Thiết kế hệ đo tính chất vật lý của gốm áp điện dựa trên chuẩn không dây zigbee

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐÌNH HÙNG LÂM THIẾT KẾ HỆ ĐO TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM ÁP ĐIỆN DỰA TRÊN CHUẨN KHÔNG DÂY ZIGBEE LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Huế - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐÌNH HÙNG LÂM THIẾT KẾ HỆ ĐO TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM ÁP ĐIỆN DỰA TRÊN CHUẨN KHÔNG DÂY ZIGBEE Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Huế - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN ĐÌNH HÙNG LÂM THIẾT KẾ HỆ ĐO TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM ÁP ĐIỆN DỰA TRÊN CHUẨN KHÔNG DÂY ZIGBEE Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số ngành: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH CÔNG NGHỆ - ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS.VÕ THANH TÙNG Huế - 2015 LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin gởi lời cám ơn đến thầy cô Khoa Điện Tử - Viễn Thông thuộc Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội thầy cô Khoa Điện tử - Viễn thông thuộc trường Đại học Khoa Học Huế tận tình dạy suốt thời gian học tập làm luận văn Tôi xin chân thành cám ơn sâu sắc đến thầy TS Võ Thanh Tùng Người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ dạy cho suốt trình thực luận văn Và cuối cùng, cám ơn gia đình bạn bè quan tâm, động viên để hoàn thành tốt công việc Luận văn thực thời gian ngắn, bước vào tìm hiểu nghiên cứu lĩnh vực nên kiến thức nhiều hạn chế Do luận văn tránh khỏi nhiều điều thiếu sót Vì vậy, mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô học viên lớp để luận văn hoàn thiện Huế, ngày 15 tháng 05 năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với đề tài “Thiết kế hệ đo tính chất vật lý gốm áp điện dựa chuẩn không dây Zigbee” công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn dựa kết thực tế mà thực được, hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khác Huế, ngày 15 tháng 05 năm 2015 Tác giả Trần Đình Hùng Lâm MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ GIỚI THIỆU CHUNG Chương Tổng quan mạng WPAN .10 1.1 Khái niệm mạng WPAN (Wireless Personal Area Network) 10 1.2 Sự phát triển mạng không dây WPAN 10 1.3 Phân loại mạng WPAN .10 1.4 Khái quát ZigBee/IEEE 802.15.4 10 1.4.1 Giới thiệu .10 1.4.2 Đặc điểm công nghệ Zigbee 11 1.4.3 Ưu điểm Zigbee/ IEE802.15.4 12 1.4.4 Kiến trúc liên kết mạng Zigbee 12 Chương Chuẩn giao tiếp không dây ZigBee/IEEE 802.15.4 16 1.1 Mô hình giao thức ZigBee/IEEE802.15.4 16 1.2 Tầng vật lý 16 1.2.1 Mô hình điều chế tín hiệu tầng vật lý 17 1.2.1.1 Điều chế tín hiệu tầng PHY dải số 2.4 GHz 17 1.2.1.2 Điều chế tín hiệu tầng PHY dải tần 868/915MHz 18 1.2.2 Các thông số kỹ thuật tầng vật lý chuẩn IEEE 802.15.4 19 1.2.3 Định dạng khung tin PPDU 20 1.3 Tầng điều khiển liệu 20 1.3.1 Cấu trúc siêu khung .20 1.3.2 Thuật toán tránh xung đột đa truy cập sử dụng cảm biến sóng mang CSMA-CA 22 1.3.3 Các mô hình truyền liệu .24 1.3.4 Phát thông tin báo hiệu beacon 26 1.3.5 Quản lý phân phối khe thời gian đảm bảo GTS 27 1.3.6 Định dạng khung tin MAC 28 1.4 Tầng mạng 29 1.4.1 Dịch vụ mạng 29 1.4.2 Dịch vụ bảo mật 29 1.5 Tầng ứng dụng 31 Chương Lập trình môi trường Labview .32 3.1 Khái quát chung phần mềm Labview 32 3.1.1 Giới thiệu 32 3.1.2 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument): 32 3.1.3 Front Panel 32 3.1.4 Block Diagram 33 3.2 Kỹ thuật lập trình Labview 33 3.2.1 Khởi động chương trình 33 3.2.2 Các công cụ hỗ trợ lập trình 34 Chương Thiết kế hệ thống truyền nhận liệu không dây sử dụng theo chuẩn ZigBee 36 4.1 Giới thiệu 36 4.2 Sơ đồ phần cứng board phát triển HZDK 38 4.2.1 Khối điều khiển 38 4.2.2 Khối hiển thị 39 4.2.3 Khối chuyển đổi giao tiếp USB – COM .40 4.2.4 Khối nguồn 40 4.2.5 Khối thu phát không dây 41 4.2.6 Khối nút nhấn điều khiển .41 4.3 Giới thiệu hệ đo 42 4.4 Thiết kế phần mềm 42 4.4.1 Phần mềm cho máy tính 43 4.4.2 Phần mềm viết cho vi điều khiển 44 4.5 Kết .49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt CID CLH CSMA/CA ED FCFS FFD GTSs LAN LQI MAC MAN PAN PLME PPDU RFD WAN WPAN ZDO Diễn giải Cluster Identifier Cluster Head Carrier Sense MultipleAccess-Collision Avoidance Energy Detection First-Come-First-Serve Full – Function Device Guaranteed Time Slots Local Area Network Line Quality Indentify Media Access Control Metropolitan Area Network Personal Area Network Physical Layer Management PHY Protocol Data Unit Reduced - Function Device Wide Area Network Wireless Peasonal are Network ZigBee device objects DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng So sánh ZigBee - Wifi - Bluetooth 12 Bảng Băng tần tốc độ liệu .17 Bảng Kênh truyền tần 17 Bảng Biến đổi bit to chip 19 Bảng Định dạng khung 20 Bảng Định dạng khung MAC 28 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Cấu trúc liên kết mạng 13 Hình Cấu trúc mạng hình .13 Hình Cấu trúc mạng mắt lưới .14 Hình Cấu trúc mạng hình 14 Hình Mô hình giao thức mạng ZigBee 16 Hình Băng tần hệ thống Zigbee 17 Hình Sơ đồ điều chế dải số 2.4 GHz 18 Hình Sơ đồ điều chế dải tần 868/915MHz 18 Hình Cấu trúc siêu khung .20 Hình 10 Lưu đồ thuật toán tránh xung đột đa truy nhập 23 Hình 11 Liên lạc mạng không hỗ trợ beacon 25 Hình 12 Liên lạc mạng có hỗ trợ beacon .25 Hình 13 Kết nối mạng hỗ trợ beacon .26 Hình 14 Kết nối mạng không hỗ trợ beacon 26 Hình 15 Khung tin mã hóa tầng MAC 30 Hình 16 Khung tin mã hóa tầng mạng 30 Hình 17 Các thiết bị ảo lập trình Labview 32 Hình 18 Giao diện lập trình Labview 33 Hình 19 Môi trường lập trình Labview 33 Hình 20 Công cụ Tool Palette 34 Hình 21 Bảng điều khiển (Controls Palette) 34 Hình 22 Công cụ Boolean Controls/Indicators 35 Hình 23 Sơ đồ khối hệ thống truyền nhận liệu 36 Hình 24 Board phát triển HZDK .37 Hình 25 Kết nối Keithley với máy tính thông qua board Zigbee 37 Hình 26 Sơ đồ mạch khối điều khiển sử dụng PIC18F4620 38 Hình 27 Sơ đồ mạch điều khiển hình LCD .39 Hình 28 Sơ đồ mạch khối chuyển đổi giao tiếp USB-COM 40 Hình 29 Sơ đồ mạch khối cấp nguồn nuôi 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Microchip Technology Inc, "MRF24J40 data sheet," 2008 [2] Microchip Technology Inc, "PIC 18F4620 datasheet," 2004 [3] Microchip Technology Inc, "MRF24J40 basic driver," 2008 [4] ZigBee Alliance, ZigBee RF4CE Specification., 2010 [5] ZigBee Alliance, ZigBee Network Device: Gateway Specification., 2011 [6] ZigBee Alliance, ZIGBEE SPECIFICATION., 2007 [7] ZigBee Alliance, ZigBee-2007 Layer PICS and Stack Profiles., 2008 [8] Ngo Quang Anh, "NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/IEEE 802.15.4 ," 2005 [9] Herbert Schild, C/C++ Programmer's Reference, 3rd ed.: McGrawHill/Osborne, 2003 [10] National Instruments Corporation, Getting Started with LabVIEW, 2001 53 [...]... Microchip Technology Inc, "MRF24J40 basic driver," 2008 [4] ZigBee Alliance, ZigBee RF4CE Specification., 2010 [5] ZigBee Alliance, ZigBee Network Device: Gateway Specification., 2011 [6] ZigBee Alliance, ZIGBEE SPECIFICATION., 2007 [7] ZigBee Alliance, ZigBee- 2007 Layer PICS and Stack Profiles., 2008 [8] Ngo Quang Anh, "NGHIÊN CỨU CHUẨN KẾT NỐI KHÔNG DÂY ZIGBEE/ IEEE 802.15.4 ," 2005 [9] Herbert Schild, C/C++