Lời mở đầu .v Tóm tắt nội dung đề tài. vi Mục lục. vii Liệt kê hình vẽ. xi Liệt kê bảng.
xiv Chƣơng 1: Gới thiệu. Mục đích đề tài. Nội dung nghiên cứu. Giới hạn đề tài .2 Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.
Tổng quan về mạng Zigbee. Giới thiệu về IEEE WPAN. Chuẩn Zigbee/IEEE 802. Định hướng của mạng Zigbee.
Những đặc điểm chính của Zigbee. Dải bang tần Zigbee. Các thành phần của hệ thống Zigbee/IEEE 802. Các loại thiết bị của mạng Zigbee.
Các mô hình mạng Zigbee. Kiến trúc giao thức Zigbee/IEEE 802. Giới thiệu module Xbee. Tổng quan về module Xbee .12 Trang vii do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.
Sơ đồ chân của module Xbee. Hoạt động của RF Module. Giao tiếp Serial (UART). Địa chỉ module Xbee.
Các chế độ truyền nhận dữ liệu. Các chế độ hoạt động của Xbee. Hoạt độn chế độ API. Remote AT Command Request (0x17).
Zigbee IO data Sample Rx Indicator (0x92). Phần mềm X-CTU. Giới thiệu về Arduino Uno R3. Sơ đồ chân của Arduino Uno R3.
Các chuẩn giao tiếp trên Arduino Uno R3. Giới thiệu về phần mềm Arduino Uno R3. Module Raspberry pi. Giới thiệu về Board Raspberry pi B.
Cấu hình của Raspberry pi B. Kết nối của Raspberry pi B. Giới thiệu hệ điều hành của RPi. Các loại cảm biến được sử dụng trong đề tài.
Cảm biến nhiệt LM35. Module cảm biến khí gas MQ-2. Module cảm biến chuyển động PIR. Hoạt động của Webcam.
Chức năng của Webcam. Các giao thức được sử dụng. Chuẩn giao thức I2C. Giới thiệu chung về I2C.
Đặc điểm của giao thức I2C .53 Trang viii do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2. Điều kiện Start và Stop. Định dạng dữ liệu truyền. Định dạng địa chỉ thiết bị.
Truyền dữ liệu trên I2C. Mô hình Client-Server. Khái niệm socket. Tổng quan về mô hình server-Client.
Ethernet và giao thức TCP/IP. Tổng quan về Ethernet. Giao thức TCP/IP .64 Chƣơng 3:Thiết kế hệ thống. Phân tích thiết kế của hệ thống.
Yêu cầu của hệ thống. Sơ đồ khối chung của hệ thống. Sơ đồ khối chi tiết của các khối trong hệ thống. Khôi thu thập nhiệt độ, khí gas và điều khiển động cơ AC.
Khối xử lý trung tâm và thu thập hình ảnh. Thiết kế phần cứng hệ thống. Thiết kế mạch socket cấp nguồn cho Xbee. Mạch cấp nguồn Pin cho Xbee.
Mạch cấp nguồn điện trực tiếp cho Xbee. Thiết kế mạch công suất AC-220V. Thiết kế khối xử lý trung tâm. Thiết kế phần mềm hệ thống.
Lưu đồ giải thuật Client-Server. Lưu đồ giải thuật Client trên giao diện người dùng. Lưu đồ giải thuật Server trên Raspberry pi. Lưu đồ giải thuật kết nối trên Arduino.
Lưu đồ giải thuật truyền dữ liệu của 2 node Xbee cảm biến. Những tính toán trong hệ thống phần mềm. Xử lý dữ liệu nhiệt độ. Thiết lập chế độ ngủ (Sleep) cho Xbee cảm biến .85 Trang ix do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.
Thiết lập kết nối giao tiếp giữa các Xbee tớ (Slave) và Xbee chủ (Master). Tính dòng tiêu thụ của khối Xbee cảm biến nhiệt độ .87 Chƣơng 4: Thực nghiệm và đáng giá. Quá trình thực nghiệm. Kiểm tra kết nối và nguồn cấp của hệ thống.
Kiểm tra hoạt động của hệ thống. Đánh giá thực nghiệm. Nhược điểm.93 Chƣơng 5: Kết quả và hƣớng phát triển. Những vấn đề nghiên cứu.
Những vấn đề đã hoàn thành. Hướng phát triển tương lai.95 PHỤ LỤC A: MÃ NGUỒN CHƢƠNG TRÌNH .97 PHỤ LỤC B: HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG SẢN PHẨM ĐỀ TÀI .98 TÀI LIỆU THAM KHẢO.99 Trang x do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình Trang Hình 2-1: Các nhóm truyền thông không dây .4 Hình 2-2: So sánh phạm vi hoạt động các chuẩn giao tiếp không dây .7 Hình 2-3: Mô tả các loại thiết bị trong mạng Zigbee .10 Hình 2-4: Các mô hình mạng Zigbee .11 Hình 2-5: Kiến trúc giao thức Zigbee .12 Hình 2-6: Module Xbee ZB thực tế .13 Hình 2-7: Sơ đồ chân module Xbee .15 Hình 2-8: Kết nối module Xbee và vi điều khiển thông qua giao thức UART .17 Hình 2-9: Gói dữ liệu UART truyền qua RF module .18 Hình 2-10: Sơ đồ luồng dữ liệu nội bộ .18 Hình 2-11: Địa chỉ 64bit PAN ID của Xbee .20 Hình 2-12: Các chế độ hoạt động của module Xbee .22 Hình 2-13: Cấu trúc khung dữ liệu API command (AP= 1) .27 Hình 2-14: Cấu trúc khung dữ liệu API command (AP= 2) .28 Hình 2-15: Cấu trúc của 1 khung dữ liệu API qua UART .28 Hình 2-16: Giao diện công cụ X-CTU .33 Hình 2-17: Kit Arduino Uno R3 .34 Hình 2-18: Các linh kiện trên kit Arduino Uno R3 .35 Hình 2-19: Sơ đồ chân Arduino Uno R3.36 Hình 2-20: Giao diện công cụ Arduino IDE .39 Hình 2-21: Mô hình hoạt động chương trình trên Arduino IDE .39 Hình 2-22: Board Raspberry pi B .40 Hình 2-23: Những thông số cơ bản về Raspberry pi B .41 Hình 2-24: Sơ đồ chân GPIO của Board RPi B .42 Hình 2-25: RPi B và các thiết bị kết nối với nó .44 Hình 2-26: Giao diện hệ điều hành Raspbian .45 Hình 2-27: Cảm biến LM35DZ .46 Hình 2-28: Sơ đồ chân LM35DZ .46 Hình 2-29: Cảm biến MQ-2 .47 Hình 2-30: Module cảm biến MQ-2.47 Trang xi do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2-31: Cảm biến PIR-D203S .48 Hình 2-32: Module cảm biến PIR-SR501 .50 Hình 2-34: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi .53 Hình 2-35: Sơ đồ kết nối thiết bị và Bus I2C .53 Hình 2-36: Truyền nhận dữ liệu Master/Slave .54 Hình 2-37: Điều kiện Start và Stop của Bus I2C .55 Hình 2-38: Quá trình truyền một bit dữ liệu .56 Hình 2-39: Dữ liệu truyền trên Bus I2C .57 Hình 2-40: Bit ACK trên Bus I2C .57 Hình 2-41: Lưu đồ giải thuật quá trình truyền và nhận dữ liệu I2C .57 Hình 2-42: Cấu trúc byte dữ liệu đầu tiên .58 Hình 2-43: Quá trình truyền dữ liệu I2C .59 Hình 2-44: Cấu trúc khung truyền Ethernet .64 Hình 2-45: Kết nối ở chế độ thụ động mở TCP .65 Hình 3-1: Sơ đồ khối chung của hệ thống .67 Hình 3-2: Sơ đồ khối của khối thu thập nhiệt độ khí gas và điều khiển động cơ .68 Hình 3-3: Khối xử lý trung tâm và thu thập hình ảnh .70 Hình 3-4: Mạch nguyên lý socket cấp nguồn Pin cho Xbee .73 Hình 3-6: Sơ đồ chân MIC .73 Hình 3-7: Khối Xbee (Slave) nguồn Pin thực tế .74 Hình 3-8: Mạch nguyên lý socket nguồn trực tiếp cho Xbee .75 Hình 3-9: IC AMS1117-3.75 Hình 3-10: Sơ đồ chân IC AMS1117-3.76 Hình 3-11: Khối Xbee (Slave) nguồn trực tiếp thực tế .76 Hình 3-12: Mạch nguyên lý công suất AC.77 Hình 3-13: Rờ le thực tế .77 Hình 3-14: Khối công suất điên AC .78 Hình 3-15: Khối xử lý trung tâm .78 Hình 3-16: Sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm.79 Hình 3-17: Lưu đồ giải thuật Client (giao diện người dùng) .80 Hình 3-18: Giao diện người dùng (GUI).81 Hình 3-19: Lưu đồ giải thuật Server (Raspberry pi) .82 Trang xii do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3-20: Lưu đồ giải thuật trên Arduino .83 Hình 3-21: Lưu đồ giải thuật truyền dữ liệu của Xbee cảm biến .84 Hình 4-1: Khối xử lý trung tâm kết nối mạng LAN .89 Hình 4-2: Khối Xbee kết nối điều khiển thiết bị .89 Hình 4-3: Khối Xbee cảm biến nhiệt độ .90 Hình 4-4: Khối Xbee cảm biến khí gas .90 Hình 4-5: Khối cảm biến chuyển động và thu thập hình ảnh .91 Hình 4-6: Khối cảm biến được đặt bên ngoài .91 Hình 4-7: Khối cảm biến được đặt gần TV .92 Hình 4-8: Hình ảnh được lưu lại khi đã thu thập .92 Trang xiii do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 2-1: Xu hướng ứng dụng giữa các giao thức wireless khác và Zigbee .6 Bảng 2-2: So sánh tần số, tốc độ và khoảng cách giữa Zigbee, Bluetooth và Wifi .8 Bảng 2-3: Các thông số kỹ thuật của Xbee .13 Bảng 2-4: Tên gọi và chức năng các chân Xbee .15 Bảng 2-5: Ví dụ đặt địa chỉ giao tiếp 2 module Xbee .21 Bảng 2-6: Các trường hợp ở Sleep mode .24 Bảng 2-7: Tên và giá trị ID của các loại khung API .28 Bảng 2-8: Gói tin API loại 0x17.31 Bảng 2-9: Gói tin API loại 0x92.32 Trang xiv do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, có rất nhiều phương pháp truyền thông không dây để kết nối thiết bị với trung tâm điều khiển như: Wifi, Bluetooth, PLC (Power Line Communication), Zigbee, Z- Wave,… Mỗi phương pháp đề có những ưu khuyết điểm riêng, mạng Zigbee hay còn gọi là sensor network được thiết kế tối ưu hóa cho việc theo dõi môi trường và điều khiển các thiết bị điện tử đang là một xu hướng. Vì vậy, ứng dụng mạng Zigbee để theo dõi môi trường sống sẽ đễ dàng triển khai trong một phạm vi hẹp như ngôi nhà, kho hàng,.
Theo đó, việc quang sát hình ảnh của một góc khuất nào đó trong một kho hàng chẳng hạn mà mắt ta không thể nhìn hết cũng rất quan trọng, với tính năng xử lý hình ảnh một cách linh hoạt dựa trên hệ thống nhúng Raspberry thì việc này trở nên rất dễ dàng. Sự kết hợp giữa hai ưu thế trên, sẽ hình thành nên một hệ thống giám sát hiệu quả. Mục đích đề tài Xây dựng hệ thống mạng giám sát nhiệt độ, khí gas và hình ảnh từ môi trường đưa về thiết bị trung tâm là Raspberry pi. Sau đó sử dụng mô hình server- client để truyền và hiển thị thông tin cho client.
Các phần công việc được nhóm chia ra: Thiết kế hệ thống truyền nhận và xử lý nhiệt độ, cũng như là nhận biết khí gas dựa trên Xbee và Arduino. Xây dựng mô hình giữa giao tiếp khối mạng Zigbee và Raspberry pi. Xây dựng hệ thống ghi nhận và điều khiển camera. Thiết kế bộ giao tiếp truyền dữ liệu trung tâm server- client.
Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu những vấn đề sau: Chuẩn giao tiếp không dây Zigbee và module chuyên dụng của nó là Xbee. Trang 1 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giao tiếp và truyền nhận dữ liệu giữa Arduino và Ziggbe với chuẩn UART. Thực hiện xử lý thông tin trên Arduino từ mạng Zigbee gửi về. Giao tiêp I2C để trao đổi dữ liệu giữa Raspberry pi và Arduino.
Cách thức ghi nhận và xử lý hình ảnh từ camera của Raspberry pi. Mô hìn server- client dựa trên ngôn ngữ python.