Thiết kế hệ thống chọn menu tự động Thực hiện lệnh điều khiển và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây

Thiết kế hệ thống chọn menu tự động Thực hiện lệnh điều khiển và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây Thiết kế hệ thống chọn menu tự động Thực hiện lệnh điều khiển và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Trang 1

BẰNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Trang 2

- NINH VIẾT NGỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỌN MENU TỰ ĐỘNG THỰC HIỆN LỆNH

ĐIỀU KHIỂN VÀ TRAO ĐỔI THÔNG TIN BẰNG TRUYỀN THÔNG

Trang 3

Thiết kế hệ thống chọn menu tự động Thực hiện lệnh điều khiển

và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được

tập hợp từ nhiều nguồn tài liệu và liên hệ thực tế viết ra, không sao chép của bất kỳ

luận văn nào trước đó

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung của luận văn này

Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2012

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Ninh Viết Ngọc

Khoá: Cao học 2010 -2012

Trang 4

MỤC LỤC

Trang

Danh mục các hình vẽ 3

Danh mục các bảng 5

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ, YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG 8

1.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 8

1.1.1 Các tính năng chính: 8

1.1.2 Lợi ích của việc sử dụng hệ thống: 8

1.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG 9

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG 11

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA16 11

2.1.1 Đặc điểm chung 11

2.1.2 Nguyên lý làm việc 13

2.2 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD TG240128A-04 21

2.2.1 Đặc điểm chung 21

2.2.2 Sơ đồ khối 21

2.2.3 Chức năng các chân điều khiển 22

2.3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZigBee/IEEE 802.15.4 23

2.3.1 Đặc điểm 25

2.3.2 Thành phần Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 25

2.3.3 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4 29

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 46

Trang 5

3.1.1 Khối nguồn 50

3.1.2 Khối RS485 50

3.1.3 Khối phím bấm 53

3.1.4 Khối hiển thị 54

3.1.5 Khối vi điều khiển 55

3.2 MẠCH NGUYÊN LÝ 57

3.3 SƠ ĐỒ MẠCH IN 58

3.4 MẠCH LẮP RÁP 3D 59

3.5 MÔ HÌNH 59

3.6 THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 61

3.6.1 Cơ sở dữ liệu thử nghiệm 61

3.6.2 Kết quả thử nghiệm hệ thống 64

3.7 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THIẾT BỊ 64

3.8 ĐIỀU KHIỂN VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG 64

3.8.1 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 64

3.8.2 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 70

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 80

4.1 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 80

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Trang 6

Danh mục các hình vẽ

Hình 1-1: Sơ đồ khối của hệ thống 9

Hình 2-1: Sơ đồ các chân của ATmega16 14

Hình 2-2: Sơ đồ khối của bộ USART 17

Hình 2-3: Sơ đồ khối cách phát tốc độ Baud 18

Hình 2-4: Sơ đồ bộ biến đổi A/D 20

Hình 2-5: Đặc điểm của LCD TG240128A-04 21

Hình 2-6: Sơ đồ khối của LCD TG240128A-04 22

Hình 2-7: Cấu trúc liên kết mạng 26

Hình 2-8: Cấu trúc mạng hình sao (Star) 27

Hình 2-9: Cấu trúc mạng lưới (Mesh) 27

Hình 2-10: Cấu trúc mạng hình cây 28

Hình 2.11: Mô hình giao thức của ZigBee 29

Hình 2.12: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY 30

Hình 2-13: Băng tần hệ thống của Zigbee 31

Hình 2-14: Sơ đồ điều chế 32

Hình 2-15: Lưu đồ thuật toán 37

Hình 2-16: Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon 39

Hình 2-17: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon 39

Hình 2-18: Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon 40

Hình 2-19: Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon 41

Hình 2-20: Khung tin mã hóa tầng MAC 43

Hình 2-21: Khung tin mã hóa tầng mạng 44

Trang 7

Hình 3-1: Sơ đồ khối Master-Slave 47

Hình 3-2: Sơ đồ khối của thiết bị lựa chọn 48

Hình 3-3: Sơ đồ giao tiếp giữa vi điều khiển và máy tính 49

Hình 3-4: Khối nguồn 50

Hình 3-5: Khối RS485 51

Hình 3-6: Khối phím bấm 53

Hình 3-7: Khối hiển thị 55

Hình 3-8: Khối vi điều khiển 56

Hình 3-9: Sơ đồ mạch nguyên lý 57

Hình 3-10: Sơ đồ mạch in 58

Hình 3-11: Mạch lắp ráp 3D 59

Hình 3-12: Mạch 3D phím bấm 59

Hình 3-13: Hệ thống hoàn chỉnh 60

Hình 3-14: Giao diện của Altium Designer 66

Hình 3-15: Sơ đồ thuật toán cho Master 71

Hình 3-16: Sơ đồ thuật toán cho Slave 75

Hình 3-17: Sơ đồ thuật toán ngắt cho Master – Slave 78

Trang 8

Danh mục các bảng

Bảng 2-1: Chức năng các chân của LCD TG240128A-04 23

Bảng 2-2: Băng tần và tốc độ dữ liệu 30

Bảng 2-3: Kênh truyền và tần số 31

Bảng 2.4: Sơ đồ biến đổi Symbol to chip 33

Bảng 2-5: Định dạng khung PPDU 35

Bảng 2-6: Định dạng khung MAC 42

Bảng 3-1: Chức năng các đường điều khiển 52

Bảng 3-2: Chức năng truyền 52

Bảng 3-3: Chức năng nhận 53

Bảng 3-4: Hướng dẫn sử dụng thiết bị 64

Trang 9

LỜI MỞ ĐẦU

Các hệ thống tự động ngày càng có nhiều ứng dụng trong cuộc sống hiện đại Đặc biệt là cuộc sống dân dụng hàng ngày với rất nhiều ứng dụng hữu ích làm thay đổi cuộc sống của con người trên thế giới Một số ứng dụng được đưa vào thực tế rất hữu ích như: bãi giữ xe thông minh, thay vì mỗi khi gửi xe bạn phải dừng lại và

có người ra ghi, bấm số thì nay bạn chỉ cần tới gần và quẹt thẻ là có thể được, nhân viên giữ xe cũng có thể lưu trữ và biết được thông tin giờ vào ra một cách dễ dàng; máy chấm công, các công ty có thể quản lý giờ làm của nhân viên một cách chính xác bằng việc quẹt thẻ mỗi lần ra vào công ty; cửa tự động, tự động mở cửa khi có người tới gần và đóng lại khi không có người một cách dễ dàng;… Xuất phát từ ý tưởng ứng dụng tự động hóa hàng ngày em muốn trình bày hệ thống chọn menu tự động trong các quán ăn, nhà hàng, khách hàng tới quán ăn hay nhà hàng chỉ cẩn ngồi vào bàn chọn món ăn, bằng một màn hình tại mỗi bàn, sau đó vài phút sẽ có người mang đồ ăn ra, khách hàng có thể xem menu, gọi món, xem giá tiền, gọi phục

vụ một cách nhanh chóng mà không cần phải đứng dậy và xem trước được hóa đơn tính tiền của bàn mình, nhà hàng cũng dễ dàng quản lý được tình trạng các bàn, món ăn, và doanh thu một cách dễ dàng Để hiểu rõ hơn em xin trình bày luận văn:

“Thiết kế hệ thống chọn menu tự động Thực hiện lệnh điều khiển và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây”

Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương như sau:

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ, YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

Trang 10

Do thời gian cho đồ án không nhiều và trình độ bản thân có hạn nên bản đồ

án này không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được nhiều sự góp ý của các thầy cô và bạn bè để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn tới cô giáo hướng dẫn: GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, người đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này Nhân đây cho

phép em gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật đo & Tin học công nghiệp – Viện Điện, trung tâm MICA, trường đại học Bách Khoa Hà Nội, cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Ngày tháng 09 năm 2012

Học viên

Ninh Viết Ngọc

Trang 11

và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây 2012CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ, YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

Khách hàng đến ngồi tại bàn, tại mỗi bàn sẽ có màn hình hiển thị thực đơn điện tử, khách hàng lựa chọn món ăn và số lượng cho mỗi món bằng các nút nhấn Sau đó xem tổng hợp lại lần cuối trước khi gửi đi Nếu đã đồng ý với thực đơn vừa chọn, khách hàng nhấn nút gửi đi, thực đơn sẽ được chuyển ngay vào máy trung tâm hay nhà bếp

Một máy tính trung tâm dùng để nhận thực đơn từ khách và phân phối cho các đầu bếp thực hiện Các món ăn chuyển về trung tâm thông qua các chuẩn truyền thông được sắp theo thứ tự thời gian, món nào kêu trước thì xếp trước Sau đó, trung tâm sẽ phân phối món kế tiếp cho đầu bếp Tiến trình cứ lặp lại như thế Trên màn hình tại bàn của mình, khách hàng có thể biết được tình trạng của món ăn mình

đã đặt: Chưa làm, đang làm hoặc đã làm xong Nếu chưa làm, khách hàng hoàn toàn

có thể hủy món này để đặt món khác Khi cần tính tiền, từ trong thu ngân, máy in lập tức hoạt động, đồng thời gửi thông báo cho nhân viên phục vụ biết để mang hóa đơn ra cho khách

