DK robot qua mang LAN khong day

Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động.. Không giống như hệ thống tự động cứng, robot này có thể được lập t

Phùng Mạnh Dương

GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT QUA MẠNG

LAN VÔ TUYẾN VÀ MẠNG INTERNET

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Điện tử - Viễn thông

CHƯƠNG 1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ ROBOT

CHƯƠNG 1 1

MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ ROBOT 1

1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT 3

1.2 CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT 5

1.2.1 Phân loại motor điện 5

1.2.2 Điều khiển chuyển động của motor 6

1.3 HỆ CẢM BIẾN TRONG ROBOT 8

1.3.1 Sensor xác định khoảng cách (Range sensor) 8

1.3.2 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor) 8

1.3.3 Sensor cảm nhận hình ảnh 9

1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 9

1.4.1 Phân loại cơ cấu điều khiển 9

1.4.2 bộ điều khiển sử dụng cho robot di động thông minh 10

Chương 2: 10

TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET VÀ MẠNG LAN VÔ TUYẾN 10

2.1 MẠNG INTERNET 11

2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển mạng Internet 11

2.1.2 Một số dịch vụ trên Internet 12

2.1.3 Kiến trúc của Internet 13

2.2 MẠNG LAN VÔ TUYẾN 15

2.2.1 Sự ra đời của mạng LAN vô tuyến và chuẩn LAN không dây 802.11 15

2.2.2 Các kiến trúc mạng LAN vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 15

2.2.3 Mở rộng chuẩn IEEE 802.11 17

Chương 3: 18

NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH JAVA VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN LẬP TRÌNH MẠNG 18

3.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH JAVA 18

3.1.1 Hướng đối tượng 19

3.1.2 Hỗ trợ mạng 19

3.1.3 Điều khiển thiết bị 19

3.1.4 Khả chuyển 19

3.2 GIAO TIẾP THEO MÔ HÌNH KHÁCH CHỦ 20

3.3 LẬP TRÌNH MẠNG THÔNG QUA SOCKET 21

3.4 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI THEO THỜI GIAN THỰC RTP 21

CHƯƠNG 4 23

MÔ TẢ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG ĐƯỢC XÂY DỰNG TRONG ĐỀ TÀI 23

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TOÀN HỆ THỐNG 23

4.2 VÙNG THỰC THI 24

4.2.1 Các cơ cấu chấp hành 25

4.2.2 Nguồn điện và mạch công suất điều khiển motor 26

4.2.3 Vi điều khiển PSoC 26

4.2.4 Các cảm biến hình ảnh 26

4.2.5 Máy tính xách tay PC1 28

4.2.5 Điểm truy cập mạng WAP 29

4.3 VÙNG ĐIỀU KHIỂN 29

CHƯƠNG 5 30

CÁC CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM CHO PHÉP GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT QUA MẠNG 30

5.1 CHƯƠNG TRÌNH SERVER 31

5.1.1 Lưu đồ thuật toán 31

Chương trình server được viết dựa trên lưu đồ thuật toán trình bày sau đây: 31

5.1.2 Module chính (server.class) 33

5.1.3 Modun hình ảnh (VideoTransmit.class) 35

5.1.4 Modun truyền dữ liệu cổng COM (WriteToPort.class) 37

5.2 CHƯƠNG TRÌNH CLIENT 38

5.2.1 Lưu đồ thuật toán 38

5.2.2 Modun chính (Client.class) 40

5.2.3 Modun điều khiển (process.class) 40

5.2.4 Modun nhận hình ảnh (VideoReceive.class) 41

Chương 6: 41

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 41

6.1 THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN ROBOT QUA MẠNG LAN VÔ TUYẾN 42

6.1.1 Thực nghiệm điều khiển robot qua mạng LAN vô tuyến 42

6.1.2 Thực nghiệm điều khiển robot qua mạng Internet 46

6.2 THẢO LUẬN KẾT QUẢ 49

KẾT LUẬN 49

HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI 49

1.1 SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT

Khái niệm máy tự động đã xuất hiện từ rất lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống Ngay sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhiều công trình nghiên cứu được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm Oak Ridge và Argonne National để phát triển các cánh tay máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Các cánh tay này được thiết kế mô phỏng một cách chính xác sự chuyển động của bàn tay và cánh tay con người

Trong giữa những năm 1950, bên cạnh các cánh tay cơ khí đó, đã xuất hiện các

cánh tay thuỷ lực và điện từ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman Cũng trong

những năm này, George C Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là thiết bị vận chuyển có

khớp lối được lập trình (Programmed Articulated Transfer Device) Đây là một cánh tay

máy có thể được thực hiện được một chuỗi các bước chuyển động theo chương trình đã định trước Phát triển xa hơn của ý tưởng trên, Devol và Joseph F.Engelberger đã dẫn đường cho các robot công nghiệp đầu tiên được giới thiệu năm 1959 ở công ty Unimation Thiết bị này sử dụng máy tính liên kết với tay máy nhằm dạy cho nó thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động Không giống như hệ thống tự động cứng, robot này có thể được lập trình lại và trang bị lại với giá thấp để thực hiện các công việc khác mà không yêu cầu thay đổi về phần cứng

Kể từ khi khái niệm robot ra đời, việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua nhiều giai đoạn với các thế hệ điều khiển khác nhau Đây cũng là kết quả của sự phát triển vượt bậc về các kĩ thuật điện, điện tử và đặc biệt là kĩ thuật máy tính Có 5 thế hệ điều khiển robot ra đời kể từ năm 1960

Thế hệ thứ nhất: Bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu trình

không thay đổi ( chu trình định trước) Chương trình điều khiển có hai dạng : chương

trình "cứng" ( từ cứng ở đây với nghĩa không thay đổi hoặc không sửa được trừ khi thay

đổi phần cứng) và chương trình có thể thay đổi được thông qua các panel điều khiển hoặc

thông qua máy tính Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển không servo vòng hở

(Open-loop Nonservo Controlled Systems) Đây là hệ thống không sử dụng thông tin

phản hồi để điều khiển robot Ứng dụng chủ yếu của thế thệ robot thứ nhất là sử dụng

trong robot "nhấc-đặt" (Pick and Place)

Thế hệ thứ 2: Robot được trang bị các sensor cho phép chúng giao tiếp với môi

trường bên ngoài Các sensor này thực chất là các bộ biến đổi năng lượng Nó chuyển các đại lượng không điện thành đại lượng điện mà qua đó bộ điều khiển robot có thể biết được trạng thái của môi trường xung quanh Nhờ các sensor này robot có thể lựa chọn các phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp Hệ thống điều khiển robot dựa trên cơ cấu điều khiển servo vòng kín (Close-loop Servo Controlled Systems) Đây là cơ cấu điều khiển có sử dụng các thông tin phản hồi từ các sensor

Thế hệ thứ 3: Các bộ điều khiển logíc khả trình PLC (Programmable Logic

Controllers) được sử dụng trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt

Thế hệ thứ 4: Khác với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, thế hệ

robot này sử dụng các máy tính mini được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn như BASIC, C, C++, để tạo ra nhiều ứng dụng CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến

Thế hệ thứ 5: Các bộ điêu khiển robot sử dụng trí tuệ nhân tạo (Artificial

Intelligent) Robot được trang bị các kĩ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc (da nhân tạo) để xử lý, gia công tạo ra các quyết định thích hợp Ngoài ra, robot còn được trang bị mạng Neuron giúp robot có khả năng tự học, tự xây dựng kiến thức cho nó thông qua các lần "sai-sửa"

Sở dĩ, robot phát triển mạnh mẽ chính là nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi của nó Nhiều robot được ứng dụng để làm các công việc nguy hiểm như phục vụ trong các phòng thí nghiệm, sử dụng chất phóng xạ, hoá chất độc hại hay các công việc lặp đi lặp lại gây cảm giác nhàm chán đối với con người Robot có thể làm các công việc với cường

độ cao cả 24 giờ trong một ngày mà không mệt mỏi Robot chủ yếu được sử dụng trong các doanh nghiệp sản xuất ô tô Trung bình các liên doanh ô tô sử dụng khoảng 16.000 robot để hàn, sơn, vận chuyển, lắp đặt Lắp ráp là khâu phát triển ứng dụng nhanh nhất các thành tựu của khoa học robot vào trong công nghiệp Nó yêu cầu độ chính xác cao

hơn kĩ thuật hàn, sơn với các sensor và hệ thống máy tính điều khiển có giá hợp lý Robot cũng được sử dụng trong công nghệ điện tử để lắp ráp các chíp lên bản mạch

Robot có thể hoạt động trong môi trường tiềm ẩn những nguy hiểm lớn đối với con người như xác định các tàu đắm, dọn chất thải hạt nhân, thăm dò các mỏ khoáng sản dưới nước, thăm dò hoạt động của núi lửa Bên cạnh đó robot có thể được sử dụng để thám hiểm các hành tinh cách xa Robot Galileo của NASA là một tàu vũ trụ thăm dò không gian không người lái đã đi tới Sao Mộc vào năm 1996 và thực hiện một loạt các nhiệm vụ như xác định thành phần hoá chất cấu thành khí quyển của Sao Mộc

Hiện nay, các robot còn được ứng dụng để giúp các bác sĩ phẫu thuật thực hiện các ca phẫu thuật có độ phức tạp và tinh vi cao Ngoài ra, còn có sự ra đời của hàng loạt các robot phục vụ, nó thực hiện các công việc giúp con người như robot bưng bê, robot cắt cỏ, robot lau nhà

1.2 CƠ CẤU CHUYỂN ĐỘNG TRONG ROBOT

Khác với cánh tay máy tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu chuyển động nhằm đưa bệ máy của toàn hệ thống robot tới một vị trí mong muốn trong không gian hoạt động Cơ cấu này có thể là các máy thuỷ lực, khí nén, môtơ điện nhưng trong đề tài này chỉ sử dụng loại môtơ điện Vì vậy phần này cũng chỉ trình bày tóm tắt các tìm hiểu về môtơ điện và hệ thống liên quan đến điều khiển môtơ

1.2.1 Phân loại motor điện

Motor điện là loại máy chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, thường là chuyển động tròn Motor được cấu trúc từ hai phần chính: Rotor và Stator Rotor là phần chuyển động nằm ở lõi motor bao gồm cuộn dây được cuốn quanh một lõi thép Lõi này được gắn vào trục của motor Stator là phần không chuyển động, nó được cấu tạo từ nam châm vĩnh cửu Khi có dòng điện đi qua, rotor sẽ sinh ra một từ trường chống lại từ trường của nam châm vĩnh cửu làm cho motor quay

Có hai loại motor thường được sử dụng trong các robot di động là:

- Motor một chiều (DC motor): Motor một chiều được cấu tạo từ một cuộn dây và hệ thống nam châm vĩnh cửu Loại motor này có thể dùng trực tiếp nguồn một chiều hoặc có

thể điều khiển thông qua độ rộng xung Tốc độ motor sẽ được quy định bởi điện áp một chiều hay độ rộng xung đặt vào Một nhược điểm khi sử dụng motor một chiều là kém về

độ chính xác trong chuyển động Điều này được khắc phục khi sử dụng motor bước

- Motor bước (Step motor): motor bước được cấu tạo từ nhiều cuộn dây Mỗi cặp cuộn dây tương ứng với một pha trong chuyển động Việc điều khiển motor bước được thực hiện qua các xung lệch pha nhau lần lượt đi qua các cặp cuộn dây Chính nhờ việc cho các tín hiệu lần lượt chạy qua các cặp cuộn dây đã tạo ra các bước trong chuyển động Tuỳ thuộc mỗi loại motor bước mà tương ứng với nó là góc của bước Góc của bước càng nhỏ thì độ chính xác của motor càng lớn Đây là điều khác hẳn với motor một chiều Việc điều khiển bước của motor sẽ giúp thực hiện các chuyển động một cách chính xác tới các

vị trí yêu cầu

1.2.2 Điều khiển chuyển động của motor

Việc thiết kế mạch điều khiển motor phải căn cứ vào công suất tiêu thụ của motor và loại motor để có thiết kế hợp lý Tuỳ thuộc công suất tiêu thụ của motor mà có thể lựa chọn mạch công suất tự thiết kế hay mạch điện đã được tích hợp trong các IC chuyên dụng dùng điều khiển motor Khoá luận này trình bày 2 loại mạch điều khiển motor áp dụng cho 2 loại motor thường gặp đó là motor DC và motor bước

1.2.2.1 Điều khiển motor DC

Thông thường, có thể điều khiển tốc độ của motor một chiều bằng thay đổi mức điện áp đặt vào motor Nhưng việc này gặp phải khó khăn khi mức điện áp trở nên quá thấp làm việc điều chỉnh tốc độ thấp không chính xác Còn một cách khác là sử dụng các xung điện có biên độ bằng mức điện áp cực đại nhưng có độ rộng xung khác nhau để điều khiển tốc độ motor Độ rộng xung càng lớn, năng lượng trung bình cấp cho motor càng lớn và tốc độ quay của motor ứng với một tải nhất định càng cao Việc này được thực hiện bằng các chuyển mạch điện tử công suất lắp trên các tranzitor

1.2.2.2 Điều khiển motor bước

Khác với motor DC chỉ có hai đường điều khiển, motor bước có nhiều pha khác nhau Số pha sẽ tương ứng với số đường tín hiệu điều khiển Sơ đồ hình 1.1 sau là thí dụ trình bày mạch điều khiển motor bước 4 pha Mạch cần tới 4 đường tín hiệu điều khiển Với yêu cầu dòng điều khiển có giá trị cực đại phải lớn, trong sơ đồ này, mỗi đường tín

hiệu điều khiển từ vi xử lý được khuếch đại qua một tầng Darlington để tăng dòng cho tín hiệu điều khiển

Hình 1.1 - Sơ đồ khuếch đại tín hiệu điều khiển motor bước

Ta thấy rằng 4 cuộn dây của motor bước được sắp xếp thành từng cặp: cuộn 1 với cuộn 2, cuộn 3 với cuộn 4 Sơ đồ mạch tạo ra hai cặp tín hiệu điều khiển bít 1 và bít 2, bít3 và bít 4 Thí dụ, việc điều khiển chuyển động của motor được thực hiện theo mã như hình 1.2:

Hình 1.2 - Một kiểu mã điều khiển motor bước

Bảng mã này đưa ra mã điều khiển cho 4 pha Việc điều khiển thực hiện tuần tự

từ pha 1 đến pha 4 và lặp lại sẽ làm cho motor quay theo một hướng xác định Nếu thực hiện theo thứ tự ngược lại pha 4, pha 3, pha 2, pha 1 thì motor sẽ chuyển động theo chiều ngược lại

Trong thực tế, khi thiết kế các robot di dộng sử dụng các motor cỡ nhỏ có thể sử dụng các IC chuyên dụng dùng cho mục đích điều khiển motor

1.3 HỆ CẢM BIẾN TRONG ROBOT

Robot được trang bị một hệ thống sensor sẽ cho phép nó có khả năng thích ứng với

sự thay đổi của môi trường xung quanh Hầu hết các sensor đều là bộ biến đổi năng lượng, nó biến năng lượng từ dạng này sang dạng khác Biến đổi tín hiệu từ các đại lượng không điện thành các đại lượng điện Tín hiệu này được phản hồi về bộ điều khiển Thông qua đó, bộ điều khiển có các quyết định cho phù hợp

Trong thực tế nghiên cứu robot, có rất nhiều loại sensor được sử dụng cho các mục đích khác nhau Sau đây, xin giới thiệu một số sensor thường được sử dụng trong kĩ thuật robot

1.3.1 Sensor xác định khoảng cách (Range sensor)

Đây là loại sensor được sử dụng giúp robot có thể ước lượng khoảng cách từ vị trí đặt sensor tới đối tượng Có nhiều cách xác định khoảng cách tới đối tượng Nhưng hai

cách thông dụng nhất là phương pháp xác định bằng lượng giác và phương pháp xác định

bằng đo khoảng thời gian truyền sóng

1.3.2 Sensor phát hiện vật thể gần (Proximity sensor)

Đây là loại sensor được sử dụng để xác định xem có hay không có vật thể nằm trong vùng hoạt động của sensor Các loại sensor phát hiện vật thể gần phổ biến là sensor siêu

âm, sensor quang, sensor sử dụng hiệu ứng điện cảm và sensor sử dụng hiệu ứng điện dung

1.3.3 Sensor cảm nhận hình ảnh

Việc cảm nhận hình ảnh được thực hiện trước tiên bởi hệ thống thu ảnh Hệ thống này

có thể là camera số hoặc camera tương tự Nếu sử dụng camera tương tự, trước khi tín hiệu từ camera đưa vào máy tính cần được biến đổi tương tự số Hình ảnh sau khi thu nhận được lưu trữ dưới dạng một ma trận các điểm ảnh Tuỳ vào loại camera sử dụng mà hình ảnh này có thể là hình ảnh màu hay hình ảnh mức xám

