Thiết kế và thi công mạng điều khiển miwi dùng module mrf24j40ma

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  SVTH: NGUYỄN èNH MINH Vế VN TRIU Đề tài: THIT K V THI CÔNG MẠNG ĐIỀU KHIỂN MIWI DÙNG MODULE MRF24J40MA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  SVTH: NGUYỄN ĐÌNH MINH - 0751040040 VÕ VĂN TRIỀU - 0751040071 §Ị tµi: THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MẠNG ĐIỀU KHIỂN MIWI DÙNG MODULE MRF24J40MA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Th.S PHAN VĂN ĐỨC TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, mạng không dây WiFi, WiMax, 3G dần trở nên phổ biến khơng cịn xa lạ với người Với đà phát triển nay, công nghệ không dây hướng tới việc kết nối thiết bị gia dụng kết nối phận chức ngơi nhà để điều chỉnh kiểm soát từ xa hệ thống gaz, điện nước, ánh sáng… Chuẩn kết nối không dây IEEE 802.15.4 đời nhằm thiết lập nên mạng cá nhân không dây (WPAN – Wireless Personal Area Networks) phục vụ truyền thông tin khoảng cách tương đối ngắn ngơi nhà Mạng WPAN liên lạc hiệu mà khơng địi hỏi nhiều sở hạ tầng, giá thành thiết bị rẻ, nhỏ gọn, tiêu hao lượng mà đem lại hiệu cao liên lạc Với mong muốn xây dựng mạng không dây truyền tin tin cậy, đề tài nghiên cứu Giao Thức Kết Nối Mạng Không Dây MiWi TM (một phiên thu gọn ZigbeeTM Microchip) sử dụng thu phát MRF24J40 2.4 GHz Microchip cho mạng dùng chuẩn IEEE 802.15.4 để truyền, nhận thông tin hệ thống mạng Trong phạm vi luận văn, chúng em trình bày vấn đề “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠNG ĐIỀU KHIỂN MIWI DÙNG MODULE MRF24J40MA”, luận văn trình bày gồm phần: Phần : Lý thuyết : Tìm hiểu giao thức kết nối mạng không dây MiWiTM dựa chuẩn IEEE 802.15.4 Phần : Ứng dụng : Thiết kế thi cơng mạng điều khiển MIWI, Tìm hiểu module MRF24J40MA, thiết kế thi công ứng dụng thực tế i MỤC LỤC ĐỀ MỤC Trang Trang bìa Nhiệm vụ Luận văn tốt nghiệp Phiếu chấm bảo vệ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt luận văn .i Mục lục ii Danh sách hình vẽ .vii Danh sách bảng .ix Các chữ viết tắt x PHẦN 1: LÝ THUYẾT Chương : GIAO THỨC KẾT NỐI MẠNG KHÔNG DÂY – MiWi ( MICROCHIP WIRELESS) .2 1.1 1.2 1.3 Tổng quan giao thức MiWi 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các đặc điểm 1.1.3 Giao thức MiWi Cấu hình mạng giao thức MiWi 1.2.1 Cấu hình hệ thống mạng hình ( Star ) .6 1.2.2 Cấu hình hệ thống mạng dạng Cluster – tree 1.2.3 Cấu hình hệ thống mạng dạng mắt lưới 1.2.4 Cấu hình Peer – to – peer (P2P) Định địa 1.3.1 Bộ nhận dạng mở rộng đơn mặt tổ chức (EUI - Extended Organizationally Unique Identifier) 1.3.2 PAN ID (PAN Identifier) ii 1.3.3 1.4 Short Address .9 Giao thức truyền tin MiWi 10 1.4.1 Định dạng gói .11 1.4.2 Định tuyến 12 1.4.3 Quảng bá thông điệp 15 1.4.4 Tìm hiểu node hệ thống mạng EUI .15 1.4.5 Mở Socket cho thiết bị 16 1.5 Các hàm giao thức MiWi 18 1.6 Kết luận 25 Chương : GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG KHÔNG DÂY – MiApp (MICROCHIP – APPLICATION) .26 2.1 Tổng quan MiApp 26 2.2 Cấu hình file MiApp 28 2.3 Giao diện hàm MiApp 35 2.3.1 Khởi tạo 36 2.3.2 Handshaking .36 2.3.2.1 MiApp_StartConnection 36 2.3.2.2 MiApp_SearchConnection 37 2.3.2.3 MiApp_RemoveConnection 38 2.3.2.4 MiApp_EstablishConnection 39 2.3.2.5 MiApp_ConnectionMode .39 2.3.3 Gởi thông điệp 40 2.3.4 Nhận thông điệp 42 2.3.5 2.3.4.1 MiApp_MessageAvailable .42 2.3.4.2 MiApp_DiscardMessage 43 Chức đặc biệt .43 2.3.5.1 Quét phát nhiễu .43 2.3.5.2 Trạng thái lượng thu phát 44 iii 2.4 Kết luận .45 Chương : ĐIỀU KHIỂN ĐA TRUY CẬP MẠNG KHÔNG DÂY – MiMAC (MICROCHIP WIRELESS MEDIA ACCESS CONTROLL) .46 3.1 Giới thiệu 46 3.2 Tổng quan MiMAC .47 3.3 3.4 3.2.1 Định dạng Frame MiMAC 47 3.2.2 Module bảo mật MiMAC 47 3.2.3 Giao diện lập trình MiMAC .47 Định dạng khung MiMAC 48 3.3.1 PHY Layer 49 3.3.2 MAC Layer 49 3.6 MAC Header 49 3.3.2.2 MAC Payload 55 3.3.2.3 MAC CRC .55 Module bảo mật MiMAC 56 3.4.1 3.5 3.3.2.1 Lựa chọn cấu bảo mật MiMAC .57 3.4.1.1 Bảo mật chi phí thấp 57 3.4.1.2 Tăng cường sức mạnh bảo mật 57 3.4.2 Mật mã khối XTEA 58 3.4.3 Chỉnh sửa mật mã khối XTEA 60 3.4.3.1 Các chế độ bảo mật .60 3.4.3.2 Định dạng gói tin bảo mật .61 Giao diện lập trình MiMAC 62 3.5.1 Cấu hình MiMAC 63 3.5.2 Truyền gói tin .67 3.5.3 Nhận gói tin .69 3.5.4 Tính đặc biệt 71 Kết luận .73 iv PHẦN : ỨNG DỤNG Chương : THIẾT KẾ MẠNG ĐIỀU KHIỂN 74 4.1 Thiết kế mạng điều khiển 74 4.1.1 Sơ đồ khối 74 4.1.2 Sơ đồ nguyên lý 74 4.2 Giới thiệu Vi điều khiển dsPIC30F4011 77 4.3 Module MRF24J40MA 82 4.3.1 4.3.2 4.4 4.5 Giới thiệu 82 4.3.1.1 Các đặc điểm 82 4.3.1.2 Thông số hoạt động .82 4.3.1.3 Các đặc điểm RF / Analog .82 4.3.1.4 Các đặc điểm MAC / Baseband .83 Tổng quan thiết bị 83 4.3.2.1 Mô tả giao diện 84 4.3.2.2 Các chi tiết lắp đặt 86 Thiết kế phần cứng 86 4.4.1 Vi điều khiển 86 4.4.2 Module MRF24J40MA 87 4.4.3 Kết nối PC RS232 .88 4.4.4 Thiết bị trung tâm thiết bị thành viên 90 Thiết kế phần mềm 91 4.5.1 Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển 92 4.5.2 Thiết kế phần mềm PC 94 Chương : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97 5.1 Những kết đạy .97 5.2 Ứng dụng 97 5.3 Hướng phát triển đề tài .98 v Tài liệu tham khảo .99 Phụ lục 100 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Chương Trang Hình 1.1 Cấu hình hệ thống mạng hình (Star) Hình 1.2 Cấu hình hệ thống mạng dạng Cluster – Tree Hình 1.3 Cấu hình hệ thống mạng dạng mắt lưới (Mesh) .8 Hình 1.4 Cách xếp bit địa ngắn giao thức MiWi .9 Hình 1.5 Gán địa ngắn hệ thống mạng điển hình dùng giao thức MiWi 10 Hình 1.6 Định dạng header gói tin dùng giao thức MiWi 11 Hình 1.7 Biểu đồ định dạng cho việc chuyển tiếp gói tin 14 Hình 1.8 Thứ tự cho việc yêu cầu tìm kiếm đáp ứng địa EUI 15 Hình 1.9 Thứ tự cho việc yêu cầu đáp ứng mở socket .17 Hình 1.10 Thứ tự cho việc yêu cầu đáp ứng mở p2p socket 17 Chương Hình 2.1 Sơ đồ khối cho ngăn xếp khơng dây Microchip (MiWi™) .27 Chuong Hình 3.2 Định dạng khung MiMAC .48 Hình 3.3 Cấu tạo trường Extra Control 53 Hình 3.4 Sơ đồ khối cho thuật tốn mã hóa XTEA 59 Hình 3.5 Lưu đồ cho thuật tốn mã hóa khối chế độ ECB 60 Hình 3.9 Định dạng khung cho gói bảo mật 61 Chương Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống mạng 75 Hình 4.2 Sơ đồ khối thiết bị trung tâm 76 Hình 4.3 Sơ đồ khối users .76 Hình 4.4 Sơ đồ chân vi điều khiển dsPIC30F4011 chân cắm .78 vii Hình 4.5 Sơ đồ chân vi điều khiển dsPIC30F4011chân dán 78 Hình 4.6 Sơ đồ khối vi điều khiển dsPIC30F4011 79 Hình 4.7 Sơ đồ chân module MRF24J40MA .83 Hình 4.8 Sơ đồ khối MRF24J40MA 85 Hình 4.9 Giao diện vi điều khiển kết nối với MRF24J40MA .85 Hình 4.10 Các chi tiết việc lắp ghép 86 Hình 4.11 Vi điều khiển dsPIC30F4011 87 Hình 4.12 Module MRF24J40MA 88 Hình 4.13 Kết nối RS232 .89 Hình 4.14 Thiết bị trung tâm thiết bị thành viên 90 Hình 4.15 Lưu đồ thuật toán thiết bị trung tâm 92 Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán thiết bị thành viên .93 Hình 4.17 Giao diện tổng quát phần mềm quản lý 94 Hình 4.18 Thiết bị trung tâm gửi data mức độ sử dụng kênh truyền 95 Hình 4.19 Các users thành viên kết nối vào hệ thống mạng 95 Hình 4.20 Các users thành viên truyền liệu thiết bị trung tâm 96 viii Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC Hình 4.18 Thiết bị trung tâm gửi data mức độ sử dụng kênh truyền Hình 4.19 Các users thành viên kết nối vào hệ thống mạng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 95 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC Hình 4.20 Các users thành viên truyền liệu thiết bị trung tâm ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 96 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Sau 12 tuần thực luận văn, kết lý thuyết thực hành trình bày chương trước luận văn Có thể tóm tắt lại kết thu sau trình thực sau:  Nắm quy trình phân tích u cầu, lựa chọn giải pháp thiết kế thiết kế hệ thống đáp ứng yêu cầu đề  Tìm hiểu rõ triển khai hệ thống khơng dây MiWi, khởi tạo thiết bị trung tâm, thiết bị thành viên, thực truyền nhận liệu …  Tìm hiểu thiết kế hệ thống phần mềm giao diện máy tính  Đã thiết kế thành công thiết bị trung tâm thiết bị thành viên yêu cầu luận văn Hệ thống phần mềm tích hợp kèm ứng dụng số lĩnh vực thực tế Tuy nhiên, hoàn thành nhiệm vụ đặt thời gian có hạn kinh phí hạn chế nên giải pháp số tồn định 5.2 ỨNG DỤNG Chuẩn không dây MiWi chuẩn nhanh chóng nhiều doanh nghiệp giới tỏ đặc biệt quan tâm, với danh sách hãng ủng hộ bao gồm Microchip, Atmel, AMI Semiconductor, Ember, Honey Well, Philips RF Micro Devices Các hãng nhanh chóng phát triển phần cứng đưa vào thị trường để thăm dò Ở Việt Nam, nhiều yếu tố mà sử dụng chuẩn MiWi dạng mơ hình ứng dụng nhỏ phục vụ cho nghiên cứu chưa thấy công ty, hay hãng nước tung sản phẩn có ứng dụng thực tế Thơng qua đề ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 97 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC tài này, hy vọng khai thác triệt để lợi chuẩn MiWi để xây dựng hệ thống hồn chỉnh ứng dụng số lĩnh vực đời sống : kiểm sốt hệ thống đèn, thiết bị phát khói lửa, ổn nhiệt, đầu vào video âm thanh, hệ thống bình phun nước cứu hoả… Ứng dụng hệ thống an ninh… 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Về kết đạt đề tài đáp ứng yêu cầu đặt ban đầu Tuy nhiên đề tài mang tính chất nghiên cứu chuẩn khơng dây MiWi, nên phần ứng dụng chưa xây dựng hoàn thiện Để xây dựng hệ thống “Hệ thống mạng sử dụng chuẩn khơng dây MiWi” mà sử dụng thực tế đưa số giải pháp thiết kế:  Phần cứng:  Khối LCD : hiển thị nội dung nhận từ thiết bị trung tâm  Có thể sử dụng Module MRF24J40MB để tăng bán kính hoạt động lên gấp 10 lần ( gần 1km)  Xây dựng thêm module qua SMS module Ethenet  Phần mềm:  Phần mềm vi điều khiển cần thiết kế xây dựng mạng MiWi ổn định, phát huy hết tính chuẩn không dây MiWi  Phần mềm máy tính cần xây dựng hệ thống quản lý chuyên nghiệp, cập nhật thông tin đầy đủ, giao diện thân thiện, dễ quản lý Chúng ta quản lý hệ thống từ Internet… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 98 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Microchip Wireless (MiWi™) Application Programming Interface – MiApp, Microchip Technology Inc 2009 Yifeng Yang (2009), Microchip Wireless (MiWi™) Media Access Control - MiMAC, Microchip Technology Inc MRF24J40MA Data Sheet – IEEE 802.15.4™ 2.4GHz RF Transceiver (DS39776), Microchip Technology Inc 2008 Yifeng Yang (2008), AN1204 Microchip MiWi™ P2P Wireless Protocol (DS01204), Microchip Technology Inc [5] Microchip dsPIC30F4011/4012 Data Sheet, Microchip Technology Inc [6] Microchip dsPIC30F Family Reference Manual, dsPIC30F Family Reference Manual Errata Sheet, Microchip Technology Inc [7] Microchip dsPIC30F4011/4012 Data Sheet, Microchip Technology Inc Một số trang Web tham khảo [8] http://www.microchip.com [9] http://www.dientuvietnam.net [10] http://www.picvietnam.com [11] http://www.google.com ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 99 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC PHỤ LỤC  Mã Code giao diện PC (dùng phần mềm Microsoft Visual Basic 6.0) Private Sub Clear_Click() user2.Caption = "" user3.Caption = "" User4.Caption = "" End Sub Private Sub Command1_Click() MSComm1.Output = Text1.Text + Chr$(0) End Sub Private Sub Form_Load() With MSComm1 Settings = "115200,N,8,2" CommPort = RThreshold = SThreshold = InputMode = comInputModeText InputLen = Handshaking = comNone InBufferSize = 1024 OutBufferSize = 1024 If PortOpen = False Then PortOpen = True ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 100 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC End If End With End Sub Private Sub MSComm1_OnComm() If MSComm1.InBufferCount > Then User4.Caption = User4.Caption & MSComm1.Input Else Select Case MSComm1.Input Case "2A" user2.Caption = "A" Case "2B" user2.Caption = "B" Case "2C" user2.Caption = "C" Case "2D" user2.Caption = "D" Case "3A" user3.Caption = "A" Case "3B" user3.Caption = "B" Case "3C" user3.Caption = "C" Case "3D" user3.Caption = "D" Case Else ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 101 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC user2.Caption = user2.Caption & "" user3.Caption = user3.Caption & "" End Select End If End Sub  Mã code cho Vi điều khiển (Vì code cho Vi điều khiển có nhiều file cung cấp từ Microchip chúng hỗ trợ cho lúc chạy chương trình, nên đồ án Chúng em đưa đoạn code chương trình chính) #include "Compiler.h" #include "config.h" #include "MSPI.h" #include "Console.h" #include "p30f4011.h" #include "MCHP_API.h" #include "SymbolTime.h" #include "INT1.h" //MIPS 14.7456 _FOSC(CSW_FSCM_OFF & XT_PLL8); //Run this project using an external crystal _FWDT(WDT_OFF); //Turn off the Watch-Dog Timer _FBORPOR(MCLR_EN & PWRT_OFF&RST_IOPIN);//Enable MCLR reset pin and turn off the #define LIGHT 0x01 #if ADDITIONAL_NODE_ID_SIZE > ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 102 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC BYTE AdditionalNodeID[ADDITIONAL_NODE_ID_SIZE] = {LIGHT}; #endif BYTE NoiseLevel,OptimalChannel,NumOfActiveScanResponse,PeerIndex,button; BYTE PeerIndex=0; extern CONNECTION_ENTRY ConnectionTable[CONNECTION_SIZE]; char Data_Send_Out[17]={'\r','\n','U','S','E','R','1',' ','C','O','N','E','C','T','E','D','\ 0'}; char But1[3]={'1','A','\0'}; char But2[3]={'1','B','\0'}; char But3[3]={'1','C','\0'}; char But4[3]={'1','D','\0'}; char data_rcv_3232; BYTE receive_status=0; char Data_Send_Out_FromRS232[50]; int datapointer=0; char Data_RF_ComIN[17]; void CN_Init(void) { ADPCFG=0x003F; //xac dinh port B la phim nhan _TRISC14=1; // uart _TRISC13=1; _TRISB0=1; _TRISB1=1; _TRISB2=1; _TRISB3=1; _TRISB4=1; ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 103 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC _TRISB5=1; } int main() { ConsoleInit(); //khai bao Uart2 (baudrate=115200; U2STA = 0x8400, U2MODE = 0xA401) MSPI_Init(); //khai bao SPI1 (CON=0x0123,STAT=0xA000)khai bao master, toc 1.843200 Mhz init_INT1(); //khai bao ngat1 CN_Init(); //khai bao phim nhan (RB0123) InitSymbolTimer(); FormNetwork(); //Tao mot mang while(MiApp_ProtocolInit()==FALSE); OptimalChannel = MiApp_NoiseDetection(0xFFFFFFFF, 10, NOISE_DETECT_ENERGY, &NoiseLevel); Printf("\r\nKenh truyen tot nhat: \0"); PrintDec(OptimalChannel); if( TRUE == MiApp_SetChannel(13) ) { Printf("\r\n"); } MiApp_ConnectionMode(ENABLE_ALL_CONN); while((PeerIndex = MiApp_EstablishConnection(0xFF, CONN_MODE_DIRECT))==0xFF); MiApp_FlushTx(); ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP //xoa sach du lieu bo dem truyen 104 SVTH : Võ Văn Triều Nguyễn Đình Minh Chương 4: Thiết kế mạng điều khiển GVHD : Ths PHAN VĂN ĐỨC int i=0; for( i=0;i