Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng TCPIP báo cáo nghiên cứu khoa học

- 1 - PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thế kỷ 21 dường như chỉ giành riêng cho sự phát triển của lĩnh vực công nghệ thông tin. Hàng loạt phát minh được ra đời và đã cho ra những sản phẩm đáp ứng được mọi kỳ vọng và nhu cầu của con người. Đi kèm theo đó là sự phát triển vượt bậc của ngành truyền thông đã góp phần đưa thế giới ngày càng tiến bộ và văn minh hơn. Mạng lưới Internet gần như đã phủ sống toàn cầu và nó đã mang lại làn gió mới cho nhân loại nói chung và Việt Nam nói riêng, cộng với quyết tâm đưa xã hội Việt Nam trở thành một nước có ngành công nghệ thông tin phát triển của chính phủ, tận dụng những yếu tố này, chúng tôi đã chọn đề tài hệ thống điều khiển hệ thiết bị qua mạng TCP/IP. Với mong muốn ứng dụng những gì chúng tôi đã học ở trường và nghiên cứu thêm để có thể đưa ra những sản phẩm ứng dụng vào thực tế Đề tài này có thể giúp mọi người quản lý tốt các thiết bị trong nhà, trong công ty từ xa một cách dễ dàng. Điểm mạnh của đề tài này là điều khiển được thiết bị qua mạng TCP/IP. Không bị giới hạn về khoảng cách, chỉ cần máy Server và Client kết nối Internet là có thể điều khiển được thiết bị Về phần chức năng, thì chương trình gồm 2 chức năng chính: - Điều khiển thiết bị từ xa. - Cho phép kiểm tra trạng thái thiết bị. 1.1. Điều khiển thiết bị. Khi một máy tính được xuất xưởng hoặc bày bán ở cửa hàng thì cả nhà sản xuất, người bán cũng như người tiêu dùng đều ngầm hiểu đây chưa phải là một hệ thống hoàn chỉnh, càng không phải là một hệ thống khép kín. Tùy theo yêu cầu sử dụng, người dùng có thể nâng cấp, mở rộng cấu hình bằng cách ghép nối thêm các Card mở rộng hoặc các thiết bị ngoại vi như modem, máy in… Các nhà sản xuất đã dự trữ sẵn các rãnh cắm mở rộng trên bản mạch chính, các cổng ghép nối : song song (LPT), nối tiếp (COM), cổng USB. Đây chính là những vị trí mà kỹ thuật - 2 - ghép nối máy tính có thể tác động vào. Để ghép nối với máy tính ta có nhiều khả năng để lựa chọn, dưới đây là các lựa chọn phổ biến nhất : - Ghép nối qua cổng máy in hay còn gọi là cổng song song. - Ghép nối qua cổng mở rộng trên bản mạch chính. - Ghép nối qua cổng nối tiếp. - Ghép qua cổng USB. Mỗi cổng đều có một ưu nhược điểm riêng biệt vẫn tồn tại cho đến ngày nay, tuỳ theo hoàn cảnh mà ta chọn cổng nào cho thích hợp, trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu nhiều về cổng song song, và hướng phát triển lên cổng USB vì cổng này phổ biến hơn tuy nhiên do các hạn chế về mặt thời gian và kiến thức về điện tử, lập trình vi điều khiển nên chưa phát triển được. Phần điều khiển cổng song song nằm ở Client, Client sẽ nhận tín hiệu từ Server và điều khiển thiết bị thông qua cổng LPT, cổng LPT này sẽ kết nối với 8 thiết bị bên ngoài (bóng đèn, quạt máy, nồi cơm điện, hoặc các thiết bị điện khác …) Khi Server truyền tín hiệu bật hay tắt xuống Client, thì Client sẽ tiếp tục gởi tín hiệu này đến các thiết bị trên, trong đề tài này chúng tôi mô phỏng các thiết bị trên bằng 8 bóng đèn LED. 1.2. Cho phép kiểm tra trạng thái thiết bị. Chức năng này cho phép Client thu được tín hiệu của các thiết bị trên thông qua cổng LPT, về cách thức hoạt động của chức năng này có thể tóm tắt như sau: từ Server ta gởi tín hiệu yêu cầu Client lấy trạng thái của các thiết bị, sau đó Client bắt đầu thu thập trạng thái của các thiết bị và trả ngược về Server, sau đó Server sẽ hiển thị lên cho người xem biết được thiết bị đó đang bật hay đang tắt. 2. Lịch sử nghiên cứu Trên thế có rất nhiều nhà nghiên cứu về việc điều khiển thiết bị qua mạng và đã cho ra nhiều siêu phẩm . Điển hình nhất là ngôi nhà thông minh của - 3 - Bill Gate. Đó là một sản phẩm mang đầy tính “ công nghệ thông tin”. Một sự kết hợp hoàn hảo giữa hai lĩnh vực công nghệ thông tin và điện tử. Tất cả các thiết bị trong nhà được điều khiển tự động. Các thiết bị được kết nối với máy tính, được điều khiển tự động thông qua thiết bị cầm tay hay máy tính. Đó là một sản phẩm quá xa xỉ đối với chúng ta nhưng không phải là chúng ta không dám nghĩ tới. Thiết nghĩ bạn đi làm ở công ty mà bạn có thể điều khiển tất cả các thiết bị ở nhà như bật bật tắt bóng đèn, máy lạnh… bạn sẽ cảm thấy như thế nào. Như vậy cũng là quá tuyệt vời rồi phải không? 3. Mục tiêu nghiên cứu. Ở đề tài này nhóm chúng tôi nghiên cứu về việc điều khiển thiết bị thông qua mạng TCP/IP. Client kết nối với mạch điện thông qua 2 cổng: cổng LPT và cổng USB. Trên mạch điện ta gắn các thiết bị. Các thiết bị ở đây được tượng trưng là đèn Led. Trên Client ta thiết kế giao diện điều khiển cho phép Client kết nối và login vào Server. Trên Server ta có giao diện quản lý các Client và trên mỗi Client ta quản lý bật tắt được từng thiết bị. Như vậy cũng còn nhiều mặt hạn chế như: người điều khiển phải ngồi trực tiếp trên Server mới điều khiển được thiết bị trên Client. Để khắc phục được chuyện đó nhóm chúng tôi làm thêm chức năng Remote. Nghĩa là máy Client có chức năng truy cập vào Server và điều khiển bật tắt các thiết bị trên một Client khác kết nối với thiết bị bằng cổng LPT Như vậy người dùng có thể điều khiển được các thiết bị, chỉ cần Server và Client kết nối mạng với nhau - Giao diện thân thiện với người dùng. - Có khả năng quản lý User tốt 4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu. Trong đề tài này chủ yếu nghiên cứu về cổng LPT và cổng USB và cách thức truyền tín hiệu qua mạng TCP/IP. Phạm vi nghiên cứu là hệ thống mạng LAN, WAN. - 4 - 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu và nghiên cứu các tài liệu về cổng LPT, cổng USB, về lập trình socket, tìm hiểu về ngôn ngữ JAVA Tìm hiểu sơ lược về các kiến thức điện tử như đèn LED, điện trở, và cách làm mạch điện giao tiếp Xây dựng chương trình có giao diện đơn giản, phù hợp với người dùng, người dùng có thể điều khiển thiết bị một cách dễ dàng 6. Những đóng góp mới của đề tài - những vấn đề mà đề tài chƣa thực hiện đƣợc. Xây dụng được chương trình điều khiển từ xa thông qua mạng TCP/IP, giúp người dùng dễ dàng quản lý được các thiết bị của họ, chương trình có khả năng kiểm tra được trạng thái của thiết bị và hiển thị lên cho người dùng, lợi điểm của chương trình là do sử dụng mạng nên có thể điều khiển thiết bị ở mọi nơi chỉ cần kết nối Internet, không bị giới hạn về khoảng cách. Có thể điều khiển qua mạng không dây, hướng phát triển có thể tích hợp vào các thiết bị di động hoặc các thiết bị cầm tay khác. Tuy nhiên chương trình chỉ mới điều khiển được các thiết bị mô phỏng (ở đây là bật tắt 8 bóng đèn LED) chưa thử nghiệm điều khiển trên các thiết bị thật như: bóng đèn nhà, máy lạnh, máy giặt, tủ lạnh….Nếu có điều kiện nghiên cứu thêm nhóm chúng tôi sẽ không dừng lại ở việc bật tắt các đèn Led mà phát triển lên các thiết bị thật như các thiết bị gia đình, các máy móc trong công ty xí nghiệp… Do thời gian và kiến thức có hạn nên chúng tôi làm được phần điều khiển thiết bị qua TCP/IP thông qua cổng LPT còn cổng USB đang trong giai đoạn nghiên cứu và thử nghiệm. Do điều khiển thiết bị qua cổng USB rất phức tạp đòi hỏi kiến thức rất nhiều về điện tử và lập trình vi điều khiển 7. Kết cấu của đề tài. Luận văn này được trình bày thành ba phần chính: Phần mở đầu, phần nội dung và phần kết luận. - 5 - Phần mở đầu: Giới thiệu sơ lược về lý do chọn đề tài, lịch sử nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, những đóng góp và những vấn đề tồn tại của đề tài để từ đó đem lại cho mọi người một cái nhìn tổng quan nhất về đề tài. Phần nội dung: Nội dung báo cáo được chia làm 3 chương: Chƣơng 1: Giới thiệu về cổng LPT, cổng USB và lập trình Socket Chƣơng 2: Điều khiển thiết bị qua mạng Trình bày cách thực hiện về lập trình Socket và điều khiển thiết bị thông qua cổng LPT Chƣơng 3: Chương trình điều khiển thiết bị qua mạng TCP/IP Giới thiệu về chương trình và cách thức điều khiển thiết bị. Phần kết luận: Kết luận chung về toàn bộ đề tài. Hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo. - 6 - CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CỔNG LPT, CỔNG USB VÀ LẬP TRÌNH SOCKET 1.1 Giới thiệu tổng quan về điều khiển thiết bị 1.1.1 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR) Ngày nay, đây là loại điều khiển từ xa có vai trò “thống trị” trong hầu hết các thiết bị gia đình. Một chiếc điều khiển IR sẽ gồm các bộ phận cơ bản nằm trong một hộp nối cáp kỹ thuật số như sau: Các nút bấm, một bảng mạch tích hợp, các núm tiếp điểm, đi- ốt phát quang (đèn LED). Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng hồng ngoại của quang phổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển. Nó đóng vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát ra các xung ánh sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể. Khi ta ấn một nút phía bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần điều khiển sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó. Quy trình này cụ thể như sau: Đầu tiên, khi ta nhấn vào một nút như “Tăng âm lượng” chẳng hạn, nó sẽ chạm vào núm tiếp điểm bên dưới và nối kín một mạch tăng âm lượng trên bản mạch. Các mạch tích hợp có thể tự dò tìm ra từng mạch cụ thể cho từng nút bấm. Tiếp đó các mạch này sẽ gửi tín hiệu đến đèn LED nằm phía trước. Từ đây, đèn LED sẽ phát ra một chuỗi các xung ánh sáng chứa các mã nhị phân (gồm những dãy số 1 và 0) tương ứng với lệnh “tăng âm lượng”. Mã lệnh này gồm nhiều mã con như khởi động, tăng âm lượng, mã địa chỉ thiết bị và ngừng lại khi ta thả nút ra. - 7 - Hình 1.1: Sơ đồ bộ điều khiển từ xa. Về phía bộ phận cần điều khiển, nó sẽ gồm một bộ thu tín hiệu hồng ngoại nằm ở mặt trước để có thể dễ dàng nhận được tín hiệu từ điều khiển từ xa. Sau khi đã xác minh mã địa chỉ này xuất phát đúng từ chiếc điều khiển của mình, chúng sẽ giải mã các xung ánh sáng thành các dữ liệu nhị phân để bộ vi xử lý của thiết bị có thể hiểu được và thực hiện các lệnh tương ứng. Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụng trong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ…. Chúng rất bền, tuy nhiên lại có hạn chế liên quan đến bản chất chỉ truyền theo đường thẳng của ánh sáng. Do đó, loại điều khiển IR có tầm hoạt động chỉ có khoảng 10 mét và cũng không thể truyền qua các bức tường hoặc vòng qua các góc. Chúng chỉ hoạt động tốt khi ta trỏ thẳng hay gần vị trí bộ thu của vật dụng cần điều khiển. Ngoài ra, nguồn ánh sáng hồng ngoại có ở khắp nơi như ánh sáng mặt trời, bóng đèn huỳnh quang, từ cơ thể con người… nên có thể làm cho điều khiển IR bị nhiễu sóng. Để tránh hiện tượng này, người ta phải cài đặt cho bộ lọc của các bộ phận thu chỉ thu nhận những bước sóng đặc - 8 - biệt hoặc tần số riêng biệt của ánh sáng hồng ngoại phù hợp với nó và chặn ánh sáng ở bước sóng khác để hạn chế sự nhiễu sóng một cách tối đa. 1.1.2 Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF) Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh… Hình 1.2: Một số điều khiển từ xa. Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó. So với loại điều khiển IR, lợi thế lớn nhất của nó chính là phạm - 9 - vi truyền tải rộng, có thể sử dụng cách thiết bị cần điều khiển đến hơn 30 mét đồng thời có thể điều khiển xuyên tường, kính… Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế đó là tín hiệu vô tuyến cũng có mặt khắp nơi trong không gian do hàng trăm loại máy móc thiết bị dùng các tín hiệu vô tuyến tại các tần số khác nhau. Do đó, người ta tránh nhiễu sóng bằng cách truyền ở các tần số đặc biệt và nhúng mã kỹ thuật số địa chỉ của thiết bị nhận trong các tín hiệu vô tuyến. Điều này giúp bộ thu vô tuyến trên thiết bị hồi đáp tín hiệu tương ứng một cách chính xác. 1.1.3 Điều khiển bằng máy tính. Công ty Centronics, từng nổi tiếng thế giới với vị trí hàng đầu trong số nhà sản xuất máy in kiểu ma trận, đã thiết kế ra cổng song song (LPT) nhằm mục đích nối máy tính PC với máy in. Về sau, cổng song song đã phát triển thành một tiêu chuẩn không chính thức. Tên gọi của cổng song song bắt nguồn từ kiểu dữ liệu truyền qua cổng này: các bit dữ liệu được truyền song song hay nói cụ thể hơn là Byte nối tiếp còn Bit song song. Hình 1.3: Cổng LPT trên máy tính. Việc điều khiển thiết bị thông qua cổng này cũng được phát triển rất nhiều nhưng chủ yếu là điều khiển thông qua một con IC. - 10 - Ngoài ra trong nước ta cũng có rất nhiều đề tài điều khiển thiết bị nhưng chủ yếu thông qua cổng COM sử dụng IC của tác giả Cao Văn Hưởng đến từ Long Hải, email: caovanhuong@webdien.com, em xin giới thiệu về chương trình này: Phần mềm dùng điều khiển các thiết bị điện bằng máy tính. Nó có thể điều khiển tối đa 20 thiết bị điện qua chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), có thể sử dụng cáp chuyển USB sang cổng COM. Hình 1.4: Giao diện chương trình điều khiển qua cổng COM. Đây là mạch ngoại vi của nó, hình chỉ vẽ phần giao tiếp công suất chỉ có 1 role. Nếu bạn muốn sử dụng bao nhiêu đèn thì vẽ thêm vào chừng đó cái role, đèn số 1 nối với RB0, đèn số 2 nối với RB1 cứ thế thì nó lần lượt cho đến RD . . Điều khiển thiết bị qua mạng Trình bày cách thực hiện về lập trình Socket và điều khiển thiết bị thông qua cổng LPT Chƣơng 3: Chương trình điều khiển thiết. Mục tiêu nghiên cứu. Ở đề tài này nhóm chúng tôi nghiên cứu về việc điều khiển thiết bị thông qua mạng TCP/IP. Client kết nối với mạch điện thông qua 2 cổng: