Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zingbee 802.15.4 và Ethernet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VÕ THANH TÙNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP.Hồ Chí Minh 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VÕ THANH TÙNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: GS-TS LÊ HÙNG LÂN TP.Hồ Chí Minh 2014 i TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ tên học viên: Võ Thanh Tùng Năm sinh: 1986 Cơ quan công tác : Công ty TNHH khí - cân điện tử - tự động Tín Thành Tiến Khoá: 20.1 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Cán hƣớng dẫn: GS-TS Lê Hùng Lân Mã số: 60.52.70 Bộ môn: Điều khiển học Tên đề tài : Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 Ethernet Mục đích nghiên cứu đề tài: Đề tài tập trung vào nghiên cứu chuẩn Ethernet TCP/IP chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện qua giao diện Web server nhúng vào vi điều khiển AVR Phƣơng pháp nghiên cứu kết đạt đƣợc:  Phương pháp nghiên cứu : nghiên cứu lý thuyết chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee dựa sở lý thuyết nghiên cứu thiết kế hệ thống thực tế  Kết đạt : dựa vào lý thuyết nghiên cứu áp dụng thiết kế thành công hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR Đề xuất giải pháp phát triển để áp dụng mô hình thiết kế vào sản xuất ứng dụng phục vụ sống ngƣời Điểm bình quân môn học: 7.08 Xác nhận cán hƣớng dẫn: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày 10 tháng năm 2014 Học viên GS.TS Lê Hùng Lân Xác nhận môn: Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Võ Thanh Tùng Đại học Giao thông Vận tải ii MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC I LỜI MỞ ĐẦU V VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IX CHƢƠNG - GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN 1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện 1.1.1 Công nghệ truyền liệu PLC (Power Line Communication)[15 ] 1.1.2 Công nghệ truyền liệu RS485 [ ] 1.1.3 Công nghệ truyền liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ] 1.1.4 Công nghệ truyền liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ ] 1.1.5 Công nghệ truyền liệu mạng Wifi [ 16 ] 1.1.6 Công nghệ truyền liệu mạng Bluetooth [ 13 ] 1.1.7 Ƣu điểm Zigbee [ ] 11 1.2 12 1.2.1 Giao thức TCP/IP [ ] 12 1.2.2 Công nghệ Ethernet [ ] 23 1.3 1.3.1 27 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN 27 1.3.2 Thành phần mạng LR-WPAN 27 1.3.3 Mô hình giao thức ZIGBEE/IEEE802.15.4 [ ] 31 1.4 Kết luận chƣơng 41 CHƢƠNG - HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 42 2.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ báo cháy 42 2.1.1 Khái quát 42 2.1.2 Nhiệm vụ 42 2.1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động 42 2.1.4 Nguyên lý làm việc hệ thống báo cháy tự động 44 2.1.5 Khái niệm – nhiệm vụ đầu báo cháy 46 2.2 Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga 47 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iii 2.3 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa 48 2.3.1 Nhiệm vụ hệ thống 48 2.3.2 Kết cấu tin điều khiển 48 2.3.3 Kết cấu hệ thống 49 2.4 Hệ thống chống trộm 49 2.5 Kết luận chƣơng 52 CHƢƠNG - NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER 53 3.1 Mô hình hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện 53 3.2 Giới thiệu Arduino trình biên dịch [ 10 ] 54 3.3 Giới thiệu linh kiện chức mô hình 57 3.3.1 Giới thiệu IC ATMEGA 2560 [ 12 ] 57 3.3.2 Giới thiệu IC DS18B20 61 3.3.3 Giới thiệu IC ATMEGA 16 [ 12 ] 66 3.3.4 70 3.3.5 R 72 3.3.6 -2 75 3.3.7 77 3.3.8 Giới thiệu IC W5100 [ 11 ] 78 3.3.9 83 3.3.10 86 3.3.11 Giới thiệu IC cảm biến dòng ACS712-20 87 CHƢƠNG - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER AVR 90 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 90 4.2 Gới thiệu chức mô hình 93 4.2.1 g tâm ( ATmega2560 ) 93 4.2.2 94 4.2.3 94 4.2.4 n Zigbee 94 4.2.5 94 4.2.6 94 4.3 Giải thuật phần mềm 94 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iv 4.3.1 94 4.3.2 97 4.3.3 Giải thuật truy cập web server 97 4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều 99 4.3.5 Giải thuật báo trộm : 101 4.3.6 Giải thuật báo cháy: 102 4.4 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106  Kết luận 106  Hạn chế 107  Đề xuất hƣớng phát triển đề tài 107 LỜI CẢM ƠN 108 LỜI CAM ĐOAN 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải v LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thập niên gần đây, với phát triển vƣợt bậc công nghệ điện toán, công nghệ mạng hữu tuyến vô tuyến phát triển không ngừng đƣợc chuẩn hóa liên tục để đáp ứng yêu cầu ngƣời dùng việc chia sẻ quản lý thông tin cách nhanh chóng, hiệu đạt độ an toàn cao Sự phát triển hệ đo điều khiển lên từ hệ khí, điện, điện tử vi mạch rời, sử dụng vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với thuật xử lý đại, có khả tự suy diễn, nhớ kết nối mạng tốc độ cao Các thiết bị hệ thống đo điều khiển thông minh bảo đảm kết đo xác, khử đƣợc nhiễu khả phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú Sự phát triển tạo ứng dụng phong phú thiết thực phục vụ cho sản xuất đời sống ngƣời Xuất phát từ nhu cầu thực tế ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật để phục vụ tối đa cho ngƣời sống tiện nghi - văn minh - đại an toàn nên ý tƣởng nghiên cứu “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 Ethernet” đời Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đề tài tập trung vào nghiên cứu chuẩn ethernet TCP/IP chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee 802.15.4 ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu chuẩn ethernet TCP/IP, nghiên cứu chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , nghiên cứu phƣơng án ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vi Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , kế thừa phát triển dựa nghiên cứu trƣớc nƣớc , dựa sở lý thuyết nghiên cứu áp dụng thiết kế mô hình hệ thống thực tế Nội dung luận văn Nội dung luận văn đƣợc trình bày thông qua chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết bị điện Chƣơng 2: Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện Chƣơng 3: Nghiên cứu phƣơng án thiết kế mô hình giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua giao diện web server Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua giao diện web server Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vii Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Ack Acknowledgment Xác nhận AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập CBC Cipher Block Chaining Thuật toán mã hóa khối Chaining CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự CTR Counter Bộ đếm Carrier Sense Multiple Access Phƣơng pháp tránh xung đột đa Collision Avoidance truy cập nhờ cảm biến sóng mang CSMA-CA DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình động máy chủ DNS Domain Name System Hệ thống tên miền ED Energy Detection Năng lƣợng truyền FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FFD Full Function Device Chức thiết bị đầy đủ ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin mạng Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện Điện Tử Electronic Engineers Mỹ IP Internet Protocol Giao thức liên mạng LAN Local Area Network Mạng cục LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lƣợng đƣờng truyền MAC Medium Access Control IEEE Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Điều khiển truy nhập môi trƣờng mạng Đại học Giao thông Vận tải viii MFR MAC Footer Cuối khung MAC MHR MAC Header Đầu khung MAC MIC Message Integrity Mã hóa tin nguyên vẹn MPDU MAC Protocol Data Unit Giao thức liệu MAC NWK Network Layer Tầng mạng PAN ID PAN identifier Chỉ số nhận dạng cá nhân PHR PHY Header Chứa thông tin độ dài khung PHY Physical Layer Tầng vật lý PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải ngƣợc địa RFD Reduced Function Device Giảm chức thiết bị RREQ Route Reply Packet Route trả lời packet SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SHR Synchronization Header Đồng hóa tiêu đề SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu nhiễu SPI Serial Peripheral Interface TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol WAN Wide Area Networks WPAN Wireless Personal Area Network Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Giao diện nối tiếp với thiết bị ngoại vi Giao thức điều khiển truyền thông Giao thức truyền nhận liệu dƣới dạng gói tin Mạng diện rộng Mạng cá nhân không dây Đại học Giao thông Vận tải 96 Bắt đầu S Kiểm tra Đ Đọc ghi giá trị, trạng thái Đ S Có yêu cầu BROWER? Đ Trả giá trị dƣới dạng HTML S Đ Kết thúc Hình 4.7 L Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 97 4.3.2 Bắt đầu S Kiểm tra Đ Trả Hình 4.8 L 4.3.3 Giải thuật truy cập web server Khi hệ thống khởi động cấu hình hệ thống xử lý trung tâm chờ có truy cập từ trình duyệt web hệ thống tải trình duyệt web nội dung trang web đăng nhập để bảo mật hệ thống Khi ngƣời dùng đăng nhập tài khoản tải trình duyệt nội dung trang web điều khiển Khi đăng nhập sai lặp lại trình đăng nhập Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 98 Bắt đầu S Có yêu cầu BROWER( IP ) Đ Trả Brower trang web đăng nhập Đ User va Pass S Đ Trả Brower trang web điều khiển S Đ Kết thúc Hình 4.9 L Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 truy cập web server Đại học Giao thông Vận tải 99 4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều Điện áp cảm biến dòng tuyến tính từ đến 5V tƣơng ứng với -20A đến +20A ( dòng qua cảm biến =0 tƣơng đƣơng 2.5V ) Đầu cảm biến đƣợc nối vào ADC vi điều khiển nên điện áp ngõ vào đƣợc tính nhƣ sau : IRMS = N N i I (i) Với Vref ADC +5V độ phân giải 10 bít I(i) giá trị dòng điện đo đƣợc thời điểm i N số mẫu chu kỳ ( N lớn phép đo xác ) Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 100 i=0 Delay mS I(i)= ReadADC Đ i ++ S i=20 Đ IRMS = N N i I (i) Kết thúc Hình 4.10 Thuật toán đo dòng điện xoay chiều 50 Hz Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 101 4.3.5 Giải thuật báo trộm : Khi chế độ chống trộm ( báo trộm =1 ) hệ thống liên tục dò trạng thái cảm biến ánh sáng cảm biến PIR( có trộm đột nhập cảm biến ánh sáng tác động mở cửa phòng, cảm biến PIR nhận dạng có chuyển động ngƣời ) Khi hai cảm biến tác động hệ thống cảnh báo ngƣời dùng cách hú còi báo động bật tất đèn chiếu sáng Sau giải cố ngƣời dùng đăng nhập để tắt chế độ báo động Cảm biến ánh =0 PIR = Báo trộm = S PIR = Hoặc Cảm biến ánh = Đ Bật còi báo động Bật đèn S Báo trộm = Đ Kết thúc Hình 4.11 Thuật toán chế độ báo trộm Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 102 4.3.6 Giải thuật báo cháy: Khi chế độ bình thƣờng ( cảm biến nhiệt độ < 60 oC ) cảm biến ga không tác động Khi bật chế độ báo cháy nhiệt độ cảm biến ga đƣợc giám sát liên tục hai cảm biến tác động còi báo động cảnh báo liên tục để ngƣời sử dụng kiểm tra đảm bảo an toàn thân Khi chế độ cảnh báo ngƣời dùng tắt cảnh báo xử lý cố Nhiệt độ < 60 oC Cảm biến ga = Báo cháy = S Nhiệt độ > 60 oC Cảm biến ga = Đ Bật còi báo động S Báo cháy = Đ Kết thúc Hình 4.12 Thuật toán báo cháy Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 103 4.4 Kết luận chƣơng k  Ethernet thông qua giao diện web server đƣợc nhúng vi điều khiển AVR, từ xử lý trung tâm, từ xử lý ngoại vi  web    13 Kết ping tới web server AVR Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 104 14 G 15 G Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 105 Mô hình thực tế Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Kết luận Nắm rõ hiểu giao thức TCP/IP Lập trình Ethernet ụng chíp W5100 WIZnet Nghiên Lập trình điều khiển vi điều khiể Tmega16 ngôn ngữ C Nghiên cứu cảm biến PIR Nghiên cứu cảm biế Nghiên cứu cảm biế Nghiên cứu cảm biế -2 DS18B20 Ngh Nghiên cứu ngôn ngữ HTML Xây dựng thành công hệ thống điều khiển giám sát đơn giản web nhúng Đề tài móng cho phát triển ứng dụng mạng LAN, môi trƣờng Internet Có thể ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhƣ thiết bị cảnh báo, giám sát mạng nội bộ, mạng internet, … Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 107  Hạn chế Khi mạng không tốt, khó điều khiển hệ thống từ xa qua web server Khi mạng bị đứt, hệ thống điều khiể Hệ thống thích hợp với mạng LAN có đƣờng truyền ổn định nhƣng khả bảo mật r Password Cấu hình mạch yếu ATmega 2560 thuộc dòng 8bit, tốc độ tối đa 16Mhz W5100 chạy với tốc độ tối đa 100Mbps Do đó, server chạy chậm, phục vụ lúc nhiều ngƣời điện ,đo nhiệt độ ,báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga đáp ứng đƣợc yêu cầu  Đề xuất hƣớng phát triển đề tài Đây đề tài liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi ngƣời thiết kế phải có nhiều kinh nghiệm thời gian, mong nhà trƣờng bố trí học viên thực phát triển tiếp đề tài để kết đƣợc tốt ứng dụng mạnh mẽ cho đời sống thernet nhƣ: n động hóa…và mục tiêu phát triển đồ án lập trình giao dạng modbus TCP/IP theo chuẩn công nghiệp phát triển lĩnh vực điều khiển robot qua dực án robot ROV ( Romote of vehicle ) with Camera ứng dụng vào tìm kiếm cứu mạng … Hƣớng phát triển đề tài xoay quanh việc khắc phục vấn đề bảo mật server , đáp ứng tốc độ đƣờng truyền thời gian xử lý Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 108 LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới bảo tận tình GS.TS Lê Hùng Lân Nhân dịp này, xin đƣợc bày tỏ lòng tri ân sâu sắc đến Thầy, ngƣời hết lòng giúp đỡ hƣớng dẫn cho suốt trình nghiên cứu Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến Quý Thầy Cô tham gia giảng dạy lớp Cao học kỹ thuật điện tử K20; Quý Thầy Cô Khoa Điện - Điện Tử Thầy môn Kỹ Thuật Viễn Thông cung cấp kiến thức tảng giúp hoàn thành luận văn; bạn lớp Cao học kỹ thuật điện tử K20.1 nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi mặt cho suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Dù có nhiều cố gắng trình thực hiện, song chắn luận văn không tránh khỏi hạn chế thiếu sót, mong nhận đƣợc góp ý Quý Thầy Cô bạn! Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày tháng năm 2014 Học viên thực Võ Thanh Tùng Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 109 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu kết nghiên cứu luận văn trung thực không trùng lắp với đề tài khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn đƣợc cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả Võ Thanh Tùng Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Giáo trình thiết kế xây dựng mạng LAN WAN, Trung tâm khoa học tự nhiên Công nghệ quốc Gia, Viện Công nghệ Thông tin, Tháng 01, 2004 PGS.TS Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 Ths Phạm Ngọc Đĩnh, Kỹ thuật truyền số liệu, Học viện Công nghệ Bƣu Viễn thông, 2007 TS Phạm Thế Quế, Công nghệ mạng máy tính, NXB Thông tin Truyền Thông, Tháng 09, 2010 Tiếng Anh “IEEES tandards 802.15.4,IEEE2003,ISBN0-7381-3677-5SS95127”,2004 “ IEEE802.15.4 Standard Specification ” http://www.standards.ieee.org ZigBeeAlliance, http://www.zigbee.org Zigbee technical documents , www.zigbee.org http://www.metrowerks.com 10 http://www.arduino.cc 11 http://www.alldatasheet.com 12 http://www.atmel.com 13 http://www.bluetooth.com 14 http://www.can-cia.org 15 http://en.wikipedia.org/wiki/Power-line_communication 16 http://www.wi-fi.org Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải