Nghiên cứu thiết hế thống thu thập dữ liệu sử dụng công nghệ truyền không dây LORA

NGUYỄN NGỌC TRUNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA NGUYỄN NGỌC TRUNG 2016 - 2018 HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA NGUYỄN NGỌC TRUNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 8520203 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀNG DŨNG HÀ NỘI – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Nếu khơng nhƣ nêu trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm đề tài Ngày tháng năm Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Trung LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hoàn thành dƣới hƣớng dẫn tận tình nghiêm khắc TS Nguyễn Hoàng Dũng Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn Thầy tận tình hƣớng dẫn cung cấp cho em tài liệu để hoàn thành luận văn này, nhƣ truyền thụ kinh nghiệm quý báu suốt thời gian làm luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy, Cô Trƣờng Đại Học Mở Hà Nội tạo điều kiện cho em học tập nghiên cứu suốt thời gian học vừa qua Xin cảm ơn thành viên gia đình, ngƣời ln dành cho tơi tình cảm nồng ấm sẻ chia lúc khó khăn sống Luận văn q tinh thần mà tơi trân trọng gửi tặng đến thành viên gia đình Cuối xin gửi đến ngƣời thân yêu, bạn, anh chị, đồng nghiệp góp ý giúp đỡ tinh thần nhƣ kinh nghiệm, kiến thức lời biết ơn sâu sắc Ngày tháng năm Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Trung MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY 1.1 Khái niệm công nghệ truyền không dây 1.2 Đặc điểm công nghệ truyền không dây 1.3 Các công nghệ không dây 1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền dẫn 22 1.5 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP THÔNG TIN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY LORA…………………………… … 26 2.1 Công nghệ không dây LORA 26 2.2 Vi điều khiển STM32 28 2.3 Camera OV7670 33 2.4 Màn hình LCD 2.4” ILI9325 53 2.5 Thiết kế khối điều khiển 67 2.6 Thiết kế khối hiển thị LCD ILI 9325 68 2.7 Thiết kế khối camera 73 2.8 Thiết kế khối truyền liệu 76 2.9 Thiết kế tổng thể sản phẩm 77 2.10 Kết luận chƣơng 78 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 79 3.1 Thiết kế layout phần mềm Altium Designer 18 79 3.2 Làm mạch in 82 3.3 Hàn mạch chạy thử kiểm tra mạch 85 3.4 Tình ứng dụng thực tế 88 3.5 Kết luận chƣơng 88 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 91 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AC Alternating Current Điện áp xoay chiều ADC Analog to Digital Converter Mạch chuyển đổi tƣơng tự số ARM Advanced RISC Machine Cấu trúc vi xử lý 32 bit 64 bit BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth lƣợng thấp CCK Complimentary Code Keying Mã khóa bổ sung CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm dƣ chu trình CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang DAC Digital-to-Analog Converter Mạch chuyển đổi số tƣơng tự DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications Kỹ thuật số không dây tăng cƣờng viễn thông DMA Direct memory access Truy cập nhớ trực tiếp DSL Digital subscriber line Dòng thuê bao kỹ thuật số DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Phổ lan truyền dãy trực tiếp DTE Data Terminal Equipment Thiết bị cuối xử lý liệu EDR Enhanced Data Rate Tốc độ liệu nâng cao FHSS Frequence Hopping Spread Spectrum Phổ lan truyền nhảy tần FPU Float Point Unit Xử lý dấu phẩy động FSM Finite state machine Bộ điều khiển nhớ tĩnh linh hoạt GAP Generic Access Profile Cấu hình truy cập chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu HMI Human Machine Interface Giao tiếp ngƣời với máy HS High Speed Tốc độ cao IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện kỹ sƣ điện điện tử Engineers IPv6 Internet Protocol version Giao thức Internet phiên ISI Intersymbol Interference Nhiễu giao thoa ISM Institute for Supply Management Chỉ số viện quản lý cung ứng Hoa Kỳ Index ISP Internet service provider Nhà cung cấp dịch vụ internet JTAG Joint Test Action Group Tiêu chuẩn cho thiết bị chip tự động hóa thiết kế điện tử LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LED Light Emitting Diode Điot phát quang MAC Medium Access Control Kiểm soát truy cập phƣơng tiện truyền thông MEMS Micro Electro Mechanical Systems Hệ vi điện MMC Multi Media Card Thẻ nhớ có nhớ flash OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao PHY Physical Layers Lớp vật lý PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung QVGA Quarter Video Graphics Array Độ phân giải hiển thị hình 320x240 RF Radio frequency Tần số vô tuyến RGB Red Green Blue Mơ hình màu đỏ, xanh lục, xanh lam RTC Real-Time control Hệ thống kiểm soát thời gian thực RTOS Real Time Operating System Hệ điều hành thời gian thực SCCB Serial Camera Control Bus Bus điều khiển camera SD Secure Digital Thẻ nhớ lƣu trữ liệu SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi nối tiếp TI Texas Instruments Tập đoàn lớn Hoa Kỳ TFT Thin Film Transistor Bóng bán dẫn dạng phim mỏng USB Universal Serial Bus Chuẩn kết nối đa dụng VGA Video Graphics Array Chuẩn hiển thị máy tính VSYN Vertical Synchronization Đồng số khung hình giây WEB World Wide Web Mạng lƣới toàn cầu WLAN Wireless local area network Mạng cục không dây DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cơng nghệ Bluetooth Hình 1.2 Cấu hình phần cứng BLE 11 Hình 1.3 Broadcasting Observing 12 Hình 1.4 Cơng nghệ Wifi 13 Hình 1.5 Cơng nghệ ZigBee 18 Hình 2.1 Kiến trúc STM32 nhánh Performace Access 29 Hình 2.2 Kit STM32F407VG Discovery 32 Hình 2.3 Module OV7670 FIFO 34 Hình 2.4 Mặt sau module camera OV7670 34 Hình 2.5 Ảnh 5x5 pixel 36 Hình 2.6 Mơ hình màu RGB 37 Hình 2.7 Phân giải hình ảnh thành thành phần Y, Cb Cr 37 Hình 2.8 Đồng dòng 40 Hình 2.9 Mơ tả tín hiệu frame ảnh VGA (640x480) 41 Hình 2.10 Sơ đồ khối chức SCCB tổng quát sử dụng dây 41 Hình 2.11 Sơ đồ khối chức SCCB tổng quát sử dụng dây 42 Hình 2.12 Quá trình truyền liệu SCCB dây 43 Hình 2.13 Tín hiệu báo hiệu Start 43 Hình 2.14 Tín hiệu báo hiệu Stop 44 Hình 2.15 Tín hiệu báo hiệu Start/Stop I2C 44 Hình 2.16 Pha truyền liệu SCCB 45 Hình 2.17 Chu kỳ ghi liệu pha SCCB 45 Hình 2.18 Chu kỳ đọc liệu pha SCCB 46 Hình 2.19 Ghi liệu vào ghi OV7670 47 Hình 2.20 Sơ đồ thuật tốn đọc liệu vào ghi OV 7670 47 Hình 2.21 Ví dụ cửa sổ 320x240 51 Hình 2.22 Mạch điều khiển tỷ lệ hình ảnh 53 Hình 2.23 Màn hình TFT ILI9325 2.4 Inch 54 Hình 2.24 Mặt sau hình ILI9325 54 Hình 2.25 Giao diện bus liệu 16 bit 57 Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý kết nối KIT STM32F407VGT 67 Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý kết nối chân KIT STM32H743ZI 68 Hình 2.28 Giao tiếp 16 bit với ILI9325 69 Hình 2.29 Tín hiệu Reset 69 Hình 2.30 Chu kỳ ghi liệu với ILI9325 69 Hình 2.31 Quá trình ghi liệu với ILI9325 70 Hình 2.32 Giản đồ thời gian tín hiệu ILI9325 71 Hình 2.33 Tham số thời gian tín hiệu ILI9325 72 Hình 2.34 Sơ đồ kết nối chi tiết module OV7670 73 Hình 2.35 Lƣu đồ thuật tốn ghi liệu ghi camera OV7670 74 Hình 2.36 Lƣu đồ thuật tốn đọc liệu ghi camera OV7670 75 Hình 2.37 Giản đồ thời gian tín hiệu RGB565 75 Hình 2.38 Lƣu đồ cấu hình chế độ hoạt động Camera OV7670 76 Hình 2.39 Kết nối USART với KIT STM32 77 Hình 2.40 Sơ đồ khối tổng thể sản phẩm 77 Hình 3.1 Giao diện Altium 18 80 Hình 3.2 Mẫu 3D Altium 18 80 Hình 3.3 Mạch hiển thị LCD 81 Hình 3.4 Mạch in kết nối Camera 81 Hình 3.5 Hình ảnh 3D hệ thống 82 Hình 3.6 Giấy nhiệt vàng in mạch in lên 83 Hình 3.7 Phíp đồng chuẩn bị để làm mạch 83 Hình 3.8 Dùng bàn ủi nhiệt 84 Hình 3.9 Dung dịch FeCl3 để lắc mạch in 84 Hình 3.10 Mạch cắm module OV7670 85 Hình 3.11 Mạch cắm LCD 86 Hình 3.12 Hình ảnh bắt đƣợc từ camera 87 Hình 3.13 Sản phẩm sau hoàn thiện 87 3.3 Hàn mạch chạy thử kiểm tra mạch Những điểm cần ý trƣớc, sau hàn mạch: - Kiểm tra tất linh kiện đồng hồ - Hàn để thiếc rơi vị trí, khơng rơi vào vị trí xung quanh đặc biệt vị trí hàng jump smd - Khi hàn cần lắp chiều tụ điện, chiều IC, chiều diode… - Sau hàn cần kiểm tra mắt thƣờng kiểm tra thông mạch mạch in chân linh kiện Hình 3.10 Mạch cắm module OV7670 85 Hình 3.11 Mạch cắm LCD Sau hàn toàn linh kiện tiến hành cấp nguồn từ điện 5VDC cho mạch chạy thử Kết quả: Mạch chạy đạt đƣợc 90% tính mà yêu cầu đặt ra, tiếp tục hoàn sửa số lỗi nhỏ sai khác mô thực tế Lƣu ý: Trƣờng hợp mạch thật khơng chạy số nguyên nhân sau: - Kiểm tra mạch hàn chuẩn chƣa? Các mối hàn đƣợc đủ thiếc? - Kiểm tra lại IC linh kiện khác chiều? - Kiểm tra mạch nguồn có điện áp? - Kiểm tra nhiễu liên quan, đo dạng xung phát khả chống nhiễu khối truyền thông, khắc phục phần phần mềm phần cứng 86 Hình 3.12 Hình ảnh bắt đƣợc từ camera Hình 3.13 Sản phẩm sau hồn thiện 87 3.4 Tình ứng dụng thực tế Hiện sản phẩm tơi truyền hình ảnh mơi trƣờng khơng khí bình thƣờng Đầu tiên camera OV7670 chụp ảnh môi trƣờng nhƣ Cảm biến camera biến đổi pixel điểm ảnh thành từ số liệu Sau vi điều khiển STM32 tạo xung nhịp để đồng tín hiệu cho camera Sau cơng nghệ khơng dây LORA truyền khung hình sang hình LCD ILI9325 Và kết tơi nhận đƣợc hình ảnh vừa chụp hiển hình 3.5 Kết luận chƣơng Chƣơng nêu bƣớc để thực làm sản phẩm tay từ mềm phần mềm vẽ mạch để đến sản phẩm thực tế lắp ráp với thành hệ thống nhỏ chạy đƣợc hoạt động ổn định Đồng thời nêu số lỗi cách khắc phục nhỏ trình làm mạch test mạch 88 KẾT LUẬN Ngoài việc áp dụng lý thuyết học trình làm luận văn, để hiểu kiến thức nhƣ áp dụng thực tiễn, làm sản phẩm: “hệ thống thu thập liệu sử dụng công nghệ truyền khơng dây LORA”, thơng qua tơi hiểu bƣớc, quy trình thiết kế kỹ thuật sản phẩm vào sống nói chung Tuy chƣa hồn chỉnh nhiều mặt, khơng tránh khỏi sai sót nhƣng kinh nghiệm quy báu cho tơi học tập sau nhƣ đƣợc rèn luyện khả lập trình, hàn mạch lắp linh kiện, khả phán đốn tìm kiếm lỗi sai đơn giản đến lỗi sai khó phát Qua đƣa đƣợc những cách giải phù hợp cho vấn đề vƣớng mắc qua hiểu biết rõ ngành nghề theo đuổi Sản phẩm bắt đƣợc video thời gian thực hiển thị lên LCD thành cơng, nhiên số điểm hạn chế nhƣ :  Mạch cồng kềnh  Thỉnh thoảng bị đồng với camera  Hạn chế việc truyền xa giới hạn module truyền phát không dây  STM32 nhớ RAM tốc độ CPU hạn chế nên chƣa thực xử lý đƣợc nhiều ảnh lúc, nén video Cải thiện mở rộng phát triển đề tài:  Tối ƣu nhớ RAM sử dụng kết nối thêm ram ngồi, sử dụng dòng STM High-performance cải thiện phần hiệu  Kết nối trực tiếp camera với module không dây nhƣ esp8266 tăng tốc độ truyền nhận liệu gửi với băng thông lớn  Sử dụng thƣ viện libjpeg nén video thƣ viện rtos tối ƣu phần mềm  Xây dựng camera nên raspberry thay stm32 đảm bảo hiệu chất lƣợng xử lý hình ảnh 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Andreas F Molisch (2005), Wireless Communications, Second Edition [2] Daniel W Bliss and Siddhartan Govindasamy (2013), Adaptive Wireless Communications [3] Hong Chuan Yang (2017), Introduction to Digital Wireless Communications, Institution of Engineering and Technology [4] Katie Wilson and Stephen G Wilson (2016), Academic Press Library in Mobile and Wireless Communications [5] Peter Starvoulakis (2003), Interference Analysis and Reduction for Wireless Systems [6] Simon S Haykin and Michael Moher (2011), Modern Wireless Communications [7] Steve Rackley (2007), Wireless Networking Technology [8] https://en.wikipedia.org/wiki/LORA 90 PHỤ LỤC Phụ lục #define BIT_WIDTH_16 #define FSMC_Ax 16 // use A16 as RS #define FSMC_NEx // use subbank /*** Internal Static Variables ***/ #define FSMC_ADDRESS (0x60000000 + ((FSMC_NEx-1) > 2)); } *data = (uint16_t)(data_Pixel[0] Instance == huart3.Instance) { if (isStart == 1) { if (Pixel_c == 2) { Pixel_c = 0; *p_lcdData = (uint16_t)((dataPixel[0] = 153600) { _index = 0; _isSend_ = 1; } } else { if (receive_data == 159) isStart = 1; } } 99 } ... CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHƠNG DÂY 1.1 Khái niệm cơng nghệ truyền không dây 1.2 Đặc điểm công nghệ truyền không dây 1.3 Các công nghệ không dây ... CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN KHÔNG DÂY Chƣơng trình bày nội dung công nghệ truyền không dây: khái niệm, đặc điểm, nguyên tắc hoạt động ứng dụng công nghệ truyền không dây đời sống... Khái niệm công nghệ truyền không dây Công nghệ truyền không dây công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với cách sử dụng giao thức khác mà không cần kết nối dây mạng hay đƣờng dây điện