Điều Khiển Thiết Bị Qua Webserver

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỒ ÁN Môn học: Điện tử 2

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA WEBSERVER GVHD : Ths.Nguyễn Thanh Bình HVTH :Lê Văn Hùng MSSV :12141552

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 12 năm 2015

MỤC LỤC Lời Cảm ơn ........................................................................................................................ 4 Lời mở đầu ........................................................................................................................ 5 Mục tiêu đề tài ................................................................................................................ 6 Nhiệm vụ của đề tài ........................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .................................................................................................... 7 1.1 Đặt vấn đề .................................................................................................................... 7 1.2 Ý nghĩa của đề tài ......................................................................................................... 8 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu............................................................................................. 9 1.4 Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................................... 9 1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài........................................................................................ 9 1.6 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG ..................................................................... 10 CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP..................................................... 12 2.1 Tổng quan về Ethernet ................................................................................................ 12 2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet ................................................................................. 12 2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet ...................................................................................... 12 2.1.3 Các loại khung Ethernet........................................................................................ 13 2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD ................................................... 13 2.2 Họ giao thức TCP/IP ................................................................................................... 14 2.2.1 Tầng Ứng Dụng (Application Layer) ..................................................................... 15 2.2.2 Tầng Giao Vận (Transport Layer) ......................................................................... 17 2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer) .............................................................................. 21 2.2.4 Lớp giao tiếp mạng ............................................................................................... 26 2.3 Microchip TCP/IP Stack ............................................................................................ 26 2.3.1 Cấu trúc của Microchip TCP/IP Stack................................................................... 26 2.3.2 Hoạt động của TCP/IP Stack ................................................................................. 27 CHƯƠNG 3:GIỚI THIỆU KIT STM32F4 DISCOVERY ...................................................... 29 3.1 Tổng quan về STM32F4 .............................................................................................. 29 3.2 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................................... 31 CHƯƠNG 4:MODULE ETHERNET ................................................................................... 33 4.1 Tổng quan về module ethernet..................................................................................... 33 4.2 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................................... 34 4.3 Cách kết nối với STM32F4 .......................................................................................... 35 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG WEBSERVER ...................................................... 36 5.1 Phân tích yêu cầu điều khiển.................................................................................. 36 5.2 Lưu đồ giải thuật ..................................................................................................... 38

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA WEBSERVER – LÊ VĂN HÙNG 12141553 5.3 thiết kế giao điện điều khiển ................................................................................... 39 5.3.1 Thiết kế giao diện web........................................................................................... 39 5.3.2 Điều khiển trên Web ............................................................................................. 40 5.3.3 Phương pháp truyền dữ liệu .................................................................................. 41 5.4 Cách đọc ADC ............................................................................................................ 42 5.5 Cách điều chế độ rộng xung PWM ............................................................................... 43 5.6 Cách bật tắt thiết bị .................................................................................................... 44 Chương 6: KẾT LUẬN ........................................................................................................ 45 6.1 Kết luận...................................................................................................................... 45 6.2 Hướng phát triển đề tài ............................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 47

3

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA WEBSERVER – LÊ VĂN HÙNG 12141553

Lời Cảm ơn Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử Công Nghiệp đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho người thực hiện đồ án trong thời gian vừa qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Thanh Bình vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này. Em cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, góp ý để em hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót… Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên.

4


Lời mở đầu Trong thời đại công nghiệp hoá hiện đại hoá như hiện nay. Việc phát minh và chế tạo ra các thiết bị thông minh có khả năng điều khiểu từ xa đang và sẽ rất được quan tâm và rất hữu ích cho cuộc sống hằng ngày. Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hoá ngày càng phát triển, tôi đã quyết định làm một đồ án về điều khiển thiết bị qua WEBSERVER. Khi dự án hoàn thành chúng ta có thể điều khiểu các thiết điện trong nhà thông qua mạng internet, tương tác bằ ng tay qua nút nhấn; hiển thị tra ̣ng thái hoạt động của các thiết bị trên Web…. Dù chúng ta ở bất cứ nơi nào có mạng internet đều có thể điều khiển được các thiết bị đã kết nối với module điều khiển ethernet. Khi dự án thành công và được áp dụng rộng rãi thì sẽ rất hữu ích cho đời sống hằng ngày. Giúp cho đất nước ngày càng phát triển. Giáo Viên Hướng Dẫn

