CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày những kết quả của đồ án đã thực hiện được, đánh giá và so sánh kết quả với yêu cầu đặt ra ban đầu. Chương 6: Kết Luận - Hướng Phát Triển Nêu bật những ưu, khuyết điểm của đề tài, những kiến thức và kinh nghiệm đã thu được trong quá trình thực hiện đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 Luan van CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP 2.1 Giải pháp giám sát cảm biến Thiết bị sẽ đọc giá trị cảm biến, xử lí và tải lên trên Google Spreadsheets. Dữ liệu này có thể truy cập bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu thông qua điện thoại hoặc máy tính. Điều này không có nghĩa là nó không có tính bảo mật. Vì Google Spreadsheets thuộc tài khoản Google của người dùng nên bất kì ai cũng có thể xem nhưng chỉ có người dùng mới có khả năng chỉnh sửa cơ sở dữ liệu.
Việc tải lên dữ liệu này sẽ thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak và bằng các module kết nối mạng. Để cập nhật giá trị của sheet trên Google Spreadsheet, phải dùng biểu mẫu (Form). Song, thiết bị không thể gửi trực tiếp giá trị cảm biến lên 1 form, vì vậy, ta phải dùng ThingSpeak làm trung gian. ThingSpeak là một công cụ miễn phí để xây dựng các dự án IoT, hỗ trợ tốt cho người dùng và không cần phải tạo và thuê tên miền như các công cụ truyền thống.
Tất cả đều miễn phí. Ta có thể qua sát được dữ liệu thu thập từ cảm biến một cách trực quan và dễ dàng thông qua máy tính và ngay cả trên điện thoại. Chiều của dữ liệu cảm biến được mô tả như sau: Hình 2.1 Chiều của dữ liệu cảm biến 2.2 Giải pháp điều khiển thiết bị Thiết bị sẽ một lần nữa thông qua công cụ hỗ trợ là ThingSpeak để thực hiện việc điều khiển tải tại chỗ. Ý tưởng điều khiển thực hiện thông qua việc cập nhật và tải về dữ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 Luan van CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT liệu của một trường trên ThingSpeak. Các đối tượng thực hiện việc gửi nhận dữ liệu ở đây là arduino (thiết bị) và android (điện thoại).2 Quy trình gửi nhận dữ liệu giữa Android và Arduino Điều khiển thiết bị dựa trên việc cập nhật giá trị của trường (field) trên ThingSpeak. Để việc điều khiển trực quan hơn, ta cần thấy được sự phản hồi từ thiết bị là đã điều khiển được hay chưa. Android và arduino sẽ thay phiên thực hiện chức năng gửi – tải dữ liệu của field trong từng trường hợp.
Muốn có được sự trực quan này, việc điều khiển cần dựa trên dữ liệu của 2 trường: Field điều khiển (field 1): chứa giá trị điều khiển, android có chức năng gửi lên giá trị cho field này, còn arduino sẽ tải dữ liệu về và thực hiện điều khiển tương ứng. Field hiện tại (field 2): cho biết trạng thái của thiết bị. Android sẽ hiển thị trạng thái của thiết bị dựa trên việc tải về dữ liệu của trường này, tất nhiên arduino sẽ đảm nhận chức năng gửi lên dữ liệu.2 GIỚI THIỆU VỀ ANDROID Android là một hệ điều hành dựa trên nền tảng Linux được thiết kế dành cho các thiết bị di động có màn hình cảm ứng như điện thoại thông minh và máy tính bảng. Android có mã nguồn mở và Google phát hành mã nguồn theo Giấy phép Apache.
Chính mã nguồn mở cùng với một giấy phép không có nhiều ràng buộc đã cho BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT phép các nhà phát triển thiết bị, mạng di động và các lập trình viên nhiệt huyết được điều chỉnh và phân phối Android một cách tự do. Ngoài ra, Android còn có một cộng đồng lập trình viên đông đảo chuyên viết các ứng dụng để mở rộng chức năng của thiết bị, bằng một loại ngôn ngữ lập trình Java có sửa đổi. Ngày nay, điện thoại android đã có gần như mọi chức năng của một chiếc máy tính.
Chính vì sự tiện dụng và di động nên nhóm thực hiện quyết định lập trình ứng dụng trên android. Sử dụng phần mềm Android Studio và các mã nguồn mở trên GitHub.3 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG WIFI VÀ 3G Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11, là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến giống như điện thoại di động, truyền hình và radio. Hệ thống này hoạt động ở một số sân bay, quán café, thư viện hoặc khách sạn. Hệ thống cho phép truy cập Internet tại những khu vực có sóng của nó và hoàn toàn không cần đến cáp nối.
Ngoài các điểm kết nối công cộng (hotspots), WiFi có thể được thiết lập ngay tại nhà riêng.11 bắt nguồn từ viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Viện này tạo ra nhiều chuẩn cho nhiều giao thức kỹ thuật khác nhau, và nó sử dụng một hệ thống số nhằm phân loại chúng; 4 chuẩn thông dụng của WiFi hiện nay là 802. Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác. Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến và ngược lại.
Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz. Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình. Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn. Chúng dùng chuẩn 802.11b là phiên bản đầu tiên trên thị trường.
Đây là chuẩn chậm nhất và rẻ tiền nhất, và nó trở nên ít phổ biến hơn so với các chuẩn khác.11b phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz, nó có thể xử lý đến 11 megabit/giây, và nó sử dụng mã CCK (complimentary code keying). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chuẩn 802.11g cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11b, tốc độ xử lý đạt 54 megabit/giây.11g nhanh hơn vì nó sử dụng mã OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing), một công nghệ mã hóa hiệu quả hơn.11a phát ở tần số 5 GHz và có thể đạt đến 54 megabit/ giây. Nó cũng sử dụng mã OFDM.
Những chuẩn mới hơn sau này như 802.11n vẫn chưa phải là chuẩn cuối cùng.11n cũng phát ở tần số 2.4 GHz, nhưng nhanh hơn so với chuẩn 802.11a, tốc độ xử lý đạt 300 megabit/giây.11ac phát ở tần số 5 GHz. WiFi có thể hoạt động trên cả ba tần số và có thể nhảy qua lại giữa các tần số khác nhau một cách nhanh chóng. Việc nhảy qua lại giữa các tần số giúp giảm thiểu sự nhiễu sóng và cho phép nhiều thiết bị kết nối không dây cùng một lúc. 3G, hay 3-G, (viết tắt của third-generation technology) là công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh.
Thế hệ mạng di động mới (3G) không phải là mạng không dây IEEE 802. Các mạng này được ám chỉ cho các thiết bị cá nhân như PDA và điện thoại di động. Ngày nay 3G và WiFi được sử dụng một cách phổ biến và là cách truy cập mạng thông dụng của smartphone. Không những vậy, các module có thể sử dụng WiFi, 3G để thực hiện xây dựng chức năng của một thiết bị IoT cũng là khá phong phú và có giá thành hợp lý.4 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP Trong giới hạn đề tài có sử dụng một số chuẩn giao tiếp: UART, I2C, ONEWIRE.1 UART Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ.
USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó. Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic High là 5V, mức Low là 0V.
Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low.3 Điện áp của các mức logic trong giao tiếp UART Truyền thông nối tiếp: Dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đường truyền. Vì lý do này, cho dù dữ liệu có lớn đến đâu cũng chỉ dùng rất ít đường truyền. Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận. Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khi truyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm.
Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những “thỏa hiệp” hay những tiêu chuẩn nhất định. Khái niệm “đồng bộ” để chỉ sự “báo trước” trong quá trình truyền. Lấy ví dụ thiết bị 1 kết nối với với thiết bị 2 bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp. Cứ mỗi lần thiết bị 1 muốn gởi 1 bit dữ liệu, nó điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho thiết bị 2 sẵn sàng nhận một bit.
Bằng cách báo trước này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền/nhận dễ dàng với ít “rủi ro” hơn. Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất phải có 2 đường truyền cho 1 quá trình gửi nhận. Khác với cách truyền đồng bộ, truyền thông không đồng bộ chỉ cần một đường truyền cho một quá trình. Khung dữ liệu đã được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến.
Ví dụ, 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau theo phương pháp này, chúng đã được thỏa thuận với nhau rằng cứ 1 mili-giây thì sẽ có BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 Luan van CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 bit dữ liệu truyền đến, như thế thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra và đọc đường truyền mỗi 1 mili-giây để đọc các bit dữ liệu và sau đó ghép chúng lại thành dữ liệu có ý nghĩa. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ vì không cần nhiều đường truyền. Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng.
Sau đây là các khái niệm quan trọng trong phương pháp truyền thông này.