Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài Điều khiển từ xa đã và đang là một xu hướng phát triển mang tính quy luật. Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và ngành điện tử-viễn thông nói riêng là nền tảng cho xu hướng này. Vì sự tiện lợi của nó, điều khiển từ xa có thể được sử dụng ở bất kỳ nơi nào. Người sử dụng có thể ở bất kì đâu trên thế giới cũng có thể điều khiển được những bộ phận ngoại vi ở nhà, công sở hay ở một nơi nào đó được định sẵn….Lúc này không còn giới hạn về khoảng cách nữa.
Trong kỹ thuật điều khiển từ xa, môi trường truyền dẫn có thể là dây dẫn điện hay không khí với tín hiệu truyền có thể là tín hiệu điện hồng ngoại hay sóng vô tuyền.Đặc biệt, kỹ thuật hồng ngoại hay vô tuyến được khai thác triệt để trong việc chế tạo các thiết bị đầu xa. Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển dùng tia hồng ngoại và vô tuyến bị hạn chế về khoảng cách và băng thông. Để khắc phục nhược điểm trên có thể sử dùng phương pháp khác là điều khiển từ xa qua mạng ethernet, Internet hoặc LAN. Ý tưởng của nó là sử dụng mạng có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển, nhờ đó mà vấn đề khoảng cách được khắc phục.
Điều khiển từ xa qua mạng có 2 ưu điểm nổi bậc: Thứ nhất chúng ta có thể sử dụng mạng Internet có sẵn. Thứ hai có thể sử dụng nhiều nơi và có nhiều ứng dụng mà con người không thể tiếp cận một cách trực tiếp được. Các thiết bị điều khiển từ xa qua mạng đang từng bước xâm nhập vào trong các sinh hoạt gia đình do tính đơn giản tiện dụng, độ tin cậy tương đối ổn định. Bộ điều khiển có thể làm một số công việc trong gia đình khi ta đang ở xa nhà như: mở máy bơm nước, tắt bếp điện, tắt mở bóng đèn.2 Ý nghĩa đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng.
Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao.Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 1 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mĩ thì điều khiển từ xa đã phát triển. Từ những nhu cầu thực tế đó, em muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế để có thể tạo ra một hệ thống điều khiển từ xa thông qua mạng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Ý tưởng sử dụng mạng có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển, tiết kiệm chi phí, cạnh tranh mạnh, cơ động cao. Ngoài ra, đề tài này có tính mở, có thể áp dụng và phát triển cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.3 Mục đích và phương pháp nghiên cứu Luận văn được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển thông qua mạng hoàn chỉnh.
Hệ thống tích hợp mạch vi điều khiển và IC giao tiếp mạng để điều khiển thiết bị.4 Giới hạn của đề tài Trong giới hạn thời gian cho phép để hoàn thành đề tài này kết hợp với những kiến thức tích luỹ được trong suốt khoá học không cho phép người thực hiện đề tài thực hiện được hoàn chỉnh toàn bộ các yêu cầu tạo ra một sản phẩm ưu việt. Do đó người thực hiện đề tài chỉ tập trung đi sâu nghiên cứu về : Cách truyền nhận gói tin qua các giao thức mạng. Tìm hiểu chip giao tiếp internet ENC28J60 và thiết kế mạch giao tiếp giữa PIC với chip ENC28J60. Tìm hiểu vi điều khiển PIC.
Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 2 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet Chương 2. MẠNG ETHERNET-GIAO THỨC TCP/IP 2.1 Mạng cục bộ LAN và công nghệ Ethernet 2. Mạng cục bộ LAN Mạng cục bộ (LAN) là hệ truyền thông tốc độ cao được thiết kế để kết nối các máy tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động với nhau trong một khu vực địa lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc trong một toà nhà. Một số mạng LAN có thể kết nối lại với nhau trong một khu làm việc.
Các mạng LAN trở nên thông dụng vì nó cho phép những người sử dụng dùng chung những tài nguyên quan trọng như máy in mầu, ổ đĩa CD-ROM, các phần mềm ứng dụng và những thông tin cần thiết khác. Trước khi phát triển công nghệ LAN các máy tính là độc lập với nhau, bị hạn chế bởi số lượng các chương trình tiện ích, sau khi kết nối mạng rõ ràng hiệu quả của chúng tǎng lên gấp bội. Hầu hết các mạng LAN ngày nay đều được thiết kế để hoạt động dựa trên một cấu trúc mạng định trước. Điển hình và sử dụng nhiều nhất là các cấu trúc: dạng hình sao, dạng hình tuyến, dạng vòng cùng với những cấu trúc kết hợp của chúng.
Cấu trúc mạng hình sao Hình 2.Cấu trúc mạng dạng vòng Hình 3. Cấu trúc mạng hình tuyến Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 3 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet 2. Công nghệ Ethernet Nguồn gốc của Ethernet được phát triển từ những thí nghiệm đối với cáp đồng trục được thực hiện ở tốc độ 3 Mbps và sử dụng nghi thức CSMA/CD (carrier sense multiple access collision detect) cho mạng LAN vào năm 1970 bởi tập đoàn Xerox. Sự thành công của đề án này đã sớm gây sự chú ý và đã dẫn đến sự phát triển của Ethernet 10 Mps bởi ba tập đoàn: Digital Equipment, Intel, Xerox.
Thành ngữ Ethernet có nguồn gốc với mạng LAN ( Local-Area Network) và việc sử dụng chuẩn IEEE 802. Chuẩn này được biết với nghi thức CSMA/CD. Có ba tốc độ được được dùng cho mạng Ethernet với đường truyền là cáp đồng trục, cáp đôi hay sợi quang. 10Mbps—10 base-T Ethernet.
100Mbps— Ethernet tốc độ cao (Fast Ethernet). 1000Mbps—Gigabit Ethernet. Ethernet được tạo ra phần lớn từ kỹ thuật mạng LAN (hiện tại đang được sử dụng cho gần 85% cho mạng LAN để nối PC và các máy trạm-workstations). Bởi vì ghi thức của nó có một số đặc điểm sau: Dễ dàng sử dụng, thực hiện, quản lý và bảo trì.
Cho phép thực hiện mạng tốc độ thấp. Cung cấp rất đa dạng mô hình mạng (topology). Bảo mật thành công việc kết nối chung.3Đặc điểm mạng Ethernet - Mạng khu vực theo chuẩn quốc tế IEEE 802.3 (Ethernet) được thiết kế cho môi trường công nghiệp và mở rộng đến cấp thiết bị hiện trường. - Kết nối các thiết bị tự động với nhau, với các máy tính và các trạm làm việc cũng như các thiết bị kết nối không dây với phương thức truyền thông đồng nhất hoặc bất động nhất.
- PROFINET, chuẩn mở cho tự động hoá, dựa trên chuẩn Ethernet công nghiệp và hỗ trợ việc kết nối các thiết bị từ cấp hiện trường cho đến cấp quản lý. Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 4 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet - Có thể áp dụng giải pháp mạng mở toàn diện. - Tốc độ truyền thông cao, có thể lên đến 1 gigabit/s - Ethernet Công nghiệp là một chuẩn công nghiệp, đã được kiểm chứng rộng rãi và được chấp nhận trên toàn thế giới. - Kết nối tới mạng LAN không dây (WLAN) và các mạng LAN công nghiệp không dây (IWLAN) theo tiêu chuẩn - Là nền tảng IT trong tự động hoá, ví dụ như chức năng Web, thư tín điện tử (email) và kết nối IWLAN.
- Giải pháp an toàn được thiết kế đặc biệt cho tự động hóa công nghiệp với khái niệm bảo mật công nghiệp dùng SCALANCES Lợi ích Ethernet đã có thị phần trên 80% và có xu hướng ngày càng tăng. Ethernet đưa ra các đặc điểm mang lại nhiều lợi ích cho người sử dụng: - Khởi động nhanh nhờ phương pháp kết nối đơn giản. - Độ linh hoạt cao khi mạng hiện thời có thể được mở rộng mà không có bất kỳ ảnh hưởng bất lợi nào. - Cơ sở cho nối mạng hệ thống mạng diện rộng (tích hợp theo chiều sâu) - Cơ sở cho các dịch vụ Internet.
- Độ sẵn sàng cao do có cấu trúc mạng có dự phòng - Thực hiện truyền thông gần như là không giới hạn do có thể áp dụng công nghệ chuyển mạch - Kết nối mạng của nhiều khu vực khác nhau, ví dụ như mạng văn phòng và mạng khu vực sản xuất. - Truyền thông diện rộng thông qua kết nối mạng diện rộng (WAN) hoặc mạng công nghiệp không dây (WLAN) sử dụng SCALANCE W) Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 5 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet - Dễ dàng kết nối các trạm di động vào mạng WLAN hoặc IWLAN của Siemens sử dụng SCALANCE W - An toàn đầu tư nhờ tính đảm bảo tương thích liên tục trong quá trình phát triển. - Trong mạng Ethernet công nghiệp có thể thực hiện việc đồng bộ hoá thời gian cho toàn bộ nhà máy. Điều này có nghĩa là các sự kiện được sắp xếp một cách chính xác theo đúng trình tự xảy ra trong toàn bộ nhà máy.4 Các đặc tính chung của Ethernet a)Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame).
Cấu trúc khung Ethernet như sau: Hình 4. Cấu trúc khung tin Ethernet Các trường quan trọng trong phần mào đầu sẽ được mô tả dưới đây: Preamble: trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 MHz. SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung.
Nó luôn mang giá trị 10101011. Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu. LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự.
Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ. Sinh viên: Nguyễn Hữu Chiến 6 Giám sát và Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet b)Cấu trúc địa chỉ Ethernet Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet).