Đồ án thiết kế mạch: Nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ zigbee cho smart home

ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân PAN (personal area network).

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH Đề tài: NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ ZIGBEE CHO SMART HOME Giảng viên hướng dẫn: KS Phan Đình Duy Sinh viên thực hiện: Cao Văn Nhàn - 10520355 Nguyễn Khánh Phong - 10520477 Tp.HCM, tháng 12 năm 2013 MỤC LỤC Tổng quan Phân tích 2.1 Giới thiệu NUC140 2.2 Giới thiệu sơ lược mạng Zigbee: 2.1.1 Giới thiệu: 2.1.2 Các tính 2.1.3 Ứng dụng 2.1.4 Kiến trúc mạng Zigbee 2.1.5 Thành phần mạng 2.1.6 Mơ hình mạng 2.3 Giới thiệu XBEE 2.2.1 XBEE gì? 2.2.2 Cấu hình XBee 11 2.4 Giới thiệu cặp IC PT2262 – PT2272M4 14 2.5 Sơ đồ khối thuật toán xử lý NUC140 15 Hiện thực 19 3.1 Giao diện điều khiển PC 19 3.2 Giao diện LCD NUC140 22 3.3 Bảng biến hàm hàm xây dựng NUC140 23 3.4 Cấu hình XBEE model XB24-Z7WIT-004 26 3.5 Thiết kế schematic mạch xử lý thu phát RF 29 Kết luận hướng phát triển 32 4.1 Kết đạt 32 4.2 Hướng phát triển 32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan đề tài Hình 2.1 Kit Nuvoton NUC140 Hình 2.2: So sánh kỹ thuật không dây Hình 2.3: So sánh phạm vi hoạt động Zigbee Hình 2.4: Kiến trúc ZigBee Hình 2.5: Các loại mơ hình mạng Hình 2.6: Mơ hình mạng Zigbee Hình 2.7: XBee 10 Hình 2.8: Giao diện khởi động X-CTU 11 Hình 2.9: Giao diện khởi động X-CTU 12 Hình 2.10: Giao diện khởi động X-CTU 12 Hình 2.11: Giao diện khởi động X-CTU 13 Hình 2.12: Giao diện khởi động X-CTU 14 Hình 2.13: Cặp IC PT2262/PT2272L4 14 Hình 2.14: Sơ đồ thực hàm main 18 Hình 2.15: Sơ đồ thực hàm xử lý ngắt UART 19 Hình 3.1: Giao diện tổng quát PC 20 Hình 3.2: Giao diện kết nối thành công PC 20 Hình 3.3: Chức setup trạng thái thiết bị 21 Hình 3.4: Chức làm lại danh sách thiết bị 21 Hình 3.5: Chức đổi mật 22 Hình 3.6: Giao diện LCD theo trạng thái tương ứng 23 Hình 3.7: Cấu hình cho COORDINATOR 26 Hình 3.8: Cấu hình cho ROUTER 27 Hình 3.9: Gửi nhận Router 28 Hình 3.10: Gửi nhận Coordinator 29 Hình 3.11: Schematic mạch phát RF 30 Hình 3.12: Schematic mạch thu RF 31 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng lệnh nhận NUC 16 Bảng 2.2: Bảng lệnh gửi NUC 16 Bảng 2.3: Bảng cấu trúc liệu lưu flash 16 Bảng 2.4: Bảng liệu cấu hình mặc định lưu flash 17 Bảng 3.1: Bảng biến sử dụng chương trình 24 Bảng 3.2: Bảng hàm sử dụng chương trình 26 Tổng quan Đề tài thực việc giao tiếp PC NUC140, sử dụng port GPE0-15 để điều khiển Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan đề tài Phân tích 2.1 Giới thiệu NUC140 NUC140 sản phẩm hang Nuvoton công ty tách từ Tập đoàn Điện tử Winbond – hãng điện tử bán dẫn đứng hàng đầu Đài Loan Hãng có dịng chip vi điều khiển (MCU) 4-bit, 8-bit 32-bit (ARM Cortex) Dòng vi điều khiển ARM Cortex-M thiết kế nhúng tối ưu hóa cho ứng dụng vi xử lý MCU Dòng ARM Cortex-M0 dịng vi điều khiển lõi ARM có kích thước nhỏ nhất, tiêu thụ điện thấp có kiến trúc xếp hợp lý tương thích với việc sử dụng tools nạp hãng khác để phát triển ứng dụng GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Đặc trưng NUC140:  NUC130/140 vi điều khiển 32-bit lõi ARM Cortex-M0, trình đơn phần cứng 32 bit, chạy lên tới 50MHz  Có mức ưu tiên ngắt đầu vào, có 128 KB flash ROM cho nhớ chương trình  16KB SRAM, 4KB nhớ flash cho nạp chương trình hệ thống  Giao tiếp thiết bị ngoại vi: kênh 12bit ADC, UART nối tiếp tốc độ cao, SPI lên đến 32MHz, I2C lên đến 1MHz; kết nối thiết bị ngoại vi USB 2.0, CAN, LIN…  Thiết bị ngoại vi có tính phong phú: PWM, RTC, ngắt nhận dạng Brownout, GPIO, PDMA Timer 32 bit  Dải điện áp hoạt động rộng từ 2,5V~5,5V, chống nhiễu tiếng ồn tốt, tích hợp liệu flash, dao động thạch anh nội xác ±1% với nhiệt độ phịng, có khả bảo mật chip, điện áp reset lại mạch thấp Ứng dụng tiềm năng: điều khiển mạng lưới, chẩn đoán điện tử, ứng dụng mạng nhúng, hệ thống điều khiển mạng, điều khiển công nghiệp tự động điều khiển GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Hình 2.1 Kit Nuvoton NUC140 2.2 Giới thiệu sơ lược mạng Zigbee: 2.1.1 Giới thiệu: ZigBee giao thức truyền thông bậc cao phát triển dựa chuẩn truyền thông khơng dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho mạng cá nhân PAN (personal area network) ZigBee thích hợp với ứng dụng khơng địi hỏi tốc độ truyền liệu cao cần có mức độ bảo mật lớn thời gian hoạt động dài Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee thai nghén từ năm 1998-1999 giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên đến năm 2004, tiêu chuẩn ZigBee thức tạo dựng thông qua tổ chức ZigBee Alliance Tên gọi ZigBee lấy cảm hứng từ điệu nhảy theo đường zig-zag ong mật (honey bee), điệu nhảy lồi ong sử dụng để trao đổi thơng tin với vị trí hoa nguồn nước 2.1.2 Các tính • Sử dụng đơn giản, giá thành hợp lý, tiết kiệm lượng Thiết bị sản xuất phù hợp cho người sử dụng tự lắp đặt hay nhà tích hợp hệ thống chun nghiệp Tối ưu hóa lượng, giảm hao phí điện sử dụng Thiết bị sử dụng tiêu chuẩn mở phù hợp với thiết bị điện - điện tử thị trường • Dễ dàng điều khiển Cơng nghệ khơng dây làm giảm chi phí rắc rối mạng có dây truyền thống Sử dụng tần số quốc tế 2.4 Ghz dễ dàng lắp đặt sử dụng Tính điều khiển tự động bán tự động: Giải thoát sức lao động người Kết nối Internet cho phép điều khiển từ xa Tự lắp đặt, tự cài đặt dễ dàng GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch • An tồn Dễ dàng lắp đặt cảm biến khơng dây để giám sát an ninh nhà Nhận thông báo tức có kiện bất thường xảy AES hệ thống khơng dây mã hóa đặc biệt, đảm bảo chủ nhà có khả điều khiển hệ thống • Liên kết hoạt động Tích hợp điều khiển giám sát phân hệ điện nhà hệ an ninh, kiểm sốt truy nhập… Vì ứng dụng xây dựng dạng module người sử dụng phải mua thiết bị mà cần Có thể kết hợp sử dụng nhiều dịng sản phẩm mà khơng cần quan tâm tới nhà sản xuất làm việc với mạng ZigBee khác Hình 2.2: So sánh kỹ thuật khơng dây GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Hình 2.3: So sánh phạm vi hoạt động Zigbee 2.1.3 Ứng dụng • Tần số chung tồn cầu 2.4 GHz • Pin sử dụng có tuổi thọ lớn • Khoảng cách khơng dây 70m nhà, 400m ngồi nhà • Việc kết nối mạng linh hoạt đảm bảo đáp ứng quy mô ngơi nhà • Khả mở rộng tới hàng ngàn thiết bị • Tích hợp khả điều khiển giám sát trạng thái hoạt động hệ chiếu sáng, an ninh, rèm cửa, bơm nước, bình nóng lạnh, điều hòa 2.1.4 Kiến trúc mạng Zigbee Kiến trúc mạng ZigBee chia làm phần - Ứng dụng - ZigBee stack - Radio Và chia thành lớp, lớp khơng biết lớp Lớp xem “master” mà gửi yêu cầu cho “slave” bên làm GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Hình 2.4: Kiến trúc ZigBee Giữa lớp “Service Access Points”(SAPs) SAPs cung cấp API tách biệt bên lớp khỏi lớp bên Giống đặc tả IEEE 802.15.4, ZigBee dùng SAPs cho lớp, cho liệu cho quản lý.Ví dụ, tất truyền thông liệu đến từ lớp network qua “Network Layer Data Entity Service Access Point” (NLDE-SAP) Các yêu cầu đặc tả ZigBee giống APSDE-DATA.request Một yêu cầu gửi liệu radio khởi tạo lớp APS Hai lớp thấp nhất, MAC PHY định nghĩa đặc tả IEEE 802.15.4 Lớp PHY đơn giản dịch packet thành over-the-air bits ngược lại Lớp MAC cung cấp khái niệm network, gồm PAN ID, kết nối thông qua beacon requests reponses Nó cung cấp per-hop acknowledgment vài lệnh cho việc tham gia tạo mạng Lớp MAC khơng có multi-hop hay mesh Lớp NWK có trách nhiệm cho hình thành mạng mesh, gồm broadcasting packets qua mạng, xác định đường cho unicasting packets, đảm bảo packets gửi cách tin cậy từ node đến node khác Lớp network có tập lệnh cho mục đích bảo mật, gồm bảo mật tham gia tái tham GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Khởi tạo biến Vòng lặp chờ nhận liệu Kí tự kết thúc lệnh ? “#” Connected==? Phân tích lệnh ? (dựa vào bảng lệnh) Phân tích lệnh ? (dựa vào bảng lệnh) Gửi ds thiết bị Lưu cấu hình Đổi pass Setup trạng thái Kiểm tra password? sai Set LCD Báo sai pass stage=4 Stage=5 Disconnect Set LCD Cập nhật pass vào mảng tạm stage=4 Set LCD Thực lệnh Cập nhật trạng thái vào mảng tạm stage=4 Set LCD connected = stage=4 stage=3 Gửi ds thiết bị Set LCD stage=4 Hình 2.15: Sơ đồ thực hàm xử lý ngắt UART Hiện thực 3.1 Giao diện điều khiển PC Khi đăng nhập vào hệ thống thành cơng phần mềm sử dụng chức sau: - Đổi mật Lưu cấu hình Làm danh sách thiết bị Điều chỉnh trạng thái thiết bị GVHD: KS Phan Đình Duy 19 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.1: Giao diện tổng quát PC Hình 3.2: Giao diện kết nối thành công PC GVHD: KS Phan Đình Duy 20 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.3: Chức setup trạng thái thiết bị Hình 3.4: Chức làm lại danh sách thiết bị GVHD: KS Phan Đình Duy 21 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.5: Chức đổi mật 3.2 Giao diện LCD NUC140 GVHD: KS Phan Đình Duy 22 Đồ án thiết kế mạch STAGE0 -CONTROL DEVICE1.SET DEFAULT _ 2.CALL PAGE TETS 3.SAVE CONFIG _ STAGE1 1.SET DEFAULT _ STAGE4 PRESS TO BACK STAGE5 NAME OF PC CONNECT SUCCESS_ WELCOME SET PIN NAME OF PC CONNECT SUCCESS_ - SET PIN -PRESS TO BACK DISCONNECTED DISCONNECTED-PRESS TO BACK STAGE2 2.CALL PAGE TETS CONNECT FAILED SEND LIST DEVICE NAME OF PC _CONNECT FAILED_ WRONG PASSWORD NAME OF PC CONNECT SUCCESS_ - SEND LIST -PRESS TO BACK PRESS TO BACK STAGE3 3.SAVE CONFIG _ CHANGE PASS NAME OF PC CONNECT SUCCESS_ CHANGE PASS PRESS TO BACK Hình 3.6: Giao diện LCD theo trạng thái tương ứng 3.3 Bảng biến hàm hàm xây dựng NUC140 Các biến sử dụng #define TEST_LENGTH 256 STR_PDMA_T sPDMA; STR_UART_T sParam; volatile uint32_t PDMA0_INT_Flag; volatile uint32_t PDMA1_INT_Flag; uint8_t SrcArray[TEST_LENGTH]; GVHD: KS Phan Đình Duy 23 Đồ án thiết kế mạch uint8_t DestArray[TEST_LENGTH]; uint8_t password[TEST_LENGTH]; uint8_t* comStatus[16]; uint8_t comRbuf[2000]; uint8_t comTbuf[2000]; uint8_t binChar[1]={0xFF}; uint8_t connected=0; uint8_t stage=0; uint8_t mode=0; uint16_t comRbytes=0; uint16_t comTbytes=0; uint16_t numDevice; uint32_t SPIPort; uint32_t u32ByteCount; uint32_t u32FlashAddress; uint32_t u32PageNumber; uint32_t pin, status; char* tenthietbi; char* chpin; char* chstatus; char* chnumdevice; char chnamepc[TEST_LENGTH]; Bảng 3.1: Bảng biến sử dụng chương trình Các hàm xây dựng uint8_t scan_key(void); uint8_t matchArray(char *sour, uint8_t sizeDes, uint8_t des[MAX_SIZE]); uint32_t SpiFlash_ReadStatusReg1(void); GVHD: KS Phan Đình Duy 24 Chức Qt phím Hàm so sánh sizeDes kí tự chuỗi Hàm đọc ghi trạng thái SpiFlash Đồ án thiết kế mạch uint32_t SpiFlash_ReadStatusReg2(void); Hàm đọc ghi trạng thái SpiFlash void PDMA0_Callback(void); void PDMA1_Callback(void); Hàm xử lý ngắt PDMA0 Hàm xử lý ngắt PDMA1 void SpiFlash_ReadMidDid(void); void SpiFlash_ChipErase(void); void SpiFlash_WaitReady(void); void SpiFlash_PageProgram(uint32_t, uint32_t); void SpiFlash_ReadData(uint32_t, uint32_t); Hàm đọc thông tin thiết bị Flash (For W25Q16BV, ID: 0xEF; Device ID: 0x14) Hàm xóa Flash Hàm chờ xử lý Flash Hàm viết liệu vào page Flash Hàm đọc liệu từ Flash Hàm cấu hình SPI PDMA Hàm xóa Flash (gọi lại hàm SpiFlash_ChipErase(void); ) Hàm đóng kết nối SPI PDMA Hàm delay hệ thống void configSPI(void); void EraseSPI(void); void CloseSPI_PDMA(void); void SysTimerDelay(uint32_t); void ClrSrcArray(void); void ClrDesArray(void); void SetSrcArray(char* s); void SetDefaultConf(void); void ReadPage(uint32_t page); void WritePage(uint32_t page); void WriteDevice(uint32_t sttdevice, char* status); void Initial_main(void); void Initial_pannel(void); void clr_all_pannal(void); void print_lcd(unsigned char, char *); void setInterfaceLCD(char* line0, char* line1, char* line2, char* line3); void delayT(void); void delay(void); void InitGPIO(void); void setArray(char* ch); void sendString(char* s); void sendListDevice(void); void getPassword(void); void getListDevice(void); void getNumberDevice(void); void saveconfig(void); GVHD: KS Phan Đình Duy 25 Làm rỗng mảng SrcArray Làm rỗng mảng DesArray Sao chép chuỗi s vào mảng SrcArray Đặt cấu hình mặc định Đọc page liệu từ flash Viết liệu vào page flash Viết trạng thái thiết bị vào flash Hàm khởi tạo ban đầu hàm main Hàm khởi tạo giao tiếp LCD Hàm reset LCD Hàm xuất liệu LCD theo dòng Hàm xuất liệu LCD theo dòng Hàm delay Hàm delay Hàm khởi tạo cổng GPIO Hàm chép chuỗi ch vào mảng comTbuf Hàm gửi liệu qua cổng UART0 Hàm gửi list trạng thái thiết bị qua cổng UART0 Hàm lấy password từ flash Hàm lấy list trạng thái thiết bị từ flash Hàm lấy số lượng thiết bị lưu flash Hàm lưu cấu hình xuống flash Đồ án thiết kế mạch Hàm xử lý ngắt nhận liệu cho UART0 void xulymode1(void); mode Hàm xử lý ngắt nhận liệu cho UART0 void xulymode2(void); mode Bảng 3.2: Bảng hàm sử dụng chương trình 3.4 Cấu hình XBEE model XB24-Z7WIT-004 Hình 3.7: Cấu hình cho COORDINATOR GVHD: KS Phan Đình Duy 26 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.8: Cấu hình cho ROUTER GVHD: KS Phan Đình Duy 27 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.9: Gửi nhận Router GVHD: KS Phan Đình Duy 28 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.10: Gửi nhận Coordinator 3.5 Thiết kế schematic mạch xử lý thu phát RF GVHD: KS Phan Đình Duy 29 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.11: Schematic mạch phát RF GVHD: KS Phan Đình Duy 30 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.12: Schematic mạch thu RF GVHD: KS Phan Đình Duy 31 Đồ án thiết kế mạch Kết luận hướng phát triển 4.1 Kết đạt - Hiểu thêm công nghệ mạng không dây zigbee - Ứng dụng điều khiển từ xa qua sóng RF - Hiện thực hệ thống giao tiếp PC với NUC140 giao thức tự định nghĩa - Hệ thống kết nối hoạt động ổn định 4.2 Hướng phát triển - Mở rộng hệ thống thiết lập server lên vi xử lý ARM để điều khiển thơng qua mạng internet nhiều tảng thiết bị di động - Cài đặt xử lý giọng nói độc lập thiết bị để xử lý cần thiết mà không cần phải truy cập vào hệ thống phức tạp GVHD: KS Phan Đình Duy 32 Đồ án thiết kế mạch TÀI LIỆU THAM KHẢO Nuvoton, 2013, Datasheet NUC140 Nuvoton, 2013, Tutorial NUC 140 Nuvoton, 2013, Sample code NUC140 Các nguồn khác: [1] http://stackoverflow.com/ [2] http://www.cplusplus.com/ [3] http://www.ZigBee.org GVHD: KS Phan Đình Duy 33 Đồ án thiết kế mạch ... dụng tiềm năng: điều khiển mạng lưới, chẩn đoán điện tử, ứng dụng mạng nhúng, hệ thống điều khiển mạng, điều khiển công nghiệp tự động điều khiển GVHD: KS Phan Đình Duy Đồ án thiết kế mạch Hình... thiết bị Điều chỉnh trạng thái thiết bị GVHD: KS Phan Đình Duy 19 Đồ án thiết kế mạch Hình 3.1: Giao diện tổng quát PC Hình 3.2: Giao diện kết nối thành công PC GVHD: KS Phan Đình Duy 20 Đồ án. .. list trạng thái thiết bị qua cổng UART0 Hàm lấy password từ flash Hàm lấy list trạng thái thiết bị từ flash Hàm lấy số lượng thiết bị lưu flash Hàm lưu cấu hình xuống flash Đồ án thiết kế mạch