Đồ án Nghiên cứu và thiết kế hệ thống ðiều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IOT (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu và thiết kế hệ thống ðiều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IOT (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN - TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ÐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT GVHD: ThS. TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH : LÊ TRUNG HẢI 11241002 TRẦN TẤN HUY 11241007 S KL 0 0 4 5 2 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2017
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT GVHD: ThS. Trương Ngọc Anh SVTH: Lê Trung Hải MSSV: 11241002 SVTH: Trần Tấn Huy MSSV: 11241007 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2017
3. TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 09 tháng 1 năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: LÊ TRUNG HẢI MSSV: 11241002 TRẦN TẤN HUY MSSV: 11241007 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2011 Lớp: 112410 I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: [1] Phạm Thế Quế, “Mạng máy tính”, Học Viện Bưu Chính Viễn Thông, 2006 [2] Phan Vân Hoàn, “Giáo trình vi xử lý nâng cao”, Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM [3] STMicroelectronics, “Datasheet STM32F103xx”, STMicroelectronics, 2014 [4] Espressif Systems IOT Team, “ESP8266 Datasheet”, Espressif Systems, 2015 [5] “Categories: Product Manual DFR Series Module DFRobot” , Robot Wiki,2014 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: tìm hiểu nhu cầu thực tiễn cũng như công nghệ của đề tài Nội dung 2: tìm hiểu lý thuyết liên quan, các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình điều khiển các thiết bị điện. Nội dung 3: tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển Nội dung 4: thiết kế mô hình, giải pháp điều khiển thiết bị, lập trình cho hệ thống Nội dung 5: đánh giá kết quả đã thực hiện được và tiến tới hoàn thiện đề tài Nội dung 6: kết luận về đề tài, đưa ra hướng phát triển trong tương lai III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 3/10/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/01/2017 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trương Ngọc Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
4. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn Trương Ngọc Anh, cùng lời cám ơn sâu sắc đến các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 112410 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ, Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài LÊ TRUNG HẢI TRẦN TẤN HUY
5. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xi Tóm tắt xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 2 1.3. Nội dung nghiên cứu 3 1.4. Giới hạn 3 1.5. Bố cục 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1 Giới thiệu về mạng internet 6 2.1.1 Phương thức kết nối mạng 6 2.1.2 Mạng toàn cầu internet 7 2.1.3 Chuẩn giao thức WLAN(Wireless Local Area Network - IEEE 802.11 7 2.1.4 Giao thức UDP 13 2.1.5 Giao thức MQTT 14 2.2 Giới thiệu phần cứng 18 2.2.1 Vi điều khiển 18 2.2.2 Màn hình GLCD TFT 3.2 và điều khiển chip SSD1298 28 2.2.3 Mô - đun WI-FI ESP8266X 29 2.2.4 Mô - đun DFPlayer mini 34 2.2.5 Mô - đun công tắc cảm ứng chạm 39 2.2.6 Mô - đun WI-FI ESP8266 NodeMCU 40 vi
6. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. 42 3.1 Giới thiệu 42 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 43 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống 43 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 46 A. Tính toán và thiết kế mạch bảng điều khiển trung tâm 46 B. Tính toán và thiết kế mạch công tắc cảm ứng WI-FI 51 C. Tính toán và thiết kế mạch chơi nhạc MP3 WI-FI 52 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của các mạch trong hệ thống 54 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 57 4.1 Giới thiệu. 57 4.2 Thi công hệ thống 57 4.2.1 Thi công bo mạch 57 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 61 4.3 Đóng gói và thi công mô hình 63 4.3.1 Đóng gói hệ thống 63 4.3.2 Thi công mô hình 67 4.4 Lập trình hệ thống 67 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 67 A. Lưu đồ giải thuật của vi điều khiển ARM trên bộ điều khiển trung tâm 69 B. Lưu đồ giải thuật của module WI-FI ESP8266 trên bộ điều khiển trung tâm 76 C. Lưu đồ giải thuật của hệ thống công tắc điều khiển cảm ứng WI-FI 79 D. Lưu đồ giải thuật của hệ thống chơi nhạc MP3 WI-FI 80 E. Lưu đồ giải thuật trên điện thoại android 81 4.4.2. Phần mềm lập trình cho hệ thống 82 A. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ARM 82 B. Phần mềm lập trình cho module WI-FI ESP8266 86 4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android 92 4.4.4 Đăng ký và sử dụng Server MQTT (Broker MQTT) 96 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 101 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 101 4.5.2 Quy trình thao tác 107 vii
7. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 111 5.1 Kết quả đạt được phần lý thuyết. 111 5.2 Kết quả đạt được phần thực hành 112 5.2.1 Bảng điều khiển trung tâm 112 5.2.2. Công tắc điều khiển cảm ứng WI-FI 113 5.2.3. Hộp thiết bị chơi nhạc MP3 WI-FI 115 5.2.4 Phần mềm điều khiển trên điện thoại Android 117 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 119 6.1 Kết luận . 119 6.2 Hướng phát triển 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHU LỤC viii
8. TÓM TẮT Ngày nay, dưới sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã làm cho cuộc sống con người ngày càng tốt hơn, tiện nghi hơn. Công nghệ về điều khiển thông minh cũng phát triển theo, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống và trong công nghiệp. Các dự án về ngôi nhà thông minh ứng dụng công nghệ IoT đang được quan tâm xây dựng rất nhiều và đang trở thành xu thế của xã hội hiện đại. Do giá thành vẫn còn cao nên việc triển khai vẫn còn hạn chế. Hiện nay ở nước ta, công nghệ IoT chưa phổ biến rộng rãi, được sử dụng chủ yếu là ở các khu đô thị sang trọng, nhà ở mắc tiền. Bên cạnh đó các sản phẩm này có chi phí lắp đặt cao, chưa tiết kiệm kinh phí điều khiển và giao diện điều khiển chưa thân thiện với người dùng. Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên mà vẫn đảm bảo hạ giá thành sản phẩm nhóm quyết định thiết kế, thi công hệ thống IoT cho căn hộ, sử dụng vi xử lý trung tâm là ARM STM32F103VET6 và module WIFI ESP8266. Người dùng có thể điều khiển thiết bị bằng smartphone chạy hệ điều hành Android 4.0 trở lên, hoặc ngay trên hệ thống bảng điều khiển trung tâm để điều khiển thiết bị, phát nhạc mp3 phục vụ nhu cầu giải trí. Sản phẩm gồm một hộp điều khiển trung tâm hổ trợ điều khiển 8 ngõ ra công suất nối đến các thiết bị điện dân dụng, một hộp công tắc điều khiển cảm ứng kết nối WLAN đến hộp điều khiển trung tâm, và một hộp thiết bị chơi nhạc MP3 WIFI. Kèm theo một phần mềm điều khiển trên smartphone android. xviii
9. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ “Internet of things” (IoT) đang trở thành một chủ đề ngày càng được nhắc đến nhiều trong các cuộc nói chuyện kể cả ở các công sở và những nơi khác. IoT không chỉ có khả năng ảnh hưởng đến cách chúng ta sống mà còn ảnh hưởng đến cách chúng ta làm việc. Nhưng thật ra chính xác IoT là gì và những tác động của nó đến cuộc sống của bạn như thế nào, nếu có ? Có rất nhiều vấn đề phức tạp xung quanh “Internet of things” nhưng ở đây chỉ nêu những điểm cơ bản nhất. Đã có rất nhiều buổi hội thảo công nghệ và chính sách liên quan nhưng rất nhiều người chỉ đang cố gắng nắm về nền tảng của nó. Internet băng thông rộng ngày càng phổ biến hơn, chi phí thì giảm xuống, nhiều thiết bị hơn với khả năng phát wifi và cảm biến bên trong, giá thành công nghệ giảm xuống, điện thoại thông minh tràn ngập. Tất cả những thứ đó đang tạo ra “cơn bão hoàn hảo” cho IoT. “Internet of things” thực chất đây là khái niệm của mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc mạng lưới thiết bị kết nối Internet viết tắt là IoT. Đây là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sư tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện công việc nào đó. Như vậy có thể tạm hiểu, Internet of Things là khi tất cả mọi thứ đều được kết nối với nhau qua mạng Internet, người dùng (chủ) có thể kiểm soát mọi đồ vật của mình qua mạng mà chỉ bằng một thiết bị thông minh, chẳng hạn như điện thoại, máy tính bảng, PC hay thậm chí chỉ bằng một chiếc đồng hồ thông minh nhỏ bé trên tay. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
10. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ngày nay trên thế giới, thì xu hướng IoT đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ, dân dụng . Có thể kể ra một số ứng dụng của IoT như sau: - Quản lý chất thải. - Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị. - Quản lý môi trường. - Mua sắm thông minh. - Quản lý các thiết bị cá nhân. - Đồng hồ thông minh. - Nhà thông minh (SmartHome). Xuất phát từ tình hình thực tế cũng như nhu cầu về kỹ thuật tự động, nhóm đã lên ý tưởng và chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT”. 1.2. MỤC TIÊU Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển cho căn hộ dùng công nghệ IoT. Mục tiêu đặt ra là thiết kế một hệ thống có ứng dụng công nghệ IoT, mọi thiết bị công suất, cảm biến, báo trộm . Đều có thể điều khiển và giám sát thông qua internet. Để tăng tính tiện nghi, nên hệ thống cần phải có tính năng cho phép điều khiển thiết bị công suất bằng nhiều cách chẳng hạn như : Điều khiển trên điện thoại bằng phần mềm điều khiển được viết trên Android. Điều khiển trên bảng điều khiển trung tâm, được đặt trong căn hộ. Điều khiển trên một hệ thống công tắc rời . Hệ thống bảng điều khiển trung tâm có chức năng kết nối không dây (WI-FI). Các hệ thống mở rộng củng có chức năng kết nối không dây (WI-FI). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
11. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Hệ thống sau khi hoàn thành phải ứng dụng được vào thực tế. Đặt biệt hệ thống phải chạy ổn định, hạn chế lỗi tới mức thấp nhất, nếu có trục trặc thì phải có phương pháp khắc phục. Chẳng hạn như đường truyền internet bị mất kết nối thì phải khắc phục ra sao để hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động tốt. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu tính khả thi và khả năng ứng dụng thực tiễn cho căn hộ. Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến IoT. Nghiên cứu và thiết kế hệ thống, lựa chọn các linh kiện cần thiết cho hệ thống. Tìm hiểu và viết phần mềm điều khiển, giám sát trên điện thoại android. Để thực hiện một hệ thống điều khiển tự động, người nghiên cứu phải mất thời gian nghiên cứu trên lý thuyết, thiết kế, thi công mạch và sau đó lập trình sẽ gây tốn thời gian và công sức. Chính vì vậy, người nghiên cứu cần phải có kiến thức về điều khiển tự động, am hiểu về các dòng vi điều khiển để có lựa chọn phù hợp với yêu cầu thiết kế sẽ làm tăng hiệu quả của việc nắm bắt kỹ thuật, tiết kiệm thời gian và chi phí trong việc nghiên cứu. Với đề tài “NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CĂN HỘ DÙNG CÔNG NGHỆ IOT”, nhóm sẽ thực hiện các nội dung sau đây: Nội dung 1: tìm hiểu nhu cầu thực tiễn cũng như công nghệ của đề tài. Nội dung 2: tìm hiểu lý thuyết liên quan, các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình điều khiển các thiết bị điện. Nội dung 3: tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển. Nội dung 4: thiết kế mô hình, giải pháp điều khiển thiết bị, lập trình cho hệ thống. Nội dung 5: đánh giá kết quả đã thực hiện được và tiến tới hoàn thiện đề tài. Nội dung 6: kết luận về đề tài, đưa ra hướng phát triển trong tương lai. 1.4. GIỚI HẠN Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị cho căn hộ dùng công nghệ IoT hoàn chỉnh rất phức tạp và rất tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
12. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN chính. Trong đề tài này nhóm xin đưa các giới hạn như sau : Điều khiển bật / tắt 8 thiết bị. Sử dụng màn hình GLCD nhỏ với kích thước 320x240. Bảng điều khiển trung tâm sử dụng chuẩn truyền thông wifi để giao tiếp với router wifi. Công tắc cảm ứng và bộ phát Mp3 kết nối với bảng điều khiển trung tâm qua chuẩn truyền thông wifi và sử dụng giao thức UDP để giao tiếp. Công tắc cảm ứng chỉ có thể điều khiển bật / tắt hai thiết bị. Chỉ có thể điều khiển play/pause/next/prive/volume cho thiết bị phát MP3. Chỉ có phần mềm điều khiển trên điện thoại android. Sử dụng server MQTT được cung cấp miễn phí. Không nghiên cứu về phần bảo mật. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương 4: Thi công hệ thống Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá . Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
13. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về mạng, giao thức kết nối và trình bày sơ lược về ARM STM32F103VET6, module wifi ESP8266, giao thức MQTT Chương 3: Thiết kế và tính toán Chương này chúng ta đặt ra yêu cầu cho sản phẩm, lựa chọn phương án thực hiện tính toán và thiết kế đi đến thi công thành sản phẩm hoàn thiện. Chương 4: Thi công hệ thống Chương này sẽ thể hiện quá trình thi công, hình ảnh minh họa cho kết quả đạt được. Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá . Chương này sẽ thể hiện quá trình thi công, hình ảnh minh họa cho kết quả đạt được, đưa ra nhận xét cho mỗi phần. Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương này chúng ta sẽ đánh giá kết quả đã làm được, đưa ra hướng dẫn sử dụng và hướng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
14. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG INTERNET Nội dung phần này được tham khảo tại tài liệu số [1]. Ngày nay, mạng internet không còn xa lạ với chúng ta nữa. Nó ngày càng lan rộng và kết nối tất cả các vùng miền của nước ta và toàn cầu. Thông qua mạng internet chúng ta có thể nâng cao hiểu biết, thực hiện các công việc hàng ngày để phục vụ cho nhu cầu của cuộc sống như: xem phim, nghe nhạc, mua sắm, điều khiển từ xa Ứng dụng internet trong điều khiển thiết bị từ xa ngày càng phát triển và áp dụng nhiều trong cuộc sống. Ví dụ trước khi trở về nhà từ cơ quan, bạn chỉ cần bấm vào nút “Về nhà” trên web server hoặc điện thoại di động, bình nóng lạnh sẽ bật, hệ thống quạt thông gió, điều hòa nhiệt độ sẽ khởi động để khi bạn về đến nhà, tất cả đã sẵn sàng phục vụ. Để tạo nên ứng dụng như vậy người thiết kế cần phải có kiến thức về mạng, am hiểu về phần cứng và có khả năng lập trình. 2.1.1 Phương thức kết nối mạng Phương thức kết nối mạng được sử dụng chủ yếu trong liên kết mạng, có hai phương thức chủ yếu là: Phương thức điểm - điểm: các đường truyền riêng biệt được thiết lập để nối các cặp máy tính lại với nhau. Mỗi máy tính có thể truyền và nhận trực tiếp dữ liệu hoặc có thể làm trung gian như lưu trữ những dữ liệu mà nó nhận được rồi sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho một máy khác để dữ liệu đó đạt tới đích. Phương thức đa điểm: tất cả các trạm phân chia chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu được gửi đi từ một máy tính sẽ có thể được tiếp nhận bởi tất cả các máy tính còn lại, bởi vậy cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi máy tính căn cứ vào đó BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
15. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT kiểm tra xem dữ liệu có phải dành cho mình không nếu đúng thì nhận còn nếu không thì bỏ qua. 2.1.2 Mạng toàn cầu internet Mạng toàn cầu Internet là một tập hợp gồm hàng vạn mạng trên khắp thế giới. Mạng Internet bắt nguồn từ một thử nghiệm của Cục quản lý các dự án nghiên cứu tiên tiến (Advanced Research Projects Agency–ARPA) thuộc bộ quốc phòng Mỹ đã kết nối thành công các mạng máy tính cho phép các trường đại học và các công ty tư nhân tham gia vào các dự án nghiên cứu. Về cơ bản, Internet là một liên mạng máy tính giao tiếp dưới cùng một bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Giao thức này cho phép mọi máy tính trên mạng giao tiếp với nhau một cách thống nhất giống như một ngôn ngữ quốc tế mà mọi người sử dụng để giao tiếp với nhau hàng ngày. Số lượng máy tính kết nối mạng và số lượng người truy cập vào mạng Internet trên toàn thế giới ngày càng tăng lên nhanh chóng, đặc biệt từ những năm 90 trở đi. Mạng Internet không chỉ cho phép chuyển tải thông tin nhanh chóng mà còn giúp cung cấp thông tin, nó cũng là diễn đàn và là thư viện toàn cầu đầu tiên. 2.1.3 Chuẩn giao thức WLAN (Wireless Local Area Network) - IEEE 802.11 IEEE 802.11 giao thức là một công nghệ truy cập mạng để cung cấp kết nối giữa các trạm không dây và cơ sở hạ tầng mạng có dây. Bằng cách triển khai các giao thức và công nghệ liên quan IEEE 802.11, bạn cho phép người dùng di động để đi đến những nơi khác nhau - phòng họp, hành lang, hành lang, nhà ăn, phòng học, vv - và vẫn có quyền truy cập vào dữ liệu mạng. Ngoài ra, vượt ra ngoài nơi làm việc của công ty, bạn cho phép truy cập vào Internet và thậm chí cả các trang web của công ty có thể được cung cấp thông qua mạng không dây công cộng "điểm nóng". Sân bay, nhà hàng, trạm xe lửa, và các khu vực trong toàn thành phố có thể được cấu hình để cung cấp dịch vụ này. Phần này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về cách thức IEEE 802.11 trình, bao gồm kiến trúc, các giao thức liên quan, và các công nghệ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
16. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT a. Kiến trúc IEEE 802.11 Các kiến trúc logic 802.11 chứa một số thành phần chính: trạm (STA), điểm truy cập không dây (AP), độc lập với dịch vụ cơ bản thiết lập (IBSS), cơ bản dịch vụ đặt (BSS), hệ thống phân phối (DS), và thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS). Một số thành phần của 802.11 logic bản đồ kiến trúc trực tiếp với các thiết bị phần cứng, chẳng hạn như Stas và các AP không dây. Cố vấn kỹ thuật này không có chứa một card adapter, PC Card, hoặc một thiết bị nhúng để cung cấp kết nối không dây. Các chức năng AP không dây như là một cầu nối giữa Stas không dây và các mạng xương sống hiện cho truy cập mạng. Một IBSS là một mạng không dây, bao gồm ít nhất hai Stas, được sử dụng mà không có quyền truy cập vào một DS có sẵn. Một IBSS cũng đôi khi được gọi là một hoc mạng không dây quảng cáo. Một BSS là một mạng không dây, bao gồm một AP không dây duy nhất hỗ trợ một hoặc nhiều khách hàng không dây. Một BSS cũng đôi khi được gọi là một mạng không dây cơ sở hạ tầng. Tất cả Stas trong một BSS giao tiếp thông qua AP. Các AP cung cấp kết nối tới mạng LAN có dây và cung cấp cầu nối chức năng khi một STA khởi truyền thông khác STA hoặc một nút trên DS. Một ESS là một tập hợp của hai hay nhiều điểm truy cập không dây kết nối với mạng có dây giống như định nghĩa một phân đoạn mạng logic duy nhất được bao bọc bởi một bộ định tuyến (còn được gọi là subnet). Các AP của nhiều BSS được nối với nhau bằng DS. Điều này cho phép cho di động, vì Stas có thể di chuyển từ một BSS để BSS khác. AP có thể được kết nối với nhau có hoặc không dây; Tuy nhiên, hầu hết thời gian họ được kết nối với dây điện. DS là thành phần logic được sử dụng để kết nối BSS. DS cung cấp dịch vụ phân phối để cho phép chuyển vùng của Stas giữa BSS. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
17. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Mô tả kiến trúc của 802.11 b. Các chế độ hoạt động WIFI chuẩn 802.11 IEEE 802.11 định nghĩa các chế độ hoạt động sau: Infrastructure mode: trong chế độ này cần có ít nhất một AP không dây và một khách hàng không dây. Các khách hàng không dây sử dụng AP không dây để truy cập tài nguyên của một mạng có dây truyền thống. Các mạng có dây có thể là một mạng nội bộ tổ chức hoặc Internet, tùy thuộc vào vị trí của các AP không dây. Một thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS) được thể hiện trong hình dưới đây. Hình 2.2: Mô tả thiết lập dịch vụ mở rộng (ESS). Ad hoc mode: trong chế độ này khách hàng không dây giao tiếp trực tiếp với nhau mà không có việc sử dụng một AP không dây, chế độ này cũng được gọi là peer-to- peer mode. Khách hàng không dây trong chế độ ad hoc tạo thành một bộ dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS). Một trong những khách hàng không dây, các máy khách không dây đầu tiên trong IBSS, phải mất hơn một số trách nhiệm của các AP không BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT dây. Những trách nhiệm này bao gồm các quá trình đặt đèn hiệu định kỳ và xác thực thành viên mới. khách hàng không dây này không hành động như một cầu nối để chuyển tiếp thông tin giữa các máy khách không dây. Với chế độ này được sử dụng để kết nối máy khách không dây với nhau khi hiện tại không có AP không dây. Các khách hàng không dây phải được cấu hình một cách rõ ràng để sử dụng chế độ ad hoc. Có thể có tối đa là chín thành viên trong một mạng không dây. Hình 2.3: Mô tả thiết lập dịch vụ cơ bản độc lập (IBSS). Trong cả hai chế độ hoạt động, một Service Set Identifier (SSID), cũng được biết đến như tên của mạng không dây, xác định mạng không dây. SSID là một tên cấu hình trên AP không dây (cho chế độ cơ sở hạ tầng) hoặc một máy khách không dây ban đầu (đối với chế độ ad hoc) mà xác định mạng không dây. SSID được định kỳ quảng cáo bởi các AP không dây hoặc máy khách không dây ban đầu sử dụng một 802,11 khung quản lý MAC đặc biệt được gọi là một khung beacon. c. Các giao thức và công nghệ 802.11 liên quan 802.11: Các chuẩn không dây IEEE 802.11 định nghĩa các thông số kỹ thuật cho các lớp vật lý và kiểm soát truy cập phương tiện truyền thông lớp (MAC). 802.1X: Các tiêu chuẩn IEEE 802.1X định nghĩa cổng, kiểm soát truy cập mạng được sử dụng để cung cấp truy cập mạng đã xác thực cho các mạng Ethernet. Extensible Authentication Protocol (EAP) qua mạng LAN (EAPOL): EAP là dựa trên cơ chế xác thực Point-to-Point Protocol (PPP) đã được điều chỉnh để sử dụng trên mạng (LAN) phân đoạn địa phương point-to-point. Equivalent Privacy dây (WEP): WEP cung cấp các dịch vụ bảo mật dữ liệu bằng cách mã hóa các dữ liệu được gửi giữa các nút không dây. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Wi-Fi Protected Access (WPA): WPA là một tiêu chuẩn tạm thời cho đến khi các tiêu chuẩn IEEE 802.11i được phê duyệt. Các tiêu chuẩn này, dự định là một thay thế cho các tiêu chuẩn WEP, cung cấp các phương pháp mạnh mẽ hơn về sự mã hóa dữ liệu và mạng xác thực. IEEE 802 ban hành tiêu chuẩn định nghĩa hai lớp riêng biệt, Logical Link Control (LLC) và điều khiển truy cập phương tiện truyền thông, cho lớp Data-Link của mô hình OSI. Các chuẩn không dây IEEE 802.11 định nghĩa các thông số kỹ thuật cho các lớp vật lý và lớp điều khiển truy cập media (MAC) cho phép truyền thông lên đến lớp LLC, như thể hiện trong hình dưới đây. Hình 2.4: 802.11 và mô hình OSI Tất cả các thành phần trong kiến trúc 802.11 rơi vào một trong hai điều khiển truy cập media (MAC) lớp con của lớp liên kết dữ liệu hoặc các lớp vật lý. d. Các chuẩn mạng 802.11 phổ biến 802.11a: Chuẩn giao thức 802.11a sử dụng cùng giao thức lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) và định dạng frame như các chuẩn ban đầu 802.11-1997, nhưng dùng kỹ thuật OFDM cho truyền dẫn lớp vật lý. Dãi tần hoạt động của nó là băng tần 5GHz và có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps. Do dãi tần 2.4GHz đã trở nên quá tải (nhiều thiết bị dân dụng cũng sử dụng chung dãi tần này) nên việc sử dụng chuẩn 802.11a mang lại một lợi thế đáng kể. Tuy nhiên, phạm vi phủ sóng hiệu quả của 802.11a trong dãi tần 5GHz là thấp hơn so với các chuẩn giao thức 802.11b/g/n trong dãi tần 2,4GHz, do bởi tín hiệu hoạt động ở dãi tần cao hơn sẽ dễ dàng bị hấp thụ bởi các vật thể rắn hơn như tường, thép, cây cối . Tuy nhiên, chuẩn 802.11a và 802.11n lại ít chịu ảnh hưởng của nhiễu trong dãi tần 5GHz, do đó nhiều lúc chúng lại có phạm vi phủ sóng tương tự hoặc thậm chí lớn hơn 802.11b/g/n. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 802.11b: Là chuẩn mạng không dây 802.11 đầu tiên được áp dụng rộng rãi. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 11Mbps và sử dụng phương thức truyền thông giống như của các chuẩn của 802.11-1997. 802.11b hoạt động trên dãi tần số 2.4GHz, nó chịu ảnh hưởng rất nhiều từ nhiễu do hoạt động cùng tần số với những thiết bị dân dụng khác như các thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây DECT và VoIP, lò vi sóng, 802.11g: Là bước cải tiến kế tiếp từ 802.11b và vẫn hoạt động trên dãi tần 2.4GHz nhưng sử dụng kỹ thuật truyền dẫn OFDM. Nó có tốc độ truyền dẫn tối đa 54Mbps và tương thích ngược với phần cứng của chuẩn 802.11b. Đây là chuẩn công nghiệp tiếp theo và một lần nữa được áp dụng rộng rãi cho các ứng dụng mạng WLAN do tốc độ truyền tải dữ liệu tăng lên. Tương tự như 802.11b, các thiết bị 802.11g đều có thể bị ảnh hưởng xuyên nhiễu từ những thiết bị dân dụng khác hoạt động trên dãi tần 2.4GHz. Kỹ thuật OFDM được cho phép tại những tốc độ trên 20Mbps làm tăng đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight). 802.11n: Chuẩn 802.11n là một phiên bản để nhằm cải thiện các chuẩn trước đó bằng cách thêm vào anten công nghệ MIMO (Multiple Input-Multiple Output) và hoạt động trên cả dãi tần 2.4GHz và 5GHz với độ rộng kênh là 40 MHz (tùy chọn). Chuẩn 802.11n tương thích ngược với chuẩn 802.11a, b và g. Khác với chuẩn 802.11g, kỹ thuật OFDM trong 802.11n được cho phép hoạt động trên toàn bộ dãi các tốc độ truyền dẫn, nhờ đó nâng cao đáng kể khả năng NLoS (Non-Line-of-Sight). MIMO sử dụng nhiều anten thông minh để xử lý một lượng dữ liệu lớn hơn so với xử lý bằng một anten duy nhất. Bằng cách sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian SDM (Spatial Division Multiplexing), máy trạm (client) có thể truyền nhiều luồng dữ liệu độc lập cùng một lúc trên một kênh và nhờ đó làm tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (data rate) giữa máy trạm (client) và điểm truy cập (AP). Việc hai tính năng trên được kết hợp mang lại cho chuẩn 802.11n khả năng nâng cao tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa khi so sánh với 802.11g ở 2.4GHz và 802.11a ở 5GHz . Nó có thể lên đến 600Mbps (trên lý thuyết) khi truyền đồng thời trên 4 luồng dữ liệu và độ rộng kênh 40MHz. Vì vậy 802.11n đang trở thành tiêu chuẩn phổ biến . 802.11ac: hoạt động ở tân số 5GHz sử dụng OFDM dựa vào sự điều chế. Các đặc điểm kỹ thuật cho thấy tốc độ băng thông WLAN ít nhất 1Gbps và một liên kết đơn lẻ có tốc độ băng thông ít nhất là 500Mbps. Điều này đạt được bởi khái niệm mở rộng từ chuẩn 802.11n cho các kênh với băng thông rộng RF( lên đến 160MHz, 80Mhz bắt buộc), hơn thế nữa luồng dữ liệu được truyền đi với công nghệ đa Anten lên đến 8 luồng dữ liệu (Spatial streams ), nhiều người dùng MIMO (multi-user MIMO) và dùng cho nơi có mật độ người dùng cao(lên đến 256-QAM) . Dưới đây là bảng so sánh các đặc điểm của bốn chuẩn đề cập ở trên: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 12
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2.1: So sánh các đặc điểm của các chuẩn wifi 802.11 Tốc độ truyền dẫn dữ liệu tối đa (max. data rate) trên thiết bị không phải là tốc độ truyền dẫn dữ liệu thực tế (tùy thuộc cự ly, môi trường chung quanh, chiều cao cột anten, ) và cũng không phải là tốc độ truyền dữ liệu hữu ích (throughput - thông lượng). Bảng 2.2: So tốc độ truyền dẫn dữ liệu của các chuẩn wifi 802.11 2.1.4 Giao thức UDP UDP (User Datagram Protocol) là một trong những giao thức cốt lõi của giao thức TCP/IP. Dùng UDP, chương trình trên mạng máy tính có thể gửi những dữ liệu ngắn được gọi là datagram tới máy khác. UDP không cung cấp sự tin cậy và thứ tự truyền nhận mà TCP làm; các gói dữ liệu có thể đến không đúng thứ tự hoặc bị mất mà không có thông báo. Tuy nhiên UDP nhanh và hiệu quả hơn đối với các mục tiêu như kích thước nhỏ và yêu cầu khắt khe về thời gian. Do bản chất không trạng thái của nó nên nó hữu dụng đối với việc trả lời các truy vấn nhỏ với số lượng lớn người yêu cầu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 13
22. S K L 0 0 2 1 5 4