CHƯƠNG 2 :LÝ THUYẾT
2.2 Giới thiệu về mạng Zigbee
2.2.1 Tổng quan.
Zigbee là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng khơng khoảng cách ngắn, có tốc độ truyền dữ liệu thấp.Đây là giao thức được xây dựng theo chuẩn IEEE 802.15.4, hoạt động trên 3 dãy tần số 868Mhz, 915Mhz và 2,4GHz.
Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền thơng tin của các lồi ong “honey-Bee”, đó là kiểu “zig-zag”.Cái tên Zigbee cũng được ghép từ 2 từ này.
Về bản chất Zigbee cũng là một kiểu chuẩn giao tiếp không dây như những chuẩn không dây khác như: UWB, Wi-Fi, IrDA, 3G, Bluetooth…Nhưng nó mang những đặc tính kỹ thuật và đặc tính vật lý riêng, do đó sẽ chỉ phù hợp với một mảng ứng dụng nhất định.
Bảng 2.2 Đặc điểm của giao thức Zigbee.
Ưu Điểm Nhược Điểm
- Giá thành thấp.
- Tiêu thụ công suất nhỏ. - Kiến trúc mạng linh hoạt. - Số lượng các nút lớn (65K). - Độ tin cậy cao.
- Lỗi ở một điểm chính có thể gây lỗi hệ thống. - Tốc độ truyền thấp.
- Chưa có đầy đủ các thiết bị để phát triển. 2.2.2 So sánh Zigbee với các mạng khơng dây khác.
Hình 2.8 Các mạng khơng dây.
Bảng 2.3 So sánh Zigbee, Bluetooth và Wifi.
Đặc tính ZigBee Bluetooth Wi-Fi
Tần số 868MHz, 915Mhz,2.4 GHz 2.4GHz, 5GHz 2.4 GHz
Data rate 20-250Kbps 1-10 Mbps 11-54Mbps
Khoảng cách 10-100m 30m 50-100m
Độ linh hoạt (sơ đồ sao)65536 nút (sơ đồ sao)7 nút
Độ an toàn 128 bit mã hóa 64/128 bit mã hóa
Tiêu thụ cơng suất 10mA 100mA >100mA
- Tiết kiệm năng lượng vơ địch (để có thể “sống sót” với lượng pin ít ỏi càng lâu càng tốt). Đây là tiêu chí căn bản nhất.
- Khơng địi hỏi tốc độ truyền cao (một sensor thơng thường được đặt ở chế độ sleep, và wake up để scan trong thời gian rất ngắn; lượng thông tin thu thập khơng nhiều). - Một bộ thu thập phải có khả năng quản lý số lượng rất lớn các sensor (Bluetooth
không thể làm được).
Với những yêu cầu trên ta thấy giao thức Zigbee là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng sử dụng nhiều sensor.
2.2.3 Giao thức Zigbee/IEEE802.15.4.
Zigbee/IEEE802.15.4 là công nghệ xây dựng và phát triển các tầng ứng dụng và tầng mạng trên nền tảng là hai tầng PHY và MAC theo chuẩn IEEE 802.15.4, chính vì thế nên nó thừa hưởng được ưu điềm của chuẩn IEE802.15.4. Đó là tín tin cậy, đơn giản, tiêu hao ít năng lượng và khả năng thích ứng cao với các mơi trường mạng.
2.2.4 Mơ hình mạng Zigbee.
Trong truyền thông dùng giao thức Zigbee thường hỗ trợ 3 mơ hình mạng chính: Mạng hình sao, mạng hình cây và mạng sơ đồ lưới.
Hình 2.10 Mơ hình mạng Zigbee.
Về mặt cấu trúc, Zigbee là giao thức dùng để kết nối tất cả các thiết bị vào một mạng lưới (network). Số lượng thiết bị trong một network gần như là không giới hạn (216) và số lượng network trong một khu vực cũng gần như không giới hạn (tối đa 216 network có thể được đặt lân cận nhau theo lý thuyết).
Mỗi thiết bị Zigbee khi xuất xưởng đều có 1 địa chỉ duy nhất gọi là PanID. PanID là một dãy số 64bit. Như vậy số lượng thiết bị Zigbee có thể có là 264.
- Mỗi network Zigbee gồm có 3 thành phần:
o Coordinator: bộ thu thập dữ liệu.
o Router: bộ chuyển tiếp tín hiệu.
o End- device: thiết bị cuối, ví dụ như là sensor.
- Vai trò của các thiết bị trong network:
o Coordinator:là thiết bị quan trọng nhất (thiết bị gốc) trong 1 network.Ngay
sau khi khởi động, coordinator sẽ thiết lập 1 network và tạo ra 1 ID ngẫu nhiên cho network đó. Như vậy ta nói là 1 network Zigbee đã hình thành.
Mỗi thiết bị mới khi muốn gia nhập vào network sẽ phải kết nối với Coordinator.Ngay sau đó, thiết bị này được update vào cơ sở dữ liệu của coordinator và được coordinator cấp cho 1 địa chỉ gọi là network ID. Network ID gồm địa chỉ dài và địa chỉ ngắn:
Địa chỉ dài:Mỗi thiết bị Zigbee bất kì đều có 1 địa chỉ duy nhất gọi là
PanID với chiều dài 64 bit (giống như địa chỉ MAC ở máy tính).
Địa chỉ ngắn: là địa chỉ tồn đại trong từng network. Để tiết kiệm thời
gian và tài nguyên thì mỗi thiết bị trong network được cấp 1 địa chỉ gọi là địa network ID với độ dài 16 bit. Do đó mỗi network có thể có tối đa 216 (khoảng 65000) thiết bị, và địa chỉ này chỉ có giá trị trong phạm vi network (khi thiết bị gia nhập network khác thì sẽ được cấp lại địa chỉ ngắn).
o Router:là thiết bị chuyển tiếp tín hiệu. Router khơng có tác dụng thu thập tín
hiệu mà chỉ có tác dụng trung gian:Khi các sensor được đặt ở vị trí quá xa nên khơng thể nhận tín hiệu RF từ Coordinator, thì cần đặt 1 router ở giữa.Router sẽ có vai trị như bộ lặp lại, giữ cho kết nối giữa sensor và Coodinator khơng bị gián đoạn.
Router có thể kết nối với Coordinator và end-device.Các router cũng có thể kết nối với nhau, kết quả là 1 network Zigbee giống như một tổ ong (mesh network).
o End-device:là thiết bị cuối, có thể hiểu là các thiết bị như sensor, thiết bị trong
nhà (đèn, quạt)…Vai trị của các end-device rất đa dạng, có thể dùng trong cơng nghiệp như là các sensor đọc giá trị, đếm sản phẩm; hoặc sử dụng trong smarthome như cảm biến nhiệt độ, bật tắt đèn, máy quạt…
Thông thường end-device được đặt ở chế độ sleep để tiết kiệm năng lượng. Số lượng end-device rất lớn so với Coordinator và router, ví dụ 1 smarthome chỉ cần 1 Coordinator chung, 1 router cho mỗi tầng, nhưng cần rất nhiều end- device cho cảm biến nhiệt độ, báo cháy, đèn điện…).
2.3 Giới thiệu Module SIM900 và Breakout SIM 900.
2.3.1 Giới thiệu SIM900.
Hình 2.11 Sim900.
Sim900 là một module GSM/GPRS cực kỳ nhỏ gọn, được thiết kế cho thị trường toàn cầu. Sim900 hoạt động được ở 4 băng tần GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz như là một loại thiết bị đầu cuối với một Chip xử lý đơn nhân đầy sức mạnh, tăng cường các tính năng quan trọng dựa trên nền vi xử lý ARM926EJ-S, kích thước nhỏ gọn (24x24 mm), đáp ứng những yêu cầu về không gian trong các ứng dụng M2M. 2.3.2 Giới thiệu Breakout SIM900.
Hình 2.12 Breakout Sim900A.
SIM900A là module GSM/GPRS của hãng SIMCom được thiết kế dưới dạng module chipset, nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động ổn định và phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Module SIM900A có các tính năng cơ bản của một chiếc điện thoại như gọi điện thoại, nhắn tin, truy cập GPRS,...
- Điện năng tiêu thụ trong chế độ “ngủ”: 1.5mA. - Tương thích với GSM phase 2/2+.
- Tự động tìm băng tần phù hợp trong 4 băng tần EGSM 900MHz, DCS 1800MHz. - Lớp GSM: Small MS.
- Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến +80°C.
- Tốc dộ GPRS: Download data: 85.6kpbs, Upload data: 42.8kpbs.
- SMS.
- Lưu trữ trên Sim card.
- VOICE.
- Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực.
- Lập trình bằng tập lệnh AT thơng qua chuẩn giao tiếp RS232. - Tích hợp SIM socket, SMA edge PCB connector và led status.
Bảng 2.4 Mô tả chân Breakout Sim900A.
Thứ tự
chân Tên gọi Loại Mô tả
1 Vcc Power Điện áp so sánh 3.3V/5V. Chỉ dùng để so sánh ápcho mơ-đun chuyển áp tín hiệu khơng có tác dụng cấp cho sim900.
2 Status Output Theo dõi nhanh trạng thái hoạt động của modulesim900.
3,9,10 GND Power Điện áp đất 0V.
4 Power
Key Input
Chân bật/tắt module SIM900 (tín hiệu PowerKey), tích cực mức cao.
5 TXD Output Chân truyền trong điều khiển UART, tương thích3.3V/5V tùy thuộc vào Vcc.
6,8 Vin Power
Ngõ cấp nguồn vào cho mơ-đun. Có cùng tác dụng với ngõ Jack DC 5mm trên mô-đun. Từ 5~12 VDC, 2~3 Amp.
7 RXD Input Chân nhận trong điều khiển UART, tương thích3.3V/5V tùy thuộc vào Vcc. 2.3.3 Tập lệnh AT đơn giản.
Tập lệnh AT (AT – Attention) còn gọi là tập lệnh Hayes, được phát triển lúc đầu bởi Hayes Communications cho modem Hayes Smartmodem 300 bốt vào năm 1997. Tập lệnh bao gồm một loạt các chuỗi ký tự được kết hợp lại để tạo thành những lệnh hoàn chỉnh cho những tao tác như gọi, giữ và thay đổi các tham số kết nối. Ngày nay hầu hết các modem đều sử dụng tập lệnh Hayes. Các lệnh này đều bắt đầu bằng “AT”.
Hình 2.13 Sơ đồ chân Breakout Sim900A.
- Để tạo và gửi tin nhắn SMS chúng ta sẽ sử dụng những lệnh liên quan sau:
Bảng 2.5 Lệnh AT gửi tin nhắn SMS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+CMGS Gửi tin nhắn.
+CMSS Gửi tin nhắn từ bộ nhớ.
+CMGW Ghi tin nhắn vào bộ nhớ.
+CMGD Xóa tin nhắn.
+CMGC Gửi.
+CMMS Gửi thêm nhiều tin nữa.
- Để nhận và đọc tin nhắn SMS chúng ta sẽ sử dụng những lệnh liên quan sau:
Bảng 2.6 Lệnh AT nhận và đọc tin nhắn SMS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+CNMI Báo hiệu nếu có tin nhắn mới.
+CMGL Liệt kê các tin nhắn.
+CMGR Đọc tin nhắn.
+CNMA Phản hồi tin nhắn mới.
- Cài đặt kết nối GPRS cho Sim 900:
Để kết nối GPRS, ta phải cung cấp tên điểm truy cập (APN), Username và Password cho SIM900A. APN, Username và Password để kết nối GPRS của một số nhà cung cấp mạng ở Việt Nam được cho ở bảng sau:
Bảng 2.7 APN, USER NAME và PASSWORD của một số nhà mạng.
Tên mạng APN USER PASSWORD
Mobifone m-wap mms mms
Vinaphone 3m-world mms mms
Viettel v-internet - -
Vietnam mobile wap - -
Bảng 2.8 Lệnh AT thiết lập GPRS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+ CIPCSGP=1,”APN”,”usename”,”password” Đăng ký GPRS cho sim.
+ CIPSHUT=1 Ngắt kết nối GPRS.
+ CIPSTART=”MODE”,”domain name/IP address”,”port” Bắt đầu kết nối với server.
+ CIPSEND Truyền dữ liệu lên server.
Trong luận văn này sử dụng dịch vụ của Viettel.Mã lệnh AT để cài đặt các giá trị này như sau:
o Cài đặt APN: AT+SAPBR=3,1,“APN”,“v-internet”
o Cài đặt username: AT+SAPBR=3,1,“USER”,“-”
o Cài đặt password: AT+SAPBR=3,1,“PWD”,“-”
CID 1 bằng cách gởi lệnh “AT+SAPBR=1,1”. Nếu kết nối thành cơng, sẽ có phản hồi “OK”. Lệnh “AT+SAPBR=2,1” có thể được sử dụng để biết được địa chỉ IP được cấp để truy cập vào internet.
- Cài đặt truy cập internet thông qua dịch vụ HTTP:
SIM900A hỗ trợ giao thức TCP/IP được điều khiển bằng các lệnh AT cho phép các ứng dụng có thể truy cập dễ dàng dịch vụ internet HTTP. Các lệnh AT giúp truy cập internet bằng HTTP được liệt kê trong bảng sau:
Bảng 2.9 Các lệnh AT để sử dụng HTTP.
Mã lệnh Mô tả
AT+HTTPINIT Khởi tạo dịch vụ HTTP
AT+HTTPTERM Hủy dịch vụ HTTP
AT+HTTPPARA Thiết lập các thông số cho HTTP
AT+HTTPDATA Nhập dữ liệu HTTP
AT+HTTPACTION Phương pháp hoạt động HTTP
AT+HTTPREAD Đọc phản hồi của Server
AT+HTTPSCON Lưu lại ứng dụng HTTP
2.4 Giới Thiệu vi điều khiển trên khối Master và Slave.
2.4.1 Kit Tiva TM4C123GH6PM.
Hình 2.14Kit Tiva C Series TM4C123G LaunchPad. Vi xử lý khối Master:Arm Tiva C Cortex M4
- Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Chúng có đặc
điểm tiết kiệm năng lượng, vì vậy các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động.
- Vi điều khiển Tiva C Series ARM CORTEX M4 cung cấp hiệu suất hàng đầu và tiên tiến của hãng Texas Instrument, cung cấp rất nhiều các ngoại vi xung quanh, các ngoại vi có thể cấu hình và điều khiển trực tiếp bằng cách truy cập vào các thanh ghi điều khiển.
Chip TM4C123GH6PM:
- CPU: 32bits ARM Cortex M4. - Thumb2 16/32-bit code. - Flash: 256KB.
- SRAM: 32KB.
- EEPROM: 2KB.
- Speed: Up to 80MHz. - PWM: 16 chanels.
- ADC: 12bits – 12 chanels.
- Communication: SSI/SPI, I2C, UART, USB, CAN, PWM, ADC12. 2.4.2 Vi điều khiển MSP430G2553
Hình 2.15 MSP430G2553.
Vi xử lý khối slave: MSP430G2553.Đây là dịng vi điều khiển 16bit có nhiều ưu điểm nổi trội:
- Bộ tương tự hiệu suất cao cho phép các phép đo chính xác: 12 bit hoặc 10 bit ADC- 200kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref.
- Bộ giám sát điện áp nguồn: 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước Code lập trình.
- Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc. - Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành.
- Tối ưu hóa cho những chương trình ngơn ngữ bậc cao như C, C++. - Có 7 chế độ định địa chỉ.
2.4.3 Trình biên dịch CCS.
CCS là trình biên dịch hỗ trợ lập trình bằng ngơn ngữ C cho nhiều loại vi điều khiển khác nhau của TI.
- Trình biên dịch chính hãng từ TI.
- Cho phép người sử dụng làm việc, cấu hình ở mức độ thanh ghi. - Hỗ trợ Debug tới từng thanh ghi, dòng lệnh.
- Nền tảng Eclipse và hỗ trợ toàn bộ các loại MCU của hãng cho nên phần mềm khá nặng.
- Có nhiều tài liệu hướng dẫn sử dụng.
- CCS có bản miễn phí dành cho sinh viên dùng cho việc nghiên cứu học tập.
CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
3.1 Yêu cầu thiết kế.
Với đề tài này, các yêu cầu đặt ra khi thiết kế phần cứng như sau: - Khối Master:
o Kết nối Kit Arm Tiva4C123GH6PM với Module Sim900A.
o Kết nối giữa Kit Arm Tiva4C123GH6PM với Module Zigbee. - Khối Slave:
o Kết nối giữa MSP430G2553 với Module Zigbee.
o Kết nối giữa MSP430G2553 với các cảm biến nhiệt độ, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm, relay.
3.2 Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 3.16 Sơ đồ tổng quát sơ đồ khối hệ thống vườn thanh long thông minh.
Khối Slave: Có chức năng cập nhật thơng số mơi trường bao gồm nhiệt độ, ánh sáng,
Khối Master: Có chức năng cập nhật thơng số môi trường từ khối Slave gởi lên, đồng
thời gởi dữ liệu lên Web Server bằng kết nối GPRS của sim900.Ngồi ra khối Master cịn cập nhật yêu cầu điều khiển từ Web Server để tiến hành gởi đến các khối Slave.
Web Server: Có chức năng lưu trữ dữ liệu từ Master gởi lên như trạng thái thiết bị, các
thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mưa của khu vườn.
Điện thoại thơng minh:Có chức năng kết nối 3G, đăng nhập trang web, theo dõi trạng
thái thiết bị, thơng số mơi trường và có khả năng điều khiển thiết bị. 3.2.1 Khối Slave.
Hình 3.17Sơ đồ khối khối Slave.
Khối Slave có các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, các rờle đóng ngắt đèn, bơm nước. Trên khối Slave có một vi xử lý MSP430G2553.Ngồi ra khối Slave cịn có khối zigbee dùng để trao đổi dữ liệu với khối Master.
3.2.2 Khối Master.
Hình 3.18 Sơ đồ khối Master. Khối Zigbee có chức năng trao đổi dữ liệu với các khối Slave.
Khối Sim900 có chức năng kết nối GPRS, truyền và tải dữ liệu từ khối Master đến Web Server.
3.3 Thiết kế và sơ đồ nguyên lý.
3.3.1 Breakout Board Sim900A.
Hình 3.19 Sơ đồ chi tiết Breakout Sim900.
Breakout Board SIM900A sẽ được kết nối với kit Tiva bằng giao tiếp UART thông qua các chân RXD và TXD. Module SIM900A sẽ làm nhiệm vụ kết nối GPRS, thơng qua đó truy cập Internet.
Breakout Board SIM900A sẽ được khởi động bằng cách cấp một xung mức cao vào chân ON/OFF trong thời gian khoảng 1 giây. Khi đó Module SIM900A sẽ bắt đầu tìm mạng, đèn LED chỉ thị sẽ chớp tắt nhanh. Khi hồn thành q trình kết nối mạng, đèn LED chỉ thị sẽ chớp tắt chậm lại.
Breakout Board SIM900A được cung cấp nguồn 5V -2A hoặc 12V-2A để đảm bảo cho SIM900 hoạt động tốt và ổn định.
3.3.2 Khối Relay.
Để điều khiển các thiết bị điện thông thường, ta không thể sử dụng trực tiếp các chân ngõ