Chương 1: Tổng quan: Trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu về các công nghệ không dây. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày kiến thức nền tảng về các board Vi điều khiển Arm STM32F103C8T6, NodeMCU ESP8266, các mudule, cảm biến, công nghệ LoRa, WiFi, truyền thông Uart. 2 do an Chương 3: Thiết kế hệ thống: Trình bày yêu cầu của hệ thống, sơ đồ khối và chức năng từng khối, thiết kế phần cứng cho hệ thống, xây dựng lưu đồ giải thuật.
Chương 4: Thi công hệ thống: Trình bày cách thức vẽ mạch layout, xây dựng lưu đồ giải thuật, xây dựng giao diện trên HMI TFT và app Blynk. Chương 5: Kết quả và nhận xét: Trình bày kết quả thi công phần cứng và phần mềm, đánh giá hoạt động của chúng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Trình bày kết luận cho đồ án, nêu ưu, khuyết điểm của đề tài, những sai sót mà nhóm mắc phải trong khi thực hiện và đưa ra hướng phát triển sau này. 3 do an Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
GIỚI THIỆU MỘT SỐ CHUẨN TRUYỀN THÔNG PHỔ BIẾN 2. TRUYỀN THÔNG CÓ DÂY Truyền dữ liệu có dây là cách đơn giản nhất để kết nối hai thiết bị (cùng loại) với nhau. Có hai cách để truyền dữ liệu đó là truyền dữ liệu nối tiếp và truyền dữ liệu song song, trong đó, có một số chuẩn tryền thông phổ biến là: SPI, UART và I2C.1 Chuẩn giao tiếp SPI. SPI viết tắt của Serial Peripheral Interface, SPI bus – Giao diện ngoại vi nói tiếp, bus SPI.
Chuẩn SPI được phát triển bởi Motorola. Đây là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần (full- duplex) tức trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận. Đôi khi SPI còn được gọi là chuẩn giao tiếp 4 dây (Four-wire). SPI là giao diện đồng bộ, bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu clock chung.
Tín hiệu này sinh ra bởi master. Hình 2- 1 Giao tiếp SPI - Trong giao diện SPI có bốn tín hiệu số: MOSI hay SI – cổng ra của bên Master (Master Out Slave IN). Đây là chân dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động. MISO hay SO – Công ra bên Slave (Master IN Slave Out).
Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master. SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp chỉ được tạo bởi Master. CS hay SS là tín hiệu chọn vi mạch (Chip Select hoặc Slave Select).
SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu Master kéo SS xuông thấp thì sẽ xảy ra quá trình giao tiếp. Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.2 Chuẩn giao tiếp I2C I²C, viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips. Ban đầu, loại bus này chỉ được dùng trong các linh kiện điện tử của Philips.
Sau đó, do tínhưu việt và đơn giản của nó, I²C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay. - Cấu tạo và nguyên lý hoạt động I²C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: Một đường xung nhịp đồng hồ(SCL) chỉ do Master phát đi ( thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1Mhz và 3. Một đường dữ liệu(SDA) theo 2 hướng.
Sơ đồ kết nối như hình 2-2 Hình 2- 2 Sơ đồ kết nối I2C 2.3 Chuẩn giao tiếp UART UART – Universal asynchronous receiver transmitter là bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ. UART là một ngoại vi cơ bản trong chip STM32F103C8T6, Node MCU thường được dùng trong các quá trình giao tiếp với các loại module hay thiết bị ngoại vi. Hai thiết bị giao tiếp UART với nhau thông qua hai đường dẫn RX (receiver và TX (transmit) Vì là giao tiếp không đồng bộ nên hai thiết bị phải được cài đặt thống nhất về khung truyền, tốc độ truyền. Hình 2- 3 Kết nối UART 5 do an Hình 2- 4 Khung truyền UART Trong đó: - Start Bit: Start bit là bit dùng để đồng bộ dữ liệu.
Đây là bit được thêm vào phía trước dữ liệu thực tế nhằm đánh dấu bắt đầu của gói dữ liệu. Thông trường, trong trạng thái idle, khi không có dữ liệu nào được truyền, mức điện áp trên đường truyền là mức CAO – HIGH (1) Khi bắt đầu truyền dữ liệu, UART truyền sẽ kéo mức điện áp trên bus từ mức CAO xuống mức THẤP (từ 1 xuống 0). UART nhận sẽ phát hiện được sự thay đổi mức điện áp này và sẽ bắt đầu đọc dữ liệu. Thông thường, Start bit chỉ có độ dài 1 bit.
- Stop Bit: Như cái tên của nó, Stop Bit đánh dấu việc kết thúc gói dữ liệu. Nó có độ dài 2 bit nhưng thông thường, người ta chỉ sử dụng 1 bit. Sau khi kết thúc quá trình truyền dữ liệu, mức điện áp trên bus sẽ được giữ ở mức CAO – HIGH (1). - Parity bit: giúp cho thiết bị nhận UART xác định được gói dữ liệu nhận được có chính xác hay không.
Parity là kiểu kiểm tra sai sót ở low-level bao gồm 2 biến: Even Parity và Odd Parity. Parity bit là optional và thường ít khi được sử dụng. - Data Bits: Là những bits chứa dữ liệu được gửi từ thiết bị truyền sang thiết bị nhận. Độ dài của gói dữ liệu có thể từ 5 đến 9 bits (9 bits nếu như parity bit không được dùng và chỉ có 8 bits khi parity bit được dùng).
