thiết kế và thi công hệ thống điều khiển nhà qua internet

Cơ sở lý thuyết của đề tài Tìm hiểu bộ giao thức mạng TCP/IP Nghiên cứu giao tiếp giữa Chip Ethernet ENC28J60 với Vi điều khiển Sơ đồ khối thực hiện đề tài... Tổng quan về đề tàiVới

ĐỀ TÀI:

GVHD : Th.S Đặng Hữu Thọ Lớp : TD06

Nhóm : Đào Xuân Tiến Văn Công Nhật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ QUA

MẠNG INTERNET

ĐỀ CƯƠNG THỰC HIỆN

I Tổng quan về đề tài

II Mục đích và giới hạn của đề tài

III Nội dung đề tài

1 Cơ sở lý thuyết của đề tài

Tìm hiểu bộ giao thức mạng TCP/IP

Nghiên cứu giao tiếp giữa Chip Ethernet ENC28J60 với Vi điều khiển

Sơ đồ khối thực hiện đề tài

I Tổng quan về đề tài

Với nhu cầu về thông tin của con người

ngày càng tăng, đồng thời việc ứng dụng các thiết bị Internet ngày càng được phổ

biến rộng rãi, do đó việc sử dụng mạng

Internet để truyền tín hiệu là phương thức thuận tiện nhất

Việc ứng dụng đường truyền Internet được thực hiện trong phạm vi sử dụng rất rộng, bất kỳ nơi đâu nếu có Internet là có thể

thực hiện được phương thức truyền

I Tổng quan về đề tài

 Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, nhóm quyết định nghiên cứu và thực

hiện đề tài: ”Điều khiển thiết bị

trong nhà qua mạng Internet”

I Tổng quan về đề tài

Với đề tài này, nhóm tiến hành thực hiện

đề tài theo hai giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Thiết kế và thi công hệ

thống điều khiển các thiết bị qua mạng nội bộ LAN (Local Area Network)

 Giai đoạn 2: Dựa trên mô hình đã thi

công ở giai đoạn thứ nhất, nhóm mở

rộng hệ thống thông qua mạng diện rộng WAN (Wide Area Network)

II Mục đích

Phá vỡ được những hạn chế về mặt khoảng cách

Có thể điều khiển được bất kỳ nơi nào nếu nơi đó có mạng Internet

Có thể biết được trạng thái hoạt động của các thiết bị ở xa qua màn hình điều khiển

II Mục đích

Không tập trung nghiên cứu sâu vào cấu tạo cũng như cách thức hoạt động của

mạng Internet

III Nội dung đề tài

3.1 Giao thức mạng TCP/IP:

TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau

TCP/IP là viết tắt của Transmission

Control Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền thông)/Internet Protocol (Giao thức Internet), ngày nay TCP/IP được sử dụng rộng rãi trong các mạng cục bộ cũng như trên mạng Internet toàn cầu

III Nội dung đề tài

Kiến trúc TCP/IP theo mô hình quy chiếu OSI:

III Nội dung đề tài

Tầng liên mạng (Network Interface Layer):

Tầng Liên Mạng có trách nhiệm đưa dữ liệu tới

và nhận dữ liệu từ phương tiện truyền dẫn

Tầng mạng (Internet Layer): Tầng này có chức

năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến

(Route) dữ liệu Bốn giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm: IP (Internet Protocol), ARP (Address Resolution Protocol), ICMP (Internet Control Message Protocol), IGMP (Internet

Group Management Protocol).

III Nội dung đề tài

Tầng giao vận (Transport Layer): Có trách nhiệm

thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu 2 giao thức chính trong tầng này gồm có 2 giao thức chính: TCP và UDP (User

DNS (Domain Name System), FTP (File Transfer

Protocol), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)…

III Nội dung đề tài

 Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP

III Nội dung đề tài

 TCP/IP là một bộ giao thức được thiết

kế để đạt được hai mục tiêu chính:

Cho phép truyền thông qua các đường dây của mạng rộng (Wide Area

Network – WAN)

Cho phép truyền thông giữa các môi trường đa dạng

III Nội dung đề tài

3.2 Mạng LAN (Local Area Network) và công nghệ Ethernet:

a Mạng LAN

Mạng cục bộ (LAN) là hệ truyền thông tốc

độ cao được thiết kế để kết nối các máy

tính và các thiết bị xử lý dữ liệu khác cùng hoạt động với nhau trong một khu vực địa

lý nhỏ như ở một tầng của toà nhà, hoặc

trong một toà nhà

III Nội dung đề tài

Các cấu trúc của mạng LAN:

 Mạng hình sao:

III Nội dung đề tài

Mạng hình tuyến:

III Nội dung đề tài

Mạng dạng vòng:

III Nội dung đề tài

b Công nghệ Ethernet:

Hơn 20 năm trước, Ethernet ra đời mang lại một mạng truyền dữ liệu nối tiếp tốc độ cao; tới nay, nó đã trở thành một chuẩn

được chấp nhận khắp thế giới, và là giao thức thống trị các mạng LAN

Tốc độ truyền dữ liệu phổ biến nhất của Ethernet là 10 triệu bit/s (10 Mbps), mặc

dù vậy, hầu hết các mạng hiện nay đang

được nhanh chóng nâng cấp lên Fast

Ethernet với tốc độ 100 Mbps

III Nội dung đề tài

Điểm khác biệt lớn mà Ethernet mang lại

là các máy tính có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau mà không cần qua máy tính trung tâm

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)

III Nội dung đề tài

3.3 Sơ đồ khối thực hiện đề tài:

Mô hình:

III Nội dung đề tài

HTTP (HyperText Transfer Protocol) là

một trong năm giao thức chuẩn về mạng

Internet, được dùng để liên hệ thông tin giữa Máy cung cấp dịch vụ (Web server) và máy

sử dụng dịch vụ (Web client), là giao thức

Client/Server dùng cho World Wide

Web-WWW.

Dynamic Host Configuration Protocol

(DHCP) là giao thức cung cấp phương pháp

thiết lập các thông số cần thiết cho hoạt động của mạng TCP/IP giúp giảm khối lượng công việc cho quản trị hệ thống.

III Nội dung đề tài

DNS (Domain Name System): Hệ thống

tên miền

FTP (File Transfer Protocol): Giao thức

truyền tập tin, thường được dùng để trao đổi tập tin qua mạng lưới truyền thông dùng giao thức TCP/IP

Cách biểu diễn và cách tính IP

Giao thức Internet phiên bản 4 (IPv4) là

phiên bản thứ tư trong quá trình phát triển của các giao thức Internet (IP), là giao thức được triển khai rộng rãi nhất trong bộ giao thức của lớp internet

IPv4 sử dụng 32 bits để đánh địa chỉ, 32

bits địa chỉ của IP được chia thành 4 nhóm (dạng phân nhóm - dotted format), mỗi

nhóm gồm 8 bits (gọi là một octet), các

nhóm này phân cách nhau bởi dấu chấm

Cách biểu diễn và cách tính IP

 Để thuận tiện cho người sử dụng, các octet này được chuyển đổi sang giá trị thập phân VD: 192.168.1.1

 Ban đầu, một địa chỉ IP được chia thành hai

Cách biểu diễn và cách tính IP

 Để vượt qua giới hạn này, việc phân lớp mạng

đã được định nghĩa Theo đó, có 5 lớp mạng (A, B, C, D và E) được định nghĩa.

 Lớp A sử dụng 8 bits cho phần network

 Lớp B dùng 16 bits cho network

 24 bits được sử dụng để xác định phần

network cho lớp C, do đó, mỗi network của

lớp C chỉ còn 8 bit để đánh địa chỉ host

 Lớp D được dùng cho địa chỉ multicast còn

lớp E sử dụng cho thí nghiệm.

Mối liên quan giữa địa chỉ vật lý và IP

 Một thực thể trong mạng được xác định chỉ qua địa chỉ mạng mà không cần địa chỉ vật lý Dữ liệu được truyền qua mạng chỉ dựa vào địa chỉ mạng Khi nào dữ liệu tới mạng LAN thì địa

chỉ vật lý mới cần thiết để đưa dữ liệu tới đích.

Mối liên quan giữa địa chỉ vật lý và IP

Mạng Internet có trách nhiệm dựa vào 2 địa chỉ mạng trên để đưa dữ liệu tới mạng 132.5 Khi tới mạng 132.5 thì dựa vào địa chỉ 8.12 sẽ tìm ra địa chỉ vật lý thực để

truyền dữ liệu tới đích

Sơ đồ mạng LAN và WAN

III Nội dung đề tài

Mô hình phần cứng:

Chip Ethernet ENC28J60

Chip ENC28J60 giao tiếp với các vi xử lý khác thông qua chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), chỉ cần 3 dây cho cả đường ghi và đọc:

Chip Ethernet ENC28J60

 Đặc điểm chung:

 Tương thích chuẩn IEEE 802.3 Ethernet Controller

 Tích hợp địa chỉ MAC và 10BASE-T PHY

 Bộ đệm SRAM 8 Kbyte Transmit/Receive Packet Dual Port Buffer

 Chế độ tự động gửi lại khi có xung đột

 Chế độ tự động hủy bỏ các gói tin sai

Thiết bị kết nối mạng

 Thiết bị này đóng vai trò kết nối trung tâm cho tất cả các thiết bị mạng và xử lý một dạng dữ liệu được gọi là "frame" (khung) Mỗi khung đều

mang theo dữ liệu Khi khung được tiếp nhận, nó

sẽ được khuyếch đại và truyền tới cổng của PC đích.

 Với hub, một khung dữ liệu được truyền

đi hoặc được phát tới tất cả các cổng của thiết bị mà không phân biệt các cổng với nhau.

 Ngoài ra, một hub 10/100Mbps phải

chia sẻ băng thông với tất cả các cổng

của nó, đây chính là nhược điểm của

Hub

Router và Gateway

 Router thường được kết nối với ít nhất hai mạng, thông thường là hai mạng LAN hoặc WAN, hoặc một LAN và mạng của ISP nào đó Router được đặt tại gateway, nơi kết nối hai hoặc nhiều mạng khác nhau.

Router và Gateway

 Gateway cho phép nối ghép hai loại giao thức với nhau Ví dụ: mạng của bạn sử dụng giao thức IP và mạng của

ai đó sử dụng giao thức IPX, Novell, DECnet, SNA… hoặc một giao thức nào đó thì Gateway sẽ chuyển đổi từ loại giao thức này sang loại khác.

Web Server

Web Server là gì?

 Web Server (máy phục vụ Web): Web Server là máy chủ có dung lượng lớn, tốc độ cao, được dùng để lưu trữ thông tin như một ngân hàng dữ liệu, chứa những website đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quan khác.

 Tất cả các Web Server đều hiểu và chạy được các

file *.htm và *.html, tuy nhiên mỗi Web Server lại

phục vụ một số kiểu file chuyên biệt chẳng hạn như

IIS của Microsoft dành cho *.asp, *.aspx ; Apache dành cho *.php ; Sun Java System Web Server của SUN dành cho *.jsp

NHÓM 16

WEB SERVER

NHÓM 16

Web Server

 Web Server có khả năng gửi đến máy khách

những trang Web thông qua môi trường Internet qua giao thức HTTP - giao thức được thiết kế để gửi các file đến trình duyệt Web (Web Browser),

Web Server

 Khi máy tính của bạn kết nối đến một Web Server

và gửi đến yêu cầu truy cập các thông tin từ một trang Web nào đó, Web Server Software sẽ nhận yêu cầu và gửi lại cho bạn những thông tin mà

bạn mong muốn Nhờ có chương trình này mà

người sử dụng có thể truy cập đến các thông tin của trang Web từ một máy tính khác ở trên mạng (Internet).

NHÓM 16

Cách thức hoạt động của Web Server

 Khi nhập một địa chỉ web vào trình duyệt web thì trình duyệt liên hệ với máy chủ tên miền (DNS

Server) để chuyển đổi tên miền "

http://www.td06.tk" ra địa chỉ IP (Internet

Protcool).

 Sau đó, trình duyệt sẽ gửi tiếp một kết nối tới máy chủ có địa chỉ IP tương ứng qua cổng 80 (cổng

hoạt động của giao thức HTTP) Dựa trên giao

thức HTTP, trình duyệt gửi yêu cầu GET đến máy chủ, yêu cầu tệp “http://www.td06.tk/index.html"

NHÓM 16

Cách thức hoạt động của Web Server

Tiếp đến, máy chủ sẽ gửi đoạn text dạng HTML đến trình duyệt web của bạn

Trình duyệt web đọc các thẻ HTML, định dạng trang web và kết xuất ra màn hình

của bạn

NHÓM 16

Mạng WAN và công nghệ NAT

Công nghệ NAT

NAT (Network Address Translation) là một

kỹ thuật được phát minh lúc khởi đầu dùng để giải quyết vấn đề IP shortage.

 Khi có hai máy tính ở trên cùng một lớp mạng (cùng subnet), các máy tính này kết nối trực tiếp với nhau, điều này có nghĩa là chúng có thể gởi và nhận dữ liệu trực tiếp với nhau

 Tuy nhiên nếu một máy tính nào đó muốn kết nối tới một máy khác trên internet thì phải

làm thế nào? Đó chính là nhiệm vụ của NAT

Công nghệ NAT

 Ưu điểm của NAT:

 Chia sẽ kết nối internet với nhiều máy bên trong LAN với một địa chỉ IP của WAN

 Firewall, nó giúp dấu tất cả IP bên

trong LAN với thế giới bên ngoài, tránh

sự dòm ngó của hackers

 Tính linh hoạt và sự dễ dàng trong việc quản lý

Cách tạo Web Server để điều khiển

Bước 1: Thiết lập IP tĩnh (IP LAN) cho PC

 Vào Start / Control Panel / Network Connections.

 Nhấp phải chuột vào Local Area Connection

Chọn Properties

Cách tạo Web Server để điều khiển

 Chọn Internet Protocol (TCP/IP) Chọn

Properties

Cách tạo Web Server để điều khiển

 Chọn và thiết lập các thông số như hình vẽ sau đó click OK.

Cách tạo Web Server để điều khiển

Bước 2: Lập trình giao diện điều khiển

(dùng ngôn ngữ HTML hoặc Java…)

Bước 3: Mở cổng giao tiếp Web thông qua

giao thức HTTP với địa chỉ IP tĩnh vừa

thiết lập

Bước 4: Đăng ký 1 tên miền miễn phí ở

trang DynDns.com và dùng phần mềm để cập nhật thường xuyên IP WAN (IP động)

mà nhà cung cấp mạng cấp cho mình

Cách mở Port Fowarding để điều khiển qua

mạng WAN

 Khởi động phần mềm Simple Port Fowarding, chon đúng loại Router và click vào Update

Router

Cách mở Port Fowarding để điều khiển qua

mạng WAN

 Mở trình duyệt Web và gõ đúng địa chỉ của

Router đó (192.168.1.1 đối với Router Zyrex)

Cách mở Port Fowarding để điều khiển qua

mạng WAN

 Chọn thẻ Security -> Firewall, bỏ chọn ở khung Active Firewall rồi chọn Apply

Cách mở Port Fowarding để điều khiển qua

mạng WAN

 Tiếp tục chọn thẻ Network -> NAT, chọn Tab Port Fowarding để Add Port và địa chỉ IP (IP LAN) của Web Server.

Quá trình thực hiện đề tài

 Tìm hiểu về mạng Internet: Cách cấu hình mạng, địa chỉ IP, các giao thức liên quan đến Internet

như HTTP, DHCP, NTP, DNS…

 Tìm hiểu về giao thức TCP/IP để ứng dụng vào đề tài

 Nghiên cứu và lập trình giao tiếp giữa vi điều

khiển AVR và chíp Ethernet

 Tìm hiểu và ứng dụng bộ thư viện TCP/IP Stack của Microchip vào đề tài

Quá trình thực hiện đề tài

Tìm hiểu cách thức quản lý và điều khiển thông qua Web Server

Tự nghiên cứu và sử dụng ngôn ngữ

HTML để lập trình giao diện điều khiển của Web Server

Thiết kế và thi công phần cứng

Kết quả và giới hạn của đề tài

 Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù thời gian hạn hẹp, tài liệu tham khảo quá ít, nhưng nhóm

đã cố gắng hết sức mình, nhiệt tình trong công

việc nghiên cứu và cuối cùng đề tài đã hoàn

thành tốt đẹp.

 Một ưu điểm quan trọng của đề tài là có thể ứng dụng ngay vào thực tế để điều khiển thiết bị điện thông qua mạng Internet.

 Tuy nhiên, khi đưa vào sử dụng trong thực tế

mạng Internet, sẽ gặp phải những khó khăn trong việc xây hệ thống bảo mật, chống phá hoại và

thâm nhập trái phép.