1.1.1 Các tính năng chính:

 Xem tất cả món ăn qua các trang menu, giá cả

 Xem trạng thái món ăn đã làm tới đâu: Chưa làm, đang làm hoặc đã làm xong

 Có thể hủy món để đặt món khác, nếu món ăn đó chưa làm

 Yêu cầu tính tiền, in hóa đơn được thực hiện ngay cũng chỉ với một nút nhấn, không cần chờ đợi

1.1.2 Lợi ích của việc sử dụng hệ thống:

 Sử dụng hệ thống gọi thức ăn giúp cho khách hàng chủ động trong việc lựa chọn món ăn và các yêu cầu khác cũng được nhanh chóng thực hiện Điều này mang lại tâm lý thoải mái, yên tâm và hài lòng cho khách hàng

Trang 12

 Về phía nhà hàng, hệ thống này giúp xử lý tức thời các yêu cầu của khách hàng, không để cho khách hàng phải chờ đợi quá lâu Chỉ cần vài nhân viên phục vụ cũng đủ đáp ứng nhanh chóng và chính xác yêu cầu của một lượng lớn khách hàng

1.2 MÔ TẢ HỆ THỐNG

Từ những ý tưởng ở trên em thấy rằng hệ thống cần thiết kế gồm 3 thiết bị:

 Mỗi bàn ăn là một thiết bị dùng để lựa chọn thực đơn rồi truyền về (thiết bị lựa chọn gọi là Slave), gồm có màn hình hiển thị LCD và nút nhấn lựa chọn

 Một thiết bị tiếp nhận sự lựa chọn từ mỗi bàn ăn (thiết bị tiếp nhận gọi là Master), gồm có màn hình LCD và nút nhấn lựa chọn như Slave

 Một thiết bị quản lý hệ thống (thiết bị quản lý) sẽ là một máy vi tính để quản lý

Hình 1-1: Sơ đồ khối của hệ thống

Trang 13

Mỗi thiết bị tuy đứng riêng rẽ nhưng chúng liên kết với nhau theo một chuẩn truyền thông thống nhất Chúng ta có thể thực hiện lệnh điều khiển và trao đổi thông tin giữa các thiết bị bằng truyển thông không dây Zigbee nhưng do thời gian và điều kiện chưa cho phép nên em xin thực nghiệm kết nối bằng chuẩn RS485

Thiết kế hệ thống truyền tin kết nối các điểm mạng khác nhau (thử nghiệm với tối thiểu 3 điểm) với hệ thống quản lý nhà hàng Một điểm mạng là một thiết bị chọn món (tối thiếu 10 món) có đặc tính sau:

 Khách hàng có thể lựa chọn một trong nhiều món của Menu bằng các nút bấm hoặc trên màn hình cảm ứng

 Tên món được khách hàng lựa chọn được gửi cho nhà hàng

 Nhân viên nhà hàng sau khi nhận được đơn đặt hàng phải khẳng định cho khách hàng đã nhận được đơn và có khả năng phục vụ món hay không và thời gian cần chờ đợi

 Thời gian chờ đợi được tính theo tần số gọi món hoặc khoảng cách giữa hai lần gọi món của một bàn

Trang 14

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG

Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển, màn hình LCD, máy vi tính,…

đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người Thực tế hiện nay hầu hết các thiết bị điện dân dụng đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lý Ứng dụng vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống

2.1 VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA16

Vi điều khiển AVR ATmega16 do hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau đây là loại vi điều khiển mới rất mạnh có rất nhiều ưu điểm so với các vi điều khiển khác như 89C5x v.v… Công ty Atmel là nhà xuất hàng đầu về vi mạch (IC) là một kiến trúc phổ biến của các bộ vi xử lý hiện đại

Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp - lưu trữ (Load-Store) và 32 thanh ghi đa năng

Kiến trúc đường ống lệnh kiểu hai tầng (Two-Stage in struction pipeline) cho phép làm tăng tốc độ thực thi lệnh

Có chứa nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chíp bao gồm cổng I/O số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEPROM, bộ định thời, UART, bộ định thời RTC, bộ điều chế độ rộng xung (PWM) v.v đặc điểm này được xem là nổi bật so với nhiều họ vi điều khiển khác vì trong khi nhiều bộ vi xử lý khác phải tạo bộ truyền nhận UART hoặc giao diện SPI bằng phần mền hay máy ảo thì trên vi điều khiển AVR Atmega16 lại được thực hiện bằng phần cứng trên các vi điều khiển AVR Atmega16 đã tích hợp sẵn

2.1.1 Đặc điểm chung

- Là một vi điều khiển 8-bit mạnh, chỉ tiêu chất lượng cao tiêu thụ năng lượng thấp

- Kiến trúc RISC (Reduce Instruction Set Computer) cao cấp

Trang 15

- Với 132 lệnh mạnh hầu hết các lệnh được thực thi trong một chu kỳ máy

- Có 32 thanh ghi 8-bit đa năng

- Tốc độ xử lý lên đến 16 triệu lệnh trong 1 giây (gấp 16 lần 89 C51x)

I.1.1.1 Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình không tự mất dữ liệu

- 16 Kb bộ nhớ dành cho việc lập trình chịu được 10 ngàn lập trình/ xoá

- 512 byte EEPROM, chịu được 10 ngàn lần viết/ xoá

- 1 Kb SRAM

- Chế độ bảo mật cho chương trình lập trình được

- Giao diện JTAG

I.1.1.2 Có nhiều thiết bị ngoại vi được tích hợp sẵn

- Hai Timer trên bộ đếm 8-bit, với chế độ chia tầng riêng biệt và chế độ so sánh

- Bộ đếm thời gian thực với chế độ dao động riêng biệt

- Một Timer trên bộ đếm 16-bit với chế độ chia tầng riêng biệt và chế độ so sánh

- Bốn kênh PWM

- ADC 8 kênh với độ phân giải 10-bit

- 8 kênh biến đổi ADC đơn cực

- 2 kênh biến đổi vi sai với độ khuyếch đại 1, 10 hay 200 lần

- Giao tiếp I2C

- Khối USART lập trình được

- Giao diện chủ/tớ SPI

- Bộ định thời Watchdog lập trình được với dao động riêng lẻ

- Bộ so sánh Analog trên Chip

I.1.1.3 Những điểm đặc biệt

Trang 16

- Tự Reset khi cấp nguồn

- Có bộ giao động RC bên trong chip

- Các nguồn ngắt trong và ngắt ngoài

- Có 6 chế độ nghỉ (Sleep): Dừng (Idle), tiết kiệm năng lượng (Power save), nguồn giảm (Power Down), giảm nhiều khi biến đổi ADC chế độ chờ (Standby) và chế độ chờ mở rộng

I.1.1.4 Số lượng I/O và dạng đóng gói

- Có 32 đường I/O lập trình được với các chức năng khác nhau

- 40 chân kiểu đóng gói PDIP, 44 chân kiểu TQFP và 44 chân kiểu MLF

Trang 17

Hình 2-1: Sơ đồ các chân của ATmega16

 PortB (PB0 PB7):

Trang 18

PortB có chức năng như là một cổng xuất nhập 8-bit, hai hướng PortB có thể

có khả năng cung cấp các điện trở kéo lên bên trong (có khả năng lựa chọn cho từng bit) Khi PortB được sử dụng chức năng là các cổng xuất, các bộ đệm xuất nhập của nó có một tính năng đối xứng là có khả năng hút hoặc cấp nguồn cao Khi PortB được sử dụng như những chân (Input), chúng sẽ có khả năng hút dòng rất mạnh, nếu những điện trở kéo xuống bên trong được kích hoạt Các chân của PortB sẽ ở trạng thái Tri- Stated khi chế độ Reset được kích hoạt, thậm chí nếu xung đồng hồ bị ngưng Ngoài ra PortB cũng có chức năng đặc biệt khác

 PortC (PC0 PC7):

PortC có chức năng như là một cổng xuất nhập 8-bit, hai hướng PortC có thể

có khả năng cung cấp các điện trở kéo lên bên trong (có khả năng lựa chọn cho từng bit) Khi PortC được sử dụng chức năng là các cổng xuất, các bộ đệm xuất nhập của nó có một tính năng đối xứng là có khả năng hút hoặc cấp nguồn cao Khi PortC được xử dụng như những chân (Input), chúng sẽ có khả năng hút dòng rất mạnh, nếu những điện trở kéo xuống bên trong được kích hoạt Các chân của PortC sẽ ở trạng thái Tri- Stated khi chế độ reset được kích hoạt, thậm chí nếu xung đồng hồ bị ngưng

Nếu giao diện JTAG được cho phép, các điện trở kéo lên trên các chân PC5(TDI), PC3(TMS), PC2(TCK), sẽ được kích hoạt thập chí nếu có reset xảy ra Ngoài hai chức năng là xuất nhập và giao diện JTAG thì PortC còn có các chức năng đặc biệt khác

Cũng như PortA, PortB, PortC, PortD cũng có chức năng xuất nhập tương

tự như các Port khác, ngoài ra PortD cũng có chức năng là một giao diện nối tiếp USART, và chân vào của các ngắt ngoài

Khi một mức điện áp thấp được đặc vào được đặt vào chân này kéo dài hơn

Trang 19

một thời gian tối thiểu thì trái thái Reset sẽ được kích hoạt, thậm chí nếu xung đồng

hồ bị ngưng, xung có thời gian ngắn hơn thời gian tối thiểu không được đảm bảo

sẽ phát sinh ra Reset

 XTal1: Lối vào của bộ khuyếch đại dao động đảo và là lối vào của xung

đồng hồ để vi điều khiển hoạt động

 Xtal2: Lối ra từ bộ khuyếch đại đảo

 AVCC: Là nơi cung cấp nguồn cho bộ biến đổi A/D bên trong vi điều khiển,

mặc dù nếu ta không sử dụng chế độ biến đổi A/D thì ta cũng nên mắc chân này lên VCC

 AREF: Là chân Vref của bộ biến đổi ADC

II.1.2.2 Giao diện nối tiếp USART

Bộ truyền nhận nối tiếp USART (Universal Synchronous And Asynchonous Serial Receiver And Transmitter) là một bộ truyền nhận nối tiếp linh động cao được tích hợp sẵn trong vi điều khiển Có các chức năng chính sau:

- Chế độ truyền phát song công hoàn chỉnh (các thanh ghi truyền nhận là những thanh ghi độc lập với nhau)

- Chế độ truyền nhận đồng bộ và không đồng bộ

- Chế độ hoạt động đồng bộ với các thiết bị chủ tớ

- Độ phân giải cao về các tốc độ Baud

- Hỗ trợ kích thước các khung truyền là: 5, 6, 7, 8 hoặc 9 bit dữ liệu và một hay 2 bit Stop

- Tự động phát bit kiểm tra chẵn lẻ và tự kiểm tra chẵn lẻ

- Tự động dò khi dữ liệu bị tràn

- Tự động dò lỗi khung truyền

Trang 20

- Hỗ trợ ba ngắt riêng biệt: TX (ngắt khi truyền xong), RX (ngắt khi thu xong), ngắt khi thanh ghi truyền rỗng

- Hỗ trợ chế độ thông tin đa vi điều khiển

- Hỗ trợ tốc độ truyền gấp đôi ở chế độ truyền bất đồng bộ Sơ đồ khối của bộ USART như sau:

Hình 2-2: Sơ đồ khối của bộ USART

II.1.2.3 Tốc độ Baud

Tốc độ baud phụ thuộc vào tần số thạch anh chuẩn mắc vào vi điều khiển ta

có thể sử dụng những giá trị chuẩn để gán giá trị cho thạch anh phù hợp với tốc độ baud

Trang 21

Hình 2-3: Sơ đồ khối cách phát tốc độ Baud

 Txclk: Xung clock phát (tín hiệu bên trong)

 Rxclk: Xung clock thu (tín hiệu bên trong)

 Fosc: Tần số dao động của hệ thống

- Cách thông dụng nhất để đặt tốc độ baud là cài đặt các giá trị tương ứng với tốc độ baud mà ta mong muốn vào thanh ghi tốc độ baud UBRR Bảng giá trị tương ứng với tốc độ baud mà ta muốn đặt trong trường hợp sử dụng một số thạch anh thông dụng

II.1.2.4 Bộ biến đổi A/D

Vi điều khiển ATmega16 có một bộ biến đổi ADC tích hợp trong chip với các đặc điểm:

 Độ phân giải 10bit

 Sai số tuyến tính: 0.5LSB

 Độ chính xác +/-2LSB

Trang 22

 Thời gian chuyển đổi: 65-260s

 8 kênh đầu vào có thể lựa chọn được

 Có hai chế độ chuyển đổi free running và single conversion

 Có nguồn báo ngắt khi hoàn thành chuyển đổi

 Loại bỏ nhiễu trong chế độ ngủ

Trang 23

Hình 2-4: Sơ đồ bộ biến đổi A/D

Tám đầu vào của ADC là tám chân của PORTA và chúng được chọn thông qua một MUX Để điều khiển hoạt động vào ra dữ liệu của ADC và CPU chúng ta

có 3 thanh ghi: ADMUX là thanh ghi điều khiển lựa chọn kênh đầu vào cho ADC, ADCSRA là thanh ghi điều khiển và thanh ghi trạng thái của ADC, ADCH và

Trang 24

ADCL là 2 thanh ghi dữ liệu

2.2 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD TG240128A-04

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng của vi điều khiển Modul LCD được kết nối với vi điều khiển thông qua các port xuất nhập, cũng có thể kết nối trực tiếp với bus dữ liệu kết hợp với mạch giải mã địa chỉ Kiểu modul LCD được sử dụng ở đây là TG240128A-04 của TINSHARP được thiết kế trên cơ sở vi điều khiển T6963C (TOSHIBA) Sau đây là những mô tả chính về LCD:

2.2.1 Đặc điểm chung

Hình 2-5: Đặc điểm của LCD TG240128A-04

2.2.2 Sơ đồ khối

Trang 25

Hình 2-6: Sơ đồ khối của LCD TG240128A-04

2.2.3 Chức năng các chân điều khiển

Modul LCD có các chân được bố trí thành một hàng ngang trên một bo mạch, được dùng để kết nối với vi điều khiển có tất cả 21 chân được đánh số thứ

tự Chức năng của các chân này được mô tả trong bảng dưới đây:

7 /CS(CE) H/L Chọn chíp (tích cực mức thấp)

Trang 26

Bảng 2-1: Chức năng các chân của LCD TG240128A-04

2.3 CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZigBee/IEEE 802.15.4

CAP Contention-Access Period

CCA Clear Cannel Assessment

Trang 27

ED Energy Detection

FFD Full-Function Device

GTS Guaranteed Time Slots

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LCD Liquid Crystal Display

LQI Link Quality Indicator

LR-WPAN Low-Rate Wireless Personal Area Networks

MAC Media Access Control

MC Microcontroller

MLMESAP MAC sub Layer Management Entity Service Access

Point

MPDU MAC Protocol Data Unit

PAN Personal Area Network

PAN ID Personal Area Network Identifier

PC Personal Computer

PHY Physical

PLME Physical Layer Management

PPDU PHY Protocol Data Unit

RFD Reduced-Function Device

Trang 28

2.3.1 Đặc điểm

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu với mỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu)

Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới) Các phương pháp định tuyến được thiết

kế sao cho năng lượng được bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất

có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh Nhiệm vụ đặc trưng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lượng của đường truyền (LQI) và năng lượng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác

2.3.2 Thành phần Mạng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

Đặc điểm chính của chuẩn này là tính mềm dẻo, tiêu hao ít năng lượng, chi phí nhỏ, và tốc độ truyền dữ liệu thấp trong khoảng không gian nhỏ, thuận tiện khi áp dụng trong các khu vực như nhà riêng, văn phòng

2.3.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN, ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có

Trang 29

thiết bị này hoạt động như một bộ điều phối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điều phối viên của toàn mạng PAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD

2.3.2.2 Kiến trúc liên kết mạng

Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ra một số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ Zigbee Các node mạng trong một mạng Zigbee có thể liên kết với nhau theo cấu trúc mạng hình sao (Star) cấu trúc mạng hình lưới (Mesh) cấu trúc bó cụm hình cây Sự đa dạng về cấu trúc mạng này cho phép công nghệ

Zigbee được ứng dụng một cách rộng rãi Hình 2-7 cho ta thấy ba loại mạng mà

ZigBee cung cấp: tô pô sao, tô pô mắt lưới, tô pô cây

Hình 2-7: Cấu trúc liên kết mạng

2.3.2.3 Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Trang 30

Hình 2-8: Cấu trúc mạng hình sao (Star)

Đối với loại mạng này, một kết nối được thành lập bởi các thiết bị với một thiết bị điều khiển trung tâm điều khiển được gọi là bộ điều phối mạng PAN Sau khi FFD được kích hoạt lần đầu tiên nó có thể tạo nên một mạng độc lập và trở thành một bộđiều phối mạng PAN Mỗi mạng hình sao đều phải có một chỉ số nhận dạng cá nhân của riêng mình được gọi là PAN ID (PAN identifier), nó cho phép mạng này có thể hoạt động một cách độc lập Khi đó cả FFD và RFD đều có thể kết nối tới bộ điều phối mạng PAN Tất cả mạng nằm trong tầm phủ sóng đều phải có một PAN duy nhất, các nốt trong mạng PAN phải kết nối với (PAN coordinator) bộ điều phối mạng PAN

2.3.2.4 Cấu trúc liên kết mạng mắt lưới (Mesh)

Hình 2-9: Cấu trúc mạng lưới (Mesh)

Trang 31

Kiểu cấu trúc mạng này cũng có một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) Thực chất đây là kết hợp của 2 kiểu cấu trúc mạng hình sao và mạng ngang hàng, ở cấu trúc mạng này thì một thiết bị A có thể tạo kết nối với bất kỳ thiết nào khác miễn là thiết bị đó nằm trong phạm vi phủ sóng của thiết bị A Các ứng dụng của cấu trúc này có thể áp dụng trong đo lường và điều khiển, mạng cảm biến không dây, theo dõi cảnh báo và kiểm kê (cảnh báo cháy rừng…)

2.3.2.5 Cấu trúc liên kết mạng hình cây (Cluster-tree)

Hình 2-10: Cấu trúc mạng hình cây

Cấu trúc này là một dạng đặc biệt của cấu trúc mắt lưới, trong đó đa số thiết bị

là FFD và một RFD có thể kết nối vào mạng hình cây như một nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh cây Bất kỳ một FFD nào cũng có thể hoạt động như là một coordinator và cung cấp tín hiệu đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao Trong loại cấu hình này mặc dù có thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) Bộ điều phối mạng PAN coordinator này tạo ra nhóm đầu tiên cách tự bầu ra người lãnh đạo cho mạng của mình, và gán cho người lãnh đạo đó một chỉ số nhận dạng cá nhân đặc biệt gọi là là CID-0 bằng cách

tự thành lập CLH (cluster head) bằng CID-0 (cluster identifier), nó chọn một PAN

Trang 32

identifier rỗi và phát khung tin quảng bá nhận dạng tới các thiết bị lân cận Thiết bị nào nhận được khung tin này có thể yêu cầu kết nối vào mạng với CLH Nếu bộ điều phối mạng PAN (PAN coordinator) đồng ý cho thiết bị đó kết nối thì nó sẽ ghi tên thiết bị đó vào danh sách Cứ thế thiết bị mới kết nối này lại trở thành CLH của nhánh cây mới và bắt đầu phát quảng bá định kỳ để các thiết bị khác có thể kết nối

vào mạng Từ đó có thể hình thành được các CLH1, CLH2, (như hình 2-10 )

Hình 2.11: Mô hình giao thức của ZigBee

2.3.3 Tầng vật lý ZigBee/IEEE 802.15.4

Tầng vật lý (PHY) cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY, hai dịch vụ này có giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME (physical layer management) Dịch vụ dữ liệu PHY điều khiển việc thu và phát của khối dữ liệu PPDU (PHY protocol data unit) thông qua kênh sóng vô tuyến vật lý Các tính năng của tầng PHY là sự kích hoạt hoặc giảm kích hoạt của bộ phận nhận sóng, phát hiện năng lượng, chọn kênh, chỉ số đường truyền, giải phóng kênh truyền, thu và phát các gói dữ liệu qua môi trường truyền

Trang 33

Hình 2.12: dịch vụ dữ liệu PHY và dịch vụ quản lý PHY

Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khác nhau theo khuyến nghị của Châu Âu, Nhật Bản, Mỹ

Bảng 2-2: Băng tần và tốc độ dữ liệu

Có tất cả 27 kênh truyền trên các giải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây:

Trang 34

Bảng 2-3: Kênh truyền và tần số

Hình 2-13: Băng tần hệ thống của Zigbee

2.3.3.1 Mô hình điều chế tín hiệu của tầng vật lý

Điều chế tín hiệu của tầng PHY tại dải số 2.4 GHz

Tốc độ truyền dữ liệu của PHY 2405MHz có thể đạt tới 250 kb/s

Việc điều chế từ bít dữ liệu nhị phân sang dạng tín hiệu trong dải tần 2,4GHz được mô tả theo sơ đồ dưới đây Một chuỗi số nhị phân “0000b” được biến đổi sang chuỗi dải tần cơ sở với định dạng xung

Trang 35

Hình 2-14: Sơ đồ điều chế

- Bộ chuyển bit thành ký tự

Theo như sơ đồ trên thì đây là bước đầu tiên để mã hóa tất cả dữ liệu trong PPDU từ mã nhị phân sang dạng ký tự Mỗi byte được chia thành ký tự và ký tự có nghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên Đối với trường đa byte thì byte có nghĩa nhỏ nhất được phát đầu tiên ngoại trừ trường hợp trường byte đó liên quan đến bảo mật thì trong trường đó byte có nghĩa lớn nhất sẽ được phát trước

- Bộ chuyển ký tự thành chip

Theo như sơ đồ thì đây là bước thứ hai trong quá trình mã hóa Mỗi ký tự dữ liệu được sắp xếp trong một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudo-random) 32-chip Chuỗi chip này được truyền đi với tốc độ 2Mchip/s với chip có nghĩa nhỏ nhất (c0) được truyền trước mọi ký tự

Trang 36

Bảng 2.4: Sơ đồ biến đổi Symbol to chip

2.3.3.2 Các thông số kỹ thuật trong tầng vật lý của IEEE 802.15.4

 Chỉ số ED (Energy Detection):

Chỉ số ED đo đạc được bởi bộ thu ED Chỉ số này sẽ được tầng mạng sử dụng như là một bước trong thuật toán chọn kênh ED là kết quả của sự ước lượng công

