Luận văn Điều khiển thiết bị qua internet dùng Raspberry Pi 2 thông qua wifi (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển thiết bị qua internet dùng Raspberry Pi 2 thông qua wifi (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 ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA INTERNET DÙNG RASPBERRY PI 2 THÔNG QUA WIFI GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN NGA SVTH: CAO VĂN TIẾN MSSV: 12141228 SVTH: NGUYỄN MINH NGHĨA MSSV: 12141145 S K L 0 0 4 3 5 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
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: Điều Khiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI 2 Thông Qua Wi-Fi GVHD: ThS.Nguyễn Văn Nga SVTH: Cao Văn Tiến - Nguyễn Minh Nghĩa MSSV: 12141228 - 12141145 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2016
3. 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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: Điều Khiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI Thông Qua Wifi GVHD: ThS.Nguyễn Văn Nga SVTH : Cao Văn Tiến - Nguyễn Minh Nghĩa MSSV: 12141228 - 12141145 Tp. Hồ Chí Minh - 7/2016
4. 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 tháng năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Cao Văn Tiến MSSV: 12141228 Nguyễn Minh Nghĩa MSSV: 12141145 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: Điều Khiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI 2 Thông Qua Wi-Fi II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Tìm hiểu thông tin qua mạng. - Sách “Các giải pháp lập trình C# tổng biên dịch Nguyễn Ngọc Bình Phương – Thái Thanh Phong, Chịu trách nhiệm xuất bản: TS. NguyễnXuânThủy ” - Arduino Microcontroller: Processing for Everyone! PartI StevenF.Barrett 2010. - Arduino Microcontroller: Processing for Everyone!PartII StevenF.Barrett 2010. - John Boxall, “Arduino Workshop”, William Pollock, 2013. - Massimo Banzi, “Getting Started with Arduino”, O’Reilly Media, 2009. - Sách “Thực hành điện tử công suất” tác giả ThS.Hoàng Ngọc Văn. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu Kit Arduino UNO và Kit Raspberry PI 2 với hệ điều hành Win 10 Iot. - Viết ứng dụng điều khiển cho Raspberry PI 2 và lập trình cho Arduino UNO. - Tìm hiểu hệ điều hành Android và viết ứng dụng trên hệ điều hành này. - Tìm hiểu các đặc tính của Module Esp8266, cảm biến PIR, cảm biến ánh sáng và cảm biến LM35. - Vẽ mạch in kết nối các Module lại với nhau. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/04/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/06/2016 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Văn Nga CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
5. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Cao Văn Tiến - Nguyễn Minh Nghĩa
6. LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gửi tới thầy Nguyễn Văn Nga, mặc dù thầy rất bận trong công việc giảng dạy, nhưng thầy đã đồng ý hướng dẫn đồ án tốt nghiệp cho nhóm chúng em. Trong quá trình làm đồ án, thầy luôn chỉ bảo, nhắc nhở để chúng tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành đồ án đúng tiến độ. Bên cạnh đó, cùng với những lời nhận xét, góp ý của thầy cũng giúp chúng tôi có những định hướng đúng đắn hơn khi thực hiện đề tài. Chúng tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô trong khoa Điện-Điện Tử. Quý thầy cô là những người đã dạy dỗ, truyền đạt cho chúng tôi từ những kiến thức cơ bản nhất, đồng thời thường xuyên giúp đỡ rất nhiệt tình khi chúng tôi có khó khăn trong vấn đề nghiên cứu đề tài, không những thế còn tạo điều kiện hết sức thuận lợi để chúng tôi có được môi trường, những điều kiện nghiên cứu tốt nhất có thể. Cuối cùng, chúng tôi không quên gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và bạn bè là nguồn động viên to lớn hỗ trợ chúng tôi về mặt tinh thần cũng như vật chất để chúng tôi có thêm động lực và tự tin để hoàn thành đồ án này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Cao Văn Tiến – Nguyễn Minh Nghĩa
