file goc 779253

Nhận thức được tầm thực tiễn của ngôi nhà thông minh là cơ sở để chúng em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS”.. Ở

Đề tài Điều khiển thiết bị điện qua Internet và GSM_EvaVer

1

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 7

1.1 Đặt vấn đề: 7

1.2 Ý nghĩa của đề tài: 8

1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài 9

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 10

1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài 11

1.6 Sơ đồ tổng quan của hệ thống 12

CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP 15

2.1 Tổng quan về Ethernet 15

2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet 15

2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet 16

2.1.3 Các loại khung Ethernet 16

2.1.3.1 Khung unicast 16

2.1.3.2 Khung broadcast 16

2.1.3.3 Khung multicast 17

2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD 17

2.2 Họ giao thức TCP/IP 18

2.2.1 Tầng ứng dụng (Application Layer) 19

2.2.2 Tầng giao vận (Transport Layer) 20

2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer) 25

2.2.4 Tầng giao tiếp mạng 30

2.3 Microchip TCP/IP Stack 31

2

2.3.1 Cấu trúc của Microchip TCP/IP Stack 31

2.3.2 Hoạt động của TCP/IP Stack 32

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS VÀ MODULE SIM900 33

3.1 Tổng quan về tin nhắn SMS 33

3.2 Giới thiệu Module SIM900 33

3.2.1 Tổng quan về Module SIM900 33

3.2.2 Khảo sát sơ đồ chân và chức năng từng chân 34

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 35

4.1 Phân tích yêu cầu điều khiển 35

4.2 Thiết kế phần cứng mạch chính 37

4.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chính Error! Bookmark not defined 4.2.2 Mô tả chức năng từng khối Error! Bookmark not defined 4.2.3 Khối rơle Error! Bookmark not defined 4.3 Tổng quan chương trình chính Error! Bookmark not defined 4.4 Thiết kế Webserver 38

4.5 Thiết kế và thi công Module SIM900 Error! Bookmark not defined 4.5.1 Sơ đồ nguyên lý kết nối Module SIM900 Error! Bookmark not defined 4.5.2 Tập lệnh AT dùng cho Module SIM900Error! Bookmark not defined 4.5.2 Giải thuật nhận tin nhắn và thực thi điều khiển: Error! Bookmark not defined Chương 5: KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined 5.1 Kết luận Error! Bookmark not defined 5.2 Hướng phát triển đề tài Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

3

PHỤ LỤC 1: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F8722 40

PHỤ LỤC 2: GIỚI THIỆU VỀ TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB C18 59

PHỤ LỤC 3 : GIAO TIẾP GIỮA PIC VÀ ETHERNET 61

PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA SIM900 66

4

Liệt kê bảng

Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 15

Liệt kê hình Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống 12

Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển 13

Hình 2.1: Minh họa phương pháp CSMA/CD 17

Hình 2.2: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP 18

Hình 2.3: Cấu trúc gói TCP 21

Hình 2.4: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP 23

Hình 2.5: Cấu trúc gói tin IP 26

Hình 2.6: Cấu trúc gói tin ARP 28

Hình 2.7: Cấu trúc của Stack 31

Hình 2.8: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo và cấu trúc Stack của Microchip……….32

Hình 3.1: Module Sim900 33

Hình 3.2: Sơ đồ chân của Module Sim900 34

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chính Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối rơle Error! Bookmark not defined Hình 4.3: Tổng quan chương trình chính Error! Bookmark not defined Hình 4.4: Giao điện Webserver Error! Bookmark not defined Hình 4.5: Từ cảm biến nhệt độ lên trình duyệt Error! Bookmark not

defined

Hình 4.6: Kết quả nhiệt độ phòng trên trình duyệt Error! Bookmark not

defined

5

Hình 4.7: Vi điều khiển nhận lệnh từ Web và điều khiển Error!

Bookmark not defined

Hình 4.8: Kết quả truyền dữ liệu Error! Bookmark not defined Hình 4.9: Phần mềm MPFS2 Error! Bookmark not defined Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý kết nối Module SIM900 Error! Bookmark

not defined

Hình 4.11: Giải thuật nhận tin nhắn và thực thi điều khiển Error!

Bookmark not defined

6

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Và khái niệm về ngôi nhà thông minh đã ra đời Một ngôi nhà thông là một giải pháp điều khiển tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền thông thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất

Nhận thức được tầm thực tiễn của ngôi nhà thông minh là cơ sở để chúng

em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS” Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng

em đã tìm hiều về vi điều khiển, các chế độ truyền thông, cảm biến đo, cơ cấu chấp hành, cách kết nối mạng Ethernet, điều khiển qua tin nhắn SMS, đồng thời tìm hiểu về các tiêu chí của một ngôi nhà thông minh

Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Vũ Vân Hà cùng với sự

cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn cho phép Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến thức rất lớn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều thiếu xót Vì vậy chúng

em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo và các bạn sinh viên để chúng em có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

1 Nguyễn Tất Nam

2 Đào Cửu Long

3 Mai Trung Chính

tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà

Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS thì lại khác

Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu

Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một

bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển Bình thường, các thiết bị trong ngồi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng

8

Ethernet hoặc tin nhắn SMS của chủ nhà Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện

… khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà Hay chỉ với một tin nhắn SMS, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi

về nhà trong một khoảng thời gian nhất định Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá giới hạn cho phép Ngoài ra,

hệ thống còn mang tính bảo mật Nghĩa là chỉ có những số điện thoại được cài đặt trước và biết đúng mật khẩu thì mới có thể điều khiển được hệ thống

Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài " Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS " để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà

Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba hướng hướng chính:

 Điều khiển thiết bị qua Ethernet với giao thức TCP/IP Người dùng đăng nhập vào Website và thực hiện điều khiển thiết bị qua giao diện Web

 Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ những số điện thoại được cho phép Thiết bị sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước Phân tích

yêu cầu điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị

 Đo và thông báo nhiệt độ trong phòng, phát tín hiệu cảnh báo nếu nhiệt độ

trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép

1.2 Ý nghĩa của đề tài:

Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng

9

muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mỹ thì mô hình ngôi nhà tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ

Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước để có thể tạo

ra một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Đề tài lấy cơ

sở là mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị Việc sử dụng mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính

mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp

1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài

Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh như nói trên là rất phức tạp và rất tốn kém Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định Bên cạnh đó còn là vấn

đề tài chính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm em thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó Đó là điều khiển đóng mở đèn, ngoài ra còn có chức năng báo động khi nhiệt độ trong phòng tăng cao quá nhiệt độ cho phép

Với những gì đã trình bày trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát và thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau:

10

- Thiết lập một Website và thực hiện điều khiển các thiết bị qua giao diện Web, sau khi thực hiện lệnh điều khiển trạng thái của thiết bị on/off được thể hiện ngay trên giao diện Web

- Điều khiển các thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS Sau khi thực hiện lệnh điều khiển xong, tự động gửi tin nhắn lại cho người dùng biết đã thực hiện thành công

- Gửi tin nhắn thông báo trạng thái của các thiết bị và nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu

- Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng tự động phát tín hiệu cảnh bảo qua chuông và tin nhắn khi nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển tự động từ xa qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS

- Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện điều khiển qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP

- Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay Nghiên cứu và sử dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay Module nhóm thực hiện

nghiên cứu và sử dụng là module SIM900 của hãng SIMCom

- Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip Chip mà

nhóm đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip PIC18F8722

11

1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài

Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu,

tìm tòi của các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đã đạt được những kết quả nhất định sau:

Thiết kế thành công mạch điều khiển giao tiếp qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS với các tính năng:

- Giao tiếp thành công với mạng Ethernet qua chuẩn truyền thông TCP/IP, thực hiện quan sát trạng thái và ra lệnh điều khiển thiết bị qua giao diện Webserver

- Giao tiếp thành công với module SIM900, nhận và gửi tin nhắn thành công, thực hiện điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS

- Cảnh báo tới người dùng và phát tín hiệu ra chuông khi nhiệt độ phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép

- Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc tích hợp thêm các ngoại vi trong tương lai

12

1.6 Sơ đồ tổng quan của hệ thống

 Sơ đồ tổng quan của hệ thống:

Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống

Dù đang ở rất xa ngôi nhà, người sử dụng có thể dùng máy tính được kết nối với mạng Internet hoặc các thiết bị như điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ tin nhắn SMS để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện trong gia đình Điều này rất thuật tiện khi bạn thường xuyên phải ra khỏi nhà và muốn cập nhật trạng thái và điều khiển hoạt động của các thiết bị điện trong ngôi nhà

13

 Sơ đồ khối của bộ điều khiển:

VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F8722

KHỐI ETHERNET

KHỐI CÔNG SUẤT

Thiết bị 2 Thiết bị 1 Thiết bị 3 Thiết bị 4

MODULE SIM900

KHỐI

GIAO

TIẾP SMS

CẢM BIẾN

KHỐI GIAO TIẾP INTERNET

KHỐI

NGUỒN

KHỐI HIỂN THỊ LCD

Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển

Chức năng từng khối:

 Khối giao tiếp SMS:

Gồm Module SIM900, có chức năng gửi nhận tin nhắn SMS cho việc điều khiển các thiết bị Module SIM900 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722,

có nhiệm vụ nhận SMS gửi tới vi điều khiển và gửi SMS tới người sử dụng khi

có yêu cầu

 Khối giao tiếp ETHERNET:

Gồm ENC26JC0 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722 truyền nhận tín hiệu qua giao thức SPI Khối này có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển qua Webserver với giao thức TCP/IP Vi điều khiển nhận lệnh, thực thi xong và gửi trả lại kết quả

 Khối vi điều khiển PIC18F8722

14

Khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển Vi điều khiển nhận tín hiệu

từ khối giao tiếp SMS, khối giao tiếp Ethernet và cảm biến, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đồng thời hiển thị lên LCD

 Khối cảm biến nhiệt độ

Cảm biến được sử dụng là DS18B20 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và gửi tín hiệu tới vi điều khiển Khi nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị cho phép thì vi điều khiển phát tín hiệu cảnh báo

 Khối hiển thị LCD

Gồm TEXT LCD 16x2, có nhiệm vụ hiện thị các thông tin có liên quan tới việc điều khiển, giúp cho giao diện giữa người dùng và thiết bị trực quan hơn

 Khối công suất

Khối này bao gồm 4 BJT C1815 có nhiệm vụ khuếch đại điện áp để kích cho relay Khối công suất với dòng thấp, đáp ứng tải tiêu tụ công suất dân dụng như bóng đèn

 Khối nguồn

Tạo nguồn với hai mức điện áp 5V cấp cho vi điều khiển và 3V3 cấp cho ENC26JC0 Ngoài ra module SIM900 được cấp nguồn với điện áp 4V

15

CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC

TCP/IP

2.1 Tổng quan về Ethernet

2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet

Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame) Cấu trúc khung Ethernet như sau:

Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet

Mở đầu

555…5H

SFD (D5H)

Địa chỉ đích

Địa chỉ nguồn

Độ dài kiểu gói

Dữ liệu PAD FCS

7 byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte

 Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010 Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz

 SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung Nó luôn mang giá trị 10101011

 Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận

và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu

 LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo

 FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ

16

2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet

Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet) Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control Address ) Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số hexa ( hệ cơ số 16 ) Ví dụ:00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F-86.Khuôn dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần:

 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE

 3 octet sau do nhà sản xuất ấn định

Kết hợp ta lẽ có một địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng Ethernet Địa chỉ MAC được sử dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong khung Ethernet

2.1.3 Các loại khung Ethernet

 Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa

2.1.3.2 Khung broadcast

Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF Khi nhận được các khung này, mặc dù không trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý

17

2.1.3.3 Khung multicast

Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này

2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD

Hình 2.1: Minh họa phương pháp CSMA/CD

Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD:

Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp được tiến hành như sau:

 Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu ) thì mới được phát

 Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn Chính vì vậy, trong khi phát thì

 Tầng Ứng Dụng (Application Layer)

 Tầng Giao Vận (Transport Layer)

 Tầng Liên Mạng (Internet Layer)

 Tầng Giao Tiếp Mạng (Network Interface Layer)

Hình 2.2: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP

19

2.2.1 Tầng ứng dụng (Application Layer)

Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng và hệ thống Một số giao thức thông dụng trong tầng này là: HTTP,FTP,SMTP,…Trong phạm vi đồ án,chúng ta sử dụng giao thức HTTP mà cụ thể là xây dựng một Webserver nhúng vào hệ thống

HTTP là giao thức truyền tải siêu văn bản (HyperText Transfer Protocol) HTTP xác định cách các thông điệp được định dạng và truyền tải ra sao và hoạt động của Webserver và các trình duyệt Web Trong mô hình của HTTP, Webserver đồng thời cũng là TCPServer, mở sẵn port mặc định dành cho dịch

vụ HTTP là TCP80 (ở chế độ listen), sẵn sàng đợi yêu cầu kết nối từ các client Các client sẽ khởi tạo kết nối TCP thông qua port này, sau khi Webserver chấp nhận kết nối, client sẽ gửi một bản tin HTTP (HTTP message) gọi là HTTP request tới server trên kết nối TCP vừa thiết lập Server sẽ trả lời lại bằng một bản tin HTTP khác là HTTP response Bản tin này sẽ chứa nội dung trang Web yêu cầu (được viết bằng ngôn ngữ HTML) Như vậy giao thức HTTP sẽ dựa cơ bản trên các bản tin HTTP, gồm 2 loại là HTTP request và HTTP response

Giả sử ta truy nhập vào địa chỉ IP của webserver là 192.168.1.10 qua trình duyệt:

 Lúc đó, máy tính của chúng ta sẽ gửi đi một bản tin request của giao thức HTTP là HTTP Get thông qua giao thức TCP (với cổng TCP được qui định cho giao thức HTTP là 80) đến địa chỉ webserver trên

 Webserver, ở đây chính là vi điều khiển của chúng ta nhận được bản tin này (khi đã đi qua hết các lớp giao thức ethernet, IP, TCP rồi mới đến HTTP) Tại đây vi điều khiển sẽ đọc và phân tích bản tin HTTP request này để biết máy tính đang yêu cầu tải nội dung trang web nào

 Sau đó vi điều khiển sẽ lấy nội dung trang web này (được soạn thảo theo ngôn ngữ HTML) chứa trên trên ROM, nó cũng có thể thêm vào trang

20

web đó một số thông tin (ví dụ đọc giá trị từ các sensor cảm biến nhiệt độ

và đưa vào trong trang web), và gửi toàn bộ nội dung trang web thông qua giao thức TCP trở lại cho máy tính Nếu nội dung trang web lớn nó có thể được gửi đi trên rất nhiều gói tin, vì mỗi gói tin chỉ chứa tối đa 1460 byte

2.2.2 Tầng giao vận (Transport Layer)

Nhiệm vụ của tầng là thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu Hai giao thức chính trong tầng này gồm UDP (User Datagram Protocol) và TCP (Transmission Control Protocol) Do UDP cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không đảm bảo truyền dữ liệu một cách tin cậy nên trong phạm vi đồ án chúng ta sử dụng thức TCP Ngược lại với UDP, TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền

dữ liệu 1 cách tin cậy TCP thường truyền các gói tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận

Cấu trúc gói TCP:

- Vùng Data offset: chiều dài của Header tính theo đơn vị 32 bit

- Một số cờ (flags):

.URG (Urgent): thiết lập 1 khi có dữ liệu quan trọng cần truyền ngay .ACK: cho biết có số xác nhận nằm trong vùng Acknowledgement PSH (Push): được thiết lập trong trường hợp dữ liệu nên được giao tức thời

.RST (Reset): chỉ thị một lỗi sai và hủy bỏ phiên làm việc

22

.SYN (Synchronize): trong các bản tin khởi tạo khi thiết lập một kết nối truyền dữ liệu

FIN (Finish): dùng đóng 1 phiên làm việc

- Vùng Window: chỉ ra số lượng không gian bộ đệm khả dụng để nhận dữ liệu

- Vùng Checksum: vùng kiểm tra sai cho cả segment

- Vùng Urgent Pointer: chỉ ra chiều dài của dữ liệu urgent

- Vùng Options: xác định kích thước cực đại của 1 segment

Cụ thể hơn, vai trò của TCP trong chồng giao thức TCP gồm 3 chức năng chính: điều khiển luồng, kiểm soát lỗi và báo nhận

- Điều khiển luồng: điều phối tốc độ và kích thước luồng dữ liệu để đảm bảo phía nhận đủ khả năng nhận và xử lý luồng dữ liệu

- Kiểm soát lỗi: đảm bảo các gói tin đến đúng và đủ

- Báo nhận: khi nhận được dữ liệu và không có lỗi, phía nhận phải báo lại với phía gửi biết

Để thực hiện được các chức năng đó, một quá trình truyền dữ liệu qua giao thức TCP (mà ta gọi là phiên truyền thông – session) gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kết nối, truyền dữ liệu và giải phóng kết nối

Để có thể giám sát chặt chẽ trạng thái và mọi sự kiện xảy ra trong một kết nối TCP, trạng thái của một kết nối TCP được chuyển đổi tuân theo một lưu đồ trạng thái như sau:

Ví dụ khi ta truy cập web, thì máy tính của ta là client, máy chủ chứa trang web chính là server – vi điều khiển, lúc nào cũng ở trạng thái đợi các máy tính client kết nối đến (và phải có khả năng thiết lập đồng thời nhiều kết nối, vì có thể có nhiều client kết nối tới cùng lúc)

24

Trong lưu đồ trên, áp dụng cho cả client và server Cả client và server đều bắt đầu bằng trạng thái “Close” Client sẽ thiết lập kết nối theo con đường Active Open (nó chủ động thiết lập kết nối) Server sẽ thiết lập kết nối theo con đường Passive Open (thụ động, vì nó đợi client bắt đầu mà)

Quá trình chuyển trạng thái:

- Cả hai bắt đầu bằng trạng thái close, không có kết nối nào tồn tại

- Khi Server mở một port TCP để đợi client thiết lập kết nối, nó chuyển sang trạng thái “Listen”

- Khi client gửi đi bản tin SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN sent”

- Lúc này khi server nhận được bản tin SYN từ client và gửi đáp lại 1 bản tin SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN Received”

- Lúc này client gửi lại bản tin xác nhận ACK (bước 3 trong ví dụ), nó chuyển sang trạng thái thiết lập kết nối “Established”

- Server nhận được bản tin ACK trên của client, nó cũng chuyển sang trạng thái “Established”

- Sau đó hai bên tiến hành truyền dữ liệu, trạng thái cả hai đều là

“Established” Một trong hai phía truyền xong dữ liệu, đến đây thì vai trò hai bên là như nhau, ta giả sử client truyền xong dữ liệu trước, nó sẽ gửi bản tin FIN, và chuyển sang trạng thái “FIN wait 1”

- Phía server nhận được bản tin này, gửi xác nhận ACK, và chuyển sang trạng thái “Close wait”

- Khi client nhận được xác nhận từ server (nhận được bản tin ACK trên) thì

nó chuyển sang trạng thái “FIN wait 2”

25

- Đến lúc này server vẫn có thể tiếp tục gửi dữ liệu và client vẫn tiếp tục nhận (vì chỉ có client báo là gửi xong dữ liệu)

