Luận án quan trắc môi trường

LỜI CẢM ƠN Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô khoa Điện và khoa Điện Tử đã tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường V.

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian

từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp

đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô khoa Điện và khoa Điện Tử đã tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô thì em nghĩ bài thu hoạch này của em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy cô Bước đầu đi vào thực tế của em còn hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM, đặc biệt là các Thầy Cô khoa Điện và khoa Điện Tử của trường đã tạo điều kiện cho em để em có thể hoàn thành tốt bài báo cáo thực tập này Và em cũng xin chân thành cám ơn Thầy TS.Nguyễn Ngọc Sơn tận tình hướng dẫn hướng dẫn em hoàn thành tốt khóa thực tập

Trong quá trình thực tập, cũng như là trong quá trình làm bài báo cáo thực tập, khó tránh khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cô bỏ qua Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp Thầy, Cô

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử, mà đặc biệt trong đó là sự phát triển lớn mạnh của công nghệ thông tin, truyền thông đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điện nghiêng về điều khiển tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật nói chung và trong sự phát triển công nghệ thông tin Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà

Bên cạnh đó thì một trong những vấn đề bức xúc và cũng là một trong những vấn nạn của ngành nay đó là vấn đề môi trường Nhất là các nước Nam Phi được xếp là những nơi có tị lệ nghèo đói cao nhất thế giới chính vì về vấn nạn môi trường, kéo theo

nó là bệnh tật hoàn hành phát sinh Tại việt nam vấn đề môi trường không chỉ ngày trước

mà cả những năm gần đây nó cũng là một vấn đề nóng trong nước ô nhiễm về biển ngày càng nặng, các khu vực ngoài ô thì xuất hiện ngày một nhiều các bãi rác

Các thành phố lớn thì tỉ lệ ô nhiễm ngày càng cao hơn tỉ lệ bụi, nồng độ khí thải ngày càng tăng lên, mức độ ô nhiễm về nguần nước tại các kênh rạch trong thành phố cũng tăng cao Chính vì thế nhóm chúng em có làm về vấn đề Quan Trắc Môi Trường Nhằm mục đích giúp cho mọi người biết được tình hình ô nhiễm về môi trường trong khu vực mình sống và qua đó cùng đưa ra các biện pháp để khác phục vấn đề này một cách tốt hơn

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan về quan trắc môi trường 2

1.2.1 Tình trạng môi trường 2

1.2.2 Các nghiên cứu về môi trường 3

1.3 Nội dung của đề tài 4

1.3.1 Thống kê 4

1.3.2 Nội dung 4

CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyết 5

2.1 Mạng truyền thông không dây là gì ? 5

2.1.1 Một số các loại mạng truyền thông không dây hiện nay 5

2.2 Tìm hiểu về GMS 6

2.3 Tìm hiểu về GPRS 8

2.4 Các loại mudule sim kích hợp GMS và GPRS 9

2.4.1 Giới thiệu chung về SIM900A 9

2.4.2 Đặc điểm của module SIM900A 9

2.4.3 Mạch GSM GPRS Sim800A 11

2.5 Giao thức mạng 12

2.5.1 Tầng ứng dụng 13

2.5.2 Tầng giao vận 13

2.5.3 Tầng mạng IP (IPv4, IPv6) 13

2.5.4 Tầng liên kết 13

2.5.5 Các tầng 16

2.6.1 Arduino Mega 2560 R3 20

2.7 Ứng dụng thực tế: 21

2.7.1 Arduino Uno R3 22

2.8 Một số loại cảm biến quan tác môi trường 23

2.8.1 Cảm biến MQ135 24

2.8.2 Cảm biến DHT11 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 26

3.1 Sơ đồ khối hệ thống 26

3.2 Phần cứng 28

3.2.1 Kết nối cảm biến DHT11 với mạch Arduino 29

3.2.2 Màn hình LCD : 31

3.2.3 Module Sim: 32

3.3 Lưu đồ giải thuật 34

3.4 Thiết lập kết nối Server ThingSpeak 35

3.5 Chạy thực nghiệm 37

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 39

4.1 Đã tích hợp được 39

4.1.1 Đánh giá 39

4.1.2 Truyền nhận dữ liệu 42

4.2 Ưu điểm và nhược điểm 42

4.2.1 Ưu điểm 42

4.2.2 Nhược Điểm 42

4.3 Hướng phát triển đề tài 42

4.4 ThingSpeak WebSever 43

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Tình hình giao thông tại khu vực thành phố giờ cao điểm 2

Hình 2: Cấu trúc của GSM 6

Hình 3: Module sim 9

Hình 4: Module Sim 800A mini 11

Hình 5: các tầng liên kết trên TCP 14

Hình 6: Board mạch Arduino MeGa 20

Hình 7: Board mạch Arduino UNO 22

Hình 8: Cảm biến MQ135 24

Hình 9: Cảm biến DHT11 25

Hình 10: Sơ đồ khối 26

Hình 11: Sơ đồ khối phần cứng 28

Hình 12: Sơ đồ khối kết nối Arduino với cảm biến DHT11 29

Hình 13: Kết nối LCD với Arduino 31

Hình 14: Lưu đồ giải thuật 34

Hình 15: Tạo giao diện trên thingspeak 35

Hình 16: Tạo giao diện trên thingspeak 36

Hình 17: Bảng thống kê thống số nhiệt độ độ âm và chất lượng không khí 37

Hình 18: Bảng thông số nhiệt độ 39

Hình 19: Bảng Thông số Độ Ẩm 40

Hình 20: Bảng thông số chất lượng không khí 41

Hình 21: Hình ảnh thực tế tại sài gòn 41

Hình 22: Giao diện trên ThingSpeak 43

Hình 23: Biểu đồ hiện thị thông số cho các kênh 44

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị không chỉ còn là vấn đề riêng của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội của các quốc gia trên thế giới trong thời gian qua đã có những tác động lớn đến môi trường, làm cho môi trường sống của con người

bị thay đổi và ngày càng trở nên tồi tệ hơn Những năm gần đây nhân loại đã phải quan tâm nhiều đến vấn đề ô nhiễm môi trường mà hậu quả của nó là sự biến đổi của khí hậu,

sự nóng lên toàn cầu, sự suy giảm tầng ôzôn và mưa axít

Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất ở các đô thị, đặc biệt là tại các nước đang phát triển Theo những nghiên cứu gần đây, việc phơi nhiễm bụi có nồng độ trung bình năm vượt quá 50 µg/m3 tại 126 thành phố trên thế giới

có thể là nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca tử vong sớm

Chất lượng không khí nói chung và không khí đô thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Các nguồn khí thải trong đô thị như công nghiệp, giao thông, sinh hoạt, xây dựng có thể làm suy giảm chất lượng không khí Cụ thể như trong thời gian qua số lượng các phương tiện giao thông ở các thành phố lớn ngày một tăng nhanh Lưu lượng

xe tham gia giao thông lớn, chất lượng xe lưu hành không đạt tiêu chuẩn về khí thải, chất lượng nhiên liệu sử dụng chưa tốt hàm lượng Benzen khoảng 5 % so với 1 % ở các nước trong khu vực, hàm lượng lưu huỳnh trong diezen chiếm từ 0,5 – 1 % so với 0,05

% ở các nước trong khu vực là nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm

1.2 Các nghiên cứu liên quan về quan trắc môi trường

6 tháng đầu năm, nồng độ CO được ghi nhận tăng vọt ở nhiều điểm như An Sương, ngã

tư Huỳnh Tấn Phát – Nguyễn Văn Linh, Hàng Xanh, Gò Vấp…

Tại Gò Vấp, nồng độ bụi trung bình năm 2014 là 447 microgam/m3 thì hiện tại là hơn

496 microgam Đặc biệt, tại ngã tư Huỳnh Tấn Phát - Nguyễn Văn Linh, từ mức 486 microgam năm 2014 tăng lên 613,83 microgam/m3 Nồng độ bụi đã vượt qua quy chuẩn của VIệt Nam từ 1,2 - 2,2 lần

Tình trạng kẹt xe trên các tuyến đường lớn luôn là vấn đề nhức nhối và thường xuyên hơn Tại các đoạn đường trên đường Cách Mạng tháng tám, đường Cộng Hòa, luôn luôn diễn ra tình trạng kẹt xe, làm cho nồng độ bụi tại khu vực này tăng cao, tình

Hình 1: Tình hình giao thông tại khu vực thành phố giờ cao điểm

1.2.2 Các nghiên cứu về môi trường

 Nghiên cứu phát triển công cụ cảnh báo ô nhiễm không khí bằng ảnh

vệ tinh

Hệ thống quản lý và cảnh báo ô nhiễm không khí APOM hoạt động dựa trên cơ

sở chỉ số bụi mịn, có những ưu điểm vượt trội như sau:

+ Hoạt động trực tuyến, thu và xử lý tự động dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám MODIS Terra, MODIS Aqua và Suomi NPP từ NASA và Trạm thu vệ tinh của Trường Đại học Công nghệ do Công ty eOsphere, Vương Quốc Anh trực tiếp lắp đặt, triển khai

và đào tạo

+ Tính toán thông số PM2.5 (nồng độ bụi có kích cỡ < 2.5 micromet trong không khí) cho toàn bộ vùng lãnh thổ Việt Nam, độ phân giải không gian 10x10 km với tần suất 4 lần/ngày (dựa trên xử lý ảnh MODIS Terra/Aqua) và 6x6 km với tần suất 2 lần/ngày (dựa trên xử lý ảnh VIIRS NPP)

+ Áp dụng công thức chuyển đổi từ mức độ bụi PM2.5 về chỉ số chất lượng không khí AQI theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế Thông qua phân tách dữ liệu tới 63 Tỉnh/Thành phố, hệ thống cung cấp nguồn ảnh về bụi PM2.5, AQI cho toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và các Tỉnh/Thành phố từ năm 2010 đến hiện nay

