Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, cảnh báo nhiệt độ sử dụng wifi kết hợp giao thức internet of things

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Chƣơng inh viên h hi n : Nguyễn Trọng Thuần : 52K - ĐTTT NGHỆ AN - 2016 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn hƣớng dẫn nhiệt tình tạo điều kiện giảng viên: ThS Lê Văn Chƣơng môi trƣờng làm việc lành mạnh, phát triển bền vững trình học tập nghiên cứu trƣờng Đại học Vinh Trong trình làm đồ án, em cố gắng để hoàn thành cách tốt nhƣng tránh khỏi thiếu sót Kính mong q thầy góp ý, bảo thiếu sót tồn để đồ án đƣợc hoàn thiện Một lần nữa, em xin kính chúc q thầy, sức khỏe thành cơng với giảng thành công nghiệp giảng dạy rèn ngƣời Em xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án tập trung nghiên cứu hệ thống tự động thu thập liệu nhiệt độ, ứng dụng tảng Internet of things Thiết lập chế độ hoạt động phù hợp với trạng thái điểm truy nhập (AP) máy trạm (Client) tạo nên ln chuyển hài hịa cho q trình xử lý, truyền nhận đạt đƣợc độ tin cậy cao node mạng Sử dụng vi xử lý thông minh để thu thập thông tin liệu đƣợc truyền qua mạng không dây WIFI máy trạm Và gửi qua nốt mạng liên kết để truyền liệu xa kết nối Internet ABSTRACT This thesis centralized study on the automation system collect temperature data, applications in the Internet of things platform Establish appropriate operating mode with the status access point (AP) or client (Client) to create a harmonious circulation for processing, transmission achieve the highest reliability in the network node Using intelligent microprocessor to gather information and data to be transmitted on the client using WIFI wireless network for client And sent over the link network node for data transmission and Internet connection away MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỒ ÁN LỜI NÓI ĐẦU DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS VÀ GIAO TIẾP KHÔNG DÂY WIFI 1.1 Công nghệ Internet of things(IoT) 1.2 Các giao thức IOT 1.3 Tổng quan giao thức WIFI 1.3.1 Phân lớp giao thức 10 1.3.2 Các chức điều khiển 10 1.3.2.1 Beacon 11 1.3.2.2 Dò quét 12 1.3.2.3 Xác thực 13 1.3.2.4 Quá trình liên kết 15 1.3.2.5 Tái liên kết 15 1.3.2.6 Ngắt liên kết 16 1.3.3 Truy nhập kênh phân phối 16 1.3.4 Khoảng thời gian truy nhập kênh 19 1.3.4.1 Khoảng cách liên khung ngắn SIFS 20 1.3.4.2 Khe thời gian 21 1.3.4.3 Khoảng cách liên khung PIFS PCF ( The PCF inter – frame space) 21 1.3.5 Trao đổi khung liệu khung ACK xác nhận 21 1.3.5.1 Phân đoạn khung 22 1.3.5.2 Phát trùng lặp (Duplicete detection) 24 1.3.5.3 Tiêu đề bình đẳng thứ tự liệu /ACK 24 1.4 Giao thức TCP/IP 25 CHƢƠNG 2: VI MẠCHESP8266 VÀ ỨNG DỤNG TRONG INTERNET OF THINGS 37 2.1 Tổng quan esp8266 37 2.2 Các ứng dụng 42 2.4 Giới thiệu phần mềm sử dụng ngơn ngữ lập trình 43 2.4.1 Phần mềm ESPlorer 43 2.4.2 Ngơn ngữ lập trình 44 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS 45 3.1 Phân tích, yêu cầu thiết kế 45 3.2 Sơ đồ khối 45 3.2 Thiết kế phần cứng 45 3.2.1 Khối phát 45 3.2.2 Khối thu 48 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý, mạch in PCB 49 3.3 Xây dựng thuật toán điều khiển 51 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC 57 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ tảng Internet of things (IoT) nhận đƣợc quan tâm lớn giới công nghệ, bùng nổ IoT tƣơng lai có tác động mãnh mẽ tới sống, công việc xã hội loài ngƣời Trong tảng đồ vật, ngƣời đƣợc cung cấp định danh riêng mình, tất có khả truyền tải, trao đổi thông tin, liệu qua mạng mà không cần đến tƣơng tác trực tiếp ngƣời với ngƣời, hay ngƣời với máy tính Nói cách đơn giản IoT tập hợp thiết bị có khả kết nối với nhau, với Internet với giới bên để thực cơng việc Dựa tảng IoT, vấn đề đƣợc quan tâm nghiên cứu, có khả mang lại hiệu kinh tế hệ thống giám sát thông số môi trƣờng (nhiệt độ, độ ẩm, cƣờng độ sáng, …) ứng dụng nông nghiệp, cảnh báo thiên tai, kiểm sốt nhiệt độ cho tịa nhà, … Trong phần báo cáo đồ án này, em xin trình bày đề tài “ Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát, cảnh báo nhiệt độ sử dụng WIFI kết hợp giao thức Internet of things” Nội dung đồ án đƣợc trình bày chƣơng: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS VÀ GIAO TIẾP KHÔNG DÂY WIFI CHƢƠNG 2: VI MẠCHESP8266 VÀ ỨNG DỤNG TRONG INTERNET OF THINGS CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ SỬ DỤNG WIFI KẾT HỢP GIAO THỨC INTERNET OF THINGS Sinh viên thực Nguyễn Trọng Thuần DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.3.1 Sơ đồ chuẩn mạng 802 Hình 1.3.2 Phân lớp 10 Hình 1.3.3Vị trí khung Beacon 11 Hình 1.3.4 Quét bị động 12 Hình 1.3.5 Quét chủ động 12 Hình 1.3.6 Xác thực hệ thống mở(OSA) 13 Hình 1.3.7 Xác thực khóa chia sẻ .15 Hình 1.3.8 Hoạt động RTS/CTS .18 Hình 1.3.10 Sơ đồ cách thức hoạt động NAV 19 Hình 1.3.11 Một số loại IFS 20 Hình 1.3.12 Thời gian trễ trình xử lý hồi đáp khung tầng vật lý lớp MAC 20 Hình 1.3.13 Trao đổi khung liệu khung xác nhận ACK 22 Hình 1.3.14 Mô tả phân đoạn khung 23 Hình 1.3.15 Hai trạm cạnh tranh truy nhập .25 Hình 1.4.1: Cấu trúc TCP/IP 26 Hình 1.4.2 Lớp Application 27 Hình 1.4.3 Gói liệu lớp Transport 29 Hình 1.3.4: Datagram lớp Internet 31 Hình 1.3.5 : Sự phân mảnh Datagram 32 Hình 1.3.6 : Cấu trúc Ethernet 33 Hình 1.3.7: Frame lớp Network Interface .34 Hình 2.1 Sơ đồ chân ESP8266 37 Hình 2.2 Sơ đồ khối ESP8266EX .38 Hình 2.3 Sơ đồ chân ESP8266EX .38 Hình 2.4 Sơ đồ chân Winbond 25X10BVING 41 Hình 2.5 Sơ đồ khối Winbond 25X10BVING 42 Hình 2.6 Phần mềm ESPlorer 43 Hình 2.7 Nạp chƣơng trình sử dụng phần mềm ESPlorer 44 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống .45 Hình 3.2 Sơ đồ khối phát 46 Hình 3.3 sơ đồ kết nối DS18B20với khối xử lý trung tâm .46 Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn từ 12v xuống 5v 47 Hình 3.5 Sơ đồ mạch RELAY điều khiển thiết bị 48 Hình 3.6 Sơ đồ khối thu 48 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối thu 49 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối phát 50 Hình 3.9 Mạch in phía thu .50 Hình 3.10 Mạch in phía phát .51 Hình 3.11 Mạch phía phát 51 Hình 3.12 Mạch phía thu 51 Hình 3.13 Sơ đồ thuật tốn phía thu 52 Hình 3.14 Sơ đồ ngun lý phía phát 53 Hình 3.15 Giao diện Webserver 54 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Sơ đồ chân ESP8266EX 41 Bảng 2.2 Chức chân Winbond 25X10BVING 42 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ACK Acknowledgement Báo nhận A – MPDU Aggregate MAC protocol Đơn vị liệu giao thức Data unit MAC AP Access point Điểm truy cập BSS Basic sevice set Khối dịch vụ BW Bandwidth Băng thông CFP Contention free period Khoảng thời gian tranh chấp định kì CSMA Carrier sense multiple access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang CSMA/CA CSMA/CD Carrier sense multiple access Đa truy nhập cảm nhận sóng With collision detection mang tránh đụng độ Carrier sense multipe access Đa truy nhập cảm nhận sóng With collision detection mang dò đụng độ CTS Clear to send DS Distribution System DSSS Direct sequence spread spectrum Trải phổ trực tiếp Trung tâm điều phối DTIM Delivery traffic indication Khoảng truyền tin giao vận message DCF Distributed coordination Chức phân phối hợp lý function ESS Extended service set Khối dịch vụ mở rộng FCC Federal Communications Tổ FCC commission FHSS Frequency hopped spread Trải phổ nhảy tần spectrum FTP Flie transfer protocol Giao thức truyền file HTTP Hypertext transfer protocol Giao thức truyền siêu văn IBSS Independent BSS BSS độc lập LCC Logic link control MAC Medium access control MIMO Multiple – input multiple – Công nghệ MIMO output MPDU MAC protocol data unit Đơn vị liệu giao thức MAC MSDU MAC service data unit Đơn vị liệu dịch vụ MAC NAV Network allocation vector Véc tơ định vị mạng OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh ohaan chia theo Multiplexing tần số trực giao PC Point coordinator Điểm điều phối PLCP Physical layer convergence Giao thức hội tụ tầng vật lý protocol 25X10BVING ESP8266 phía khối phát có chức nhận tín hiệu kết đo từ DS18B20, xử lý tín hiệu truyền đến khối phát nằm vùng kết nối không dây ESP8266 Đồng thời đƣa kết so sánh với giá trị định sẵn điều khiển thiết bị qua chân GPIO ESP8266 sử dụng nguồn 3.3V Ta sử dụng nguồn sẵn có nhƣ 12V, 9V, 5V chuyển xuống 3.3V Nếu sử dụng nguồn 12v kết hợp IC7805 chuyển xuống 5V Điện áp 5V đƣợc đƣa qua diode Mỗi diode có điện áp 0.7 nên diode có điện áp đầu 1,4V Khi đƣợc mắc nối tiếp nguồn 5V diode điện áp đầu 5-1,4=3,6V Giá trị nằm khoảng cho phép để module ESP8266 hoạt động ổn định Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn từ 12v xuống 5v Do ESP 8266 sử dụng nguồn 3.3V, nên ESP8266 xử lý tín hiệu đƣa tín hiệu điều khiển thiết bị ngoại vi có tƣờng chập chờn Dễ bị ảnh hƣởng xảy chập cháy thiết bị ngoại vi Giải pháp để khắc phục tƣợng sử dụng IC PC817 Đây IC cách ly quang, nhằm chống nhiễu IC PC817 có tín hiệu đến qua diode phát quang, từ phía thu nhận tín hiệu điều khiển IC PC817 cách ly khối chênh lệch điện áp hay công suất khối có cơng suất nhỏ với khối điện áp lớn Khi cấp nguồn cho chân số IC, led opto nối chân số số sáng xảy hiệu ứng quang điện dẫn đến chân chân thông mức logic chuyển từ sang mà không cần tác động trực tiếp từ IC Khi có cố nhƣ cháy chập, tăng áp không ảnh hƣởng đến tầng điều khiển Điện áp 3.3V không đủ để điều khiển thiết bị nói chung Vậy nên lựa chọn rơ le để tăng khả điều khiển thêm nhiều thiết bị sử dụng 47 nguồn khác Relay sử dụng 5V, 12V tùy theo thiết bị có điện áp sử dụng Relay bao gồm: Nam châm điện, lõi sắt, lò xo Các tiếp điểm rơ le gồm phần tách rời phần đế dƣới phần nam châm điện, cơng tắc đóng ngắt Khi nam châm điện có từ trƣờng hút sắt di chuyển hai vị trí Ở sử dụng thêm diode tránh tƣợng ngƣợc dòng cho relay Để đóng vai trị chân đóng ngắt relay ta sử dụng transistor C1815 C1815 hoạt động chế độ khóa đóng ngắt để điều khiển relay Hình 3.5 Sơ đồ mạch RELAY điều khiển thiết bị 3.2.2 Khối thu Hình 3.6 Sơ đồ khối thu Khối thu bao gồm ESP8266 mạch điều khiển thiết bị ESP8266 khối thu 48 đảm nhận chức nhận giá trị từ khối phát, xử lý giá trị nhận đƣợc Đƣa lệnh điều khiển thiết bị nhiệt độ mức cho phép, điều khiển thiết bị tác động vào mơi trƣờng Đồng thời ESP8266 đóng vai trò máy trạm, xử lý liệu tác động đến điểm truy cập AP gửi giá trị lên Internet Về sơ đồ khối thu tƣơng tự khối phát Tuy nhiên chức khối thu đảm nhận công việc lớn phải đảm bảo điểm truy cập cho khối phát đông thời máy trạm để truy cập đến điểm AP khác 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý, mạch in PCB Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối thu 49 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối phát Hình 3.9 Mạch in phía thu 50 Hình 3.10 Mạch in phía phát Mạch thiết kế: Hình 3.11 Mạch phía phát Hình 3.12 Mạch phía thu 3.3 Xây dựng thuật tốn điều khiển Khối thu thực chức AP Client Đầu tiên khối thu có ESP8266 phải thực trình thiết lập chế độ AP khối phát truy nhập thông qua địa IP Ban đầu ESP8266 gọi lệnh thực chế độ STATIONAP, ESP8266 kiểm tra địa IP xem có địa IP 192.168.4.1 hay khơng, có ESP thực thành cơng chế độ AP Sau thực cấu hình chế độ Client truy cập vào điểm AP có kết nối đến intrnet, ESP8266 kiểm tra địa IP để biết 51 ESP8266 truy cập đến hay chƣa Quá trình thiết lập thành cơng, ESP8266 tiến hành mở port 80 gửi liệu lên Internet Sơ đồ thuật toán khối thu Hình 3.13Sơ đồ thuật tốn phía thu Sơ đồ thuật tốn phía phát 52 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý phía phát Khối phát bao gồm cảm biến đo nhiệt độ IC DS18B20 ESP8266 điều khiển thiết bị tác động đến môi trƣờng ESP8266 phải kết nối đến điểm AP thu thông qua kết nối địa IP ESP8266 kiểm tra địa IP xem có kết nối hay khơng Nếu có kết nối ESP8266 tiến hành mở port 80, sau gửi liệu sang khối thu qua cổng 80 Sau trình truyền cổng 80 đƣợc đóng Cứ khoảng thời gian (timer) ESP8266 lại tiếp tục thực lại trình Giao diện Webserver: 53 Hình 3.15Giao diện Webserver 54 KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu hoàn thành theo yêu cầu đặt đảm bảo đơn giản, hoạt động ổn định, giá thành hạ, trình đo nhiệt độ đƣợc thống kê liên tục đảm bảo độ xác cao,thời gian thực  Phạm vi ứng dụng - Cảnh báo cháy khu vực rộng lớn nhờ việc bố trí nhiều node cảm biến - Giám sát điều khiển nhiệt độ cho nhiều khu vực tòa nhà, khu vực nhà máy - Giám sát nhiệt độ cho tủ vắc xin lĩnh vực dƣợc phẩm, y tế -… Hƣớng phát triển đề tài - Tích hợp thêm nhiều cảm biến cho node mạng nhằm thu thập thêm nhiều thông tin môi trƣờng - Đối với ứng dụng cảnh báo cháy rừng cần tích hợp thêm hệ thống pin lƣợng mặt trời 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Lê Đình Tuấn, Xây dựng hệ thống giám sát thông số môi trường phục vụ nông nghiệp xác dựa IoT, Hội nghị quốc tế thƣờng niên khu công nghệ cao lần thứ 3, TP Hồ Chí Minh, 2015 [2] Sean Dieter Tebje Kelly, Nagender Kumar Suryadevara, Subhas Chandra Mukhopadhyay, Towards the Implementation of IoT for Environmental Condition Monitoring in Homes, IEEE Sensors Journal,Volume13, Issue 10, Page3846 3853 [3].Stallings W, Data and computer Communications, Mamillan Publishing 1995 [4].Ed Taylor, TCP/IP complete, McGraw – Hill , 1998 56 PHỤ LỤC Tệp init.lua phía phát outpin=4 gpio.mode(outpin,gpio.OUTPUT) gpio.write(outpin,gpio.LOW) print("ESP8266 Client") wifi.sta.disconnect() wifi.setmode(wifi.STATION) wifi.sta.config("test","12345678") wifi.sta.connect() print("Looking for a connection") t=require('ds18b20') t1=t.readNumber(3) tmr.alarm(0, 2000, 1, function() if(wifi.sta.getip()~=nil) then tmr.stop(0) print("Connected!" t1) print("Client IP Address:",wifi.sta.getip()) cl=net.createConnection(net.TCP, 0) cl:connect(80,"192.168.4.1") tmr.alarm(0, 5000, 1, function() t=require('ds18b20') t1=t.readNumber(3) gpio.mode(outpin,gpio.OUTPUT) 57 if t1>=33 then gpio.write(outpin,gpio.HIGH) end if t1='33' then gpio.write(outpin,gpio.HIGH) end if t