Thiết kế và thi công mô hình quản lí bãi giữ xe ô tô

Nhằm góp phần giải quyết vấn nạn này, một ứng dụng tiêu biểu của IoT trong lĩnh vực quản lý bãi xe được nhóm nghiên cứu lựa chọn cho đồ án tốt nghiệp này có tên “Thiết kế và thi cô

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUẢN LÍ BÃI GIỮ XE Ô TÔ

GVHD: TRẦN QUANG THỌ SVTH: LÊ ĐỨC HUY MSSV:15142042

SVTH: NGUYỄN VĂN TÚ MSSV:15142380

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2020

SKL 0 0 6 7 9 7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

LÊ ĐỨC HUY 15142042 NGUYỄN VĂN TÚ 15142380

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: LÊ ĐỨC HUY MSSV: 15142042

NGUYỄN VĂN TÚ MSSV: 15142380

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH QUẢN LÍ BÃI GIỮ XE Ô TÔ

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6.Điểm: ……… (Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020

Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)

i

Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa Đào tạo chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM đã tận tình giúp đỡ cho chúng em trong những năm học vừa qua

Em trân trọng gửi lời cảm ơn tới thầy Trần Quang Thọ đã tận tình hướng dẫn để

em hoàn thành đồ án này

Do hạn chế về thời gian thực hiện đồ án nên rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và đồng nghiệp để đồ án này được hoàn chỉnh hơn

Để đưa được ứng dụng IoT vào cuộc sống cần phải có thiết bị IoT, tuy nhiên, đa số các thiết bị IoT hiện nay thường được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao và gây khó khăn trong vận hành, sửa chữa Thêm vào đó, vấn đề an toàn thông tin khó có thể đảm bảo khi mà chúng ta chưa làm chủ được công nghệ và thiết bị Do đó, việc nghiên cứu để làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị với giá thành thấp sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ IoT ở Việt Nam

Sự phát triển số lượng ô tô ở các thành phố lớn của nước ta đã tạo ra các nhu cầu quản

lý các bãi giữ ô tô thông minh ngày càng tăng Nhằm góp phần giải quyết vấn nạn này, một ứng dụng tiêu biểu của IoT trong lĩnh vực quản lý bãi xe được nhóm nghiên cứu lựa chọn cho đồ án tốt nghiệp này có tên “Thiết kế và thi công mô hình quản lý bãi giữ

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích dựa trên các hệ thống bãi giữ xe có sẵn và những tài liệu liên quan cho thấy vấn đề truyền dữ liệu không dây có ý nghĩa quyết định cho mô hình nhưng chưa được giải quyết một cách hiệu quả Các tác giả sẽ tập trung nghiên cứu và

đề xuất giải pháp truyền tín hiệu cho mô hình

Phạm vi đồ án

Trong phạm vi đồ án này, một mô hình vật lý sẽ được xây dựng cho bãi giữ xe ô tô với

số lượng xe trong bãi là 8 và được phân thành 2 nhóm Mô hình cũng sử dụng 3 module Zigbee để truyền nhận dữ liệu với nhau và truyền về máy tính, phân vùng quản

iii

lí theo 2 nhóm, mỗi nhóm sử dụng 1 IC PIC 16F887 Chương trình quản lý trên máy tính được viết dựa trên phần mềm Visual Studio

Nội dung

Nội dung đồ án bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống quản lý bãi giữ xe thông minh

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế- thi công

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Kết quả đạt được

Xây dựng được mô hình vật lý quản lý bãi giữ xe ô tô thông minh sử dụng truyền dữ liệu không dây có các tính năng như: cảnh báo âm thanh vị trí xe đậu sai qui định đồng thời hiển thị lên màn hình máy tính tình trạng từng vị trí trong bãi xe

Ý nghĩa khoa học

Việc sử dụng công nghệ truyền không dây bằng Zigbee theo kiểu mạng lưới giữa các module giao tiếp với máy tính thông qua phần mềm Visual Studio trở nên đơn giản hơn khi so với các phương pháp truyền tín hiệu không dây khác

Ý nghĩa thực tiễn

Việc sử dụng chip Zigbee có giá thành rẻ sẽ giúp tăng tính cạnh tranh cho thiết bị Thêm vào đó, việc làm chủ công nghệ sẽ tạo ra các thuận lợi và giảm chi phí trong việc vận hành, bảo trì, sửa chữa và đảm bảo an toàn thông tin

(Link tham khảo thử nghiệm mô hình: https://bit.ly/35jTcTA)

iv

LỜI CẢM ƠN I

MỞ ĐẦU II MỤC LỤC IV DANH MỤC HÌNH VI CÁC TỪVIẾTTẮT VIII CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ BÃI GIỮ XE THÔNG MINH

1.1 GIỚITHIỆU 1

1.2 CÁC THÀNH PHẦN TẠO NÊN MỘT HỆ THỐNG THÔNG MINH 1 1.2.1 PHẦN CỨNG 1

1.2.2 PHẦN MỀM 2

1.3 ĐÁNH GIÁ NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ BÃI GIỮ XE THÔNG MINH 3

1.3.1 ƯU ĐIỂM 3

1.3.2 THỰC TIỄN 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU 4

2.2 CẢM BIẾN NHẬN BIẾT TÍN HIỆU 4

2.2.1 TỔNG QUAN 4

2.2.2 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN 5

2.2.3 KẾT LUẬN 6

2.3 XỬ LÝ TÍN HIỆU 7

2.3.1 TỔNG QUAN 7

2.3.2 CÁC PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ĐỂ XỬ LÝ TÍN HIỆU 8

2.3.3 KẾT LUẬN 11

2.4 TRUYỀN TÍN HIỆU 16

2.4.1 TỔNG QUAN 16

2.4.2 MỘT SỐ KIỂU TRUYỀN TÍN HIỆU THÔNG DỤNG 16

2.4.3 CHUẨN GIAO TIẾP RS232 25

2.4.4 KẾT LUẬN 28

2.5 MỘT SỐ LINH KIỆN KHÁC 32

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 38

3.2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 39

3.3 SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG 40

v

3.4 QUI TRÌNH HOẠT ĐỘNG 41

3.5 CHƯƠNG TRÌNH 41

3.6 KẾT LUẬN 44

3.6.1 MÔ HÌNH THỰC TẾ 44

3.6.2 CÁCH VẬN HÀNH 44

NHẬN XÉT KẾT QUẢ 45

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 KẾT LUẬN 46

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤLỤC

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Một số linh kiện điện tử 2

Hình 2 1 Cảm biến vật cản hồng ngoại gương phản xạ R2N1 6

Hình 2 2 Ngôn ngữ Java 9

Hình 2 3 Ngôn ngữ C++ 9

Hình 2 4 Phần mềm CCS 11

Hình 2 5 PIC 16F887A 12

Hình 2 6 Sơ đồ chân PIC16F887A 12

Hình 2 7 Mạch nạp PICKIT 2 14

Hình 2 8 Module PIC 16F887 14

Hình 2 9 Module LoRa được BKAII 24

Hình 2 10 Mạch thu phát RF CC2530 của Zigbee 29

Hình 2 11 Đèn led hiển thị cấu hình baudrate 30

Hình 2 12 Đèn led hiển thị cấu hình truyền nhận 31

Hình 2 13 Mạch chuyển USB UART CP2102 31

Hình 2 14 Sơ đồ chân IC 74HC4040 33

Hình 2 15 Module điều khiển công suất Mosfet IRF520- SP3316 34

Hình 2 16 Sơ đồ nguyên lí module mạch công suất Mosfet 35

Hình 2 17 Nguồn tổ ong 5V-20A 35

Hình 2 18 Led 7 đoạn Anode chung 36

Hình 2 19 Sơ đồ led 7 đoạn 37

Hình 2 20 Led đơn 5mm màu xanh và led đơn 5mm màu đỏ 37

Hình 3 1 Sơ đồ nối dây 38

Hình 3 2 Giao diện thiết kế trên Visual Studio 42

Hình 3 3 Mô hình thực tế 44

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Bảng phạm vi hoạt động của IC 74HC4040 33Bảng 2 2 Bảng chân lí IC 74HC4040 34

viii

PIC: Programmable Intelligent Computer

UART: Universal Asynchronous Receiver – Transmitter LED: Light Emitting Diode

USB: Universal Serial Bus

Ngày nay hệ thống quản lý bãi giữ xe thông minh rất phổ biến, chúng quản lý

số lượng, thời gian xe ra - vào, nhận dạng biển số, … Tuy nhiên có nhiều trường hợp đậu xe không đúng qui định làm ảnh hưởng xấu đến lưu thông và tính thẩm mỹ của bãi

Do đó nhóm đã thực hiện chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình quản lý bãi giữ xe ô tô”

Mục đích giúp tài xế biết được vị trí còn trống để di chuyển đến chỗ đậu, ngoài

ra hệ thống sẽ tự động cảnh báo tài xế khi đậu sai qui định

1.2 CÁC THÀNH PHẦN TẠO NÊN MỘT HỆ THỐNG THÔNG MINH

Để tạo nên một hệ thống thông minh thì tất yếu cần phải có đó là phần cứng và phần mềm

1.2.1 Phần cứng

2

Hình 1 1 Một số linh kiện điện tử

Phần cứng (hardware), đề cập đến các bộ phận vật lý hữu hình của một hệ thống; các thành phần điện, điện tử, cơ điện và cơ khí của nó như là: màn hình, chuột, bàn phím, máy in, máy quét, bộ nguồn, bộ vi xử lý, bo mạch chủ, Các dây cáp, các thiết bị ngoại vi của tất cả các loại, và bất kỳ yếu tố vật lý nào khác có liên quan, tạo nên phần cứng hoặc hỗ trợ vật lý ví dụ như loa, ổ đĩa mềm, ổ đĩa cứng, bộ phận tản nhiệt, tụ điện, các IC, điện trở, đèn led

Ở đây chúng tôi dùng phần mềm CCS để viết chương trình cho mô hình này

3

1.3 ĐÁNH GIÁ NHỮNG ƯU ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH HỆ THỐNG QUẢN

LÝ BÃI GIỮ XE THÔNG MINH

1.3.1 Ưu điểm

Ưu điểm của mô hình quản lý hệ thống bãi giữ xe thông mình là tự động, nhanh chóng, dễ sử dụng, các linh kiện phổ biến nên dễ dàng sửa chữa và thay thế, thông báo chính xác vị trí còn trống trong bãi, cảnh báo những vị trí đậu sai, dễ quản lý (mỗi dãy sử dụng 1 IC PIC16F887 để xử lý tín hiệu) Ngoài ra nó còn có thể hoạt động liên tục 24/24

1.3.2 Thực tiễn

Tiết kiệm thời gian về việc tìm vị trí đậu, nhân lực, giải quyết được vấn đề ùn tắc, giá thành các linh kiện rẻ, sử dụng được cho quy mô lớn mà tiết kiệm được điện năng

Tuy nhiên, để hệ thống bãi xe thông minh thì cần phải có nhiều cảm biến cho các vị trí đậu xe Số lượng xe càng nhiều thì số lượng cảm biến càng cao Điều này làm cho số lượng dây dẫn cảm biến tăng lên và kéo dài Để giảm chi phí dây dẫn kết nối tín hiệu của các cảm biến với trung tâm điều khiển, hệ thống phải sử dụng các phương pháp kết nối không dây Các phương pháp kết nối không dây thường sử dụng hiện nay là wifi, Bluetooth Các phương thức kết nối này đòi hỏi linh kiện phần cứng có giá thành cao và khoảng cách bị hạn chế Vì vậy, để kết nối không dây với chi phí rẻ và khoảng cách lớn, các tác giả đề xuất sử dụng phương pháp kết nối bằng sóng radio sử dụng chip Zigbee cho đồ án này