- Đến khi nào server cũng gửi hết dữ liệu, nó sẽ gửi đi bản tin FIN, cho biết

nó cũng đã gửi xong dữ liệu và chuyển sang trạng thái “LAST ACK” Khi client nhận được bản tin FIN trên từ server, nó gửi xác nhận (ACK) và chuyển sang trạng thái “Time wait”, sau đó chờ 1 khoảng thời gian Timeout và đóng kết nối, quay lại trạng thái “Close”

- Khi server nhận được nó cũng chuyển từ “Last ACK” sang “Close” (không cần đợi Timeout)

2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer)

Nằm bên trên tầng truy nhập mạng Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm:

- IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích

- ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của máy đích thành địa chỉ MAC

- ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo lỗi trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng

- IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển truyền đa hướng (Multicast)

Cấu trúc của gói IP:

- Header Length (4 bit): cho biết chiều dài của header IP, tính theo đơn vị 4 byte (32 bit)

- TOS (8 bit): Type of Service

- Total Length (16 bit): 16 bit tổng chiều dài của gói IP gồm cả phần header

- Identification (16 bit): dùng nhận diện các phân đoạn của gói IP

- Flags:

Bit đầu tiênkhông sử dụng

Bit 2: DF (Don’t Fragment) = 1 có nghĩa là không phân đoạn gói này Bit 3: MF (More Fragment) = 0 => đây là phân đoạn cuối cùng

- Fragmented offset (13 bit): độ dời (đơn vị 8 byte) tính từ điểm bắt đầu của Header tới điểm bắt đầu của phân đoạn

27

- TTL (Time to Live) (8 bit): thời gian tồn tại trên mạng hoặc số chặng trên mạng mà gói đi qua trước khi bị hủy bỏ

- Protocol (8 bit): nhận diện Protocol trên lớp IP

- Header checksum (16 bit): sửa sai cho phần Header

- Các vùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích: địa chỉ IP 32 bit

- Option: các tùy chọn dùng cho việc kiểm tra: Loose source routing, Strict source routing, Record route và Timestamp

- Padding: Gồm các số zero được thêm vào sao cho chiều dài của vùng Header là bội số của 32 bit

Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức IP được tiến hành như sau:

- Khi nhận được một segment dữ liệu (từ giao thức lớp trên là TCP) cần gửi đến đích nào đó, địa chỉ đích này phải được xác định bằng địa chỉ IP (tức

là địa chỉ mạng hay địa chỉ luận lý) Lớp giao thức IP sẽ gắn thêm vào đầu segment dữ liệu một header IP để tạo thành gói IP hoàn chỉnh Trong header IP này có chứa 2 thông tin quan trọng, đó là địa chỉ host gửi (source IP address) và địa chỉ host nhận (destination IP address) Địa chỉ source đương nhiên là địa chỉ của bản thân nó, còn địa chỉ đích phải được cung cấp cho lớp IP khi muốn gửi dữ liệu qua giao thức này

- Gói tin IP này sau đó được chuyển đến lớp giao thức ethernet để thêm phần header ethernet vào và gửi đi

Nhưng giao thức ethernet lại gửi các khung dữ liệu đi dựa vào một loại địa chỉ khác là địa chỉ MAC (hay còn gọi là địa chỉ vật lý) Tại sao lại cần đến 2 địa chỉ như vậy? Lý do là địa chỉ vật lý chỉ có giá trị trong phạm vi mạng LAN, nó

sẽ không thể giúp xác định vị trí host ở bên ngoài phạm vi mạng LAN Khi gửi

dữ liệu ra ngoài mạng LAN, các router sẽ chuyển dữ liệu đi dựa và địa chỉ IP

Như vậy trong phần địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích trong header của khung ethernet, ta sẽ điền các địa chỉ nào? Đối với địa chỉ MAC

- Nếu host đích nằm bên ngoài mạng LAN, rõ ràng ta không thể gửi dữ liệu trực tiếp đến host đích mà phải thông qua gateway, khi đó địa chỉ MAC đích phải là địa chỉ gateway

Vẫn còn một vấn đề nữa mà ta phải giải quyết Đó là trong cả hai trường hợp trên, dù là cần gửi cho gateway hay thẳng đến host đích, thì đến đây, ta mới chỉ biết địa chỉ IP của host đích (hay của gateway) mà không biết địa chỉ MAC tương ứng Vậy nảy sinh một vấn đề là làm sao biết được địa chỉ MAC của một host khi biết địa chỉ IP?

Đến đây, chính là phát sinh vai trò của giao thức phân giải địa chỉ (APR – Address Resolution Protocol) Vai trò của giao thức này là tìm ra địa chỉ MAC khi biết địa chỉ IP của 1 host

Cấu trúc gói ARP:

Hình 2.6: Cấu trúc gói tin ARP

 HLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ vật lý (địa chỉ MAC)

 PLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ giao thức (địa chỉ IP)

 Operation (2 bytes): cho biết hoạt động đang thực hiện trong gói tin này (request hay reply)

 Sender H/W (hardware address, 6 bytes): địa chỉ vật lý của phía gửi

 Sender IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía gửi

 Target H/W (6 bytes): địa chỉ vật lý của phía nhận, nếu chưa biết thì sẽ là chứa toàn 0

 Target IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía nhận

Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức ARP được tiến hành như sau:

- Khi giao thức IP đưa xuống yêu cầu tìm chỉ MAC của host có IP là a.b.c.d thì nó phải trả lời ngay địa chỉ MAC của địa chỉ trên dạng XX:XX:XX:XX:XX:XX

- Cách thức ARP lấy thông tin giải quyết vấn đề trên là: giao thức ARP duy trì một bảng gọi là ARP cache gồm hai cột, một cột ghi địa chỉ IP, một cột ghi địa chỉ MAC tương ứng với địa chỉ IP đó Mỗi khi được hỏi bởi giao thức IP, nó sẽ tra bảng này để tìm câu trả lời Khi được hỏi về một địa chỉ

IP a.b.c.d nào đó mà không có sẵn trong bảng ARP cache, nó sẽ lập tức tìm trong mạng LAN phần tử có địa chỉ IP là a.b.c.d bằng cách gửi yêu cầu tới các phần tử trong mạng LAN Các phần tử này đều nhận được yêu cầu và phần tử nào có IP a.b.c.d sẽ trả lời lại địa chỉ MAC của nó là XX:XX:XX:XX:XX:XX Vậy giao thức ARP sẽ lập tức thêm cặp địa chỉ

30

IP a.b.c.d và địa chỉ MAC XX:XX:XX:XX:XX:XX vào trong bảng ARP cache và trả lời lại cho giao thức IP

2.2.4 Tầng giao tiếp mạng

Tầng giao tiếp mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết

bị trong cùng một mạng Giao thức được sử dụng trong phạm vi đồ án là giao thức Ethernet Phần cứng được sử dụng chip giao tiếp Ethernet ENC28J60 giao

tiếp qua chuẩn SPI ( Serial Pheripheral Interface )

Trong chồng giao thức TCP/IP, giao thức Ethernet đóng vai trò lớp truy nhập và truyền dẫn Việc gửi và nhận dữ liệu ở lớp Ethernet được thực hiện dựa vào địa chỉ vật lý hay còn gọi là địa chỉ MAC Trong mỗi khung Ethernet đều chứa 2 địa chỉ MAC: một địa chỉ của host gửi và một địa chỉ của host nhận Khi lớp Ethernet nhận được một khung dữ liệu, trước hết nó sẽ kiểm tra địa chỉ host nhận xem có phải là địa chỉ của nó không (tức là gửi cho nó), nếu đúng nó sẽ nhận khung này và chuyển đến lớp IP Ngoài ra còn có 1 trường hợp nữa lớp Ethernet sẽ nhận khung là nếu địa chỉ host nhận là địa chỉ broadcast (tức là gửi cho tất cả mọi máy trong mạng LAN), trong trường hợp này frame sẽ được nhận

và xử lý

Ngoài việc kiểm tra địa chỉ, trong khng Ethernet còn có 1 trường chứa mã kiểm tra lỗi giúp phát hiện những lỗi xảy ra trong quá trình truyền, các khung bị xác định là có lỗi sẽ bị bỏ qua

Trong mạch của chúng ta, việc kiểm tra lỗi và kiểm tra địa được thực hiện

tự động bởi IC ENC28J60, do đó ta không cần lập trình cho các chức năng này Mỗi khi nhận được một khung trên đường truyền, ENC28J60 sẽ kiểm tra lỗi xem

có sai sót không, tiếp đó nó sẽ đối chiếu địa chỉ host nhận với địa chỉ đã được cấu hình cho nó (trong các thanh ghi địa chỉ MAC: MAADR0-5)

31

2.3 Microchip TCP/IP Stack

2.3.1 Cấu trúc của Microchip TCP/IP Stack

TCP/IP Stack là bộ thư viện và một số công cụ phần mềm của Microchip

để hỗ trợ viết phần mềm cho hệ thống nhúng sử dụng vi điều khiển của hãng Thư viện đã xây dựng hầu hết các hàm giao tiếp giữa các lớp cũng như hỗ trợ xây dựng một Webserver nhúng

TCP/IP cũng có các Module sử dụng cho lớp ứng dụng như: HTTP cho Web, SMTP cho gửi và nhận Email, SNMP cho giao thức trạng thái và điều khiển Telnet cho điều khiển từ xa, TFTP

Hình 2.7: Cấu trúc của Stack

Hình 2.8: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo và cấu trúc Stack của Microchip

32

Ngoài những module chính giống như cấu trúc TCP/IP tham khảo thì Microchip đưa thêm vào Stack 2 module mới đó là StackTask và ARPTask StackTask quản lý sự vận hành và tất cả các module của Stack Trong khi đó, ARPTask quản lý các dịch vụ của lớp ARP ( Address Resolution Protocol)

2.3.2 Hoạt động của TCP/IP Stack

Hoạt động của TCP/IP Stack là các nhiệm vụ sẽ được chia thành các tác

vụ ( ở đây là TCP, UDP, Ping,…) Tất cả hoạt động của TCP/IP sẽ được một đồng hồ chung quản lí theo Time Split Tức là có một Timer hệ thống (Timer1),

cứ mỗi khoảng thời gian ngắn sẽ ngắt (gọi là một TICK), khi bị ngắt, hệ thống sẽ treo lại, ngữ cảnh của tất cả các tác vụ được bộ lập lịch lôi ra, xem xét tác vụ nào được chạy theo kiểu chia sẻ thời gian (vì không có mức ưu tiên cho tác vụ) Sau

đó cho phép tác vụ đó chiếm quyền thực thi của CPU Đến TICK tiếp theo, hệ thống lại treo lại, và lại lôi ngữ cảnh ra, cứ tiếp tục như vậy mãi

Với cơ chế hoạt động này, vi điều khiển được coi như một lúc có thể vừa thực hiện TCP, vừa thực hiện UDP, Ping,…vừa có thể là Server và Client cùng một lúc

Vì vậy, PIC nếu được thiết lập ở chế độ TCP Server/Client sẽ hoạt động đồng thời cả hai hoạt động này Server lắng nghe kết nối từ Client nào đó trên mạng Còn Client thì gửi lệnh mở cổng kết nối tới một Server nào đó cũng ở trên mạng, mà ta có thể xác lập được

Vì vậy, hoạt động của các tác vụ là độc lập với nhau, không chịu ảnh hưởng lẫn nhau

Việc cấu hình cho Stack được thực hiện trong file TCPIPConfig.h của Project

đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu Vì vậy, một tin nhắn SMS chỉ có thể chứa :

+ 160 kí tự nếu như mã hóa kí tự 7 bit được sử dụng

+ 70 kí tự nếu như mã hóa kí tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung Quốc, Nhật bản và Hàn Quốc

3.2 Giới thiệu Module SIM900

3.2.1 Tổng quan về Module SIM900

Hình 3.1: Module Sim900