Người Thực Hiện

Ths. Nguyễn Thanh Bình

Lê Văn Hùng 12141553

5


Mục tiêu đề tài  Thực hiện giao tiếp mạng giữa phần cứng mạch điện tử với máy tính qua mạng Ethernet.  Điều khiển hoạt động của các thiết bị (trong đề tài là 4 đền LED tượng trưng cho 4 thiết bị), dưới sự điều khiển và giám sát của con người.  Đọc ADC Nhiệm vụ của đề tài Để có thể đạt được mục tiêu đề ra, người thực hiện đề tài đã đưa ra những nhiệm vụ cần phải thực hiện:  Nghiên cứu kit STM32F4 và trình biên dịch Keil ARM  Lý thuyết mạng Ethernet và cách thức truyền nhận dữ liệu  Nghiên cứ chuẩn giao tiếp SPI và ứng dụng thực tế trên module Ethernet DP83848  Tìm hiểu ngôn ngữ html để lập trình giao diện web  Xây dựng thuật toán và viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đã đề ra.

6


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin ... Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điện tử công nghiệp chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy, trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu. Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển. Các thiết bị trong ngôi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng Ethernet.

7


Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên em đã chọn đề tài " Điều khiển thiết bị qua WebServer" để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà. Với đề tài trên em tiến hành thực hiện việc điều khiển từ xa theo hướng sau: Điều khiển thiết bị qua Ethernet với giao thức TCP/IP. Người dùng đăng nhập vào Website và thực hiện điều khiển thiết bị qua giao diện Web.

1.2 Ý nghĩa của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mỹ thì mô hình ngôi nhà tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ. Từ những nhu cầu thực tế đó, em muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước để có thể tạo ra một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề tài lấy cơ sở là mạng Ethernet để điều khiển thiết bị. Việc sử dụng mạng Ethernet để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.

8


1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh như nói trên là 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 chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài nàyem thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó. Đó là điều khiển đóng mở đèn, đọc ADC và điều khiển thiết bị bằng xung PWM. Với những gì đã trình bày trên, em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát và thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau: - Thiết lập một Website và thực hiện điều khiển các thiết bị qua giao diện Web, sau khi thực hiện lệnh điều khiển trạng thái của thiết bị on/off được thể hiện ngay trên giao diện Web.

1.4 Mục tiêu nghiên cứu - Đồ án được nghiên cứu 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 tự động từ xa qua mạng Ethernet. - Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện điều khiển qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP. - Nghiên cứu và sử dụng kit STM32F407VG của ST giao tiếp với module Ethernet DP83848.

1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu, em đã đạt được những kết quả nhất định sau: Thiết kế thành công mạch điều khiển giao tiếp qua mạng Ethernet với các tính năng: 9


+ Giao tiếp thành công với mạng Ethernet qua chuẩn truyền thông TCP/IP, thực hiện quan sát trạng thái và ra lệnh điều khiển thiết bị qua giao diện Webserver. Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc tích hợp thêm các ngoại vi trong tương lai.

1.6 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG  Sơ đồ tổng quan của hệ thống:

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Dù đang ở rất xa ngôi nhà, người sử dụng có thể dùng máy tính được kết nối với mạng Internet hoặc các thiết bị như điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ Internet để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện trong gia đình. Điều này rất thuật tiện khi bạn thường xuyên phải ra khỏi nhà và muốn cập nhật trạng thái và điều khiển hoạt động của các thiết bị điện trong ngôi nhà.

10


 Sơ đồ khối: Khối giao diện điều khiển

Khối xử lý trung tâm

Khối ETHERNET

Khối điều khiển

Hình 1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển Chức năng từng khối:  Khối giao tiếp ETHERNET: Gồm DP83848 được kết nối với kit STM32F407VG truyền nhận tín hiệu qua giao thức SPI. Khối này có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển qua Webserver với giao thức TCP/IP. Vi điều khiển nhận lệnh, thực thi xong và gửi trả lại kết quả.  Khối xử lý trung tâm Khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ khối giao tiếp Ethernet và cảm biến, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đồng thời hồi tiếp về hiển thị lên Web. Tạo nguồn với hai mức điện áp 5V cấp cho vi điều khiển và 3V3 cấp cho DP83848.

11


CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP 2.1 Tổng quan về Ethernet 2.1.1 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 (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau: Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet Mở đầu

SFD

Địa chỉ Địa chỉ Độ dài Dữ liệu

555…5H

(D5H)

đích

nguồn

PAD

FCS

kiểu gói

7byte

1 byte

2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte

4 byte

- Preamble (mở đầu): 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 10 Mhz. - SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung. Nó luôn mang giá trị 10101011. - Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu. - LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo. - 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 lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ. 2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet). Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC 12


(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-86.Khuôn dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần: - 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE. - 3 octet sau do nhà sản xuất ấn định. Kết hợp ta lẽ có một 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. 2.1.3 Các loại khung Ethernet 2.1.3.1 Khung unicast Khung này được truyền tới một trạm xác định. Tất cả các trạm trong phân đoạn mạng trên sẽ đều nhận được khung này nhưng: - Chỉ có trạm 2 thấy 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. 2.1.3.2 Khung broadcast Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF. 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. 2.1.3.3 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 nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này. 2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD

13


Hình 2.1: Minh họa phương pháp CSMA/CD Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD: Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau: - Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không có tín hiệu ) thì mới được phát. - Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không (collision detection). - Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình, chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại.

2.2 Họ giao thức TCP/IP TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol / Internet Protocol (Giao thức Điều Khiển Truyền Thông /Giao thức Internet).Các tầng trong mô hình này là: 14


- Tầng Ứng Dụng (Application Layer). - Tầng Giao Vận (Transport Layer). - Tầng Liên Mạng (Internet Layer). - Tầng Giao Tiếp Mạng (Network Interface Layer).

Hình 2.2: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP 2.2.1 Tầng Ứng Dụng (Application Layer) Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng. Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng và hệ thống. Một số giao thức thông dụng trong tầng này là: HTTP, FTP, SMTP,…Trong phạm vi đồ án, chúng ta sử dụng giao thức HTTP mà cụ thể là xây dựng một Webserver nhúng vào hệ thống. HTTP là giao thức truyền tải siêu văn bản (HyperText Transfer Protocol). HTTP xác định cách các thông điệp được định dạng và truyền tải ra sao và hoạt động của Webserver và các trình duyệt Web.Trong mô hình của HTTP, Webserver đồng thời cũng là TCPServer, mở sẵn port mặc định dành cho dịch vụ HTTP là TCP80 (ở chế độ listen), sẵn sàng đợi yêu cầu kết nối từ các client. Các client sẽ khởi tạo kết nối TCP thông qua port này, sau khi Webserver chấp nhận 15


kết nối, client sẽ gửi một bản tin HTTP (HTTP message) gọi là HTTP request tới server trên kết nối TCP vừa thiết lập. Server sẽ trả lời lại bằng một bản tin HTTP khác là HTTP response. Bản tin này sẽ chứa nội dung trang Web yêu cầu (được viết bằng ngôn ngữ HTML). Như vậy giao thức HTTP sẽ dựa cơ bản trên các bản tin HTTP, gồm 2 loại là HTTP request và HTTP response. Giả sử ta truy nhập vào địa chỉ IP của webserver là 192.168.1.41 qua trình duyệt:  Lúc đó, máy tính của chúng ta sẽ gửi đi một bản tin request của giao thức HTTP là HTTP Get thông qua giao thức TCP (với cổng TCP được qui định cho giao thức HTTP là 80) đến địa chỉ webserver trên.  Webserver, ở đây chính là vi điều khiển của chúng ta nhận được bản tin này (khi đã đi qua hết các lớp giao thức ethernet, IP, TCP rồi mới đến HTTP). Tại đây vi điều khiển sẽ đọc và phân tích bản tin HTTP request này để biết máy tính đang yêu cầu tải nội dung trang web nào.  Sau đó vi điều khiển sẽ lấy nội dung trang web này (được soạn thảo theo ngôn ngữ HTML) chứa trên trên ROM, nó cũng có thể thêm vào trang web đó một số thông tin (ví dụ đọc giá trị từ các sensor cảm biến nhiệt độ và đưa vào trong trang web), và gửi toàn bộ nội dung trang web thông qua giao thức TCP trở lại cho máy tính. Nếu nội dung trang web lớn nó có thể được gửi đi trên rất nhiều gói tin, vì mỗi gói tin chỉ chứa tối đa 1460 byte dữ liệu.  Máy tính nhận nội dung trang web và trình duyệt sẽ hiển thị lên cho chúng ta thấy. Để điều khiển thiết bị kết tới hệ thống từ xa qua web, trên trang web ta có thể thiết kế một nút nhấn chẳng hạn. Khi ta nhấn nút này trên trình duyệt, máy tính sẽ gửi đi một bản tin HTTP nữa là HTTP Get. Vi điều khiển sẽ nhận bản tin HTTP post này, phân tích dữ liệu chứa trong đó để có đáp ứng tương ứng (bật tắt bóng đèn) sau đó nó sẽ gửi trả lại lần nữa nội dung trang web đã cập nhật những thay đổi vừa rồi.Trình duyệt sẽ cập nhật nội dung này lên và ta sẽ thấy được tác động của thao tác điều khiển.

16


2.2.2 Tầng Giao Vận (Transport Layer) Nhiệm vụ của tầng là thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu. Hai giao thức chính trong tầng này gồm UDP (User Datagram Protocol) và TCP (Transmission Control Protocol). Do UDP cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không đảm bảo truyền dữ liệu một cách tin cậy nên trong phạm vi đồ án chúng ta sử dụng thức TCP.Ngược lại với UDP, TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền dữ liệu 1 cách tin cậy. TCP thường truyền các gói tin có kích thước lớn và yêu cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận.

Cấu trúc gói TCP:

Hình 2.3: Cấu trúc gói TCP Chú thích: - Số port đích và số port nguồn: để phân biệt các tiến trình ứng dụng đang xảy ra trong máy tính

17


- Các số sequence và Acknowledgement: số sequence để phân biệt các segment khác nhau trong một dòng dữ liệu, các số Acknowledgement dùng trong cơ chế xác nhận - Vùng Data offset: chiều dài của Header tính theo đơn vị 32 bit Một số cờ (flags): .URG (Urgent): thiết lập 1 khi có dữ liệu quan trọng cần truyền ngay. .ACK: cho biết có số xác nhận nằm trong vùng Acknowledgement . PSH (Push): được thiết lập trong trường hợp dữ liệu nên được giao tức thời .RST (Reset): chỉ thị một lỗi sai và hủy bỏ phiên làm việc . SYN (Synchronize): trong các bản tin khởi tạo khi thiết lập một kết nối truyền dữ liệu . FIN (Finish): dùng đóng 1 phiên làm việc - Vùng Window: chỉ ra số lượng không gian bộ đệm khả dụng để nhận dữ liệu - Vùng Checksum: vùng kiểm tra sai cho cả segment - Vùng Urgent Pointer: chỉ ra chiều dài của dữ liệu urgent - Vùng Options: xác định kích thước cực đại của 1 segment Cụ thể hơn, vai trò của TCP trong chồng giao thức TCP gồm 3 chức năng chính: điều khiển luồng, kiểm soát lỗi và báo nhận. - Điều khiển luồng: điều phối tốc độ và kích thước luồng dữ liệu để đảm bảo phía nhận đủ khả năng nhận và xử lý luồng dữ liệu. - Kiểm soát lỗi: đảm bảo các gói tin đến đúng và đủ. - Báo nhận: khi nhận được dữ liệu và không có lỗi, phía nhận phải báo lại với phía gửi biết. Để thực hiện được các chức năng đó, một quá trình truyền dữ liệu qua giao thức TCP (mà ta gọi là phiên truyền thông – session) gồm có 3 giai đoạn: Thiết lập kết nối, truyền dữ liệu và giải phóng kết nối.

