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

THỰC HIỆN LỆNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TRAO ĐỔI THÔNG TIN BẰNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY Trang 2 --- NINH VIẾT NGỌCĐề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỌN MENU TỰ ĐỘNG.. THỰC HIỆN LỆNH ĐIỀU KHIỂN VÀ TRAO ĐỔI

Trang 1

BẰNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

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

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

t p h p t nhi u ngu n tài li u và liên h ậ ợ ừ ề ồ ệ ệthự ế ếc t vi t ra, không sao chép c a b t k ủ ấ ỳluận văn nào trước đó

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhi m v n i dung c a luận văn này ệ ề ộ ủ

Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2012

TÁC GI LUẢ ẬN VĂN

Ninh Viết Ng c ọ Khoá: Cao học 2010 -2012

Trang 4

MỤC LỤC

Trang Danh m c các hình v 3 ụ ẽDanh m c các b ng 5 ụ ả

L I M Ờ Ở ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM V , YÊU CẦỤ U THI T KẾ HỆ THỐNG 8 Ế1.1 Ý TƯỞNG THI T K 8 Ế Ế1.1.1 Các tính năng chính: 8 1.1.2 Lợi ích của vi c sử ụệ d ng h ống: 8 ệth1.2 MÔ TẢ Ệ THỐNG H 9 CHƯƠNG 2: GIỚI THI U CÁC THI T B C A H TH NG 11 Ệ Ế Ị Ủ Ệ Ố2.1 VI ĐIỀU KHI N AVR A™EGA16 11 Ể2.1.1 Đặc điểm chung 11 2.1.2 Nguyên lý làm vi c 13 ệ2.2 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD TG240128A-04 21 2.2.1 c Đặ điểm chung 21 2.2.2 Sơ đồ kh iố 21 2.2.3 Chứ năng các ch i u khi n 22 c ân đ ề ể2.3 CHUẨN TRUY N THÔNG ZigBee/IEEE 802.15.4 23 Ề2.3.1 Đặc điểm 25 2.3.2 Thành phần M ng ZigBee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 25 ạ2.3.3 T ng v t lý ZigBee/IEEE 802.15.4 29 ầ ậCHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HO T Đ NG C A H TH NG 46 Ạ Ộ Ủ Ệ Ố

Trang 5

và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây 2012 3.1.1 Khối ngu n 50 ồ

3.1.2 Khối RS485 50

3.1.3 Khối phím b m 53 ấ 3.1.4 Khối hi n ể thị 54

3.1.5 Khối vi điều khi n 55 ể 3.2 MẠCH NGUYÊN LÝ 57

3.3 SƠ ĐỒ MẠCH IN 58

3.4 MẠCH Ắ L P RÁP 3D 59

3.5 MÔ HÌNH 59

3.6 THỬ NGHIỆM H ỆTHỐNG 61

3.6.1 Cơ s d ở ữli thệu ử nghi m 61 ệ 3.6.2 K t qu th nghi m h ế ả ử ệ ệthống 64

3.7 HƯỚNG DẪN SỬ ỤNG THIẾ D T B 64 Ị 3.8 Đ ỀU HIỂI K N VÀ QUẢN LÝ Ệ THỐNGH 64

3.8.1 PH N M M L P Ầ Ề Ậ TR NHÌ VÀ THIẾT K H THẾ Ệ ỐNG 64

3.8.2 SƠ ĐỒ THUẬ TOÁN 70 T CHƯƠNG 4: K T LU N 80 Ế Ậ 4.1 KẾT QUẢ THU ĐƯỢC 80

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀTÀI 80 TÀI LIỆU THAM KH O 83 Ả

Trang 6

Danh mục các hình vẽ

Hình 1-1: Sơ đồkhố ủ i c a h ệthống 9

Hình 2-1: các chân c a ATmega16 14 Sơ đồ ủ Hình 2-2: Sơ đồkhố ủ i c a b USART 17 ộ Hình 2-3: Sơ đồkhố i cách phát tốc độ Baud 18

Hình 2-4: Sơ đồ ộ b biến đổi A/D 20

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

Hình 2-6: Sơ đồkhố ủ i c a LCD TG240128A- 22 04 Hình 2-7: C u trúc liên ấ kết mạng 26

Hình 2-8: C u trúc m ng hình sao (Star) 27 ấ ạ Hình 2-9: C u trúc mấ ạng lưới (Mesh) 27

Hình 2-10: C u trúc m ng hình cây 28 ấ ạ Hình 2.11: Mô hình giao thức của ZigBee 29

Hình 2.12: dịch vụ ữ ệ d li u PHY và dịch v qu n lý PHY 30 ụ ả Hình 2-13: Băng tần h ệthố ng c a Zigbee 31 ủ Hình 2-14: Sơ đồ điều ch 32 ế Hình 2-15: Lưu đồthuật toán 37

Hình 2-16: Liên l c trong m ng không h ạ ạ ỗtrợ beacon 39

Hình 2-17: Liên l c trong m ng có h ạ ạ ỗtrợ beacon 39

Hình 2-18: Kết nố i trong m ng h ạ ỗtrợ beacon 40

Hình 2-19: Kết nối trong m ng không h ạ ỗtrợ phát beacon 41 Hình 2-20: Khung tin mã hóa t ng MAC 43 ầ

Trang 7

Hình 3-1: Sơ đồkhố i Master-Slave 47 Hình 3-2: Sơ đồkhố ủ i c a thiết bị ự l a ch n 48 ọ

Hình 3-3: Sơ đồ giao ti p giế ữa vi điều khi n và máy tính 49 ể

Hình 3-13: H ệthố ng hoàn ch nh 60 ỉ

Hình 3-14: Giao di n c a Altium Designer 66 ệ ủ

Hình 3-15: Sơ đồthuậ t toán cho Master 71 Hình 3-16: Sơ đồthuậ t toán cho Slave 75 Hình 3-17: Sơ đồthuậ t toán ng t cho Master Slave 78 ắ –

Trang 9

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 c a ủ luận văn bao g m 4 ồ chương như sau:

CHƯƠNG PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ, YÊU CẦU THIẾT KẾ HỆ THỐNG1:

CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG 2:

CHƯƠNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG3:

CHƯƠNG : KẾT LUẬ4 N

Trang 10

Do thời gian cho án không nhi và nh đồ ều trì độ bản thân có h n b ạn ên ản đồ

án này không th nh kh nh ng ểtrá ỏi ữ thiếu sót Em r t mong nh ấ ận được nhiều sự góp ý củacác thầy cô và b n bè ạ để bản đồ này án được hoàn thi ện hơn

Em xin chân thành c m ả ơn ới t cô giáo hướng ẫn: d GS.TS Ph m ạ 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

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 th y rấ ằng ệ thống cần h ith k g m 3 ết ế ồ thiết ị: b

 Mỗi bàn m t thi t dùng l a ch th c ăn là ộ ế bị để ự ọn ự đơn ồi r truyền về (thiết bị

l a ự 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 b uy ng êng rị t đứ ri ẽ nhưng chúng liên ết với k nhau theo m ột chu n ẩtruyền thông th ng ố 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 thkế hệ ống uytr ền ktin ết nối c i m ác đ ể mạng khác nhau h nghi m (t ử ệ

với tối thiểu điể 3 m v h ) ới ệ thống quản lý nhà ng M hà ột điểm m ng là m t ạ ộ thiết bị chọn món (tối hiếu t 10 món) có ặc tính sau: đ

 Khách hàng t có hể 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 gi a hai ữlần gọi món c a m bàn ủ ột

Trang 14

CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG2

Ngày nay, những ng ứ dụng của vi i đ ều khiển, màn hình LCD, máy vi tính,…

đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người T c hự tế hiện na h y ầuhếtcác thiết iện dân bị đ dụng đều scó ự góp mặt của vi iều iđ khển và vi x lý ng ử Ứ

dụng vi điều khiển trong thi tết kế hệ hống làm gi m ả chi phí thi k và h giá ết ế ạthành s n ph m ả ẩ đồng th nâng cao tính ời ổn định của i th ết bị và hệ th g ốn

2.1. VI ĐIỀU KHIỂN AVR A™EGA16

Vi điều hiển k AVR ATmega16 hãng Atmel (Hoa Kdo ỳ) sản xuất được giới thiệu lần đầu ă n m 1996 AVR nhcó rất iều dòng kh nhau ây là ác đ loại vi điều khiểnmới rất ạ m nh có rất nhiều ưu điểm so vớicác vi iều khiển khác như 89C5x đ v.v…Công ty Atmel nhà xlà uất hàng đầu về vi mạch (IC) là một kiến trúc phổ biếncủa các vi bộ xử lý hiện đạ i

Kiến trúc RISC v i ớ hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, uy tr nhập bộ nhớ nạp lưu - trữ (Loa Stord- e) và 32 thanh ghi a đ năng

Kiến trúc đường ống ệ l nh kiểu hai t ng ầ (Two-Stage uin str ction pe ine) cho pi lphép làm tăng ố độ t c thực thi lệnh

Có chứa nhi ều bộ phậ ngoạin vi ngay trên chíp bao g m cồ ổng I/O số, bộ

biến đổ i ADC, b nh Eộ ớ EPR M, bộ định thờO i, UART, bộ định thời RT C, bộ điềuchế độ rộng xung (PWM) v.v đặc điểm này được xem là nổi bật so với nhiều họ vi điều khiển kh vì trong khi ác nhiều bộ vi xử lý kh ác phải tạo b uyộtr ền nh n ậ UART hoặc giao diện PI bằngS ph n ầ mền hay máy ảo thì trên vi điều khiển AVR Atmega16 ại được thự hiện bằng hần ứ l c p c ng trên các vi điều khiển AVRAtmega16 tích đã 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 l n 89 C51x ầ )

I.1.1.1 Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình khô ng tự ất dữ m 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 b ngo i ị ạ vi được tích hợp ẵn s

- 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 điể đặc biệt m

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 đ óng gói

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

- 40 chân kiểu đóng gói PDIP, 44 chân ể ki u TQ và 44 chân FP kiểu ML F

- Từ 0 đến 16 MHzcho ATmega 16

I.1.1.7 Năng lượng tiêu th ụ ở chế độ 1MHz, 3Volt, ºC 25 đối với ATme 16L ga

Trang 17

Hình 2-1: Sơ đồ các chân c ATmega16ủa

chứ năngc là các cổng xuất, các b ộ đệm xuất nhập ủa c nó có m ột tính năng đối

x ng kh ng hút ứ là có ả nă hoặc cấp nguồn ca o Khi Po tA được sử d g r ụn như n ng hữ

ch (Input), chúng sân ẽ có khả năng hút dòng r m nh ất ạ nếu những điện t kéo rở

xuống bên ng tro được kích hoạt Các chân của PortA s ẽ ở trạng thái i-Stated khi Tr

ch Reset ế độ được kích hoạt, thậm chí nếu xu ng đồng ồ ị ngưng h b

 PortB (PB0 PB7):

Trang 18

PortB có ch c ứ năng như là m ột cổng xuất nh p 8-bit, hai ậ hướng PortB có th ể

có khả năng cung cấp các điện trở kéo lên bên trong ( có khả ăng n lựa chọn cho

t ng bit) Khi rừ Po tB được s d ng c c nử ụ hứ ăng là các ổ c ng xu các b m xu t ất, ộ đệ ấnhập ủa c nó có một nh tí năng i x ng có khđố ứ là ả nă ng hút hoặc cấp ngu n ồ cao.Khi PortB được sử dụng như những chân (Input), chúng s kh ẽ có ả năng hút dòng

r mất ạnh, nếu những điện trở kéo xuống bên trong được kích ho t Các ạ chân ủa c Port s B ẽ ở trạng ái Tr th i- Stated khi ch ế độ Reset được kích hoạt, ậ th m chí n xung ếuđồng ồ bị h ngưng Ngoài ra PortB cũng có chứ ăc n ng đặc biệt khác

 PortC (PC0 PC7 ):

PortC ch c có ứ năng như là một cổng xu nh p 8-bit, hai ất ậ hướng r th Po tC có ể

có khả năng cung cấp các điện trở kéo lên bên trong ( có khả ăng n lựa chọn cho

t ng bit) Khi rừ Po tC được s d ng c c nử ụ hứ ăng là các ổ c ng xu các b m xu t ất, ộ đệ ấnhập ủa c nó có một nh tí năng i x ng có khđố ứ là ả nă ng hút hoặc cấp ngu n ồ cao.Khi PortC được ử dụng như nhữx ng chân (Input), chúng ẽ có s kh ả năng hút dòng

r mất ạnh, nếu những điện trở kéo xuống bên trong được kích ho t Các ạ chân ủa c Port s C ẽ ở trạng ái Tr th i- Stated khi chế độ re set được kích ho th m chí ạt, ậ nếu xung đồng ồ bị ngư h ng

Nếu giao diện JTAG được cho phép, các iđện trở kéo lê ên n tr các chân PC5(TDI), PC3( MS),T PC2(TCK), sẽ được kích hoạt thập chí n u ế có reset

x y ra Ngoài hai ả chứ năngc là xu ất nhập và giao di JTAG thì rtC còn ện Po có các

ch c ứ năng đặc biệt khác

 PortD (PD7 PD0 ):

Cũng như PortA, PortB, PortC, PortD cũng ch c có ứ năng xuất nh tương ập

tự như các Po khác, rt ngoài PortD c ng ch c ra ũ có ứ năng mlà ột gi diao ện nốitiếp USART, và chân ào ủa các ngắt v c ngoài

 Reset:

Trang 19

một thời gian tối thiểu t thì rái thái Reset s ẽ được kích ho ạt,thậm chí n u xung ế đồng

hồ bị ngưng, xung t i gcó hờ ian ng h th gian t ắn ơn ời ối thiểu không được đảm bảo

s phát sinh s ẽ ra Re et

 XTal1: Lối vào của ộ b khuyếch đại dao ng độ đảo và llà ối vào của xung đồng ồ để h vi điều khiển ho ạt 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 c ủa bộ biến đổi AD C

II.1.2.2 Giao diện nối tiếp US ART

Bộ uytr ền nhận n tiếp USối ART (Unive l rsa Synchronous And As chono s yn uSerial Receiver And ran T smitter) là m truyột bộ ề nhận nốin tiếp nh li động caođược tích hợp sẵntrong vi điều khiển Có các c c nhứ ăng chính sau:

- Chế độ uytr ền phát ng so công hoàn chỉnh (c ác thanh ghi uytr ền nhận là

nh ng thanh ghi ữ độc lập ới v nhau)

- Chế độtruy n ề nhận đồ ng và không ng bộ đồ bộ

- Chế ho t độ ạ 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

- Chế độ lọc nhiễu gồm lỗi bit Start và bộ lọc thông thấp số

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 ủa bộ c USART

II.1.2.3 Tốc Baud độ

Tốc baud ph thu c vào độ ụ ộ tần số thạch anh ch ẩn m c vào vi u ắ điề khiểnu ta

có thể sử dụng nh ng giá tr chuẩn ữ ị để gán giá tr cho thạch anh phù hợp với tốc ị độbaud

Trang 21

Hình 2-3: Sơ đồ khối cách phát t c Baudố độ

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

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

 Fosc: Tần số dao động của hệ ống th

- Cách ông th dụng nh ất để đặt tốc độ baud là cài đặtcác giá tr ị tương ứng vớitốc độ baud mà mong ta muốn vào thanh ghi ốc độ t baud UBRR B ng giá ảtrị tương ứng với tốc baud mà mđộ ta uốn đặt trong trường hợp sử dụng

m ột số thạch anh thông dụng

II.1.2.4 Bộ biến đổi A/D

Vi điều khi n ATmegể a16 có ột ộ biến đổ m b i ADC tích ợp tr ng chip ới h o v 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: bi n Sơ đồ bộ ế đổi A/D

Tám đầu vào c ADC ủa là tám chân c PORTA và chúng ủa được chọn thông qua một MUX Để đ ề i u khiển hoạt độ ng vào ra d liệu của ADC và CPU chúng ta ữ

có 3 thanh ghi: AD UX M là thanh ghi điều ikh ển l a ự chọn kênh đầu vào cho ADC, ADCSRA thanh g i là hi đ ều khiển và thanh ghi trạng thái ủ c a ADC, ADCH và

Trang 24

ADCL là tha 2 nh ghi dữ liệu.

2.2 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD TG240128A-04

Ngày nay, i th ết bị hiển hị LCD t (Liquid Crystal Displ ) được sử d ng ay ụ rất nhi u trong ề các ứ ng d ng c vi ụ ủa điều khi n ể Modul LCD được kế t n ối với vi điều khiển thông qua các port xuất nhập, cũng thcó ể kết nối ực tiếp với tr bus d ữliệu kết hợp với ạm ch giải mã địa ch ỉ Kiểu modul LCD được sử dụng ở đ ây là

TG240128A 04 của TINSHA- RP được th ế kếi t trên cơ ở s vi i đ ều khiển T6963C (TOSH A Sau ây IB ) đ là những mô chính vtả ề LCD:

2.2.1. Đặc điể m chung

Hình 2-5: Đặc điểm c ủaLCD TG2401 A- 28 04

2.2.2 Sơ đồ khối

Trang 25

Hình 2-6: Sơ đồ khối ủa c LCD TG240 128A- 04

2.2.3. Chức năng các chân điều khiển

Modul LCD có các ch ân được bố trí thành một hàng ngang trên một bo mạch, được dùng để kết ối với n vi iều khiển tđ có t cả 21 ấ chân được đánh s thứ ố

t ự Chức năng của các chân này được mô trong b ng tả ả dưới đây:

7 /CS(CE) H/L Chọn chíp (tích c c m c ự ứ thấp)

Trang 26

B ng 2-1: ả Chức ăng n các chân c ủa LCD TG 240128A-04

2.3. CHUẨN TRUYỀN THÔNG ZigBee/IEEE 802.15.4

CAP Contenti -Access Period onCCA Clear Cannel Assessment CFP Contention-Free Period CID Cluster Identifier

CLH Cluster Head CSMA-CA Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance

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

và trao đổi thông tin bằng truyền thông không dây 2012 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)

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 câyCấu 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 ZigBee2.3.3 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

 Sơ đồ điều chế

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

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

 Chỉ số đánh giá kênh truyền (CCA)

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 ayload: chứa khung tin của tầng MAC P

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

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 toánMỗi 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

Tiêu đề	Thiết Kế Hệ Thống Chọn Menu Tự Động. Thực Hiện Lệnh Điều Khiển Và Trao Đổi Thông Tin Bằng Truyền Thông Không Dây
Tác giả	Ninh Viết Ngọc
Người hướng dẫn	GS-TS: Phạm Thị Ngọc
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Thể loại	Luận Văn Thạc Sỹ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	6,75 MB