồm: Vi điều khiển chính,

mô đun truyền thông RF, cổng mở rộng và bộ nhớ lưu

trữ.

Mô đun chức năng: là mô đun thực hiện chức

năng của thiết bị. Mô đun này có thể là hệ thống

các cảm biến, cơ cấu chấp hành hoặc các cổng

mở rộng cho đơn vị lõi. Mô đun có thể kết nối với

đơn vị lõi thông qua các cổng kết nối có sẵn như

analog, digital hoặc SPI, I2C. Trong môi trường

thí nghiệm, các khối mođun được thiết kế trên

bản mạch riêng để thuận lợi cho việc thử nghiệm.

Trong đề tài này, nhóm tác giả xây dựng thiết bị với

cấu trúc phần cứng như sau:

Đơn vị lõi: sử dụng vi điều khiển PIC18F46K20,

mô đun truyền thông RF MRF24J40MA, cổng

giao tiếp A/D với Port A, khối đèn LED, khối nút

bấm tương tác, cổng PWM/Digital (4 kênh), cổng

giao tiếp RS232.

Mô đun chức năng: cảm biến ánh sáng, cảm biến

nhiệt độ, khối nút bấm, mạch điều khiển động cơ

một chiều công suất nhỏ tích hợp sẵn encoder,…

2.1.1.1. Mô đun truyền thông không dây Microchip

MRF24J40MA

H. 3 Mô đun MRF24J40MA

Mô đun truyền thông MRF24J40MA sử dụng IC thu

phát RF MRF24J40 được phát triển bởi Microchip.

Mô đun này tương thích chuẩn IEEE 802.15.4, hỗ trợ

các giao thức ZigBee, Miwi, Miwi P2P. Mô đun này

tiêu tốn ít năng lượng: khi hoạt động ở 3.3V thì dòng

hoạt động là 19mA cho chế độ thu và 23mA khi phát,

chế độ ngủ chỉ tiêu tốn 2μA.

Tần số hoạt động: 2,405 – 2,46 GHz.

Tốc độ truyền dữ liệu: 250 kbps (tiêu chuẩn) –

625 kbps (kích hoạt)

Khoảng cách thu phát: 120m(lý tưởng), 50-70m

(thực tế, ngoài trời không có thiết bị gây nhiễu,

không vật cản trở), 20-30m (thực tế, trong nhà

nhiễu sóng wifi, sóng điện thoại không dây,

tường cản trở)

Độ nhạy tín hiệu: -95dBm.

Công suất phát: +0dBm.

Tích hợp lọc nhiễu, lọc khóa phá.

Tích hợp bộ ADC RSSI (cường độ tín hiệu).

Truy cập kênh CSMA-CA, tự động phản hồi tin

ACK.

Hỗ trợ CCA, quét mức năng lượng ED/RSSI.

Khả năng tái phát bức điện.

Mã hóa phần cứng AES-128.

2.1.1.2. Microchip PIC18F46K20

Vi điều khiển được sử dụng nạp chương trình nhúng

giao thức Miwi phải thoả mãn yêu cầu tối thiểu về bộ

nhớ chương trình (9-15KB) và bộ nhớ RAM (1KB)

của ứng dụng đồng thời phải tiết kiệm năng lượng.

Trong các dòng sản phẩm vi điều khiển của

Microchip thì chỉ có dòng nanoWatt XLP là dòng tiêu

thụ năng lượng ít (chế độ ngủ ở 1,8V dòng chỉ khoảng

567

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

100nA). Vi điều khiển này hoạt động ở mức điện áp

3,3V có các thông số cơ bản sau:

Bộ nhớ chương trình 64KB.

Bộ nhớ dữ liệu Data EEPROM 1KB.

Bộ nhớ RAM 3936 byte.

Hoạt động với xung xử lý từ 31KHz – 64MHz

(có kích hoạt vòng khóa pha PLL) cho tốc độ xử

lý 16MIPS tối đa.

Tiết kiệm năng lượng.

Ngoại vi đa dạng: EUSART, SPI, I2C, CCP,

ECCP, PWM, ADC 10bit…

2.1.2. Thiết kế phần mềm

2.1.2.1. Tổng quan

Thông thường, các nhà phát triển mạng giám sát điều

khiển không dây thường phát triển riêng lẻ từng nút

mạng hoặc từng nhóm nút mạng. Các chương trình

ứng dụng được lập trình bằng C hoặc nesC, rồi được

biên dịch, nạp thủ công lên từng thiết bị. Cách làm

này không những tốn thời gian, không hiệu quả mà

còn gây khó khăn cho việc bảo trì, nâng cấp toàn bộ

hệ thống trong tương lai vì một khi có lỗi phát sinh

trong hệ thống, nhà phát triển cần phải rà lại chương

trình của từng nút mạng một, thực hiện thao tác gỡ rối

rồi lặp lại công đoạn biên dịch, nạp thủ công lên các

thiết bị đó. Hệ thống càng nhiều nút mạng bao nhiêu

thì quá trình này càng gây mất thời gian và tốn kém

bấy nhiêu. Do đó, nhóm tác giả đã xây dựng chương

trình ứng dụng dựa trên bootloader và chương trình

chính nạp trên bộ nhớ flash ngoài máy. Lúc này ứng

dụng của thiết bị nút mạng được thực thi theo lưu đồ

hình 4. Hình bên trái là lưu đồ thực thi thông thường

của chương trình nạp trên vi điều khiển, hình bên phải

là lưu đồ thực thi khi có sử dụng chương trình mồi

khởi động. Chương trình mồi khởi động được nạp

cứng lên trên vi điều khiển trong khi chương trình

chính được chép vào bộ nhớ flash nằm ngoài, khi vi

điều khiển bắt đầu làm việc, nó sẽ thực thi chương

trình mồi khởi động để nạp chương trình chính vào bộ

nhớ để tự lập trình lại vi điều khiển, sau đó vi điều

khiển sẽ thực thi chương trình đã được nạp này.

H. 4 Lưu đồ thực thi chương trình: bên trái là ứng dụng

bình thường, bên phải là ứng dụng có sử dụng

chương trình nạp khởi động.

2.1.2.2. Chương trình sinh mã C tự động

Quy trình hoạt động của chương trình sinh mã C

tự động được mô tả như sau:

Thư viện chương trình: Bộ thư viện chương trình

là thư viện chứa trình điều khiển thiết bị ngoại vi,

các khai báo về phần cứng cũng như thư viện các

hàm cơ bản, mở rộng mà vi điều khiển hỗ trợ.

Các thủ tục hàm, khai báo biến luôn được khai

báo trước trong các tập tin header (.h), trong khi

phần mã thực thi được lưu giữ ở các tập tin .c.

Phân loại các nhóm thủ tục hàm, khai báo biến

như sau:

Nhóm cấu hình: gồm các khai báo về phần

cứng như tốc độ hoạt động của vi điều khiển,

loại thạch anh, các thông tin cấu hình, các thủ

tục khởi tạo cần thiết,…

Nhóm các thủ tục, hàm chức năng cơ bản:

như các phép tính CRC, checksum, định thời,

phép tính toán học, …

Nhóm giao tiếp truyền thông không dây:

chứa các khai báo, trình điều khiển môđun

không dây. Trong bài báo này, tác giả sử

dụng mô đun MRF24J40 của Microchip nên

thư viện được sử dụng ở đây là bộ giao thức

Miwi DE và Zigbee Stack được Microchip

phát triển.

Nhóm giao tiếp ngoại vi khác: chứa các hàm

thực thi SPI, EUSRAT, I2C, CANbus,

TCP/IP,…

Nhóm các thủ tục, hàm chức năng mở rộng:

chưa các thủ tục làm việc với bộ nhớ flash

ngoài, các cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ tạo

xung PWM, bộ ADC, các thủ tục nạp

firmware từ xa qua mạng không dây cho vi

điều khiển, …

Các thủ tục, hàm nêu trên luôn được tiền khai báo

trong các header của chương trình. Ngoài ra, trong

mỗi hàm, thủ tục luôn có các hook được tạo trước cho

việc gỡ lỗi. Khi bật chế độ gỡ lỗi, chương trình trong

các hook này sẽ được hoạt động, cung cấp thông tin

chi tiết về khối lệnh đang được thực thi.

Chương trình tạo mã C tự động: Chương trình tạo

mã tự động sẽ đọc các thông tin được khai báo

trong các header của thư viện chương trình ở trên,

sau đó tổ chức lại và tạo thành bộ cơ sở dữ liệu

tóm tắt đặc tả các hàm, thủ tục của thư viện. Các

bước để tiến hành tạo mã tự động như sau:

Khởi tạo hệ thống: khởi tạo thêm mẫu hoặc

khởi tạo mới như: lựa chọn giao thức mạng,

sơ đồ tổ chức mạng, kênh hoạt động, số

lượng các nút mạng, các nhóm nhút mạng,…

Cấu hình cho từng nhóm thiết bị trong mạng:

nhóm cảm biến, nhóm cơ cấu chấp hành,

nhóm trung gian,…

Cấu hình cho từng thiết bị riêng lẻ trong

mạng: nếu cần phải thiết lập cấu hình riêng lẻ

cho từng thiết bị nhất định trong mạng thì

người dùng có thể thiết lập tại khâu này.

Bổ sung mã tùy chỉnh: chương trình cho

phép người dùng thêm vào các đoạn mã tùy

chỉnh.

Tiến hành sinh mã tự động.

568

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Các tập tin

Header

Bộ dữ liệu thư viện

chương trình

Bảng mô tả tóm tắt các

hàm, ... thư viện chương

trình C

Chương trình Sinh mã

C tự động

Cấu hình Hệ

thống

Cấu hình Ứng dụng

cho các nhóm thiết

bị

Cấu hình cho từng

thiết bị

Các đoạn mã

bổ sung

- Khai báo phần cứng, biến, bộ nhớ...

- Các hàm cơ bản

- Bộ giao thức truyền thôg Zigbee Stack/ MiWi DE

- Bộ thư viện các chức năng ngoại vi

- Thư viện mở rộng

Sinh mã C cho

toàn hệ thốngBắt đầu

H. 5 Quy trình hoạt động của chương trình sinh mã C tự động.

2.3. Thử nghiệm

Trong quy mô phòng thí nghiệm, hệ thống được thiết

lập gồm 6 nút mạng sơ đồ hình mắt lưới. Cảm biến

khói, cảm biến nhiệt độ, vòi phun nước, thiết bị

GSM/GPRS, cảm biến phát hiện người là các môđun

chức năng được gắn trên các nút mạng. Thiết bị trung

tâm đóng được kết nối với máy tính thông qua cổng

RS232, ngoài cấu hình phần cứng tương tự các nút

mạng khác thì thiết bị này còn có bộ nhớ flash phụ là

8Mbits, dùng để lưu trữ chương trình thực thi của các

nhóm thiết bị trong mạng.

Kịch bản hoạt động:

Kịch bản 1: Ban đầu hệ thống đơn giản chỉ gồm

cảm biến khói, cảm biến nhiệt độ và vòi phun

nước. Khi cảm biến khói phát hiện được lượng

khói trong phòng cao hơn ngưỡng cho phép (giả

sử là ngưỡng 25ppm) thì lập tức phát tín hiệu báo

cháy thông qua còi và vòi phun nước tự động

được bật để dập tắt lửa. Kịch bản này sẽ hoạt

động tốt trong trường hợp phòng đó không có ai

hút thuốc, hoặc số lượng người hút thuốc rất ít

(vẫn đảm bảo ít hơn ngưỡng cho phép). Giả sử

nếu như căn phòng trên chứa đầy người hút

thuốc, nhiệt độ trong phòng cũng sẽ cao hơn mức

bình thường, lượng khói trong phòng cũng cao

hơn mức độ cho phép, rõ ràng ngay lập tức hệ

thống phát tín hiệu báo cháy và tiến hành phun

nước dập lửa.