7. 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 vii LIỆT KÊ BẢNG VẼ viii TÓM TẮT ix CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu 2 1.3. Nội dung nghiên cứu 2 1.4. Giới hạn 3 1.6. Bố cục 4 CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1Công nghệ không dây Wifi 4 2.1.1Lịch sử hình thành và phát triển Wi-Fi 5 2.1.2 Khái niệm Wi-Fi 5 2.1.3Ưu điểm của công nghệ Wi-Fi 5 2.1.4Khuyết điểm của công nghệ Wi-Fi 6 2.1.5 Các tầng giao thức Wi-Fi 6 2.2 Hệ thống điều hành Android 8 2.2.1 Khái niệm 8 2.2.2 Lịch sử phát triển 8 2.2.3 Các phiên bản của Android 9 2.2.4 Ưu nhược điểm của Android 15 2.2.5 Giới thiệu về nền tảng Android 17 2.2.5.1 Giới hạn của thiết bị cầm tay 17 2.2.5.2 Kiến trúc của hệ điều hành Android 18 2.2.5.3 Chu kỳ ứng dụng trên Android 21 2.3 Chuẩn truyền nối tiếp I2C 24
8. 2.3.1 Đặc điểm truyền thông I2C 24 2.3.2 Qúa trình truyền nhận giữa hai thiết bị trên Bus I2C(Master-Slave) 25 2.4 Hệ thống phần cứng 27 2.4.1 Module Esp8266 27 2.4.2 Kit Arduino 29 2.4.3 Kit Raspberry PI2 32 2.4.4 Các cảm biến PIR, LM35, ánh sáng 33 CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Tính toán và thiết kế phần cứng 37 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 37 3.2.1.1 Yêu cầu của hệ thống 37 3.2.1.2 Sơ đồ khối và chức năng từng khối 39 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 40 3.2.2.1 Khối cảm biến LM35 40 3.2.2.2 Khối cảm biến PIR 41 3.2.2.3 Khối cảm biến ánh sáng 42 3.2.2.4 Khối ngõ ra công suất 43 3.2.2.5 Khối nguồn 44 3.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 46 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 47 4.1 Giới thiệu. 47 4.2 Thi công hệ thống 47 4.2.1 Thi công bo mạch 47 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 48 4.3 Đóng gói và thi công mô hình 49 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 49 4.3.2 Thi công mô hình 50 4.4 Lập trình hệ thống 51 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 51 4.4.2 Phần mềm lập trình cho Arduino UNO 55 4.4.3 Phần mềm lập trình cho Win 10 Iot core 63 4.4.4 Phần mềm lập trình cho Android Studio 69 4.5 Giới thiệu về nền tảng Win10 Iot Core 77 4.5.1 Giới thiệu sơ lược về nền tảng Win10 Iot Core 77 4.5.2 Hướng dẫn cài đặt 78
9. 4.6 Giới thiệu về trang Web Thingspeak 80 4.7 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 81 4.6.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 81 4.6.2 Quy trình thao tác 81 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 83 5.1 Cảm biến 83 5.2 Module Esp8266 83 5.3 Kit Raspberry PI 2 83 5.4 Kit Arduino UNO 84 5.5 Chương trình giao diện điều khiển trên hệ điều hành Android 84 5.6 Kết quả - Đánh giá 84 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 85 6.1Kết luận . 85 6.2Hướng phát triển 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHU LỤC 88
10. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Các phiên bản Android 10 Hình 2.2: Giao diện của Android L 15 Hình 2.3: Cấu trúc Stack hệ thống Android 18 Hình 2.4: Activity Stack 22 Hình 2.5: Chu kỳ sống của Activity 22 Hình 2.6: Chuẩn truyền I2C (Master-Slave) 25 Hình 2.7: Khung truyền nhận giữa hai thiết bi trên Bus I2C 25 Hình 2.8: Ghi dữ liệu từ Master đến Slave 26 Hình 2.9: Đọc dữ liệu từ thiết bị Slave 27 Hình 2.10: Module thực tế Esp8266 27 Hình 2.11: Module thực tế Arduino 30 Hình 2.12: Kit Rasperry PI2 32 Hình 2.13: Module thực tế PIR 33 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý cảm biến PIR 34 Hình 2.15: Quá Trình Phát Hiện Vật 34 Hình 2.16: Cảm biến LM35 35 Hình 2.17: Cảm biến quang trở 36 Hình 3.1: Sơ lược về mô hình điều khiển 37 Hình 3.2: Sơ đồ khối 39 Hình 3.3 Sơ đồ mạch điện Module PIR 41 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino 42 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của Module relay kích H/L 43 Hình 3.6: Module 8 relay kích H/L thực tế (5VDC) 44 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc dự phòng 45 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 46 Hình 4.1: Sơ đồ thi công mạch in 47 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện 48 Hình 4.3: Mô hình thiết kế phòng 50 Hình 4.4: Lưu đồ chương trình chính 51-54 Hình 4.5: Arduino IDE 55 Hình 4.6: Driver Software Installation 56
11. Hình 4.7: Device Manager 56 Hình 4.8: Update Driver Software 57 Hình 4.9: Click chọn “Browse my computer for driver software” 57 Hình 4.10: Chọn đường dẫn tới folder “driver” 58 Hình 4.11: Nơi soạn thảo chương trình 58 Hình 4.12: Arduino Toolbar 59 Hình 4.13: IDE Menu 59 Hình 4.14: File menu 59 Hình 4.15: Click Examples 60 Hình 4.16: Edit menu 60 Hình 4.17: Sketch menu 61 Hình 4.18: Tool menu 61 Hình 4.19: Chọn Board 62 Hình 4.20: Chọn Mục Doawload 63 Hình 4.21: Chạy file cài đặt 64 Hình 4.22: Lựa chọn chế độ cài đặt 64 Hình 4.23: Lựa chọn ngôn ngữ và công cụ 65 Hình 4.24: Hình quá trình cài đặt 65 Hình 4.25: Tạo mới một project 66 Hình 4.26: Chọn ngôn ngữ lập trình 66 Hình 4.27: Chọn nền tảng 67 Hình 4.28: Add một nội dung bất kì vào Project 67 Hình 4.29: Debug cho win10 68 Hình 4.30: Debug cho thiết bị win10 IoT core 68 Hình 4.31: Cài đặt JSE 69 Hình 4.32: Doawload Android Studio 70 Hình 4.33: Cài đặt file Android Studio 70 Hình 4.34: Doawload JDK 71 Hình 4.35: Lựa chọn file cài đặt 71 Hình 4.36: Lựa chọn thư viện có sẵn hay không 72 Hình 4.37: Quá trình update dữ liệu về 72 Hình 4.38: Tạo mới 1 project Android Studio 73 Hình 4.39: Đặt tên cho project của bạn 73 Hình 4.40: Lựa chọn API 74 ii
12. Hình 4.41: Đặt tên cho Activity 75 Hình 4.42: Bước tiến hành chạy cho điện thoại 76 Hình 4.43: Các bước lựa chọn để tải nền tảng win10 IoT Core 78 Hình 4.44: Quá trình tải file cần thiết 79 Hình 4.45: Giao diện win10 IoT Core 79 Hình 4.46: Hình ảnh Wed Thingspeak 80 Hình 4.47: Quy trình thao tác 81 iii
13. LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1: Các sự kiện trong một chu kỳ ứng dụng 24 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật Module Arduino UNO 29 Bảng 3.1:Bảng chỉ ra các điện áp gần đúng dựa trên cảm biến ánh sáng 43 /kháng W/nguồn cấp 5V và 10K.
14. TÓM TẮT Thời gian gần đây, khoa học kỹ thuật đang có những bước phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử và công nghệ thông tin. Các chip xử lý được tích hợp ngày càng nhiều bóng bán dẫn nhưng kích thước lại nhỏ hơn trước và tiêu thụ điện năng thấp hơn. Sự phát triển đó đã hỗ trợ rất nhiều cho con người, ngày càng nhiều các hệ thống và thiết bị thông minh được tạo ra để phục vụ cuộc sống. Sản phẩm thông minh gần gũi với con người nhất đó là điện thoại thông minh (SmartPhone), với SmartPhone bạn có thể giải trí, làm việc, cập nhật mọi thông tin cần thiết. Nhờ vào sự phát triển của lĩnh vực điện tử mà SmartPhone ngày càng được tích hợp nhiều chức năng trong khi đó giá thành ngày càng rẻ. Một sản phẩm khác cũng rất gần gũi và phổ biến đó là nhà thông minh (SmartHome), với SmartHome bạn có thể kiểm soát ngôi nhà bất cứ đâu, các thiết bị trong nhà được điều khiển không dây làm tăng thêm tính thẩm mỹ. Hiện nay, một xu hướng mới được hình thành và ứng dụng rộng rãi là sử dụng SmartPhone điều khiển SmartHome. Từ SmartPhone có thể điều khiển các thiết bị và cài đặt các chế độ hoạt động cho ngôi nhà. Nhận thấy tiềm năng phát triển của điều khiển không dây, đặc biệt là việc sử dụng SmartPhone để điều khiển thiết bị, chúng em quyết định thực hiện đề tài: “Điều Khiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI 2 Thông Qua Wi-Fi”. Đây là cơ hội để chúng em nghiên cứu kết nối không dây Wi-Fi, đồng thời tìm hiểu hệ điều hành Android (hệ điều hành phổ biến nhất trong thế giới SmartPhone hiện nay). Từ đó có thể tạo ra một ứng dụng điều khiển thiết bị bằng SmartPhone với nhiều tính năng ứng dụng công nghệ truyền không dây Wi-Fi. Mặc dù chúng em đã rất cố gắng hoàn thành đề tài nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để chúng tôi có thể hoàn thiện đề tài và tạo ra những sản phẩm tốt hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về email: 12141228@student.hcmute.edu.vn.
15. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin giải trí, nhu cầu về điều khiển các thiết bị từ xa ngày càng cao. Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển. Vì vậy công nghệ không dây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày. Kỹ thuật không dây phục vụ rất nhiều nhu cầu khác nhau của con người từ nhu cầu làm việc, học tập đến các nhu cầu giải trí như chơi game, xem phim, nghe nhạc Do đó cùng sự phát triển của con người với nhu cầu ngày càng cao sử dụng thiết bị di động SmartPhone ngày càng nhiều vớimức giá hợp túi tiền người dùng, với điện thoại thông minh cho nên việc truy cập các ứng dụng cũng được rộng rãi nên sự ra đời của Wi-Fi giúp việc truy cập được thuận tiện và nhanh gọn. Trong những năm gần đây nỗi lên vấn đề điều khiển thiết bị mỗi lúc mọi nơi, điều khiển và giám sát thông qua mạng Wi-Fi hoặc 3G, người ta gọi là IoT (Internet of thing). Giúp cho việc điều khiển, giám sát của con người trở nên thuận tiện, tiết kiệm được thời gian chi phí. Và với xu hướng phát triển công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh. Hiện nay, có khá nhiều công nghệ không truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wi-Fi, Bluetooth, NFC Trong đó, Wi- Fi luôn được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật. Trên thị trường Việt Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao. Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm được sản xuất trong nước nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
16. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Do đó, nhóm em quyết định thực hiện đề tài: “ĐiềuKhiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI 2 Thông Qua Wi-Fi”. Đề tài ứng dụng đặc biệt công nghệ mới IoT điều khiển thiết bị trong nhà bằng màn hình cảm ứng bên trong, vừa điều khiển bên ngoài thông qua Wi-Fi dưới sự kiểm soát và điều khiển SmartPhone. 1.2. MỤC TIÊU Thiết kế hệ thống nhà thông minh trong đó có Kit Raspberry PI 2, Kit Ardunio, màn hình cảm ứng điều khiển, các relay có thể điều khiển các đèn và quạt, các cảm biến để thu thập dữ liệu về (cảm biến ánh sáng, cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến PIR ) cùng với module Esp8266 để truyền và nhận dữ liệu từ mạng. Trong đó yêu cầu cần thực hiện là: Thực hiện việc điều khiển thiết bị qua Internet dùng Raspberry PI 2 qua module Wi-Fi, giao tiếp được giữa Kit Raspberry PI 2 với Kit Arduino UNO, thực hiện lập trình trên Visual Studio 2015 bằng ngôn ngữ C# viết chương trình và giao diện điều khiển đưa xuống Kit Raspberry PI 2, điều khiển thiết bị từ mạng hay màn hình cảm ứng và hồi tiếp lại trạng thái của thiết bị hiện tại, lập trình giao diện trên điện thoại để kết nối với trang wed điều khiển thiết bị. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài, cùng với những hiểu biết sẵn có, tìm kiếm thông tin từ những đồ án các khóa trước đã thực hiện, chúng em xác định các nội dung cần nghiên cứu là:  Hệ điều hành Android: Kiến trúc hệ điều hành Android, chu kỳ sống các ứng dụng chạy trên hệ điều hành Android, phần mềm hỗ trợ lập trình Android Studio, ngôn ngữ lập trình Java. Viết giao diện điều khiển, thu thập dữ liệu về điện thoại SmartPhone.  Thiết kế giao diện điều khiển trên Kit Raspberry PI2 với phần mềm hỗ trợ Visual Studio 2015 viết trên ngôn ngữ C#. Với giao diện truyền dữ liệu từ Kit Raspberry PI2 theo chuẩn I2C xuống Kit Arduino giám sát và điều khiển thiết bị.  Tìm hiểu Module Esp8266 với các thông số kỹ thuật, cấu tạo chân, cách firmware cho chip Esp8266 để sử dụng cho việc kết nối Wi-Fi.  Thu thập dữ liệu cảm biến nhiệt độ, PIR, ánh sáng, thiết bị relay trong phòng từ Kit Arduino đưa về Kit Raspberry Pi2, hiển thị lên màn hình bên trong ngôi nhà, và ngoài ra còn đưa dữ liệu lên trang Thingspeak. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
17. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.3. GIỚI HẠN Với đề tài: “Điều Khiển Thiết Bị Qua Internet Dùng Raspberry PI 2 Thông Qua Wi- Fi” đề tài bị giới hạn:  Số lượng thiết bị điều khiển bị hạn chế,với mỗi Kit Ardunio số thiết bị điều khiển nằm trong 4 – 6 thiết bị đóng ngắt. Hạn chế điều khiển thiết bị hồng ngoại như Tivi, máy điều hòa  Chỉ hoạt động trên các thiết bị chạy hệ điều hành Android,chưa hỗ trợ các hệ điều hành khác như IOS, Blackbery OS, Window Phone, Symbian,  Bộ điều khiển thiết bị công suất với 4 ngõ ra, công suất mỗi ngõ ra 1000W, điện áp ngõ ra 220VAC.  Không hỗ trợ tùy chỉnh ngôn ngữ.  Đối với cảm biến PIR phát hiện vật nằm trong khoảng 6 m. 1.5. BỐ CỤC Chương 1: Trong chương này nêu tổng quát về đề tài, với những mục tiêu đạt được, những nội dung hay đối tượng cần phải nghiên cứu, cuối cùng giới hạn của đề tài khi chạy thực tế trong ngôi nhà Chương 2: Trong chương này nêu khái quát khái niệm về công nghệ không dây Wi- Fi, giới thiệu kit Raspberry PI 2 với hệ điều hành mới win 10 Iot core. Nêu lên những đặc điểm, giao thức truyền I2C và các thông số của các Module sử dụng cho việc điều khiển (KIT Raspberry PI2, KIT Arduino, Module Esp8266) và kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android hỗ trợ cho lập trình phần mềm điều khiển trên điện thoại. Chương 3: Trong chương này trình bày sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch chức năng của từng khối. Tính toán các khối cảm biến PIR, LM35, ánh sáng, khối thu thập dữ liệu, khối điều khiển Kit Raspberrry PI2, khối công suất , cuối cùng là khối nguồn cấp cho toàn hệ thống. Chương 4: Trong chương này trình bày sơ đồ giải thuật, giới thiệu phần mềm lập trình cho Arduino, điện thoại SmartPhone, win 10Iot core. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, các thao tác. Chương 5:Trong chương này đưa ra một số hình ảnh tiền xử lý, kết quả thống kê. Chương 6:Trong chương này đưa ra kết luận và hướng phát triển BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
18. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ không dây Wi-Fi Wi-Fi trong thế giới hiện đại dường như là một phần không thể thiếu, nó mang lại việc truy cập kết nối Internet dễ dàng tiện lợi cho mọi người. Ngày nay, một số thiết bị được tích hợp công nghệ không dây Wi-Fi để cho phép truyền và nhận từ thiết bị không dây Wi-Fi khác. Dưới đây là một số đặc trưng cho công nghệ không dây Wi- Fi. 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển Wi-Fi Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến. Với cuộc cách mạng không dây bắt đầu lặng lẽ với một quyết định của chính phủ Hoa Kì vào năm 1985. Vào năm 1985 FCC phát hành 3 loại tần số không có giấy phép cho công chúng, tại 900MHz, 24GHz và 5GHZ. Năm 1988: NCR được biết đến là công ty Máy tính tiền Quốc Gia, muốn kết nối các máy tính và gửi một yêu cầu đến nhóm kĩ sư điện, điện tử (IEEE), thiết lập một hội đồng được gọi là “802.11” để giúp xác định một tiêu chuẩn cho công nghệ không dây. Tại thời điểm này nhiều thiết bị không dây đầu tiên không tương thích với các thiết bị tương tự được sản xuất bởi các công ty khác. Năm 1997: Chuẩn 802.11 được thiết lập bằng cách dùng băng tần 900MHz. Năm 1999: Thuật ngữ Wi-Fi đã trở thành một thương hiệu được đăng kí của Liên minh Wi-Fi, tổ chức phi lợi nhuận toàn cầu thúc đẩy công nghệ và tiêu chuẩn không dây. Wi-Fi đề cập đến một sản phẩm mạng không dây phù hợp với một trong những chuẩn 802.11. Trong giai đoạn này Chuẩn 802.22b, dùng băng tầng 2,4GHz, được phê duyệt bởi IEEE. Chuẩn 11b tăng tốc độ không dây từ 2 megabit mỗi dây(Mbps) lên 11Mbps. Lần đầu tiên sản phẩm 11b Wi-Fi được tung ra thị trường. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
19. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Năm 2000: Chuẩn 802.11a được phê duyệt, và sử dụng bằng tần 5GHz, tăng tốc độ không dây lên đến 54Mbps. Năm2000: D-Link ra mắt điểm truy cập 802.11b đầu tiên tại các điểm bán lẻ, mở đầu cuộc cách mạng không dây trong nhà và trong doanh nghiệp. Năm 2003: Chuẩn 802.11g được phê duyệt, sử dụng băng tần 24GHz lên đến 54Mbps. Năm 2004: Wi-Fi và điện thoại di động đầu tiên được chứng nhận PDAs được tung ra thị trường, bao gồm HP, iPAQ PocketPC, Nokia 9500 và Motorola MPx. Năm 2005: Từ “Wi-Fi” được thêm vào từ điển tiếng anh Merriam-Webster. Các thiết bị chơi game và máy ảnh số dùng Wi-Fi đầu tiên được ra mắt. Năm 2006: D-link ra mắt bộ adapter và router không dây 802.11g và 802.11n. Năm 2009: Chuẩn 802.11n được phê duyệt, tối ưu hóa ở 5GHz, mặc dù công nghệ đa-kênh cho phép nó hoạt động tốt ở 2,4GHz. Nhiều router ngày nay cho phép tải băng tần kép, tương thích trên băng tần 2,4GHz và 5GHz, tăng tốc độ lên đến 900Mbpz. Năm 2012: Chuẩn 802.11ac bản 2.0 được công bố, với tốc độ ban đầu lên đến 1750Mbps (1,71Gbps) và khả năng đạt đến 6,93Gbps trong tương lai. Năm 2013: D-link ra mắt một dòng đầy đủ các bộ adapter và router không dây chuẩn 802.11ac. Năm 2014 đến nay: Ngày phê chuẩn dự kiến chuẩn 802.11ac được biết là “11AC” trên băng tần 5GHz. 2.1.2 Khái niệm Wi-Fi Wi-Fi (Wireless Fidelity) là tên các nhà sản xuất gọi chuẩn công nghệ IEEE 802.11 dùng để thiết lập các hệ thống mạng không dây. Bộ chuẩn 802.11 bao gồm nhiều chuẩn, trong đó phổ biến nhất là 802.11b, thường được sử dụng trong triển khai các hotspot, do mang tính chất toàn cầu và có thể ứng dụng rộng rãi mà không đòi hỏi nhiều về cơ sở hạ tầng. 2.1.3 Ưu điểm của công nghệ Wi-Fi Trong không gian văn phòng vốn bề bộn, bạn sẽ cảm thấy thoải mái hơn nếu bớt đi được hệ thống dây nối loằng ngoằng vướng víu. Xu hướng mới, người ta muốn BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
20. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thay đổi để mọi thứ đều là không dây. Các thiết bị không dây sử dụng sóng radio tần số cao để truyền dữ liệu. Phổ biến nhất hiện nay là Wi-Fi và Bluetooth. Wi-Fi có tốc độ kết nối tương đối cao, 11Mb/s đối với chuẩn 802.11b, 54Mb/s đối với chuẩn 802.11g, chuẩn 802.11ac bản 2.0 khả năng đạt đến 6,93Gbps trong tương lai và còn cao hơn nữa. Các thiết bị hỗ trợ đều được nhà sản tích hợp sẵn các adapter Wi-Fi. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn sản xuất các cặp thu phát không dây theo chuẩn riêng tính hợp vào các sản phẩm không dây. Chính vì như vậy việc duy trì kết nối mạng Internet (mạng không dây) mọi lúc mỗi nơi khi được phủ sóng Wi-Fi. 2.1.4 Khuyết điểm của công nghệ Wi-Fi Khiếm khuyết trong chuẩn 802.11 – giao thức mạng không dây phổ biến nhất hiện nay do Tổ chức kỹ sư điện và điện tử quốc tế IEEE thiết lập – là cho phép một thiết bị cá nhân gây tắc nghẽn khả năng liên kết của các thiết bị khác trong bán kính 1 km thông qua một tín hiệu cường độ thấp. Khiếm khuyết ảnh hưởng đến thủ tục đánh giá kênh sạch (CCA) – có vai trò giảm thiểu khả năng 2 thiết bị cùng phát sóng trên một băng tần. Những cuộc tấn công thông qua lỗi này khiến tất cả thiết bị trong vùng sóng phải chờ đợi cho đến khi vụ tấn công chấm dứt mới có thể truyền tín hiệu. Đối tượng bị lỗi là những thiết bị hỗ trợ các chuẩn không dây 801.11, 802.11b và 802.11g tốc độ thấp. Những thiết bị dùng chuẩn 802.11a hoặc 802.11g tốc độ cao (trên 20MB/giây) thì không bị tác động. 2.1.5 Các tầng giao thức Wi-Fi Giao thức là những quy tắc, luật lệ mà các quá trình truyền nhận thông tin trên mạng phải tuân theo một cách triệt để. Các tầng giao thức này được chia thành nhiều tầng (layer), mỗi tầng giao thức giải quyết một nhiệm vụ cụ thể trong quá trình truyền, nhận thông tin. Mạng dùng giao thức TCP/IP, dữ liệu được chia thành những gói nhỏ là những gói tin (packet). Khi ta gửi đi một thông điệp, TCP sẽ chia những thông điệp này thành các packet, mỗi packet được đánh dấu bởi một số thứ tự và địa chỉ của người nhận, thêm vào đó là một số thông tin kiểm soát lỗi. Các packet này được gửi lên mạng và công việc của IP là truyền tải chúng tới Host từ xa kia. Tại nơi nhận , TCP nhận các packet BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
21. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT và kiểm tra lỗi, gửi trả lại nếu gói không đúng, với những gói đúng, TCP sử dụng số thứ tự để tạo lại thông điệp ban đầu. Tóm lại, công việc của IP là chuyển dữ liệu thô các packet từ nơi này đến nơi khác. Công việc của TCP là quản lý dòng chảy và đảm bảo rằng dữ liệu là đúng. Trong mô hình TCP/IP gồm có các tầng Ứng dụng (application) , tầng Giao vận (transport), tầng Mạng (NetWork), sau cùng đi tới tầng Host – to – network. Chức năng của các tầng là: Tầng Host-to-network: Kết nối host với network sao cho chúng có thể chuyển các thông báo tới các địa chỉ IP. Tầng mạng: Đây là lớp thực hiện một hệ thống mạng có khả năng chuyển mạch các gói dữ liệu dựa trên một lớp mạng. Nhiệm vụ của lớp này đảm bảo cho các host chuyển các packet của chúng vào mạng bất kỳ cà chuyển chúng đến đích mà không phụ thuộc vào vị trí của đích đến. Địa chỉ IP nằm ở tầng này. Tầng giao vận Tầng giao vận được thiết kế cho các phần tử ngang cấp ở lớp host có thể đối thoại được với nhau. 2 Protocol chính là: - TCP (Transmission Control Protocol) giao thức điều khiển truyền tin. - UDP (User Datagram Protocol) cung cấp giao diện ứng dụng. Số hiệu Port (cổng): Một máy có thể liên lạc với một máy khác trong mạng qua địa chỉ IP. Tuy nhiên, với một địa chỉ như vậy không đủ cho tiến trình (process) của máy này liên lạc với một tiến trình của một máy khác. Vì vậy, TCP/UDP đã dùng 16 bits để có thể đặc tả nên một số hiệu cổng. Như vậy để 2 tiến trình của 2 máy hoặc Wi-Fi bất kỳ trong mạng có thể giao tiếp được với nhau thì mỗi đơn vị dữ liệu (frame) ở tầng Mạng có IP gồm: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4