+ Phát triển thành công hệ thống thông tin địa lý (GIS) quản lý và cảnh báo ô nhiễm không khí trên nền tảng Web với các tính năng như hiển thị thông tin cảnh báo ô nhiễm cấp tỉnh, tìm kiếm các dữ liệu lịch sử, thống kê – báo cáo dữ liệu theo thời gian

và đăng ký các thông tin cảnh báo theo phiên ảnh hàng ngày Thống kê dữ liệu định kỳ theo thời gian một cách tự động, tùy ý theo yêu cầu của các cấp quản lý, chính quyền nhằm phát hiện sự tương quan, ảnh hưởng của ô nhiễm không khí theo thời gian, đưa ra các giải pháp để cảnh báo sớm tới người dân trong khu vực lãnh thổ Việt Nam

 Triển khai phương pháp quan trắc môi trường không khí xung quanh bằng các thiết bị đo nhanh

Đề tài đã nghiên cứu cơ sở khoa học, thực tiễn và áp dụng thử nghiệm quy trình

kỹ thuật quan trắc bằng thiết bị đo nhanh khí cầm tay đối với các thông số SO2, NOx,

CO, PM10 Các kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy tính ưu việt của thiết bị đo nhanh

và tính khả thi khi áp dụng thiết bị trong điều kiện ở Việt Nam

1.3 Nội dung của đề tài

1.3.1 Thống kê

TP.HCM đang có nguy cơ gia tăng ô nhiễm không khí Trong quý 1/2017, có 6 ngày vượt Quy chuẩn quốc gia, tương ứng 78 ngày vượt chuẩn WHO; Mức AQI (chỉ số chất lượng không khí) trung bình quý tăng từ 91,2 lên 100,8; tương ứng nồng độ bụi PM2.5 trung bình tăng từ 30,72 lên 35,8 µg/m3 Còn trong quý 3/2017, có 1 ngày vượt Quy chuẩn quốc gia và 39 ngày vượt chuẩn WHO Nếu phân tích dữ liệu theo giờ, có

87 giờ có nồng độ PM2.5 vượt quá Quy chuẩn Việt Nam và 810 giờ đối với chuẩn WHO Tại TP.HCM, chất lượng không khí trong quý 3/2017 không thay đổi nhiều so với cùng

kỳ năm trước Số giờ trong nhóm không tốt cho sức khỏe là 13,6% so với 14,8% trong cùng kỳ năm 2016

Bụi, khí độc vượt chuẩn

Kết quả phân tích mới nhất cho thấy trong quý 3/2017, chất lượng không khí

ở Hà Nội có cải thiện rõ rệt Số giờ trong nhóm tốt cho sức khỏe đạt 77%, cao hơn nhiều

so với 42% trong quý 3/2016 Số giờ trong nhóm không tốt cho sức khỏe năm 2017 là 22%, giảm mạnh so với tỷ lệ 58% cùng kỳ năm 2016

Nhìn vào các con số trên có thể thấy, chất lượng không khí ở Hà Nội và TP.HCM đang được cải thiện Tuy nhiên theo các chuyên gia, điều này không hoàn toàn đúng bởi nguyên nhân số ngày ô nhiễm vượt chuẩn giảm là do tác động thời tiết Cụ thể, mưa bão làm cho không khí được nước mưa “tẩy rửa” một phần đáng kể Năm 2016, Việt Nam

bị tác động của hiện tượng El Nino nên mưa ít, trong khi đó năm 2017 lượng và diện mưa cao hơn rất nhiều

lý nhà nước về bảo vệ môi trường

 Cảnh báo kịp thời các diễn biến bất thường hay các nguy cơ ô nhiễm, suy

CHƯƠNG 2: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Mạng truyền thông không dây là gì ?

Một mạng không dây là một mạng máy tính sử dụng các kết nối dữ liệu không dây giữa các nút mạng Mạng không dây được ưa thích bởi các hộ gia đình, các doanh nghiệp hay các cơ sở kinh doanh vừa và lớn có nhu cầu kết nối internet nhưng không thông qua quá nhiều cáp chuyển đổi Các mạng không dây được quản lý bởi hệ thống truyền thông vô tuyến của các nhà mạng Những hệ thống này thường được đặt tập trung hoặc rời rạc tại những cơ sở lưu trữ của các nhà mạng

2.1.1 Một số các loại mạng truyền thông không dây hiện nay

 Mạng MAN không dây (WMAN : wide area network) : Mạng đô thị không dây

là mạng dữ liệu được thiết kế để kết nối giữa các mạng đô thị (mạng MAN) giữa các khu vực địa lý cách xa nhau Xét về quy mô địa lý, mạng GAN( global area network) có quy mô lớn nhất, sau đó đến mạng WAN và mạng LAN

 Mạng LAN không dây (WLAN: Wireless Local Area Network) : Mạng cục bộ không dây là một nhóm các thiết bị kết nối với nhau bởi sóng vô tuyến trong một không gian tương đối nhỏ như một tòa nhà văn phòng hoặc nhà riêng

 Mạng PAN không dây (WPAN) : Mạng cá nhân không dây la Mạng WPAN (Wireless Personial Area Network) Là mạng không dây được sử dụng trong truyền thông thông tin ở khoảng cách ngắn từ vài met đến vài chục met ( thường dùng cho hộ gia đình , phòng làm việc )

 GSM : Chuẩn toàn cầu cho truyền thông di động số là các trạm thu phát sóng, do

đó, các máy điện thoại di động kết nối mạng bằng cách tìm kiếm các trạm thu phát sóng gần nó nhất

 Wifi : Mạng kết nối Internet không dây sử dụng sóng vo tuyền để truyền dữ liệu

Với đề tài là hệ thống quan trắc môi trường tự động:

- Góp phần xác định các thay đổi hoặc diễn biến chất lượng môi trường (qua các thông số) liên tục theo thời gian và không gian

- Cung cấp các số liệu liên tục, tức thời, thời gian thực phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường

- Cảnh báo kịp thời, đề xuất các biện pháp phù hợp để quản lý, bảo vệ môi trường

- Xác định trách nhiệm của các tỉnh, thành

Với các vẫn đề của đề tài thì chúng em đã tìm hiểu và chọn mạng không dây GMS kết hợp với GPRS tích hợp trên mudule sim để thực hiện khóa luận

2.2 Tìm hiểu về GMS

GSM là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa

lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc

Hình 2: Cấu trúc của GSM

Cấu trúc cơ bản của mạng không dây đại diện là mạng di động

Mỗi mạng điện thoại di động có nhiều tổng đài chuyển mạch MSC ở các khu vực khác nhau ( Ví dụ như tổng đài miền Bắc, miền Trung, miền Nam) và mỗi Tổng đài lại

có nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS

Đa số ở Việt Nam hiện đang phát ở băng tần 900MHz ,

Với băng GSM 900MHz ,thì thu ở dải sóng 935MHz đến 960MHz và phát ở dải sóng 890MHz đến 915MHz Và được thu từ đài phát trên một tần số nào đó (trong giải 935MHz đến 960MHz) nó sẽ trừ đi 45MHz để lấy ra tần số phát, khoảng cách giữa tần

số thu và phát của băng GSM 900 luôn luôn là 45MHz

dữ liệu, tăng độ tin cậy GPRS áp dụng nguyên tắc gói vô tuyến để truyền gói dữ liệu hiệu quả hơn giữa trạm di động GSM và mạng dữ liệu gói bên ngoài Chuyển mạch gói chia dữ liệu ra thành các gói nhỏ rồi truyền riêng rẽ sau đó tập hợp lại ở phía thu

Một người sử dụng GPRS có thể sử dụng đến 8 khe thời gian để đạt tốc độ tối đa hơn 100kbit/s Tuy nhiên đây là tốc độ đỉnh, nếu nhiều người cùng sử dụng thì tốc độ bit sẽ thấp hơn

2.4 Các loại mudule sim kích hợp GMS và GPRS

2.4.1 Giới thiệu chung về SIM900A

Module SIM900a là một sản phầm của Simcom sản suất Nó là một module GSM/GPRS nhỏ gọn và dành cho thị trường toàn cầu SIM900a sử dụng chip đơn nhân AMR926EJ-S với kiểu thiết kế chíp dán (SMT) SIM900a hoạt động trên bốn băng tần khác nhau 850/900/1800/1900 MHz Nó được ứng dụng cho gọi điện, SMS, GPRS và Fax với lượng điện tiêu thụ ít Kích thước nhỏ gọn ( 24mm x 24mm x 3mm), đáp ứng nhưng yêu cầu về không gian trong các ứng dụng “Machine to Machine M2M”

2.4.2 Đặc điểm của module SIM900A

Các đặc điểm chung :

- Sử dụng bốn băng tần : 850/900/1800/1900 MHz

- Kết nối GPRS :

 GPRS multi – slot class 10/8

 GPRS mobile station class B

- Điện năng tiêu thụ :

 Class 4 – 2W cho 900MHz

 Class 1 – 1W cho 1800MHz và 1900 MHz

- Kích thước : 24 x 24 x 3mm

- Cân nặng : 3.4g

- Điều kiển qua tập lệnh AT(chuẩn GSM 07.07, 07.05 và SIMCOM AT)

- Điện áp sử dụng : Dòng điện một chiều 3.4V đến 4.5V

- Tiết kiêm điện : 1.0mA

Hình 3: module sim

- Hỗ trợ GPRS lớp 10 : tải xuống max 85.6 kbps, tải lên: max 42.8 kbps

- Hỗ trợ PBCCH (Packet Broadcast Control Channel )

- Hỗ trợ giao thức điểm- điểm (PPP)

SMS :

- Hỗ trợ MT, MO

- Định dạng tin nhắn dạng văn bản và dạng PDU

- Lưu trữ tin nhắn bằng thẻ SIM

Quản lý danh bạ :

- Hỗ trợ danh bạ các chuẩn : SM, FD, LD, RC, ON, MC

Các giao tiếp :

- Tín hiệu tương tự cho audio

- Giao tiếp SPI

- Giao tiếp Serial

- Giao tiếp I2C

- CPIO

- PWM

- ADC

2.4.3 Mạch GSM GPRS Sim800A

Module GSM sim 800A có khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi, GPRS, … như

một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25 mm x 22 mm) Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ dàng, chân kết nối dùng rào đực

thông dụng (male header) chuẩn 100mil

Thông số kỹ thuật:

 Nguồn cấp: 4.2VDC , có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino) Nhưng khuyên các bạn nên dùng nguồn có dòng và áp đủ 4.2V-1A để đảm bảo mạch hoạt động ổn định Bạn có thể mua mạch giảm áp

 Khe cắm SIM : MICROSIM

 DTR : Chân UART DTR, thường không xài

 SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh

 MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh

 Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài)

 RING : báo có cuộc gọi đến

 GND: Chân Mass, cấp 0V

2.5 Giao thức mạng

Bộ giao thức TCP/IP, (Internet protocol suite hoặc IP suite hoặc TCP/IP

protocol suite - bộ giao thức liên mạng), là một bộ các giao thức truyền thông cài

đặt chồng giao thức mà Internet và hầu hết các mạng máy tính thương mại đang chạy

trên đó Bộ giao thức này được đặt tên theo hai giao thức chính của nó là TCP (Giao

thức Điều khiển Giao vận) và IP (Giao thức Liên mạng)

Như nhiều bộ giao thức khác, bộ giao thức TCP/IP có thể được coi là một tập hợp các tầng, mỗi tầng giải quyết một tập các vấn đề có liên quan đến việc truyền dữ liệu, và cung cấp cho các giao thức tầng cấp trên một dịch vụ được định nghĩa rõ ràng dựa trên việc sử dụng các dịch vụ của các tầng thấp hơn Về mặt lôgic, các tầng trên gần với người dùng hơn và làm việc với dữ liệu trừu tượng hơn, chúng dựa vào các giao thức tầng cấp dưới để biến đổi dữ liệu thành các dạng mà cuối cùng có thể được truyền

đi một cách vật lý

Mô Hình OSI miêu tả một tập cố định gồm 7 tầng mà một số nhà sản xuất lựa chọn và nó có thể được so sánh tương đối với bộ giao thức TCP/IP Sự so sánh này có thể gây nhầm lẫn hoặc mang lại sự hiểu biết sâu hơn về bộ giao thức TCP/IP

Các Tầng trong chồng giao thức của bộ giao thức TCP/IP

Bộ giao thức IP dùng sự đóng gói dữ liệu hòng trừu tượng hóa (thu nhỏ lại quan niệm cho dễ hiểu) các giao thức và các dịch vụ Nói một cách chung chung, giao thức ở

tầng cao hơn dùng giao thức ở tầng thấp hơn để đạt được mục đích của mình

2.5.2 Tầng giao vận

TCP, UDP, DCCP, SCTP, IL, RUDP, …

Các giao thức định tuyến như OSPF (tuyến ngắn nhất được chọn đầu tiên), chạy trên IP, cũng có thể được coi là một phần của tầng giao vận, hoặc tầng mạng TCMP (

Internet control message protocol – Giao thức điều khiên thông điệp Internet ) và IGMP ( Internet group managerment protocol – Giao thức quản lý nhóm Internet) chạy trên

IP, có thể coi là một phần của tầng mạng

2.5.3 Tầng mạng IP (IPv4, IPv6)

ARP (Address Resolution Protocol – Giao thức tìm địa chỉ) và RARP ( Reverse

Address Resolution Protocol –Giao thức tìm địa chỉ ngược lại) hoạt động ở bên dưới IP

nhưng ở tầng liên kết (link layer), vậy có thể nói là nó nằm ở khoảng trung gian giữa hai

tầng

2.5.4 Tầng liên kết

Ethernet, Wifi, Token ring, PPP, SLIP, FDDI, ATM, Frame Relay, SMDS, … Những tầng gần trên nóc gần với người sử dụng hơn, còn những tầng gần đáy gần với thiết bị truyền thông dữ liệu Mỗi tầng có một giao thức để phục vụ tầng trên nó,

và một giao thức để sử dụng dịch vụ của tầng dưới nó (ngoại trừ giao thức của tầng đỉnh

và tầng đáy)

Cách nhìn các tầng cấp theo quan niệm: hoặc là cung cấp dịch vụ, hoặc là sử dụng dịch vụ, là một phương pháp trừu tượng hóa để cô lập các giao thức của tầng trên, tránh quan tâm đến thực chất của vấn đề, như việc truyền tải từng bit qua Ethernet chẳng

hạn, và phát hiện xung đột (collision detection), trong khi những tầng dưới không cần

phải biết đến chi tiết của mỗi một chương trình ứng dụng và giao thức của nó

Sự trừu tượng hóa này cho phép những tầng trên cung cấp những dịch vụ mà các tầng dưới không thể làm được, hoặc cố ý không làm Chẳng hạn IP được thiết kế với độ đáng tin cậy thấp, và được gọi là giao thức phân phát với khả năng tốt nhất (thay vì với

"độ tin cậy cao" hoặc "đảm bảo nhất") Điều đó có nghĩa là tất cả các tầng giao vận đều phải lựa chọn, hoặc là cung cấp dịch vụ đáng tin cậy, hoặc là không, và ở mức độ nào

UDP đảm bảo sự toàn vẹn của dữ liệu (bằng cách dùng kiểm tra tổng (checksum)), song

không đảm bảo sự phân phát dữ liệu tới đích; TCP cung cấp cả hai, sự toàn vẹn của dữ liệu, và đảm bảo sự phân phát dữ liệu tới đích (bằng cách truyền tải lại gói dữ liệu, cho đến khi nơi nhận nhận được gói dữ liệu)

Hình 5: các tầng liên kết trên TCP

1 Trong liên kết đa điểm, với hệ thống điền địa chỉ riêng của mình (ví dụ như

Ethernet), một giao thức để đối chiếu địa chỉ (Address mapping protocol ) là một

cái cần phải có Những giao thức như vậy được coi là ở dưới tầng IP, song lại ở trên hệ thống liên kết hiện có

2 ICMP và IGMP hoạt động bên trên IP song không truyền tải dữ liệu như UDP hoặc TCP

3 Thư viện SSL/TLS hoạt động trên tầng giao vận (sử dụng TCP) song ở dưới các giao thức trình ứng dụng

4 Ở đây, tuyến liên kết được coi như là một cái hộp kín Nếu chúng ta chỉ bàn

thể truyền tải trên bất cứ cái gì), song nó chẳng giúp được gì mấy, khi chúng ta cân nhắc đến mạng truyền thông như một tổng thể

So sánh với mô hình OSI

Bộ giao thức IP (và chồng giao thức tương ứng) đã được sử dụng, trước khi mô hình OSI được thành lập, và từ đó, rất nhiều lần trong sách in cũng như trong lớp học, chồng giao thức IP đã được so sánh với mô hình OSI rất nhiều lần Các tầng cấp của OSI cũng thường được dùng để diễn tả chức năng của các thiết bị mạng

Hai cái có liên quan ít nhiều, song không phải là hoàn toàn giống nhau Điểm khác biệt đầu tiên dễ thấy nhất là số lượng của các tầng cấp Mô hình của Bộ Quốc

phòng Mỹ (DoD model), với chồng giao thức IP, chỉ có bốn hoặc năm tầng , tầng liên

kết có thể được coi như là một tầng riêng biệt, song cũng có thể được phân tách ra thành hai tầng, tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu, trong khi đó mô hình OSI lại dùng bảy tầng

So sánh tên của chúng một cách chặt chẽ cho chúng ta thấy rằng, hai tầng "mới" có tên

là tầng trình diễn và tầng phiên Nhiều sự so sánh đã gộp hai tầng này lại với tầng ứng dụng của OSI, và coi nó tương tự như tầng ứng dụng của giao thức IP

Tương tự như chồng giao thức IP, các tầng dưới của mô hình OSI không có nhiều chức năng, đủ để nắm bắt được thực trạng công việc của bộ giao thức IP Chẳng hạn, chúng ta cần phải có một "tầng liên kết mạng" gắn vào khoảng trống giữa tầng

mạng và tầng giao vận, để chỉ ra nơi tồn tại của ICMP (Internet Control Message Protocol - Giao thức điều khiển thông điệp Internet) và IGMP (Internet Group Management Protocol - Giao thức quản lý nhóm Internet) Thêm vào đó, chúng ta cũng cần phải có một tầng ở giữa tầng mạng và tầng liên kết dữ liệu dành cho ARP (Address Resolution Protocol - Giao thức tìm địa chỉ) và RARP (Reverse Address Resolution Protocol - Giao thức tìm địa chỉ ngược lại) Không những thế, nó còn chịu ảnh hưởng

của việc thiết kế chỉ nhắm vào một cài đặt đơn giản của mạng lưới, với một tầng liên kết

dữ liệu mà thôi (chẳng hạn người dùng ADSL dùng giao thức đường hầm (tunnelling protocol) để "đào hầm" thông vào mạng lưới của công ty liên hiệp, dùng IP trên PPTP,

hơn là dùng IP trên PPPoA, thông qua liên kết ADSL)

Một ví dụ cho thấy mô hình OSI có tác dụng là việc chỉ ra nơi thích hợp nhất

của SSL/TLS Thông thường SSL/TLS được dùng như một giao thức phiên (session protocol), tức là một giao thức tầng cấp trên (upper layer protocol) dành cho TCP hoặc

UDP, song lại là một giao thức tầng cấp dưới (lower layer protocol) đối với rất nhiều

các giao thức khác (HTTP, SFTP v.v ), hoặc bất cứ một chương trình ứng dụng nào

hoạt động trên một stunnel hoặc trên một mạng riêng ảo bảo an (secure virtual private network)

Do chồng TCP/IP không có tầng nào nằm giữa ứng dụng và các tầng giao vận, tầng ứng dụng trong bộ TCP/IP phải bao gồm các giao thức hoạt động như các giao thức tại tầng trình diễn và tầng phiên của mô hình OSI Việc này thường được thực hiện qua các thư viện lập trình

Dữ liệu thực để gửi qua mạng được truyền cho tầng ứng dụng, nơi nó được đóng gói theo giao thức tầng ứng dụng Từ đó, dữ liệu được truyền xuống giao thức tầng thấp tại tầng giao vận

Hai giao thức tầng thấp thông dụng nhất là TCP và UDP Mỗi ứng dụng sử dụng dịch vụ của một trong hai giao thức trên đều cần có cổng Hầu hết các ứng dụng thông

dụng có các cổng đặc biệt được cấp sẵn cho các chương trình phục vụ (server)(HTTP -

Giao thức truyền siêu văn bản dùng cổng 80; FTP - Giao thức truyền tệp dùng cổng 21,

v.v ) trong khi các trình khách (client) sử dụng các cổng tạm thời (ephemeral port)

Các thiết bị định tuyến và thiết bị chuyển mạch không sử dụng tầng này nhưng

các ứng dụng điều chỉnh thông lượng (bandwidth throttling) thì có dùng

 Tầng giao vận

Trách nhiệm của tầng giao vận là kết hợp các khả năng truyền thông điệp trực

control), phân mảnh (fragmentation) và điều khiển lưu lượng Việc truyền thông điệp

trực tiếp hay kết nối các ứng dụng tại tầng giao vận có thể được phân loại như sau:

 Định hướng kết nối (connection-oriented), ví dụ TCP

 Phi kết nối (connectionless), ví dụ UDP

Tầng giao vận có thể được xem như một cơ chế vận chuyển thông thường, nghĩa

là trách nhiệm của một phương tiện vận tải là đảm bảo rằng hàng hóa/hành khách của

nó đến đích an toàn và đầy đủ

Tầng giao vận cung cấp dịch vụ kết nối các ứng dụng với nhau thông qua việc sử

dụng các cổng TCP và UDP Do IP chỉ cung cấp dịch vụ phát chuyển nỗ lực tối đa (best effort delivery), tầng giao vận là tầng đâu tiên giải quyết vấn đề độ tin cậy

Ví dụ, TCP là một giao thức định hướng kết nối Nó giải quyết nhiều vấn đề độ

tin cậy để cung cấp một dòng byte đáng tin cậy (reliable byte stream):

 Dữ liệu đến đích đúng thứ tự

 Sửa lỗi dữ liệu ở mức độ tối thiểu

 Dữ liệu trùng lặp bị loại bỏ

 Các gói tin bị thất lại/loại bỏ được gửi lại

 Có kiểm soát tắc nghẽn giao thông dữ liệu

Tuy các giao thức định tuyến động (dynamic routing protocol) khớp về kỹ thuật

với tầng giao vận trong bộ giao thức TCP/IP (do chúng chạy trên IP), nhưng chúng thường được xem là một phần của tầng mạng Một ví dụ là giao thức OSPF (số hiệu giao thức IP là 89)

Giao thức mới hơn, SCTP (Stream Control Transmission Protocol|), cũng là một

cơ chế giao vận định hướng kết nối "đáng tin cậy" Giao thức này định hướng dòng

(stream-oriented), chứ không định hướng byte như TCP, và cung cấp nhiều dòng đa công (multiplexed) trên một kết nối Nó còn hỗ trợ multi-homed, trong đó một đầu của

kết nối có thể được đại diện bởi nhiều địa chỉ IP (đại diện cho nhiều giao diện vật lý), sao cho, nếu một giao diện vật lý thất bại thì kết nối vẫn không bị gián đoạn Giao thức này ban đầu được phát triển dành cho các ứng dụng điện thoại (để vận

chuyển SS7 trên giao thức IP), nhưng nó cũng có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác

UDP là một giao thức datagram phi kết nối Cũng như IP, nó là một giao thức nỗ lực tối đa hay "không đáng tin cậy" Vấn đề duy nhất về độ tin cậy mà nó giải quyết là sửa lỗi dữ liệu (dù chỉ bằng một thuật toán tổng kiểm yếu) UDP thường được dùng cho

các ứng dụng như các phương tiện truyền thông theo dòng (streaming media) chứa âm

thanh và hình ảnh, v.v , trong đó, vấn đề gửi đến đúng giờ có vai trò quan trọng hơn độ tin cậy, hoặc cho các ứng dụng truy vấn/đáp ứng đơn giản như tra cứu tên miền, trong

đó, phụ phí của việc thiết lập một kết nối đáng tin cậy lớn một cách không cân xứng

Giao thức DCCP hiện đang được phát triển bởi IETF (Internet Engineering Task Force) Nó cung cấp nội dung điều khiển lưu lượng của TCP, trong khi đối với người

dùng, nó giữ bề ngoài như mô hình dịch vụ datagram của UDP

Cả TCP và UDP được dùng cho một số ứng dụng bậc cao (high-level) Các ứng

dụng tại các địa chỉ mạng cho trước được phân biệt bởi cổng TCP hay UDP của nó

Theo quy ước, các cổng "nổi tiếng" được liên kết với một số ứng dụng cụ thể (Xem Danh sách cổng TCP và UDP.)

RTP (Real-time Transport Protocol - giao thức giao vận thời gian thực) là một giao thức datagram được thiết kế cho dữ liệu thời gian thực (real-time), chẳng hạn hình

và tiếng được truyền theo dòng ('streaming audio and video') RTP là một giao thức tầng phiên sử dụng định dạng gói tin UDP làm căn bản Tuy nhiên, nó được đặt vào tầng giao vận của chồng giao thức TCP/IP

Tầng mạng

Theo định nghĩa ban đầu, tầng mạng giải quyết các vấn đề dẫn các gói tin qua một mạng đơn Một số ví dụ về các giao thức như vậy là X.25, và giao thức Host/IMP của mạng ARPANET

Với sự xuất hiện của khái niệm liên mạng, các chức năng mới đã được bổ sung cho tầng này, đó là chức năng dẫn đường cho dữ liệu từ mạng nguồn đến mạng đích Nhiệm vụ này thường đòi hỏi việc định tuyến cho gói tin quan một mạng lưới của các mạng máy tính, đó là liên mạng

Trong bộ giao thức liên mạng, giao thức IP thực hiện nhiệm vụ cơ bản dẫn đường

dữ liệu từ nguồn tới đích IP có thể chuyển dữ liệu theo yêu cầu của nhiều giao thức tầng trên khác nhau; mỗi giao thức trong đó được định danh bởi một số hiệu giao thức duy

nhất: giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol) là giao thức 1 và giao thức IGMP (Internet Group Management Protocol) là giao thức 2

Một số giao thức truyền bởi IP, chẳng hạn ICMP (dùng để gửi thông tin chẩn

đoán về truyền dữ liệu bằng IP) và IGMP (dùng để quản lý dữ liệu đa truyền (multicast)),

được đặt lên trên IP nhưng thực hiện các chức năng của tầng liên mạng, điều này minh họa một sự bất tương thích giữa liên mạng và chồng TCP/IP và mô hình OSI Tất cả các

giao thức định tuyến, chẳng hạn giao thức BGP (Border Gateway Protocol), giao thức OSPF, và giao thức RIP(Routing information protocol|), đều thực sự là một phần của

tầng mạng, mặc dù chúng có thể có vẻ thuộc về phần trên của chồng giao thức

Tầng liên kết

Tầng liên kết - phương pháp được sử dụng để chuyển các gói tin từ tầng mạng

tới các máy chủ (host) khác nhau - không hẳn là một phần của bộ giao thức TCP/IP, vì

giao thức IP có thể chạy trên nhiều tầng liên kết khác nhau Các quá trình truyền các gói tin trên một liên kết cho trước và nhận các gói tin từ một liên kết cho trước có thể được

điều khiển cả trong phần mềm điều vận thiết bị (device driver) dành cho cạc mạng, cũng như trong phần sụn(firmware) hay các chipset chuyên dụng Những thứ đó sẽ thực hiện các chức năng liên kết dữ liệu chẳng hạn như bổ sung một tín đầu (packet header)

để chuẩn bị cho việc truyền gói tin đó, rồi thực sự truyền frame dữ liệu qua một môi trường vật lý

Đối với truy nhập Internet qua modem quay số, các gói IP thường được truyền bằng cách sử dụng giao thức PPP Đối với truy nhập Internet băng thông

rộng (broadband) như ADSL hay modem cáp, giao thức PPPoE thường được sử dụng Mạng dây cục bộ (local wired network') thường sử dụng Ethernet, còn mạng không dây cục bộ thường dùng chuẩn IEEE 802.11 Đối với các mạng diện rộng (wide-area network), các giao thức thường được sử dụng là PPP đối với các đường T-carrier hoặc E- carrier, Frame relay, ATM (Asynchronous Transfer Mode), hoặc giao thức packet over

SONET/SDH (POS)

Tầng liên kết còn có thể là tầng nơi các gói tin được chặn ( Intercepted) để gửi qua một mạng riêng ảo (Virtual private network) Khi xong việc, dữ liệu tầng liên

kết được coi là dữ liệu của ứng dụng và tiếp tục đi xuống theo chồng giao thức TCP/IP

để được thực sự truyền đi Tại đầu nhận, dữ liệu đi lên theo chồng TCP/IP hai lần (một lần cho mạng riêng ảo và lần thứ hai cho việc định tuyến)

Tầng liên kết còn có thể được xem là bao gồm cả tầng vật lý - tầng là kết hợp của

các thành phần mạng vật lý thực sự (hub, các bộ lặp (Repeater), cáp mạng, cáp quang, cáp đồng trục(Coaxial cable), cạc mạng, cạc HBA (Host Bus Adapter) và các

thiết bị nối mạng có liên quan: RJ-45, BNC, etc), và các đặc tả mức thấp về các tín hiệu (mức hiệu điện thế, tần số, v.v )

2.6 CÁC LOẠI BOARD VI XỬ LÝ

2.6.1 Arduino Mega 2560 R3

Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản nâng cấp của Arduino Uno R3 với số chân giao tiếp, ngoại vi và bộ nhớ nhiều hơn, mạch được thiết kế và sử dụng các linh kiện tương đương với phiên bản chính hãng trên Arduino.cc, phù hợp cho các ứng dụng cần nhiều bộ nhớ hoặc nhiều chân, cổng giao tiếp hơn so với Arduino Uno