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 d ng 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 802.4 và Ethernet” đã ra đời. 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 802.4 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. 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 nhúng vào vi điều khiển AVR.
Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vi 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. Nội dung của luận văn Nội dung của luận văn đƣợc trình bày thông qua 4 chƣơng: Chƣơng : Giới thiệu tổng quan về công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết bị điện. Chƣơng : 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 : Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua giao diện web server. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vii CÁC THUẬT NG VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Ack Acknowledgment Xác nhận 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 Điều khiển truy nhập môi trƣờng MAC Medium Access Control mạng Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 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 WPAN Wireless Personal Area Network Mạng cá nhân không dây Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải ix 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 Thông số MQ-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 802.10 Cấu trúc liên kết mạng 28 1.11 Cấu trúc mạng hình sao 28 1.12 Cấu trúc mạng mesh 29 1.13 Cấu trúc mạng hình cây 30 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải x 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 Hệ thống đo rò rỉ khí ga 48 2.2 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa 49 2.3 Hệ thống chống trộm tiêu biểu 50 2.4 Cảm biến từ phát hiện mở cửa 51 2.5 Cảm biến chuyển động PIR 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 3.5 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 3.10 Hình dáng cảm biến PIR 73 3.11 Nguyên lý đầu dò PIR 74 3.12 Mạch nguyên lý đầu dò PIR 75 3.13 Sơ đồ cảm biến rò rỉ khí ga MQ2 76 3.14 Biểu đồ giữa cƣờng độ sáng và điện áp ng ra 78 3.15 Cấu tạo cảm biến ánh sáng 78 3.16 Phƣơng pháp kết nối TCP 81 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải xi 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 3.1 Sơ đồ khối xử lý trung tâm 90 4.2 Mạch in khối xử lý trung tâm 90 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp Ethernet 91 4.4 Mạch in khối giao tiếp Ethernet 91 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý ngoại vi 92 4.6 Mạch in khối xử lý ngoại vi 93 4.7 Lƣu đồ giải thuật bộ xử lý trung tâm 96 4.8 Lƣu đồ giải thuật bộ xử lý ngoại vi 97 4.9 Lƣu đồ giải thuật truy cập web server 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 Giao diện đăng nhập hệ thống 105 4.15 Giao diện điều khiển 105 4.16 Mô hình thực tế 106 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 1 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 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện 1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication) [ 10 ] 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 (Powerline Indoor Telecoms) Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 2 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 d ng trong nhà với nhau.