Việc tiếp theo sẽ thực hiện quá trình phân tích ảnh bao gồm nhiều công đoạn nhỏ Trước hết là giai đoạn tiền xử lý ảnh nhằm tăng cường nâng cao chất lượng ảnh, khắc phục các nhiễu gây ra cho ảnh Đây là công đoạn làm nổi bật một số đặc tính của ảnh Giai đoạn tiếp theo là công đoạn phát hiện đường biên Giai đoạn cuối cùng sẽ thực hiện nhận dạng và đưa ra quyết định

1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

Bộ điều khiển là trái tim và khối óc của robot Nó có thể nhận các lệnh từ người sử dụng hoặc từ chương trình máy tính để điều khiển các bộ phận liên quan đến hoạt động mong muốn Trong trường hợp hoạt động tự quản trị, bộ điều khiển này thường có một bộ nhớ riêng biệt cho phép lưu trữ các chương trình điều khiển được cài đặt sẵn và như vậy robot có thể hoạt động độc lập (tự hoạt động) mà không cần sự can thiệp của người điều khiển hoặc máy tính chủ (host) nữa Thường bộ điều khiển được xây dựng trên cơ sở các máy vi tính hoạt động độc lập hoặc trong các robot hiện đại có thể là một hệ các máy tính

xử lý song song

1.4.1 Phân loại cơ cấu điều khiển

Tuỳ thuộc vào mức độ thông minh (khả năng thích ứng với môi trường bên ngoài) mà

bộ điều khiển robot có thể được xây dựng dựa trên hai cơ cấu:

Cơ cấu điều khiển servo vòng kín (Close-loop Servo Controlled Systems): Đây là cơ cấu điều khiển có sử dụng các thông tin phản hồi từ các sensor giúp robot xác định được các yếu tố môi trường xung quanh để từ đó gia công, xử lý, điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các công việc được giao một cách thông minh

Cơ cấu điều khiển không servo vòng hở (Open-loop Nonservo Controlled Systems): Đây là cơ cấu điều khiển không sử dụng các thông tin phản hồi Hệ thống này đơn giản,

có thể chỉ là các công tắc bật/tắt

1.4.2 bộ điều khiển sử dụng cho robot di động thông minh

Với robot di động thông minh, bộ điều khiển thường được xây dựng trên cơ sở các bộ

vi điều khiển (micro-controller) Thực chất đây là các máy tính trên một chip (microcomputer on-chip) Các vi điều khiển này cũng có đủ cả các bộ phận như một máy tính (CPU, bộ nhớ,vào/ra) có điều kích thước đủ nhỏ nên hết sức phù hợp với các robot Hiện nay, Việt nam đang phổ biến các loại vi điều khiển thuộc họ 68HC11 của Motorola, 80C51của Intel Gần đây, một loại vi điều khiển mới cũng đang rất được quan tâm là vi điều khiển PSoC của hãng Cypress

Nhiệm vụ của các vi điều khiển là thu thập các dữ liệu từ các sensor đã được chuyển đổi thành số qua các cổng vào (In Port) Tính toán, gia công, xử lý các dữ liệu này, thường là theo thời gian thực (Real-time) rồi xuất ra các tín hiệu điều khiển qua các cổng

ra (Out Port) để điều khiển các motor, các tay kẹp, v.v

Chương trình điều khiển thường được viết trên các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng của các hãng sản xuất robot hoặc trên các ngôn ngữ lập trình phổ biến như hợp ngữ, C, C++, visual Basic, visual C Trong hệ tự quản trị, các chương trình nguồn này, thí dụ C, được biên dịch ra thành các mã đối tượng (file object) rồi được chuyển đổi tiếp thành các file mã máy đặc biệt tuỳ loại vi điều khiển, thường có đuôi mở rộng là ".HEX", để cho phép tải lên từ máy vi tính vào bộ nhớ của vi điều khiển

liên quan đến mạng Internet và mạng LAN vô tuyến là các kênh thông tin được dùng trong thực nghiệm của khóa luận

2.1 MẠNG INTERNET

Internet không phải là một mạng mà là một tập hợp rộng lớn của các mạng khác nhau

sử dụng những giao thức chung nhất định và cung cấp các dịch vụ chung nào đó

2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển mạng Internet

Internet ra đời từ ARPANET (Advanced Research Projects Agency NETwork), một

dự án do bộ Quốc phòng Mỹ khởi đầu năm 1969 Đây vừa là một thực nghiệm trong việc kết mạng một cách đáng tin cậy, vừa là một kết nối giữa bộ Quốc phòng và các nhà nghiên cứu khoa học, bao gồm một số lớn các trường đại học tiến hành các nghiên cứu quân sự được tài trợ ARPANET thành công vang dội và mọi trường đại học trong nước đều muốn gia nhập Thành công này có nghĩa là ARPANET bắt đầu khó quản lý đặc biệt với số lượng lớn và ngày càng tăng các địa điểm trường đại học trên đó Do đó, nó đã được chia thành 2 phần: MILNET với các địa điểm quân sự và một ARPANET mới, nhỏ hơn dành cho các địa điểm phi quân sự Tuy nhiên, hai mạng này vẫn còn liên kết với nhau nhờ vào một chương trình kỹ thuật được gọi là IP (Internet Protocol: Giao thức Internet) cho phép dữ liệu được dẫn từ mạng này sang mạng khác khi cần Mọi mạng nối bởi IP đều sử dụng IP để giao tiếp nên chúng đều có thể trao đổi các thông điệp với nhau Vào cuối những năm 1970, Hội đồng Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF- the U.S National Science Foundation) quyết định thiết lập mạng NSFNET với 6 trung tâm siêu máy tính đặt tại San Diego, Boulder, Champain, Pittsburgh, Ithaca và Princeton NSFNET hoạt động hiệu quả ngay tức thì và có số người sử dụng tăng lên nhanh chóng

Đến những năm 1990, nhiều quốc gia và lãnh thổ khác cũng xây dựng các mạng nghiên cứu quốc gia, thường lấy ARPANET và NSFNET làm mẫu Các mạng này bao gồm EuropaNET và EBONE ở châu Âu, khởi đầu với đường truyền 2Mbps và kế đến nâng cấp thành các đường truyền 34Mbps

Số các mạng, các máy và người sử dụng kết nối với ARPANET và NSFNET tăng nhanh sau khi TCP/IP trở thành giao thức chính thức duy nhất vào ngày 1 tháng 1 năm 1983 Khi NSFNET và ARPANET kết nối với nhau, sự phát triển đã tăng theo hàm mũ Nhiều

mạng địa phương được gia nhập, và các kết nối đã được thực hiện đến các mạng ở Canada, Châu Âu và Thái Bình Dương

Vào giữa những năm 1980, người ta bắt đầu xem sự tập hợp các mạng như là một liên mạng và sau đó là Internet

2.1.2 Một số dịch vụ trên Internet

Những tiện nghi của Internet được cung cấp thông qua rất nhiều loại dịch vụ khác nhau Dưới đây là một số ví dụ điển hình:

Thư điện tử: Đây chắc chắn là dịch vụ được sử dụng rộng rãi nhất Nhờ nó, người

dùng có thể trao đổi thông tin với hàng triệu người trên khắp thế giới một cách nhanh

chóng

Đàm thoại trực tuyến: Dịch vụ này cho phép người dùng có thể nói chuyện như thực

với những người sử dụng khác ở bất cứ nơi nào trên Net Tuy đàm thoại trực tuyến gần như vô ích đối với những người ở gần nhau nhưng nó lại là điều lớn lao khi trò chuyện với những người ở các lục địa khác

Truy tìm thông tin: Nhiều máy tính có các file chứa thông tin cho phép lấy miễn

phí Các file đó bao gồm rất nhiều thông tin hữu ích từ những bài giảng, những danh mục thẻ thư viện cho đến các hình ảnh được số hóa và một số lượng lớn các phần mềm từ trò chơi cho đến các hệ thống điều hành Dịch vụ này cho phép người dùng có thể truy tìm thông tin đó một cách nhanh chóng

Bảng thông báo điện tử (Bulletin Board):Một hệ thống tên là USENET là một bảng

thông báo điện tử vĩ đại với 40 triệu ký tự các thông điệp bao gồm 2.000 nhóm chủ đề khác nhau được tiếp nối hàng ngày Các chủ đề bao gồm từ các vấn đề máy tính hóc búa cho đến những trò giải trí như đua xe đạp, từ những ý kiến tranh luận chính trị cho đến những vấn đề đời thường

Trò chơi và tán gẫu: Có rất nhiều trò chơi trên mạng có thể dễ dàng hấp dẫn người

dùng Còn tán gẫu là dịch vụ cho phép người dùng có thể có những cuộc đàm thoại thú vị với những người sử dụng khác ở khắp mọi nơi

Truyền tập tin: bằng cách sử dụng chương trình hỗ trợ giao thức truyền tập tin FTP

(File Transfer Protocol), người sử dụng có thể sao chép tập tin từ một máy trên Internet

đến một máy khác Có vô số bài báo, cơ sở dữ liệu và thông tin có thể được trao đổi theo cách này

2.1.3 Kiến trúc của Internet

Kiến trúc của Internet được mô tả khái quát như sau:

Hình 2.1 – Kiến trúc khái quát mạng Internet

Khi khách hàng gọi nhà cung cấp dịch vụ Internet ISP (Internet Service Providers), modem là một bo mạch bên trong máy tính sẽ biến đổi các tín hiệu số mà máy tính tạo ra thành các tín hiệu tương tự để truyền trên hệ thống điện thoại (Telephone System) Các tín hiệu này được truyền đến điểm hiện diện POP (Point Of Presence) của nhà cung cấp dịch vụ Internet (điểm hiện diện POP là điểm mà tại đó các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại đường dài nối vào hệ thống điện thoại địa phương và cục bộ) Từ đó, các tín hiệu

Client

POP

ISP

Mạng xương sống

NAP

Bộ định tuyến

Hệ thống điện thoại

Mạng LAN

PC

Các Server

này sẽ ra khỏi hệ thống điện thoại và được đưa vào mạng địa phương của nhà cung cấp dịch vụ Internet Từ điểm này trở đi, hệ thống hoàn toàn là số và chuyển gói

Các mạng địa phương của nhà cung cấp dịch vụ Internet bao gồm các bộ định tuyến (Router) được kết nối với nhau trong những thành phố mà nhà cung cấp dịch vụ Internet cung cấp dịch vụ Nếu gói dữ liệu từ khách hàng là gửi cho một máy chủ của nhà cung cấp dịch vụ Internet, gói này sẽ được phân phối đến máy chủ đó Ngược lại, gói sẽ được chuyển giao đến nhà khai thác mạng xương sống (Backbone) của nhà cung cấp dịch vụ Internet

Các nhà khai thác mạng ở mức cao nhất là các nhà khai thác mạng xương sống chính,

ví dụ như các công ty AT&T và Sprint Các công ty này điều hành các mạng xương sống quốc gia rộng lớn, với hàng ngàn bộ định tuyến được kết nối bằng các sợi quang băng thông cao Các công ty lớn và các nhà cung cấp dịch vụ máy chủ (Hosting Service) thường điều hành các máy chủ rất mạnh kết nối trực tiếp với mạng xương sống

Nếu gói dữ liệu đến mạng xương sống được dành cho một nhà cung cấp dịch vụ Internet hoặc một công ty được phục vụ bởi mạng xương sống, gói dữ liệu này sẽ được gửi đến bộ định tuyến gần nhất và được giữ ở đó Tuy nhiên, vì có nhiều mạng xương sống với các kích thước khác nhau hiện hữu trên thế giới, nên một gói dữ liệu có thể phải

đi đến một mạng xương sống khác Để cho phép các gói dữ liệu có thể chuyển qua lại giữa các mạng xương sống, tất cả các mạng xương sống chính được nối với nhau tại các điểm truy cập mạng NAP( Network Access Point) Về cơ bản, một điểm truy cập mạng NAP là một phòng đầy các bộ định tuyến, trong đó có ít nhất một bộ định tuyến cho mỗi mạng xương sống Tất cả các bộ định tuyến trong phòng này được kết nối với nhau tạo thành một mạng LAN Do vậy, các gói dữ liệu có thể được chuyển đi từ một mạng xương sống bất kì đến một mạng xương sống bất kì khác Cùng với việc được liên kết nối tại các điểm truy cập mạng NAP, các mạng xương sống lớn hơn còn có nhiều kết nối trực tiếp giữa các bộ định tuyến của chúng

2.2 MẠNG LAN VÔ TUYẾN

2.2.1 Sự ra đời của mạng LAN vô tuyến và chuẩn LAN không dây 802.11

Khi máy tính xách tay ra đời, nhiều người đã có giấc mơ về việc máy tính xách tay được kết nối không dây với Internet Do vậy, đã có nhiều nhóm các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu về vấn đề này Cách tiếp cận thích hợp nhất là trang bị cho các máy tính xách tay các thiết bị thu phát vô tuyến tầm ngắn để cho phép chúng truyền thông với nhau Công việc này nhanh chóng dẫn đến sự ra đời của các mạng cục bộ vô tuyến (Wireless LAN)

Tuy nhiên, một vấn đề khó khăn đối với mạng vô tuyến chính là sự tương thích Các sản phẩm máy tính trang bị một máy vô tuyến nhãn X không thể kết nối với một trạm nhãn Y Để giải quyết vấn đề này, ủy ban IEEE, cơ quan đã tiêu chuẩn hóa mạng LAN có dây, được giao nhiệm vụ thảo ra một chuẩn cho LAN không dây Và tháng 7 năm 1997, chuẩn cho mạng LAN vô tuyến đã ra đời với tên gọi 802.11

2.2.2 Các kiến trúc mạng LAN vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11

Theo tiêu chuẩn cho mạng LAN vô tuyến 802.11 được công bố bởi IEEE, có hai cách

để cấu hình một mạng là: Ad-hoc và Infrastructure

Trong mạng Ad-hoc, các máy tính được kết nối trực tiếp với nhau để tạo thành một mạng không dây Như thấy trong hình 2.2, không có cấu trúc nào cho mạng, cũng không có điểm nào cố định, và thông thường thì mỗi nút mạng đều có khả năng kết nối với các nút còn lại

đã có rất nhiều thuật toán, chẳng hạn như thuật toán “lựa chọn người được nói” (Spokesman Election Algorithm) cho phép thực hiện điều này Theo thuật toán này, một máy tính được lựa chọn như trạm cơ sở (hay máy chủ) của mạng và các máy còn lại là các thành viên

Như chỉ ra trong hình 2.3, kiến trúc thứ hai được sử dụng trong mạng LAN vô tuyến là Infrastruture Kiến trúc này sử dụng những nút mạng di động kết nối với những điểm truy cập mạng cố định (Network Access Point) Những điểm truy cập mạng này có thể được kết nối vào mạng LAN có dây để cho phép những máy tính trong mạng LAN không dây kết nối với những máy tính trong mạng LAN có dây Kiến trúc này tương tự như kiến trúc mạng điện thoại di động rất phổ biến hiện nay

kĩ thuật điều chế DSMM (Direct Sequence Spread Spectrum) Không dừng lại ở đó, một loạt các chuẩn không dây tiếp theo cũng lần lượt ra đời như 802.11e, 802.11g, 802.11h, 802.11i, 802.11n, 802.11p

Gần đây, hãng Samsung còn cho biết họ sẽ là hãng đầu tiên tích hợp một công nghệ mạng không dây mới có tên là MIMO vào máy tính xách tay, giúp người dùng tăng phạm vi và tốc độ truy cập mạng không dây 802.11

Samsung sẽ tích hợp vào máy tính xách tay một loại chip mạng không dây của hãng Airgo Networks Những con chip này sử dụng một công nghệ có tên là MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) giúp tăng băng thông, tốc độ và phạm vi truy cập của

các mạng không dây hiện nay Về mặt lý thuyết, công nghệ mạng này có thể tăng tốc độ truyền dữ liệu trong mạng không dây lên đến 200Mb/giây, mặc dù các quan chức của Airgo cho biết tốc độ trung bình thường chỉ đạt khoảng 45Mb/giây Nó cũng giúp tăng phạm vi phủ sóng lên đến khoảng từ 180 đến 275m

Công nghệ MIMO dựa trên các chuẩn 802.11g và 802.11b, nhưng hoạt động bằng cách cho phép hai hoặc nhiều hơn các tín hiệu mạng truyền qua cùng một kênh vô tuyến 802.11 ở cùng thời điểm mà không bị nhiễu Điều này cho phép người dùng truyền nhiều dữ liệu hơn qua phổ sóng vô tuyến so với việc truyền tín hiệu tiêu chuẩn

MIMO có thể sẽ trở thành một phần trong tiêu chuẩn mạng không dây thế hệ tiếp theo 802.11n, hiện đang được IEEE xem xét phê chuẩn

bị cầm tay trong quân sự v.v Một đặc điểm quan trọng cho các thiết bị đó là chưong trình viết cho chúng chỉ được phép dùng một lượng nhỏ hạn chế bộ nhớ và tài nguyên trong khi phải đáp ứng một số yêu cầu nhất định Thực tế chứng minh rằng, các phần mềm truyền thống như Visual C, Visual Basic, C++, C, Assembler … chưa đáp ứng được các yêu cầu này Đến đầu những năm 90, một ngôn ngữ lập trình mới đã xuất hiện cho phép thỏa mãn các yêu cầu này Đó là ngôn ngữ JAVA