Thông thường, LSB (bit có giá trị thấp nhất) là bit được truyền đầu tiên. Các khái niệm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART: 6 do an Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận không đồng bộ thì ở các bên truyền và nhận phải thống nhất Baudrate. Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng dể giao tiếp với máy tính là 600,1200,2400,4800,9600,14400,19200,38400,56000,57600,115200. Frame: Ngoài giống nhau của tốc độ baud giữa 2 thiết bị truyền-nhận thì khung truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau.
Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu “Start bit”, các bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngoài ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền. Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu. - Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi. - Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi.2 TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Dù các kết nối có dây (sử dụng cáp và dây dẫn điện) vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc truyền-nhận dữ liệu, thông tin nhưng hiện tại các thiết bị có kết nối không dây đang ngày một trở nên quen thuộc và dần thay thế các kết nối cũ, đem lại rất nhiều tác động đến cuộc sống của chúng ta.1 Bluetooth Bluetooth không chỉ được dùng để truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động, kết nối phụ kiện với điện thoại mà còn có trong một loạt thiết bị khác nhau như máy ảnh số, laptop, PC và đầu máy chơi game.
Chip Bluetooth sử dụng tín hiệu sóng radio để truyền dữ liệu trong phạm vi hẹp, thường là khoảng 30 mét. Hình 2- 5 Nghe nhạc qua tai nghe Bluetooth 7 do an Bluetooth 2.0, phiên bản được tích hợp nhiều nhất trong các thiết bị hiện nay, có thể trao đổi những gói thông tin đòi hỏi băng thông thấp hoặc trung bình với tốc độ 3 Mb/giây. Công nghệ này sử dụng lượng điện năng tương đối thấp.2 Zigbee Zigbee cho phép truyền thông tin tới nhiều thiết bị cùng lúc (mesh network). Phạm vi hoạt động của Zigbee đang được cải tiến từ 75 mét lên đến vài trăm mét.
Hình 2- 6 Truyền không dây qua Zigbee Công nghệ này đòi hỏi năng lượng thấp hơn Bluetooth, nhưng tốc độ chỉ đạt 256 Kb/giây. Nó sẽ được ứng dụng trong hệ thống tự động tại các hộ gia đình như chiếu sáng và sưởi ấm.3 NFC Thiết bị NFC chỉ có thể truyền không dây vài kilobit dữ liệu trong phạm vi vài cm, do đó nó đảm bảo an toàn khi người sử dụng muốn trao đổi thông tin riêng tư, cần bảo mật. Hình 2- 7 Truyền NFC giữa 2 thiết bị di động Các hãng sản xuất di động có vẻ hứng thú với công nghệ này và cho rằng điện thoại NFC sẽ được dùng để thanh toán hóa đơn khi người sử dụng uống cafe hay mua báo… Nó cũng sẽ xuất hiện trong khóa điện tử, vé và các tài liệu du lịch.4 WiFi Hình 2- 8 Các thiết bị kết nối qua Wifi Công nghệ kết nối Internet không dây này đã rất phổ biến trong gia đình, văn phòng, quán cafe và một số trung tâm thành phố lớn. Ngoài ra, Wi-Fi còn được dùng để nối những thiết bị gia dụng như TV, đầu DVD với máy tính.5 LORA Hình 2- 9 Mô hình mạng LoRa Công nghệ truyền không dây LoRa cũng tương tự như truyền Zigbe và cho phép giao tiếp với nhiều thiết bị cùng lúc với khoảng cách xa ( khoảng 3000m- 5000m) với tốc độ nhanh hơn những thiết bị thu phát RF khác.
Nhìn chung các mạng không dây hiện tại như Bluetooth, Bluetooth Low Energy, WiFi và ZigBee đều không thích hợp cho những ứng dụng tầm xa. Mạng di động (cellular) càng không thể dùng để các giao tiếp từ xa machine-to-machine vì quá tốn năng lượng. Nhìn chung, tất cả các loại mạng đều rất đắt đỏ về phần cứng và dịch vụ. GIỚI THIỆU MODULE RF UART LORA SX1278 433MHZ (E32- TTL-100) Module RF UART Lora SX1278 433MHz sử dụng chip SX1278 của SEMTECH chuẩn giao tiếp Lora (Long Range), mang lại hai ưu điểm vượt trội là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách phát siêu xa.
Ngoài ra, nó còn có khả năng cấu hình để liên kết với nhau tạo thành mạng lưới LoRa nên hiện tại được phát triển và sử dụng rất nhiều trong các nghiên cứu về IoT. Module Lora SX1278 có khả năng thu phát với khoảng cách 3000m. Được tích hợp chuyển đổi giao tiếp chuẩn SPI của SX1278 sang UART giúp cho việc giao tiếp dễ dàng hơn. Với kích thước nhỏ gọn 5x21x36 mm, LoRa dễ dàng đáp ứng hầu hết các yêu cầu về không gian trong các thiết bị người dùng, ví dụ như các trạm thu phát tín hiệu, trong các thiết bị điều khiển từ xa.