HỆ THỐNG AN NÌNH điều KHIỂN và GIÁM sát từ XA

HỆ THỐNG AN NÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỪ XA Hệ thống được xây dựng với khối xử lý trung tâm là Raspberry Pi kết hợp với module Sim 900A. Kết nối giữa người dùng và thiết bị thông qua mạng Wifi và GSM. Đây là Mạng phổ biến và thông dụng nhất hiện nay, nên người dùng sẽ nhận được những cảnh báo nhanh nhất. Hệ thống giúp cho người dùng nắm bắt được những thông tin cảnh báo được rõ ràng hơn thông qua camera được gắn tại đó. Hình ảnh của camera sẽ được hiển thị trên App Android. Các cảm biến đề tài đã sử dụng: cảm biến nhiệt độ ds1802, cảm biến khói và khí ga MQ2, cảm biến chuyển động PIR.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY TÍNH - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG AN NÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM

SÁT TỪ XANGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÁY TÍNH

Sinh viên: LẠI VĂN LONG

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1. Thông tin sinh viên

- Họ và tên sinh viên (1): Lại Văn Long MSSV: 11119024

- Họ và tên sinh viên (2): Châu Thành Luâng MSSV: 11119027

2. Thông tin đề tài

- Tên của đề tài: HỆ THỐNG AN NINH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TỪ XA

- Mục đích của đề tài:

- Thời gian thực hiện: Từ ngày /3/2016 đến /6 /2016

- Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử,Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài

-4. Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi Lại Văn Long và Châu Thành Luâng cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứucủa chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Phạm Văn Khoa Kết quả công bố trongĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Tp.HCM, ngày tháng 6 năm 2016

SV thực hiện đồ án

(Ký và ghi rõ họ tên)

Lại Văn Long Châu Thành Luâng

Giáo viên hướng dẫn xác nhận bản báo cáo đã hoàn thành việc chỉnh sửa theo đề nghị củaHội đồng đánh giá đồ án tốt nghiệp:

………

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày tháng năm 2015Giáo viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên và học hàm - học vị)

BẢN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ

Thuật TP.HCM, chúng em đã nhận được sự dạy dỗ tận tình và quý báu của quý Thầy

Cô về những kiến thức chuyên môn, kiến thức trong cuộc sống Do đó, chúng em đãhoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp trong thời gian cho phép

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến ThS Huỳnh Hoàng Hà, người đã hướng

dẫn và giúp đỡ chúng em tận tình, tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng em có thể hoànthành Đồ Án Tốt Nghiệp này

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Ngày nay, hỏa hoạn xảy ra thường xuyên hơn và hậu quả của nó để lại là vô cùnglớn Thầy được những mối nguy hiểm như vậy nên nhóm thực hiện đề tài này, nhằmcảnh báo kịp thời cho người dùng

Hệ thống được xây dựng với khối xử lý trung tâm là Raspberry Pi kết hợp vớimodule Sim 900A

Kết nối giữa người dùng và thiết bị thông qua mạng Wifi và GSM Đây là Mạngphổ biến và thông dụng nhất hiện nay, nên người dùng sẽ nhận được những cảnh báonhanh nhất

Hệ thống giúp cho người dùng nắm bắt được những thông tin cảnh báo được rõràng hơn thông qua camera được gắn tại đó Hình ảnh của camera sẽ được hiển thị trênApp Android

Các cảm biến đề tài đã sử dụng: cảm biến nhiệt độ ds1802, cảm biến khói và khí

ga MQ2, cảm biến chuyển động PIR

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VI

DANH MỤC BẢNG VIII

CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.2 M ỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 P HẠM VI ĐỀ TÀI 1

1.4 B Ố CỤC ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 T ỔNG QUAN VỀ R ASPERRY P I 3

2.1.1 Lịch sử phát triển 3

2.1.2 Khái niện hệ thống nhúng 4

2.2 M ÁY TÍNH NHÚNG R ASPBERRY P I 7

2.2.1 Giới thiệu sơ lược 7

2.2.2 Vi xử lý ARM11 8

2.2.3 Thống số kỹ thuật 9

2.2.4 Các thành phần trong board Raspberry Pi 10

2.3 T ỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN 14

2.3.1 Chuẩn giao tiếp IEEE 802.11 14

2.3.2 Giao thức TCP/IP 18

2.4 G IỚI THIỆU CÁC LOẠI CẢM BIẾN 22

2.4.1 Modules cảm biến khí gas 22

2.4.2 Modules cảm biến chuyển động 23

2.4.3 Modules cảm biến nhiệt độ ds18B20 25

2.5 G IỚI THIỆU M ODULE S IM 900A 26

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.1 Y ÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 28

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống 28

3.1.2 Sơ đồ khối của hệ thống 29

3.2 T HIẾT KẾ PHẦN CỨNG 30

3.4 T HIẾT KẾ PHẦN MỀM 34

3.4.1 Xây dựng chương trình python trên Kit(Server) 34

3.4.2 Xây dựng App Android(Client) 37

CHƯƠNG 4 VẬN HÀNH VÀ ĐÁNH GIÁ 39

4.1 V ẬN HÀNH 39

4.2 Đ ÁNH GIÁ HỆ THỐNG 43

4.2.1 Ưu điểm 43

4.2.2 Nhược điểm 43

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 44

5.1 K ẾT QUẢ 44

5.2 H ẠN CHẾ 44

5.3 H ƯỚNG PHÁT TRIỂN 44

PHỤ LỤC A 45

PHỤ LỤC B 46

T ÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1 Hệ thống nhúng 5

Hình 2 2 Nhân Kernel 6

Hình 2 3 Kit Raspberry Pi 7

Hình 2 4 Sơ đồ chân IO của Kit 8

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý khe cắm Mini USB 11

Hình 2 6 Sơ đồ chân DSI 11

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý chân RCA 12

Hình 2 8 MIPI CSI-2 Camera Serial Interface 2 12

Hình 2 9 Truyền, nhận dữ liệu CSI-2 và CCI 13

Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý Jack 3.5 13

Hình 2 11 Sơ đồ nguyên lý khe SD 14

Hình 2 12 Mô hình mạng LAN IEEE 802.11 15

Hình 2 13 Mô hình TCP/IP 18

Hình 2 14 Mô hình Client – Server 20

Hình 2 15 Cảm biến MQ2 22

Hình 2 16: Sơ đồ cấu tạo module MQ-2 22

Hình 2 17: Thể hiện độ nhạy của MQ-2 [9] 23

Hình 2 18 Cảm biến PIR 25

Hình 2 19 Sơ đồ nguyên lý cảm biến PIR 25

Hình 2 20 Cảm biến DS18B20 26

Hình 2 21 Module Sim 900A 27

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống 29

Hình 3 2 Sơ đồ chân kết nối Module Sim với Kit 30

Hình 3 3 Sơ đồ nối chân MQ2 với Kit 31

Hình 3 4 Sơ đồ nối chân Loa, Led và động cơ với kit 31

Hình 3 5 Sơ đồ nối cảm biến PIR với Kit 33

Hình 3 6 Sơ đồ nối cảm biến ds1802 với Kit 33

Hình 3 7 Camera được sử dụng trong đề tài 34

Hình 3 8 Mô hình của đề tài nhìn từ trên xuống 35

Hình 3 9 Mô hình của đề tài nhìn theo phương ngang 35

Hình 3 10 Mô hình TCP Socket 36

Hình 3 11 Giao diện chương trình python 36

Hình 3 12 Lưu đồ chương trình server 37

Hình 3 13 Giao diện lập trình Android 38

Hình 3 14 Lưu đồ chương trình Client 38

Hình 4 1 Server và Client khi khởi động 40

Hình 4 2 Client kết nối với Server 40

Hình 4 3 Hệ thống cảnh báo khi có người lạ 41

Hình 4 4 Tin nhắn cảnh báo khi có khí ga 41

Hình 4 5 Tin nhắn cảnh báo có hỏa hoạn 42

Hình 4 6 Nút nhấn mở Camera 42

Hình 4 7 Hình ảnh từ Camera 42

Hình 4 8 Nút nhấn điều khiển thiết bị 43

Hình 4 9 Thiết bị khi nhấn ON 43

Hình 4 10 Thiết bị khi nhấn OFF 43

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của Kit 10

Bảng 1 Các loại cảm biến khí ga 46

Bảng 2 Thông số kỹ thuật của MQ-2 46

Bảng 3 Chức năng các chân của Module Sim 900A 47

CÁC TỪ VIẾT TẮT

đó Với sự trợ giúp của các cảm biến nhỏ gọn, độ chính xác cao.

Thấy được tầm quan trọng của việc phòng cháy chữa cháy và việc phát hiệnkịp thời có người lạ đột nhập Nhóm thực hiện đề tài xin giới thiệu mô hình hệthống an ninh điều khiển và giám sát từ xa, sử dụng Kit Raspberry Pi kết hợp vớiModule Sim 900A

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Nghiên cứu máy tính nhúng Raspberry Pi

Hệ thống được xây dựng nhằm cảnh báo cho người dùng về các mối nguyhiểm như: hỏa hoạn, có người lạ đột nhập vào nhà, truy xuất hình ảnh quacamera…

Hệ thống bao gồm khối xử lý trung tâm Raspberry, các thiết bị ngoại vi, khốicảm biến chuyển động PIR, khối cảm biến MQ2 và cảm biến nhiệt độ ds1802

Dữ liệu và các thông số của cảm biến được hiển thị trên app Android, kết hợp vớigửi tin nhắn hay gọi điện cảnh báo qua mạng GSMvà có camera quan sát

1.3 PHẠM VI ĐỀ TÀI

Hệ thống được xây dựng với các module cảm biến có sẵn trên thị trường

1.4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Bố cục đề tài gồm 5 chương:

 Chương 1: Giới thiệu

- Giới thiệu sơ lược đề tài

- Mục tiêu của đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyểt

- Lịch sử phát triển

- Giới thiệu về Kit nhúng Raspberry Pi

- Tổng quan về mạng WLAN

- Giới thiệu các cảm biến được sử dụng trong đề tài

- Module Sim 900A

 Chương 3: Thiết kế hệ thống

- Thiết kế phần cứng

- Thiết kế phần mềm

 Chương 4: Vận hành và đánh giá

- Đưa ra các kết quả mà nhóm đã làm được

- Đánh giá ưu, nhược điểm của hệ thống

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

- Đưa ra những kết luận về những vấn đề mà nhóm đã nghiên cứu trong đềtài, những vấn đề chưa hoàn thành trong đề tài

- Hướng phát triển của đề tài,

tử và những hệ thống nhỏ khác.

Vào cuối những năm 80, các hệ thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầuhết các thiết bị điện tử và khuynh hướng này vẫn còn tiếp tục cho đến nay Hiệnnay có khá nhiều kiến trúc vi xử lý khác nhau sử dụng để xây dựng hệ thốngnhúng như: ARM, MIPS, Coldfire/68k, PowerPC, x86, PIC, 8051, Atmel AVR,Renesas H8, SH, V850, FR-V, M32R, Z80, Z8, …

Ngày nay, một hệ thống nhúng có các ứng dụng rất rộng rãi trong cuộc sốnghàng ngày và có thể tìm gặp ở bất kì các thiết bị điện tử nào Ví dụ trong các thiết

bị điện tử dân dụng (máy giặt, tủ lạnh, TV ), các thiết bị điện tử “thông minh”(điện thoại di động), thiết bị truyền thông, thiết bị y tế, xe hơi, thậm chí cả trongmột máy tính cá nhân (card mở rộng).

Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại, có thể là những thiết

bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kỹ thuật số, máy chơi nhạc MP3 hay những sảnphẩm lớn như đèn giao thông, các bộ kiểm soát trong nhà máy hay hệ thống kiểmsoát các máy năng lượng hạt nhân, …Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thểrất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều thành phần, cácthiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn Các ví dụ

 Máy chơi games

 Máy móc công nghiệp sử dụng các bộ điều khiển lôgic có thể lập trìnhđược (PLC) để điều khiển và giám sát các hoạt động của dây chuyền

hành nhỏ, gọn, nhanh nhằm mục đích điều khiển vi xử lý, tất cả nằm trên mộtcon chip ( SoC ) hay một bo mạch

Hình 2 1 Hệ thống nhúng

 Các thuật ngữ thường dùng trong hệ thống nhúng

Host: Hướng đến máy trạm phát triển hệ thống có thể là một máy bàn hayserver chạy hệ điều hành Linux

• Target: Là một kiến trúc hệ thống nhúng

• NOR FLASH: giống như BIOS của PC

• NAND FLASH: giống như là HDD của PC

• Cross - Development: Quá trình xây dựng, phát triển và biên dịch ứngdụng được thực hiện trên Host nhưng lại được chạy trên hệ thống Target

• Toolchain: Là một tập công cụ được dùng để xây dựng các ứng dụng hoặctạo image (Image: một dạng file được dùng trong hệ thống Embedded Linux Vídụ: yaffs.img là root filesystem dạng yaffs hoặc uImage là kernel file) cho mộtthiết bị nhúng Các toolchain còn cho phép biên dịch (compile) trên một kiến trúccho một kiến trúc khác (như là biên dịch một image của ARM trên một máy tính

cá nhân xài hệ điều hành Linux, điều này được gọi là cross-development và cáccompiler được gọi là (Cross-compiler)

 Bootloader

Trong một hệ thống nhúng, không tồn tại firmware giống như CMOS của

PC Vì vậy để khởi động một hệ thống nhúng, chúng ta phải xây dựngbootloader Bootloader là một phần rất quan trọng trong hệ thống nhúng

Chức năng của bootloader như sau:

• Sao chép kernel từ flash memory đến RAM và thực thi kernel

• Khởi tạo phần cứng.

• Bootloader cũng bao gồm chức năng ghi dữ liệu đến flash memory (tảikernel hoặc RAM disk image xuống flash memory bằng cổng giao tiếp tuần tựhoặc các thiết bị nối mạng)

• Cung cấp giao tiếp để gửi lệnh đến hoặc nhận về các trạng thái của bomạch cần chạy

 Kernel

Kernel là thành phần chính của hệ điều hành Embedded Linux, quản lý cáctác vụ (task management), quản lý bộ nhớ (memory management), quản lýnhập/xuất (I/O management), quản lý timer (timer management), giao tiếp vớicác API (application programming interface)

Hình 2 2 Nhân KernelTrong hệ thống Embedded Linux, việc cấu hình kernel được thực hiện bằngcách dùng lệnh “make menuconfig” Sau đó lựa chọn các module cần thiết chokernel bởi hệ thống danh sách (menu) Sau khi đã cấu hình kernel, thực hiện việc

xây dựng(build) kernel bằng lệnh “make zImage” (đối với ARM9) hoặc “makeuImage” (đối với MPC860) Tập tin cuối cùng nhận được sẽ là zImage hoặcuImage File này sẽ được tải xuống flash memory.

2.2 MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI

2.2.1 Giới thiệu sơ lược

Kit Raspberry Pi có kích thước 100mm vuông dựa trên nền tảng ARM11, sửdụng họ vi xử lý BC2835 của Broadcom, kit được ứng dụng cho việc phát triển

hệ thống nhúng, điều khiển các thiết bị công nghiệp, phát triển trên thiết bị PDA

và định vị GPS Các hệ thống system on chip được sử dụng nhiều trong các thiết

bị cầm tay như điện thoại di động thông minh (smartphone), máy tính bảng(tablet) Kit Raspberry Pi có kích thước 5.6 mm x1.5mm Mạch được thiết kế 6lớp, được thiết kế đảm bảo các yêu cầu toàn vẹn tín hiệu đối với mạch tần số cao.Chip Broadcom BC2835 có lõi là cấu trúc ARM11 với tốc độ 700MHz Thànhphần của kit Raspberry Pi gồm có các I/O port, Ethernet, 2 cổng USB, có thểchọn thêm module WLAN, camera CMOS, camera USB, các port GPIO kết nối

và mở rộng

Hình 2 3 Kit Raspberry Pi

Hình 2 4 Sơ đồ chân IO của Kit

2.2.2 Vi xử lý ARM11

Trong thời kì đầu của điện toán, con người đã sử dụng các linh kiện điện tửbằng silicon để tạo ra vi xử lý để xử lý và thực hiện lệnh Theo thời gian, khi nhucầu về số lượng các lệnh ngày càng tăng thì càng nhiều yêu cầu lệnh được thêmvào Đặc biệt, với những lệnh phức tạp thì việc thêm chúng vào các linh kiệnđiện tử silicon trở thành một công việc vô cùng khó khăn Chính vì thế, nhữngnhà thiết kế vi xử lý giải quyết bằng cách dùng microcode kỹ thuật để phát triểntập lệnh trong bộ xử lý), mà minh chứng cụ thể chính là vi xử lý theo kiểu CISC(Complex Instruction Set Computer) Vi xử lý CISC có tầng cơ bản nhất (cònđược xem là phần nhân, phần cốt lõi) dựa trên vi xử lý RISC (ReducedInstruction Set Computer) có tốc độ xử lý nhanh Tầng cao nhất trong CISC là bộthông dịch đảm nhận nhiệm vụ tách các lệnh phức tạp của CISC thành các lệnhRISC đơn giản hơn để xử lý ARM được xem là bộ vi xử lý RISC có hiệu quảcao, chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng Ban đầu, nó được thiết kế cho máy tính

để bàn Archimedes nhưng vì trong bản thiết kế có nhiều điểm làm cho ARMkhông phù hợp với máy tính để bàn và có nhiều điểm làm cho ARM phù hợp vớithiết bị nhúng, nên ARM ngẫu nhiên trở thành sự lựa chọn cho các ứng dụngnhúng

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều sản phẩm nhúng sử dụng vi xử lýARM Điện thoại di động là một trong những sản phẩm tiêu biểu đã sử dụng hệthống vi xử lý ARM của hãng thiết kế bộ xử lý cho điện thoại di động ARM(Mỹ) Theo dòng vi xử lý ARM9 đang thống lĩnh thị trường trên các loại điệnthoại chỉ hỗ trợ hội thoại Điện thoại sử dụng mẫu vi xử lý ARM9 thì chiếm sốđông trong thị trường sản phẩm tầm trung (các loại điện thoại có thêm chức năngchuyên biệt), còn mẫu vi xử lý ARM11 thì được ứng dụng cho hầu hết điện thoạithông minh cao cấp

Nguồn cấp 5 V (DC) thông qua nguồn mini-USB hay qua các

header của GPIOKích thước 85.0 x 56.0 mm x 15mm 85.0 x 56.0 mm x 17mm

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của Kit

2.2.4 Các thành phần trong board Raspberry Pi

 Soc Broadcom BCM2835

 CPU: ARM1176JZF-S ARM11 nhân xung 700MHz; ARM VFP Bộ

vi xử lý ARM11 sử dụng kiến trúc nhân vi xử lý ARMv6

 GPU: Broadcom VideoCore IV GPU hỗ trợ các công nghệ xử lýhình ảnh OpenGL ES 1.1, OpenGL ES 2.0, OpenVG 1.1, OpenEGL, OpenMAX và bộ mã hóa và giải mã hình ảnh chuẩn HD1080p30 H.264

 Nhân DSP : Hỗ trợ xử lý tín hiệu số, tuy nhiên các nhà phát triểnchưa tích hợp các hàm API để người dùng có thể ứng dụng

 RAM: 256MB SDRAM DDR2 của Hynix và 512 Mb MobileDRAM của Samsung

 Chip LAN9512 (Model B) hỗ trợ:

 1 khe cắm 10/100Mb Ethernet (Auto-MDIX)

 khe cắm USB 2.0

 S1: Khe cắm mini-USB cấp nguồn 5Vcho board

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý khe cắm Mini USB

 S2:

Giao tiếp mở rộng của Raspberry Pi với các màn hình LCD hoặc các mànhình khác theo chuẩn DSI (Display Serial Interface) , có 15 chân, trong đó có hỗtrợ 2 luồng dữ liệu, 1 luồng xung, nguồn 3.3V và GND

Hình 2 6 Sơ đồ chân DSI

 S3: Khe cắm mở rộng HDMI

 S4: Kết nối cổng Video Composite / RCA

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý chân RCA

 S5:

Nằm giữa khe cắm LAN và HDMI, là cổng giao tiếp MIPI CSI-2 CameraSerial Interface 2 để kết nối với module camera CMOS Gồm 15 chân, hỗ trợ hailuồng dữ liệu cùng lúc, một luồng xung, hỗ trợ giao tiếp điều khiển hai chiềutương thích với I2C, 3.3V và GND

Hình 2 8 MIPI CSI-2 Camera Serial Interface 2

Hình 2 9 Truyền, nhận dữ liệu CSI-2 và CCI

 S6: Ngõ ra audio 3.5mm

Như hình trên thì các chân tạo xung PWM của BMC2835 tích hợp chung vớingõ ra Audio nên không thể nào vừa tạo xung PWM và vừa phát tín hiệu ra ngõAudio trên board Raspberry Pi

Hình 2 10 Sơ đồ nguyên lý Jack 3.5

 S8: Khe cắm thẻ nhớ, hỗ trợ các loại thẻ nhớ SD/MMC/SDIO

Hình 2 11 Sơ đồ nguyên lý khe SD

2.3 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WLAN

2.3.1 Chuẩn giao tiếp IEEE 802.11

Chuẩn mạng LAN IEEE 802.11 dựa vào kiến trúc tế bào (cell architecture),

là kiến trúc trong đó hệ thống được chia nhỏ ra thành các cell, mỗi cell (được gọi

là Tập hợp dịch vụ cơ bản, hoặc BSS) được kiểm soát bởi một trạm cơ sở (gọi là

điểm truy cập).

Một mạng LAN không dây có thể được hình thành từ một cell đơn, với một

AP đơn, nhưng hầu hết các thiết lập được hình thành bởi vài cell, tại đó các AP

được nối tới mạng xương sống (được gọi hệ phân phối, hoặc DS), tiêu biểu là

Ethernet, và trong cả mạng không dây

Toàn bộ liên kết lại mạng LAN không dây bao gồm các cell khác nhau, các

AP và hệ phân phối tương ứng, được xem xét thông qua mô hình OSI, như một

mạng đơn chuẩn IEEE 802, và được gọi là Tập hợp dịch vụ được mở rộng (ESS).

Hình sau mô tả một chuẩn mạng LAN IEEE 802.11 tiêu biểu:

Hình 2 12 Mô hình mạng LAN IEEE 802.11

Chuẩn cũng định nghĩa khái niệm Portal, đó là một thiết bị liên kết giữa

mạng LAN chuẩn IEEE 802.11 và mạng LAN chuẩn IEEE 802 khác Khái niệmnày mô tả về lý thuyết phần chức năng của “cầu chuyển dịch”

Mặc dù chuẩn không yêu cầu sự cài đặt tiêu biểu tất yếu phải có AP và

Portal trên một thực thể vật lý đơn.

 Mô tả các lớp chuẩn IEEE 802.11

Như bất kỳ giao thức chuẩn IEEE 802.x khác, giao thức chuẩn IEEE 802.11bao gồm MAC và lớp vật lý, chuẩn hiện thời định nghĩa một MAC đơn tương tácvới ba lớp vật lý (tất cả hoạt động ở tốc độ 1 và 2Mbit/s):

 FHSS hoạt động trong băng tần 2.4GHz

 DSSS hoạt động trong băng tần 2.4GHz

 Hồng ngoại

Ngoài các tính năng chuẩn được thực hiện bởi các lớp MAC, lớp MACchuẩn IEEE 802.11 còn thực hiện chức năng khác liên quan đến các giao thứclớp trên, như Phân đoạn, Phát lại gói dữ liệu, và Các ghi nhận

 Họ chuẩn IEEE 802.11

 IEEE 802.11a

Là một chỉ tiêu kỹ thuật IEEE cho mạng không dây hoạt động trong dải tần

số 5 GHz (5.725 GHz tới 5.85 GHz) với tốc độ truyền dữ liệu cực đại 54 Mbps.Dải tần số 5 GHz không nhiều như tần số 2.4 GHz, vì chỉ tiêu kỹ thuật chuẩn

IEEE 802.11 đề nghị nhiều kênh vô tuyến hơn so với chuẩn IEEE 802.11b Sự bổsung các kênh này giúp tránh giao thoa vô tuyến và vi ba.

 IEEE 802.11b

Là chuẩn quốc tế cho mạng không dây hoạt động trong dải tần số 2.4 GHz(2.4 GHz tới 2.4835 GHz) và cung cấp một lưu lượng lên trên 11 Mbps Đây làmột tần số rất thường sử dụng Các lò vi ba, các điện thoại không dây, thiết bịkhoa học và y học, cũng như các thiết bị Bluetooth, tất cả làm việc bên trong dảitần số 2.4 GHz

 IEEE 802.11d

Chuẩn IEEE 802.11d là một chuẩn IEEE bổ sung lớp sự điều khiển truy cập(MAC) vào chuẩn IEEE 802.11 để đẩy mạnh khả năng sử dụng rộng mạngWLAN chuẩn IEEE 802.11 Nó sẽ cho phép các AP truyền thông thông tin trêncác kênh vô tuyến dùng được với các mức công suất chấp nhận được cho cácmáy khách Các thiết bị sẽ tự động điều chỉnh dựa vào các yêu cầu địa lý từngquốc gia

 IEEE 802.11g

Tương tự tới chuẩn IEEE 802.11b, chuẩn lớp vật lý này cung cấp một lưulượng lên tới 54 Mbps Nó cũng hoạt động trong dải tần số 2.4 GHz nhưng sửdụng một công nghệ vô tuyến khác để tăng dải thông toàn bộ Chuẩn này đượcphê chuẩn cuối năm 2003

 IEEE 802.11i

Đây là tên của nhóm làm việc IEEE dành cho chuẩn hóa bảo mật mạngWLAN Bảo mật chuẩn IEEE 802.11i có một khung làm việc được dựa vào RSN(Cơ chế Bảo mật tăng cường) RSN gồm có hai phần: cơ chế riêng của dữ liệu vàquản lý liên kết bảo mật

Cơ chế riêng của dữ liệu hỗ trợ hai sơ đồ được đề xướng: TKIP và AES.TKIP (Sự toàn vẹn khóa thời gian) là một giải pháp ngắn hạn mà định nghĩa phầnmềm vá cho WEP để cung cấp một mức riêng tư dữ liệu thích hợp tối thiểu AES

hoặc AES - OCB (Advanced Encryption Standard and Offset Codebook) là một

sơ đồ riêng tư dữ liệu mạnh mẽ và là một giải pháp thời hạn lâu hơn

Quản lý liên kết bảo mật được đánh địa chỉ bởi:

- Các thủ tục đàm phán RSN

- Sự chứng thực chuẩn IEEE 802.1x

- Quản lý khóa chuẩn IEEE 802.1x

Các chuẩn đang được định nghĩa để cùng tồn tại một cách tự nhiên các mạngpre -RSN mà hiện thời được triển khai

 IEEE 802.11n

Chuẩn IEEE 802.11n là chuẩn 802.11 cải tiến chuẩn IEEE 802.11 trước đóbằng cách bổ sung hệ thống ăng ten đa ngõ vào – ra (Multiple input multipleoutput antennas) Chuẩn này hoạt động trên dải tần 2.4GHz và 5GHz Tuy nhiênkhả năng hỗ trợ dải tần 2.4GHz vẫn cao hơn Khi dải tần 5GHz hoạt động thì khảnăng truyền tải dữ liệu có thể từ 54Mbps lên tới 600Mbps Chuẩn này đã đượcthông qua vào tháng 10/2009

 IEEE 802.11ad

Chuẩn IEEE 802.11ad là một chuẩn cải tiến của chuẩn IEEE 802.11n nhưnglàm việc trên lớp vật lý mới của nền 802.11, hoạt động ở dải tần 60Ghz, thay vì2.4Ghz hoặc 5Ghz ở các chuẩn nêu trên Điều này khiến việc truyền dữ liệu tối

đa có thể lên tới 7Gbs ở điều kiện lý tưởng

Ngoài các chuẩn trên thì còn các chuẩn IEEE 802.11af, 802.11ah, 802.11ai…đang được IEEE thông qua

2.3.2 Giao thức TCP/IP

Giao thức TCP/IP được dùng trong Internet, ban đầu được phát triển trong

mô hình OSI Tuy nhiên các lớp trong TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internetworking Protocol) lại không khớp hoàn toàn với mô hình OSI Giao thứcTCP/IP được tạo nên từ năm lớp: vật lý, kết nối dữ liệu, mạng, vận chuyển vàứng dụng Bốn lớp đầu cung cấp các tiêu chuẩn vật lý, giao diện mạng, kết mạng,

và chức năng vận chuyển tương ứng với bốn lớp trong mô hình OSI Ba lớp saucủa mô hình OSI, lại chỉ được thể hiện thành một lớp trong TCP/IP và được gọi

là lớp ứng dụng

TCP/IP là giao thức dạng phân cấp, được tạo ra từ các mođun tương tác, mỗimođun có các chức năng đặc thù, nhưng không nhất thiết phải phụ thuộc nhau.Trong khi lớp OSI đặc trưng chức năng nào cho lớp nào, thì lớp của TCP/IP chứađựng những giao thức tương đối độc lập có thể được trộn lẫn tùy theo nhu cầucủa hệ thống Thuật ngữ phân cấp tức là giao thức lớp trên được hỗ trợ từ mộthay nhiều giao thức cấp thấp hơn

Trong lớp vận chuyển thì TCP/IP định nghĩa hai giao thức: TCP(Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol) Trong lớpmạng, giao thức chính do TCP/IP là IP (Internetworking Protocol) cho dù hiện cómột số giao thức khác hỗ trợ di chuyển dữ liệu trong lớp này

 Các lớp trong TCP/IP

Application Presentation Session

SMTP FTP TELNET DNS SNMP NFS TFTP

Applications

RPC Transport TCP UDP

Network IP

ICMP IGMP

ARP RSRP Data link

Physical Protocols defined by the underlying networks

Hình 2 13 Mô hình TCP/IP

Lớp kết nối vật lý (Physical Layer)

Lớp kết nối vật lý có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ phươngtiện truyền dẫn Lớp này bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng (card mạng và cápmạng) và chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truynhập đường truyền vật lý qua thiết bị giao tiếp mạng đó

Lớp vận chuyển (Transport Layer)

Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy địnhcách truyền dữ liệu 2 giao thức chính trong lớp này gồm có hai giao thức chính:TCP (Transmission Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol) Trongđó:

TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền dữliệu một cách tin cậy, cung cấp một luồng dữ liệu tin cậy giữa hai trạm, sử dụngcác cơ chế như chia nhỏ các gói tin của lớp trên thành các gói tin có kích thướcthích hợp cho lớp mạng bên dưới, báo nhận gói tin, đặt hạn chế thời gian time-out để đảm bảo bên nhận biết được các gói tin đã gửi đi TCP thường truyền cácgói tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận

Do lớp này đảm bảo tính tin cậy, lớp trên sẽ không cần quan tâm đến nữa