Trang 37

suất năng lượng của tín hiệu nhận được trong băng thông của kênh trong IEEE 802.15.4 Nó không có vai trò trong việc giải mã hay nhận dạng tín hiệu truyền trong kênh này Thời gian phát hiện và xử lý ED tương đương khoảng thời gian 8 symbol Kết quả phát hiện năng lượng sẽ được thông báo bằng 8 bit số nguyên trong khoảng từ 0x00 tới 0xff Giá trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà công suất nhận được ít hơn mức +10dB so với lý thuyết Độ lớn của khoảng công suất nhận được

để hiển thị chỉ số ED tối thiểu là 40dB và sai số là ± 6dB

 Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)

Chỉ số chất lượng đường truyền LQI là đặc trưng chất lượng gói tin nhận được Số đo này có thể bổ sung vào ED thu được, đánh giá tỷ số tín trên tạp SNR, hoặc một sự kết hợp của những phương pháp này Giá trị kết quả LQI được giao cho tầng mạng và tâng ứng dụng xử lý

CCA được sử dụng để xem xem khi nào một kênh truyền được coi là rỗi hay bận Có ba phương pháp để thực hiện việc kiểm tra này:

- CCA 1: “Năng lượng vượt ngưỡng” CCA sẽ thông báo kênh truyền bận trong

khi dò ra bất kỳ năng lượng nào vượt ngưỡng ED

- CCA 2: “Cảm biến sóng mang” CCA thông báo kênh truyền bận chỉ khi nhận

ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE802.15.4 Tín hiệu này có thể thấp hoặc cao hơn ngưỡng ED

- CCA 3: “Cảm biến sóng mang kết hợp với năng lượng vựơt ngưỡng” CCA sẽ

báo kênh truyền bận chỉ khi dò ra tín hiệu có đặc tính trải phổ và điều chế của IEEE 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED

2.3.3.3 Định dạng khung tin PPDU

Mỗi khung tin PPDU bao gồm các trường thông tin

- SHR (Synchronization Header): đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit

Trang 38

- PHR (PHY Header): chứa thông tin độ dài khung

- PHY Payload: chứa khung tin của tầng MAC

Bảng 2-5: Định dạng khung PPDU

2.3.3.4 Tầng điều khiển dữ liệu ZigBee/IEEE 802.15.4 MAC

Tầng điều khiển môi trường truy cập MAC (media access control) cung cấp 2 dịch vụ là dịch vụ dữ liệu MAC và quản lý MAC, nó có giao diện với điểm truy cập dịch vụ của thực thể quản lý tầng MAC (MLMESAP) Dịch vụ dữ liệu MAC có nhiệm vụ quản lý việc thu phát của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thông qua dịch vụ dữ liệu PHY

Nhiệm vụ của tầng MAC là quản lý việc phát thông tin báo hiệu beacon, định dạng khung tin để truyền đi trong mạng, điều khiển truy nhập kênh, quản lý khe thời gian GTS, điều khiển kết nối và giải phóng kết nối, phát khung Ack

 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance) Phương

Trang 39

pháp tránh xung đột đa truy cập nhờ vào cảm biến sóng Thực chất đây là phương pháp truy cập mạng dùng cho chuẩn mạng không dây IEEE 802.15.4 Các thiết bị trong mạng (các nốt mạng) sẽ liên tục lắng nghe tín hiệu thông báo trước khi truyền

Đa truy cập (multiple access) chỉ ra rằng nhiều thiết bị có thể cùng kết nối và chia

sẻ tài nguyên của một mạng (ở đây là mạng không dây) Tất cả các thiết bị đều có quyền truy cập như nhau khi đường truyền rỗi Ngay cả khi thiết bị tìm cách nhận biết mạng đang sử dụng hay không, vẫn có khả năng là có hai trạm tìm cách truy cập mạng đồng thời Trên các mạng lớn, thời gian truyền từ đầu cáp này đến đầu kia

là đủ để một trạm có thể truy cập đến cáp đó ngay cả khi có một trạm khác vừa truy cập đến Nó tránh xung đột bằng cách mỗi nốt sẽ phát tín hiệu về yêu cầu truyền trước rồi mới truyền thật sự

Trang 40

Hình 2-15: Lưu đồ thuật toán

Mỗi thiết bị chứa 3 biến số: NB, CW, BE Trong đó NB là số lần mà thuật toán này bị yêu cầu rút lại trong khi đang cố gắng truyền Giá trị ban đầu của nó là 0 trước khi truyền Biến CW là độ dài cửa sổ tranh chấp, nó cho biết khoảng thời gian

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	2,76 MB