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

1 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. 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1: ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƢỚC ................................................... 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 phƣơng 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 trƣng 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 CHƢƠNG 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 3 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 nƣớc. ......................... 48 2.4. Kết luận. ............................................................................................................ 49 CHƢƠNG 3: CHƢƠNG TRÌNH NHÚNG TRUYỀN/NHẬN THÔNG QUA NÚT MẠNG CƠ SỞ ......................................................................................................... 51 3.1. Giới thiệu về chƣơng 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. Chƣơng trình khảo sát quan hệ áp suất - độ cao cột nƣớc. ............................. 57 3.4. Kết luận. ............................................................................................................ 77 PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................. 78 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 83 4 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. 5 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. 6 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. 7 CHƢƠNG 1 ĐẦU ĐO ÁP SUẤT - MỨC NƢỚC 1.1. Giới thiệu về cảm biến. Đầu đo áp suất - mức nước là một loại vi cảm biến MEMS. Trước khi đi vào khảo sát các đặc tính của đầu đo này, tôi xin đưa ra một số đặc tính cơ bản của bộ cảm biến, từ đó sẽ hiểu được các đặc tính của đầu đo. 1.1.1. Khái niệm. Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… Các cảm biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Để điều khiển các quá trình thì ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các cảm biến thực hiện chức năng này chúng thu nhận, đáp ứng và kích thích, là “tai mắt” của các hợat động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Hay như trong từ điển bách khoa toàn thư Việt Nam thì: cảm biến là dụng cụ có thể cảm nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biến thiên của một đại lượng vật lý (ví dụ: nhiệt độ, áp suất tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh sang, âm thanh hoặc sóng vô tuyến, vv…) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thầp và xử lý thông tin. Trong mô tả mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó đầu vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x: x y kích thích đáp ứng Phương trình mô tả giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng: y = f(x) Bộ cảm biến 8 Trong các hệ thống đo lường - điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý dữ liệu thường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đồ hình 1.1, quá trình (đối tượng) được đặc trưng bởi các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận rồi đưa đến bộ xử lý. Đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống, bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. 1.1.2. Đặc trƣng cơ bản của bộ cảm biến. 1.1.2.1. Hàm truyền. Gọi x là tín hiệu kích thích, y là đáp ứng của bộ cảm biến. Hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, logarit, hàm luỹ thừa hay hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng: y = ax + b trong đó: a là hằng số, a bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không. b là độ nhạy. y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, y có thể là biên độ hoặc pha tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến. Quá trình (Các biến trạng thái) Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Chương trình Bộ vi xử lý Hình 1.1 Hệ thống tự động điều khiển qúa trình 9 Hàm truyền dạng logarit: y = 1 + blnx Dạng mũ: y = ae kx Dạng luỹ thừa: y = a0 + a1x k với k là hằng số. Các bộ cảm biến phi tuyến không được đặc trưng bởi các ham truyền kể trên đây mà ta phải dùng đến các hàm gần đúng bậc cao. Đối với hàm truyền phi tuyến thì độ nhạy b được định nghĩa theo biểu thức: dx xody b )(  Trong một số trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn. 1.1.2.2. Độ lớn của tín hiệu vào. Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. 1.1.2.3. Sai số và độ chính xác. Cũng như các ứng dụng đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) bộ cảm biến còn chịu nhiều tác động của bộ cảm biến gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính theo công thức: Δ% = 100. x x Có hai loại sai số thường dùng là: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên: 10 Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số này thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc do điều kiện sử dụng không tốt. Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện thay đổi theo số lần đo, có độ lớn và chiều không xác định. 1.1.3. Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối. Nhìn chung, cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đối tượng và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể bao gồm 4 khối như hình 1.2: Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ: điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu áp điện, photodiot, cầu điện trở, …). Tín hiệu từ khối này thường bị nhiễu, do có cần có các kĩ thuật xử lý tín hiệu như khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm thiểu những tác động của nhiễu. Trong trường hợp thu thập dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến có dạng nối tiếp hay song song. Chức năng này có thể nhận ra bởi bộ biến đổi tương tự - số hoặc tần số - số. Khối bus giao tiếp nối tất cả các dữ liệu nguồn với các nơi nhận, hệ thống bus điều khiển tất cả các dữ liệu truyền và được nối với một giao tiếp phù hợp mà cảm biến có thể gửi dữ liệu tới máy tính. Sơ đồ giao tiếp giữa cảm biến với vi điều khiển được thể hiện ở hình 1.3: Thành phần cảm nhận Xử lý tín hiệu Chuyển đổi A/D Bus giao tiếp Máy tính Hình 1.2. Cảm biến tích hợp 11 Có hai loại cảm biến cơ bản là cảm biến tương tự và cảm biến số. Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng dòng điện hay điện áp về vi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi mới đọc dữ liệu. Tín hiệu từ cảm biến truyền đi là tín hiệu tương tự rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Cảm biến số ngay bản thân nó đã thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi đưa giá trị đã chuyển đổi về vi điều khiển dưới dạng các xung thể hiện giá trị của cảm biến, Như vậy cảm biến số có ưu thế hơn cảm biến tương tự ở chỗ cảm biến số có khả năng chống nhiễu tốt hơn do nó sử dụng đường truyền số nên rất khó bị ảnh hưởng bởi nhiễu lúc truyền dữ liệu. Tuy nhiên trong khoá luận này chúng tôi lại chọn thử nghiệm với một loại đầu đo là cảm biến tương tự để thấy được những đặc tính của đầu đo cũng như của cảm biến tương tự ngày nay vẫn được sử dụng và phục vụ rất hữu ích cho đời sống con người. 1.2. Các phƣơng pháp đo áp suất. 1.2.1. Tồng quan về áp suất. Áp suất là đại lượng đặc trưng cho cường độ lực nén trung bình tác động theo phương vuông góc trên bề mặt vật thể, được xác định bằng tỉ số giữa lực phân bố đều và diện tích bề mặt bị tác động: P = S F Vi điều khiển Cảm biến GND Vcc DATA SCK Hình 1.3. Sơ đồ gi