Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------

VÕ THANH TÙNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP.Hồ Chí Minh 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------

VÕ THANH TÙNG

Mã số: 60.52.70

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: GS-TS. LÊ HÙNG LÂN

TP.Hồ Chí Minh 2014

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC

Họ và tên học viên: Võ Thanh Tùng Năm sinh: 1986

Cơ quan công tác : Công ty TNHH cơ khí - cân điện tử - tự động Tín Thành Tiến

Khoá: 20.1

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Mã số: 60.52.70

Cán bộ hƣớng dẫn: GS-TS. Lê Hùng Lân Bộ môn: Điều khiển học

1. Tên đề tài : Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công

nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet

2. Mục đích nghiên cứu của đề tài:

Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn Ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp

mạng không dây Zigbee ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện

qua giao diện Web server nhúng vào vi điều khiển AVR.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu và kết quả đạt đƣợc:

 Phương pháp nghiên cứu : nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP,

chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee và dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu

thiết kế hệ thống thực tế.

 Kết quả đạt được : dựa vào lý thuyết đã nghiên cứu đã áp dụng thiết kế

thành công hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò

khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR. Đề xuất các giải

pháp phát triển để có thể áp dụng mô hình đã thiết kế vào sản xuất và ứng dụng

phục vụ cuộc sống con ngƣời.

Điểm bình quân môn học: 7.08 Điểm bảo vệ luận văn:

Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn: Ngày 10 tháng 5 năm 2014

Học viên

Xác nhận của bộ môn:

GS.TS Lê Hùng Lân

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Võ Thanh Tùng

MỤC LỤC

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC ......................................................................I LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... V ............................................................................ VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. IX CHƢƠNG 1 - GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN ............................................... 1 1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện .................. 1 1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication)[15 ] .. 1 1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 .[ 2 ] .............................................. 2 1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ] .... 4 1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ] .............. 6 1.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Wifi [ 16 ] ...................................... 8 1.1.6 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Bluetooth [ 13 ] .............................. 9 1.1.7 Ƣu điểm của Zigbee [ 5 ] ................................................................. 11

1.2

............... 12 1.2.1 Giao thức TCP/IP [ 1 ] ..................................................................... 12 1.2.2 Công nghệ Ethernet [ 4 ] .................................................................. 23

1.3

........................................ 27 1.3.1 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN ..................................... 27 1.3.2 Thành phần của mạng LR-WPAN ................................................... 27 1.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 [ 8 ] ..................... 31

1.4 Kết luận chƣơng....................................................................................... 41 CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ........ 42 2.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ và báo cháy ................................................ 42 2.1.1 Khái quát .......................................................................................... 42 2.1.2 Nhiệm vụ .......................................................................................... 42 2.1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động ............................................... 42 2.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động ........................ 44 2.1.5 Khái niệm – nhiệm vụ của đầu báo cháy ......................................... 46

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

2.2 Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga ........................................................... 47

iii

2.3 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa ................................................ 48 2.3.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống ......................................................... 48 2.3.2 Kết cấu bản tin điều khiển ................................................................ 48 2.3.3 Kết cấu hệ thống............................................................................... 49

2.4 Hệ thống chống trộm .............................................................................. 49 2.5 Kết luận chƣơng ...................................................................................... 52 CHƢƠNG 3 - NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER ............................. 53 3.1 Mô hình hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ............................ 53 3.2 Giới thiệu về Arduino và trình biên dịch [ 10 ] .................................... 54 3.3 Giới thiệu về linh kiện và chức năng trong mô hình .......................... 57 3.3.1 Giới thiệu về IC ATMEGA 2560 [ 12 ] ........................................... 57 3.3.2 Giới thiệu về IC DS18B20 ............................................................... 61 3.3.3 Giới thiệu về IC ATMEGA 16 [ 12 ] ............................................... 66 .......................................................... 70 3.3.4 R ............................................................. 72 3.3.5 -2 .................................................... 75 3.3.6 3.3.7 ................................................. 77 3.3.8 Giới thiệu về IC W5100 [ 11 ] ......................................................... 78 .................................................. 83 3.3.9 3.3.10 ............................................. 86 3.3.11 Giới thiệu IC cảm biến dòng ACS712-20 ........................................ 87

CHƢƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER AVR .......................................................................... 90 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống ....................................................................... 90 4.2 Gới thiệu về chức năng trong mô hình ................................................. 93 g tâm ( ATmega2560 ) ....................................... 93 ................................................... 94 ................ 94 n Zigbee ............................................................ 94 ................................................... 94 ...................................................... 94 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

4.3 Giải thuật phần mềm .............................................................................. 94

........................................................... 94 4.3.1 ............................................................. 97 4.3.2 4.3.3 Giải thuật truy cập web server ......................................................... 97 4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều ................................................. 99 4.3.5 Giải thuật báo trộm : ...................................................................... 101 4.3.6 Giải thuật báo cháy: ....................................................................... 102

4.4

................................................. 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 106  Kết luận ................................................................................................... 106  Hạn chế .................................................................................................... 107  Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài ..................................................... 107 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 108

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 110

LỜI MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển vƣợt bậc của công

nghệ điện toán, các công nghệ mạng hữu tuyến và vô tuyến cũng phát triển không

ngừng và đƣợc chuẩn hóa liên tục để có thể đáp ứng các yêu cầu của ngƣời dùng

trong việc chia sẻ và quản lý thông tin một cách nhanh chóng, hiệu quả và đạt độ an

toàn cao . Sự phát triển của các thế hệ đo và điều khiển đi lên từ thế hệ cơ khí, điện,

điện tử vi mạch rời, sử dụng các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật xử

lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao. Các thiết bị hệ

thống đo điều khiển thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử đƣợc nhiễu

và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú. Sự phát triển này đã tạo ra

những ứng dụng phong phú thiết thực phục vụ cho sản xuất và đời sống con ngƣời.

Xuất phát từ nhu cầu thực tế ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để

phục vụ tối đa cho con ngƣời một cuộc sống tiện nghi - văn minh - hiện đại và an

toàn nên ý tƣởng nghiên cứu “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện

ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet” đã ra đời.

2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp

mạng không dây Zigbee 802.15.4 ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển

thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào

vi điều khiển AVR.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP, nghiên cứu chuẩn giao tiếp mạng

không dây Zigbee , nghiên cứu phƣơng án ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều

khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nhúng vào vi điều khiển AVR.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không

dây Zigbee , kế thừa phát triển dựa trên các nghiên cứu trƣớc trong và ngoài nƣớc ,

dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu áp dụng thiết kế mô hình hệ thống thực tế.

5. Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn đƣợc trình bày thông qua 4 chƣơng:

Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết

bị điện.

Chƣơng 2: Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện.

Chƣơng 3: Nghiên cứu phƣơng án thiết kế mô hình giám sát điều khiển thiết bị

điện từ xa qua thông qua giao diện web server.

Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

giao diện web server.

vii

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Acknowledgment Xác nhận Ack

AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp

ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ

CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập

CBC Cipher Block Chaining Thuật toán mã hóa khối Chaining

CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền

CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự do

CTR Counter Bộ đếm

Carrier Sense Multiple Access Phƣơng pháp tránh xung đột đa CSMA-CA Collision Avoidance truy cập nhờ cảm biến sóng mang

Dynamic Host Configuration DHCP Giao thức cấu hình động máy chủ Protocol

DNS Domain Name System Hệ thống tên miền

ED Energy Detection Năng lƣợng truyền

FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung

FFD Full Function Device Chức năng thiết bị đầy đủ

Giao thức điều khiển truyền tin trên ICMP Internet Control Message Protocol mạng

Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện và Điện Tử IEEE Electronic Engineers Mỹ

IP Internet Protocol Giao thức liên mạng

LAN Local Area Network Mạng cục bộ

LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lƣợng đƣờng truyền

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Điều khiển truy nhập môi trƣờng MAC Medium Access Control mạng

viii

MFR MAC Footer Cuối khung MAC

MHR MAC Header Đầu khung MAC

MIC Message Integrity Mã hóa tin nguyên vẹn

MPDU MAC Protocol Data Unit Giao thức dữ liệu MAC

NWK Network Layer Tầng mạng

PAN ID PAN identifier Chỉ số nhận dạng cá nhân

PHR PHY Header Chứa thông tin độ dài khung

PHY Physical Layer Tầng vật lý

PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý

PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY

QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ

Reverse Address Resolution RARP Giao thức phân giải ngƣợc địa chỉ Protocol

RFD Reduced Function Device Giảm chức năng thiết bị

RREQ Route Reply Packet Route trả lời packet

SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ

SHR Synchronization Header Đồng bộ hóa tiêu đề

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu

Giao diện nối tiếp với thiết bị ngoại SPI Serial Peripheral Interface vi

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền thông

Giao thức truyền nhận dữ liệu dƣới UDP User Datagram Protocol dạng các gói tin

WAN Wide Area Networks Mạng diện rộng

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số Tên bảng Trang hiệu

1.1 Tóm tắc các thông số chuẩn RS485 3

1.2 Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng 23

1.3 Băng tần và tốc độ dữ liệu 32

1.4 Kênh truyền và tần số 32

3.1 -2 77

3.2 Chức năng các chân GLCD 64*128 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu Tên hình vẽ Trang

1.1 Truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 4

1.2 Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN 5

1.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP 13

1.4 Cấu trúc gói dữ liệu TCP/IP 17

1.5 Cấu trúc gói tin IP 17

1.6 Cấu trúc gói tin TCP 19

1.7 Thiết lập kết nối TCP 22

1.8 Kết thúc kết nối TCP 22

1.9 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 25

1.10 Cấu trúc liên kết mạng 28

1.11 Cấu trúc mạng hình sao 28

1.12 Cấu trúc mạng mesh 29

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

1.13 Cấu trúc mạng hình cây 30

1.14 Mô hình giao thức của ZigBee 31

1.15 Băng tần hệ thống của Zigbee 32

1.16 Định dạng khung PPDU 34

1.17 Cấu trúc siêu khung 35

1.18 Định dạng khung MAC 37

1.19 Khung tin mã hóa tầng MAC 39

1.20 Khung tin mã hóa tầng mạng 40

2.1 48

Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa 2.2 49

Hệ thống chống trộm tiêu biểu 2.3 50

Cảm biến từ phát hiện mở cửa 2.4 51

Cảm biến chuyển động PIR 2.5 52

3.1 Mô hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa 53

3.2 Giao diện phần mềm Arduino IDE 56

3.3 Sơ đồ khối của ATmega2560 59

3.4 Sơ đồ chân ATmega2560 61

3.5 Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20 62

3.6 Nội dung dãy mã 64-bit trên bộ nhớ ROM 63

3.7 Sơ đồ khối vi điều khiển AVR 69

3.8 71

3.9 ân PCF8885 72

3.10 73

3.11 74

3.12 75

3.13 Sơ đồ cảm biến rò rỉ khí ga MQ2 76

3.14 78

3.15 78

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

3.16 Phƣơng pháp kết nối TCP 81

3.17 Phƣơng pháp kết nối trực tiếp 82

3.18 Phƣơng pháp kết nối gián tiếp 82

3.19 Phƣơng pháp kết nối SPI 83

3.20 GLCD 128x64 84

3.21 87

4.1 90

4.2 90

4.3 91

4.4 91

4.5 92

4.6 93

trung tâm 4.7 96

4.8 97

4.9 98

4.10 Thuật toán đo dòng điện xoay chiều 50 Hz 100

4.11 Thuật toán chế độ báo trộm 101

4.12 Thuật toán báo cháy 102

4.12 Thuật toán báo cháy 103

4.13 Kết quả ping tới web server AVR 104

4.14 105

4.15 105

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

4.16 Mô hình thực tế 106

CHƢƠNG 1- GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN

THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN

Trong chƣơng này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một công nghệ truyền thông

quản lý giám sát thiết bị điện từ xa. Ƣu điểm nổi bật của công nghệ Zigbee so

với các công nghệ khác. Tìm hiểu về mạng ethernet, giao thức TCP/IP, tổng

quan về mạng và giao thức của Zigbee.

1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện

1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication) [ 15 ]

 Hệ thống đo lƣờng, giám sát, điều khiển trên đƣờng dây điện lực

Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực là hệ

thống hỗ trợ đọc công tơ điện. Sau đó hệ thống này đƣợc phát triển bổ sung thêm

các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển. Từ chức năng ban đầu là tự động

đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát hoạt

động, cảnh báo và điều khiển đã đƣợc phát triển.

Ở Việt Nam hiện nay, ngƣời sử dụng internet gia đình có thể kết nối

thông qua đƣờng dây điện thoại (tốc độ chậm 56Kbps) hoặc qua ADSL (chi phí tuy

có giảm nhƣng vẫn ở mức cao). Vì thế, PLC sẽ có thể là 1 lựa chọn tốt vì những ƣu

điểm sau:

Cung cấp khả năng kết nối tới mạng truy nhập, đây là một tính năng

rất hấp dẫn của PLC.

Cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần

(1,7 - 30Mhz).

Tuy nhiên đứng về mặt đƣờng truyền thì đƣờng dây điện không phải

đƣợc thiết kế để truyền tải thông tin vì vậy kỹ thuật PLC ra đời chính là để giải

quyết vấn đề này.

Hiện nay, PLC chia làm hai lớp chính PLIC và PLOCcheettitPLIC

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

(Powerline Indoor Telecoms)

Đây chính là công nghệ PLC để sử dụng trong nhà, tức là chúng ta có

thể sử dụng mạng điện lƣới trong nhà để thiết lập một mạng trao đổi thông tin giữa

các thiết bị dùng trong nhà với nhau.

PLOC (Powerline Ourdoor Telecoms)

Đây là kỹ thuật PLC sử dụng để trao đổi thông tin giữa các trạm điện với

nhau và với mạng gia đình. BPL chính là ứng dụng của PLOC có khả năng cung

cấp cho ngƣời sử dụng khả năng truy cập Internet băng rộng với tốc độ vƣợt trội so

với ADSL (40Mbps).

Phân chia tần số

Theo tiêu chuẩn của châu Âu năm 1991(EN 50065-1 standard) xác định

chuẩn tín hiệu trên đƣờng hạ thế nằm trong khoảng từ 3Khz tới 148,5Khz (băng tần

không cần đăng ký). Trong băng tần này đƣợc chia thành 5 băng con. Trong đó, hai

băng đầu 3 - 9 và 9 - 95Khz là dành cho nhà cung cấp điện lực và ba băng còn lại

dành cho khách hàng. Băng A, sóng mang có thể từ 9Khz tới 95Khz dùng cho việc

trao đổi thông tin giữa khách hàng và nhà cung cấp. Băng C đƣợc dùng cho khách

hàng sử dụng các giao thức truy nhập, băng B cũng đƣợc dùng cho khách hàng tuy

nhiên không có giao thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do.

Các hệ thống PLC hoạt động ở dải tần đến 30MHz đƣợc xem xét nhƣ là hệ thống

PLC băng rộng.

1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 .[ 2 ]

Chuẩn RS485 đƣợc hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa.

Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm

thu phát trên cùng một đƣờng truyền tốc độ có thể lên tới 11.520.000 baud cho

khoảng cách là 4000 feet (1200m).Với kiểu truyền cân bằng và các dây đƣợc xoắn

lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra thì 2 dây nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện

áp sai lệch giữa 2 dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn thu đƣợc tín hiệu

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu.

Bảng 1.1. Tóm tắc các thông số chuẩn RS485

Thông số

Điều kiện

Áp ngõ ra điều khiển khi hở mạch

Min 1.5 -1.5

Max 6 -6

Đơn vị V V

Áp ngõ ra điều khiển khi có tải

RL=100Ω

1.5 -1.5

5 -5

V V

Dòng ngắn mạch ngõ ra điều khiển

±250

1 ngõ ra nối với điểm chung

Thời gian cạnh lên ngõ ra điều khiển

% độ rộng bit

RL=54Ω CL=50pF

Áp kiểu chung điều khiển

±3

RL=54Ω

Ngƣỡng nhạy thu vào

±200

-7V≤VCM≤12V

-7

Phạm vi áp kiểu chung thu vào

Tổng trở ngõ vào phía thu

kΩ

 Một số vấn đề liên quan đến RS485

Truyền dẫn cân bằng

Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A,B nhƣng không có

dây mass..Sở dĩ đƣợc gọi là cân bằng do tín hiệu trên 2 dây A,B ngƣợc mức logic.

Mức tín hiệu

Với hai dây A,B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL đƣợc quy định

VAB > ± 200mV. Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB <

200mV thì tín hiệu lúc này đƣợc xem rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây

tín hiệu so với mass bên thu phải nằm trong khoảng -7V đến +12V.

Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn

Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1

trở kháng đặc tính (Characteristic impedence-Zo), điều này thƣờng đƣợc chỉ rõ bởi

nhà sản xuất. Theo nhƣ khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đƣờng dây vào

khoảng từ 100 - 120Ω nhƣng không phải lúc nào cũng đúng nhƣ vậy.

Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor ) là điện trở đặt tại 2 điểm tận

cùng kết thúc của đƣờng truyền. Giá trị của điện trở đầu cuối lí tƣởng là bằng giá trị

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

trở kháng của dây xoắn thƣờng khoảng 100 – 120 Ω.

Cách thức truyền mã ASCII theo chuẩn RS 485

1. Truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485

Bình thƣờng đƣờng truyền rãnh ( Idle line ) sẽ ở mức cao, VAB > 200mV. Tín

hiệu TX Control cho phép phát tín hiệu đi . Mỗi bít tín hiệu TXD phát đi sẽ đƣợc biểu

diễn tƣơng ứng với dạng tín hiệu VAB theo chuẩn RS485. Bít 1 tƣơng ứng với VAB

dƣơng, bít 0 tƣơng ứng với VAB âm. Sau khi phát đi đủ 10 bít thì đƣờng truyền lại lên

mức cao báo hiệu trạng thái rãnh của đƣờng truyền.

1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ]

 CAN ( Controller Area Network : Mạng điều khiển khu vực) là giao thức

giao tiếp có khung truyền dữ liệu lớn với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống

nhiễu cực kỳ tốt. CAN đƣợc phát triển đầu tiên bởi nhà cung cấp phụ tùng xe ô tô

của Đức (Robert Bosch) vào giữa những năm 80. Nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày

càng nhiều của khách hàng trong vấn đề an toàn, tiện nghi bên cạnh đó để tuân theo

yêu cầu việc giảm bớt ô nhiễm và tiêu thụ năng lƣợng.

 Ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhiều hệ thống điện tử nhƣ : hệ

thống chống trƣợt bánh xe, bộ điều khiển động cơ, bộ điều hòa nhiệt độ, bộ đóng

cửa …với mục đích chính là làm cho những hệ thống của ô tô trở nên an toàn, ổn

định và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn giản

hóa hệ thống, tiết kiệm chi phí sản xuất thì CAN đã đƣợc phát triển.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

 Ngày nay, CAN đã đƣợc chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO118989 ; và từ

năm 1991, CAN có chuẩn phát triển cuối cùng là Version 2.0 ( gồm : Version 2.0A

và Version 2.0B ) hầu nhƣ mọi nhà sản xuất chíp lớn nhƣ : Intel, NEC, Siemens,

Motorola, Maxim IC, Fairchild, Microchip, Philip, Texas Intrument, Tmicro…..đều

sản xuất rachip CAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành ngoại vi ( Peripheral ) của vi

điều khiển. Do đó việc thực hiện chuẩn CAN trở nên cực kỳ đơn giản, rút ngắn thời

gian thiết kế và chi phí thực hiện rẻ.

 Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn (Reliability

and Safety) nhờ cơ chế truy cập chống xung đột đƣờng truyền khá thông minh :

CSMD (Carrier sense Multiple Access/ Collision Detecsion ) và cơ chế phát hiện ,

xử lý lỗi cực mạnh, nên tất cả lỗi hầu nhƣ đƣợc phát hiện. Theo thống kê, xác xuất

để một khung truyền của CAN bị lỗi mà không đƣợc phát hiện

Hình 1.2. Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN

Nghĩa là : giả sử 0.7 giây môi trƣờng tác động lên đƣờng truyền CAN làm lỗi

1 bit dữ liệu tốc độ truyền 500kbit/s hoạt động 8h/ ngày và 365 ngày/năm thì trung

bình 1000 năm có một khung truyền bị lỗi mà không đƣợc phát hiện.

 Mạng CAN thuộc hệ thống dựa vào bức điện ( adress base system )

Những hệ thống dựa vào địa chỉ thì mỗi nốt mạng đƣợc gán một địa chỉ

nhất định nên khi có thêm hay bớt một nhóm nốt trong hệ thống buộc phải thiết kế

lại tốn thời gian và chi phí.

Những hệ thống dựa vào bức điện sẽ có tính mở hơn vì mỗi loại bức điện

( Message ) sẽ đƣợc gán một số căn cƣớc. Khi thêm bớt một nốt hay nhóm nốt cũng

không làm ảnh hƣởng đến cả hệ thống. Có thể có nhiều nốt cùng nhận bức điện và

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

cùng thực hiện tác vụ ( task ) hay thực hiện những công việc khác nhau, hoặc cũng có

thể không làm gì cả…Do đó, hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có

tính mở và linh hoạt dễ dàng thay đổi mà không thiết kế lại hệ thống.

Ngoài ra CAN còn dùng để truyền dữ liệu lớn (Trong khung truyền có

thể chứa 0 đến 8 byte dữ liệu ) có tốc độ tƣơng đối cao ( 1Mbyte o khoảng cách

40 m ) ổn định đáp ứng thời gian thực trong nhiều môi trƣờng khác nhau.

Các chuẩn Fieldbus : DeviceNet, CAN open, J1939….thƣờng dùng trong

công nghiệp là chuẩn CAN mở rộng ( lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu của các chuẩn

này là CAN ).

Đó là tất cả lý do CAN đƣợc mở rộng trong nhiều ngành công nghiệp

khác ngoài ngành ô tô : máy công nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa , dây chuyền sản

xuất tự động …và trở thành giao thức giao tiếp phổ biến.

1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ]

 Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít

năng lƣợng, chi phí thấp và là giao thức mạng không dây hƣớng tới các ứng dụng

điều khiển từ xa và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với

chuẩn tốc độ thấp đƣợc một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE

quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của

công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lƣợng nhỏ và

công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà

không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin nhƣ Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee

có thể dùng đƣợc trong các mạng mắt lƣới (mesh network) rộng hơn là sử dụng

công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ

dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trƣờng truyền và mức

công suất phát đƣợc yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải

tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần

868MHz(Châu Âu).

 Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để

chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu).

Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng

đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng

các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhƣng vẫn theo

một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau đƣợc mà không tƣơng tác lẫn nhau.

 Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng

vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau

(mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phƣơng pháp định tuyến đƣợc

thiết kế sao cho năng lƣợng đƣợc bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức

thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed

time slots) . Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu đƣợc sự

hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm

vụ đặc trƣng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lƣợng của đƣờng truyền (LQI)

và năng lƣợng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng

chung sống với các loại mạng không dây khác.

 Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản

nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này

đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động nhƣ một bộ điều phối

mạng PAN. Ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế

có tên là RFD (reduced-function device). Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD,

thiết bị này hoạt động nhƣ một bộ điều phối mạng PAN.

 FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái : là điều phối viên của toàn mạng

PAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con hoặc đơn

giản chỉ là một thành viên trong mạng. RFD đƣợc dùng cho các ứng dụng đơn giản,

không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

1.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Wifi [ 16 ]

 Đôi nét về sự ra đời và phát triển của công nghệ Wifi

WiFi đƣợc nhiều ngƣời cho rằng là viết tắt của Wireless-Fidelity. Tuy nhiên

không phải mọi ngƣời điều đồng ý về điều đó. Wifi là tên viết ngắn gọn thƣờng

dùng để chỉ công nghệ IEEE 802.11. Các dự án của IEEE đƣợc chia ra làm nhiều dự

án nhỏ hơn cho những nhóm làm việc độc lập phát triển và nghiên cứu các chuẩn,

những vấn đề cần thiết, những lỗi xảy ra. Một trong những dự án nhỏ của dự án 802

là dự án IEEE 802.3 là nhóm làm việc tạo ra chuẩn hóa cho Ethernet. 802.4 là nhóm

làm việc nhằm tạo ra chuẩn Token Bus và nhóm 802.11 nhằm tạo ra chuẩn hóa cho

Wireless LAN ( Local Area Network ). Số hiệu đƣợc gán cho mỗi nhóm đƣợc đặt

tên không theo thứ tự nào cả.

Dự án phát triển mạng nội bộ không dây WLAN ( Wireless Local Area

Network ) đƣợc bắt đầu năm 1990. Mục đích của dự án này là nhằm xây dựng một

cách thức kết nối không dây giữa những thiết bị ( station ) cố định hoặc di động mà

đòi hỏi sự thiết lập nhanh chóng trong một khu vực cục bộ bằng cách sử dụng

những bang tần khác nhau. Vào năm 2001, chuẩn quốc tế đầu tiên về mạng 802.11

đã đƣợc công bố.

 Các chuẩn WLAN hiện nay :

IEEE 802.11 : là chuẩn gốc của WLAN và là chuẩn có tốc độ thấp nhất

trong cả hai kỹ thuật dựa trên tần số radio và tần số ánh sáng.

IEEE 802.11b : có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn chuẩn này đƣợc gọi

là Wifi bởi tổ chức Wireless Ethernet Compatibilyti Alliance ( WECA ). Tốc độ dự

liệu lý thuyết là 11Mbps ( Megabit per second ). Trên thực tế tốc độ lớn nhất có thể

đạt là 6 Mbps với vùng phủ sóng tầm 300m trong môi trƣờng không vật cản (

outdoor). Băng tần sử dụng là 2,4 GHz(cùng bang tần với Bluetooth và microwave).

IEEE 802.11a : có tốc độ truyền cao hơn 802.11b ( 54 Mbps lý thuyết

và tầm 30 Mbps lớn nhất có thể trong thực tế ) nhƣng không có tính tƣơng thích

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

ngƣợc và sử dụng tần số 5GHz

IEEE 802.11g : là chuẩn dựa trên chuẩn 802.11 có tốc độ truyền ngang

với 802.11a, có khả năng tƣơng thích với 802.11b. Chuẩn này hoạt động trên tầng

số 2.4GHz.

IEEE 802.11n :chuẩn này sử dụng MIMO-OFDM để tăng tốc độ truyền

lên tầm 100Mbps.

IEEE 802.11f : chuẩn này định nghĩa các giao thức cho phép các

Access Point (AP) trao đổi thông tin với nhau nhằm giúp ngƣời dùng có thể chuyển

giao nối kết ( roaming ) giữa hai AP mà liên lạc không bị gián đoạn

IEEE 802.11i : nhằm tăng cƣờng tính bảo mật của Wifi

IEEE802.11 u : nhằm cải tiến việc kết nối với nhiều mạng khác

(interworking) và còn nhiều chuẩn khác nữa nhƣ 802.11k (radio reource

management), .11r (roaming), .11h (transmission power control), .11p (vehicular

network).... Mỗi một chuẩn này nhằm cải thiện hoặc giải quyết một vấn đề cụ thể.

1.1.6 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Bluetooth [ 13 ]

 Khái niệm về Bluetooth

Bluetooth là một đặc tả công nghiệp cho truyền thông không dây tầm

gần giữa các thiết bị điện tử. Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các

khoảng cách ngắn giữa các thiết bị di động và cố định, tạo nên các mạng cá

nhân không dây (Wireless Personal Area Network-PANs).

Bluetooth có thể đạt đƣợc tốc độ truyền dữ liệu 1Mb/s. Bluetooth hỗ trợ tốc độ

truyền tải dữ liệu lên tới 720 Kbps trong phạm vi 10 m–100 m. Khác với kết nối

hồng ngoại (IrDA), kết nối Bluetooth là vô hƣớng và sử dụng giải tần 2,4 GHz.

 Các phiên bản Bluetooth

Phiên bản 1.0 và 1.0B có tốc độ 1Mbps ( thực tế chỉ khoảng 700kbps )

nhƣng gặp nhiều vấn đề về tƣơng thích giữa các sản phẩm khác nhà sản xuất.

Bluetooth 1.1 là phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhƣng tốc độ cũng tƣơng tự.

Bluetooth 1.2 đây là phiên bản bắt đầu có nhiều cải tiến, thời gian dò

tìm và kết nối nhanh hơn, tốc độ truyền thực tế cũng cao hơn721 kbps so với 700

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

của chuẩn 1.1

Bluetooth 2.0 +ERD ra đời 7/2007 là thế hệ nâng cấp mạnh mẽ của

phiên bản 2.0.Thế hệ này ổn định hơn chia sẻ nhanh hơn, kết nối nhanh hơn và tiết

kiệm năng lƣợng sử dụng hơn. Phiên bản 2.1 +ERD còn có thêm cơ chế kết nối

phạm vi nhỏ giúp kết nối hàng loạt các máy tính và thiết bị trong một phạm vi một

vùng nhỏ hay một phân khu nhỏ qua ứng dụng kết nối Bluetooth.

Bluetooth 3.0 + HS ( High Speed) ra đời vào 21/4/2009 với tốc độ lý

thuyết lên đến 24 Mbps do thêm tính năng của chuẩn 802.11 (Wi-Fi). Đối với

những thiết bị Bluetooth 3.0 nhƣng không có +HS sẽ không đạt đƣợc tốc độ

trên.Tuy tốc độ cao nhƣng Bluetooth vẫn chủ yếu hỗ trợ các nhu cầu nhƣ chia sẽ

File nhanh, kết nối với loa, tai nghe … chứ không dùng kết nối qua Interner nhƣ

Wi-Fi.Tuy nhiên, dự kiến chuẩn mới 3.0 này sẽ là thế hệ chuẩn kết nối nâng

Bluetooth lên tầm cao hơn, giúp thiết bị tƣơng tác tốt hơn, tăng cƣờng năng lực kết

nối giữa các thiết bị cá nhân với nhau, tiết kiệm pin và năng lƣợng, song vẫn đạt

mức kết nối tốt nhất có thể.

Ngày 30/6/2010 Bluetooth Sig đã đƣa ra Bluetooth phiên bản 4.0 là sự

kết hợp của “classis Bluetooth” ( Bluetooth 2.1 và 3.0), “ Bluetooth high speed” (

Bluetooth 3.0+ HS) và “ Bluetooth low energy - Bluetooth năng lƣợng thấp” (

Bluetooth smart ready / Bluetooth smart). “ Bluetooth low energy” là một phần của

Bluetooth 4.0 với một giao thức ngăn xếp hoàn toàn mới để những kết nối đơn giản

đƣợc thực hiện nhanh chóng. Nó là một sự chuyển đổi những giao thức tiêu chuẩn

của Bluetooth 1.0 vào 4.0 nhằm phục vụ cho những ứng dụng năng lƣợng cực thấp.

Bluetooth smart chỉ hoạt động ở chế độ đơn tần ( single radio) hƣớng

đến khả năng phát tín hiệu cho các thiết bị trong lĩnh vực y tế ( đo nhịp tim…)

thông qua một cảm biến tích hợp, các thông tin thu đƣợc chỉ có thể đƣợc gửi qua

thiết bị có Bluetooth Smart Ready. Các thiết bị Bluetooth smart sẽ không có tốc độ

cao nhƣ 3.0 nhƣng bù lại chúng tiêu thụ năng lƣợng rất thấp, pin của chúng thậm

chí chỉ hoạt đông trong vài năm.

Trong khi đó, phiên bản Bluetooth smart ready hoạt động ở hai dãy tín

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

hiệu (dual radio) lại hội đủ các điều kiện trên và hoàn toàn tƣơng thích ngƣợc với

3.0.Thiết bị Bluetooth Smatr Ready có thể vừa kết nối với các thiết bị Bluetooth

thông thƣờng vừa có khả năng nhận dữ liệu truyền tải từ các thiết bị Bluetooth

smart. Các thiết bị chuẩn Bluetooth smart ready gồm điện thoại, máy tính bảng, tivi

và PC và đã đƣợc triển khai trên iphone 4s, Mac Mini, Macbook Air.

gắn nhãn Bluetooth Smart Ready nó có thể dùng cho các thiết bị thuộc

nhãn Bluetooth Smart Ready, Bluetooth smart và Bluetooth.Trong khi đó Bluetooth

chỉ tƣơng thích với Bluetooth, Bluetooth Smart ready và nhãn Bluetooth Smart chỉ

có thể tƣơng thích với Bluetooth Smart Ready mà thôi.

1.1.7 Ƣu điểm của Zigbee [ 5 ]

 Zigbee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lƣợng. Một nốt

mạng trong mạng Zigbee có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với

nguồn là hai Ắcqui AA.

 Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-1600m (trong trƣờng hợp có khuếch

đại).

 Tốc độ truyền của Zigbee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và

20kbps tại 868MHz

 Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh

trong đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này

cho phép tối đa tới 254 nút mạng.

 Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lƣợng, nó có thể gửi và

nhận các gói tin trong khoảng 15

 Công nghệ ZigBee đƣợc áp dụng cho các hệ thống điều khiển và cảm biến

có tốc độ truyền tin thấp nhƣng chu kỳ hoạt động dài. Với các ƣu điểm nổ i bật

là độ trễ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, ít lỗi, dễ mở rộng, khả năng

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

tƣơng thích cao và giá thành thiết bị thấp.

1.2 M

1.2.1 Giao thức TCP/IP [ 1 ]

TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất

với nhau. TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (giao thức điều

khiển truyền thông)/Internet Protocol (giao thức Internet). Ngày nay, TCP/IP đƣợc

sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng nhƣ trên mạng Internet toàn cầu.

TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức TCP và IP mà thực tế nó là tập hợp của nhiều

giao thức. Chúng ta gọi đó là 1 hệ giao thức hay bộ giao thức (Suite Of Protocols).

Các giao thức TCP/IP có vai trò xác định quá trình liên lạc trong mạng và

quan trọng hơn cả là định nghĩa “hình dáng” của một đơn vị dữ liệu và những thông

tin chứa trong nó để máy tính đích có thể dịch thông tin một cách chính xác. TCP/IP

và các giao thức liên quan tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh quản lý quá trình dữ liệu

đƣợc xử lý, chuyển và nhận trên một mạng sử dụng TCP/IP. Một hệ thống các giao

thức liên quan, chẳng hạn nhƣ TCP/IP, đƣợc gọi là bộ giao thức.

Một chuẩn TCP/IP là một hệ thống các quy định quản lý việc trao đổi trên

các mạng TCP/IP. Bộ lọc TCP/IP là một phần mềm có chức năng cho phép một

máy tính hoà vào mạng TCP/IP.

Mục đích của các chuẩn TCP/IP là nhằm đảm bảo tính tƣơng thích của tất cả

bộ lọc TCP/IP thuộc bất kỳ phiên bản nào hoặc của bất kỳ hãng sản xuất nào.

Hai đặc điểm quan trọng của TCP/IP tạo ra môi trƣờng phi tập trung gồm:

+ Xác nhận mút đầu cuối: hai máy tính đang kết nối với nhau đóng vai trò

hai đầu mút ở mỗi đầu của dây truyền. Chức năng này xác nhận và kiểm tra sự trao

đổi giữa 2 máy. Về cơ bản, tất cả các máy đều có vai trò bình đẳng.

+ Định tuyến động: các đầu mút đƣợc kết nối với nhau thông qua nhiều

đƣờng dẫn, và các bộ định tuyến làm nhiệm vụ chọn đƣờng cho dữ liệu dựa trên các

điều kiện hiện tại.

 Nhiệm vụ và thành phần của giao thức

TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) là kết quả nghiên

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

cứu và triển giao thức trong mạng chuyển mạch gói thử nghiệm mang tên Arpanet

do ARPA (Advanced Reseach Projecs Agency). Khái niệm TCP/IP dùng để chỉ cả

một lớp tập giao thức và dịch vụ truyền thông đƣợc công nhận thành chuẩn cho

Internet. Cho tới nay TCP/IP đã xâm nhập tới rất nhiều phạm vi ứng dụng khác

Applications

Transport

TCP/UDP

ICMP

Internetwork

ARP/RARP

Network Interface and Hardware

nhau, trong đó có các máy tính cục bộ và mạng truyền thông công nghiệp.

Hình 1.3. Kiến trúc giao thức TCP/IP

TCP/IP đƣợc xem là giản lƣợc của mô hình tham chiếu OSI với bốn lớp,

trong mô hình này là (theo thứ tự từ trên xuống):

+ Lớp ứng dụng (Application Layer).

+ Lớp vận chuyển (Transport Layer).

+ Lớp mạng (Internet Layer).

+ Lớp liên mạng (Network Interface Layer).

Lớp ứng dụng

Lớp ứng dụng thực hiện các chức năng hỗ trợ cần thiết cho nhiều ứng dụng

khác nhau: TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) cho chuyển

thƣ điện tứ, FTP (File Transfer Protocol) cho chuyển giao file, TELNET là chƣơng

trình mô phỏng thiết bị đầu cuối cho phép ngƣời dùng đăng nhập (login) vào một

máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng, SNMP (Simple Network Management

Protocol) giao thức quản trị mạng cung cấp những công cụ quản trị mạng, DNS

(Domain Name System) là dịch vụ tên miền cho phép nhận ra máy tính từ một tên

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

miền thay cho chuỗi địa chỉ Internet.

Lớp ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dƣới (lớp vận chuyển) qua cổng. Việc

dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào

chứa bên trong gói dữ liệu. Những cổng đƣợc đánh bằng số và những ứng dụng

chuẩn thƣờng dùng cùng cổng. Ví dụ nhƣ giao thức FTP dùng cổng 20 cho dữ liệu

và cổng 21 cho điều khiển, giao thức SMTP dùng cổng 25…

Lớp vận chuyển

Lớp vận chuyển có chức năng cung cấp các dịch vụ cho việc thực hiện vận

chuyển dữ liệu giữa các chƣơng trình ứng dụng một cách tin cậy hoàn toàn. TCP là

giao thức tiêu biểu nhất, phổ biến nhất phục vụ việc thực hiện chức năng nói trên.

TCP hỗ trợ việc trao đổi dữ liệu trên cơ sở dịch vụ có nối. Khi dữ liệu nhận, giao

thức TCP lấy những gói đƣợc gửi từ lớp Internet và đặt chúng theo thứ tự của nó.

Bởi vì những gói có thể đến vị trí đích theo phƣơng thức không theo một thứ tự, và

kiểm tra nếu nội dung của gói nhận có nguyên vẹn hay không và gửi tín hiệu

Acknowledge – chấp nhận tới bên gửi, cho biết gói dữ liệu đã đến đích an toàn. Nếu

không có tín hiệu Acknowledge của bên nhận (có nghĩa là dữ liệu chƣa đến đích

hoặc có lỗi), bên truyền sẽ truyền lại gói dữ liệu bị mất.

Bên cạnh TCP, một giao thức khác cũng đƣợc sử dụng cho lớp vận chuyển

đó là UDP (User Data Protocol). Khác với TCP, UDP cung cấp dịch vụ không

hƣớng kết nối cho việc gửi dữ liệu mà không đảm bảo tuyệt đối đến đích, không

đảm bảo trình tự đến đích của các gói dữ liệu.

Nhƣ vậy TCP đƣợc coi là một giao thức tin cậy, trong khi UDP đƣợc coi là

giao thức không đáng tin cậy. Tuy nhiên UDP lại đơn giản hơn và có hiệu suất

nhanh hơn TCP, chỉ đòi hỏi một cơ chế xử lí giao thức tối thiểu và thƣờng đƣợc

dùng làm cơ sở thực hiện các giao thức cao cấp theo yêu cầu riêng của ngƣời sử

dụng, ví dụ tiêu biểu là giao thức SNMP.

