Chương 1: Tổng Quan Chương này trình bày những vấn đề để dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, giới hạn của đề tài, các nội dung nghiên cứu và bố cục của báo cáo. - Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày các lý thuyết liên quan đến đề tài từ đó có cơ sở để thực hiện thiết kế và thi công đề tài. - Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán Chương này trình bày về các yêu cầu của đề tài, sơ đồ khối và các thiết kế, tính toán liên quan đến đề tài. - Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này sẽ tóm tắt quá trình thực hiện và hoàn thành hệ thống.
Lắp ráp và kiểm tra để hoàn thiện sản phẩm. - Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chương này trình bày kết quả cuối cùng của đề tài. Từ đó rút ra nhận xét và đánh giá. - Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này sẽ đưa ra kết luận về tổng quan mô hình đã hoàn hành so với mục tiêu ban đầu đề ra, đồng thời đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 2.1 CHUẨN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY WIFI WiFi (Wireless Fidelity) là hệ thống mạng không dây sử dụng các sóng vô tuyến, tương tự như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hiện nay, WiFi là công cụ kết nối không thể thiếu trên các thiết bị như điện thoại, máy tính và các ứng dụng Iot, nhà thông minh. Nó có thể truyền và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân sang sóng vô tuyến và ngược lại.
Chuẩn truyền thông WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác là truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với tần số được sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn đồng nghĩa với việc sẽ cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Hiện nay, hầu các thiết bị Wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, phát ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/s.
Kết nối WiFi dựa trên chuẩn kết nối IEEE 802.11, hiện nay Wifi chủ yếu hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet.2 CHUẨN TRUYỀN THÔNG UART UART được viết từ Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng không giống như một giao thức truyền thông (I2C & SPI). Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song. Đây là chuẩn giao tiếp được sử dụng phổ biến và được dùng trong giao tiếp giữa vi điều khiển với nhau hoặc giữa vi điều khiển với các thiết bị khác.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Chuẩn truyền thông UART Trong giao tiếp UART, có hai loại UART có sẵn là truyền UART và nhận UART và giao tiếp giữa hai loại này có thể được thực hiện trực tiếp với nhau. Đối với điều này, chỉ cần hai cáp để giao tiếp giữa hai UART. Luồng dữ liệu sẽ từ cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của UARTs.
Trong UART, việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART có thể được thực hiện không đồng bộ (không có tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit o / p).2 Giao tiếp UART giữa 2 thiết bị ➢ Một vài thông số trong truyền nhận UART: - Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame. Báo hiệu cho thiết bị nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc phải có). - Stop bit: là 1 hoặc nhiều bit báo cho thiết bị nhận rằng đã gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu (Bit bắt buộc phải có).
- Frame: quy định về số bit trong mỗi lần truyền. - Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không. Trên thực tế, bit này không được sử dụng rộng rãi nên không bắt buộc. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Data: dữ liệu cần truyền. Các bit dữ liệu bao gồm dữ liệu thực được truyền từ bên gửi đến bên nhận. Độ dài khung dữ liệu có thể nằm trong khoảng 5 & 8. Nếu bit chẵn lẻ không được sử dụng thì chiều dài khung dữ liệu có thể dài 9 bit.
Nói chung, LSB của dữ liệu được truyền trước tiên sau đó nó rất hữu ích cho việc truyền.3 Truyền thông UART 2.3 CHUẨN GIAO TIẾP SPI SPI viết tắt của từ Serial Peripheral Interface, được phát triển bởi hãng Motorola. Đây là kiểu truyền thông MasterSlave. SPI có thể truyền theo kiểu song công toàn phần, nghĩa là tại 1 thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. SPI sử dụng 4 đường giao tiếp nên đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “ 4 dây”.
4 đường đó là: - SCK (Serial Clock): Thiết bị Master tạo xung tín hiệu SCK và cung cấp cho Slave. Xung này có chức năng giữ nhịp cho giao tiếp SPI. Mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi → Quá trình ít bị lỗi và tốc độ truyền cao. - MISO (Master Input Slave Output): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Slave và nhận bởi thiết bị Master.
Đường MISO phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave. - MOSI (Master Output Slave Input): Tín hiệu tạo bởi thiết bị Master và nhận bởi thiết bị Slave. Đường MOSI phải được kết nối giữa thiết bị Master và Slave. - SS (Slave Select): Chọn thiết bị Slave cụ thể để giao tiếp.
Để chọn Slave giao tiếp thiết bị Master chủ động kéo đường SS tương ứng xuống mức 0 (Low). Chân này BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT đôi khi còn được gọi là CS (Chip Select). Chân SS của vi điều khiển (Master) có thể được người dùng tạo bằng cách cấu hình 1 chân GPIO bất kỳ chế độ Output.4 CHUẨN GIAO TIẾP I2C I2C (Inter – Integrated Circuit) là 1 giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ được phát triển bởi Philips Semiconductors, sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các IC với nhau chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu.
Các bit dữ liệu sẽ được truyền từng bit một theo các khoảng thời gian đều đặn được thiết lập bởi 1 tín hiệu xung Clock. Bus I2C thường được sử dụng để giao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển, cảm biến, EEPROM,… I2C sử dụng 2 đường truyền tín hiệu: - SCL - Serial Clock Line: Tạo xung Clock do Master phát đi - SDA - Serial Data Line: Đường truyền nhận dữ liệu. Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave. Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác.
Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị Slave. Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển. Master và Slave được kết nối với nhau như hình trên. Hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao.
Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch. Do đó cần có 1 điện trờ (từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4 Giao tiếp I2C giữa các thiết bị 2.2 GIỚI THIỆU MẠNG LORA LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT cũng như các ứng dụng IoT.
LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn. Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng. Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps [2]. Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài.
Thực tế các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin. Mô hình sử dụng mạng LoRa và IoT bao gồm ba khối chính: - Khối Gateway (khối điều khiển chính): sử dụng các vi điều khiển để nhận dữ liệu và gửi tín hiệu điều khiển tới node cảm biến thông qua mạng Lora, ngoài ra có thể qua giao tiếp wifi hoặc bluetooth. Dữ liệu được gửi lên web server thông qua giao thức MQTT. - Các sensor node: sử dụng mạng LoRa để truyền dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO, cường độ sáng đo được từ cảm biến gửi về khối Gateway.
Trong bài báo này, dữ liệu nồng độ khí CO từ sensor node sẽ được gửi về Gateway để đánh giá. - Server: Hiển thị giao diện người dùng, xây dựng các biểu đồ thể hiện các giá trị đọc từ cảm biến và lưu trữ giá trị đó để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống và các chức năng điểu khiển thiết bị. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN a. Board Arduino Nano Arduino Nano là bản thu nhỏ của các bản như Arduino Uno R3 và các loại Arduino khác, Arduino Nano được thiết kế để sử dụng với breadboard nhưng vẫn đầy đủ chức năng như 1 board arduino bình thường khác do cùng sử dụng MCU Atmega328P.
Trên board tích hợp opamp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board nên board không cần sử dụng công tắc chọn nguồn. Trên board Arduino Nano sử dụng chíp chuyển COM To UART là chip FTDI FT232RL chứ không dùng chip giả lập COM như các board arduino khác, vì vậy việc truyền UART sẽ đơn giản hơn so với các board dùng chip giả lập COM.