Nghiên cứu thiết hế thống thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ truyền không dây LORA

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating Current Điện áp xoay chiều ADC Analog to Digital Converter Mạch chuyển đổi tương tự ra số ARM Advanced RISC Machine

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU

SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết

quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình

khác Nếu không đúng nhƣ đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài

của mình

Ngày tháng năm

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình và nghiêm khắc của TS Nguyễn Hoàng Dũng Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng như truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô Trường Đại Học Mở Hà Nội

đã tạo mọi điều kiện cho em học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian học vừa qua

Xin cảm ơn các thành viên trong gia đình, những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống Luận văn cũng là món quà tinh thần mà tôi trân trọng gửi tặng đến các thành viên trong gia đình

Cuối cùng xin gửi đến những người thân yêu, các bạn, các anh chị, các đồng nghiệp đã góp ý giúp đỡ về tinh thần cũng như về kinh nghiệm, kiến thức một lời biết ơn sâu sắc

Ngày tháng năm

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY 5

1.1 Khái niệm về công nghệ truyền không dây 5

1.2 Đặc điểm của công nghệ truyền không dây 5

1.3 Các công nghệ không dây hiện tại 5

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn 22

1.5 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP THÔNG TIN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA……… … 26

2.1 Công nghệ không dây LORA 26

2.2 Vi điều khiển STM32 28

2.3 Camera OV7670 33

2.4 Màn hình LCD 2.4” ILI9325 53

2.5 Thiết kế khối điều khiển 67

2.6 Thiết kế khối hiển thị LCD ILI 9325 68

2.7 Thiết kế khối camera 73

2.8 Thiết kế khối truyền dữ liệu 76

2.9 Thiết kế tổng thể sản phẩm 77

2.10 Kết luận chương 78

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 79

3.1 Thiết kế layout trên phần mềm Altium Designer 18 79

3.2 Làm mạch in 82

3.3 Hàn mạch và chạy thử kiểm tra mạch 85

3.4 Tình huống ứng dụng thực tế 88

3.5 Kết luận chương 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 91

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AC Alternating Current Điện áp xoay chiều

ADC Analog to Digital Converter Mạch chuyển đổi tương tự ra số

ARM Advanced RISC Machine Cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit

BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thấp

CCK Complimentary Code Keying Mã khóa bổ sung

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm dư chu trình

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang

DAC Digital-to-Analog Converter Mạch chuyển đổi số ra tương tự

DECT Digital Enhanced Cordless

Telecommunications

Kỹ thuật số không dây tăng cường viễn thông

DMA Direct memory access Truy cập bộ nhớ trực tiếp

DSL Digital subscriber line Dòng thuê bao kỹ thuật số

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Phổ lan truyền dãy trực tiếp

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị cuối xử lý dữ liệu

EDR Enhanced Data Rate Tốc độ dữ liệu nâng cao

FHSS Frequence Hopping Spread

Spectrum

Phổ lan truyền nhảy tần

FPU Float Point Unit Xử lý dấu phẩy động

FSM Finite state machine Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt GAP Generic Access Profile Cấu hình truy cập chung

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

HMI Human Machine Interface Giao tiếp người với máy

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

IPv6 Internet Protocol version 6 Giao thức Internet phiên bản 6

ISI Intersymbol Interference Nhiễu giao thoa

ISM Institute for Supply Management Chỉ số của viện quản lý cung ứng Hoa Kỳ

Index

ISP Internet service provider Nhà cung cấp dịch vụ internet

JTAG Joint Test Action Group Tiêu chuẩn cho thiết bị trên chip trong tự

động hóa thiết kế điện tử LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LED Light Emitting Diode Điot phát quang

MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập phương tiện truyền

thông MEMS Micro Electro Mechanical Systems Hệ vi điện cơ

MMC Multi Media Card Thẻ nhớ có bộ nhớ flash

OFDM Orthogonal Frequency-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PHY Physical Layers Lớp vật lý

PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha

PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung

QVGA Quarter Video Graphics Array Độ phân giải hiển thị màn hình là

320x240

RF Radio frequency Tần số vô tuyến

RGB Red Green Blue Mô hình màu đỏ, xanh lục, xanh lam RTC Real-Time control Hệ thống kiểm soát thời gian thực

RTOS Real Time Operating System Hệ điều hành thời gian thực

SCCB Serial Camera Control Bus Bus điều khiển camera tuần tự

SD Secure Digital Thẻ nhớ lưu trữ dữ liệu

SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp

TI Texas Instruments Tập đoàn lớn của Hoa Kỳ

TFT Thin Film Transistor Bóng bán dẫn dạng phim mỏng

USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng

VGA Video Graphics Array Chuẩn hiển thị máy tính

VSYN Vertical Synchronization Đồng bộ số khung hình trên giây

WEB World Wide Web Mạng lưới toàn cầu

WLAN Wireless local area network Mạng cục bộ không dây

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Công nghệ Bluetooth 6

Hình 1.2 Cấu hình phần cứng chính của BLE 11

Hình 1.3 Broadcasting và Observing 12

Hình 1.4 Công nghệ Wifi 13

Hình 1.5 Công nghệ ZigBee 18

Hình 2.1 Kiến trúc của STM32 nhánh Performace và Access 29

Hình 2.2 Kit STM32F407VG Discovery 32

Hình 2.3 Module OV7670 FIFO 34

Hình 2.4 Mặt sau module camera OV7670 34

Hình 2.5 Ảnh 5x5 pixel 36

Hình 2.6 Mô hình màu RGB 37

Hình 2.7 Phân giải của một hình ảnh thành các thành phần Y, Cb và Cr 37

Hình 2.8 Đồng bộ dòng 40

Hình 2.9 Mô tả tín hiệu một frame ảnh VGA (640x480) 41

Hình 2.10 Sơ đồ khối chức năng SCCB tổng quát sử dụng 3 dây 41

Hình 2.11 Sơ đồ khối chức năng SCCB tổng quát sử dụng 2 dây 42

Hình 2.12 Quá trình truyền dữ liệu của SCCB 3 dây 43

Hình 2.13 Tín hiệu báo hiệu Start 43

Hình 2.14 Tín hiệu báo hiệu Stop 44

Hình 2.15 Tín hiệu báo hiệu Start/Stop của I2C 44

Hình 2.16 Pha truyền dữ liệu trong SCCB 45

Hình 2.17 Chu kỳ ghi dữ liệu 3 pha trong SCCB 45

Hình 2.18 Chu kỳ đọc dữ liệu 2 pha trong SCCB 46

Hình 2.19 Ghi dữ liệu vào thanh ghi OV7670 47

Hình 2.20 Sơ đồ thuật toán đọc dữ liệu vào thanh ghi OV 7670 47

Hình 2.21 Ví dụ về cửa sổ 320x240 51

Hình 2.22 Mạch điều khiển tỷ lệ hình ảnh 53

Hình 2.23 Màn hình TFT ILI9325 2.4 Inch 54

Hình 2.24 Mặt sau màn hình ILI9325 54

Hình 2.25 Giao diện bus dữ liệu 16 bit 57

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý kết nối KIT STM32F407VGT 67

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý kết nối chân KIT STM32H743ZI 68

Hình 2.28 Giao tiếp 16 bit với ILI9325 69

Hình 2.29 Tín hiệu Reset 69

Hình 2.30 Chu kỳ ghi dữ liệu với ILI9325 69

Hình 2.31 Quá trình ghi dữ liệu với ILI9325 70

Hình 2.32 Giản đồ thời gian tín hiệu của ILI9325 71

Hình 2.33 Tham số thời gian tín hiệu của ILI9325 72

Hình 2.34 Sơ đồ kết nối chi tiết module OV7670 73

Hình 2.35 Lưu đồ thuật toán ghi dữ liệu thanh ghi camera OV7670 74

Hình 2.36 Lưu đồ thuật toán đọc dữ liệu thanh ghi camera OV7670 75

Hình 2.37 Giản đồ thời gian tín hiệu RGB565 75

Hình 2.38 Lưu đồ cấu hình chế độ hoạt động của Camera OV7670 76

Hình 2.39 Kết nối USART với KIT STM32 77

Hình 2.40 Sơ đồ khối tổng thể sản phẩm 77

Hình 3.1 Giao diện Altium 18 80

Hình 3.2 Mẫu 3D Altium 18 80

Hình 3.3 Mạch hiển thị LCD 81

Hình 3.4 Mạch in kết nối Camera 81

Hình 3.5 Hình ảnh 3D của hệ thống 82

Hình 3.6 Giấy nhiệt vàng khi mới in mạch in lên 83

Hình 3.7 Phíp đồng chuẩn bị để làm mạch 83

Hình 3.8 Dùng bàn là ủi nhiệt 84

Hình 3.9 Dung dịch FeCl3 để lắc mạch in 84

Hình 3.10 Mạch cắm module OV7670 85

Hình 3.11 Mạch cắm LCD 86

Hình 3.12 Hình ảnh bắt được từ camera 87

Hình 3.13 Sản phẩm sau khi hoàn thiện 87

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các phiên bản của ZigBee 18

Bảng 2.1 So sánh công nghệ không dây LORA với công nghệ khác 26

Bảng 2.2 Sơ đồ chân 35

Bảng 2.3 Dữ liệu ảnh được lưu trữ thành từ (4 byte) 38

Bảng 2.4 Thứ tự dữ liệu đến dạng YCbCr422 38

Bảng 2.5 Các điểm ảnh YCbCr422 39

Bảng 2.6 Các thanh ghi cài đặt tần số dao động nội Camera 48

Bảng 2.7 Thiết lập định dạng ảnh cho Camera OV7670 49

Bảng 2.8 Thứ tự tín hiệu YUV 50

Bảng 2.9 Thiết lập độ phân giải QVGA, CIF, QCIF 50

Bảng 2.10 Các thanh ghi thiết lập cửa sổ 51

Bảng 2.11 Thanh ghi điều khiển tín hiệu đồng bộ của Camera 52

Bảng 2.12 Sơ đồ chân 55

MỞ ĐẦU

Trải qua quá trình phát triển của con người, từ xa xưa điện tử đã được đưa vào sử dụng trong đời sống và sản xuất nhưng lúc đó chỉ là những sản phẩm điện tử đơn giản như: bóng đèn, quạt điện cho đến ngày nay với những sản phẩm điện tử phức tạp hơn: điện thoại, máy tính, tivi, máy giặt, cho đến những dây chuyền máy móc trong nhà máy, xí nghiệp Hầu như bất kỳ ở đâu, bất kỳ ai thì việc sử dụng những thiết bị điện tử không còn quá xa lạ, nó có mặt ở khắp mọi nơi tất cả tạo nên những giá trị vật chất nhằm phục vụ đời sống cho con người, giảm gánh nặng cho người lao động trong sản xuất Và từ đó điện tử trở thành một phần không thể thiếu đối với xã hội con người, nhất là ở thế giới công nghiệp hiện đại hóa như bây giờ Hiểu rõ được tầm quan trọng đó cùng với việc áp dụng những kiến thức đã học cũng như tích luỹ thêm kinh nghiệm trong thiết kế mạch, đồng thời tìm hiểu họ

vi điều khiển, em đã chọn làm luận văn với đề tài : “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ truyền không dây LORA” Việc làm luận văn đã giúp cho tôi có cơ hội áp dụng những kiến thức đã học trong nhà trường đồng thời trau dồi thêm kiến thức thực tiễn

Tuy nhiên, do còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế, tài liệu tham khảo, nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô trong hội đồng góp ý xây dựng để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy!

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ

TRUYỀN KHÔNG DÂY

Chương đầu tiên này sẽ trình bày những nội dung cơ bản về các công nghệ truyền không dây: các khái niệm, đặc điểm, nguyên tắc hoạt động và những ứng dụng của công nghệ truyền không dây trong đời sống

1.1 Khái niệm về công nghệ truyền không dây

Công nghệ truyền không dây là công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng 1 giao thức khác nhau mà không cần những kết nối bằng dây mạng hay đường dây điện thoại

1.2 Đặc điểm của công nghệ truyền không dây

Công nghệ truyền không dây thường sử dụng sóng radio hay sóng cực ngắn

để duy trì các kênh truyền thông, các thiết bị truyền thông với nhau Tín hiệu không dây được lan truyền trong không khí và được nhận và được hiểu bằng ăng ten thích hợp

Khi một ăng ten được gắn vào mạch điện của máy tính hoặc thiết bị không dây, ăng ten sẽ chuyển đổi dữ liệu số thành tín hiệu không dây và trải rộng trên phạm vi tần số của nó Ở đầu còn lại nhận được tín hiệu này và chuyển đổi chúng trở lại dữ liệu kỹ thuật số

1.3 Các công nghệ không dây hiện tại

1.3.1 Bluetooth

1.3.1.1 Khái niệm về Bluetooth

Bluetooth là sự trao đổi dữ liệu không dây tầm gần giữa các thiết bị điện tử

Công nghệ này hỗ trợ việc truyền dữ liệu qua các khoảng cách ngắn giữa các thiết

bị di động với nhau và với thiết bị cố định mà không cần sợi cáp nào để truyền tải

Bluetooth sử dụng sóng Radio tần số 2.4GHz Tuy sử dụng cùng tần số với công nghệ Wifi nhưng chúng không hề xung đột với nhau vì Bluetooth sử dụng tần

số có bước sóng ngắn hơn Bluetooth là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặt tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn của Bluetooth cho sản phẩm của mình Những chỉ tiêu kỹ thuật này bảo đảm cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth

Hình 1.1: Công nghệ Bluetooth

1.3.1.2 Các chuẩn kết nối Bluetooth

+ Bluetooth 1.0: Tốc độ xấp xỉ 1Mbps nhưng gặp nhiều vấn đề về tính tương

thích

+ Bluetooth 1.1: Phiên bản sửa lỗi của 1.0 nhưng không thay đổi tốc độ

+ Bluetooth 1.2: Thời gian dò tìm và kết nối nhanh hơn giữa các thiết bị, tốc

độ truyền tải nhanh hơn so với chuẩn 1.1

+ Bluetooth 2.0 +EDR: Được công bố vào tháng 7/2007 chuẩn mới này này

ổn định hơn và cho tốc độ chia sẻ nhanh hơn, đồng thời tiết kiệm năng lượng khi sử dụng

+ Bluetooth 2.1 +EDR: Bên cạnh những ưu điểm của bản 2.0, Bluetooth 2.1

còn có thêm cơ chế kết nối phạm vi nhỏ

+ Bluetooth 3.0 + HS (High Speed): Được giới thiệu vào 21/4/2009, chuẩn

kết nối này có tốc độ lý thuyết lên đến 24Mbps Những thiết bị hỗ trợ Bluetooth 3.0

nhưng không có +HS sẽ không đạt được tốc độ trên Tuy tốc độ cao nhưng Bluetooth vẫn chỉ hỗ trợ nhu cầu chia sẻ nhanh file có dung lượng thấp hay kết nối với loa, tai nghe…

+ Bluetooth 4.0: Ra mắt tháng 6/2010, phiên bản 4.0 là sự kết hợp của

“classis Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0 ), tức là vừa truyền tải nhanh lại còn tiết kiệm năng lượng hơn

+ Bluetooth 4.1: Năm 2014, Bluetooth nâng cấp lên bản 4.1 cải thiện tình

trạng chồng chéo dữ liệu của Bluetooth với mạng 4G, tối đa hóa hiệu năng nhờ tự điều chỉnh băng thông, đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn nhờ tối ưu thời gian chờ kết nối lại

+ Bluetooth 4.2: Là một bản nâng cấp nữa trong năm 2014, cải thiện tốc độ

truyền tải lên đến 2.5 lần so với v4.1, tiết kiệm năng lượng hơn, hạn chế lỗi kết nối cũng như bảo mật tốt Đồng thời tính năng quan trọng nhất là hỗ trợ chia sẻ kết nôi mạng internet theo giao thức IPv6 [2, tr.529]

1.3.1.3 Ứng dụng của Bluetooth

Hầu hết mọi người đã quen thuộc với tai nghe Bluetooth, nhưng thực tế là nó

có thể làm được nhiều hơn vậy Bluetooth cho phép kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị như điện thoại di động, điện thoại cố định, máy tính bảng, máy tính xách tay, máy in, thiết bị định vị dùng GPS, máy ảnh số, và thiết bị chơi game cầm tay Tất cả đã cho thấy kết nối này Bluetooth đang dần trở thành phần quan trọng trong cuộc sống hiện đại ngày nay Để ghép hai thiết bị Bluetooth với nhau, bạn phải “pair” (kết đôi) chúng với nhau Ví dụ, bạn có thể ghép chuột Bluetooth và máy tính, tai nghe với điện thoại hay điện thoại với laptop

Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:

+ Điều khiển và giao tiếp không giây giữa một điện thoại di động và tai nghe không dây

+ Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ít băng thông

+ Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột, bàn phím và máy in

+ Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiết bị định vị, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiển giao thông

+ Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại

+ Gửi các mẩu quảng cáo nhỏ từ các pa-nô quảng cáo tới các thiết bị dùng Bluetooth khác

+ Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử

+ Kết nối Internet cho máy tính bằng cách dùng điện thoại di động thay modem

1.3.1.4 Ưu và nhược điểm của công nghệ Bluetooth

Ưu điểm:

+ Thay thế hoàn toàn dây nối

+ Hoàn toàn không nguy hại đến sức khoẻ con người

+ Bảo mật an toàn với công nghệ mã hóa trong Một khi kết nối được thiết lập thì khó có một thiết bị nào có thể nghe trộm hoặc lấy cắp dữ liệu

+ Các thiết bị có thể kết nối với nhau trong vòng 20m mà không cần trực diện (hiện nay có loại Bluetooth kết nối lên đến 100m)

+ Kết nối điện thoại và tai nghe Bluetooth khiến cho việc nghe máy khi lái

xe hoặc bận việc dễ dàng

+ Giá thành rẻ

+ Tốn ít năng lượng, chờ tốn 0.3mAh

+ Không gây nhiễu các thiết bị không dây khác

+ Tính tương thích cao nên được nhiều nhà sản xuất phần cứng và phần mềm

hỗ trợ

Nhược điểm:

+ Tốc độ thấp, khoảng 720kbps tối đa

+ Bắt sóng kém khi có vật cản

+ Thời gian thiết lập lâu

1.3.1.5 Các giải pháp an toàn bảo mật trong Bluetooth

Để đảm bảo an toàn cho thiết bị người sử dụng cần lưu ý một số điều sau: + Chỉ mở Bluetooth khi cần thiết

+ Giữ thiết bị ở chế độ „hidden‟

+ Kiểm tra định kỳ danh sách các thiết bị đã paired

+ Nên mã hóa khi thiết lập Bluetooth với máy tính

+ Sử dụng các phần mềm diệt virus, quét virus định kỳ

1.3.2 Bluetooth Low Energy (BLE)

Trước hết cần nói rằng BLE không phải là tất cả, nó không thay thế hoàn toàn các chuẩn truyền thông không dây khác như Wifi, Zigbee, hay thậm chí là Bluetooth Classic (2.0) Nó được thiết kế với mục đích chuyên biệt hơn, với miền ứng dụng cụ thể hơn

BLE (Bluetooth 4.0 trở đi) được thiết kế cho các ứng dụng:

- Siêu tiết kiệm năng lượng, cho phép thiết bị hoạt động trong vài tháng hoặc vài năm chỉ với một viên pin đồng xu (coin-cell battery)

- Khoảng cách ngắn, hoạt động ổn định trong phạm vi 10m

- Dữ liệu truyền tải không lớn, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển không liên tục, cảm biến

- Các ứng dụng điển hình sử dụng BLE như thiết bị theo dõi sức khỏe, beacons, nhà thông minh, an ninh, giải trí, cảm biến tiệm cận, ô tô Trung tâm của một hệ thống ứng dụng BLE thường là Smart phones, tablets và PCs

1.3.2.1 Điều gì làm BLE trở nên khác biệt

- Sự phát triển mạnh của các thiết bị thông minh dẫn đến nhu cầu kết nối các thiết bị với bên ngoài tăng mạnh Trong khi BLE được tích hợp trong hầu hết các

điện thoại thông minh

- BLE có mô hình dữ liệu tương đối dễ hiểu, không cần chi phí giấy phép với một Protocol stack không quá phức tạp [7, tr.263]

1.3.2.2 Các khối chính của thiết bị Bluetooth

Mỗi thiết bị Bluetooth gồm 3 khối chính sau:

- Application: Ứng dụng người dùng giao tiếp với Bluetooth protocol stack

- Host: Các lớp trên của Bluetooth protocol stack

- Controller: Các lớp dưới của Bluetooth protocol stack, bao gồm chức năng truyền nhận radio

(Bluetooth Protocol Stack: Bộ giao thức dạng stack cho phép các thiết bị

Bluetooth thiết lập, kết nối, truyền nhận dữ liệu với nhau) Ba khối chính của một

thiết bị Bluetooth được tích hợp vào phần cứng theo nhiều kiểu khác nhau, dưới đây

là 3 kiểu cấu hình phần cứng chính:

Hình 1.2 Cấu hình phần cứng chính của BLE

1.3.2.3 Các giới hạn chính của BLE

Với BLE ta có:

- Khoảng cách lý thuyết: 100m (điều kiện tốt)

- Khoảng cách khả thi: 30m

- Khoảng cách thường được sử dụng: 2-5m

1.3.2.4 Mô hình mạng truyền thông cho BLE

Một thiết bị BLE có thể giao tiếp với bên ngoài thông qua 2 cơ chế: Broadcasting hoặc Connection Mỗi cơ chế có thế mạnh và giới hạn riêng, cả hai được thiết lập bởi GAP (Generic Access Profile)

1.3.3 Wifi

1.3.3.1 Định nghĩa wifi

Wifi là từ viết tắt của Wireless Fidelity, sử dụng sóng vô tuyến để truyền tín

hiệu Loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng điện thoại, truyền hình và radio Và

trên hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay như máy tính, laptop, điện thoại, máy tính bảng đều có thể kết nối Wifi [1, tr.731]

Kết nối Wifi dựa trên các loại chuẩn kết nối IEEE 802.11, và chủ yếu hiện nay Wifi hoạt động trên băng tần 54 Mbps và có tín hiệu mạnh nhất trong khoảng cách 100 feet (gần 31 mét, các bạn cứ thử tưởng tượng mỗi 1 tầng nhà lấy trung bình là 4 mét thì theo lý thuyết sóng wifi phát ở tầng 1 vẫn sẽ bắt được nếu bạn đang ở tầng 7 - đó là theo lý thuyết) Còn trong thực tế thì trong mỗi ngôi nhà thường có rất nhiều vật cản sóng, nên bạn chỉ cần đứng trên tầng 4 hoặc 5 là tín hiệu

đã yếu lắm rồi

1.3.3.2 Nguyên tắc hoạt động của Wifi

Để có được sóng Wifi thì chúng ta cần phải có bộ phát Wifi - chính là các

thiết bị như modem, router Đầu vào, tín hiệu Internet nguồn (được cung cấp bởi các đơn vị ISP như FPT, Viettel, VNPT, CMC hiện nay) Thiết bị modem, router sẽ lấy tín hiệu Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển thành tín hiệu vô tuyến, và gửi đến các thiết bị sử dụng như điện thoại smartphone, máy tính bảng, laptop Đây là quá trình nhận tín hiệu không dây (hay còn gọi là adapter) - chính là card wifi trên laptop, điện thoại và chuyển hóa thành tín hiệu Internet Và quá trình này hoàn toàn có thể thực hiện ngược lại, nghĩa là router, modem nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng, gửi qua Internet [6, tr.352]

Hình 1.4 Công nghệ Wifi

1.3.3.3 Một số chuẩn kết nối Wifi phổ biến

Về bản chất kỹ thuật, tín hiệu Wifi hoạt động gửi và nhận dữ liệu ở tần

số 2.5GHz đến 5GHz, cao hơn khá nhiều so với tần số của điện thoại di động, radio do vậy tín hiệu Wifi có thể chứa nhiều dữ liệu nhưng lại bị hạn chế ở phạm

vi truyền - khoảng cách Còn các loại sóng khác tuy tần số thấp nhưng lại có thể truyền đi ở khoảng cách rất xa

Sóng Wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 là chuẩn đầu tiên của hệ thống mạng không dây Chuẩn này chứa tất cả công nghệ truyền hiện hành bao gồm Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), Frequence Hopping Spread Spectrum (FHSS) và tia hồng ngoại 802.11 là một trong hai chuẩn miêu tả những thao tác của sóng truyền (FHSS) trong hệ thống mạng không dây Nếu người quản trị mạng không dây sử dụng hệ thống sóng truyền này, phải chọn đúng phần cứng thích hợp cho các chuẩn 802.11 Trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm chuẩn nhỏ hơn là a/b/g/n (các bạn thường thấy trên modem, router có các ký hiệu này)

- 802.11b: Hầu hết mạng WLAN ngày nay tương thích với chuẩn 802.11b

của IEEE, các sản phẩm bắt đầu được xuất xưởng vào cuối năm 1999 và khoảng 40 triệu thiết bị 802.11b đang được sử dụng trên toàn cầu Có tốc độ tín hiệu tối đa 11Mbps, với thông lượng trung bình khoảng từ 4 đến 6 Mbps Tốc độ này vẫn nhanh hơn một kết nối băng rộng DSL hoặc cáp và đủ cho âm thanh liên tục (streaming audio), 802.11b lại không đủ nhanh để truyền những hình ảnh có độ nét cao Lợi thế chính của 802.11b là chí phí phần cứng thấp Do hoạt động ở tần số 2.4GHz Phổ này bị chia sẻ bởi các thiết bị không được cấp phép, chẳng hạn như các thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây và sóng viba là nguồn gốc gây nhiễu (và làm giảm hiểu suất hoạt động) ở mạng dùng chuẩn 802.11b Các mạng dùng chuẩn 802.11b cũng có thể gây nhiễu cho nhau, 14 kênh của chuẩn 802.11b được chia thành từng phần và chỉ có thể dùng 3 kênh cùng một phạm vi để tránh chồng chéo Các kênh thường được sử dụng để tránh chồng chéo là 1, 6 và 11

- 802.11b+: PBCC (Packet Binary Convolutional Code) do Texas

Instruments (TI) phát triển có thể cung cấp tốc độ 22 và 33 Mbps TI sản xuất chipset dựa trên chuẩn 802.11b và hỗ trợ PBCC 22 Mbps Những thiết bị tích hợp chipset này được gọi là thiết bị 802.11b+ Những thiết bị này hoàn toàn tương thích với 802.11b, khi hai thiết bị 802.11b+ giao tiếp với nhau có thể tự động dùng tốc độ

22 Mbps Điểm nổi bật khác của TI khi giao tiếp giữa các thiết bị 802.11b+ là hoạt động ở chế độ 4x, có nghĩa là dùng các gói tin có kích thước lớn hơn - 4000 byte -

để giảm tải và tăng thông lượng lên đến ba lần

- 802.11a: Vào cuối năm 2001, các sản phẩm dựa trên một chuẩn thứ hai,

802.11a, bắt đầu được xuất xưởng ,hoạt động ở tần số 5GHz Thông lượng lý thuyết tối đa của nó là 54 Mbit/s, với tốc độ tối đa thực tế từ 21 đến 22 Mbit/s Mặc dù tốc

độ tối đa này vẫn cao hơn đáng kể so với thông lượng của chuẩn 802.11b, phạm vi phát huy hiệu lực trong nhà từ 25 đến 75 feet của nó lại ngắn hơn phạm vi của các sản phẩm theo chuẩn 802.11b Nhưng chuẩn 802.11a hoạt động tốt trong những khu vực đông đúc:

Với một số lượng các kênh không gối lên nhau tăng lên trong dải 5 GHz,Trong môi trường văn phòng thông thường, tầm hoạt động của 802.11a có thể lên đến tối đa 46m ở tốc độ thấp nhất, và khoảng 23m ở tốc độ cao nhất

Không giống dãy tần số 2.4GHz, dãy tần số 5GHz gần như không bị nhiễu Với ưu thế về kích thước của dãy tần số, các kênh của 802.11a không bị chồng chéo Một số nước định nghĩa 4 kênh, 8 kênh hoặc nhiều hơn Một lợi ích khác mà chuẩn 802.11a mang lại là băng thông cao hơn của nó giúp cho việc truyền nhiều luồng hình ảnh và truyền những tập tin lớn trở nên lý tưởng

- 802.11g: là chuẩn nối mạng không dây được IEEE phê duyệt tháng 6 năm

2003 có tốc độ của 802.11a và tầm hoạt động của 802.11b và tương thích ngược với 802.11b

Tốc độ tối đa lý thuyết của các sản phẩm theo chuẩn 802.11a, 54 Mbit/s, với một thông lượng thực tế từ 15 đến 20 Mbit/s Giống 802.11b, 802.11g có 14 kênh

và chỉ có thể dùng 3 kênh cùng một phạm vi để tránh chồng chéo.Tốc độ cao hơn của chuẩn 802.11g cũng giúp cho việc truyền hình ảnh và âm thanh, lưới Web trở nên lý tưởng 802.11g thiết kế để tương thích ngược với 802.11b và chúng chia sẻ cùng phổ 2,4GHz Việc này làm cho các sản phẩm của 2 chuẩn 802.11b và 802.11g

có thể hoạt động tương thích với nhau 802.11g đạt tốc độ này bằng cách dùng OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), cùng cơ chế với 802.11a,

và phải sử dụng thiết bị cùng chẩn 802.11g Để có thể kết nối với các thiết bị 802.11b phải dùng cơ chế điều biến CCK (Complimentary Code Keying) 802.11g cũng tương thích với các thiết bị 802.11b+ hoạt động ở tốc độ 22 và 33Mbps sử dụng PBCC (Packet Binary Convolutional Code) của Texas Instrumnets

- 802.11g+: Giống 802.11b+, 802.11g+ do Texas Instruments (TI) phát triển

dựa trên 802.11g của IEEE với các tính năng khác được thêm vào Các thiết bị 802.11g+ tương thích với các thiết bị 802.11b và 802.11g Khi kết nối với thiết bị 802.11b+, các ưu điểm của TI sẽ được phát huy Khi kết nối các thiết bị 802.11g+ với nhau, có thể đạt tốc độ tín hiệu lên đến 100Mbps

- 802.11n: Task Group N của IEEE 802.11 được thành lập vào tháng 7 năm

2003 để chuẩn hóa cho Physical Layers (PHY) và Medium Access Control (MAC) của 802.11, cho phép các chế độ hoạt động có thể đạt được thông lượng ít nhất là 100Mbps

Đây là dự án đầu tiên của 802.11 hướng tới thông lượng thay vì tốc độ tín hiệu Môt mục đích khác là đạt được thông lượng cao ở tầm hoạt động rộng, tương thích với các thiết bị 802.11a và 802.11g Ban đầu dự kiến, công việc chuẩn hóa sẽ hoàn thành vào cuối năm 2005.Sau đó hoãn lại và dự kiến sẽ được công nhận chính thức vào cuối năm 2006 nhưng cho tới thời điểm này vẫn chưa có một chuẩn chính thức

- 802.11n sử dụng hệ thống đa ăng ten và cường độ phổ lớn, đều là những

vấn đề hóc búa đối với hội kỹ sư điện tử (IEEE) Sau nhiều trở ngại với đề xuất về một tiêu chuẩn mạng không dây tốc độ cao, cuối cùng hiệp hội Wi-fi cũng đã đưa ra

được phiên bản Draft 2.0 của 802.11n, đồng thời coi đây là tiêu chuẩn sàn để các nhà sản xuất có thể xây dựng các thiết bị hoạt động tốt với nhau

1.3.3.4 Ưu và nhược điểm của Wifi

Ưu điểm

- Khả năng di động, cho phép kết nối bất kỳ đâu trong vùng phủ sóng

- Dễ lắp đặt và triển khai

- Tốc độ cao, tính linh động và nâng cấp dễ

- Giá thiết bị rẻ và nhiều trên thị trường

Nhược điểm

- Khả năng nhiễu sóng do thời tiết, hay các vật chắn

- Vùng phủ sóng chỉ hạn chế tầm vài chục đến vài trăm mét

- Bảo mật còn nhiều lỗ hổng

1.3.4 ZigBee

1.3.4.1 Khái niệm về ZigBee

Công nghệ ZigBee được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn 802.15.4 của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Tiêu chuẩn 802.15.4 này

sử dụng tín hiệu radio có tần sóng ngắn, và cấu trúc của 802.15.4 có 2 tầng là tầng vật lý và tầng MAC (medium Access Control) Công nghệ ZigBee vì thế cũng dùng sóng radio và có 2 tầng Hơn thế nữa ZigBee còn thiết lập các tầng khác nhờ thế mà các thiết bị của các nhà sản xuất dù khác nhau nhưng cùng tiêu chuẩn có thể kết nối với nhau và vận hành trong vùng bảo mật của hệ thống

Hình 1.5 Công nghệ ZigBee

1.3.4.2 Các phiên bản của ZigBee

Bảng 1.1 Các phiên bản của ZigBee

ZigBee 2004 Đây là phiên bản đầu tiên của ZigBee – đƣợc gọi là ZigBee 1.0, ra

ZigBee PRO Phiên bản này là 1 phiên bản của năm 2007 nhƣng đƣợc nâng cấp

lên để cài đặt nhanh hơn và tăng tính bảo mật cho hệ thống

RF4CE Là dạng tần sóng vô tuyến cho các thiết bị điện tử có ứng dụng âm

thanh nghe nhìn, ra đời năm 2009

1.3.4.3 Các dải tầng sóng hoạt động của ZigBee

ZigBee có kiến trúc nhiều tầng như chuẩn 802.15.4, là có tầng vật lý và tầng

MAC, hoạt động ở 1 trong 3 dải tầng sóng:

- Dải 915MHz cho khu vực Bắc Mỹ

- Dải 868 MHzcho Châu Âu, Nhật

Thực tế cho thấy hệ thống có thể hoạt động trong môi trường có dữ liệu dày đặc, hay trong vùng mà có nhiều đường truyền khác làm nhiễu thì hệ thống vẫn đảm bảo hoạt động liên tục đó là nhờ sự đánh giá chất lượng, sự phát hiện năng lượng tiếp nhận và đánh giá kênh rõ ràng

Công nghệ đa truy cập nhận biết sóng mang CSMA (Carrier Sense Multiple Access) được sử dụng để xác định thời điểm truyền, và tránh được những va chạm trong đường truyền

1.3.4.4 Truyền dữ liệu

Tín hiệu công nghệ ZigBee có thể truyền xa đến 75m tính từ trạm phát, và khoảng cách có thể xa hơn rất nhiều nếu được tiếp tục phát từ nút liên kết tiếp theo trong cùng hệ thống

Các dữ liệu được truyền theo gói, gói tối đa là 128bytes cho phép tải xuống tối đa 104 bytes

Tiêu chuẩn này hỗ trợ địa chỉ 64bit cũng như địa chỉ ngắn 16bit Loại địa chỉ 64bit chỉ xác đinh được mỗi thiết bị có cùng 1 địa chỉ IP duy nhất Khi mạng được thiết lập, những địa chỉ ngắn có thể được sử dụng và cho phép hơn 65000 nút được liên kết

1.3.4.5 Mô hình mạng ZigBee

ZigBee có 3 dạng hình mạng được hỗ trợ bởi ZigBee: dạng hình sao, hình

lưới, và hình cây Mỗi dạng hình đều có những ưu điểm riêng và được ứng dụng trong các trường hợp khác nhau

- Hình sao (Star network)

- Các nút hình sao liên kết với nút trung tâm

- Hình lưới (Mesh network)

Mạng hình lưới có tính tin cậy cao, mỗi nút trong mạng lưới đều có khả năng kết nối với nút khác, nó cho phép truyền thông liên tục giữa các điểm nút với nhau

và bền vững Nếu có sự tác động cản trở, hệ thống có khả năng tự xác định lại cấu hình bằng cách nhảy từ nút này sang nút khác

Hình cây (Cluster network) Mạng hình này chính là 1 dạng đặc biệt của mạng hình lưới, dạng mạng này có khả năng phủ sóng và mở rộng cao [4, tr.426]

1.3.4.6 Cấu trúc của ZigBee

Ngoài 2 tầng vật lý và tầng MAC xác định bởi tiêu chuẩn 802.15.4 ở, tiêu

chuẩn ZigBee còn có thêm các tầng trên của hệ thống bao gồm: tầng mạng, tầng hỗ trợ ứng dụng, tầng đối tượng thiết bị và các đối tượng ứng dụng

Tầng vật lý: có trách nhiệm điều biến, hoàn điều biết và gói tín hiệu vào không gian đồng thời giữ cho việc truyền tín hiệu được mạnh trong môi trường nhiễu

Tầng MAC: sử dụng như công nghệ đa truy cập nhận biết song mang CSMA

để xác định hình dạng đường truyền để tránh va chạm xác định và xác định hình dạng mạng, giúp hệ thống mạnh và vững chắc

Tầng mạng – NWK là 1 tầng phức tạp của ZigBee, giúp tìm, kết nối mạng và

mở rộng hình dạng từ chuẩn 802.15.4 lên dạng lưới Tầng này xác định đường truyền lên ZigBee, xác định địa chỉ ZigBee thay vì địa chỉ tầng MAC bên dưới Tầng hỗ trợ ứng dụng – APS là tầng kết nối với tầng mạng và là nơi cài đặt những ứng dụng cần cho ZigBee, giúp lọc bớt các gói dữ liệu trùng lắp từ tầng mạng

Tầng đối tượng thiết bị – ZDO có trách nhiệm quản lý các thiết bị, định hình tầng hỗ trợ ứng dụng và tầng mạng, cho phép thiết bị tìm kiếm, quản lý các yêu cầu

và xác định trạng thái của thiết bị

Tầng các đối tượng ứng dụng người dùng – APO: là tầng mà ở đây người dùng tiếp xúc với thiết bị, tầng này cho phép người dùng có thể tuỳ biến thêm ứng dụng vào hệ thống

1.3.4.7 Ưu và nhược điểm của ZigBee

Ưu điểm

- Giá thành thấp

- Tiêu thụ công suất nhỏ

- Kiến trúc mạng linh hoạt

- Được hỗ trợ bởi nhiều công ty

1.4.2 Phạm vi mạng và khoảng cách giữa các thiết bị

Các thiết bị đang hoạt động trong mạng luôn cố gắng kết nối truyền nhận với nhau nhiều hơn và điều đó gây ra giảm rớt cường độ tín hiệu rất nhiều Điều này là

do cách thức lan truyền các tín hiệu vô tuyến, phủ một vùng rộng lớn hơn khi chúng

đi xa hơn và vì lý do này nên khi tín hiệu trãi rộng hơn, nó sẽ trở nên yếu hơn Cường độ tín hiệu giảm theo quan hệ nghịch đảo bậc ba với khoảng cách giữa hai thiết bị

1.4.3 Nhiễu trong mạng vô tuyến

Mạng vô tuyến đang trở nên ngày càng thông dụng và do đó ngày càng nhiều truyền dẫn vô tuyến thực hiện truyền nhận qua môi trường không khí Những tín hiệu hoạt động ở các tần số tương tự nhau có thể gây nhiễu với nhau và có tác động tiêu cực đáng kể đến hiệu suất của mạng Điều này có nghĩa là những băng tần được

sử dụng phổ biến như các băng không cần cấp phép 2.4GHz có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi tình trạng dày đặc của các tín hiệu vô tuyến Những kỹ thuật vô tuyến khác có thể gây nhiễu giống nhau như điện thoại DECT và lò vi sóng … đó là những thiết bị mà hoạt động cùng dãi tần với dãi tần mạng WiFi Nhiều dãi băng tần đang trở nên khả dụng cho hoạt động mạng vô tuyến để tránh vấn đề xuyên nhiễu này chẳng hạn như băng tần không cần cấp phép 5GHz, đây là một băng tần đang trở nên khá phổ biến Khi hoạt động trong vùng mật độ mạng vô tuyến cao, băng tần 5GHz được khuyên dùng để bạn thiết lập hoạt động cho các mạng doanh nghiệp, các nhà điều hành, vv… xung quanh bạn để tránh các vấn đề về nhiễu trong tương lai [5, tr.135]

1.4.4 Việc chia sẻ tín hiệu

Mạng vô tuyến cho phép nhiều hơn một người để truyền thông giao tiếp với một nguồn mạng khác tại một thời điểm bất kỳ Việc chia sẻ kết nối này có nghĩa là

có nhiều thuê bao hơn sử dụng mạng, nhiều thiết bị hơn cố gắng kết nối truyền thông với một điểm truy cập trong một thời điểm Các điểm truy cập phải ủy thác những tài nguyên của nó tới mỗi thuê bao riêng lẻ với mỗi lượng vô tuyến truyền dẫn để cho thuê bao hoạt động Thiết bị có khả năng truyền dẫn song công (Full-Duplex) có thể truyền và nhận dữ liệu đồng thời, trong khi thiết bị truyền dẫn bán song công (Half-Duplex) chỉ có thể gửi hoặc nhận vào tại một thời điểm bất kỳ

1.4.5 Giới hạn kênh phổ

Điều này thường chỉ ảnh hưởng đến mạng vô tuyến hoạt động chỉ ở những dãi tần số phổ biến như 2.4GHz nhưng có thể bắt đầu ảnh hưởng đến dãi tần 5GHz trong tương lai nếu con người chuyển sang dùng ồ ạt trên dãi băng tần này Mạng

vô tuyến hoạt động trên những băng con (sub-band) còn gọi là kênh mà có băng thông nhỏ hơn so với băng thông trong toàn bộ những tần số hoạt động có thể của chúng Băng tần 2.4GHz được chia thành 11 kênh, mỗi kênh hoạt động trên độ rộng kênh 25MHz và khoảng cách giữa các đỉnh kênh kế cận là 5MHz trong một dãi tổng thể từ 2412MHz đến 2462MHz Những vùng chồng lấn này gây ra nhiễu nếu các thiết bị vô tuyến đang sử dụng các kênh lân cận, do đó các kênh được đề nghị

sử dụng là chỉ các kênh 1, 6 và 11, đó là những kênh không chồng lấn Tuy nhiên, điều này có nghĩa là chỉ có 3 thiết bị vô tuyến có thể sử dụng trong cùng khu vực trừ khi các kênh chồng lấn nhau được sử dụng

1.4.6 Sự phản xạ của tín hiệu

Phản xạ tín hiệu được biết một cách chính xác hơn với ảnh hưởng đa đường (Multi-Path Fade), thường xảy ra trong các tòa nhà có bố trí cấu trúc rắc rối và phức tạp Các tuyến đường khác nhau mà các tín hiệu thực hiện truyền trên đó có thể bị phản xạ môi trường xung quanh gây ra sự khác biệt trong các chiều dài khoảng cách tuyến đường mà chúng đi tới trạm thu Khi những tín hiệu khác nhau này đến trạm thu chúng có thể lệch pha nhau và điều này có thể gây ra chồng lấn sóng, đặt ra nghi vấn hoặc là mở rộng khả năng khuếch đại tín hiệu hoặc là có thể loại bỏ tín hiệu của nhau hoàn toàn Thời gian mà các tín hiệu phản xạ đi tới trạm thu là khác nhau do khoảng cách khác nhau trong các tuyến đường RF mà chúng đi Sự trãi rộng trễ giữa các tín hiệu tạo ra nhiễu liên ký tự ISI (Intersymbol Interference) là một trường hợp trong đó các tín hiệu bị trễ bắt đầu gây lỗi ký tự đi trên một tuyến đường RF ngắn hơn Những vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng những anten phân tập (cài đặt nhiều hơn 1 anten trên máy phát với khoảng cách cụ thể phù hợp) đảm bảo rằng nếu một anten hoạt động kém, những anten khác có thể sẽ ổn định, hoặc bằng cách khác, sử dụng công nghệ như OFDM có thể khắc phục vấn đề bằng cách đưa ra các kênh sóng mang con được chia ra từ độ rộng mỗi băng kênh chính Những kênh sóng mang con này gửi và nhận dữ liệu đồng thời, song song nhau Việc phân chia nhiều kênh nhỏ hơn đảm bảo nhiều dữ liệu hơn có thể được truyền với mức suy hao thấp hơn do nhiễu tín hiệu

1.4.7 Khả năng tương thích ngược với các chuẩn cũ hơn

Hiện nay chỉ có một ảnh hưởng lớn trong các mạng hoạt động trên chuẩn 802.11 Nếu bạn sử dụng xen lẫn các thiết bị 802.11n và một số các thiết bị 802.11b hoặc g, kỹ thuật mới phải tự giới hạn tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa theo các thiết

bị chuẩn cũ b và g Do đó nên quan tâm rằng nếu bạn muốn trải nghiệm đầy đủ khả năng của các chuẩn kỹ thuật mới, bạn nên thay thế tất cả các thiết bị cũ hiện có vì

có thể hạn chế hiệu suất mạng của bạn

- Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa trên mạng 2.4GHz với các thiết bị 802.11b hiện tại: 11Mbps

- Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa trên mạng 2.4GHz vớicác thiết 802.11g hiện tại và các thiết bị không chuẩn 802.11b: 54Mbps

- Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa mỗi luồng trên mạng 2.4GHz với chỉ các thiết bị 802.11n: 150Mbps

1.5 Kết luận chương

Trong chương này đã tổng hợp các công nghệ truyền không dây hiện nay để

ta nắm rõ được các phương thức truyền tín hiệu cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP THÔNG TIN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN

KHÔNG DÂY LORA

Như đã nói ở trên công nghệ truyền không dây là một trong những mối quan tâm chính đối với tổ chức và doanh nghiệp khi xem xét truyền nhận dữ liệu không dây Trong chương này, luận văn sẽ tập trung tìm hiểu vi điều khiển STM 32, camera OV7670 và màn hình LCD 2.4” ILI 9325 để thiết kế hệ thống

2.1 Công nghệ không dây LORA

2.1.1 Định nghĩa

LORA là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012, là một giao thức không dây mới được thiết kế để truyền thông tầm xa, năng lượng thấp

có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi

up-Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LORA không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu LORA có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh

2.1.3 Băng tần làm việc

Băng tần làm việc của LORA từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới:

- 430MHz cho châu Á

- 780MHz cho Trung Quốc

- 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

- 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LORA với các chirp rate khác nhau

có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LORA có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

