(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT

(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng IoT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

Mục Lục

DANH MỤC CÁC HÌNH IV CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP VI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ VI 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VI 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI 1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN VII

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ HIỆN ĐẠI PHỔ BIẾN TRÊN Ô TÔ HIỆN NAY 2

2.1 CẢNH BÁO ĐIỂM MÙ KHI LÙI 2

2.2 CẢNH BÁO VA CHẠM PHÍA TRƯỚC (FCW) VÀ PHANH TỰ ĐỘNG 2

2.3 PHÁT HIỆN NGƯỜI ĐI BỘ VÀ PHANH TỰ ĐỘNG 3

2.4 ĐÈN PHA CHỦ ĐỘNG 3

2.5 CẢNH BÁO CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG (LDW) VÀ HỖ TRỢ 4

2.6 PHÁT HIỆN DẤU HIỆU KHÔNG TỈNH TÁO CỦA NGƯỜI LÁI 4

2.7 HỖ TRỢ ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 4

2.8 CAMERA LÙI VÀ HỖ TRỢ ĐỖ XE 5

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN, MODULE VÀ CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 6

3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI 3 6

1 CẤU HÌNH RASPBERRY PI 3 MODEL B 6

3.2 MODULE DRF1605H VÀ ANTEN 10

3.3 GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 11

3.3.1 TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 11

3.3.1.1 Khái niệm về ZIGBEE 11

3.3.1.2.Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE 11

3.3.1.3 Ưu điểm của ZIGBEE/IEEE802.15.4 với BLUETOOH/IEEE802.15.1 12

3.3.2 Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 13

3.3.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN 13

3.3.2.2 Kiến trúc liên kết mạng 13

3.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 16

3.3.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4 16

3.3.3.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC 18

3.3.3.3 Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4 23

3.3.3.4 Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4 25

3.4 ARDUINO UNO R3 25

3.5 GIỚI THIỆU LCD 1602 26

3.6 GIỚI THIỆU MODULE GPS UBLOX NEO 6M 27

3.8 GIỚI THIỆU MẠCH CHUYỂN USB UART CP 2102 29

3.9 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM QT CREATOR 30

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG 31

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 31

4.4.1 Sơ đồ mạch Coordinator 31

4.1.2 Sơ đồ khối mạch Router 31

4.2 Mô tả hoạt động chức năng từng khối module 31

4.2.1 Mô tả hoạt động mạch Coordinator 31

4.3 THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH 33

4.4.1 Thiết kế và thi công mạch Coordinator 35

4.4.2 Thiết kế và thi công mạch Router 35

4.4.4 Mô hình thực tế mạch Router 36

4.4.5 Thử nghiệm thực tế trên xe 37

4.5 KẾT QUẢ 38

4.6 MÔ TẢ HỆ THỐNG 38

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 40

5.1 KẾT LUẬN 40

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Cảnh báo điểm mù khi lùi 2

Hình 2.2: Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động…….2

Hình 2.3: Phát hiện người đi bộ và phanh tự động 3

Hình 2.4: Hệ thống đèn pha chủ động 3

Hình 3.1 :Bo mạch Raspberry Pi bên cạnh iPhone 4 6

Hình 3.2.: Hình ảnh chụp thực tế bo mạch Raspberry Pi 3 7

Hình 3.3.: Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3 8

Hình 3.4.: Sơ đồ chân kết nối Raspberry Pi 3 8

Hình 3.5.: Truyền dữ liệu từ Coordinator tới các nút 10

Hình 3.6.: Truyền dữ liệu từ nút tới Coordinator 11

Hình 3.7.: Cấu trúc liên kết mạng 13

Hình3.8.: Cấu trúc mạng hình sao 14

Hình 3.9.: Cấu trúc mạng mesh 14

Hình 3.10.: Cấu trúc mạng hình cây 15

Hình 3.11.: Mô hình giao thức của ZigBee 16

Hình 3.12 Băng tần hệ thống của Zigbee 17

Hình 3.13.: Cấu trúc siêu khung 19

Hình 3.14.: Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon 20

Hình 3.15.: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon 20

Hình 3.16.: Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon 21

Hình 3.17 : Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon 22

Hình 3.18.: Arduino Uno R3 25

Hình 3.19.: Arduino Nano 26

Hình 3.20.: Màn hinh LCD 1602 27

