Thiết kế, lập trình hệ thống hỗ trợ quản lý đoàn xe ứng dụng iot

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dungcủa các mục 10 Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa học xã hội… 5 Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

GVHD: ThS NGUYỄN TRỌNG THỨC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Tp Hồ Chí 17

TP Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 07 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: TRẦN QUỐC THỊNH - MSSV: 13145256

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô - Mã ngành đào tạo: 52510205

Hệ đào tạo: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY - Mã hệ đào tạo:

_ Nghiên cứu về hệ thống định vị toàn cầu GPS

_ Nghiên cứu giao thức truyện nhận tín hiệu không dây Zigbee

_ Nghiên cứu viết thư viện cho module GPS Ulox Neo 6 và Zigbee DRF1605

_ Nghiên cứu sử dụng IDE QT Creator

_ Lập trình hệ thống trên Arduino và Raspberry Pi 3

_ Viết thuyết minh đề tài

3 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 20/03/2017

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/07/2017

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên……… MSSV:……… Hội đồng:…………

Họ và tên sinh viên……… ………….MSSV:……… Hội đồng:…………

Tên đề tài

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV hướng dẫn: Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy) 2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2.2 Nội dung đồ án:

(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

3 Đánh giá:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung

của các mục

10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và

kỹ thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần,

hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những

ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên MSSV: ………….Hội đồng…………

Họ và tên sinh viên MSSV: ………….Hội đồng…………

Tên đề tài:

Ngành đào tạo:

Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội

dung của các mục

10

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa

học và kỹ thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh

giá

10

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành

phần, hoặc quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra

với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Họ và tên Sinh viên: TRẦN QUỐC THỊNH MSSV: 13145256

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn Đồ án tốt nghiệp

đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng: _

Giảng viên hướng dẫn: _

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2017

Mục Lục DANH MỤC CÁC HÌNH IV CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP VI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ VI 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VI 1.3 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI VI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VI 1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN VII

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ HIỆN ĐẠI PHỔ BIẾN TRÊN Ô TÔ HIỆN NAY 2

2.1 CẢNH BÁO ĐIỂM MÙ KHI LÙI 2

2.2 CẢNH BÁO VA CHẠM PHÍA TRƯỚC (FCW) VÀ PHANH TỰ ĐỘNG 2

2.3 PHÁT HIỆN NGƯỜI ĐI BỘ VÀ PHANH TỰ ĐỘNG 3

2.4 ĐÈN PHA CHỦ ĐỘNG 3

2.5 CẢNH BÁO CHUYỂN LÀN ĐƯỜNG (LDW) VÀ HỖ TRỢ 4

2.6 PHÁT HIỆN DẤU HIỆU KHÔNG TỈNH TÁO CỦA NGƯỜI LÁI 4

2.7 HỖ TRỢ ĐỖ XE TỰ ĐỘNG 4

2.8 CAMERA LÙI VÀ HỖ TRỢ ĐỖ XE 5

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN, MODULE VÀ CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH 6

3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÁY TÍNH NHÚNG RASPBERRY PI 3 6

1 CẤU HÌNH RASPBERRY PI 3 MODEL B 6

3.2 MODULE DRF1605H VÀ ANTEN 10

3.3 GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 11

3.3.1 TỔNG QUAN VỀ ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 11

3.3.1.1 Khái niệm về ZIGBEE 11

3.3.1.2.Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE 11

3.3.2 Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 13

3.3.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN 13

3.3.2.2 Kiến trúc liên kết mạng 13

3.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 16

3.3.3.1 Tầng vật lý ZIGBEE/IEEE 802.15.4 16

3.3.3.2 Tầng điều khiển dữ liệu ZIGBEE/IEEE 802.15.4 MAC 18

3.3.3.3 Tầng mạng của ZIGBEE/IEEE802.15.4 23

3.3.3.4 Tầng ứng dụng của ZIGBEE/IEEE 802.15.4 25

3.4 ARDUINO UNO R3 25

3.5 GIỚI THIỆU LCD 1602 26

3.6 GIỚI THIỆU MODULE GPS UBLOX NEO 6M 27

3.8 GIỚI THIỆU MẠCH CHUYỂN USB UART CP 2102 29

3.9 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM QT CREATOR 30

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG 31

4.1 SƠ ĐỒ KHỐI 31

4.4.1 Sơ đồ mạch Coordinator 31

4.1.2 Sơ đồ khối mạch Router 31

4.2 Mô tả hoạt động chức năng từng khối module 31

4.2.1 Mô tả hoạt động mạch Coordinator 31

4.3 THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH 33

4.3.1 Lưu đồ mạch Coordinator 34

4.4.1 Thiết kế và thi công mạch Coordinator 35

4.4.2 Thiết kế và thi công mạch Router 35

4.4.4 Mô hình thực tế mạch Router 36

4.5 KẾT QUẢ 38

4.6 MÔ TẢ HỆ THỐNG 38

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 40

5.1 KẾT LUẬN 40

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1: Cảnh báo điểm mù khi lùi 2

Hình 2.2: Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động…….2

Hình 2.3: Phát hiện người đi bộ và phanh tự động 3

Hình 2.4: Hệ thống đèn pha chủ động 3

Hình 3.1 :Bo mạch Raspberry Pi bên cạnh iPhone 4 6

Hình 3.2.: Hình ảnh chụp thực tế bo mạch Raspberry Pi 3 7

Hình 3.3.: Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3 8

Hình 3.4.: Sơ đồ chân kết nối Raspberry Pi 3 8

Hình 3.5.: Truyền dữ liệu từ Coordinator tới các nút 10

Hình 3.6.: Truyền dữ liệu từ nút tới Coordinator 11

Hình 3.7.: Cấu trúc liên kết mạng 13

Hình3.8.: Cấu trúc mạng hình sao 14

Hình 3.9.: Cấu trúc mạng mesh 14

Hình 3.10.: Cấu trúc mạng hình cây 15

Hình 3.11.: Mô hình giao thức của ZigBee 16

Hình 3.12 Băng tần hệ thống của Zigbee 17

Hình 3.13.: Cấu trúc siêu khung 19

Hình 3.14.: Liên lạc trong mạng không hỗ trợ beacon 20

Hình 3.15.: Liên lạc trong mạng có hỗ trợ beacon 20

Hình 3.16.: Kết nối trong mạng hỗ trợ beacon 21

Hình 3.17 : Kết nối trong mạng không hỗ trợ phát beacon 22

Hình 3.18.: Arduino Uno R3 25

Hình 3.19.: Arduino Nano 26

Hình 3.20.: Màn hinh LCD 1602 27

Hình 3.21.:Sơ đồ chân màn hình LCD 1602 27

Hình 3.22.: Mạch GPS Ublox Neo 6M 27

Hình 3.23: Màn hình LCD 3.5 inch Waveshare 28

Hình 4.1.: Sơ đồ khối mạch Coordinator 31

Hình 4.2.: Sơ đồ khối mạch Router 31

Hình 4.3.: Lưu đồ mạch Coordinator 34

Hình 4.4: Lưu đồ mạch Router 34

Hình 4.5.: Sơ đồ nguyên lý mạch Coordinator 35

Hinh 4.7 : Mô hình thực tế mạch Coordinator 36

Hinh 4.8.: Mô hình thực tế mạch Coordinator 36

Hình 4.9 Thử Nghiệm thực tế mạch Router 37

Hình 4.10 Thử Nghiệm thực tế mạch Router 37

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của những người khác Trong suốtthời gian từ khi bắt đầu học tại trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quantâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô khoa Cơ khí động lực –Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã cùng với tri thức và tâm huyếtcủa mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian họctập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này, nếu không có những lời hướng dẫn, dạybảo của thầy Nguyễn Trọng Thức thì em khó có thể hoàn thành xong đồ án tốt nghiệpnày