2.1.4 So sánh công nghệ không dây LORA với các công nghệ khác

Bảng 2.1 So sánh công nghệ không dây LORA với công nghệ khác

Công nghệ không dây LORA Các công nghệ khác Tần số Sử dụng băng tần ISM

868 MHz /915 MHz sẵn có trên toàn thế giới

trong nông thôn

Vài chục đến vài trăm mét

Số thiết bị phục vụ 1000 thiết bị đầu cuối Một vài thiết bị

Công suất Công suất thấp Công suất cao hơn LORA

Tiến độ triển khai Nhanh và dễ dàng Nhanh và dễ dàng

Tôi quyết định chọn giải pháp công nghệ mạng không dây LORA vì tốc độ truyền dữ liệu nhanh, tiến độ triển khai dễ dàng, công suất thấp, mạch đơn giản, tiết kiệm chi phí và có tính khả thi cao

2.2 Vi điều khiển STM32

2.2.1 Giới thiệu

STM32 là vi điều khiển do hãng ST Microelectronic sản xuất dựa trên nền tảng lõi vi xử lý ARM Cortex®-M Là một dòng sản phẩm vi xử điều khiển 32 bit kết hợp các ưu điểm về hiệu suất cao, khả năng xử lý thời gian thực, xử lý tín hiệu

số, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động điện áp thấp, trong khi duy trì khả năng tích

hợp đầy đủ và dễ dàng phát triển ứng dụng

Vi điều khiển STM32 dựa trên một lõi tiêu chuẩn công nghiệp, có thể sử dụng nhiều công cụ và phần mềm để phát triển ứng dụng Điều này làm cho dòng STM32 là sự lựa chọn lý tưởng đối với các dự án nhỏ hoặc cho thiết kế nền tảng

ST đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường cong chi phí và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với số lượng lớn, STM32 là sự thách thức thật sự với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòng Performance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72 Mhz và dòng Access có tần số hoạt động lên tới 36 Mhz Các biến thể STM32 trong hai nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin)

và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM

Hình 2.1 Kiến trúc của STM32 nhánh Performace và Access

2.2.2 Các ngoại vi được tích hợp

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những vi điều khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị Ví dụ như bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ nhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt

sự kiện với tính năng input capture và tạo dạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thể liên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các định thời chính xác hơn Một bộ định thời chuyên hỗ trợ điều khiển động cơ với

6 đầu ra tín hiệu điều biến độ rộng xung PWM với dead time (khoảng thời gian được chèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù nhau trong điều khiển mạch cầu H) lập trình được và một đường break input (khi phát hiện điều kiện dừng khẩn cấp)

sẽ buộc tín hiệu PWM sang một trạng thái an toàn đã được cài sẵn Ngoại vi nối tiếp SPI có một khối kiểm tổng (CRC) bằng phần cứng cho 8 và 16-word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC

STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access) Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi với kích thước từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32 bit Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng

để gửi hoặc truy vấn dữ liệu như yêu cầu Một bộ phân xử bus nội (bus arbiter) và

ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranh chấp bus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và các kênh DMA Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt, dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điều khiển

STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao

Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V đến 3V3, chạy ở tần số 72 đến 216 MHz và dòng tiêu thụ chỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lượng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2μA khi ở chế độ Standby Một bộ dao động nội RC 8 MHz cho phép chip nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoài đang khởi động Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể

2.2.3 Khả năng an toàn, bảo vệ

Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong môi trường khắt khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiềuthiết bị ngoại vi Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe đó, STM32 cung cấp một

số tính năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất Chúng bao gồm một

bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung Clock và hai bộ Watchdogs

Bộ đầu tiên là một Watchdog cửa sổ (windowed watchdog) Watchdog này phải được làm tươi trong một khung thời gian xác định Nếu nhấn nó quá sớm, hoặc quá muộn, thì Watchdog sẽ kích hoạt Bộ thứ hai là một Watchdog độc lập (independent watchdog), có bộ dao động bên ngoài tách biệt với xung nhịp hệ thống chính Hệ

thống bảo vệ xung nhịp có thể phát hiện lỗi của bộ dao động chính bên ngoài (thường là thạch anh) và tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8 MHz

2.2.4 Tính bảo mật dữ liệu flash

Một trong những yêu cầu khắt khe khác của thiết kế hiện đại là nhu cầu bảo mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng gỡ lỗi (Debug) Khi tính năng bảo vệ đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chặn mã không tin cậy được chèn vào bảng vector ngắt Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong phần còn lại của bộ nhớ Flash STM32 cũng

có một đồng hồ thời gian thực và một khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin Khu vực này có một đầu vào chống giả mạo (anti-tamper input), có thể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầu vào này Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM được nuôi bằng nguồn pin

2.2.5 Phát triển phần mềm

Các công cụ phát triển cho ARM hiện có đã được hỗ trợ tập lệnh Thumb-2

và dòng Cortex Ngoài ra ST cũng cung cấp một thư viện điều khiển thiết bị ngoại

vi, một bộ thư viện phát triển USB như là một thư viện ANSI C và mã nguồn tương thích với các thư viện trước đó được công bố cho vi điều khiển STR7 và STR9 Có rất nhiều hệ điều hành thời gian thực RTOS (Real Time Operating System) mã nguồn mở và thương mại và middleware (TCP/IP, hệ thống tập tin, v.v.) hỗ trợ cho

họ Cortex Dòng Cortex-M3 cũng đi kèm với một hệ thống gỡ lỗi hoàn toàn mới gọi

là CoreSight Truy cập vào hệ thống CoreSight thông qua cổng truy cập gỡ lỗi (Debug Access Port), cổng này hỗ trợ kết nối chuẩn JTAG hoặc giao diện 2 dây (serial wire-2 Pin), cũng như cung cấp trình điều khiển chạy gỡ lỗi, hệ thống CoreSight trên STM32 cung cấp hệ thống điểm truy cập (data watchpoint) và một công cụ theo dõi (instrumentation trace) Công cụ này có thể gửi thông tin về ứng dụng được lựa chọn đến công cụ gỡ lỗi Điều này có thể cung cấp thêm các thông

tin gỡ lỗi và cũng có thể được sử dụng trong quá trình thử nghiệm phần mềm STM32 có sẵn một bộ thư viện ngoại vi chuẩn và mẫu, ví dụ hỗ trợ lập trình mà không cần kiến thức chuyên sâu hay hiểu rõ datasheet của chip, giúp nhanh chóng tập trung vào việc viết chương trình, tiết kiệm thời gian phát triển sản phẩm

2.2.6 Giới thiệu KIT STM32

Luận văn sử dụng Kit STM32F407VG Discovery cho bắt ảnh qua Camera OV7670

Hình 2.2 Kit STM32F407VG Discovery

Bộ kit STM32F4-DISCOVERY với vi điều khiển hiệu suất cao

STM32F407VGT6, cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng xử lý tín hiệu số (hình ảnh, video…) Nó bao gồm một công cụ ST-LINK tích hợp sẵn trên bảng mạch giúp nạp chương trình, gỡ lỗi nhanh chóng