Kịch bản 2: Hệ thống tiến hành nâng cấp được

lắp đặt thêm cảm biến phát hiện người, và thiết bị

GPRS/GSM. Lúc này, hệ thống hoạt động theo

một kịch bản khác: khi cảm biến phát hiện có

người trong phòng, thì lúc này ngưỡng cho phép

của cảm biến khói sẽ được tăng lên, trường hợp

căn phòng với nhiều người hút thuốc sẽ được hệ

thống hiểu là không phải tình trạng cháy nhưng

hệ thống đồng thời kích hoạt quạt hút để đẩy khói

thuốc ra ngoài. Nếu lượng khói vẫn tiếp tục vượt

quá ngưỡng cho phép, hệ thống lúc này mới phát

tín hiệu báo cháy và bật vòi phun nước chữa

cháy. Trong trường hợp phòng không có người,

hệ thống phát hiện có khói trong phòng thì lập tức

phát tín hiệu báo cháy, bật vòi phun nước và đồng

thời gửi cảnh báo qua GSM/GPRS đến địa chỉ đã

được thiết lập trước.

Hệ thống được thử nghiệm với giao thức Zigbee và

Miwi. Trong cả hai trường hợp, hệ thống đã vận hành

tốt, nhờ có khả năng nạp chương trình qua không dây

cho nên nhóm tác giả chỉ cần nạp chương trình lên

thiết bị trung tâm, từ đó thiết bị trung tâm nạp lên các

thiết bị tương ứng khác. Quá trình tự động nạp

chương trình không dây này thường mất từ 30-60

phút tùy thuộc vào môi trường và khoảng cách giữa

các nút mạng với nút mạng trung tâm.

H. 6 Giao diện chương trình giám sát.

569

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

3. Kết luận: Bài báo trình bày cách thức xây dựng nhanh chóng,

hiệu quả và tiết kiệm chi phí một hệ thống mạng giám

sát và điều khiển không dây hoàn chỉnh. Tuy chương

trình sinh mã tự động và chương trình giám sát còn ở

mức độ đơn giản, nhưng hứa hẹn tiềm năng ứng dụng

lớn khi được hoàn thiện sau này. Trong thời gian sắp

tới, nhóm tác giả sẽ cải tiến phương thức nạp không

dây để giảm thời gian cập nhật cho hệ thống, đồng

thời xây dựng bộ thư viện chuẩn cho các nền tảng

không dây sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4 khác như Z-

Stack của TI.

Tài liệu tham khảo [1] Daniel Sexton: SP100.11a Overview. ISA, 2007.

[2] Keith M. Martin and Maura Paterson: An

Application-Oriented Framework for Wireless

Sensor Network Key Establishment. Electron.

Notes Theor. Comput. Sci. 192, 2 (May 2008),

31-41.

[3] Gungor, V.C; Hancke, G.P.: Industrial Wireless

Sensor Networks: Challenges, Design

Principles, and Technical Approaches.

Industrial Electronics, IEEE Transactions on,

Oct 2009.

[4] Harish R, Dhananjay L., B.S. Prabhu and Rajit

Gadh: ReWINS: A Distributed Multi-RF Sensor

Control Network for Industrial Automation.

IEEE Wireless Telecommunication Symposium

WTS 2005.

Biography Thạc sĩ Trần Thái Anh Âu, Trường

Đại học Bách Khoa – Đại học Đà

Nẵng. Tốt nghiệp đại học ngành Tin

học Công nghiệp năm 2004 tại trường

Đại học Bách khoa Hà Nội. Nhận bằng

Thạc sĩ ngành Đo lường và Hệ thống

điều khiển năm 2007 trường Đại học

Bách khoa Hà Nội. Từ năm 2007 đến

nay: Cán bộ trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà

Nẵng.

Kỹ sư Doãn Đạt Phước sinh năm

1987. Tốt nghiệp đại học ngành Tự

động hóa năm 2011 tại trường Đại học

Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng. Hướng

nghiên cứu chính là thiết kế và thực

hiện các hệ thống đo lường, điều

khiển, các hệ thống nhúng ứng dụng

trong tự động hóa.

570