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Trọng Thức đã trực tiếp hướng dẫntận tình và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đề tài

Em cũng muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, anh chị và các bạn đã giúp đỡ và đónggóp nhưng lời khuyên bổ ích để hoàn thành đồ án tốt nghiệp một cách khách quan vàđúng hạn

Cuối cùng, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất cả bạn bè, và đặc biệt là cha mẹnhững người thân luôn kịp thời động viên và giúp đỡ em vượt qua những khó khăntrong cuộc sống để em có như ngày hôm nay

Do kiến thức của chúng em còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, emrất mong nhận được những góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để kiến thức emtrong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP1.1 Đặt vấn đề.

Cùng với sự phát triển của khoa học, công nghệ ô tô cũng được hoàn thiện nhằm mụcđích đem đến cho người dùng những trải nghiệm ngày càng thoải mái và tiện nghi hơn

Sự ra đời của các công nghệ hiện đại "trang bị đến tận răng" như cảnh báo chệch lànđường, cảnh báo tiền va chạm, hệ thống hỗ trợ phanh, giao tiếp với các phần mềm diđộng đã mang lại cho người dùng những chuyến hành trình thú vị nhưng vẫn đảmbảo được độ an toàn tối đa

Bên cạnh đó ngoài việc các tiện ích bên trong xe các hãng công nghệ còn không ngừngphát triển các hệ thống liên lạc giữa các xe với nhau, giữa các xe với các trạm thôngtin liên lạc 2 bên đường giúp người tài xế luôn cập nhật được tình hình giao thông củacác xe xung quanh cũng như tình hình giao thông của khu vực

1.2 Lý do chọn đề tài

Trong hệ thống giao thông hiện nay không đơn thuần là 1 nhóm người ngồi trên ô tô dichuyển nữa mà có khi là một đoàn xe 5 đến 10 xe thậm chí là 50 xe Đơn cử là đoàn xevận chuyển tổng thống Mỹ Obama khi sang Việt nam là hơn 45 chiếc

Nhận thấy nhu cầu về liên lạc của 1 đoàn xe với nhau là hết sức cần thiết cho việc giatăng tính an toàn của đoàn xe là rất cần thiết

Nhận thấy điều đó em đã mạnh dạn đầu tư nghiên cứu hệ thống “THIẾT KẾ, LẬPTRÌNH HỆ THỐN HỖ TRỢ QUẢN LÝ ĐOÀN XE ỨNG DỤNG IOT” Là một đề tàirất mới lạ tuy nhiên em thấy rằng nó sẽ rất cần thiết cho nhu cầu hiện nay vì tham giagiao thông không những là người dân bình thường mà còn là những đoàn xe của chínhkhách trong và người nước luôn cần được bảo vệ an ninh rất cao

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để đề tài hoàn thành nhóm đã sử dụng rất nhiều phương pháp để nghiên cứu, thôngqua sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm tài liệu trên mạng, trên

các diễn đàn, tìm đọc tài liệu… Từ đó, có cơ sở để tìm ra những ý tưởng mới để hoànthành đề tài một cách tốt nhất.

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài là tiền đề để phát triển hệ thống giao tiếp không dây cho các phương tiện thônggiao giao thông Đặc biệt là hệ thống cảnh báo va chạm sớm dựa trên thông tin về toạ

độ và vận tốc các xe xung quang

CHƯƠNG 2: CÁC HỆ HIỆN ĐẠI PHỔ BIẾN TRÊN Ô TÔ HIỆN NAY2.1 Cảnh báo điểm mù khi lùi

Đây là hệ thống có tác dụng cảnh báo về giao thông ở các hướng khác nhau khi bạn lùilại Hệ thống thường tạo ra cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh ở gương ngoài hoặctrên màn hình hiển thị của camera lùi Các hệ thống mới hơn thậm chí còn bắt đượchình ảnh người đi bộ hoặc đi xe đạp

Lời khuyên từ Consumer Reports: Cảnh báo điểm mù khi lùi đặc biệt hữu ích khi bạnphải lùi xe trong làn đường bị che khuất tầm nhìn bởi những ô tô đậu liền kề

Hình 2.1: Cảnh báo điểm mù khi lùi

2.2 Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động

Hình 2.2: Cảnh báo va chạm phía trước (FCW) và phanh tự động

Cảnh báo va chạm trước gồm các hệ thống hoạt động độc lập hoặc kết hợp camera Hệ thống này cảnh báo người lái về va chạm sắp xảy ra thông qua tín hiệuhình ảnh, âm thanh hay vật lý Đa phần hệ thống cảnh báo sẽ phanh tự động và chuẩn

radar-laser-bị các thao tác cần thiết nhằm ứng phó với va chạm Khi lái xe lờ đi các cảnh báo, hệthống sẽ tự động phanh hoặc dừng hẳn xe Cảnh báo này áp dụng mọi địa điểm, từnhững đoạn đường xe di chuyển bình thường cho tới đường cao tốc

2.3 Phát hiện người đi bộ và phanh tự động

Đây là công nghệ do Volvo tiên phong và hiện đã được nhiều hãng khác sử dụng cho

xe Hệ thống sẽ phát hiện người đi bộ tiến vào đường đi của xe Ở một số xe, hệ thống

sẽ tự động phanh hoặc dừng hẳn xe khi cần thiết Thậm chí, một số hệ thống mới hơn

có thể phát hiện cả người đi xe đạp

Lời khuyên từ Consumer Reports: Bạn nên lắp hệ thống này, đặc biệt nếu thườngxuyên lái xe trong các thành phố và địa bàn đông đúc

Hình 2.3: Phát hiện người đi bộ và phanh tự động

2.4 Đèn pha chủ động

Hình 2.4: Hệ thống đèn pha chủ động

Khi bạn quay vô lăng, các đèn pha chủ động cũng sẽ xoay, soi sáng đường ngay cả ởcác khúc cua hoặc đoạn rẽ Nghiên cứu do IIHS tiến hành vào năm 2014 cho thấy, đènpha chủ động giúp tăng thời gian phản xạ của lái xe gấp nhiều lần, từ đó tránh va chạmvới xe khác trên đường tối

Lời khuyên từ Consumer Reports: Trên thực tế, có nhiều quan điểm khác nhau về đènpha chủ động Tầm nhìn mở rộng hơn là một lợi thế, song chuyển động xoay của đènpha khiến đoạn đường như cũng “xoay” theo và làm người lái mất tập trung, đặc biệtkhi chuyển động của cụm đèn pha không hoàn toàn đồng bộ với góc quay của vô lăng

2.5 Cảnh báo chuyển làn đường (LDW) và hỗ trợ

Các hệ thống này sử dụng camera và bộ cảm biến để xác định vạch chỉ dẫn làn đườngcũng như khoảng cách từ vạch chỉ dẫn tới xe Nếu bạn chèn bánh lên vạch chỉ dẫn lànđường mà không bật đèn xi-nhan, hệ thống sẽ cảnh báo bằng âm thanh hoặc dưới dạngvật lý như rung vô lăng hay ghế Các hệ thống hỗ trợ đi đúng làn đường (LKA) thậmchí tự động phanh hoặc thúc nhẹ vào vô lăng để hướng dẫn lái xe quay về đúng lànđường

Lời khuyên từ Consumer Reports: Cảnh báo chuyển làn đường thật sự hữu ích khi bạnlái xe trên đường cao tốc

2.6 Phát hiện dấu hiệu không tỉnh táo của người lái

Có nhiều phương pháp kiểm tra tình trạng tỉnh táo của người lái Hãng Mercedes-Benz

đi đầu công nghệ này khi sử dụng một thuật toán máy tính so sánh giữa hành vi điềukhiển vô lăng của người lái với các hoạt động khác vốn đã được ghi lại lúc xe bắt đầu

di chuyển

Một số hệ thống khác giám sát vị trí của xe trong làn đường và tìm kiếm các dấu hiệuthiếu tập trung Một số hệ thống thậm chí theo dõi cử động mắt của người lái nhờcamera trong xe Khi phát hiện dấu hiệu bất thường, hệ thống lập tức sẽ cảnh báo bằng

âm thanh, tự động phanh khựng lại hoặc bật sáng biểu tượng tách cà phê trên bảngđiều khiển

Lời khuyên từ Consumer Reports: Hệ thống này sẽ giữ đầu óc bạn luôn tỉnh táo khi lái

xe, đi đúng làn đường và nhắc bạn không nhắn tin hoặc gửi email khi đang điều khiểnxe

2.8 Camera lùi và hỗ trợ đỗ xe

Camera chiếu hậu sẽ là trang bị bắt buộc trên các dòng xe từ phiên bản 2018 trở đi.Các camera này giúp phòng tránh tai nạn khi lùi xe như đâm vào trẻ Hệ thống cảm

biến hỗ trợ đỗ xe sẽ cảnh báo người điều khiển bằng tiếp bíp nhanh và lớn dần khi xetiến sát chướng ngại vật phía sau.

Lời khuyên từ Consumer Reports: Bạn không thể lái một chiếc SUV hoặc bán tải màkhông có những thiết bị hỗ trợ này vì điểm mù sau xe rất lớn Thêm vào đó, camerachiếu hậu là bạn đồng hành hữu ích khi bạn phải “lùi chuồng” ở những không gianchật hẹp

CHƯƠNG 3: LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN, MODULE VÀ CÁC PHẦN

MỀM LẬP TRÌNH.

3.1 Giới thiệu về máy tính nhúng Raspberry Pi 3

Raspberry Pi là cái máy tính giá 35USD kích cỡ như iPhone và chạy HĐH Linux Vớimục tiêu chính của chương trình là giảng dạy máy tính cho trẻ em Được phát triển bởiRaspberry Pi Foundation – là tổ chức phi lợi nhuận với tiêu chí xây dựng hệ thống mànhiều người có thể sử dụng được trong những công việc tùy biến khác nhau

Hình 3.1 :Bo mạch Raspberry Pi bên cạnh iPhone 4

Raspberry Pi sản xuất bởi 3 OEM: Sony, Qsida, Egoman Và được phân phối chínhbởi Element14, RS Components và Egoman

Nhiệm vụ ban đầu của dự án Raspberry Pi là tạo ra máy tính rẻ tiền có khả năng lậptrình cho những sinh viên , nhưng Pi đã được sự quan tầm từ nhiều đối tượng khácnhau Đặc tính của Raspberry Pi xây dựng xoay quanh bộ xử lí SoC BroadcomBCM2835 ( là chip xử lí mobile mạnh mẽ có kích thước nhỏ hay được dùng trong điệnthoại di động ) bao gồm CPU , GPU , bộ xử lí âm thanh /video , và các tính năng khác

… tất cả được tích hợp bên trong chip có điện năng thấp này

Raspberry Pi không thay thế hoàn toàn hệ thống để bàn hoặc máy xách tay Bạnkhông thể chạy Windows trên đó vì BCM2835 dựa trên cấu trúc ARM nên không hỗtrợ mã x86/x64 , nhưng vẫn có thể chạy bằng Linux với các tiện ích như lướt web ,môi trường Desktop và các nhiệm vụ khác Tuy nhiên Raspberry Pi là một thiết bị đanăng đáng ngạc nhiên với nhiều phần cứng có giá thành rẻ nhưng rất hoàn hảo chonhững hệ thống điện tử , những dự án DIY , thiết lập hệ thống tính toán rẻ tiền chonhững bài học trải nghiệm lập trình …

PHẦN CỨNG

1 Cấu hình Raspberry Pi 3 Model B

Raspberry Pi 3 Model B là thế hệ thứ 3 và mới nhất tính đến thời điểm hiện tại của giađình Raspberry Pi , nó ra đời vào tháng 2 năm 2016 Cấu hình Raspberry Pi có khánhiều thay đổi:

 CPU 64 bit quad-core bộ vi xử lý ARM Cortex A53, tốc độ 1.2GHz gấp 10 lần

so với thế hệ đầu tiên

 Tích hợp wireless chuẩn 802.11n.

 Tích hợp Bluetooth 4.1 ( sở hữu tính năng tiết kiệm năng lượng BLE)

Broadcom là nhà sản xuất chip (SoC) cho Raspberry Pi 3, với tên mã BCM2837, cácbạn có thể xem trên board mạch So với đàn em trước Raspberry Pi 2, từ nay mình gọitắt Raspberry Pi là Raspi nhé, Raspi 3 mang theo những gì đàn em Raspi 2 có baogồm:

 Cổng HDMI, hỗ trợ Full HDMI

 Cổng Ethernet (hay là cổng mạng LAN)

Pi 3 uy tín nhất, hỗ trợ kỹ thuật tốt nhất ở thời điểm hiện tại

2 Cấu trúc phần cứng

Hình 3.3: Cấu trúc phần cứng Raspberry Pi 3

Hình 3.4: Sơ đồ chân kết nối Raspberry Pi 3

 Từ phiên bản Raspberry Pi B+ trở đi đều có 40 chân pin GPIO (bố trí y hệt) ,điều này tất nhiên thôi, thiết kế phải có tính kế thừa

 Mọi phiên bản Raspberry Pi đều sử dụng thẻ nhớ để khởi động và để cài hệ điềuhành, có 1 cổng HDMI để hiển thị, cổng USB đều có nhưng số lượng cổng thì tuỳphiên bản

 Phiên bản mới nhất hiện tại là Raspberry Pi 3 Model B, tích hợp sẵn Wifi,bluetooth BLE tiết kiệm điện, CPU mạnh hơn

 Đặc biệt lưu ý, Raspberry Pi 3 sử dụng nguồn điện 2.5A

HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHẦN MỀM

Sau khi mua về thì phải cài hệ điều hành, có nhiều hệ điều hành cho Pi như:

 OSMC: tích hợp KODI, dùng làm máy xem phim, nghe nhạc.

 RetroPie: dùng làm máy chơi game, hỗ trợ nhiều hệ máy khác nhau

 Ngoài ra còn có Ubuntu, Windows 10 IoT, RiscOS

Raspbian là OS chính thức dành cho Pi Cách cài đặt rất đơn giản, chỉ cần tải Raspbian

về, giải nén, copy vào thẻ nhớ microSD rồi gắn thẻ vào máy Pi cho nó chạy cài đặt làxong

Raspberry Pi dùng để làm gì?

Đầu coi phim HD giống như Android Box, hỗ trợ KODI đầy đủ

 Máy chơi game cầm tay, console, game thùng Chơi như máy điện tử băng ngàyxưa, giả lập được nhiều hệ máy

 Cắm máy tải Torrent 24/24

 Dùng làm VPN cá nhân

 Biến ổ cứng bình thường thành ổ cứng mạng (NAS)

 Làm camera an ninh, quan sát từ xa

 Hiển thị thời tiết, hiển thị thông tin mạng nội bộ

 Máy nghe nhạc, máy đọc sách

 Làm thành một cái máy Terminal di động có màn hình, bàn phím, pin dự phòng

để sử dụng mọi lúc mọi nơi, dò pass Wi-Fi

 Làm thiết bị điều khiển Smart Home, điều khiển mọi thiết bị điện tử trong nhà

 Điều khiển robot, máy in không dây từ xa, Airplay

Ưu điểm Raspberry pi

 Giá rẻ: chỉ từ 5 USD thôi là bạn đã mua được một cái Pi (phiên bản rút gọnRaspberry Pi Zero) Bản Pi 3 là mạnh nhất hiện tại, có đầy đủ Wi-Fi, Bluetooth, cấuhình cao nhất

 Đơn giản, dễ dùng, tiết kiệm không gian: dùng làm các công việc văn phòngđơn giản, gõ Word, Excel hay tạo PowerPoint, lướt web

 Tự học lập trình bằng các app đơn giản của Pi, trẻ em cũng học được

 Tiêu thụ rất ít điện: Ví dụ như tải Torrent, thay vì cắm máy tính công suất hàngtrăm Watts liên tục 24/24 thì chỉ cần dùng một cái Pi công suất chưa tới 5W cũng làmđược

 Có tính di động cao: có thể bỏ vào túi mang đi khắp nơi, thích hợp để làm máynghe nhạc di động, máy đọc ebook, máy dò pass Wi-Fi, máy chơi game cầm tay

Raspberry Pi 3 là bản có cấu hình cao nhất hiện nay (trước đó có Pi, Pi 2, ngoài ra còn

có bản siêu nhỏ: Pi Zero và Pi Zero W) Pi 3 có giá chỉ 35 USD nhưng thường làchúng ta sẽ mua thêm các phụ kiện ví dụ như case cho Pi 3, tản nhiệt chochip, adapter nguồn, thẻ nhớ microSD Giá tổng cộng (chưa tính

Module DRF1605H là module giao tiếp không dây theo giao thức Zigbee, dựa trênchip CC2530F256 chạy theo tiêu chuẩn Zigbee2007/PRO, có đầy đủ tính năng củagiao thức Zigbee

Module DRF1605H giao tiếp thông qua giao diện UART (TX & RX), truyền nănglượng cao nên khoảng cách truyền có thể đạt tới 1.6 km Một số tính chất của module:

Nếu byte đầu tiên không phải là 0xFE,0xFD,0xFC thì dữ liệu tự động truyền kiểutransparent Dữ liệu được truyền qua cổng nối tiếp vào Coordinator sẽ tự động đượcgửi đi tất cả các nút Một nút nhận được dữ liệu từ cổng nối tiếp sẽ truyền sẽ tự độngđược gửi cho Coordinator.

Hình 3.5.: Truyền dữ liệu từ Coordinator tới các nút

Hình 3.6.: Truyền dữ liệu từ nút tới Coordinator

3.3 Giới thiệu về chuẩn ZIGBEE/ IEEE 802.15.4

Công nghệ ZIGBEE/IEEE 802.15.4 là công nghệmới hiện nay, công nghệ này ra đời giải quyết được vấn đềbăng tần eo hẹp như hiện nay Với những ưu điểm vượttrội đã được chứng minh, vì thế có thể nói ZIGBEE/IEEE802.15.4 là công nghệ của tương lai Những vấn đề cầnđược nắm trong chương này gồm:

- Tổng qua về ZIGBEE/IEEE 802.15.4

- Mạng ZIGBEE/IEEE 802.15.4 LR-WPAN

- Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE 802.15.4

3.3.1 Tổng quan về ZIGBEE/ IEEE 802.15.4

3.3.1.1 Khái niệm về ZIGBEE

Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dâykhoảng cách ngắn có tốc độ truyền dữ liệu thấp Các thiết

bị không dây dựa trên chuẩn ZIGBEE hoạt động trên 3 dãytần số là 868 MHz, 915 MHz và 2.4 GHz

Cái tên ZigBee được xuất phát từ cách truyền thôngtin của các con ong mật đó là kiểu “ Zig-Zag” của loài ong “Honey-Bee” Cái tên ZigBee cũng được ghép từ 2 từ này.

3.3.1.2.Đặc điểm của chuẩn ZIGBEE

Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tinthấp, tiêu hao ít năng lượng, chi phí thấp, và là giao thứcmạng không dây hướng tới các ứng dụng điều khiển từ xa

và tự động hóa Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việcvới chuẩn tốc độ thấp được một thời gian ngắn thì tiểu ban

về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tênZigBee đặt cho công nghệ mới này Mục tiêu của côngnghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu haonăng lượng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ cóthời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầucao về tốc độ truyền tin như Bluetooth Một điều nổi bật làZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt lưới (meshnetwork) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth Cácthiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễdàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc vàmôi trường truyền và mức công suất phát được yêu cầu vớimỗi ứng dụng, Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz(toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ, Nhật) và20kbps ở dải tần 868MHz (Châu Âu)

Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đãlàm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức củacông nghệ này IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2tầng thấp của giao thức là tầng vật lý và tầng liên kết dữliệu Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơntrong giao thức về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảmbảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ cáchãng sản xuất khác nhau nhưng vẫn theo một chuẩn riêng đểlàm việc cùng nhau được mà không tương tác lẫn nhau

Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chitiết 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 bằngcách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteedtime slots) Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee làgiảm thiểu được sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại

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 loạimạng không dây khác.

3.3.1.3 Ưu điểm của ZIGBEE/IEEE802.15.4 với BLUETOOH/IEEE802.15.1

- ZigBee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơngiản hơn, ZigBee có tốc độ truyền dữ liệu thấp hơn, tiếtkiệm năng lượng hơn Một nốt mạng trong mạng ZigBee

có khả năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn

là hai ắc qui AA Phạm vi hoạt động của ZigBee là 10-75mtrong khi của Bluetooth chỉ là 10m (trong trường hợpkhông có khuếch đại)

- ZigBee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu.Tốc độ truyền của ZigBee là 250kbps tại 2.4GHz, 40kbpstại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ nàycủa Bluetooth là 1Mbps

- ZigBee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợpvới mạng hình sao tĩnh trong đó các thiết bị giao tiếp vớinhau thông qua các gói tin nhỏ Loại mạng này cho phéptối đa tới 254 nút mạng Giao thức Bluetooth phức tạp hơnbởi loại giao thức này hướng tới truyền file, hình ảnh, thoạitrong các mạng ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưngcho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế vềkhông gian và thời gian) Các thiết bị Bluetooth có thể hỗtrợ mạng scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconetkhông đồng bộ Nó chỉ cho phép tối đa là 8 node slavetrong một mạng chủ-tớ cơ bản

- Node mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít nănglượng, nó có thể gửi và nhận các gói tin trong khoảng15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc nàytrong 3sec

3.3.2 Mạng ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN

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

3.3.2.1 Thành phần của mạng LR-WPAN

Một hệ thống ZIGBEE/IEEE802.15.4 gồm nhiềuphần tạo nên Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết

bị có tên là FFD, thiết bị này đảm nhận tất cả các chứcnăng trong mạng và hoạt động như một bộ điều phối mạngPAN, ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một sốchức năng hạn chế có tên là RFD Một mạng tối thiểu phải

có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động như một bộ điềuphối mạng PAN

FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái: là điềuphối viên của toàn mạng PAN hay là điều phối viên củamột mạng con, hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trongmạng RFD được dùng cho các ứng dụng đơn giản, khôngyêu cầu gửi lượng lớn dữ liệu Một FFD có thể làm việcvới nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ cóthể làm việc với một FFD

3.3.2.2 Kiến trúc liên kết mạng

Hiện nay ZigBee và tổ chức chuẩn IEEE đã đưa ramột số cấu trúc liên kết mạng cho công nghệ ZigBee Cácnode mạng trong một mạng ZigBee có thể liên kết vớinhau theo cấu trúc mạng hình sao cấu trúc mạng hình lướicấu trúc bó cụm hình cây Sự đa dạng về cấu trúc mạngnày cho phép công nghệ ZigBee được ứng dụng một cáchrộng rãi Hình 1.1 cho ta thấy ba loại mạng mà ZigBeecung cấp: tô pô sao, tô pô mắt lưới, tô pô cây

Hình 3.7.: Cấu trúc liên kết mạng

Cấu trúc liên kết mạng hình sao (Star)

Hình3.8.: Cấu trúc mạng hình sao