Cả hai giao thức UDP và TCP sẽ lấy dữ liệu từ lớp ứng dụng và thêm header

vào khi truyền dữ liệu. Khi nhận dữ liệu, header sẽ bị gỡ trƣớc khi gửi dữ liệu đến

cổng thích hợp. Trong header này có một vài thông tin điều khiển liên quan đến số

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

cổng nguồn, số cổng tới đích, chuỗi số (để hệ thống sắp xếp lại dữ liệu và hệ thống

Acknowledge sử dụng trong TCP) và Checksum (dùng để tính toán xem dữ liệu đến

đích có bị lỗi hay không).

Header của UDP có 8 byte trong khi header của TCP có 20 hoặc 24 byte (tùy

theo kiểu byte lựa chọn).

Dữ liệu ở lớp này sẽ đƣợc chuyển tới lớp mạng nếu truyền dữ liệu hoặc đƣợc

gửi từ lớp mạng tới nếu nhận dữ liệu.

Lớp mạng

Lớp mạng có chức năng chuyển giao dữ liệu giữa nhiều mạng đƣợc liên kết

với nhau. Có một vài giao thức mà làm việc ở lớp mạng nhƣ : IP (Internet Protocol)

có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trƣớc khi truyền và định tuyến chúng tới đích,

ICMP (Internet Control Message Protocol) có chức năng thông báo lỗi trong trƣờng

hợp truyền dữ liệu bị hỏng, ARP (Address Resolution Protocol) có chức năng lấy

địa chỉ MAC từ địa chỉ IP.

Với giao thức IP, lớp mạng đƣợc sử dụng có nhiệm vụ thêm header tới gói

dữ liệu đƣợc nhận từ lớp vận chuyển, là một loại dữ liệu điều khiển khác, nó sẽ

thêm địa chỉ IP nguồn và địa chỉ IP đích – có nghĩa là địa chỉ IP của bên gửi dữ liệu

và bên nhận dữ liệu.

Mỗi gói dữ liệu (datagram) của IP có kích thƣớc lớn nhất là 65.535 byte, bao

gồm cả mào đầu (header) mà có thể dùng 20 hoặc 24 byte, phụ thuộc vào sự lựa

chọn trong chƣơng trình sử dụng. Nhƣ vậy gói dữ liệu (datagram) của IP có thể

mang 65.515 byte hoặc 65.511 byte, giao thức IP sẽ cắt gói xuống thành nhiều gói

dữ liệu (datagram) nếu thấy cần thiết.

Đối với lớp mạng, dữ liệu có thể lên tới 1500 byte, nghĩa là kích thƣớc lớn nhất

trƣờng dữ liệu của khung (frame) đƣợc gửi lên mạng MTU (Maximum Transfer Unit) có

giá trị 1500 byte. Nhƣ vậy hệ điều hành tự động cấu hình giao thức IP để tạo ra gói dữ

liệu (datagram) của IP có chiều dài 1500 byte mà không phải là 65.535 byte.

Hình 1.5 dƣới minh họa gói dữ liệu (datagram) đƣợc tạo ra từ lớp mạng bằng

giao thức IP. Nhƣ chúng ta đã đề cập mào đầu (header) đƣợc giao thức IP thêm vào

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

bao gồm địa chỉ IP nguồn, địa chỉ IP đích và một vài thông tin điều khiển.

Lớp liên mạng

Lớp liên mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong

cùng một mạng. Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trƣờng

truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lƣu thông dữ liệu. Gói dữ liệu (datagram) đƣợc tạo từ

lớp mạng sẽ đƣợc gửi xuống tới lớp liên mạng nếu truyền dữ liệu, hoặc lớp liên

mạng sẽ lấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp Internet nếu chúng ta nhận dữ liệu.

Nhƣ đã đề cập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dƣới có ba lớp LLC (Logic

Link Control), MAC (Media Access Control) và lớp vật lí Physical.

Lớp MAC (điều khiển truy nhập phƣơng tiện truyền thông) có nhiệm vụ lắp

ráp khung (frame) mà sẽ đƣợc gửi lên mạng, thêm địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ

MAC đích. Địa chỉ MAC là địa chỉ vật lí của card mạng. Những khung (frame) mà

đích tới mạng khác sẽ dùng địa chỉ MAC của router nhƣ là địa chỉ đích.

Những lớp LLC và MAC sẽ thêm những mào đầu (header) của chúng tới gói

dữ liệu (datagram) mà nhận đƣợc từ lớp Internet. Do đó, cấu trúc đầy đủ của khung

(frame) đƣợc tạo ra từ hai lớp đó đƣợc thể hiện trong hình vẽ ( hình vẽ 1.5)

Lớp vật lí đề cập tới giao diện vật lí giữa một thiết bị truyền dữ liệu với môi

trƣờng truyền dẫn hay mạng, trong đó có các đặc tính tín hiệu, chế độ truyền, tốc độ

truyền và cấu trúc cơ học của các phích cắm, jack cắm. Lớp này có nhiệm vụ

chuyển đổi frame do lớp MAC tạo ra thành tín hiệu điện (đối với hệ thống dây dẫn

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

mạng bằng cable) hoặc thành song từ trƣờng (đối với hệ thống mạng không dây).

Data

Lớp ứng dụng

Data

Lớp vận chuyển

TCP/IP Header

Lớp mạng

Data

IP Header

TCP/IP Header

Data

MAC CRC

IP Header

TCP/IP Header

MAC Header

LLC Header

Hình 1.4. Cấu trúc gói dữ liệu TCP/IP.

1.2.1.1 Cấu trúc gói tin TCP/IP và giao thức TCP/IP

 Cấu trúc gói tin IP

Gói tin (packet) IP có dạng:

Bit 0 3 4 7 9 15 16 31

Header 0 Version Type of service Total length lengh

Identification Flags Fragment offset 32

Time to live Protocol Header checksum 64

32-bit source address 96

32-bit destination address 128

Options Padding 160

160/192+ Data

Hình 1.5. Cấu trúc gói tin IP

+ Ver-4 bít: chỉ phiên bản (version) hiện hành của IP đang đƣợc dùng, nếu

trƣờng này khác với phiên bản IP của thiết bị nhận, thiết bị nhận sẽ loại bỏ các gói

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

tin này.

+ IHL (IP Header Length)-4bít: chỉ độ dài phần mào đầu (header) của gói tin,

tính theo từ 32 bít.

+ TOS (Type of Service)-1byte: cho biết dịch vụ nào mà gói tin muốn sử

dụng chẳng hạn nhƣ độ ƣu tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy.

Cụ thể nhƣ sau:

+ 3 bít đầu (Precedence): chỉ quyền ƣu tiên gửi gói tin, từ gói tin bình thƣờng

là 0 đến gói tin kiểm soát mạng là 7.

+ 1 bít tiếp theo (Delay): chỉ độ trễ yêu cầu, 0 ứng với gói tin có độ trễ bình

thƣờng, 1 ứng với gói tin có độ trễ thấp.

+ 1 bít tiếp theo (Throughput): chỉ thông lƣợng yêu cầu sử dụng để truyền

gói tin với lựa chọn truyền trên đƣờng thông suất thấp hay trên đƣờng thông suất

cao, 0 ứng với thông lƣợng bình thƣờng, 1 ứng với thông lƣợng cao.

+ 1 bít tiếp theo (Reliability): chỉ độ tin cậy yêu cầu, 0 ứng với độ tin cậy

bình thƣờng, 1 ứng với độ tin cậy cao.

- Total Length-2byte: chỉ độ dài toàn bộ gói tin tính cả phần mào đầu (header), tính

theo đơn vị byte.

- Indentification-16 bít: cùng với các tham số khác nhƣ địa chỉ nguồn

(Source Address), địa chỉ đích (Destination Address) dùng để định danh duy nhất

một gói tin trong thời gian nó tồn tại trên mạng.

- Flags: Các gói tin khi truyền trên đƣờng đi có thể bị phân thành nhiều gói

tin nhỏ. Trƣờng Flags dùng để điều khiển phân đoạn và lắp ghép gói tin.

Cụ thể nhƣ sau:

+ Bít 0: chƣa sử dụng, luôn lấy giá trị 0

+ Bít 1: 0 ứng với gói tin bị phân đoạn, 1 ứng với gói tin không bị phân đoạn.

+ Bít 2: 0 ứng với gói tin thuộc phân đoạn cuối cùng của gói tin gốc, 1 ứng

với gói tin không phải là phân đoạn cuối cùng của gói tin gốc.

- Fragment Offset-13bít: chỉ vị trí của phân đoạn trong gói tin gốc, tính theo

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đơn vị 8 byte.

- Time To Live-1byte: quy định thời gian tồn tại tính bằng giây của gói tin

trong mạng. Thời gian này đƣợc đặt bởi trạm gửi và giảm đi (thƣờng quy ƣớc là 1)

khi gói tin đi qua mỗi router của liên mạng. Một giá trị tối thiểu phải đủ lớn để

mạng hoạt động tốt.

- Protocol: Chỉ tầng giao thức kế tiếp sẽ nhận vùng dữ liệu ở trạm đích. TCP

ứng với giá trị 6, UDP ứng với giá trị 17, 1 ứng với ICMP.

- Header Checksum-2byte: Dùng để phát hiện lỗi header của gói tin xảy ra

trong quá trình truyền của nó.

- Source IP Address-4byte: địa chỉ IP của nơi truyền gói tin.

- Destination IP Address-4byte: địa chỉ IP của nơi nhận gói tin.

- IP Option-độ dài thay đổi: khai báo các lựa chọn do ngƣời sử dụng yêu cầu,

ví dụ nhƣ: mức độ bảo mật, đƣờng mà gói tin đƣợc gửi đi, thông tin giờ hiện tại

(timestamp) ở mỗi router.

- Padding-độ dài thay đổi: dùng để đảm bảo phần mào đầu (header) luôn kết

thúc ở một mốc 32 bít.

- Data: chứa thông tin lớp trên, chiều dài thay đổi đến 64Kb.

 Cấu trúc gói tin TCP

Đơn vị dữ liệu trong TCP đƣợc gọi là phân đoạn mạng (Segment) với cấu

trúc nhƣ sau:

Bit 0 3 4 9 10 15 16 31

0 Source Port Destination Port

32 Sequence number

64 Acknowledgment Number

Data 96 Reserved Flags Window offset

128 Checksum Urgent Pointer

160 Option+ Padding

160/192+ TCP data

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 1.6. Cấu trúc gói tin TCP

- Source Port-2 byte: số hiệu cổng TCP của trạm nguồn.

- Destination Port-2byte: số hiệu cổng TCP của trạm đích.

- Sequence number: số hiệu của byte đầu tiên của phân đoạn mạng (segment),

nếu cờ SYN bật thì nó là số thứ tự gói ban đầu và byte đầu tiên đƣợc gửi có số thứ tự

này cộng thêm 1. Nếu không có cờ SYN thì đây là số thứ tự của byte đầu tiên.

- Acknowledgment Number-2byte: nếu cờ ACK bật thì giá trị của trƣờng

chính là số thứ tự gói tin tiếp theo mà bên nhận cần. Báo là nhận tốt các segment mà

trạm đích đã gửi cho trạm nguồn.

- Data offset-4bit: độ dài của phần header tính theo đơn vị từ 32 bit. Tham số

này chỉ ra vị trí bắt đầu của nguồn dữ liệu.

- Reserved-6 bít.

- Flags: các bít điều khiển

+ URG: vùng con trỏ khẩn (Urgent pointer) có hiệu lực

+ ACK: vùng báo nhận ACK number có hiệu lực

+ PSH: chức năng PUSH

+ RST: khởi động lại liên kết

+ SYN: đồng bộ hoá số hiệu tuần tự

+ FIND: không còn dữ liệu từ trạm nguồn

- Window-2byte: số byte dữ liệu bắt đầu từ byte đƣợc chỉ ra trong ACK

number mà trạm nguồn đã sẵn sàng để nhận.

- Checksum: kiểm tra cho cả phần mào đầu (header) lẫn dữ liệu.

- Urgent Pointer-2byte: nếu cờ URG bật thì giá trị trƣờng này chính là số từ

16 bit mà số thứ tự gói tin (sequence number) cần dịch trái.

- Option-2byte: vùng tuỳ chọn, khai báo các option của TCP trong đó có độ

dài tối đa của vùng TCP data trong một phân đoạn mạng (segment).

- Padding: phần chèn thêm vào mào đầu (header) để đảm bảo phần header

luôn kết thúc ở một mốc 32 bít.

- TCP data: chứa dữ liệu của tầng trên có độ dài tối đa ngầm định là 536byte.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Giá trị này có thể khai báo trong trƣờng Option.

Quá trình thiếp lập kết nối của giao thức TCP:

Không giống nhƣ giao thức UDP(giao thức có thể lập tức gửi mà không cần

thiết lập kết nối), TCP đòi hỏi phải thiết lập kết nối trƣớc khi bắt đầu gửi dữ liệu và

kết thúc kết nối khi việc gửi dữ liệu hoàn tất. Cụ thể các kết nối của TCP có 3 giải

pháp: thiết lập kết nối, truyền dữ liệu và kết thúc kết nối.

Các trạng thái của kết nối:

- LISTEN: đang đợi yêu cầu kết nối từ một TCP và cổng bất kỳ ở xa (trạng

thái này thƣờng do các TCP server đặt).

- SYN-SENT: đang đợi TCP ở xa gửi một gói tin TCP với các cờ SYN và

ACK đƣợc bật (trạng thái này thƣờng do các TCP client cài đặt).

- SYN-RECEIVED: đang đợi TCP ở xa gửi lại một tin báo nhận sau khi đã

gửi cho TCP ở xa đó một tin báo nhận kết nối (connnection acknowledgmen,

thƣờng do TCP server đặt).

- ESTABLISHED: cổng đã sẵn sàng nhận/gửi dữ liệu với TCP ở xa (đặt bởi

TCP client và server).

- TIME-WAIT: đang đợi qua đủ thời gian để chắc chắn là TCP ở xa nhận

đƣợc đã nhận đƣợc tin báo nhận về yêu cầu kết thúc kết nối của nó. Một kết nối có

thể ở trạng thái TIME-WAIT trong vòng tối đa 4 phút.

Thiết lập kết nối

Để thiết lập một kết nối, TCP sử dụng một quy trình bắt tay 3 bƣớc. Trƣớc

khi client thử kết nối với một server, server phải đăng ký một cổng và mở cổng đó

cho các kết nối và đây đƣợc gọi là mở bị động. Một khi mở bị động đã đƣợc thiết

lập thì một client có thể bắt đầu mở chủ động. Để thiết lập một kết nối, quy trình bắt

tay 3 bƣớc xảy ra nhƣ sau:

- Máy chủ động đƣợc thực hiện bằng các gửi một SYN cho server

- Server trả lời bằng một SYN-ACK

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

- Cuối cùng, client gửi một ACK lại cho server

Hình 1.7. Thiết lập kết nối TCP

Đến đây cả client và server đều đã nhận đƣợc một tin báo nhận ACK về kết

nối.

Truyền dữ liệu

Một số đặc điểm cơ bản của TCP để phân biệt với UDP:

+ Truyền dữ liệu không lỗi (do có cơ chế sữa lỗi/truyền lại)

+ Truyền các gói dữ liệu theo đúng thứ tự

+ Truyền lại các gói dữ liệu mất trên đƣờng truyền

+ Loại bỏ các gói dữ liệu trùng lặp

+ Cơ chế hạn chế tắc nghẽn đƣờng truyền

Kết thúc kết nối

Để kết thúc kết nối hai bên sử dụng quá trình bắt tay 4 bƣớc và chiều của kết

nối kết thúc độc lập với nhau. Khi một bên muốn kết thúc, nó gửi đi một gói tin FIN

và bên kia gửi lại tin báo nhận ACK. Vì vậy, một quá trình kết thúc tiêu biểu sẽ có 2

cặp gói tin trao đổi. Một kết nối có thể tồn tại ở dạng nửa mở: một bên đã kết thúc

gửi dữ liệu nên chỉ nhận thông tin, bên kia tiếp tục gửi.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 1.8. Kết thúc kết nối TCP

1.2.2 Công nghệ Ethernet [ 4 ]

 Công nghệ Ethernet

Là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa vào khung dữ liệu

dành cho mạng LAN. Tên ETHERNET đƣợc xuất phát từ khái niệm Ête trong

ngành vật lý học. Ethernet định nghĩa một loạt các định nghĩa nối dây và phát tín

hiệu cho tầng vật lý. Hai phƣơng tiện để truy nhập tại phần MAC (điều khiển truy

nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu và một định dạng chung cho

việc định địa chỉ. Vì vậy, khi nhắc đến Ethernet ta sẽ liên hệ đến lớp 1 và lớp 2

trong mô hình OSI. Hai lớp này thuộc về phần cứng Ethernet , trong khi các lớp còn

lại thuộc về việc xử lý của phần mềm.

Ethernet đã đƣợc chuẩn hóa thành IEEE 802.3. cấu trúc mạng hình sao, hình

thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) đã trở thành công nghệ mạng LAN đƣợc sử

dụng rộng rãi nhất từ thập niên 1990 cho tới nay. Trong những năm gần đây, mạng

wi-fi, dạng LAN không dây đã đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã đƣợc sử dụng

bên cạnh hoặc thay thế Ethernet trong nhiều cấu hình mạng.

 Kỹ thuật truyền dẫn

Về mặt logic, Ethernet có cấu trúc bus. Cấu trúc mạng vật lí có thể là đƣờng

thẳng hoặc hình sao tùy theo phƣơng tiện truyền dẫn. Bốn loại cáp thông dụng nhất:

cáp đồng trục dầy, cáp đồng trục mỏng, cáp đôi dây xoắn, cáp quang.

Bảng 1.2. Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng

Tên hiệu Loại cáp Chiều dài tối đa Số trạm tối đa

10BASE5 Cáp đồng trục dầy 500m 100

10BASE2 Cáp đồng trục mỏng 200m 30

10BASE-T Cáp đôi dây xoắn 100m 1024

10BASE-F Cáp quang 200m 1024

Loại 10BASE5 còn đƣợc gọi là cáp dầy (thick Ethernet), loại cáp đồng trục

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

thƣờng có màu vàng. Kí hiệu 10BASE5 có nghĩa là tốc độ truyền tối đa 10Mbit/s,

phƣơng pháp truyền tải dải cơ sở và chiều dài một đoạn mạng tối đa 500m. Loại cáp

đồng trục thứ hai có kí hiệu 10BASE2 đƣợc gọi là cáp mỏng (thin Ethernet), rẻ hơn

nhƣng hạn chế một đoạn mạng ở phạm vi 200m và số lƣợng 30 trạm.

Với 10BASE5, bộ nối đƣợc gọi là vòi hút (vampire tap), đóng vai trò một bộ

thu phát (transceiver). Bộ thu phát chứa vi mạch điện tử thực hiện chức năng nghe

ngóng đƣờng truyền và nhận biết xung đột. Trong trƣờng hợp xung đột đƣợc phát

hiện, bộ thu phát gửi một tín hiệu không hợp lệ để tất cả các bộ thu phát khác cũng

nhận biết đƣợc rằng xung đột đã xảy ra. Nhƣ vậy, chức năng của module giao diện

mạng đƣợc giảm nhẹ. Cáp nối giữa bộ thu phát và card giao diện mạng đƣợc gọi là

cáp thu phát, có thể dài tới 50m và chứa tới năm đôi dây xoắn bọc lót riêng biệt

(STP). Hai đôi dây cần cho trao đổi dữ liệu, hai đôi cho truyền tín hiệu điều khiển,

còn đôi dây thứ năm có thể sử dụng để cung cấp nguồn cho bộ thu phát. Một số bộ

thu phát cho phép nối tới tám trạm qua các cổng khác nhau, nhờ vậy tiết kiệm đƣợc

số lƣợng bộ nối cũng nhƣ công lắp đặt.

Với 10BASE2, card giao diện mạng đƣợc nối với cáp đồng trục thông qua bộ

nối thụ động BNC hình chữ T. Bộ thu phát đƣợc tích hợp trong bảng mạch điện tử

của module giao diện mạng bên trong máy tính. Nhƣ vậy, mỗi trạm có một bộ thu

phát riêng biệt.

Về bản chất, cả hai kiểu dây với cáp đồng trục nhƣ nói trên đều thực hiện cấu

trúc bus (vật lí cũng nhƣ logic), vì thế có ƣu điểm là tiết kiệm dây. Tuy nhiên, các

lỗi phần cứng nhƣ đứt cáp, lỏng bộ phận nối rất khó phát hiện trực tuyến. Mặc dù đã

có một số biện pháp khắc phục, phƣơng pháp tin cậy hơn là sử dụng cấu trúc hình

sao với một bộ chia (hub) hoặc một bộ chuyển mạch (switch). Cấu trúc này thông

thƣờng đƣợc áp dụng với cáp đôi dây xoắn, nhƣng cũng áp dụng đƣợc với cáp đồng

trục.

Đa số cấu hình mạng Ethernet có kết nối với thiết bị điều khiển thƣờng sử

dụng chuẩn chung 10BASE-T. Trong mạng này các trạm đƣợc nối với nhau qua

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

một bộ chia giống nhƣ cách nối các mạng điện thoại.

Ƣu điểm của cấu trúc này là việc bổ sung hoặc tách một trạm ra khỏi mạng

cũng nhƣ việc phát hiện lỗi cáp truyền rất đơn giản.

Nhƣợc điểm có thể thấy rõ nhất đó là tốn dây dẫn và công đi dây cũng nhƣ

chi phí cho bộ chia chất lƣợng cao cũng là một vấn đề. Bên cạnh đó, khoảng cách

tối đa cho phép từ một trạm tới bộ chia thƣờng bị hạn chế trong vòng 100 – 150m.

Bên cạnh cáp đồng trục và cáp đôi dây xoắn thì cáp quang cũng đƣợc sử

dụng nhiều trong Ethernet, trong đó đặc biệt là 10BASE-F. Với cách ghép nối duy

nhất là điểm – điểm, cấu trúc mạng có thể là daisy-chain, hình sao hoặc hình cây.

Thông thƣờng, chi phí cho các bộ nối và thiết bị đầu cuối rất lớn nhƣng khả năng

kháng nhiễu tốt và tốc độ truyền cao là các yếu tố quyết định trong nhiều phạm vi

ứng dụng.

Trong nhiều trƣờng hợp, ta có thể sử dụng phối kết hợp nhiều loại trong một

mạng Ethernet. Ví dụ, cáp quang hoặc cáp đồng trục dầy có thể sử dụng là đƣờng

trục chính hay xƣơng sống (backbone) trong cấu trúc cây, với các đƣờng nhánh là

cáp mỏng hoặc đôi dây xoắn. Đối với mạng quy mô lớn, có thể sử dụng các bộ lặp,

nhƣng đƣờng dẫn giữa hai bộ thu phát không đƣợc phép dài quá 2,5km cũng nhƣ

không đi qua quá bốn bộ lặp.

 Cấu trúc bức điện

IEEE 802.3/ Ethernet chỉ quy định lớp MAC và lớp vật lý, vì vậy một bức

điện đƣợc còn gọi là khung MAC. Cấu trúc của khung MAC đƣợc minh họa ở dƣới

Mở đầu SFD Địa chỉ Địa chỉ Độ dài Dữ liệu PAD FCS 555…5H (D5H) đích nguồn kiểu gói

7 byte 1 byte 6 byte 6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte

Hình 1.9. Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet.

Mở đầu (Preamble) của khung MAC là trƣờng 7 byte giống nhau có giá trị

55H, đƣợc bên nhận sử dụng để đồng bộ nhịp với bên gửi. Việc đồng bộ hóa chỉ

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đƣợc thực hiện một lần cho cả bức điện.

Một byte SFD (Start of Frame Delimiter) chứa dãy bit 10101011, đánh dấu

khởi đầu khung MAC.

Theo 802.3, địa chỉ đích và địa chỉ nguồn có thể là 2 hoặc 6 byte, nhƣng

chuẩn qui định cho truyền dải cơ sở 10 Mb/s chỉ sử dụng địa chỉ 6 byte. Bit cao nhất

trong địa chỉ đích có giá trị 0 cho các địa chỉ thông thƣờng và giá trị 1 cho các địa

chỉ nhóm. Đối với các thông báo gửi tới các trạm (broadcast), tất cả các bit trong địa

chỉ đích sẽ là 1.

Có hai loại địa chỉ Ethernet là các địa chỉ cục bộ và các địa chỉ toàn cầu,

đƣợc phân biệt bởi bit 46 (bit gần cao nhất). Các địa chỉ cục bộ có thể đổ cứng hoặc

đặt bằng phần mềm và không có ý nghĩa ngoài mạng cục bộ. Ngƣợc lại, một địa chỉ

toàn cầu đƣợc IEEE cấp phát, luôn đƣợc cố định trong vi mạch để đảm bảo sự thống

nhất trên toàn thế giới. Với 46 bit có thể có tổng cộng 7* địa chỉ cục bộ. Tuy

nhiên số lƣợng các trạm cho phép trong một hệ thống mạng công nghiệp còn phụ

thuộc vào kiểu cáp truyền, giao thức phía trên cũng nhƣ đặc tính của các thiết bị

tham gia mạng.

Một sự khác nhau giữa Ethernet và IEEE 802.3 là ý nghĩa ô tiếp sau phần địa

chỉ. Theo đặc tả Ethernet, hai byte này chứa mã giao thức chuyển gói phía trên. Cụ

thể, mã 0800 chỉ giao thức IP (Internet Protocol) và mã 0806 chỉ giao thức ARP

(Address Resolution Protocol). Theo chuẩn IEEE 802.3, ô này dùng để chỉ số byte

dữ liệu (từ 0 đến 1500). Với điều kiện ràng buộc giữa tốc độ truyền v (tính bằng

bit/s), chiều dài bức điện n và khoảng cách truyền l (tính bằng mét) của phƣơng

pháp CSMA/CD.

lv < 100.000.000 n. (1.1)

Để đảm bảo tốc độ truyền 10Mbit/s và khoảng cách truyền 2500m thì một

bức điện phải dài hơn 250 bit hay 32 byte. Xét tới cả thời gian trễ qua bốn bộ lặp,

chuẩn 802.3 qui định chiều dài khung tối thiểu là 64 byte (51,2us), không kể phần

mở đầu và byte SFD. Nhƣ vậy ô dữ liệu phải có chiều dài tối thiểu là 46 byte. Trong

trƣờng hợp dữ liệu thực ngắn hơn 46 byte, ô PAD (Padding) đƣợc sử dụng để lấp

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đầy.

Ô cuối cùng trong khung MAC là FCS (Frame Check Sequence) gồm 4 byte

chứa mã CRC (Cyclic Redundancy Check) với đa thức phát.

(1.2)

Phần thông tin kiểm soát lỗi bao gồm các ô địa chỉ, ô chiều dài, ô dữ liệu.

1.3 Zigbee/ IEEE 802.15.4

1.3.1 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lƣợng, chi

phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi

áp dụng trong các khu vực nhƣ nhà riêng, văn phòng....

1.3.2 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản

nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các

chức năng trong mạng và hoạt động nhƣ một bộ điều phối mạng PAN. Ngoài ra còn

có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD. Một mạng tối

thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động nhƣ một bộ điều phối mạng

PAN.

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng

PAN hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên

trong mạng. RFD đƣợc dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lƣợng

lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một

RFD chỉ có thể làm việc với một FFD.

1.3.2.1 Kiến trúc liên kết mạng [ 9 ]

Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đƣa ra một số cấu trúc liên kết

mạng cho công nghệ ZigBee. Các node mạng trong một mạng ZigBee có thể liên

kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao cấu trúc mạng hình lƣới cấu trúc bó cụm

hình cây. Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee đƣợc ứng

dụng một cách rộng rãi. Hình 1.12 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp:

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

tô pô sao, tô pô mắt lƣới, tô pô cây.

Hình 1.10. Cấu trúc liên kết mạng

 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Đối với loại mạng này, một kết nối đƣợc thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị

điều khiển trung tâm điều khiển đƣợc gọi là bộ điều phối mạng PAN. Sau khi FFD đƣợc

kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối

mạng PAN. Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình

đƣợc gọi là PAN ID, nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập. Khi đó cả

FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN. Tất cả mạng nằm trong tầm

phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều

phối mạng PAN.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 1.11. Cấu trúc mạng hình sao

 Cấu trúc liên kết mạng mắt lƣới (mesh)

Hình 1.12. Cấu trúc mạng mesh

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN. Thực chất đây

là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng. Ở cấu trúc mạng

này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó

nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A. Các ứng dụng của cấu trúc này có thể

áp dụng trong đo lƣờng và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng…).

 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)

Hình 1.13. Cấu trúc mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lƣới, trong đó đa số thiết bị

là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây nhƣ một nốt rời rạc ở điểm

cuối của nhánh cây. Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động nhƣ là một

coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì

thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong

loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhƣng chỉ có duy nhất một bộ

điều phối mạng PAN. Bộ điều phối mạng PAN này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu

ra ngƣời lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho ngƣời lãnh đạo đó một chỉ số nhận

dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH bằng CID-0. Nó

chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân

cận. Thiết bị nào nhận đƣợc khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH.

Nếu bộ điều phối mạng PAN đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị

đó vào danh sách. Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây

mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối vào mạng.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Từ đó có thể hình thành đƣợc các CLH1,CLH2,...(nhƣ hình 1.15).

1.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 [ 8 ]

ZIGBEE/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng

dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE

802.15.4. Chính vì thế nên nó thừa hƣởng đƣợc ƣu điểm của chuẩn IEEE802.15.4.

Đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lƣợng và khả năng thích ứng cao với

các môi trƣờng mạng. Dựa vào mô hình nhƣ hình 1.5, các nhà sản xuất khác nhau

có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tƣơng thích cùng

với nhau.

Hình 1.14. Mô hình giao thức của ZigBee

1.3.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4

Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ

quản lý PHY. Hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME.

Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU thông qua

kênh sóng vô tuyến vật lý. Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm

kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lƣợng, chọn kênh, chỉ số đƣờng

truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trƣờng truyền.

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ.

Bảng 1.3. Băng tần và tốc độ dữ liệu

Băng tần Tốc độ chip Điều chế Ký tự PHY (MHz) Tốc độ bit (kb/s) Tốc độ ký tự (ksymbol/s) (MHz) (kchips/s)

Nhị 20 868 868-868.6 300 BPSK 20 phân

Nhị 40 915 902-928 600 BPSK 40 phân

2450 2400-2486.5 2000 O-QPSK 250 62.5 Hệ 16

Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau đƣợc mô tả nhƣ

dƣới đây:

Bảng 1.4. Kênh truyền và tần số

Tần số trung Số lƣợng kênh (N) Kênh Tần số trung tâm (MHz) tâm (MHz)

868 1 0 868.3

915 10 1-10 906 + 2(k-1)

2450 16 11-26 2405 + 5(k-11)

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 1.15. Băng tần hệ thống của Zigbee

 Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4

Chỉ số ED (energy detection)

Chỉ số ED đo đạc đƣợc bởi bộ thu ED. Chỉ số này sẽ đƣợc tầng mạng sử

dụng nhƣ là một bƣớc trong thuật toán chọn kênh. ED là kết quả của sự ƣớc lƣợng

công suất năng lƣợng của tín hiệu nhận đƣợc trong băng thông của kênh trong IEEE

802.15.4. Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền

trong kênh này. Thời gian phát hiện và xử lý ED tƣơng đƣơng khoảng thời gian 8

symbol. Kết quả phát hiện năng lƣợng sẽ đƣợc thông báo bằng 8 bit số nguyên

trong khoảng từ 0x00 tới 0xff. Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà công suất nhận

đƣợc ít hơn mức +10dB so với lý thuyết. Độ lớn của khoảng công suất nhận đƣợc

để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là 40dB và sai số là ± 6dB.

Chỉ số chất lƣợng đƣờng truyền (LQI)

Chỉ số chất lƣợng đƣờng truyền LQI là đặc trƣng chất lƣợng gói tin nhận

đƣợc. Số đo này có thể bổ sung vào ED thu đƣợc, đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR,

hoặc một sự kết hợp của những phƣơng pháp này. Giá trị kết quả LQI đƣợc giao

cho tầng mạng và tâng ứng dụng xử lý.

Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)

CCA đƣợc sử dụng để xem khi nào một kênh truyền đƣợc coi là rỗi hay bận.

Có ba phƣơng pháp để thực hiện việc kiểm tra này:

- CCA 1: “Năng lƣợng vƣợt ngƣỡng” CCA sẽ thông báo kênh truyền bận

trong khi dò ra bất kỳ năng lƣợng nào vƣợt ngƣỡng ED.

- CCA 2: “Cảm biến sóng mang” CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi

nhận ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE802.15.4. Tín hiệu này có

thể thấp hoặc cao hơn ngƣỡng ED.

- CCA 3: “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lƣợng vựơt ngƣỡng” CCA

sẽ báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của

IEEE 802.15.4 với năng lƣợng vƣợt ngƣỡng ED.

 Định dạng khung tin PPDU

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trƣờng thông tin.

- SHR (synchronization header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit

- PHR (PHY header): chứa thông tin độ dài khung

- PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC

Octets: 4 1 1 variable

SFD (bắt đầu Độ dài khung Phần dành Đầu khung phân định PSDU (7bits) riêng (1bit) khung)

SHR PHR PHY playload

H 16. Định dạng khung PPDU

1.3.3.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC

 Cấu trúc siêu khung

LR-WPAN cho phép sử dụng theo nhu cầu cấu trúc siêu khung. Định dạng

của siêu khung đƣợc định rõ bởi PAN coordinator. Mỗi siêu khung đƣợc giới hạn

bởi từng mạng và đƣợc chia thành 16 khe nhƣ nhau. Cột mốc báo hiệu dò đƣờng

beacon đƣợc gửi đi trong khe đầu tiên của mỗi siêu khung. Nếu một PAN

coordinator không muốn sử dụng siêu khung thì nó phải dừng việc phát mốc

beacon. Mốc này có nhiệm đồng bộ các thiết bị đính kèm, nhận dạng PAN và

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

chứa nội dung mô tả cấu trúc của siêu khung.

Hình 1.17. Cấu trúc siêu khung

Khung CAP

CAP đƣợc phát ngay sau mốc beacon và kết thúc trƣớc khi phát CFP. Nếu độ

dài của phần CFP = 0 thì CAP sẽ kết thúc tại cuối của siêu khung. CAP sẽ có tối

thiểu aMinCAPLength symbols trừ trƣờng hợp phần không gian thêm vào đƣợc

dùng để điều chỉnh việc tăng độ dài của khung beacon để vẫn có thể duy trì đƣợc

GTS và điều chỉnh linh động tăng hay giảm kích thƣớc của CFP.

Tất cả các khung tin ngoại trừ khung Ack và các khung dữ liệu phát ngay sau

khung Ack trong lệnh yêu cầu, mà chúng đƣợc phát trong CAP sẽ sử dụng thuật

toán CSMA-CA để truy nhập kênh. Một thiết bị phát trong khoảng thời gian phần

CAP kết thúc sẽ khoảng thời gian IFS trƣớc khi hết phần CAP. Nếu không thể kết

thúc đƣợc thì thiết bị này sẽ trì hoãn việc phát cho đến khi CAP của khung tiếp theo

đựợc phát. Khung chứa lệnh điều khiển MAC sẽ đƣợc phát trong phần CAP.

Khung CFP

Phần CFP sẽ đƣợc phát ngay sau phần CAP và kết thúc trƣớc khi phát beacon

của khung kế tiếp. Nếu bất kỳ một GTSs nào đƣợc cấp phát bởi bộ điều phối mạng

PAN, chúng sẽ đƣợc đặt bên trong phần CFP và lấp đầy một loạt các khe liền nhau.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Bởi vậy nên kích thƣớc của phần CFP sẽ do tổng độ dài các khe GTSs này quyết

định. CFP không sử dụng thuật toán CSMA-CA để truy nhập kênh. Một thiết bị

phát trong CFP sẽ kết thúc trong khoảng một IFS trƣớc khi kết thúc GTS.

 Phát thông tin báo hiệu beacon

Một thiết bị FFD hoạt động trong chế độ không phát thông tin báo hiệu hoặc

có thể phát thông tin báo hiệu giống nhƣ là thiết bị điều phối mạng. Một thiết bị

FFD không phải là thiết bị điều phối mạng PAN có thể bắt đầu phát thông tin báo

hiệu beacon chỉ khi nó kết nối với thiết bị điều phối PAN. Các tham số

macBeaconOrder và macSuperFrameOrder cho biết khoảng thời gian giữa hai

thông tin báo hiệu và khoảng thời gian của phần hoạt động và phần nghỉ. Thời gian

phát báo hiệu liền trƣớc đƣợc ghi lại trong tham số macBeaconTxTime và đƣợc tính

toán để giá trị của tham số này giống nhƣ giá trị trong khung thông tin báo hiệu

beacon.

 Định dạng khung tin MAC

Mỗi khung bao gồm các thành phần sau:

- Đầu khung MHR(MAC header): gồm các trƣờng thông tin về điều khiển

khung tin, số chuỗi, và trƣờng địa chỉ.

- Tải trọng khung (MAC payload): chứa các thông tin chi tiết về kiểu khung.

Khung tin của bản tin xác nhận Ack không có phần này.

- Cuối khung MFR(MAC footer) chứa chuỗi kiểm tra khung FCS (frame

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

check sequence)

Octets: Biến 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 2 2 thiên

ID mạng Địa chỉ ID PAN Địa chỉ Chuỗi Điều Tải kiểm tra Số PAN đích đích nguồn nguồn khiển trọng khung chuỗi khung khung Trƣờng địa chỉ (FCS)

Cuối Tải khung Phần đầu khung MHR trọng MFR

1.18. Định dạng khung MAC

1.3.3.3 Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4

 Dịch vụ mạng

Tầng vật lý trong mô hình của giao thức ZigBee đƣợc xây dựng trên nền của

tầng điều khiển dữ liệu, nhờ những đặc điểm của tầng MAC mà tầng vật lý có thể

kéo dài việc đƣa tin, có thể mở rộng đƣợc qui mô mạng dễ dàng, một mạng có thể

hoạt động cùng các mạng khác hoặc riêng biệt. Tầng vật lý phải đảm nhận các chức

năng nhƣ là:

- Thiết lập một mạng mới.

- Tham gia làm thành viên của một mạng đang hoạt hoặc là tách ra khỏi

mạng khi đang là thành viên của một mạng nào đó.

- Cấu hình thiết bị mới nhƣ hệ thống yêu cầu, gán địa chỉ cho thiết bị mới

tham gia vào mạng.

- Đồng bộ hóa các thiết bị trong mạng để có thể truyền tin mà không bị tranh

chấp, nó thực hiện đồng bộ hóa này bằng gói tin thông báo beacon.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

- Bảo mật: gán các thông tin bảo mật vào gói tin và gửi xuống tầng dƣới

- Định tuyến: giúp gói tin có thể đến đƣợc đúng đích mong muốn. Có thể nói

rằng thuật toán của ZigBee là thuật toán định tuyến phân cấp sử dụng bảng định

tuyến phân cấp tối ƣu đƣợc áp dụng từng trƣờng hợp thích hợp.

 Dịch vụ bảo mật

Khi khung tin tầng MAC cần đƣợc bảo mật, thì ZigBee sử dụng dịch vụ bảo

mật của tầng MAC để bảo vệ các khung lệnh MAC, các thông tin báo hiệu beacon,

và các khung tin xác nhận Ack. Đối với các bản tin chỉ phải chuyển qua một bƣớc

nhảy đơn, tức là truyền trực tiếp từ nốt mạng này đến nốt mạng lân cận của nó, thì

ZigBee chỉ cần sử dụng khung tin bảo mật MAC để mã hóa bảo vệ thông tin.

Nhƣng đối với các bản tin phải chuyển gián tiếp qua nhiều nốt mạng mới tới đƣợc

đích thì nó cần phải nhờ vào tầng mạng để làm công việc bảo mật này. Tầng điều

khiển dữ liệu MAC sử dụng thuật toán AES (chuẩn mã hóa cao cấp). Nói chung thì

tầng MAC là một quá trình mã hóa, nhƣng công việc thiết lập các khóa key, chỉ ra

mức độ bảo mật, và điều khiển quá trình mã hóa thì lại thuộc về các tầng trên. Khi

tầng MAC phát hoặc nhận một khung tin nào đó đƣợc bảo mật, đầu tiên nó sẽ kiểm

tra địa chỉ đích hoặc nguồn của khung tin đó, tìm ra cái khóa kết hợp với địa chỉ

đích hoặc địa chỉ nguồn, sau đó sử dụng cái khóa này để xử lý khung tin theo qui

trình bảo mật mà cái khóa đó qui định. Mỗi khóa key đƣợc kết hợp với một qui

trình bảo mật đơn lẻ. Ở đầu mỗi khung tin của MAC luôn có 1 bit để chỉ rõ khung

tin này có đƣợc bảo mật hay không. Khi phát một khung tin, mà khung tin này yêu

cầu cần đƣợc bảo toàn nguyên vẹn. Khi đó phần đầu khung và phần tải trọng khung

MAC sẽ tính tóan cân nhắc để tạo ra một trƣờng mã hóa tin nguyên vẹn (MIC-

Message Integrity) phù hợp, MIC gồm khoảng 4,8 hoặc 16 octets. MIC sẽ đƣợc gán

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

thêm vào bên phải phần tải trọng của MAC.

Phần thêm vào để mã hóa khung tin

MAC Số khung Số chuỗi Tải trọng MAC

HDR (4 byte) (1 byte) MIC

Hình 1.19. Khung tin mã hóa tầng MAC

Khi khung tin phát đi đòi hỏi phải có độ tin cậy cao, thì biện pháp đƣợc sử

dụng để mã hóa thông tin là số chuỗi và số khung sẽ đƣợc gán thêm vào bên trái

phần tải trọng khung tin MAC. Trong khi nhận gói tin, nếu phát hiện thấy MIC thì

lập tức nó sẽ kiểm tra xem khung tin nào bị mã hóa để giải mã. Cứ mỗi khi có một

bản tin gửi đi thì thiết bị phát sẽ tăng số đếm khung lên và thiết bị nhận sẽ theo dõi

căn cứ vào số này. Nhờ vậy nếu nhƣ có một bản tin nào có số đếm khung tin đã bị

nhận dạng một lần thì thiết bị nhận sẽ bật cờ báo lỗi bảo mật. Bộ mã hóa của tầng

MAC dựa trên ba trạng thái của hệ thống.

- Để bảo đảm tính nguyên vẹn: mã hóa sử dụng AES với bộ đếm CTR

- Để bảo đảm tính tinh cậy: mã hóa sử dụng AES với chuỗi khối mã CBC-

MAC.

- Để đảm bảo tính tin cậy cũng nhƣ nguyên vẹn của bản tin thì kết hợp cả hai

trạng thái CTR và CBC-MAC trên thành trạng thái CCM.

Tầng mạng cũng sử dụng chuẩn mã hóa AES. Tuy nhiên khác với tầng điều

khiển dữ liệu MAC, bộ mã hóa của tầng mạng làm việc dựa trên trạng thái CCM*

của hệ thống. Trạng thái này thực chất là sự cải biên từ CCM của tầng MAC, nó

thêm vào chuẩn mã hóa này các chức năng là chỉ mã hóa tính tin cậy và chỉ mã hóa

tính nguyên vẹn. Sử dụng CCM* giúp làm đơn giản hóa quá trình mã hóa dữ liệu

của tầng mạng, các chuỗi mã hóa này có thể dùng lại khóa key của chuỗi mã hóa

khác. Nhƣ vậy thì khóa key này không hoàn toàn còn là ranh giới của các chuỗi mã

hóa nữa. Khi tầng mạng phát hoặc nhận một gói tin đƣợc mã hóa theo qui ƣớc bởi

nhà cung cấp dịch vụ, nó sẽ kiểm tra địa chỉ nguồn hoặc đích của khung tin để tìm

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

ra khóa key liên quan tới địa chỉ đó, sau đó sẽ áp dụng bộ mã hóa này giải mã hoặc

mã hóa cho khung tin. Tƣơng tự nhƣ quá trình mã hóa tầng MAC, việc điều khiển

quá trình mã hóa này đƣợc thực hiện bởi các tầng cao hơn, các số đếm khung và

MIC cũng đƣợc thêm vào để mã hóa khung tin.

Phần thêm vào để mã hóa khung tin

MAC NWK Số khung Tải trọng tầng mạng

HDR HDR (4 byte) MIC

Hình 1.20. Khung tin mã hóa tầng mạng

1.3.3.4 Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4

Lớp ứng dụng của ZIGBEE/IEEE802.15.4 thực chất gồm các ba tầng nhƣ

hình vẽ trên, các tầng này tƣơng ứng với các tầng phiên, trình diễn và ứng dụng

trong mô hình OSI 7 tầng.

Trong ZIGBEE/IEEE 802.15.4 thì chức năng của tầng Application

Framework là:

- Dò tìm ra xem có nốt hoặc thiết bị nào khác đang hoạt động trong vùng phủ

sóng của thiết bị đang hoạt động hay không.

- Duy trì kết nối, chuyển tiếp thông tin giữa các nốt mạng. Chức năng của

tầng Application Profiles là:

- Xác định vai trò của các thiết bị trong mạng. (thiết bị điều phối mạng, hay

thiết bị đầu cuối, FFD hay RFD….)

- Thiết lập hoặc trả lời yêu cầu kết nối.

- Thành lập các mối quan hệ giữa các thiết bị mạng.

- Chức năng của tầng Application là thực hiện các chức năng do nhà sản xuất

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

qui định (giao diện…) để bổ sung thêm vào các chức năng do ZigBee qui định.

1.4 Kết luận chƣơng

Nhƣ vậy trong chƣơng này, chúng ta tổng quan về

quản lý giám sát thiết bi điện, đi sâu vào phân tích

các thuật toán định tuyến của Zigbee/IEEE

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

802.15.4 .

CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

Trong chƣơng này, ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý, nguyên tắc hoạt động

của hệ thống giám sát nhiệt độ, báo cháy, hệ thống đo rò rỉ khí ga, hệ thống

điều khiển thiết bị điện từ xa, hệ thống chống trộm và từ đó làm nền tản để

thiết kế mô hình thực nghiệm.

2.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ và báo cháy

2.1.1 Khái quát

Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự động phát hiện và thông báo

địa điểm cháy (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738-2001). Hệ thống báo cháy tự

động bao gồm: trung tâm báo cháy, các đầu báo cháy (tổ hợp chuông, đèn, nút ấn)

và các thiết bị ngoại vi khác...

2.1.2 Nhiệm vụ

Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời

trong vùng hệ thống đang bảo vệ.

Tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các tín hiệu điều khiển các

thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy tự động nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể

nào đó.

Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói thì nó

còn có nhiệm vụ quan trọng hơn là “cảnh báo”, tức là phát hiện và thông báo sự sắp

cháy, sự cháy âm ỉ chƣa có ngọn lửa.

2.1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động

 Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo nguyên lý làm việc của đầu báo

cháy có:

Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói: là hệ thống báo

cháy tự động làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy khói. Hệ thống

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

này chủ yếu phát hiện ra sự gia tăng nồng độ khói ở trong khu vực bảo vệ.

Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy nhiệt: là hệ thống báo

cháy tự động làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy nhiệt. Hệ

thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi nhiệt độ ở trong khu vực bảo vệ.

Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy ánh sáng (lửa): làm

việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy lửa. Hệ thống này chủ yếu phát

hiện ra nồng độ tăng cƣờng ánh sáng của ngọn lửa trong khu vực bảo vệ.

Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy hỗn hợp: là hệ thống

làm việc dựa trên nguyên lý làm việc của đầu báo cháy hỗn hợp nhƣ đầu báo cháy

nhiệt và khói, đầu báo cháy nhiệt và lửa. Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay

đổi các yếu tố môi trƣờng trong khu vực bảo vệ.

 Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo đặc điểm kỹ thuật của

hệ thống báo cháy.

Hệ thống báo cháy tự động theo vùng (hệ thống báo cháy tự động thông

thƣờng - Couventional fire alarm system): là hệ thống báo cháy tự động có chức

năng báo cháy tới một khu vực, một địa điểm (có thể có một hoặc nhiều đầu báo

cháy). Diện tích bảo vệ của một khu vực có thể từ vài chục đến 2000 m2 (tuỳ thuộc

đặc điểm khu vực đó).

Hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ (Addressable fire alarm system)

Là hệ thống báo cháy tự động có khả năng báo cháy chính xác đến từng vị trí

từng đầu báo riêng biệt (từng địa chỉ cụ thể). Diện tích bảo vệ của một địa chỉ báo

cháy chỉ giới hạn trong khoảng vài chục mét vuông (tuỳ thuộc vào từng loại đầu báo

cháy). Hệ thống báo cháy tự động thông minh: Với sự phát triển khoa học công

nghệ, hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ đã phát triển thành hệ thống báo cháy

thông minh (Intelligent fire alarm system). Đây là hệ thống báo cháy tự động ngoài

chức năng báo cháy thông thƣờng theo địa chỉ, nó còn có thể đo đƣợc một số thông

số về môi trƣờng của khu vực nơi lắp đặt đầu báo cháy nhƣ nhiệt độ, nồng độ

khói,… và có thể thay đổi đƣợc ngƣỡng tác động của đầu báo cháy theo yêu cầu của

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nhà thiết kế và lắp đặt. Trong thực tế thƣờng dùng cách phân loại này.

2.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động

2.1.4.1 Các trạng thái làm việc của hệ thống báo cháy tự động

 Trạng thái thƣờng trực (khi không có cháy)

 Trạng thái báo cháy

 Trạng thái sự cố

2.1.4.2 Nguyên lý làm việc

 Bình thƣờng toàn bộ hệ thống ở chế độ trực. Ở chế độ này trung tâm báo

cháy luôn có tín hiệu kiểm tra sự làm việc đến các thiết bị trong hệ thống đồng thời

các đầu báo cháy địa chỉ, modul… cũng có tín hiệu hồi đáp về trung tâm. Định kỳ,

theo thời gian (tuỳ đặt) trung tâm sẽ in tình trạng của hệ thống và thông tin về các

thiết bị cần bảo dƣỡng. Trong mạch luôn có dòng điện Io chạy qua.

 Trong chế độ giám sát nếu trung tâm nhận đƣợc tín hiệu báo lỗi từ các

thiết bị hoặc không nhận đƣợc tín hiệu hồi đáp từ các thiết bị thì trung tâm sẽ

chuyển sang chế độ sự cố. Mọi thông tin về sự cố sẽ đƣợc hiển thị trên màn hình

tinh thể lỏng LCD. Khi lỗi đƣợc khắc phục chế độ sự cố sẽ kết thúc và tự đƣa hệ

thống về chế độ giám sát bình thƣờng.

 Khi cháy xảy ra ở các khu vực bảo vệ, các yếu tố môi trƣờng sự cháy (nhiệt

độ, khói, ánh sáng) thay đổi sẽ tác động lên các đầu báo cháy. Khi các yếu tố này

đạt tới ngƣỡng làm việc thì các đầu báo cháy sẽ làm việc tạo ra tín hiệu truyền về

trung tâm (gồm tín hiệu báo cháy và tín hiệu báo địa chỉ của thiết bị báo cháy). Tại

trung tâm báo cháy sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo chƣơng

trình đã cài đặt để đƣa ra tín hiệu thông báo khu vực xảy ra cháy qua loa trung tâm

và màn hình tinh thể lỏng LCD. Đồng thời các thiết bị ngoại vi tƣơng ứng sẽ kích

hoạt để phát tín hiệu báo động cháy và thực hiện các nhiệm vụ đã đề ra.

 Trong trƣờng hợp trung tâm báo cháy có cài đặt thêm chức năng giám sát

các thiết bị khác thì khi có sự có thay đổi về trạng thái của thiết bị (Ví dụ: bơm chữa

cháy hoạt động, công tắc dòng chảy hoạt động…) thì hệ thống sẽ chuyển sang thông

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

báo thiết bị cần giám sát thay đổi trạng thái. Thông tin về sự thay đổi này sẽ hiển thị

trên màn hình tinh thể lòng của trung tâm. Chế độ này cũng sẽ tự kết thúc nếu các

thiết bị cần giám sát trở về vị trí bình thƣờng.

2.1.4.3 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738 – 2001 “Hệ thống báo cháy tự động

yêu cầu thiết kế” có quy định HT BCTĐ phải đáp ứng các yêu cầu sau:

 Phát hiện cháy nhanh chóng theo chức năng đã đƣợc đề ra.

 Chuyển tín hiệu cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những ngƣời xung

quanh có thể thực hiện ngay những biện pháp thích hợp.

 Có khả năng chống nhiễu tốt (nhiễu thƣờng xảy ra khi dây dẫn tín hiệu

nằm trong vùng có điện trƣờng mạnh hoặc khi dây dẫn đặt cạnh dây điện). Nhƣ vậy

để chống nhiễu có thể sử dụng dây tín chống nhiễu hoặc dây tín hiệu thông thƣờng

nhƣng phải đƣợc đi trong ống kim loại.

 Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trƣờng hợp sự cố của hệ thống.

 Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trƣớc khi phát hiện

ra cháy .

 Hệ thống phải hoạt động liên tục trong mọi điều kiện (nguồn AC, DC)

 Việc lắp đặt các đầu báo cháy với trung tâm báo cháy phải chú ý đến sự

phù hợp của hệ thống (Điện áp cấp cho đầu báo cháy, dạng tín hiệu báo cháy,

phƣơng pháp phát hiện ra sự cố…).

 Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy. Hệ thống này phải thực hiện

đầy đủ các chức năng đã đƣợc đề ra mà không xảy ra sai sót .

 Những tác động bên ngoài gây ra sự cố cho một bộ phận của hệ thống

không đƣợc gây ra những sự cố tiếp trong hệ thống.

 Hệ thống báo cháy tự động ngoài đáp ứng những yêu cầu trên thì các bộ

phận của hệ thống cũng cần phải đáp ứng những yêu cầu riêng của nó theo đúng

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nhƣ tiêu chuẩn đã đề ra

2.1.5 Khái niệm – nhiệm vụ của đầu báo cháy

2.1.5.1 Khái niệm

Đầu báo cháy là thiết bị cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của các yếu tố

môi trƣờng khi cháy nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói, để tạo ra các tín hiệu

truyền về trung tâm khi giá trị của các yếu tố môi trƣờng đạt một giá trị nhất định

(ngƣỡng).

2.1.5.2 Nhiệm vụ của đầu báo cháy

Đầu báo cháy có nhiệm vụ: tạo ra tín hiệu điện để truyền về trung tâm khi

các yếu tố của môi trƣờng xung quanh đầu báo đạt 1 giá trị nhất định. Có thể coi

đầu báo cháy nhƣ 1 thiết bị giao tiếp giữa các yếu tố môi trƣờng của sự cháy với hệ

thống tự động báo cháy.

Đầu báo cháy chỉ thực hiện đƣợc nhiệm vụ của mình khi các yếu tố môi

trƣờng của sự cháy nằm trong diện tích bảo vệ của nó đạt đến ngƣỡng làm việc.

Tín hiệu điện mà đầu báo háy tạo ra chủ yếu dƣới 2 dạng chính :

 Tín hiệu đóng hoặc mở tiếp điểm .

 Tín hiệu biến thiên đột ngột về giá trị của dòng điện .

Tuỳ thuộc vào từng loại đầu báo cháy mà tín hiệu điện nó tạo ra là khác nhau.

2.1.5.3 Phân loại đầu báo cháy tự động

 Theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy :

Đầu báo cháy nhiệt: hoạt động dựa trên sự biến đổi của yếu tố nhiệt độ.

Đầu báo cháy khói: hoạt động dựa trên sự biến đổi nồng độ khói.

Đầu báo cháy lửa: nhạy cảm với ánh sáng (ánh lửa).

Đầu báo cháy hỗn hợp: hoạt động dựa trên sự biến đổi của 2 trong 3 yếu

tố trên.

 Phân loại theo điều kiện cung cấp năng lƣợng: chia thành 2 loại:

Đầu báo cháy chủ động: không cần cung cấp năng lƣợng cho đầu báo,

nó vẫn hoạt động.

Đầu báo cháy thụ động: thƣờng xuyên phải cung cấp năng lƣợng cho

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đầu báo.

 Phân loại theo đặc điểm kỹ thuật

Đầu báo cháy thƣờng: thƣờng dùng cho hệ thống báo cháy theo vùng.

Đầu báo cháy địa chỉ: thƣờng dùng cho hệ thống báo cháy địa chỉ.

 Phân loại theo chế độ hoạt động

Đầu báo cháy cực đại.

Đầu báo cháy vi sai.

Đầu báo cháy cực đại – vi sai.

2.1.5.4 Cấu tạo và nguyên lý của đầu báo cháy

 Cấu tạo:

Tuỳ thuộc vào từng loại đầu báo cháy, vào nguyên lý làm việc, mà các

đầu báo cháy có cấu tạo khác nhau. Nhƣng nhìn chung đầu báo cháy bao gồm các

bộ phận sau đây:

Bộ phận cảm biến : Đây là bộ phận quan trọng nhất của đầu báo cháy.

Nó cảm nhận đƣợc sự thay đổi của các yếu tố môi trƣờng và biến đổi sự thay đổi đó

thành dạng tín hiệu điện khi các yếu tố này đạt đến 1 giá trị thích hợp đã đƣợc cài

đặt sẵn. Với mỗi loại đầu báo cháy khác nhau thì bộ phận cảm biến là khác nhau.

Bộ phận mạch tín hiệu: là một mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu

từ bộ phận cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn.

Vỏ - đế: là bộ phận bảo vệ và cố định đầu báo cháy ở khu vực cần bảo

vệ.

 Nguyên lý chung:

Khi xảy ra cháy các yếu tố môi trƣờng sẽ bị thay đổi. Các yếu tố này sẽ tác

động lên đầu báo cháy và đầu báo cháy làm việc tạo ra tín hiệu điện truyền về trung

tâm.

2.2 Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga

Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga gồm bộ điều khiển trung tâm thông thƣờng

tích hợp cảm biến rò khí ga bên trong nhỏ gọn để dễ lắp đặt và sử dụng. Thiết bị

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

hoạt động dựa trên nguyên tắc đo liên tục nồng độ khí ga trong không khí. Khi nồng

độ khí ga đạt ngƣởng nguy hiểm ( 300 ppm ) hệ thống sẽ cảnh báo bằng còi, đèn

báo, hay gọi điện đến ngƣời sử dụng qua số điện thoại đƣợc cài sẵn.

Cảm biến khí carbon monoxide (hay báo động rò gas) và các cảm biến báo

cháy, thƣờng những thiết bị này có thể đƣợc kết nối với bộ điều khiển trung

tâm. Cảm biến dò Carbon monoxide theo dõi cháy, rò rỉ khí gas độc hại. Khí này

không mùi, không vị và không thể nhìn thấy. Nếu không đƣợc phát hiện có thể có

khả năng gây nguy hiểm . Với một thiết bị báo khói giám sát ngăn ngừa hỏa hoạn,

đƣa ra cảnh báo sớm cho ngƣời sử dụng .

2.3 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa

2.3.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống

Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa cho phép ngƣời sử dụng bật tắt nguồn

thiết bị điện từ khoảng cách xa thông qua bộ phận truyền tin hữu tuyến hoặc vô

tuyến giữa thiết bị phát lệnh điều khiển ( thiết bị phát ) và thiết bị chấp hành lệnh

( thiết bị thu ).

2.3.2 Kết cấu bản tin điều khiển

Trong hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa độ tin cậy truyền dẫn tin tức có

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

quan hệ rất nhiều đến kết cấu và phƣơng thức truyền bản tin . Ở đây phƣơng thức

truyền tin phải phù hợp đảm bảo toàn vẹn bản tin, dung lƣợng truyền lớn và tốc độ

nhanh.

2.3.3 Kết cấu hệ thống

Do hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa có đƣờng truyền xa nên yêu cầu

Thiết bị thu

Đƣờng truyền

Thiết bị phát

kết cấu hệ thống phải đảm bảo tín hiệu đƣợc truyền đi chính xác nhanh chóng

Hình 2.2. Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa

 Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức tín hiệu điện và phát đi.

 Đƣờng truyền: đƣa tín hiệu tin tức từ thiết bị phát đến thiết bị thu.

 Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đƣờng truyền, biến đổi ngƣợc lại tin tức

thành lệnh điều khiển và thực hiện chấp hành theo lệnh điều khiển.

2.4 Hệ thống chống trộm

Hệ thống chống trộm gồm một bộ điều khiển trung tâm đƣợc liên kết với các

cảm biến đặt trong khu vực cần quản lý. Các cảm biến có thể liên kết với hệ thống

sử lý trung tâm qua hệ thống truyền dữ liệu hữu tuyến hoặc vô tuyến. Các cảm biến

này thƣờng dùng: cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến từ ….Bộ điều

khiển trung tâm sẽ nhận các thông tin đƣợc thu thập từ cảm biến để xử lý, tùy vào

ngƣời lập trình mà bộ điều khiển trung tâm sẽ đƣa ra các phản ứng khác nhau để

cảnh báo và thông báo đến ngƣời sử dụng. Thiết bị cảnh báo thƣờng là loa, còi, điện

thoại …Ngoài ra, hệ thống còn đƣợc tích hợp thêm các chức năng phụ nhƣ pin dự

phòng khi mất điện, tắt bật hệ thống điện hay kết nối với các hệ thống thông minh

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

khác.

Hình 2.3. Hệ thống chống trộm tiêu biểu

 Các loại cảm biến dùng trong hệ thống chống trộm:

Cảm biến báo động đơn giản, phổ biến nhất là các bộ cảm biến báo

động cửa. Cảm biến tƣơng tự có thể đƣợc lắp vào cửa sổ. Nó thƣờng dựa trên

chuyển mạch cộng từ khi bạn mở và đóng cửa. Một mô-đun từ tính đƣợc gắn

vào cánh cửa và các mô-đun chuyển đổi đƣợc gắn dọc vào khung cửa. Bảng

điều khiển sẽ đƣợc thông báo nếu cửa bị mở, hay bị phá hủy để nó kích hoạt các

hành động tiếp theo. Thƣờng là kích hoạt âm thanh báo động ngay lập tức hoặc trì

hoãn báo động với một khoảng thời gian xác định. Sự trễ này là để cho phép ngƣời

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

sử dụng vào nhà và tắt báo động nếu là báo động giả.

Hình 2.4. Cảm biến từ phát hiện mở cửa

Cảm biến chuyển động PIR là một loại cảm biến thụ động, nguồn kích

thích là tia hồng ngoại. PIR cảm biến phát hiện chuyển động bằng cách cảm nhận

sự thay đổi nhiệt độ. Vì vậy, khi có ngƣời đi vào một căn phòng, cảm biến sẽ ngay

lập tức phát hiện sự hiện diện của ngƣời đó. PIR cảm biến đƣợc thiết kế để kích

hoạt với những thay đổi nhanh chóng của nhiệt - trong một vài giây. Chúng không

đáp ứng với những thay đổi tinh tế dƣới ánh sáng mặt trời, chúng có thể cho kích

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

hoạt báo động sai.

Hình 2.5. Cảm biến chuyển động PIR

Cảm biến ánh sáng: là loại cảm biến thụ động nguồn kích thích là ánh

sáng cảm biến đo cƣờng độ sáng và chuyển thành tín hiệu điện (dòng điện hoặc điện

áp ) sau đó tín hiệu điện đƣợc khuếch đại và qua mạch so sánh mức ngƣỡng để xuất

tín hiệu điều khiển.

2.5 Kết luận chƣơng

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

ị

CHƢƠNG 3 - NGHIÊN CỨU PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER

Trong chƣơng này, ta sẽ đƣa đề xuất cơ bản về mô hình hệ thống giám

sát điều khiển thiết bị điện. Giới thiệu về trình biên dịch Arduino, tìm hiểu về

chức năng, nguyên lý các bản mạch và linh kiện điện tử dùng để thiết kế mô

hình thực nghiệm.

3.1 Mô hình hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện

 Giới thiệu về mô hình

Trong mô hình, bộ điều khiển đƣợc đặt trong một mạng LAN (và coi

nhƣ một phần tử trong mạng) trong mạng gồm 1 SWITCH, 1 DHCP Server và bao

gồm nhiều máy trạm (các máy PC) có cài chƣơng trình duyệt WEB, các phần mềm

duyệt web phổ biến là IE (Internet Explorer), FireFox,...

Khi kết nối cáp mạng vào switch, thì hệ thống địa chỉ IP . Hệ

thống này đóng vai trò nhƣ một Mini Web Server, tất cả các máy trong mạng có yêu

cầu Web đến địa chỉ IP của bộ điều khiển đều đƣợc trả về dƣới dạng 1 trang WEB.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 3.1. Mô hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa

ệ thống sẽ đọc giá trị các cảm biến, đọc trạng thái các thiết

bị điện

tr và điều

khiển trạng thái ON/OFF của thiết bị điện

đến (tƣơng đƣơng với các khối

ngoại vi), hiển thị thông điệp đăng nhập để điều khiển hệ thống lên màn hình

GLCD. Nhƣ vậy, tất cả các máy trong mạng, dù bất kỳ ở đâu cũng đều nhận đƣợc

thông tin và điều khiển đƣợc nhờ một trình duyệt web sẵn có.

3.2 Giới thiệu về Arduino và trình biên dịch [ 10 ]

3.2.1 Giới thiệu chung về Arduino

 Arduino đã thực sự gây sóng gió trên thị trƣờng ngƣời dùng DIY ( là

những ngƣời chế ra sản phẩm của mình ) trên toàn thế giới trong vài năm gần

đây. Số lƣợng ngƣời dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ

thông đến bậc đại học đã làm cho chính những ngƣời tạo ra chúng phải ngạc

nhiên về mức độ phát triển và phổ biến.

 Arduino là gì mà khiến cả những sinh viên và các nhà nghiên cứu tại

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

các trƣờng đại học danh tiếng nhƣ MIT, Stanfor, Carnegie Mellon phải sử dụng.

Ngay cả Google cũng hỗ trợ khi cho ra đời bộ kít Arduino Mega ADK dùng để phát

triển các thiết bị Android tƣơng tác với cảm biến và thiết bị khác.

 Arduino thực sự là một bo mạch vi xử lý đƣợc dùng để lập trình tƣơng

tác các thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, đèn và thiết bị khác. Điểm nổi

trội của Arduino là môi trƣờng phát triển ứng dụng cực kì dễ sử dụng với ngôn ngữ

lập trình dễ học ngay cả với ngƣời ít rành về điện tử và lập trình. Điều làm nên hiện

tƣợng Arduino là mức giá rất thấp và mã nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm.

Chỉ với khoảng 30USD ngƣời dùng có thể sở hữu một bo Arduino với 20 ngõ

In/Out có thể tƣơng tác điều khiển từng ấy thiết bị.

 Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nƣớc Ý và đặt theo tên một vị

vua vào thế kỷ thứ IX là King Arduin. Arduino đƣợc chính thức ra đời vào năm

2005 nhƣ là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sƣ Massimo

Banzi là một trong những ngƣời phát triển Arduino tại trƣờng Design Instistute

Ivrea ( IDII ).

3.2.2 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình và trình biên dịch Arduino

 Thiết kế bo mạch nhỏ gọn trang bị nhiều tính năng thông dụng mạng lại

nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự ở Arduino nằm ở phần mềm

. Môi trƣờng lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Writing dễ hiểu dựa

trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với ngƣời làm kỹ thuật. Và quan trọng là số

lƣợng thƣ viện code mẫu rất phong phú đƣợc viết và chia sẽ bởi cộng đồng mã

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nguồn mở chính ngƣời dùng.

Hình 3.2. Giao diện phần mềm Arduino IDE

 Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình Arduino. Môi trƣờng lập

trình Arduino có thể chạy trên ba nền tảng windown, MAC và Linux. Do có tính

chất mã nguồn mở nên môi trƣờng lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở

rộng thêm bởi ngƣời dùng.

 Ngôn ngữ lập trình có thể mở rộng thông qua các thƣ viện C++ . Và do

ngôn ngữ này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C cho AVR nên ngƣời dùng hoàn toàn có

thể nhúng thêm code viết cho AVR vào chƣơng trình. Hiện nay Arduino IDE có thể

tải về từ trang chủ http://arduino.cc/ bao gồm các phiên bản :

 Arduino 1.0.5

 Arduino 1.5.5 BETA

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

 Arduino IDE cho Intel Galileo

3.3 Giới thiệu về linh kiện và chức năng trong mô hình

3.3.1 Giới thiệu về IC ATMEGA 2560 [ 12 ]

Vi điều khiển ATmega2560 của hãng ATMEL là một loại vi điều khiển

AVR mới với kiến trúc rất phức tạp.

 Đặc điểm

ATmega2560 sử dụng kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer)

AVR.

ATmega2560 với kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lƣợng cao và tiêu thụ

năng lƣợng ít:

130 lệnh hầu hết đƣợc thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.

32 thanh ghi làm việc đa năng.

Tốc độ xử lý lệnh lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16MHz.

Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chƣơng trình không tự mất dữ liệu:

2560K byte bộ nhớ Flash lập trình đƣợc ngay trên hệ thống, có thể

nạp xoá 10000 lần.

4K byte bộ nhớ EEFROM lập trình đƣợc ngay trên hệ thống, có thể

ghi xóa 100000 lần.

8K byte bộ nhớ SRAM.

Có thể giao tiếp với 64K byte bộ nhớ ngoài.

Khóa bảo mật phần mềm lập trình đƣợc.

Giao diện nối tiếp SPI để lập trình ngay trên hệ thống.

Các tính năng ngoại vi:

Hai bộ đếm/ bộ định thời 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách

biệt.

Bốn bộ đếm/ bộ định thời 16 bit với chế độ so sánh, chia tần số tách

biệt và chế độ bắt mẫu (Capture Mode).

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động tách biệt.

Bộ điều chế độ rộng xung PWM 8 bit.

Bộ biến đổi ADC bên trong 8 kênh 10 bit.

4 bộ USART nối tiếp lập trình đƣợc.

Bộ định thời Watchdog lập trình đƣợc với bộ dao động trên chip.

Một bộ so sánh Analog.

Các tính năng vi điều khiển đặc biệt:

Có mạch power - on reset và có thể reset bằng phần mềm.

Các nguồn ngắt ngoài và trong.

Có 6 chế độ ngủ: nghỉ (Idle). Tiết kiệm năng lƣợng (power save) và

power down, ADC Noise Reduction, Standby and Extended Standby.

Tần số làm việc có thể thay đổi đƣợc bằng phần mềm.

Vào ra và các cách đóng vỏ

86 đƣờng vào ra lập trình đƣợc.

100 chân dán kiểu vỏ vuông (TQFP)

Điện thế làm việc:

VCC = 4,5V đến 5,5V đối với ATmega2560.

Vùng tốc độ làm việc: 0 đến 16 MHz đối với ATmega2560.

 Tổng quan về ATmega2560

ATmega2560 là bộ vi điều khiển RISC 8 bit tiêu thụ năng lƣợng nhƣng đạt

hiệu suất rất cao, dựa trên kiến trúc RISC AVR. Bằng việc thực hiện các lệnh trong

một chu kỳ xung nhịp, ATmega2560 đạt đƣợc tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu

lệnh/giây ở tần số 1MHz. ATmega2560 còn cho phép ngƣời thiết kế hệ thống tối ƣu

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

hoá mức độ tiêu thụ năng lƣợng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.

3. Sơ đồ khối của ATmega2560

Kiến trúc đặc biệt của ATmega2560 kết hợp tập lệnh phong phú về số lƣợng

với 32 thanh ghi làm việc đa năng cho phép ngƣời lập trình khai thác nó một cách

hiệu quả tối ƣu. Toàn bộ 32 thanh ghi đều đƣợc nối với ALU cho phép truy cập hai

thanh ghi độc lập bằng 1lệnh đơn trong một chu kỳ xung nhịp. Kiến trúc RISC giúp

ATmega2560 đạt tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần với vi điều khiển kiến trúc CISC

thông thƣờng.

ATmega2560 cung cấp 256K bytes bộ nhớ Flash lập trình đƣợc trong hệ

thống và có khả năng đọc/xóa/viết, 4K bytes bộ nhớ EFPROM, 8K bytes SRAM, 86

đƣờng vào ra đa năng, 32 thanh ghi làm việc đa năng, bộ đếm thời gian thực (RTC),

4 bộ định thời/đếm linh hoạt với chế độ so sánh và điều chế độ rộng xung, 4 bộ

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

USART, bộ ADC 8 kênh 10bit với sự lựa chọn ngõ vào có thể lập trình đƣợc bộ

khuếch đại, bộ định thời watchdog lập trình đƣợc với bộ dao động bên trong, một

cổng nối tiếp SPI, 6 chế độ tiết kiệm năng lƣợng lựa chọn đƣợc bằng phần mềm.

Đặc biệt chế độ Idle làm ngƣng hoạt động của CPU trong khi bộ nhớ SRAM,

các bộ định thời/đếm, cổng SPI và hệ thống ngắt vẫn tiếp tục hoạt động.

Chế độ Power Down lƣu trữ nội dung thanh ghi nhƣng giải phóng bộ dao

động, cấm tất cả các chức năng khác trên chíp cho đến khi xuất hiện một ngắt kế

tiếp hay tín hiệu Reset cứng.

Chế độ Power Save cho phép bộ dao động định thời tiếp tục chạy để cho

phép ngƣời dùng tiếp tục trong khoảng thời gian nào đấy (đặt trƣớc) trong khi

những thiết bị khác ở trong chế độ ngủ.

Chế độ ADC Noise Reduction tất cả các đƣờng I/0 và CPU đều ngƣng hoạt

động ngoại trừ timer và ADC vẫn hoạt động, giảm mức tối thiểu nhiễu trong chuyển

đổi ADC.

Chế độ dự phòng Standby bộ dao động vẫn chạy trong khi những thiết bị ở

trong chế độ ngủ

ATmega2560 đƣợc công ty ATMEL chế tạo với công nghệ bộ nhớ không tự

mất dữ liệu. Bộ nhớ Flash ISP trên chip cho phép bộ nhớ chƣơng trình có thể đƣợc

lập trình lại ngay trên hệ thống, thông qua một giao diện nối tiếp SPI hoặc một bộ

nạp chƣơng trình vào bộ nhớ không tự mất dữ liệu.

Bằng cách kết hợp một CPU 8 bit có kiến trúc RISC với bộ nhớ Flash lập

trình đƣợc trong hệ thống trên một chíp đơn lẻ, ATmega64 là loại vi điều khiển rất

mạnh với tính linh hoạt cao trong sử dụng và chi phí hợp lý đối với nhiều ứng dụng

điều khiên chúng trong thực tế.

ATmega2560 đƣợc hỗ trợ bằng tất cả các công cụ lập trình và phát triển hệ

thống hiện có: trình biên dịch C, trình biên dịch Macro Assembler, trình gỡ rối/mô

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

phỏng và các kits thí nghiệm.

4. Sơ đồ chân ATmega2560

3.3.2 Giới thiệu về IC DS18B20

Những th gần đây đã có một số cảm biến một dây đƣợc giới thiệu với

thị trƣờng, nhƣng về mặt cấu trúc và nguyên lý hoạt động đều có những điểm

chung, cho nên để đơn giản ta tìm hiểu cảm biến một dây thông qua việc tìm hiểu

chi tiết loại cảm biến nhiệt độ một dây DS18B20. DS18B20 là một sản phẩm của

công ty Dallas (Hoa Kỳ), đây cũng là công ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời

bus một dây và các cảm biến một dây. Hình dạng bên ngoài của cảm biến một dây

DS18B20 đƣợc mô tả trên hình 2. Trong đó dạng vỏ TO-92 với 3 chân là dạng

thƣờng gặp và đƣợc dùng trong nhiều ứng dụng, còn dạng vỏ SOIC với 8 chân đƣợc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

dùng để đo nhiệt độ bề mặt, kể cả da ngƣời.

Hình 3.5. Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20

 Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS1820 có thể kể ra một cách tóm

tắt nhƣ sau:

Sử dụng giao diện một dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền

thông.

Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9 bit. Dải đo nhiệt độ -55oC đến 125oC, từng bậc 0,5oC, có thể đạt độ chính xác đến 0,1oC bằng việc hiệu chỉnh qua

phần mềm.

Rất thích hợp với các ứng dụng đo lƣờng đa điểm vì nhiều đầu đo có

thể đƣợc nối trên một bus, bus này đƣợc gọi là bus một dây (1-wire bus) không cần

thêm linh kiện bên ngoài.

Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 3,0 V đến

5,5 V một chiều và có thể đƣợc cấp thông qua đƣờng dẫn dữ liệu.

Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.

Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tƣơng đối nhanh, không quá

200 ms.

Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ

ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân đƣợc khắc bằng tia laze.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Đầu đo nhiệt độ số DS18B20 đƣa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo đƣợc

dƣới dạng mã nhị phân 9 bit. Các thông tin đƣợc gửi đến và nhận về từ DS1820

trên giao diện 1-wire, do đó chỉ cần hai đƣờng dẫn gồm một đƣờng cho tín hiệu và

một đƣờng làm dây đất là đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo. Nguồn nuôi cho

các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể đƣợc trích từ đƣờng tín hiệu, không cần có

thêm đƣờng dây riêng để cấp điện áp nguồn.

Mỗi vi mạch đo nhiệt độ DS18B20 có một mã số định danh duy nhất,

đƣợc khắc bằng laser trong quá trình chế tạo vi mạch nên nhiều vi mạch DS1820

có thể cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không có sự nhầm lẫn. Đặc điểm này

làm cho việc lắp đặt nhiều cảm biến nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau trở nên dễ

dàng và với chi phí thấp. Theo chuẩn 1-wire độ dài tối đa cho phép của bus là 300

m. Số lƣợng các cảm biến nối vào bus không hạn chế.

Để nâng cao độ phân giả lên trên 9 bit ta phải tính toán thêm bằng phần

mềm dựa trên các số liệu lƣu trữ trên các thanh ghi nhiệt độ, COUNT REMAIN và

COUNT PER C trong nhóm các thanh ghi nháp (scratchpad), việc tính toán dựa

theo phƣơng trình sau:

Khi sử dụng phƣơng trình này cảm biến một dây DS18B20 đƣợc nâng

cấp trở thành một cảm biến nhiệt độ có độ phân giải cao.

Bộ nhớ ROM 64–BIT

Mỗi cảm biến nhiệt độ DS18B20 có một dãy mã 64 bit duy nhất đƣợc

lƣu trữ trong bộ nhớ ROM từ khi sản xuất bằng kỹ thuật laze. Ý nghĩa của 64 bit mã

đƣợc giải thích trên hình 3.6:

Hình 3.6. Nội dung dãy mã 64-bit trên bộ nhớ ROM

8 bit đầu tiên là mã định danh họ một dây, mã của DS18B20 là 10h.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Nhƣ vậy dãy mã đƣợc chia ra thành 3 nhóm, trong đó:

48 bit tiếp theo là mã số xuất xƣởng duy nhất, nghĩa là mỗi cảm biến

8 bit có ý nghĩa nhất là byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy

DS18B20 chỉ có một số mã.

check), byte này đƣợc tính toán từ 56 bit đầu tiên của dãy mã trên ROM .

Để truy cập lên cảm biến một dây DS18B20 ta phải sử dụng hai nhóm

lệnh: các lệnh ROM và các lệnh chức năng (function commands) bộ nhớ, các lệnh

này có thể đƣợc mô tả ngắn gọn nhƣ sau:

Sau khi thiết bị chủ (thƣờng là một vi điều khiển) phát hiện ra một

xung presence pulse, nó có thể xuất ra một lệnh ROM. Có 5 loại lệnh ROM, mỗi

lệnh dài 8 bit. Thiết bị chủ phải đƣa ra lệnh ROM thích hợp trƣớc khi đƣa ra một

lệnh chức năng để giao tiếp với cảm biến DS18B20.

Lệnh ROM

- READ ROM (33h)

Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã

định tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xƣởng, 8 bit kiểm tra CRC. Lệnh này chỉ

dùng khi trên bus có 1 cảm biến DS18B20, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus

do tất cả các thiết bị tớ cùng đáp ứng.

- MATCH ROM (55h)

Lệnh này đƣợc gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển

bus chọn ra chỉ một cảm biến DS1820 cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến

DS18B20 cùng nối vào. Chỉ có DS18B20 nào có 64 bit trên ROM trung khớp với

chuỗi 64 bit vừa đƣợc gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo. Còn các

cảm biến DS18B20 có 64 bit ROM không trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung

reset. Lệnh này đƣợc sử dụng cả trong trƣờng hợp có một cảm biến một dây, cả

trong trƣờng hợp có nhiều cảm biến một dây.

- SKIP ROM (CCh)

Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ

của DS18B20 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm đƣợc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

thời gian chờ đợi nhƣng chỉ mang hiệu quả khi trên bú chỉ có một cảm biến.

- SEARCH ROM (F0h)

Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dò tìm đƣợc số lƣợng thành viên

tớ đang đƣợc đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng bằng

một chu trình dò tìm.

- ALARM SEARCH (ECh)

Tiến trình của lệnh này giống hệt nhƣ lệnh Search ROM, nhƣng cảm biến

DS18B20 chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo

nhiệt độ cuối cùng. Điều kiện cảnh báo ở đây đƣợc định nghĩa là giá trị nhiệt độ đo

đƣợc lớn hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và

nhiệt độ thấp nhất đã đƣợc đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến.

Lệnh chức năng bộ nhớ

Sau khi thiết bị chủ (thƣờng là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để

định địa chỉ cho các cảm biến một dây đang đƣợc đấu vào bus, thiết bị chủ sẽ đƣa ra

các lệnh chức năng DS1820. Bằng các lệnh chức năng thiết bị chủ có thể đọc ra và

ghi vào bộ nhớ nháp (scratchpath) của cảm biến DS18B20 khởi tạo quá trình

chuyển đổi giá trị nhiệt độ đo đƣợc và xác định chế độ cung cấp điện áp nguồn. Các

lệnh chức năng có thể đƣợc mô tả ngắn gọn nhƣ sau:

- WRITE SCRATCHPAD (4Eh) :

Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS18B20. Byte

đầu tiên đƣợc ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai đƣợc

ghi vào thanh ghi TL (byte 3 của bộ nhớ nháp). Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên

là bit có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần. Cả hai byte này

phải đƣợc ghi trƣớc khi thiết bị chủ xuất ra một xung reset hoặc khi có dữ liệu khác

xuất hiện.

- READ SCRATCHPAD (BEh) :

Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp. Quá trình đọc bắt

đầu từ bit có ý nghĩa nhấy của byte 0 và tiếp tục cho đến byte rhứ 9 (byte 8 - CRC).

Thiết bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

nếu nhƣ chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần đƣợc đọc.

- COPYSCRATCHPAD (48h) :

Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và TL (byte 2 và byte 3) vào

bộ nhớ EEPROM. Nếu cảm biến đƣợc sử dụng trong chế dộ cấp nguồn l bắt đầu

việc đo.

- CONVERT T (44h) :

Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số

(nhị phân). Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ đƣợc lƣu trữ trên thanh

ghi nhiệt độ 2 byte trong bộ nhớ nháp. Thời gian chuyển đổi không quá 200ms,

trong thời gian đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều

bằng 0.

- READ POWER SUPPLY (B4h) :

Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS18B20 đang sử dụng chế độ

cấp nguồn nhƣ thế nào, giá trị đọc đƣợc bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đƣờng

dẫn dữ liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đƣờng dẫn riêng.

Đến đây ta có thể thấy là việc sử dụng các lệnh vừa trình bày là một công

việc không đơn giản, nhất là với những bạn đọc chƣa từng tìm hiểu về kỹ thuật vi

xử lý. Cũng vì vậy mà trong khuôn khổ một bài viết ta chƣa thể hiểu hể cách làm

chủ hoạt động của một cảm biến một dây.

3.3.3 Giới thiệu về IC ATMEGA 16 [ 12 ]

Loại vi điều khiển họ AVR RISC là do công ty Atmel sản suất, với kiến trúc

RISC (Reduce Instruction Set Computer). Với những ƣu điểm đƣợc nêu ra sau đây,

loại chip này đang đƣợc dùng rộng dãi trong các hệ thống nhúng.

 Các đặc điểm chính:

- Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ

nhớ nạp – lƣu trữ và 32 thanh nghi đa năng.

- Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: cổng vào/ra số, bộ

biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM),

…

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

- Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.

- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 16 MHz tuỳ thuộc

từng loại chip cụ thể.

- Bộ nhớ chƣơng trình va bộ nhớ dữ liệu đƣợc tích hợp ngay trên chip.

- Khả năng lập trình đƣợc trong hệ thống, có thể lập trình đƣợc ngay khi

đang đƣợc cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch.

- Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C

Sau đây là các đặc tính của loại vi điều khiển Atmega16.

 :

Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lƣợng ít.

Kiến trúc RISC

131 lệnh mạnh, hầu hết các lênh thực hiện trong một chu kỳ.

32 Thanh ghi 8-bit đa năng.

Tốc độc thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây với tần số 16MHz.

Có 2 bộ nhân, mỗi bộ thực hiện trong thời gian 2 chu kỳ.

Các bộ nhớ chƣơng trình và dữ liệu cố định

16 Kb bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống có thể thực

hiện đƣợc 10.000 lần ghi/xoá.

Vùng mã Boot tuỳ chọn với những bit khoá độc lập lập trình trên

trong hệ thống bởi chƣơng trình on-chip Boot.

Thao tác đọc trong khi nghi thực sự.

512 bytes EEFROM

Có thể thực hiện 100.000 lần ghi /xoá

1Kb SRAM bên trong

Lập trình Khoá an ninh phần mềm

Ghép nối ngoại vi

2 bộ định thời/ bộ đếm 8 bit với các chế độ tỷ lệ định trƣớc và chế độ

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

so sánh.

1 bộ định thời/ bộ đếm 16 bit với các chế độ tỷ lệ định trƣớc riêng

biệt, chế độ so sánh và chế độ bắt giữ.

Bộ thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt

4 kênh PWM

8 kênh, ADC 10 bit

Giao điện nối tiếp 2 dây hƣớng tới byte

Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình

Giao diện SPI chủ / tớ

Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt

Máy so mẫu tƣơng tự bên trong

Ngắt và đánh thức theo sự thay đổi của các chân.

Các đặc điểm đặc biệt khác.

Power-on Reset và dò Brown-out khả trình.

Bộ tạo dao động đƣợc định cỡ bên trong.

Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài.

5 chế độ ngủ: nhàn rỗi, giảm ồn ADC, tiết kiệm năng lƣợng, giảm

năng lƣợng tiêu thụ, chờ.

I/O và các loại.

32 đƣờng I/O khả trình.

Điện áp hoạt động.

1.8 – 5.5 V

Nhiệt độ hoạt động: -40oC-85oC

Các tốc độ.

0-4 MHz khi điện áp 1.8-5.5V, 0-16 MHz khi điện áp 4.5-5.5V

Tiêu thụ năng lƣợng tại 1 MHz, 3V, 25oC đối với ATmega16L.

Hoạt động tích cực:

1MHz, 1.8V: 240 A

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

32 kHz, 1.8V: 15 A (bao gồm cả bộ dao động)

Chế độ năng lƣợng thấp: 1 A khi điện áp 1.8V

Hình 3.7. Sơ đồ khối vi điều khiển AVR

Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với các thanh ghi đa năng 32

bit. Tất cả các thanh ghi 32 bit này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic

(ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập đƣợc truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu

kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thƣờng.

Với các tính năng đã nêu, chế độ nghỉ (Idle) CPU trong khi cho phép bộ

truyền tin nối tiếp đồng bộ USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ

đếm bộ định thời, cổng SPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động. Chế độ Power-

down lƣu giữ nội dung của các thanh ghi nhƣng làm đông lạnh bộ tạo dao động,

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi có ngắt ngoài hoặc là reset phần

cứng. Chế độ Power-save đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chƣơng trình sử

dụng giữ đƣợc đồng bộ thời gian nhƣng các thiết bị còn lại là ngủ. Chế độ ADC

Noise Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại ngoại trừ đồng hồ đồng bộ

và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi ADC đang hoạt động. Trong chế

độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hƣởng) chạy trong khi các thiết

bị còn lại ngủ. Các điều này cho phép bộ vi điều khiển khởi động rất nhanh trong

chế độ tiêu thụ công suất thấp.

Thiết bị đƣợc sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của

Atmel. Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giao diện

SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố đinh truyền thống hoặc bởi chƣơng trình On-chip

Boot chạy trên lõi AVR. Chƣơng trình boot có thể sử dụng bất cứ giao điện nào để

download chƣơng trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng dụng. Phần mềm trong

vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng Application Flash đƣợc cập nhật,

cung cấp thao tác Read-While-Write thực sự. Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC

CPU với In-System Self-Programmable Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip Atmel

Atmega16 là một bộ vi điều khiển mạnh có thể cung cấp giải pháp có tính linh động

cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng. Atmega16 AVR đƣợc hỗ

trợ bởi bộ chƣơng trình đầy đủ và các tool để phát triển hệ thống, báo gồm: Bộ biên

dịch C, macro assemblers, program debugger/simulators, in-circuit emulators và

evaluation kits.

3.3.4 [ 11 ]



 Hỗ



Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

 – 5,5V

2



Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

8. S

9. S

3.3.5 Giới thiệu về IR

PIR ( Pasive InfraRed sensor ) là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

3.10. H

3.10

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

- , ạy

1. N



Nguyên

. Khi c

ẽ

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

ẽ

2. M

-2 3.3.6

khi

- -

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 3.13. Sơ đồ cảm biến rò rỉ khí ga MQ2

 Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó:

Aout: điện áp ra tƣơng tự. Nó chạy từ 0.3à4.5V, phụ thuộc vào nồng độ

Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và

khí xung quang MQ2.

Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản,

nồng độ khí mà MQ2 đo đƣợc.

không cần đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng

độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo đƣợc thấp hơn mức cho phép thì Dout =

1, đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo đƣợc lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn

Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc

led sáng.

Một điều khó khăn khi làm việc với MQ-2 là chúng ta khó có thể quy từ

điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị

điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hƣởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.

thiết bị cảnh báo khác.

Trong thiết bị của mình, để xác định điểm cảnh báo mình làm khá thủ

Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu đƣợc Vout1

Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ ra, ta thấy giá trị Aout tăng lên. Khi đạt

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

công.

khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý rồi tƣơng ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy

hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2. Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngƣỡng cảnh báo, nếu

Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2.

giá trị đo đƣợc lớn hơn ta sẽ cảnh báo

Bảng 3.1. T -2

MQ-2 Semiconductor Bakelite(Black Bakelite) Combustible gas and smoke 300-10000 ppm

Model No. Sensor type Standard Encapsulation Detection Gas Concentration

Circuit

Character

Vc VH RL RH PH Rs S α

≤ 24VDC 5.0 ± 0.2V AC or DC Adjustable 31Ω ± 3Ω Room Tem ≤ 900 mW 2KΩ - 20KΩ (in 2000ppm C3H8 Rs in art/rs( ≤ 0.6(R5000ppm/R3000ppm CH4

Condition

Loop Voltage Heater Voltage Load Resistance Heater Resistance Heater consumption Sensing Resistance Sensitivity Slope Tem. Humidity Standard test circuit Preheart time

Enable Vc 5.0 ±0.1 Over 48 hours

3.3.7

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

3.14. B



5. C

3.3.8 Giới thiệu về IC W5100 [ 11 ]

 p giao ( TCP, UDP, IPv4ARP,

IGMP, PPPoE, Ethernet )



Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải



 S



 - 5V



Miêu tả một số thanh ghi:

MR (Mode Register) [R/W] [0x0000] [0x00]: là thanh ghi dùng để S/W

reset, kiểm tra mode bộ nhớ, mode ngắt kết nối, mode PPPoE và bus I/F.

GWR (Gateway IP Address Register) [R/W] [0x0001 – 0x0004] [0x00]: là

thanh ghi để cài đặt địa chỉ Gateway.

SUBR (Subnet Mask Register) [R/W] [0x0005 – 0x0008] [0x00]: là thanh

ghi để cài đặt địa chỉ Subnet Mask.

SHAR (Source Hardware Address Register) [R/W] [0x0009 – 0x000E]

[0x00]: là thanh ghi để cài đặt địa chỉ Source Hardware .

SIPR (Source IP Address Register) [R/W] [0x000F – 0x0012] [0x00]: là

thanh ghi để cài đặt địa chỉ IP.

IR (Interrupt Register) [R] [0x0015] [0x00]: là thanh ghi dùng để xử lý nhiều

trƣờng hợp còn gọi là ngắt.

IMR (Interrupt Mask Register) [R/W] [0x0016] [0x00]: thanh ghi mặt nạ

ngắt.

Miêu tả các chức năng

a. Cài đặt thông tin ban đầu

Để điều khiển đƣợc W5100 thì phải lựa chọn và sử dụng các thanh ghi

thích hợp nhƣ sau:

Thanh ghi cách thức (MR)

Thanh ghi mặt nạ ngắt (IMR)

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Thanh ghi khởi tạo thời gian (RTR)

Thanh ghi đếm(RCR)

b. Cài đặt về thông tin mạng

Thanh ghi dƣới đây là cấu hình của một mạng cơ bản và tùy thuộc vào môi

trƣờng mạng.

Thanh ghi địa chỉ Gateway (GAR)

Thanh ghi địa chỉ phần cứng (SHAR)

Thanh ghi Subnet Mask (SUBR)

Thanh ghi địa chỉ IP (SIPR)

Truyền thông dữ liệu

Việc kết nối dữ liệu đƣợc thông qua TCP, UDP, IP-Raw và MAC-Raw.

Đúng ra, việc lựa chọn kết nối là một dải các giao thức của các khe cắm kết

nối.(W5100 cung cấp cho 4 khe cắm ).

a. TCP

TCP là một phƣơng pháp kết nối cơ bản trong đó nó cho phép thiết lập kết

nối trong một yêu cầu nhất định và việc chuyển giao dữ liệu kết nối bằng địa chỉ IP

và số cổng của hệ thống.

Có 2 phƣơng pháp để thiết lập kết nối:

Server đợi đến khi có yêu cầu kết nối

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Client gửi yêu cầu kết nối tới Server

Hình 3.16. Phƣơng pháp kết nối TCP

b. UDP

UDP (User Datagram Protocol) là một trong những giao thức cốt lõi của

giao thức TCP/IP. Dùng UDP, chƣơng trình trên máy tính có thể gởi những dữ liệu

ngắn đƣợc gọi là datagram tới máy khác. UDP không cung cấp sự tin cậy và thứ tự

truyền nhận mà TCP làm, các gói dữ liệu có thể đến không đúng thứ tự hoặc bị mất

mà không có thông báo. Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các mục

tiêu nhƣ kích thƣớc nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian. Do bản chất không trạng

thái của nó nên nó hữu dụng đối với việc trả lời các truy vấn nhỏ với số lƣợng lớn

ngƣời yêu cầu.

Những ứng dụng phổ biến sử dụng UDP nhƣ DNS (Domain Name System),

ứng dụng streaming media, Voice over IP, Trivial File Transfer Protocol (TFTP) và

game trực tuyến.

Thông tin ứng dụng

Việc truyền thông giữa vi điều khiển với chíp ethernet W5100 cung cấp

hƣớng kết nối sau: theo phƣơng pháp trực tiếp, phƣơng pháp gián tiếp và SPI

phƣơng pháp.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Truyền thông dùng Ethernet PHY(MAC).

a. Dùng các phương pháp kết nối trực tiếp

Hình 3.17. Phƣơng pháp kết nối trực tiếp

Dùng 15bit địa chỉ và 8bit dữ liệu: /CS, /RD, /WR, /INT.

b. Dùng các phương pháp kết nối gián tiếp

Dùng 2bit địa chỉ và 8bit dữ liệu: /CS, /RD, /WR, /INT.

Hình 3.18. Phƣơng pháp kết nối gián tiếp

c. Dùng phương pháp kết nối SPI (Serial Peripheral Interface)

SPI chỉ dùng 4 chân để truyền dữ liệu: /SCLK, /SS, /MOSI, /MISO.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Ở W5100, SPI_EN là chân dùng để điều khiển SPI.

Hình 3.19. Phƣơng pháp kết nối SPI

Một số ứng dụng W5100

Thiết bị mạng gia đình: hộp nối, PVRs, chuyển đổi nguồn số.

Bộ nối tiếp tới ethernet: bộ điều khiển truy cập, LED hiện thị, Rơle

AT không giây…

Bộ song song tới ethernet: máy in, máy photocopy.

USB ethernet: thiết bị lƣu trữ, máy in mạng.

GPIO ethernet: các cảm biến mạng gia đình.

Hệ thống bảo vệ: DVRs, camera giám sát thông qua mạng.

Sản xuất và chế tạo tự động.

Các thiết bị điều khiển ứng dụng trong y tế.

Các hệ thống cố định.

3.3.9 [ 11 ]



Graphic LCD (gọi tắt là GLCD) loại chấm không màu là các loại màn hình

tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ, số hoặc hình ảnh. Khác với Text LCD,

GLCD không đƣợc chia thành các ô để hiển thị các mã ASCII vì GLCD không có

bộ nhớ CGRAM (Character Generation RAM). GLCD 128x64 có 128 cột và 64

hàng tƣơng ứng có 128x64=8192 chấm (dot). Mỗi chấm tƣơng ứng với 1 bit dữ

liệu, và nhƣ thế cần 8192 bits hay 1024 bytes RAM để chứa dữ liệu hiển thị đầy

mỗi 128x64 GLCD. Tùy theo loại chip điều khiển, nguyên lý hoạt động của GLCD

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

có thể khác nhau, trong bài này tôi giới thiệu loại GLCD đƣợc điều khiển bởi chip

KS0108 của Samsung, có thể nói GLCD với KS0108 là phổ biến nhất trong các loại

GLCD loại này (chấm, không màu). Hình 1 là hình ảnh thật của 1 GLCD 128x64

điều khiển bởi KS0108. Chip KS0108 chỉ có 512 bytes RAM (4096 bits = 64x64)

và vì thế chỉ điều khiển hiển thị đƣợc 64 dòng x 64 cột. Để điều khiển GLCD

168x64 cần 2 chip KS0108, và thực thế trong các loại GLCD có 2 chip KS0108,

GLCD 128x64 do đó tƣơng tự 2 GLCD 64x64 ghép lại

20. GLCD 128x64



Các GLCD 128x64 dùng KS0108 thƣờng có 20 chân trong đó chỉ có 18 chân

là thực sự điều khiển trực tiếp GLCD, 2 chân (thƣờng là 2 chân cuối 19 và 20) là 2

chân Anode và Cathode của LED nền. Trong 18 chân còn lại, có 4 chân cung cấp

nguồn và 14 chân điều khiển+dữ liệu. Khác với các Text LCD HD44780U, GLCD

KS0108 không hỗ trợ chế độ giao tiếp 4 bit, do đó bạn cần dành ra 14 chân để điều

khiển 1 GLCD 128x64. Sơ đồ chân phổ biến của GLCD 128x64 đƣợc mô tả trong

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

hình 3.21

Bảng 3.2. Chức năng các chân GLCD 64*128

Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Symbol Vss Vdd Vee RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 RST Vout LED+ LED-

Level 0V 5.0V 0V~ -8V H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H H L -10V +5V 0V

Function Ground/N/V Power Supply(0V) Power Supply for LCD Drive Register Select Read/Write Enable Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Chip Select Chip Select Reset Voltage Power Supply for LED B/L (5V) Power Supply for LED B/L (0V)

Chân VSS : đƣợc nối trực tiếp với GND, chân VDD nối với nguồn +5V

một biến trở khoảng 20K đƣợc dùng để chia điện áp giửa Vdd và Vee cho chân Vo,

bằng cách thay đổi giá trị biến trở chúng ta có thể điều chỉnh độ tƣơng phản của

GLCD. Các chân điều khiển RS, R/W, EN và các đƣờng dữ liệu đƣợc nối trực tiếp

với vi điều khiển. Riêng chân Reset (RST) có thể nối trực tiếp với nguồn 5V.

