thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần số ISM nRF24L01

thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần số ISM nRF24L01

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật trên tiên tiến, thế giớichúng ta đã và đang ngày một thay đổi,văn minh và hiên đại hơn Sự phát triển của

kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sựchính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết cho hoạt độngcủa con người đạt hiệu quả cao

Điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ Điện tử đã đápứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đếncác nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng ngày

Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuậtđiều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa haynhững thiết bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển

Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm đã thiết kế và thi công mạchđiều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần

số ISM nRF24L01

Để tìm hiểu ứng dụng này, nhóm xin thực hiện đề tài gồm 3 phần sau:

 Phần 1: Giới thiệu đề tài

 Phần 2: Lý thuyết tổng quan

 Phần 3: Giới thiệu linh kiện sử dụng

 Phần 3: Thiết kế và thi công mạch chức năng

 Phần 4: Kết luận và đánh giá kết quả

1

PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà trên tần số ISM.

Yêu cầu đề tài:

 Thiết kế thi công phần cứng

 Khoảng cách liên lạc đạt trên 15m

 Có thể điều khiển qua multihop

Hướng giải quyết đề tài:

Để điều khiển thiết bị qua hệ thống không dây có thể sử dụng hai phương phápsau:

1 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR)

Đây là loại điều khiển từ xa có vai trò quan trọng trong hầu hết các thiết bịgia đình Một chiếc điều khiển IR sẽ gồm các bộ phận cơ bản nằm trong mộthộp nối cáp kỹ thuật số như sau: Các nút bấm; một bảng mạch tích hợp; cácnúm tiếp điểm; đi - ốt phát quang (đèn LED)

 Do tuân theo tính chất truyền thẳng của ánh sáng nên IR không thểxuyên qua dc kính,tường hay truyền vòng qua các góc.

 Dễ bị nhiễu sóng do ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời,bóng đèn huỳnhquang,hay bức xạ của con người

a Ứng dụng đời sống

Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụngtrong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ…

2 Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)

Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai tròquan trọng và phổ biến trong đời sống Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thìđiều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửagara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểmsoát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh…

a Hoạt động

Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điềukhiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lạitruyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vôtuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó

 Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sử dụngcác tần số khác nhau.

Nhận thấy ưu điểm lớn của sóng vô tuyến RF nhóm đã quyết định chọn sóng RF cho đề tài này

Lý do:

 Điều khiển thiết bị sử dụng sóng RF hoạt động trên băng tần ISM là phương pháp sử dụng phổ biến nhất hiện nay bởi vì tần số ISM là các băng tần miễn phí được sử dụng do đó tiết kiệm chi phí

 Sóng RF truyền xa và truyền được trong không gian có vật cản

 Tốc độ truyền nhanh và có thể mở rộng số lượng thiết bị điều khiển

 Có thể điều khiển theo theo kiểu muiltihop ( điều khiển bắt cầu)

4

Mô hình tổng quát cho đề tài được miêu tả như hình sau:

Hình 2 Mô hình tổng quát hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà trên

NHÓM THIẾT BỊ 1

NHÓM THIẾT BỊ 2

NHÓM THIẾT BỊ 2

NHÓM THIẾT

BỊ 3

NHÓM THIẾT

BỊ 3

 Nhóm thiết bị 1 và nhóm thiết bị 2 được điều khiển trực tiếp bởi

“CENTER” trong khi đó nhóm thiết bị 3 ở quá xa và “CENTER” không thể phát tín hiệu đến vì khoảng cách hay vật chắn Do đó nhóm thiết bị 3 cần phải nhờ nhóm thiết bị 2 làm cầu nối

Toàn bộ hệ thống trên hoạt động ở băng tần ISM 2.4GHz và sử dụng module nRF24L01+ để truyền và nhận thông tin ( Chi tiết về module nRF24L01 được đề cập ở phần sau)

6

PHẦN 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về sóng vô tuyến RF

Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dàihơn ánh sáng hồng ngoại Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tươngứng bước sóng từ 100 km tới 1 mm Giống như các sóng điện từ khác, chúngtruyền với vận tốc ánh sáng Sóng vô tuyến xuất hiện tự nhiên do sét, hoặc bởi cácđối tượng thiên văn Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho radar, phátthanh, liên lạc vô tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác Thôngtin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ứng dụng khác Các tần số khác nhaucủa sóng vô tuyến có đặc tính truyền lan khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóngdài truyền theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện lynên có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trênđường nhìn thẳng.

Hình 2.1 Phổ tần số sóng vô tuyến và ứng dụng

Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các

tia vũ trụ (10E22 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần

7

Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên

và kí hiệu như bảng sau theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR (Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio Consultative Committee)

Bảng 2.1 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR.

8

 Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies) Có giá trị nằmtrong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đolường từ xa tần thấp

 Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi

300 Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn

 Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies) Có giá trị nằm trongphạm vi 3÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùngcho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như làthông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm)

 Các tần số thấp (LF - Low Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷

300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải vàhàng không

 Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies) Có giá trị nằm trongphạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng chophátthanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz) Ngoài ra cũng sửdụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

 Các tần số cao (HF - High Frequencies) Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30MHz (thường gọi là sóng ngắn) Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều(two-way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa,liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá v.v

 Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies) Có giá trị nằm trongphạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến diđộng, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến

9

108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến

216 MHz)

 Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies) Có giá trị nằm trongphạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênhtruyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các

hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống

vi ba và thông tin vệ tinh

 Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies) Có giá trị nằm trongphạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba vàthông tin vệ tinh

 Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies) Có giá trị nằmtrong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng chothông tin vô tuyến

 Các tần số hồng ngoại Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nóichung không gọi là sóng vô tuyến Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìmnhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học

 Các ánh sáng nhìn thấy Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùngtrong hệ thống sợi quang

 Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ Rất ít sử dụng cho thông tin

2.2 Các băng tần ISM (Industrial Scientific Medical )

Đối với mạng cục bộ vô tuyến, FCC quy định về:

10

 Tần số sóng vô tuyến cho phép đối với WLAN (để tránh xung đột vớisóng của các hệ thống truyền thông khác)

 Năng lượng (công suất) cho phép

 Các thiết bị WLAN nào được hoạt động và 1 số quy định khác kèm theo

Có 3 băng tần ISM “license-free” mà FCC chỉ định đối với mạng cục bộ vôtuyến sử dụng Đó là: băng tần 900 MHz, s.4 GHz và 5.8 GHz.Băng tần ISM 900MHz

Băng tần ISM 900 MHz

Được FCC định nghĩa là một dãy tần số từ 902 MHz đến928 MHz Băng tầnnày còn có thể được định nghĩa dưới dạng dãy tần số 915 MHz± 13 MHz Tuybăng tần ISM 900 MHz đã được sử dụng và triển khai cho wireless LAN nhưngdần dần nó đã bị “từ bỏ” bởi sự lựa chọn những tần số khác có băng thông và thônglượng truyền dẫn cao hơn Ngày nay, vẫn còn một số thiết bị wireless sử dụng băngtần ISM 900 MHz như là: hệ thống wireless camera, điện thoại trong nhà sử dụngwireless Các tổ chức sử dụng băng tần ISM 900 MHz trong việc triển khai wirelessLAN nhận thấy rằng họ phải tốn rất nhiều tiền để thay thế những thiết bị wireless

sử dụng băng tần ISM 900 MHz cũ hay là bị trục trặc về kỹ thuật Một card radio

sử dụng băng tần ISM 900 MHz có giá lên đến hơn $800 mà chỉ có thể truyền dữliệu với tốc độ tối đa được khoảng 1Mbps Trong khi đó, nếu đem so sánh 1 cardwireless sử dụng chuẩn 802.11b có thể hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 11Mbpschỉ có giá khoảng trên dưới $100 Ngoài ra, việc tìm kiếm những phụ kiện thay thếtương thích cho các thiết bị sử dụng băng tần ISM 900MHz cũng rất khó khăn

Băng tần ISM 2.4 GHz

11

Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị wireless dựa theo chuẩn802.11,802.11b và 802.11g và được xem là băng tần được sử dụng khá phổ biến.FCC định nghĩa ra băng tần ISM 2.4 GHz là dãy tần số từ 2.4000GHz đến2.5000GHz (hay2.4500 GHz ± 50 MHz) Các thiết bị wireless LAN thực sự chỉ sửdụng dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz Lý do chính cho sự giới hạn này

là do FCC chỉ định nghĩa ra công suất cho phép các thiết bị wireless hoạt độngtrong dãy trên trong băng tần ISM 2.4GHz mà thôi

Băng tần ISM 5.8 GHz

Băng tần này còn được gọi là băng tần ISM 5 GHz Băng tần ISM 5.8 GHz códãy tần số từ 5.725 GHz đến 5.875 GHz và tạo ra băng thông 150 MHz.Băng tầnISM 5.8 GHz không được chỉ định để sử dụng cho các thiết bị wireless LAN Nóchồng chập lên một tần số “license-free” khác đó là tần số Upper UNII 5GHz được

sử dụng cho wireless

2.3 Các băng tần ISM tại việt nam

Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện cự

ly ngắn được sử dụng có điều kiện được quy định bởi BỘ THÔNG TIN VÀTRUYỀN THÔNG được liệt kê theo bảng sau

12

Bảng 2.3 Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện

cự ly ngắn được sử dụng có điều kiện

16

PHẦN 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG.

1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A.

PIC là tên viết tắt của máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent Computer) do hãng General Instrument đặt tên con vi điều khiển đầu tiên là PIC 1650 Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này Cho đến nay, các sản phẩm vi điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại

PIC là vi điều khiển với kiến trúc RISC, sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, chạy 1 lệnh chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ giao động) Nhờ có EEPROM nên PIC tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình, có rất nhiều dòng PIC với hàng loạt modun ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32K word PIC 16F877A là dòng Pic phổ biến nhất, đủ mạnh về tính năng, 40 chân,

bộ nhớ đủ lớn cho hầu hết các ứng dụng thông thường.

Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A:

 5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập;

lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài;

biến xung;

17

 1 bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào;

 1 cổng nối tiếp (Serial Port);

18

Sơ đồ chân PIC 16F877A

Hình 3.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A

19

Hình 3.2 kiến trúc bên trong vi điều khiển PIC16F877A

2 Giới thiệu về Module nRF24L01.

2.1 giới thiệu tổng quan chip nRF24L01.

nRF24L01- module là board mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không dây,

sử dụng chip thế hệ mới nhất nRF24L01+của hãng Nordic's, bổ sung thêm một số pipelines, buffers, và chức năng auto-retransmit feature , sử dụng băng tần 2.4GHz, sử dụng giao thức SPI để giao tiếp Module này rất lý tưởng cho truyền dữ liệu wireless, multicast và frequency-hopping communication.

20

Hình 3.3 Module nRF24L01

Các thông số cơ bản:

Phần phát

 Hoạt động ở giải tần 2.4G trên toàn thế giới

 Dòng tiêu thụ thấp 11.3 mA tại công suất phát 0dB Và 12.3mA tại tốc độ nhận 2Mbps.

 6 luông dữ liệu.

 Có 126 kênh.

 Tự động xử lý gói dữ liệu.

 Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.

 Công suất phát: Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 18dBm.

0,-6,-12,-Phần thu

 Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu

 Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)

 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận

Ứng dụng:

 Thiết bị ngoại vi không dây.

 Mouse, keyboard, remote.

 Tai nghe không dây.

 Tay cầm game.

 Ngôi nhà thông minh.

Sơ đồ khối cấu trúc nRF24l01

Hình 3.4 sơ đồ khối cấu trúc nRF24L01

22

Sơ đồ chân:

Hình 3.5 Sơ đồ chân nRF24L01

Chức năng của các chân:

Hình 3.6 chức năng của các chân nRF24L01

23

Các thanh ghi trong nRF24L01

Địa

Giátrịmặcđịnh

24

ERX_P2 2 1 R/W Cho phép nhận dữ liệu luồng 2

25

TX_FULL 0 0 “1” bộ nhớ FIFO TX tràn

E7E7E7E7

R/W Địa chỉ nhận pipe0 = 5 byte

E7E7E7E7

R/W Địa chỉ truyền pipe0 = 5 byte

Sơ đồ kết nối với vi điều khiển

Hình 3.7 sơ đồ kết nối nRF24L01 với vi điều khiển

26

Cấu trúc một khung truyền nhận dữ liệu:

Hình 3.8 cấu trúc khung truyền nhận dữ liệu

Một khung truyền bao gồm:

 Phần mở đầu “Premble” 1 byte dùng để phát hiện chuỗi bit 0 1 hay để thông báo có dữ liệu được đưa đến các thanh ghi

 Phần địa chỉ “Address” bap gồm 3 đến 5 byte dùng để định địa chỉ thanh ghi

 Phần dữ liệu điều khiển thanh ghi “Packet control” dùng để cấu hình thanh ghi

 Phần data “Payload” tối đa 32 byte là dữ liều truyền nhận

 Phần kiểm tra lỗi “CRC” phát hiện lỗi truyền nhận

Điều khiển đa luồng

Một chip nRF24L01 có thể nhận được 6 luồng dữ liệu cùng một lúc như hình sau:

27

HÌnh 3.9 Điều khiển đa luồng.

 Một Master (PRX) chứa 6 địa chỉ truyền và nhận của 6 Slave

 Mỗi Slave đảm nhiệm một luồng tương ứng với 1 địa chỉa truyền và nhận.Module gia tiếp với vi điều khiển theo giao thức SPI có dạng sơ đồ timing như hìnhsau:

Hình 3.10 Giao tiếp SPI đọc dữ liệu từ module nRF24L01

28

Hình 3.11 Giao tiếp SPI gửi dữ liệu đến module nRF24L01

2.2 Tối ưu hóa sử dụng năng lượng trong chip nRF24L01.

Chip nRF24L01 có mức tiêu thụ năng lượng cực kì thấp chỉ với 11.3mA chochế độ phát 0 dB ( mức phát cao nhất ) và 11.2mA ở chế độ nhận liên tục 2Mbit

Để đạc được mức tiêu thụ năng lượng như vậy nhà sản xuất đã đưa ra hai chế

độ làm việc khác nhau Một là chế độ kích hoạt: toàn bộ chíp hoạt động phục vụcho việc truyền nhận dữ liệu Hai là chế độ chờ: chỉ một vài thành phần hoạtđộng như kiểm tra ngắt hoạt động các thành phần còn lại không được cung cấpnguồn khi có tín hiệu điều khiển thì được kích hoạt lại toàn bộ quá trình được

mô tả như hình sau:

29