2.2 CẢM BIẾN NHẬN BIẾT TÍN HIỆU

2.2.1 TỔNG QUAN

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu

dò (Test probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là "cảm biến" Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho vật có kích thước lớn Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc như một cảm biến

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường,

5

Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

2.2.2 PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

- Chủ động và bị động:

 Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt Các an-ten cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động

 Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược Các cảm biến bằng biến trở cũng thuộc kiểu cảm biến bị động

- Phân loại theo nguyên lý hoạt động:

 Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

 Cảm biến cảm ứng

 Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)

 Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna

 Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn

 Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone)

 Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi

 Cảm biến điện trường

 Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng

 Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng trong từ kế

 Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như trong các máy Sonar

 Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong

6

nhiều lĩnh vực Ví dụ đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in làm bằng photodiode Chúng đang là nhóm đầu bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao

 Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua

 Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,

 Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như Precision Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K

Cảm biến vật cản hồng ngoại gương phản xạ R2N1

Hình 2 1 cảm biến vật cản hồng ngoại gương phản xạ R2N1

 Cảm biến vật cản bằng tia hồng ngoại bước sóng 660nm

7

 Sử dụng kết hợp với gương phản xạ cho khoảng cách tối đa 2m

 Điện áp cấp: 5 - 36VDC

 Dòng tiêu thụ tối đa: 300mA

 Tín hiệu đầu ra mức cao (VCC) khi cảm biến nhìn thấy gương Mức thấp khi

có vật che gương hoặc không thấy gương!

8

XUNG ĐIỆN

Trong xử lý tín hiệu số, xung là sự thay đổi đột ngột về biên độ, pha hoặc tần

số, (thường là biên độ) từ giá trị gốc lên giá trị cao, hoặc xuống giá trị thấp hơn, sau đó dần (thậm chí ngay lập tức) về giá trị gốc ban đầu Có nhiều bạn khi làm việc với động cơ, hay thiết bị khác sẽ bắt gặp đến khái niệm này

Tín hiệu số: Đây là tìn hiệu rời rạc theo biên độ Vì trong một thời điểm nó chỉ có một trong hai giá trị là 0 hoặc 1 (ứng với 0V hoặc 5V)

Tín hiệu tương tự: Đây là tín hiệu liên tục theo thời gian Biên độ, pha hoặc tần số dòng điện thay đổi liên tục theo thời gian

C

C là ngôn ngữ lập trình phần mềm có thể nói là lâu đời nhất và là nên tảng cho nhiều ngôn ngữ khác như C#, Java, JavaScript và Python Bởi vậy trước khi học những ngôn ngữ này bạn nên bắt đầu với C trước Với tính chất đa dụng, ổn định và

dễ hiểu, đến nay ngôn ngữ C vẫn được các lập trình viên tin tưởng sử dụng

C++

Hình 2 3 Ngôn ngữ C++

10

Người ta thường nhóm ngôn ngữ lập trình phần mềm này với C bởi chúng thực chất đây phiên bản nâng cấp của C C++ là công cụ tạo ra hầu hết các ứng dụng nổi tiếng như firefox, adobe… cùng nhiều game trên máy tính Tuy nhiên đi cùng với ưu điểm về tốc độ thì C++ đòi hỏi khả năng sử lí cao, thích hợp với các lập trình viên chuyên nghiệp

OBJECTIVE-C

Dành riêng cho Apple Mac, objective -C là ngôn ngữ lập trình phần mềm đa năng và hướng đối tượng Khi so sánh với Java hoặc C thì nó khá phức tạp Tuy nhiên nhờ những công cụ sẵn mà Apple cung cấp thì không quá khó để tạo ra một ứng dụng thực tế hay sử dụng objective -C Nếu bạn xác định theo đuổi hệ điều hành Apple thì đây là ngôn ngữ dành cho bạn

PYTHON

Python là ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Nó khá đơn giản và thích hợp với người mới bắt đầu Bên cạnh đó, chính tính đa dụng của Python khiến nó trở thành nền tảng giúp bạn học thêm một số ngôn ngữ lập trình khác

‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

‐ PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

Tất cả 3 trình biên dich này đuợc tích hợp lại vào trong một chương trình bao gồm cả trình soạn thảo và biên dịch là CCS

12

Vi điều khiển PIC16F887A

Hình 2 5 PIC 16F887A

Sơ đồ chân

Hình 2 6 sơ đồ chân PIC16F887A

Một số thông số về vi điều khiển PIC16F887A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài

14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kỳ xung clock Tốc độ hoạt động

13

tối đa cho phép là 20MHz với chu kỳ lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình là 8K x

14 bit, bộ nhớ dữ liệu là 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần 8 bit

Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

Timer2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

Hai bộ Capture/ so sánh/ điều chế độ rộng xung

Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (synchronous Serial Port), SPI và I2C

Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài

Các đặc tính Analog:

- 8 kênh chuyển đổi ADC 10bit

- Hai bộ so sánh

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

- Bộ nhớ flash với khả năng ghi/xóa được 100.000 lần

- Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi/xóa được 1000.000 lần

- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

- Khả năng tự nạp chương trình với khả năng điều khiển của phần mềm

- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân

- Watchdog timer với bộ giao động trong

- Chức năng bảo mật chương trình

- Chế độ Sleep

- Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

Giới thiệu về phần mềm Visual Studio [1]

Visual Studio là (IDE – Integrated Development Environment) một bộ công cụ phát triển phần mềm do Microsoft phát triển

15

Phiên bản đầu tiên của Visual Studio được Microsoft phát hành vào năm 1997 với hai phiên bản là Professionalvà Enterprise Tính đến thời điểm hiện tại, Visual Studio đã trải qua nhiều thời kì phát triển và đã phát hành những bản Visual Studio như Visual Studio 2005, VS 2008, VS 2010, VS 2012, VS 2013 Và phiên bản mới nhất của Visual Studio là phiên bản Visual Studio 2019 phát hành chính thức vào tháng 4 năm 2019 Với mỗi phiên bản phát hình có nhiều công nghệ và tính năng mới mẽ được tích hợp

- Hỗ trợ lập trình trên nhiều ngôn ngữ như C/C++, C#, F#, Visual Basic, HTML, CSS, JavaScript Phiên bảnVisual Studio 2015 có hổ trợ ngôn ngữ Python

- Visual Studio là một công cụ hỗ trợ việc Debug một cách mạnh mẽ,

dễ dàng nhất (Break Point, xem giá trị của biến trong quá trình chạy,

hỗ trợ debug từng câu lệnh)

- Visual Studio hỗ trợ phát triển ứng dụng desktop MFC, Windows Form, Universal App, ứng dụng mobileWindows Phone 8/8.1, Windows 10, Android (Xamarin), iOS và phát triển website Web Form, ASP.NET MVC và phát triển Microsoft Office

- Visual Studio hỗ trợ kéo thả để xây dựng ứng dụng một cách chuyên nghiệp, giúp các bạn mới bắt đầu có thể tiếp cận nhanh hơn

16

Visual Studio cho phép chúng ta tích hợp những extension từ bên ngoài như Resharper (hổ trợ quản lý và viết mã nhanh cho các ngôn ngữ thuộc Net), hay việc cài đặt thư viện nhanh chóng thông qua Nuget

Chúng tôi chọn phần mềm này để thiết kế giao diện hệ thống và xử lý một số tín hiệu thông báo cho hệ thống này

2.4 TRUYỀN TÍN HIỆU

2.4.1 TỔNG QUAN

Truyền dữ liệu hay truyền dữ liệu số hay truyền-thông số là sự chuyển giao dữ liệu (một bit stream dữ liệu số hoặc một tín hiệu analog đã được số hóa[1]) qua một kênh truyền point-to-point (đơn điểm đến đơn điểm) hoặc point-to-multipoint (đơn điểm đến đa điểm) Ví dụ của các kênh đó là dây đồng, sợi quang học, các kênh truyền không dây, media lưu trữ và bus máy tính Dữ liệu được đại diện như một tín hiệu điện từ, điện thế, sóng vô tuyến, vi sóng, hoặc tín hiệu hồng ngoại

Truyền tương tự hoặc tương tự là phương thức truyền tải thông tin thoại, dữ liệu, hình ảnh, tín hiệu hoặc video bằng tín hiệu liên tục thay đổi theo biên độ, pha hoặc một số thuộc tính khác tương ứng với biến số Các thông điệp được biểu diễn bằng một chuỗi các xung bằng phương tiện của một dòng mã ( baseband truyền ), hoặc bởi một tập hợp giới hạn các dạng sóng khác nhau liên tục ( passband truyền ),

sử dụng phương pháp điều chế kỹ thuật số Điều chế passband và giải điều chế tương ứng (còn được gọi là phát hiện) được thực hiện bởi thiết bị modem Theo định nghĩa phổ biến nhất của tín hiệu số, cả tín hiệu băng tần và băng thông đại diện cho luồng bit được coi là truyền số, trong khi định nghĩa thay thế chỉ xem xét tín hiệu cơ sở là kỹ thuật số và truyền dữ liệu số dưới dạng chuyển đổi số sang tương tự

Dữ liệu được truyền có thể là tin nhắn kỹ thuật số có nguồn gốc từ nguồn dữ liệu, ví dụ như máy tính hoặc bàn phím Nó cũng có thể là tín hiệu tương tự như cuộc gọi điện thoại hoặc tín hiệu video, số hóa d thành luồng bit, ví dụ, sử dụng điều chế mã xung (PCM) hoặc cao hơn nguồn coding (analog-to-digital conversion và data compression) Mã hóa và giải mã nguồn này được thực hiện bởi thiết bị codec

2.4.2 MỘT SỐ KIỂU TRUYỀN TÍN HIỆU THÔNG DỤNG

17

Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quan trọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máy tính, điện thoại/ smartphone, và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩm IoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone - một "thế lực hùng hậu" hiện nay

Hiện nay, BLE - Bluetooth Low Energy - hoặc Bluethooth Smart là một giao thức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùng với một khoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất ít hơn rất nhiều Thật tuyệt phải không các bạn?

Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng để truyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùng lớn trong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗi người Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúng Bluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window, và dự kiến đến năm 2018 sẽ là " Smart Ready"

Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth 4.2:

 Tần số: 2.4 GHz

 Phạm vi: 50-150m (Smart / BLE)

 Dữ liệu truyền được: 1Mbps

Zigbee

 Zigbee - Các khái niệm cơ bản

18

Zigbee, giống như Bluetooth, là một loại truyền thông trong khoảng cách ngắn, hiện được sử dụng với số lượng lớn và thường được sử dụng trong công nghiệp Điển hình, Zigbee Pro và Zigbee remote control (RF4CE) được thiết kế trên nền tảng giao thức IEEE802.15.4 - là một chuẩn giao thức truyền thông vật lý trong công nghiệp hoạt động ở 2.4Ghz thường được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn và dữ liệu truyền tin ít nhưng thường xuyên, được đánh giá phù hợp với các ứng dụng trong smarthome hoặc trong một khu vực đô thị/khu chung cư

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần các điều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng các node cao ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bản mới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩn Zigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sản phẩm và kit phát triển của Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538 Zigbee Development Kit

 Standard: ZigBee 3.0 based on IEEE802.15.4

19

mức tiêu thụ năng lượng rất ít nên có thể sử dụng với các loại PIN di động Zwave hoạt động ở tần số thấp hơn so với Zigbee/wifi, dao động trong các dải tần của 900Mhz, tùy theo quy định ở từng khu vực khác nhau

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở (open platform) cực cao Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome Đặc biệt, mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phát sóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao

Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là một công nghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó

Thông số kỹ thuật cơ bản:

 Standard: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959

 Frequency: 900MHz (ISM)

 Range: 30m

 Data Rates: 9.6/40/100kbit/s

20

Wifi

Wifi (là viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11) là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, cũng giống như điện thoại di động, truyền hình và radio Kết nôi Wifi thường là sự lựa chọn hàng đầu của rất nhiều kỹ

sư giải pháp bởi tính thông dụng và kinh tế của hệ thống wifi và mạng LAN với mô hình kết nối trong một phạm vi địa lý có giới hạn

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sử dụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng

vô tuyến và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vô tuyến khác ở chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát

ở tần số 2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

o Standard: Based on 802.11n (most common usage in homes today)

o Frequencies: 2.4GHz and 5GHz bands

o Range: Approximately 50m

o Data Rates: 600 Mbps maximum, but 150-200Mbps is more typical, depending on channel frequency used and number of antennas (latest 802.11-ac standard should offer 500Mbps to 1Gbps)

NFC dùng để làm gì?

Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau để kích hoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh, video, ứng dụng hoặc địa chỉ website Ở các nước phát triển, NFC còn được xem là chiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với những công dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ này đã cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vào NFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cần phải nhờ gọi nhân viên Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêu thị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn

LIFI là một công nghệ không dây sử dụng các bóng đèn LED để truyền

dữ liệu với tốc độ nhanh hơn Wifi tới 100 lần Như vậy, với bóng đèn LED với chức năng thắp sáng, giờ có thêm chức năng truyền dữ liệu tốc độ cao Công ty Velmenni đã có vài dự án thí điểm, trong đó có tạo một không gian mạng ko dây trong văn phòng, sử dụng ánh sáng đèn LED thay vì dùng sóng radio để truyền dữ liệu như của Wi-Fi CEO của Velmenni, Deepak Solanki, hồi giữa năm 2015 cho rằng công ty hy vọng sẽ mang sản phẩm này đến được với nhiều người sử dụng trong vòng 3-4 năm tới Công nghệ đột phá này được công ty đặt cho cái tên là Li-Fi, lần đầu được một giáo sư đại học Edinburgh, giáo sư Harald Haas, giới thiệu cách nay 4 năm

Li-Fi sử dụng dải tần ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được để làm phương tiện truyền dữ liệu Tuy vậy, người dùng không thể sử dụng bất kỳ nguồn ánh sáng đèn điện nào mà phải cần một nguồn sáng riêng để điều biến

23

tín hiệu, tạo thành luồng dữ liệu Hiện thời, tính năng này chỉ thực hiện được với các bóng đèn LED đạt chuẩn, có tích hợp một chip đặc biệt và có thêm một bộ nhận tín hiệu ánh sáng đặc biệt để có thể giải mã được tín hiệu ánh sáng truyền đi từ đèn LED

Kỹ thuật điều biến ánh sáng không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người, nhất là về mắt Giáo sư Haas giới thiệu công nghệ này tại diễn đàn TED Global hồi năm 2011, cho rằng chúng ta thậm chí có thể giảm độ sáng của đèn thật thấp đến mức gần như là tắt, nhưng tín hiệu truyền dữ liệu vẫn hoạt động như thường

Năm 2011, Haas đã trình diễn mẫu thiết bị của ông trên bục diễn thuyết của TED Từ đó, ông đồng sáng lập ra công ty khởi nghiệp pureLiFi và sản xuất được hai sản phẩm truyền dữ liệu bằng ánh sáng Nếu Li-Fi được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể giải quyết được một số rắc rối mà Wi-Fi gặp phải hiện nay Ngoài tốc độ kết nối, sóng radio phải có đủ dải tần

để nhiều thiết bị cùng kết nối một lúc Với Li-Fi thì không gặp khó khăn này

vì dải tần ánh sáng lớn hơn gấp 10.000 lần so với dải tần radio

Trong khi Li-Fi tỏ ra đầy tiềm năng nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định, quan trọng nhất là ánh sáng không thể đi xuyên tường được như sóng radio, nghĩa là thiết bị phải ở đâu nhìn thấy được Hơn nữa, để chắn sóng Li-Fi, người dùng đơn giản chỉ cần bịt bóng đèn lại là dữ liệu gặp rắc

Hình 2 9 Module LoRa được BKAII

Nguyên lý hoạt động của LoRa ra sao?

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểu nôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tín hiệu cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2

25

loại chirp signal là up-chirp có tần số tăng theo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khi truyền ra anten để gửi đi Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chính xác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRa không cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể được nhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xung quanh

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

o 430MHz cho châu Á

o 780MHz cho Trung Quốc

o 433MHz hoặc 866MHz cho châu Âu

o 915MHz cho USA

Nhờ sử dụng chirp signal mà các tín hiệu LoRa với các chirp rate khác nhau có thể hoạt động trong cùng 1 khu vực mà không gây nhiễu cho nhau Điều này cho phép nhiều thiết bị LoRa có thể trao đổi dữ liệu trên nhiều kênh đồng thời (mỗi kênh cho 1 chirprate)

Các khái niệm SpreadingFactor, CodingRate sẽ được giới thiệu ở phần tiếp theo Ở đây chúng ta chỉ tập trung vào các dữ liệu trong 1 radio packet của LoRa, bao gồm:

o Preamble: Là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín hiệu của LoRa packet trong không khí

o Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng được check CRC kèm theo

o Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa

o Payload: giá trị CRC của Payload Nếu có PayloadCRC, LoRa chip sẽ tự kiểm tra dữ liệu trong Payload và báo lên

2.4.3 CHUẨN GIAO TIẾP RS232

Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ

26

thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền

Có hai phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn RS232 Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng Com Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu

thấp

Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232 là gì?

 Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

 Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện

 Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232?

 Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000

ôm

 Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ 3V đến 12V

+- Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps (ngày nay có thể lớn hơn)

 Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

 Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm

 Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m

 Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn hay dùng: 9600, 19200, 28800, 38400… 56600, 115200bps

27

Các mức điện áp đường truyền

RS232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do đó ngay từ đầu tiên ra đời nó

đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vẫn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng ra của bộ

Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính vì

từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá

độ trong một thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc

độ 19,2kBd

Quá trình dữ liệu:

a) Quá trình truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ có một bit được truyền (1 kí tự) Bộ truyền gửi một bit bắt đầu (bit start) để thông báo cho bộ nhận biết một kí tự sẽ được gửi đến trong lần truyền bit tiếp theo Bit này luôn bắt đầu bằng mức 0 Tiếp theo đó là các bit dữ liệu (bits data) được gửi dưới dạng mã ASCII (có thể là 5,6,7 hay 8 bit dữ liệu) Sau đó là một Parity bit (Kiểm tra bit chẵn, lẻ hay không) và cuối cùng là bit dừng - bit stop có thể là 1, 1,5 hay 2 bit dừng

b) Tốc độ Baud

Đây là một tham số đặc trưng của RS232 Tham số này chính là đặc trưng cho quá trình truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 là tốc độ truyền nhận dữ liệu hay còn gọi là tốc độ bit Tốc độ bit được định nghĩa là số bit truyền được trong thời gian 1 giây hay số bit truyền được trong thời gian 1 giây Tốc độ bit này phải được thiết lập ở bên phát và bên nhận đều phải có tốc độ như nhau ( Tốc độ giữa vi điều khiển và máy tính phải chung nhau 1 tốc độ truyền bit)