18


Để có thể giám sát chặt chẽ trạng thái và mọi sự kiện xảy ra trong một kết nối TCP, trạng thái của một kết nối TCP được chuyển đổi tuân theo một lưu đồ trạng thái như sau:

Hình 2.4: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP Giải thích: - TCP là giao thức hướng kết nối, dạng client – server. Tức là trong một phiên truyền thông thì sẽ có một phía đóng vai trò client, phía còn lại, lúc nào cũng ở trạng thái chờ đợi các client thiết lập kết nối tới chính là server. - Ví dụ khi ta truy cập web, thì máy tính của ta là client, máy chủ chứa trang web chính là server – vi điều khiển, lúc nào cũng ở trạng thái đợi các máy tính client kết nối đến (và phải có khả năng thiết lập đồng thời nhiều kết nối, vì có thể có nhiều client kết nối tới cùng lúc). 19


- Trong lưu đồ trên, áp dụng cho cả client và server. Cả client và server đều bắt đầu bằng trạng thái “Close”. Client sẽ thiết lập kết nối theo con đường Active Open (nó chủ động thiết lập kết nối). Server sẽ thiết lập kết nối theo con đường Passive Open (thụ động, vì nó đợi client bắt đầu mà) Quá trình chuyển trạng thái: - Cả hai bắt đầu bằng trạng thái close, không có kết nối nào tồn tại. - Khi Server mở một port TCP để đợi client thiết lập kết nối, nó chuyển sang trạng thái “Listen”. - Khi client gửi đi bản tin SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN sent”. - Lúc này khi server nhận được bản tin SYN từ client và gửi đáp lại 1 bản tin SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN Received”. - Lúc này client gửi lại bản tin xác nhận ACK (bước 3 trong ví dụ), nó chuyển sang trạng thái thiết lập kết nối “Established”. - Server nhận được bản tin ACK trên của client, nó cũng chuyển sang trạng thái “Established”. - Sau đó hai bên tiến hành truyền dữ liệu, trạng thái cả hai đều là “Established”. - Một trong hai phía truyền xong dữ liệu, đến đây thì vai trò hai bên là như nhau, ta giả sử client truyền xong dữ liệu trước, nó sẽ gửi bản tin FIN, và chuyển sang trạng thái “FIN wait 1”. - Phía server nhận được bản tin này, gửi xác nhận ACK, và chuyển sang trạng thái “Close wait”. - Khi client nhận được xác nhận từ server (nhận được bản tin ACK trên) thì nó chuyển sang trạng thái “FIN wait 2”. - Đến lúc này server vẫn có thể tiếp tục gửi dữ liệu và client vẫn tiếp tục nhận (vì chỉ có client báo là gửi xong dữ liệu). - Đến khi nào server cũng gửi hết dữ liệu, nó sẽ gửi đi bản tin FIN, cho biết nó cũng đã gửi xong dữ liệu và chuyển sang trạng thái “LAST ACK”. - Khi client nhận được bản tin FIN trên từ server, nó gửi xác nhận (ACK) và

20


chuyển sang trạng thái “Time wait”, sau đó chờ 1 khoảng thời gian Timeout và đóng kết nối, quay lại trạng thái “Close”. - Khi server nhận được nó cũng chuyển từ “Last ACK” sang “Close” (không cần đợi Timeout) 2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer) Nằm bên trên tầng truy nhập mạng. Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu. 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm: - IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi truyền và định tuyến chúng tới đích. - ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của máy đích thành địa chỉ MAC. - ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo lỗi trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng. - IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển truyền đa hướng (Multicast) .

21


- Cấu trúc của gói IP:

Hình 2.5: Cấu trúc gói tin IP Ý nghĩa: - Version (có chiều dài 4 bit): cho biết phiên bản của giao thức, đối với trường hợp của chúng ta, giao thức là IP version 4, trường này sẽ luôn có giá trị là 4 (0100). - Header Length (4 bit): cho biết chiều dài của header IP, tính theo đơn vị 4 byte (32 bit). - TOS (8 bit): Type of Service. - Total Length (16 bit): 16 bit tổng chiều dài của gói IP gồm cả phần header. - Identification (16 bit): dùng nhận diện các phân đoạn của gói IP. - Flags: . Bit đầu tiênkhông sử dụng. . Bit 2: DF (Don’t Fragment) = 1 có nghĩa là không phân đoạn gói này. . Bit 3: MF (More Fragment) = 0 => đây là phân đoạn cuối cùng. -