EN(Enable): cho phép một quá trình bắt đầu, bình thƣờng chân EN

đƣợc giữ ở mức thấp, khi một thực hiện một quá trình nào đó (đọc hoặc ghi GLCD),

các chân điều khiển khác sẽ đƣợc cài đặt sẵn sàng, sau đó kích chân EN lên mức

cao. Khi EN đƣợc kéo lên cao, GLCD bắt đầu làm thực hiện quá trình đƣợc yêu

cầu, chúng ta cần chờ một khoảng thời gian ngắn cho GLCD đọc hoặc gửi dữ liệu.

Cuối cùng là kéo EN xuống mức thấp để kết thúc quá trình và cũng để chuẩn bị

chân EN cho quá trình sau này.

RS (Register Select): là chân lựa chọn giữa dữ liệu (Data) và lệnh

(Instruction), vì thế mà trong một số tài liệu bạn có thể thấy chân RS đƣợc gọi là

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

chân DI (Data/Instruction Select). Chân RS=1 báo rằng tín hiệu trên các đƣờng

DATA (D0:7) là dữ liệu ghi hoặc đọc từ RAM của GLCD. Khi RS=0, tín hiệu trên

đƣơng DATA là một mã lệnh (Instruction).

RW (Read/Write Select): chọn lựa giữa việc đọc và ghi. Khi RW=1,

chiều truy cập từ GLCD ra ngoài (GLCD->AVR). RW=0 cho phép ghi vào GLCD.

Giao tiếp với GLCD chủ yếu là quá trình ghi (AVR ->GLCD), chỉ duy nhất trƣờng

hợp đọc dữ liệu từ GLCD là đọc bit BUSY và đọc dữ liệu từ RAM. Đọc bit BUSY

thì chúng ta đã khảo sát cho Text LCD, bit này báo GLCD có đang bận hay không,

việc đọc này sẽ đƣợc dùng để viết hàm wait_GLCD. Đọc dữ liệu từ RAM của

GLCD là một khả năng mới mà Text LCD không có, bằng việc đọc ngƣợc từ

GLCD vào AVR, chúng ta có thể thực hiện nhiều phép logic hình (hay mặt nạ,

mask) làm cho việc hiển thị GLCD thêm thú vị.

CS2 và CS1 (Chip Select): nhƣ đã trình bày trong phần trên, mỗi chip

KS0108 chỉ có khả năng điều khiển một GLCD có kích thƣớc 64x64, trên các

GLCD 128x64 có 2 chip KS0108 làm việc cùng nhau, mỗi chip đảm nhiệm một nữa

LCD, 2 chân CS2 và CS1 cho phép chọn một chip KS0108 để làm việc. Thông

thƣờng nếu CS2=0, CS1=1 thì nửa trái đƣợc kích hoạt, ngƣợc lại khi CS2=1,

CS1=0 thì nửa phải đƣợc chọn.

3.3.10 DRF1605H



– 3.3V

-40oC – 80oC

– 115200bps

– 2480MHz

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

-110dB



3.21.

3.3.11 Giới thiệu IC cảm biến dòng ACS712-20

Là IC cảm biến dòng tuyến tính dựa vào hiệu ứng Hall của hãng Allegro đƣợc

tích hợp với chất dẫn dòng điện trở thấp và độ cách điện 2,1 KV RMS ứng dụng

rộng rãi trong các hệ thống dân dụng và công nghiệp.

 Dạng đóng gói và sơ đồ khối:

ACS712-20 đƣợc đóng gói theo dạng SOIC-8

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 3.22. Vỉ mạch ACS712-20

Hình 3.23. Sơ đồ nguyên lý hệ thống cảm biến ACS712-20

Từ sơ đồ hình 3.20 ta thấy bên trong cảm biến đã đƣợc tích hợp sẵn bộ bù

điện thế offset và các bộ khuếch đại tín hiệu . Tụ lọc CF kết hợp với điện trở nội tạo

thành bộ lọc thông thấp RC ngay trƣớc bộ đệm đầu ra giúp giảm suy hao do sụt áp

trên bộ lọc . Đồng thời tụ CF cũng quyết định băng thông của cảm biến

 Đặc điểm:

Đƣờng tín hiệu tƣơng tự ngõ ra nhiễu thấp

Băng thông cảm biến đƣợc thiết lập qua chân Filter

Thời gian đáp ứng ngõ ra so với ngõ vào 5us

Băng thông lớn nhất 80Khz Tổng lỗi ngõ ra tại nhiệt độ 25oC 1,5 %

Điện trở dây dẫn nội 1.2 mΩ

Điện áp cách điện tối thiểu 2,1 KV RMS

Nguồn vận hành đơn cực 5V

Độ nhạy ngõ ra 100mV/A

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Điện áp ngõ ra ứng với dòng AC hoặc DC

3.4 Kết luận chƣơng

Chƣơng này ta đi vào mô hình thực tế của hệ thống và giới thiệu về các linh

kiện trong mô hình. Chức năng của từng thành phần cùng nhƣ tóm lƣợc về

nguyên lý làm việc và thông số cơ bản của các linh kiện này. Từ đó làm cơ sở để

đi đến thiết kế sơ đồ nguyên lý, nguyên tắc vận hành và viết chƣơng trình điều

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

khiển ở chƣơng IV.

CHƢƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ

ĐIỆN QUA WEB SERVER AVR

Trong chƣơng này, ta sẽ đi vào cụ thể sơ đồ nguyên lý, sơ đồ mạch in toàn

bộ hệ thống, giới thiệu chức năng các mô hình, các lƣu đồ giải thuật xử lý và tính

toán của hệ thống điều khiển giám sát thiết bị điện qua web server AVR.

4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

1. S

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

2. M

3. Sơ đ thernet

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

4. thernet

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

5. S

6. M in

4.2 Gới thiệu về chức năng trong mô hình

( ATmega2560 ) 4.2.1

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải



4.2.2

LAN thông qua

thernet.

4.2.3

4.2.4

Router.

4.2.5

ử

4.2.6

4.3 Giải thuật phần mềm

4.3.1

Trƣớc tiên vi điều khiển ATmega2560 sẽ đọc cấu hình từ bộ nhớ chƣơng

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

trình để thực hiện các khai báo ban đầu.

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Bắt đầu

S Kiểm tra

Đọc và ghi các giá trị, các trạng thái

Có yêu cầu BROWER?

Trả về các giá trị dƣới dạng HTML

Kết thúc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 4.7. L

4.3.2

Bắt đầu

S Kiểm tra

Trả về các

Hình 4.8. L

4.3.3 Giải thuật truy cập web server

Khi hệ thống khởi động và cấu hình hệ thống bộ xử lý trung tâm sẽ chờ khi

có truy cập từ trình duyệt web hệ thống sẽ tải về trình duyệt web nội dung trang

web đăng nhập để bảo mật hệ thống. Khi ngƣời dùng đăng nhập đúng tài khoản thì

sẽ tải về trình duyệt nội dung trang web điều khiển. Khi đăng nhập sai sẽ lặp lại quá

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

trình đăng nhập

Bắt đầu

Có yêu cầu BROWER( IP )

Trả về Brower trang web đăng nhập

User va Pass S

Trả về Brower trang web điều khiển

Kết thúc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 4.9. L truy cập web server

4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều

Điện áp ra của cảm biến dòng tuyến tính từ 0 đến 5V tƣơng ứng với -20A

đến +20A ( dòng qua cảm biến =0 tƣơng đƣơng 2.5V )

Đầu ra của cảm biến đƣợc nối vào ADC của vi điều khiển nên điện áp ngõ

vào đƣợc tính nhƣ sau :

IRMS =

Với Vref ADC là +5V độ phân giải 10 bít

I(i) là giá trị dòng điện đo đƣợc tại thời điểm i

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

N số mẫu trên một chu kỳ ( N càng lớn thì phép đo càng chính xác )

100

i=0

Delay 1 mS

I(i)= ReadADC Đ

i ++

i=20

IRMS =

Kết thúc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 4.10. Thuật toán đo dòng điện xoay chiều 50 Hz

101

4.3.5 Giải thuật báo trộm :

Khi ở chế độ chống trộm ( báo trộm =1 ) hệ thống sẽ liên tục dò trạng thái

của cảm biến ánh sáng và cảm biến PIR( có trộm đột nhập cảm biến ánh sáng sẽ tác

động do mở cửa phòng, cảm biến PIR sẽ nhận dạng có chuyển động của ngƣời ).

Khi một trong hai cảm biến tác động thì hệ thống sẽ cảnh báo ngƣời dùng bằng cách

hú còi báo động và bật tất cả các đèn chiếu sáng. Sau khi giải quyết sự cố ngƣời

Cảm biến ánh =0 PIR = 0

dùng đăng nhập để tắt chế độ báo động.

Báo trộm = 1

PIR = 1 Hoặc Cảm biến ánh = 1

Bật còi báo động Bật đèn

Báo trộm = 0

Kết thúc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 4.11. Thuật toán chế độ báo trộm

102

4.3.6 Giải thuật báo cháy:

Khi ở chế độ bình thƣờng ( cảm biến nhiệt độ < 60 oC ) và cảm biến ga

không tác động. Khi bật chế độ báo cháy thì nhiệt độ và cảm biến ga sẽ đƣợc giám

sát liên tục một trong hai cảm biến tác động thì còi báo động sẽ cảnh báo liên tục để

ngƣời sử dụng kiểm tra và đảm bảo an toàn bản thân. Khi đang ở chế độ cảnh báo

ngƣời dùng có thể tắt cảnh báo khi đã xử lý sự cố.

Nhiệt độ < 60 oC Cảm biến ga = 0

Báo cháy = 1

Nhiệt độ > 60 oC hoặc Cảm biến ga = 1

Bật còi báo động

Báo cháy = 0 Đ

Kết thúc

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Hình 4.12. Thuật toán báo cháy

103

4.4 Kết luận chƣơng và k



Ethernet thông qua giao diện web server đƣợc nhúng trong vi điều khiển AVR, từ

bộ xử lý trung tâm, từ bộ xử lý ngoại vi.



web.



Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

13. Kết quả ping tới web server AVR

104

14. G

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

15. G

105

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

6. Mô hình thực tế

106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

 Kết luận

Nắm rõ hiểu bộ giao thức TCP/IP

Lập trình Ethernet ụng chíp W5100 của WIZnet.

Nghiên cứ

Lập trình điều khiển vi điều khiể Tmega16 bằng

ngôn ngữ C

Nghiên cứu cảm biến PIR

Nghiên cứu cảm biế

Nghiên cứu cảm biế -2

Nghiên cứu cảm biế DS18B20

Ngh

Nghiên cứu ngôn ngữ HTML

Xây dựng thành công một hệ thống điều khiển giám sát đơn giản trên

nền web nhúng.

Đề tài là nền móng cho sự phát triển các ứng dụng trong mạng LAN,

trên môi trƣờng Internet.

Có thể ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhƣ thiết bị cảnh báo, giám

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

sát trong mạng nội bộ, mạng internet, …

107

 Hạn chế

Khi mạng không tốt, rất khó điều khiển hệ thống từ xa qua web server

. Khi mạng bị đứt, hệ thống mất điều khiể Hệ thống này thích hợp với mạng

LAN có đƣờng truyền ổn định nhƣng khả năng bảo mật kém

. Password r

. Cấu hình của mạch yếu ATmega 2560

thuộc dòng 8bit, tốc độ tối đa là 16Mhz. W5100 chạy với tốc độ tối đa là 100Mbps.

Do đó, server chạy chậm, không thể phục vụ cùng lúc nhiều ngƣời.

điện ,đo

nhiệt độ ,báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga đáp ứng đƣợc yêu cầu.

 Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài

Đây là một đề tài liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi

ngƣời thiết kế phải có nhiều kinh nghiệm và thời gian, do đó rất mong rằng nhà

trƣờng sẽ bố trí học viên thực hiện phát triển tiếp đề tài để kết quả đƣợc tốt hơn và

ứng dụng mạnh mẽ hơn cho đời sống.

thernet

hơn nhƣ: n

động hóa…và mục tiêu kế tiếp phát triển đồ án này có thể lập trình giao tiếp theo

dạng modbus TCP/IP theo chuẩn công nghiệp hoặc phát triển về lĩnh vực điều

khiển robot qua dực án robot ROV ( Romote of vehicle ) with Camera ứng dụng

vào tìm kiếm cứu mạng ….

Hƣớng phát triển của đề tài này còn xoay quanh việc khắc phục vấn

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

đề bảo mật server , đáp ứng về tốc độ đƣờng truyền và thời gian xử lý.

108

LỜI CẢM ƠN

Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới sự chỉ bảo tận tình của GS.TS. Lê Hùng Lân.

Nhân dịp này, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Thầy, ngƣời đã hết lòng

giúp đỡ và hƣớng dẫn cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.

Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp Cao

học kỹ thuật điện tử K20; Quý Thầy Cô trong Khoa Điện - Điện Tử và các Thầy

trong bộ môn Kỹ Thuật Viễn Thông đã cung cấp những kiến thức nền tảng giúp tôi

hoàn thành luận văn; các bạn lớp Cao học kỹ thuật điện tử K20.1 đã nhiệt tình giúp

đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên

cứu và hoàn thành luận văn.

Dù đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện, song chắc chắn rằng luận

văn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc sự góp

ý của Quý Thầy Cô và các bạn!

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày tháng năm 2014

Học viên thực hiện

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Võ Thanh Tùng

109

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, số liệu và kết

quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực không trùng lắp với các đề tài khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

Võ Thanh Tùng

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Giáo trình thiết kế và xây dựng mạng LAN và WAN, Trung tâm khoa học tự

nhiên và Công nghệ quốc Gia, Viện Công nghệ Thông tin, Tháng 01, 2004.

2. PGS.TS Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật

2006.

3. Ths. Phạm Ngọc Đĩnh, Kỹ thuật truyền số liệu, Học viện Công nghệ Bƣu chính

Viễn thông, 2007

4. TS. Phạm Thế Quế, Công nghệ mạng máy tính, NXB Thông tin và Truyền

Thông, Tháng 09, 2010.

Tiếng Anh

5. “IEEES tandards 802.15.4,IEEE2003,ISBN0-7381-3677-5SS95127”,2004

6. “ IEEE802.15.4 Standard Specification ” http://www.standards.ieee.org

7. ZigBeeAlliance, http://www.zigbee.org

8. Zigbee technical documents , www.zigbee.org

9. http://www.metrowerks.com

10. http://www.arduino.cc

11. http://www.alldatasheet.com

12. http://www.atmel.com

13. http://www.bluetooth.com

14. http://www.can-cia.org

15. http://en.wikipedia.org/wiki/Power-line_communication

Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải

16. http://www.wi-fi.org

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------

THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------

TP.Hồ Chí Minh 2014

3. Phƣơng pháp nghiên cứu và kết quả đạt đƣợc:

LỜI MỞ ĐẦU

Trong chƣơng này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một công nghệ truyền thông

quản lý giám sát thiết bị điện từ xa. Ƣu điểm nổi bật của công nghệ Zigbee so

với các công nghệ khác. Tìm hiểu về mạng ethernet, giao thức TCP/IP, tổng

quan về mạng và giao thức của Zigbee.

Thông số

Điều kiện

Min 1.5 -1.5

Max 6 -6

Đơn vị V V

Trong chƣơng này, ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý, nguyên tắc hoạt động

của hệ thống giám sát nhiệt độ, báo cháy, hệ thống đo rò rỉ khí ga, hệ thống

điều khiển thiết bị điện từ xa, hệ thống chống trộm và từ đó làm nền tản để

thiết kế mô hình thực nghiệm.

Trong chƣơng này, ta sẽ đƣa đề xuất cơ bản về mô hình hệ thống giám

sát điều khiển thiết bị điện. Giới thiệu về trình biên dịch Arduino, tìm hiểu về

chức năng, nguyên lý các bản mạch và linh kiện điện tử dùng để thiết kế mô

hình thực nghiệm.

2

MQ-2 Semiconductor Bakelite(Black Bakelite) Combustible gas and smoke 300-10000 ppm

Model No. Sensor type Standard Encapsulation Detection Gas Concentration

Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Symbol Vss Vdd Vee RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS1 CS2 RST Vout LED+ LED-

Level 0V 5.0V 0V~ -8V H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H H L -10V +5V 0V

LỜI CAM ĐOAN

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Quản lý hoạt động phát triển nhận thức cho trẻ mẫu giáo ở các trường mầm non, huyện Hoàng Su Phì, tỉnh Hà Giang

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về điều kiện đầu tư kinh doanh trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Sự nghiệp nghiên cứu phê bình văn học của Hoài Thanh

Luận văn Thạc sĩ: Tiểu thuyết của Đỗ Phấn từ góc nhìn sinh thái

Luận văn Thạc sĩ: Giải pháp ứng phó với nhập cư ở Liên minh Châu Âu

Luận văn Thạc sĩ: Diễn ngôn về giới nữ trong văn xuôi nữ Việt Nam đương đại (khảo sát sáng tác của Dạ Ngân, Y Ban, Lý Lan, Nguyễn Thị Thu Huệ)

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mức phát thải tham chiếu rừng khu vực huyện Bảo Lâm tỉnh Lâm Đồng

Luận văn Thạc sĩ: Đặc điểm nhân vật chính trong ba tác phẩm của Franz Kafka: Lâu đài, Vụ án, Hóa thân

Kháo luận tốt nghiệp: Vận dụng lí thuyết học tập trải nghiệm vào dạy học Thống kê - Xác suất ở lớp Hai

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho Robot dịch vụ

Luận văn Thạc sĩ: Thế giới nhân vật trong truyện ngắn Lê Minh Khuê sau năm 1975

Luận văn Thạc sĩ: Tác động của cấu trúc vốn đến hiệu quả hoạt động của các ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Kiểm soát rủi ro tín dụng bán lẻ tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Đầu tư và Phát triển Việt Nam chi nhánh Thủ Thiêm

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh doanh của ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Các nhân tố ảnh hưởng đến hành vi sử dụng dịch vụ ngân hàng điện tử tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Ngoại thương Việt Nam – Chi nhánh Thủ Đức

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố tác đồng đến nợ xấu tại Ngân hàng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn - Chi nhánh Tiền Giang

Luận văn Thạc sĩ: Yếu tố ảnh hưởng đến quyết định sử dụng dịch vụ thanh toán không dùng tiền mặt tại Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam (Vietinbank)

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về du lịch biển, thực tiễn tại tỉnh Bình Định

Luận văn Thạc sĩ: Ảnh hưởng của các yếu tố thương hiệu với vai trò trung gian của Marketing truyền miệng đến quyết định chọn việc làm của nhân viên GenZ tại chuỗi nhà hàng gà rán Popeyes khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

Luận văn Thạc sĩ: Ảnh hưởng của Marketing mix đến ý định học cao học của sinh viên khối ngành kinh tế thuộc Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách