Đồ án tốt nghiệp điều khiển thiết bị điện qua internet

Điều khiển thiết bị qua Internet CHƯƠNG DẪN NHẬP 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Ngày nay, với phát triển xã hội ngày cao đặc biệt lĩnh vực công nghệ thông tin, cộng nghệ tự động, điều khiển giám sát thiết bị từ xa ngày phát triển sâu rộng ngày đươc ứng dụng rộng rãi.Trước với nghiên cứu tìm hiểu nhà khoa học đưa phát minh lĩnh vực điều khiển từ xa : điều khiển qua sóng RF(remote), điều khiển tự động cảm biến sensor (hệ thống đóng mở tự động), điều khiển cảnh báo điện thoại di động điện thoại bàn, điều khiển đường truyền cáp quang qua sóng vệ tinh….Tuy nhiên với giải pháp nêu điều có ưu nhược điểm riêng giải pháp, với nhu cầu không ngừng người mong muốn có giải pháp hoàn thiện mặt để phục vụ cho mục đích mình, mà nhóm chúng em chọn đề tài “điều khiển thiết bị qua mạng Internet” Các giải pháp đưa trước điều có ưu, khuyết điểm riêng biệt điều khiển qua sóng RF giới hạn cự ly gần vật cản, điều khiển cảm biến giới hạn cự ly gần đồng thời phải cài sẵn chế độ thay đổi theo ý muốn Điều khiển cảnh báo qua điện thoại di động bị giới hạn sóng điện thoại tùy thuộc vào tốc độ truy cập mạng điện thoại, truy cập qua sóng vệ tinh kinh phí lớn Trái lại với khuyết điểm điều khiển thiết bị qua mạng internet khắc phục khuyết điểm truy cập qua mạng internet tốc độ cao không bị giới hạn khoảng cách truy cập, giám sát điều khiển thiết bị lúc nơi có mạng internet máy tính hay điện thoại di động qua sóng GPRS, 3G Ít tốn chi phí đăng ký tên miền server miễn phí Để giải vấn đề trên, giới có nhiều hãng cung cấp vi mạch hỗ trợ sẵn sàng cho giao tiếp mạng theo giao thức TCP/IP, với hãng lớn như: Realtek, Conexant, MicroChip, Tuy nhiên, nhóm em chọn sử dụng IC giao tiếp mạng ENC28J60 vi điều khiển PIC18f4580 để giao tiếp mạng, chúng sản xuất hãng sản xuất Microchip, nên chúng dễ dàng cho việc thực giao tiếp hai chip, hỗ đầy đủ tài liệu thư viện lập trình Vi mạch giao tiếp mạng để điều khiển bao gồm khối : khối giao tiếp mạng, khối xử lý điều khiển, khối thiết bị điều khiển thiết bị + Khối giao tiếp mạng : bao gồm cổng RJ45 giao tiếp mạng (modem), IC ENC28J60 Khối có nhiệm vụ liên kết, xử lí với mạng thông qua cổng RJ45 với đường nối bao gồm: TPOUT+ (TX+), TPOUT- (TX-), TPIN+ (RX+), TPIN- (RX-), đường nối led báo trang thái liên kết mạng Đoቹ á n toቷ t nghiệ p Điều khiển thiết bị qua Internet Nhiệm vụ thứ giao tiếp với MCU thông qua chuẩn SPI (Serial Peripheral Interface), gồm đường liệu chính: SI, SO, SCK • SCK Serial Clock – Xung đồng cho đường nối tiếp • SI Serial Input – Tín hiệu nối tiếp vào (ghi) • SO Serial Output – Tín hiệu nối tiếp (đọc) + Khối xử lý điều khiển : bao gồm vi điều khiển PIC18f4580, PIC18F4580 xem xử lí liệu giao tiếp mạng có nhiệm vụ xử lí tất yêu cầu từ mini Web gửi đến + Khối điều khiển thiết bị: Thực nhận lệnh điều khiển từ PIC thực đóng, ngắt Relay để tắt mở thiết bị điện 1.2 NỘI DUNG ĐỀ TÀI: Với khoảng thời gian thực đề tài tuần, nhóm thảo luận chọn nội dung đề tài sau: - Tìm hiểu cấu trúc mạng Internet - Tìn hiểu ngôn ngữ xây dựng Web HTML, Javacript - Thiết kế thi công mạch Internet - Điều khiển thiết bị qua mạng internet - Tìm hiểu cách giao tiếp mạng truyền liệu qua mạng internet 1.3 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: Trong trình thiết kế thực đề tài nhằm giúp người học: - Tăng khả tự tìm hiểu, thiết kế, tự học - Bước đầu tiếp xúc với thực tế - Vận dụng kiến thức có đồng thời tìm tòi kiến thức để hiểu sâu sắc lĩnh vực Để thiết kế hệ thống nêu người thiết kế phải nắm vững kiến thức mạng, điện tử, tìm hiểu qua sách vở, tài liệu dạng mạch thực tế để thi công phần cứng 1.4 ĐỐI TƯỢNG TÌM HIỂU - Tìm hiểu vi điều khiển PIC18f4580 - Tìm hiểu phương pháp lập trình C cho PIC MikroC - Tìm hiểu phương pháp nhúng trang web vào vi xử lý 18f4580 - Tìm hiểu IC giao tiếp Ethetnet ENC28J60 Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 10 Điều khiển thiết bị qua Internet CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vi điều khiển PIC18F4580 2.1.1 Sơ lược vi điều khiển PIC 18F4580: - 32 K Flash ROM - 1536 Bytes SRAM - 256 Bytes EEPROM - ports (A, B, C, D, E) vào với tín hiệu điều khiển độc lập - định thời bits - định thời 16 bits, hoạt động chế độ tiết kiệm lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock - CCP( Capture / Compare/ PWM) - 11 biến đổi AD 10 bits, tốc độ lên tới 100Ksps - so sánh tương tự (Compartor) - định thời giám sát (WatchDog Timer) - Một cổng truyền thông song song PSP - Cổng truyền nối tiếp MSSP, Usart - 20 nguồn ngắt - Có chế độ tiết kiệm lượng - Nạp chương trình cổng nối tiếp ICSP - 35 tập lệnh có độ dài 16 bits - Tần số hoạt động tối đa 40MHz Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 11 Điều khiển thiết bị qua Internet 2.1.2 Hình dạng sơ đồ chân Hình 2.1 PIC 18F4580 Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 12 Điều khiển thiết bị qua Internet 2.1.3 Sơ đồ khối PIC18F4580 Hình 2.2: Sơ đồ khối PIC 18F4580 Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 13 Điều khiển thiết bị qua Internet 2.1.4 Một số điểm đặc biệt CPU: 2.1.4.1 Dao động: PIC18F4580 có khả sử dụng loại oscillator, là: - LP: (low power crystal) - XT: thạch anh bình thường - HS: (high-speed crystal) - RC: (resistor/capacitor) Trong chế độ LP, XT HS sử dụng thạch anh dao động nối vào chân OSC1 OSC2 để tạo dao động Việc lựa chọn tụ dao động thạch anh dựa vào bảng sau: Lưu ý: Tụ có giá trị lớn tăng tính ổn định dao động làm tăng thời gian khởi động Chế độ dao động RC sử dụng giải pháp tiết kiệm ứng dụng không cần xác thời gian Cách tính chu kì máy: Ví dụ ta sử dụng thạch anh 10Mhz Khi đó: Tần số dao động thạch anh Fosc = 10Mhz => Chu kỳ dao đông thạch anh Tosc = 1/Fosc= 1/10*106 (s) Chu kỳ máy: T_instruction = 4*Tosc = 4/10*106(s) = 0.4 µs = 400 ns 2.4.1.2 Interrupts: PIC18F4580 có nhiều nguồn ngắt khác Đây số ngắt tiêu biểu: - Ngắt xảy chân INT - Ngắt Timer0 - Ngắt Timer1 - Ngắt Timer2 - Ngắt Timer3 - Ngắt thay đổi trạng thái chân PortB - Ngắt so sánh điện - Ngắt Port song song - Ngắt USART Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 14 Điều khiển thiết bị qua Internet - Ngắt nhận liệu Ngắt truyền liệu Ngắt chuyển đổi ADC Ngắt hình LCD Ngắt hoàn tất ghi EEPROM Ngắt module CCP Ngắt Module SSP Các ghi chức ngắt: INTCON, PIE1, PIR1, PIE2, PIR2 (các ghi nghiên cứu phần sau) Hình 2.3:Sơ đồ khối ngắt 2.1.5 Tổ chức nhớ Cấu trúc nhớ vi điều khiển PIC18F4580 bao gồm nhớ chương trình (Program Memory) nhớ liệu (Data Memory) * Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ chương trình vi điều khiển PIC18F4580 nhớ flash, dung lượng nhớ 32K byte phân thành nhiều trang (từ page0 đến page 3) Như nhớ chương trình có khả chứa 16*1024 = 16384 lệnh (vì lệnh sau mã hóa có dung lượng word (14 bit) Khi vi điều khiển reset, đếm chương trình đến địa 0000h (Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, đếm chương trình đến địa 0008h với High priority Interrupt vector 0018h với ngắt Low priority Interrupt vector Bộ nhớ chương trình không bao gồm nhớ stack không địa hóa đếm chương trình Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 15 Điều khiển thiết bị qua Internet Hình 2.4 Cấu trúc nhớ chương trình * Bộ nhớ liệu Bộ nhớ liệu PIC nhớ EEPROM chia làm nhiều bank Đối với PIC18F4580 nhớ liệu chia làm 16 bank Mỗi bank có dung lượng 256 byte, bao gồm ghi có chức đặc biệt SFR (Special Function Register) nằm vùng địa thấp ghi mục đích chung GPR (General Purpose Register) nằm vùng địa lại bank Các ghi SFR thường xuyên sử dụng (ví dụ ghi STATUS) đặt tất cà bank nhớ liệu giúp thuận tiện trình truy xuất làm giảm bớt lệnh chương trình Sơ đồ cụ thể nhớ liệu PIC18F4580 sau: Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 16 Điều khiển thiết bị qua Internet Hình 2.5: Cấu trúc nhớ liệu ** THANH GHI CHỨC NĂNG ĐẶC BIỆT SFR: Đây ghi sử dụng CPU dùng để thiết lập điều khiển khối chức tích hợp bên vi điều khiển Có thể phân ghi SFR làm hai lọai: ghi SFR liên quan đến chức bên (CPU) ghi SRF dùng để thiết lập điều khiển khối chức bên (ví dụ ADC, PWM …) Thanh ghi STATUS (03h, 83h, 103h, 183h):thanh ghi chứa kết thực phép toán khối ALU, trạng thái reset bit chọn bank cần truy xuất nhớ liệu Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 17 Điều khiển thiết bị qua Internet Thanh ghi OPTION_REG (81h, 181h): ghi cho phép đọc ghi, cho phép điều khiển chức pull-up chân PORTB, xác lập tham số xung tác động, cạnh tác động ngắt ngoại vi đếm Timer0 Thanh ghi INTCON (0Bh, 8Bh,10Bh, 18Bh):thanh ghi cho phép đọc ghi, chứa bit điều khiển bit cờ hiệu timer0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT ngắt interrputon- change chân PORTB Thanh ghi PIE1 (8Ch): chứa bit điều khiển chi tiết ngắt khối chức ngoại vi Thanh ghi PIR1 (0Ch) chứa cờ ngắt khối chức ngoại vi, ngắt cho phép bit điều khiển chứa ghi PIE1 Thanh ghi PIE2 (8Dh): chứa bit điều khiển ngắt khối chức CCP2, SSP bus, ngắt so sánh ngắt ghi vào nhớ EEPROM Thanh ghi PIR2 (0Dh): chứa cờ ngắt khối chức ngoại vi, ngắt cho phép bit điều khiển chứa ghi PIE2 Thanh ghi PCON (8Eh): chứa cờ hiệu cho biết trạng thái chế độ reset vi điều khiển ** THANH GHI MỤC ĐÍCH CHUNG GPR: Các ghi truy xuất trực tiếp gián tiếp thông qua ghi FSG (File Select Register) Đây ghi liệu thông thường, người sử Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 18 Điều khiển thiết bị qua Internet 3.7.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển thiết bị Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật điều khiển Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 52 Điều khiển thiết bị qua Internet 3.8 Sơ đồ hệ thống mạng LAN Trong mô hình điều khiển thiết bị bao gốm thiết bị sau: máy tính cá nhân, switch (Hub), module ethernet thiết bị điều khiển với máy tính cài chương trình duyệt WEB (các phần mềm duyệt web phổ biến IE (Internet Explorer), FireFox, ), sau ta thiết đặt IP cho máy tính có địa IP lớp mạng với mạch điều khiển ethernet, ta có địa IP module thuộc lớp C với địa 192.168.1.19 địa máy tính phải dạng 192.168.1.x, hay lớp B 172.20.2.3 máy tính có địa dạng 172.20.x.x Bộ điều khiển đóng vai trò Mini Web Server, tất máy mạng có yêu cầu Web đến địa IP điều khiển trả dạng trang WEB Như vậy, tất máy mạng, dù đâu nhận thông tin điều khiển nhờ trình duyệt web sẵn có Hình 3.10 Mô hình hệ thống điều khiển thông qua mạng LAN Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 53 Điều khiển thiết bị qua Internet 3.9 Mô hình điều khiển qua mạng Internet Hình 3.11: Mô hình điều khiến qua mạng Internet Trong hệ thống điều khiển qua mạng internet ta cần kết nối hệ thống mạng LAN vào modem, sau kết nối đến nhà cung cấp dịch vụ internet, từ hệ thống ta dùng PC kết nối mạng truy cập điều khiển thiết bị mạng LAN Để kết nối vào mạng ta phải thực cấu hình modem, ta truy cập mạng vào địa IP public, địa nhà mạng cung cấp cho modem ta phải thực cấu hình NAT cho modem (chuyển truy cập địa public sang truy cập địa điều khiển thiết bị), sau cách cấu hình modem ADSL ZyXEL Prestige 660R-61C Ta thực mở trình duyêt gõ địa http://192.168.1.1 địa mặc định modem, sau vào ta nhận thông báo nhập mật truy nhập vào modem mặc định là: 1234, sau login vào giao diện cấu sau: Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 54 Điều khiển thiết bị qua Internet Sau click chọn NAT vào mục sau: Thực chọn SUA Only click Edit Details để vào thiết đặt NAT, mục ta đánh địa cần NAT đến mạng LAN, địa module điều khiển ứng với địa IP 192.168.1.19, chọn Start Port, End Port Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 55 Điều khiển thiết bị qua Internet 80 port dùng cho Webserver, sau nhấn Save →Apply Vây cấu hình NAT xong Như vào với địa IP điều khiển thông qua địa IP public modem, với địa truy cập gồm có dạng địa tĩnh địa IP động, thông thường ta đăng kí internet cung cấp dạng động, loại tồn modem thời điểm theo đặc điểm nhà mạng cung cấp, thời điểm khác cấp địa IP public khác để biết địa IP ta phải mạng LAN module điều khiển thiết bị dò địa cấp, việc sử dụng điều khiển hệ thống mạng internet sử dụng hiệu quả, phương pháp ta thực thuê dịa IP tĩnh địa cấp cho modem thuê IP, địa không thay đổi ta dùng máy tính mạng truy xuất địa lúc cò thể vào module điều khiển với phương pháp phải tốn khoảng tiền tương đối để thuê IP (cũng đồng nghĩa truy xuất theo tên miền đăng kí tên miền cho IP này) Tóm lại phương pháp tốt có điều kiện phương pháp không phù hợp để thực nên ta chọn phương pháp kết hợp với nhà cung cấp cập nhật IP động miễn phí như: dyndns.com, no-ip.com… tương đương ta cần nhớ tên miền truy cập vào được, đăng kí cấu hình modem IP cấp cho modem thay đổi cập nhật vào địa tên miền đăng kí Dưới cách đăng kí Dyndns.com, trước hết ta cần đăng kí tài khoản, đăng nhập vào tài có giao diện đăng nhập, để đăng kí dịch vụ ta click chọn Add Host services Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 56 Điều khiển thiết bị qua Internet Giao diện đăng kí tên miền xuất ta điền tên miền đăng kí bên dưới, tên miềm đăng kí http://doanvt08c.dyndns.info ta nhấn Activate Services để kích hoặt tên miền đăng kí, thông báo dịch vụ kích hoặt ta hoàn thành đăng kí cập nhật tên miền Tiếp theo ta khai báo modem để trình cập nhật hoàn toàn tự động, để khai báo modem router tên miền đăng kí, giao diện modem ta chọn vào mục Dynamic DNS, tích chọn vào Active thực khai báo sau: Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 57 Điều khiển thiết bị qua Internet Service Provider: Khai báo nhà cung cấp dịch vụ đăng kí User: Là tên mà ta đăng kí nhà cung cấp dịch vụ PassWord: mật Username HostName:Khai báo tên miền mà ta đăng kí Sau hoàn thành ta nhấn Apply để áp dụng hình sau: Như ta cần nhớ tên miền đăng kí thực đăng nhập vào thuê IP tĩnh Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 58 Điều khiển thiết bị qua Internet 3.10 CHƯƠNG TRÌNH /* * Ethernet ENC28J60_MCU PIC18F4580 * Viet theo ngon ngu C cua mikroC version8.0 tro len * RE0 : !RESET den chan ngo vao RESET ENC * RE1 : !CS den pin CS ENC * ENC28J60 giao tiep SPI CLK, SO, SI noi voi chan tuong ung tren PIC * Tin hieu INT va WOL khong duoc su dung * Port dieu khien su dung D4 den D7 */ #define Spi_Ethernet_HALFDUPLEX #define Spi_Ethernet_FULLDUPLEX /************************************************************ */ const unsigned char tieudeHTML[] = "HTTP/1.1 200 OK\nContent-type: " ; // tieu de HTTP const unsigned char loaiHTML[] = "text/html\n\n" ; // dinh dang mine la loai text const unsigned char loaivanbantext[] = "text/plain\n\n" ; // dinh dang text mine la loai don gian unsigned char httpMethod[] = "GET /"; /* * trang web duoc chia lam phan: */ const char *trang1 = "\ Dieu khien thiet bi qua internet \ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP \ Đề tài: Điều khiển thiết bị qua Internet\ GVHD: Tống Thanh Nhân\ Nhóm SVTH: Huỳnh Văn Ni̓ 3;m & \ Phạm Vũ Linh _ Lớp: CĐĐVT8C\ Cập nhật lại\ \ "; const char *trang2 = "\ Đoቹ á n toቷ t nghiệ p 59 Điều khiển thiết bị qua Internet \ \ var str,i,k;\ str=\"\";\ for(i=2;i