6. Điểm: (Bằng chữ: )
3.2.2.1 Yêu cầu phần cứng
Board Arduino hoặc Genuino
Hình 3. 11 : Arduino Uno
Module Arduino Ethernet Shield
Hình 3. 13: Arduino Uno kết nối với Arduino Ethernet Shield
Các Ethernet Shield cho phép bạn kết nối một WizNet điều khiển Ethernet cho Arduino hoặc Genuino thông qua bus SPI. Nó sử dụng các chân 10, 11, 12, và 13 cho kết nối SPI cho WizNet. Mô hình sau này của Ethernet Shield cũng có thẻ SD trên board. Pin 4 digital được sử dụng để điều khiển các pin slave select trên thẻ SD.
Các Shield nên được kết nối với một mạng với một cáp ethernet. Chúng ta sẽ cần phải thay đổi các thiết lập mạng trong các chương trình tương ứng với mạng.
Arduino Ethernet shield cho phép một bo Arduino kết nối với internet bằng cách sử dụng thư viện Ethernet và để đọc và viết một card SD bằng cách sử dụng thư viện SD .
3.2.2.2 Kết nối Ethernet Shield
Để sử dụng Shield, gắn kết nó vào đầu của một bo Arduino (ví dụ như Uno). Để upload chương trình đến bo, kết nối nó với máy tính bằng cáp USB như bình thường.Một khi chương trình đã được tải lên, bạn có thể ngắt kết nối bo từ máy tính của bạn và nguồn của nó bằng một nguồn cung cấp điện bên ngoài.
Kết nối Shield đến máy tính của bạn hoặc một network hub hoặc router bằng cáp Ethernet chuẩn ( CAT5 hoặc CAT6 với kết nối RJ45 ). Kết nối với một máy tính có thể yêu cầu sử dụng một cáp chéo (mặc dù với nhiều máy tính, bao gồm tất cả các máy Mac gần đây (http://support.apple.com/kb/HT2274 ) có thể kết nối chéo trong nội bộ).
Hình 3. 14 : Rj45
Hình 3. 15 : Chuẩn cáp mạng CAT 6 3.2.2.3 Thiết lập mạng
Shield phải được gán một địa chỉ MAC và một địa chỉ IP cố định bằng cách sử dụng chức năng Ethernet.begin ().
Một địa chỉ MAC là một định danh duy nhất tổng thể cho một thiết bị cụ thể. Hiện nay Ethernet Shields đi kèm với một nhãn cho biết địa chỉ MAC bạn nên sử dụng với chúng. Những người thực hiện đề tài chọn địa chỉ MAC 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED cho Arduino Ethernet Shield.
Địa chỉ IP của module Arduino Ethernet Shield được thiết lập trong phần lập trình cho Arduino trong môi trường lập trình bằng công cụ Arduino IDE 1.0.6.
Đối với các Shield cũ hơn sẽ không có một địa chỉ MAC chuyên dụng, có thể làm việc một cách ngẫu nhiên, nhưng không sử dụng cho nhiều bo. Địa chỉ IP hợp lệ phụ thuộc vào cấu hình mạng của bạn. Có thể sử dụng DHCP để gán địa chỉ IP vào Shield. Bạn cũng có thể chỉ định một network gateway và subnet tùy ý.
Hình 3. 16 : Địa chỉ IP sau khi được thiết lập
.
3.3 Tổng quan về Ethernet
3.3.1 Cấu trúc khung tin Ethernet
Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung ( famer) .
Cấu trúc khung Ethernet như sau:
Bảng 3. 2 : Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet
Preamble ( mở đầu): 7 bytes ( không được tính vào kích thước frame của Ethernet ) trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10Mhz.
SFD ( Start Frame Delimiter): 1 bytes (không được tính vào kích thước frame của Ethernet) trường hợp này mới thực sự xác định bắt đầu của một khung. Nó luôn mang giá trị 10101011.
Destination Address( địa chỉ đích): 6 bytes
Đây là địa chỉ MAC của Ethernet card nơi đến ( nơi khung frame gửi đến).
Ý nghĩa của bit thấp nhất xác định 6 bytes này: o 0: địa chỉ unicast
3 bytes đầu tiên được dùng để chỉ nhà sản xuất 1. 00-00-0C: CISCO
2. 00-00-3D: AT&T
3 bytes tiếp theo do nhà sản xuất quyết định o 1: địa chỉ multicast
01-80-C2-00-00-00: được dùng bởi các bridges cho giải thuật cây tản rộng
FF-FF-FF-FF-FF-FF: địa chỉ quảng bá (broadcast)
Ở chế độ hoạt động bình thường, Ethernet chỉ tiếp nhận những frame có địa chỉ nơi đến trùng với địa chỉ (duy nhất) của nó, hoặc địa chỉ nơi đến thể hiện một thông điệp quản bá. Tuy vậy, hầu hết các Ethernet card đều có thể được đặt ở chế độ "promiscuous". Trong chế độ này, nó sẽ nhận tất cả các frame xuất hiện trong mạng LAN.
Source Address ( địa chỉ nguồn): 6 bytes. Đây là địa chỉ MAC của Ethernet card nguồn (nơi khung frame được gửi đi).
LEN/TYLE (độ dài/kiểu gói): 2 bytes. Giá trị của trường nói lên độ lớn của phần giữ liệu mà khung mang theo.
Có 2 loại cấu trúc Ethernet frame o IEEE 802.3 MAC
Dùng để chỉ độ dài của Ethernet frame
o DIX Ethernet: được công bố bởi DEC, Intel và Xeror vào năm 1980 (phổ biến hơn)
Dùng để chỉ giao thức của lớp phía trên 0800: IP
0860: ARP
Phần thông tin: từ 46 tới 1500 bytes:
Do kích thước frame tối thiểu là 64 bytes, kích thước tối thiểu của phần thông tin là 64-18=46 bytes.
Kích thước phần thông tin tối đa là 1500 bytes. Do đó, kích thước gói IP trong Ethernet tối đa là 1500 bytes, đây cũng là một trong ba kích thước gói IP thông dụng nhất (40, 576, 1500).
FCS mang CRC ( cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lai khung coi như là bị lỗi và bị loại bỏ.
3.3.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet
Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định dạng duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet). Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, được gọi là địa chỉ MAC ( Media Access Control Address). Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số hexa ( hệ cơ số 16), ví dụ: 00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F-96. Khuôn dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần:
3 octet xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý tổ chức IEEE.
3 octet sau do nhà sản xuất ấn định.
Kết hợp ta có 1 địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng Ethernet. Địa chỉ MAC được sử dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong khung Ethernet.
3.3.3 Đặc tính điện
Tín hiệu Ethernet được mã hóa theo mã Manchester. Mã hóa Manchester sử dụng cách đảo ngược mỗi bit trong khoảng thời gian của nó để đồng bộ và miêu tả bit.
Bit ‘0’ Nửa chu kỳ đầu của bit là điện áp +V và nửa chu kỳ còn lại là điện áp –V
Bit ‘1’ Nửa chu kỳ đầu của bit là điện áp -V và nửa chu kỳ còn lại là điện áp + V
3.3.4 Các loại khung Ethernet 3.3.4.1 Các loại khung uniscat 3.3.4.1 Các loại khung uniscat
Giả sử trạm 1 cần truyền khung tới trạm 2. Khung Ethernet do trạm 1 truyền ra có địa chỉ:
MAC nguồn: 00-60-08-93-DB-C1.
MAC đích : 00-60-08-93-AB-12
Hình 3. 18 : Mô hình truyền thông unicast
Đây là khung unicast. Khung này được truyền tới 1 trạm xác định.Tất cả các trạm trong phân đoạn mạng trên sẽ đều nhận được khung này nhưng:
Chỉ có trạm 2 lấy được địa chỉ MAC đích của khung trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nên tiếp tục xử lý các thông tin khác trong khung.
Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa.
3.3.4.2 Các loại khung boardcast.
Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF (48 bit 1). khi nhận được các khung này, mặc dù không trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý.
Giao thức ARP sử dụng khung broadcast này để tìm địa chỉ MAC tương ứng với 1 địa chỉ IP cho trước. Một số giao thức định tuyến cũng sử dụng các khung broadcast để các router trao đổi bảng định tuyến.
3.3.4.2 Các khung Multicast
Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả. Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng một nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này.
(Chú ý: Địa chỉ MAC nguồn của khung luôn là địa chỉ MAC của giao tiếp mạng tạo ra khung. Trong khi đó địa chỉ MAC đích của khung thì phụ thuộc vào một trong ba loại khung nếu trên.)
3.3.5 Các loại Ethernet.
IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại Ethernet. Mỗi loại mạng mô tả dựa theo 3 yếu tố: tốc độ, phương thức tín hiệu sử dụng và đặc tính đường truyền vật lý.
3.3.5.1 Các hệ thống Ethernet 10Mb/s
10base5. Đây là tiêu chuẩn Ethernet đầu tiên, dựa trên cáp đồng trục loại dày. Tốc độ đạt được 10Mb/s, sử dụng băng tần cơ sở, chiều dài cáp tối đa cho một phân đoạn mạng là 500m.
10base2. Có tên là “ thin Ethernet”, dựa trên các hệ thống cáp đồng trục mỏng với tốc độ 10Mb/s, chiều dài cáp tối đa của phân đoạn là 185m ( IEEE làm tròn thành 200m).
10baseT. Chữ T là viết tắt của “Twisted” cáp xoắn cạp. 10BaseT hoạt động với tốc đọ 10Mb/s dựa trên hệ thống xoắn cạp Cat 3 trở lên.
10BaseF. F là viết tắt của Fiber Optic ( sợi quang). Đây là chuẩn cho sợi quang hoạt động với tốc độ 10Mb/s, ra đời năm 1993.
3.3.5.2 Các hệ thống Ethernet tốc độ 100Mb/s- Ethernet cao tốc(fast Ethernet)
100BaseT. Chuẩn Ethernet hoat động với tốc độ 100Mb/s trên cả cáp xoắn cạp lẫn cáp sợi quang.
100BaseX. Chữ X nói lên được tính mã hóa đường truyền cả hệ thống này( sử dụng phương pháp mã hóa 4B/5B của chuẩn FDDI) bao gồm 2 chuẩn 100BaseFX VÀ 100BaseTX.
100BaseFX. Tốc độ 100Mb/s, dử dụng cáp sợi quang đa mode.
100BaseTX. Tốc độ 100Mb/s, sử dụng cáp xoắn cạp.
100BaseT2 và 100BaseT4. Các chuẩn này sử dụng 2 cặp và 4 cặp cáp xoắn cặp Cat 3 trở lên tuy nhiên hiện nay hai chuẩn này ít được sử dụng.
3.3.5.3 Các hệ thống Giga Ethernet
1000BaseX: Chữ X nói lên đăc tính mã hóa đường truyền( chuẩn này dựa trên kiểu mã hóa 8B/10B dùng trong hệ thống kết nối tốc độ cao Fiber channel được phát triển bởi ANSI) chuẩn 1000BaseX gồm 3 loại:
1000Base-SX: tốc độ 1000Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng ngắn.
1000Base-LX: tốc độ 1000Mb/s, sử dụng sợi quang với sóng dài.
1000Base-cX: tốc độ 1000Mb/s, sử dụng cáp đồng.
1000BaseT: Hoạt động ở tốc độ Giga bit, băng tần cơ sở trên cáp xoắn cặp Cat 5 trở lên. Sử dụng kiểu mã hóa đường truyền riêng để đạt được tốc độ cao trên loại cáp này.
3.3.5.4 Chuẩn IEEE 802
IEEE 802 là hoc các chuẩn IEEE sành cho các mạng LAN và mạn MAN (metropolitan area network). Cụ thể hơn, các chuẩn IEEE 802 được giới hạn cho các mạng mang các gói tin có kích thước đa dạng. Khác với các mạng này, dữ liệu trong các mạng cell-based được truyền theo đơn vị nhỏ có cùng kích thước được gọi là cell. Các mạng Iosochronous, nơi dữ liệu được truyền theo một dòng liên tục các octet, hoặc nhóm các octet,tại các khoảng thời gian đều đăn, cũng nằm ngoài phạm vi của chuẩn này.
Các dịch vụ và giao thức được đặc tả trong IEEE 802 ánh xạ tới hai tầng thấp (tầng liên kết dữ liệu và tầng vật lý của mô hình 7 tầng OSI). Thực tế, IEEE 802 chia tầng liên kết dữ liệu OSI thành hai tầng con LLC (điều khiển liên kết lôgic) và MAC (điều khiển truy nhập môi trường truyền), do đó các tầng này có thể được liệt kê như sau:
Tầng liên kết dữ liệu
Tầng con LLC
Tầng con MAC
Tầng vật lý
Họ chuẩn IEEE 802 được bảo trì bởi Ban Tiêu Chuẩn LAN/MAN IEEE 802 (IEEE 802 LAN/MAN standards Committee (LMSC)). Các chuẩn được dùng rộng rãi nhất là dành cho họ Ethernet, Token Ring, mạng LAN không dây, cá mạng LAN dùng bridge và bridge ảo (Bridging and Virtual Bridged LANs). Chuẩn dành cho họ Ethernet là chuẩn IEEE 802.3.
Chương 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống 4.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Yêu cầu đề ra là thiết kế một giàn phơi đồ thông minh, đáp ứng được những yêu cầu cơ bản của một giàn phơi đồ, bên cạnh những ứng dụng cơ bản đó hệ thống còn có những tính năng mới thông minh. Nhưng giá thành không quá cao, phù hợp với túi tiền của các hộ gia đình.
Giàn phơi được thiết kế nhằm cải thiện, giảm thiểu những bất cập, khó khăn mà giàn phơi đồ thủ công trước đây gặp phải như thu đồ một cách thủ công (bằng tay), không chủ động được về mặt thời tiết (nếu mưa mà không có người thu đồ vào thì sẽ bị ướt).
Hệ thống dung cảm biến để nhận dạng mưa hay không, dựa vào đó giàn phơi có thể tự động thu đồ vào hoặc kéo đồ ra phơi. Ngoài ra giàn phơi có thêm tính năng thông minh đó là người dung có thể điều khiển giàn phơi thông qua mạng internet, miễn là được kết nối mạng, người dùng có thể điều khiển hoạt động của giàn phơi.
Giàn phơi có thể điều khiển qua giao diện webserver đơn giản, dễ sử dụng, thân thiện với người dùng.
4.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối 4.1.2.1 Sơ đồ khối 4.1.2.1 Sơ đồ khối
Hình 4. 2 : Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm các khối chính sau:
Khối nguồn.
Khối xử lí trung tâm.
Khối cảm biến.
Khối công suất.
Khối động cơ.
Khối giao tiếp với thiết bị ngoại vi.
Khối nút nhấn.
4.1.2.2 Chức năng các khối.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho tất cả các khối của hệ thống
Khối xử lí trung tâm: là trung tâm xử lí mọi hoạt động của hệ thống, nhận và xử lí dữ liệu từ cảm biến mưa,nhận và xử lí tín hiệu điều khiển từ thiết bị ngoại vi để điều khiển hoạt động cũng như chế độ của động cơ.
Khối cảm biến: Nhận biết thời tiết mưa hay không mưa từ đó gửi tín hiệu về khối xử lí trung tâm.
Khối công suất: nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm,từ đó điều khiển động cơ.
Khối động cơ: nhận tín hiều điều khiển từ khối công suất,thực hiện các chế độ quay theo yêu cầu.
Khối giao tiếp với thiết bị ngoại vi: gửi tín hiệu điều khiển về khối xử lí trung tâm thông qua cáp mạng.
Khối nút nhấn: điều khiển chế độ quay của động cơ thông qua hoạt động thủ công bằng tay.
4.1.3 Hoạt động của hệ thống
Giàn phơi thông minh hoạt động dựa trên nguyên tắc tự động, điều khiển bằng tay khi cần thiết và điều khiển qua mạng.
Khi trời mưa: Cảm biến sẽ nhận biết và truyền tín hiệu về khối vi xử lí trung tâm, khối vi xử lí trung tâm sẽ xử lí tín hiệu sau đó điều khiển động cơ thu đồ vào mái che một cách tự động.
Khi trời không mưa: Cảm biến nhận biết và truyền tín hiệu về khối xử lí trung tâm,từ đó xử lí và xuất tín hiệu điều khiển động cơ kéo đồ ra phơi.
Khi đồ đã được phơi khô xong, tránh hiện tượng phơi ngoài nắng lâu làm ảnh hưởng tới đồ,người sử dụng có thể thu đồ vào hoặc kéo đồ ra thông qua hệ thống nút nhấn gắn trên giá phơi.
Ngoài ra, một điểm mới được ứng dụng trên giàn phơi là người dùng có thể điều khiển hoạt động của giàn phơi (phơi đồ, thu đồ) bằng cách điều khiển qua mạng, chỉ cần người dùng có một chiếc máy tính, table, smartphone được kết nối mạng, người dùng có thể điều khiển giàn phơi thông qua một địa chỉ web có giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
4.1.4 Cấu hình cơ bản của hệ thống
Giàn phơi thông mình bao gồm một số thành phần chính sau:
Khung giàn phơi là nơi dùng để phơi đồ, nơi gắn các thiết bị điều khiển cũng như thiết bị cảm biến.
Cảm biến gắn trên khung, tiếp xúc trực tiếp với không gian bên ngoài.
Hộp điều khiển gồm vi điều khiển Arduino uno, động cơ, các module cũng như linh kiện cần thiết cho hoạt động của hệ thống. Là nơi chứa