Hình 3.21.:Sơ đồ chân màn hình LCD 1602 27

Hình 3.22.: Mạch GPS Ublox Neo 6M 27

Hình 3.23: Màn hình LCD 3.5 inch Waveshare 28

Hình 3.24: Mạch USB Uart CP 2102 29

Hình 4.2.: Sơ đồ khối mạch Router 31

Hình 4.3.: Lưu đồ mạch Coordinator 34

Hình 4.4: Lưu đồ mạch Router 34

Hình 4.5.: Sơ đồ nguyên lý mạch Coordinator 35

Hinh 4.7 : Mô hình thực tế mạch Coordinator 36

Hinh 4.8.: Mô hình thực tế mạch Coordinator 36

Hình 4.9 Thử Nghiệm thực tế mạch Router 37

Hình 4.10 Thử Nghiệm thực tế mạch Router 37

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 những người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học 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 Cơ khí động lực –Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã cùng với tri thức và 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 thầy Nguyễn Trọng Thức thì em khó có thể hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp

này

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Trọng Thức đã trực tiếp hướng dẫn

tận tình và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đề tài

Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị và các bạn đã giúp đỡ và đóng góp nhưng lời khuyên bổ ích để hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách khách quan và

đúng hạn

Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè, và đặc biệt là cha mẹ những người thân luôn kịp thời động viên và giúp đỡ em vượt qua những khó khăn

trong cuộc sống để em có như ngày hôm nay

Do kiến thức của chúng em còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để kiến thức em

trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ ô tô cũng được hoàn thiện nhằm mục đích đem đến cho người dùng những trải nghiệm ngày càng thoải mái và tiện nghi hơn

Sự ra đời của các công nghệ hiện đại "trang bị đến tận răng" như cảnh báo chệch làn đường, cảnh báo tiền va chạm, hệ thống hỗ trợ phanh, giao tiếp với các phần mềm di động đã mang lại cho người dùng những chuyến hành trình thú vị nhưng vẫn đảm

bảo được độ an toàn tối đa

Bên cạnh đó ngoài việc các tiện ích bên trong xe các hãng công nghệ còn không ngừng phát triển các hệ thống liên lạc giữa các xe với nhau, giữa các xe với các trạm thông tin liên lạc 2 bên đường giúp người tài xế luôn cập nhật được tình hình giao thông của các xe xung quanh cũng như tình hình giao thông của khu vực

1.2 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống giao thông hiện nay không đơn thuần là 1 nhóm người ngồi trên ô tô di chuyển nữa mà có khi là một đoàn xe 5 đến 10 xe thậm chí là 50 xe Đơn cử là đoàn xe

vận chuyển tổng thống Mỹ Obama khi sang Việt nam là hơn 45 chiếc

Nhận thấy nhu cầu về liên lạc của 1 đoàn xe với nhau là hết sức cần thiết cho việc gia

tăng tính an toàn của đoàn xe là rất cần thiết

Nhận thấy điều đó em đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu hệ thống “THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH HỆ THỐN HỖ TRỢ QUẢN LÝ ĐOÀN XE ỨNG DỤNG IOT” Là một đề tài rất mới lạ tuy nhiên em thấy rằng nó sẽ rất cần thiết cho nhu cầu hiện nay vì tham gia giao thông không những là người dân bình thường mà còn là những đoàn xe của chính

khách trong và người nước luôn cần được bảo vệ an ninh rất cao

đảm bảo tính bảo mật cao

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để đề tài hoàn thành nhóm đã sử dụng rất nhiều phương pháp để nghiên cứu, thông qua sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm tài liệu trên mạng, trên

các diễn đàn, tìm đọc tài liệu… Từ đó, có cơ sở để tìm ra những ý tưởng mới để hoàn

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ HIỆN ĐẠI PHỔ BIẾN TRÊN Ô TÔ HIỆN NAY 2.1 Cảnh báo điểm mù khi lùi

Đây là hệ thống có tác dụng cảnh báo về giao thông ở các hướng khác nhau khi bạn lùi lại Hệ thống thường tạo ra cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh ở gương ngoài hoặc trên màn hình hiển thị của camera lùi Các hệ thống mới hơn thậm chí còn bắt được

hình ảnh người đi bộ hoặc đi xe đạp

Lời khuyên từ Consumer Reports: Cảnh báo điểm mù khi lùi đặc biệt hữu ích khi bạn phải lùi xe trong làn đường bị che khuất tầm nhìn bởi những ô tô đậu liền kề