3.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH JAVA

Các đặc điểm của Java có thể tóm gọn trong một câu như sau:

“Java là một ngôn ngữ đơn giản, hướng đối tượng, phân tán, thông dịch lẫn biên dịch, mạnh mẽ, bảo mật, cấu trúc độc lập, khả chuyển, hiệu quả cao và linh động” 3.1.1 Hướng đối tượng

Java được thiết kế dựa trên Eiffel, Smalltalk, Objective C, Cedar/Mesa là những ngôn ngữ hướng đối tượng mạnh Điều đó nói lên rằng Java là một ngôn ngữ hướng đối tượng Mọi ứng dụng viết trên Java đều phải được xây dựng trên các đối tượng và thông qua các đối tượng Nếu trong ngôn ngữ C hay C++, chúng ta có thể tạo ra các hàm phổ dụng, thì ở Java chúng ta chỉ có thể tạo các hàm tương tự thông qua một đối tượng nào đó

3.1.2 Hỗ trợ mạng

Những ví dụ điển hình về lập trình ứng dụng mạng là: các chương trình Chat, chương trình truyền dữ liệu (FTP), truyền tin, thông báo tin tức (News), trình duyệt web, trao đổi trực tuyến (Instant Messenger), gửi nhận thư điện tử (email), chương trình Mail Server, Web Server …

Có thể nói, Java hỗ trợ rất mạnh về lập trình ứng dụng mạng với các lớp thư viện socket giúp đơn giản hóa quá trình kết nối và chuyển dữ liệu trên mạng, điều mà các ngôn ngữ lập trình trên Windows thiếu sót rất lớn Java cho phép lập trình trên rất nhiều giao thức như TCP/IP, UDP, HTTP, FTP, telnet, các giao thức tự định nghĩa …

3.1.3 Điều khiển thiết bị

Java cho phép lập trình điều khiển các thiết bị như điện thoại di động, máy Palm, thiết

bị gia dụng (tivi, tủ lạnh) … Có thể nói, khi chuyển sang môi trường Unix, Linux hay các thiết bị cầm tay thì lập trình Java chiếm ưu thế tuyệt đối Đây là nơi mà Microsoft và Windows chưa chiếm lĩnh được và việc lập trình trên những thiết bị này không ngôn ngữ nào tốt hơn Java

3.1.4 Khả chuyển

Bất kỳ các lệnh lập trình nào cũng cần phải biên dịch ra mã máy và chuyển cho bộ vi

xử lý của máy tính xử lý Mã máy trong một kiến trúc vi xử lý của máy tính không hoàn toàn giống nhau Các tập lệnh mã máy trong vi xử lý Intel khác với vi xử lý Macintosh, Solarix Chính vì vậy, một chương trình nguồn theo truyền thống khi biên dịch xong chỉ

có thể chạy trên một kiến trúc vi xử lý xác định Bên cạnh đó, mỗi hệ điều hành chạy trên một kiến trúc máy tính lại có quy định về khuôn dạng file thực thi khác nhau Chẳng hạn,

cả hai hệ điều hành Linux và Windows đều có thể cài đặt trên vi xử lý Intel, nhưng chương trình thực thi trên Windows được biên dịch dạng EXE trong khi chương trình trên Linux lại biên dịch ra khuôn dạng ELF Như vậy, mã nguồn viết cho một ứng dụng trên Windows muốn chạy được trên Linux phải biên dịch lại bằng trình biên dịch thích hợp Java giải quyết chọn vẹn những khó khăn này bằng cách dùng máy ảo Java (JVM – Java Virtual Machine)

Chương trình Java được biên dịch ra mã của máy ảo Java (Java byte code) Chính vì

lý do này, bất kì nơi nào máy ảo Java hiện hữu thì chương trình Java đều chạy được Java

đã đưa ra khẩu hiệu nổi tiếng là: “Chương trình viết một lần và chạy được ở mọi nơi” (“Write Once, Run Anywhere”) Hay nói cách khác, chương trình Java có thể chạy được trên nhiều hệ điều hành và kiến trúc vi xử lý khác nhau dựa vào khả năng của máy ảo Java Sun MicroSystem chịu trách nhiệm hộ trợ máy ảo Java cho mọi hệ điều hành, đảm bảo tính đa nền (multi-platform) và đây cũng là thế mạnh của Java

3.2 GIAO TIẾP THEO MÔ HÌNH KHÁCH CHỦ

Có rất nhiều dịch vụ hỗ trợ trên Internet như thư điện tử (e-mail), nhóm tin (newsgroup), chuyển tập tin (file transfer), đăng nhập từ xa (remote login), truy tìm các trang Web … Những dịch vụ này được tổ chức và kiến trúc theo mô hình khách/chủ (mô hình Client/Server)

Theo mô hình này, các chương trình ở máy khách (Client) như trình duyệt web hay chương trình gửi nhận e-mail sẽ tạo ra kết nối với một máy chủ ở xa (Server) sau đó gửi các yêu cầu tới máy chủ Các chương trình dịch vụ trên máy chủ như Web Server hay Mail Server sẽ xử lý yêu cầu này và gửi trả kết quả ngược về cho máy khách (chẳng hạn Web Server sẽ truy tìm và trả về cho máy khách các trang web theo địa chỉ mà máy khách đưa đến, còn Mail Server thì lưu giữ và gửi về cho máy khách những bức e-mail mới) Thông thường một dịch vụ trên máy chủ phục vụ cho rất nhiều máy khách

3.3 LẬP TRÌNH MẠNG THÔNG QUA SOCKET

Theo mô hình khách/chủ, trước khi yêu cầu một dịch vụ trên máy chủ thực hiện điều gì đó, máy khách (Client) phải có khả năng kết nối được với máy chủ Quá trình kết nối này được Java thực hiện thông qua một cơ chế trừu tượng hóa gọi là Socket Có thể hình dung, kết nối giữa máy khách và máy chủ tương tự như việc cắm phích điện vào ổ cắm điện Máy khách thường được coi như phích cắm điện còn máy chủ được coi như ổ cắm điện, một ổ cắm điện có thể cắm vào đó nhiều phích điện khác nhau cũng như một máy chủ có thể kết nối và phục vụ cho rất nhiều máy khách

Nếu kết nối socket thành công thì máy khách và máy chủ có thể trao đổi dữ liệu với nhau thực hiện các yêu cầu về dịch vụ trên máy chủ Việc kết nối theo cơ chế socket cần biết hai thông tin chủ yếu là địa chỉ của máy cần kết nối và số hiệu cổng của chương trình dịch vụ

3.4 GIAO THỨC TRUYỀN TẢI THEO THỜI GIAN THỰC RTP

Đối với những ứng dụng truyền dữ liệu hình ảnh qua mạng theo thời gian thực, thì việc dữ liệu bị mất mát chút ít sẽ dễ được chấp nhận hơn so với việc thời gian trì trễ lớn Điều này khác xa so với việc truy cập vào dữ liệu tĩnh chẳng hạn như dữ liệu từ một file, khi đó điều quan trọng nhất là tất cả dữ liệu đều đến được đích Chính vì vậy, thông thường các giao thức dùng cho dữ liệu tĩnh không thể áp dụng cho các dòng dữ liệu hình ảnh

Các giao thức HTTP và FTP dựa trên giao thức điều khiển truyền TCP (Transmission Control Protocol) TCP là một giao thức lớp giao vận (Transport) được thiết kế cho việc trao đổi dữ liệu đáng tin cậy trên những mạng có băng thông hẹp, dễ xảy

ra lỗi Khi một gói dữ liệu bị mất mát hoặc hỏng, nó sẽ được truyền lại Sự quá tải trong việc truyền dữ liệu theo giao thức này sẽ làm giảm tốc độ của toàn bộ quá trình truyền

Vì lý do này, các giao thức lớp dưới thường được sử dụng cho các dòng dữ liệu hình ảnh Một trong những giao thức đó là UDP (User Datagram Protocol) UDP là một giao thức không đáng tin cậy Nó không đảm bảo rằng mỗi gói dữ liệu sẽ đến được đích

và cũng không đảm mỗi gói dữ liệu sẽ đến đúng thứ tự mà chúng được gửi Bên nhận

phải có khả năng bù vào dữ liệu đã bị mất cũng như sắp xếp lại các gói dữ liệu theo đúng thứ tự

Cũng giống như TCP, nói chung, UDP là một giao thức lớp giao vận, một giao thức mạng ở lớp dưới mà trên nó xây dựng các giao thức dành riêng cho mỗi ứng dụng cụ thể Chuẩn Internet dành cho việc chuyền dữ liệu thời gian thực như âm thanh và hình ảnh

là RTP (Real-time Transport Protocol) RTP được định nghĩa trong IETF RFC 1889, một sản phẩm của nhóm AVT thuộc hiệp hội kĩ sư Internet IETF (Internet Engineering Task Force)

RTP cung cấp các dịch vụ phân phát qua mạng cho việc truyền dữ liệu thời gian thực RTP không phụ thuộc vào giao thức mạng và giao thức truyền tải mặc dù nó thường được sử dụng trên UDP

RTP có thể được sử dụng cho cả hai loại dịch vụ truyền hình ảnh qua mạng là truyền đơn điểm (unicast) và truyền đa điểm (multicast) Trong dịch vụ truyền đơn điểm, các bản copy của dữ liệu được gửi riêng rẽ tới từng đích Trong dịch vụ truyền đa điểm,

dữ liệu chỉ gửi đi từ một nguồn và mạng có khả năng đáp ứng để phân phát tới nhiều địa chỉ Việc truyền đa điểm có hiệu quả hơn trong nhiều ứng dụng multimedia, chẳng hạn hội nghị bằng hình ảnh Giao thức Internet chuẩn (IP – Internet Protocol) hỗ trợ cho việc truyền đa điểm

RTP cho phép chúng ta xác định kiểu dữ liệu được truyền, quy định thứ tự của các gói dữ liệu và đồng bộ các dòng media từ các nguồn khác nhau

Tuy nhiên, RTP không đảm bảo các gói dữ liệu sẽ đến được đích và cũng không đảm mỗi gói dữ liệu sẽ đến đúng thứ tự mà chúng được gửi Chính bên nhận phải tạo lại thứ tự gói

dữ liệu của bên gửi và tìm các gói dữ liệu đã bị mất dựa theo thông tin trong phần tiêu đề của gói Điều này được thực hiện nhờ giao thức RTCP (Real-time Control Protocol)

Các ứng dụng media thời gian thực

Real – time Control Protocol (RTCP) Real – time Transport Protocol (RTP)

Các giao thức mạng và giao thức UDP

giao vận khác (TCP, ATM, ST-II…)

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TOÀN HỆ THỐNG

Hình 4.1 trình bày sơ đồ của toàn bộ hệ thống bao gồm hai khối thiết bị đặt ở 2 nơi cách xa nhau được kết nối với nhau qua mạng Hai nơi đó được gọi là vùng thực thi (Remote Site) và vùng điều khiển (Local Site)

Hình 4.1: Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống

4.2 VÙNG THỰC THI

Vùng thực thi thực chất chính là một robot di động Các khối cơ bản tại vùng thực thi bao gồm: nguồn điện, mạch điều khiển động cơ, vi điều khiển PsoC, các cơ cấu chấp hành, các cảm biến hình ảnh, máy tính xách tay PC1 và điểm truy cập mạng WAP (Wireless Access Point ) Hình 4.2 trình bày các khối cơ bản tại vùng thực thi