Hình 2.1: Cảnh báo điểm mù khi lùi

2.2 Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động

Hình 2.2: Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động

Cảnh báo va chạm trước gồm các hệ thống hoạt động độc lập hoặc kết hợp camera Hệ thống này cảnh báo người lái về va chạm sắp xảy ra thông qua tín hiệu

radar-laser-hình ảnh, âm thanh hay vật lý Đa phần hệ thống cảnh báo sẽ phanh tự động và chuẩn

bị các thao tác cần thiết nhằm ứng phó với va chạm Khi lái xe lờ đi các cảnh báo, hệ thống sẽ tự động phanh hoặc dừng hẳn xe Cảnh báo này áp dụng mọi địa điểm, từ

những đoạn đường xe di chuyển bình thường cho tới đường cao tốc

2.3 Phát hiện người đi bộ và phanh tự động

Đây là công nghệ do Volvo tiên phong và hiện đã được nhiều hãng khác sử dụng cho

xe Hệ thống sẽ phát hiện người đi bộ tiến vào đường đi của xe Ở một số xe, hệ thống

sẽ tự động phanh hoặc dừng hẳn xe khi cần thiết Thậm chí, một số hệ thống mới hơn

có thể phát hiện cả người đi xe đạp

Lời khuyên từ Consumer Reports: Bạn nên lắp hệ thống này, đặc biệt nếu thường xuyên lái xe trong các thành phố và địa bàn đông đúc

Hình 2.3: Phát hiện người đi bộ và phanh tự động

2.4 Đèn pha chủ động

Hình 2.4: Hệ thống đèn pha chủ động

Khi bạn quay vô lăng, các đèn pha chủ động cũng sẽ xoay, soi sáng đường ngay cả ở các khúc cua hoặc đoạn rẽ Nghiên cứu do IIHS tiến hành vào năm 2014 cho thấy, đèn pha chủ động giúp tăng thời gian phản xạ của lái xe gấp nhiều lần, từ đó tránh va chạm

Lời khuyên từ Consumer Reports: Trên thực tế, có nhiều quan điểm khác nhau về đèn pha chủ động Tầm nhìn mở rộng hơn là một lợi thế, song chuyển động xoay của đèn pha khiến đoạn đường như cũng “xoay” theo và làm người lái mất tập trung, đặc biệt

khi chuyển động của cụm đèn pha không hoàn toàn đồng bộ với góc quay của vô lăng

2.5 Cảnh báo chuyển làn đường (LDW) và hỗ trợ

Các hệ thống này sử dụng camera và bộ cảm biến để xác định vạch chỉ dẫn làn đường cũng như khoảng cách từ vạch chỉ dẫn tới xe Nếu bạn chèn bánh lên vạch chỉ dẫn làn đường mà không bật đèn xi-nhan, hệ thống sẽ cảnh báo bằng âm thanh hoặc dưới dạng vật lý như rung vô lăng hay ghế Các hệ thống hỗ trợ đi đúng làn đường (LKA) thậm chí tự động phanh hoặc thúc nhẹ vào vô lăng để hướng dẫn lái xe quay về đúng làn

đường

Lời khuyên từ Consumer Reports: Cảnh báo chuyển làn đường thật sự hữu ích khi bạn

lái xe trên đường cao tốc

2.6 Phát hiện dấu hiệu không tỉnh táo của người lái

Có nhiều phương pháp kiểm tra tình trạng tỉnh táo của người lái Hãng Mercedes-Benz

đi đầu công nghệ này khi sử dụng một thuật toán máy tính so sánh giữa hành vi điều khiển vô lăng của người lái với các hoạt động khác vốn đã được ghi lại lúc xe bắt đầu

di chuyển

Một số hệ thống khác giám sát vị trí của xe trong làn đường và tìm kiếm các dấu hiệu thiếu tập trung Một số hệ thống thậm chí theo dõi cử động mắt của người lái nhờ camera trong xe Khi phát hiện dấu hiệu bất thường, hệ thống lập tức sẽ cảnh báo bằng

âm thanh, tự động phanh khựng lại hoặc bật sáng biểu tượng tách cà phê trên bảng

điều khiển

Lời khuyên từ Consumer Reports: Hệ thống này sẽ giữ đầu óc bạn luôn tỉnh táo khi lái

xe, đi đúng làn đường và nhắc bạn không nhắn tin hoặc gửi email khi đang điều khiển

xe

2.7 Hỗ trợ đỗ xe tự động

Hệ thống này cho phép xác định không gian đỗ xe song song hoặc vuông góc mà xe của bạn có thể đỗ vào Khi tìm được, hệ thống tự động hướng xe về phía chuồng” Một

số hệ thống thậm chí còn tự động đưa xe khỏi chỗ đỗ song song Tất nhiên, người lái

vẫn cần thực hiện thao tác phanh và tuân theo các chỉ dẫn từ hệ thống

Lời khuyên từ Consumer Reports: Bạn sẽ gặp một chút khó khăn lúc đầu như kích hoạt hệ thống và lái xe vào không gian rộng để hệ thống nhận diện điểm đỗ xe phù hợp Hệ thống có thể chưa xác định ngay được vị trí “chuồng” nhưng phần lớn đều

làm tốt nhiệm vụ đưa xe vào chỗ đỗ

2.8 Camera lùi và hỗ trợ đỗ xe

Camera chiếu hậu sẽ là trang bị bắt buộc trên các dòng xe từ phiên bản 2018 trở đi Các camera này giúp phòng tránh tai nạn khi lùi xe như đâm vào trẻ Hệ thống cảm biến hỗ trợ đỗ xe sẽ cảnh báo người điều khiển bằng tiếp bíp nhanh và lớn dần khi xe

tiến sát chướng ngại vật phía sau

Lời khuyên từ Consumer Reports: Bạn không thể lái một chiếc SUV hoặc bán tải mà không có những thiết bị hỗ trợ này vì điểm mù sau xe rất lớn Thêm vào đó, camera chiếu hậu là bạn đồng hành hữu ích khi bạn phải “lùi chuồng” ở những không gian

chật hẹp

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN, MODULE VÀ CÁC PHẦN

MỀM LẬP TRÌNH

3.1 Giới thiệu về máy tính nhúng Raspberry Pi 3

Raspberry Pi là cái máy tính giá 35USD kích cỡ như iPhone và chạy HĐH Linux Với mục tiêu chính của chương trình là giảng dạy máy tính cho trẻ em Được phát triển bởi Raspberry Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mà

nhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau

Hình 3.1 :Bo mạch Raspberry Pi bên cạnh iPhone 4

Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và được phân phối chính

bởi Element14, RS Components và Egoman

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lập trình cho những sinh viên , nhưng Pi đã được sự quan tầm từ nhiều đối tượng khác nhau Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC Broadcom BCM2835 ( là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điện thoại di động ) bao gồm CPU , GPU , bộ xử lí âm thanh /video , và các tính năng khác

… tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Bạn không thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗ trợ mã x86/x64 , nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web , môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đa năng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo cho những hệ thống điện tử , những dự án DIY , thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền cho

những bài học trải nghiệm lập trình …

PHẦN CỨNG

1 Cấu hình Raspberry Pi 3 Model B

Raspberry Pi 3 Model B là thế hệ thứ 3 và mới nhất tính đến thời điểm hiện tại của gia đình Raspberry Pi , nó ra đời vào tháng 2 năm 2016 Cấu hình Raspberry Pi có khá

nhiều thay đổi:

 CPU 64 bit quad-core bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần so với

thế hệ đầu tiên

 Tích hợp wireless chuẩn 802.11n

 Tích hợp Bluetooth 4.1 ( sở hữu tính năng tiết kiệm năng lượng BLE)

Broadcom là nhà sản xuất chip (SoC) cho Raspberry Pi 3, với tên mã BCM2837, các bạn có thể xem trên board mạch So với đàn em trước Raspberry Pi 2, từ nay mình gọi tắt Raspberry Pi là Raspi nhé, Raspi 3 mang theo những gì đàn em Raspi 2 có bao

gồm:

 Bộ nhớ RAM 1G

 4 cổng USB

 Cổng HDMI, hỗ trợ Full HDMI

 Cổng Ethernet (hay là cổng mạng LAN)

Pi 3 uy tín nhất, hỗ trợ kỹ thuật tốt nhất ở thời điểm hiện tại

2 Cấu trúc phần cứng

Hình 3.3: Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3

Hình 3.4: Sơ đồ chân kết nối Raspberry Pi 3

 Từ phiên bản Raspberry Pi B+ trở đi đều có 40 chân pin GPIO (bố trí y hệt) , điều này

tất nhiên thôi, thiết kế phải có tính kế thừa

 Mọi phiên bản Raspberry Pi đều sử dụng thẻ nhớ để khởi động và để cài hệ điều hành,

có 1 cổng HDMI để hiển thị, cổng USB đều có nhưng số lượng cổng thì tuỳ phiên bản

 Phiên bản mới nhất hiện tại là Raspberry Pi 3 Model B, tích hợp sẵn Wifi, bluetooth

BLE tiết kiệm điện, CPU mạnh hơn

 Đặc biệt lưu ý, Raspberry Pi 3 sử dụng nguồn điện 2.5A

HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHẦN MỀM

Sau khi mua về thì phải cài hệ điều hành, có nhiều hệ điều hành cho Pi như:

Raspbian: OS chính thức, giao diện giống như Windows/Mac/Linux

 OSMC: tích hợp KODI, dùng làm máy xem phim, nghe nhạc

 RetroPie: dùng làm máy chơi game, hỗ trợ nhiều hệ máy khác nhau

 Ngoài ra còn có Ubuntu, Windows 10 IoT, RiscOS

Raspbian là OS chính thức dành cho Pi Cách cài đặt rất đơn giản, chỉ cần tải Raspbian

về, giải nén, copy vào thẻ nhớ microSD rồi gắn thẻ vào máy Pi cho nó chạy cài đặt là

xong

Raspberry Pi dùng để làm gì?

Đầu coi phim HD giống như Android Box, hỗ trợ KODI đầy đủ

 Máy chơi game cầm tay, console, game thùng Chơi như máy điện tử băng ngày xưa,

giả lập được nhiều hệ máy

 Cắm máy tải Torrent 24/24

 Dùng làm VPN cá nhân

 Biến ổ cứng bình thường thành ổ cứng mạng (NAS)

 Làm camera an ninh, quan sát từ xa

 Hiển thị thời tiết, hiển thị thông tin mạng nội bộ

 Máy nghe nhạc, máy đọc sách

 Làm thành một cái máy Terminal di động có màn hình, bàn phím, pin dự phòng để sử

dụng mọi lúc mọi nơi, dò pass Wi-Fi

 Làm thiết bị điều khiển Smart Home, điều khiển mọi thiết bị điện tử trong nhà

 Điều khiển robot, máy in không dây từ xa, Airplay



Ưu điểm Raspberry pi

 Giá rẻ: chỉ từ 5 USD thôi là bạn đã mua được một cái Pi (phiên bản rút gọn Raspberry

Pi Zero) Bản Pi 3 là mạnh nhất hiện tại, có đầy đủ Wi-Fi, Bluetooth, cấu hình cao

nhất

 Đơn giản, dễ dùng, tiết kiệm không gian: dùng làm các công việc văn phòng đơn giản,

gõ Word, Excel hay tạo PowerPoint, lướt web

 Tự học lập trình bằng các app đơn giản của Pi, trẻ em cũng học được

 Tiêu thụ rất ít điện: Ví dụ như tải Torrent, thay vì cắm máy tính công suất hàng trăm

Watts liên tục 24/24 thì chỉ cần dùng một cái Pi công suất chưa tới 5W cũng làm được

 Có tính di động cao: có thể bỏ vào túi mang đi khắp nơi, thích hợp để làm máy nghe

nhạc di động, máy đọc ebook, máy dò pass Wi-Fi, máy chơi game cầm tay

Raspberry Pi 3 là bản có cấu hình cao nhất hiện nay (trước đó có Pi, Pi 2, ngoài ra còn

có bản siêu nhỏ: Pi Zero và Pi Zero W) Pi 3 có giá chỉ 35 USD nhưng thường là chúng ta sẽ mua thêm các phụ kiện ví dụ như case cho Pi 3, tản nhiệt cho chip, adapter nguồn, thẻ nhớ microSD Giá tổng cộng (chưa tính thẻ nhớ) vào khoảng hơn 50 USD

3.2 Module DRF1605H và anten

Module DRF1605H là module giao tiếp không dây theo giao thức Zigbee, dựa trên chip CC2530F256 chạy theo tiêu chuẩn Zigbee2007/PRO, có đầy đủ tính năng của

giao thức Zigbee

Module DRF1605H giao tiếp thông qua giao diện UART (TX & RX), truyền năng

lượng cao nên khoảng cách truyền có thể đạt tới 1.6 km Một số tính chất của module:

được gửi cho Coordinator

Hình 3.5.: Truyền dữ liệu từ Coordinator tới các nút

Hình 3.6.: Truyền dữ liệu từ nút tới Coordinator

3.3 Giới thiệu về chuẩn ZIGBEE/ IEEE 802.15.4

Công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ mới hiện nay, công nghệ này

ra đời giải quyết được vấn đề băng tần eo hẹp như hiện nay Với những ưu điểm vượt trội đã được chứng minh, vì thế có thể nói ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệ của tương lai Những vấn đề cần được nắm trong chương này gồm:

- Tổng qua về ZIGBEE/IEEE 802.15.4

- Mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 LR-WPAN

- Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE 802.15.4

3.3.1 Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4

3.3.1.1 Khái niệm về ZIGBEE

Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn ZIGBEE hoạt động trên 3 dãy tần số là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz

Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách truyền thông tin của các con ong mật đó là kiểu “ Zig-Zag” của loài ong “ Honey-Bee” Cái tên ZigBee cũng được ghép từ 2 từ này

3.3.1.2.Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin như Bluetooth Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần

915MHz (Mỹ, Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu)

Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào

2 tầng thấp của giao thức là tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu Zigbee còn thiết lập cơ

sở cho những tầng cao hơn trong giao thức về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau

Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý

PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được thiết kế sao

cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác

3.3.1.3 Ưu điểm của ZIGBEE/IEEE802.15.4 với BLUETOOH/IEEE802.15.1

- ZigBee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn Một nốt mạng trong mạng ZigBee

có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai ắc qui AA Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợp không có khuếch đại)

- ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu Tốc độ truyền của ZigBee

là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này của Bluetooth là 1Mbps

- ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong

đó các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phép tối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế về không gian và thời gian) Các thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet không đồng bộ Nó chỉ cho phép tối đa là 8 node slave trong một mạng chủ-tớ

cơ bản

- Node mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong 3sec

3.3.2 Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng

3.3.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một

số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD Một mạng tối thiểu phải

có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ

có thể làm việc với một FFD

3.3.2.2 Kiến trúc liên kết mạng

Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ ZigBee Các node mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao cấu trúc mạng hình lưới cấu trúc bó cụm hình cây Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cách rộng rãi Hình 1.1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBee cung cấp: tô pô sao,

tô pô mắt lưới, tô pô cây

Hình 3.7.: Cấu trúc liên kết mạng

Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Hình3.8.: Cấu trúc mạng hình sao

Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết

bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộ điều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID, nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất,các nốt trong mạng PAN phải kết nối với bộ điều phối mạng PAN

Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (mesh)

Hình 3.9 Cấu trúc mạng mesh

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng….)

Cấu trúc liên kết mạng hình cây (cluster-tree)

Hình 3.10.: Cấu trúc mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao Trong loại cấu hình này mặc dù

có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN Bộ điều phối mạng PAN này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách tự thành lập CLH bằng CID-0, nó chọn một PAN identifier rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nào nhận được khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH Nếu bộ điều phối mạng PAN đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết

bị khác có thể kết nối vào mạng Từ đó có thể hình thành được các CLH1,CLH2, (như hình )

3.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4

ZIGBEE/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng

và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính

vì thế nên nó thừa hưởng được ưu điểm của chuẩn IEEE802.15.4 Đó là tính tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các môi trường mạng Dựa vào mô hình như hình 1.5, các nhà sản xuất khác nhau có thể chế tạo ra các sản phẩm khác nhau mà vẫn có thể làm việc tương thích cùng với nhau

Hình 3.11.: Mô hình giao thức của ZigBee

3.3.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4

Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản

lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME Dịch vụ

dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU thông qua kênh sóng

vô tuyến vật lý Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của

bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ

Bảng 1.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu

(kb/s)

Tốc độ ký tự ksymbol/s) Ký tự

Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây

Bảng 1.2 Kênh truyền và tần số

Hình 3.12 Băng tần hệ thống của Zigbee

Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4

a Chỉ số ED (energy detection)

Chỉ số ED đo đạc được bởi bộ thu ED Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử dụng như là một bước trong thuật toán chọn kênh ED là kết quả của sự ước lượng công suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh trong IEEE 802.15.4

Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền trong kênh này Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8 symbol Kết quả phát hiện năng lượng sẽ được thông báo bằng 8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới 0xff Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà công suất nhận được ít hơn mức +10dB so với lý thuyết Độ lớn của khoảng công suất nhận được để hiển thị chỉ số ED tối thiểu

là 40dB và sai số là ± 6dB

b Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)