Fragmented offset (13 bit): độ dời (đơn vị 8 byte) tính từ điểm bắt đầu của Header tới điểm bắt đầu của phân đoạn

22


- TTL (Time to Live) (8 bit): thời gian tồn tại trên mạng hoặc số chặng trên mạng mà gói đi qua trước khi bị hủy bỏ. - Protocol (8 bit): nhận diện Protocol trên lớp IP. - Header checksum (16 bit): sửa sai cho phần Header. - Các vùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích: địa chỉ IP 32 bit. - Option: các tùy chọn dùng cho việc kiểm tra: Loose source routing, Strict source routing, Record route và Timestamp. - Padding: Gồm các số zero được thêm vào sao cho chiều dài của vùng Header là bội số của 32 bit. Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức IP được tiến hành như sau: - Khi nhận được một segment dữ liệu (từ giao thức lớp trên là TCP) cần gửi đến đích nào đó, địa chỉ đích này phải được xác định bằng địa chỉ IP (tức là địa chỉ mạng hay địa chỉ luận lý). Lớp giao thức IP sẽ gắn thêm vào đầu segment dữ liệu một header IP để tạo thành gói IP hoàn chỉnh. Trong header IP này có chứa 2 thông tin quan trọng, đó là địa chỉ host gửi (source IP address) và địa chỉ host nhận (destination IP address). Địa chỉ source đương nhiên là địa chỉ của bản thân nó, còn địa chỉ đích phải được cung cấp cho lớp IP khi muốn gửi dữ liệu qua giao thức này. - Gói tin IP này sau đó được chuyển đến lớp giao thức ethernet để thêm phần header ethernet vào và gửi đi. Nhưng giao thức ethernet lại gửi các khung dữ liệu đi dựa vào một loại địa chỉ khác là địa chỉ MAC (hay còn gọi là địa chỉ vật lý). Tại sao lại cần đến 2 địa chỉ như vậy? Lý do là địa chỉ vật lý chỉ có giá trị trong phạm vi mạng LAN, nó sẽ không thể giúp xác định vị trí host ở bên ngoài phạm vi mạng LAN. Khi gửi dữ liệu ra ngoài mạng LAN, các router sẽ chuyển dữ liệu đi dựa và địa chỉ IP. Như vậy trong phần địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích trong header của khung ethernet, ta sẽ điền các địa chỉ nào? Đối với địa chỉ MAC nguồn, đương nhiên ta sẽ điền địa chỉ MAC của chính DP83848 đã được xác lập. Nhưng còn địa chỉ MAC đích, sẽ có 2 trường hợp xảy ra: 23


- Nếu host đích nằm trong cùng 1 mạng LAN với chúng ta, ta sẽ điền địa chỉ MAC đích là địa chỉ tương ứng của host đích. Frame dữ liệu sẽ được gửi thẳng đến đích. - Nếu host đích nằm bên ngoài mạng LAN, rõ ràng ta không thể gửi dữ liệu trực tiếp đến host đích mà phải thông qua gateway, khi đó địa chỉ MAC đích phải là địa chỉ gateway. Vẫn còn một vấn đề nữa mà ta phải giải quyết. Đó là trong cả hai trường hợp trên, dù là cần gửi cho gateway hay thẳng đến host đích, thì đến đây, ta mới chỉ biết địa chỉ IP của host đích (hay của gateway) mà không biết địa chỉ MAC tương ứng. Vậy nảy sinh một vấn đề là làm sao biết được địa chỉ MAC của một host khi biết địa chỉ IP? Đến đây, chính là phát sinh vai trò của giao thức phân giải địa chỉ (APR – Address Resolution Protocol). Vai trò của giao thức này là tìm ra địa chỉ MAC khi biết địa chỉ IP của 1 host. Cấu trúc gói ARP:

Hình 2.6: Cấu trúc gói tin ARP Ý nghĩa:  Hardware type (2 bytes): cho biết loại địa chỉ phần cứng, đối với địa chỉ MAC của giao thức ethernet thì giá trị này được qui định là "0x0001".

24


 Protocol type (2 bytes): cho biết loại địa chỉ giao thức lớp trên, đối với địa chỉ IP, giá trị này được qui định là “0x0800”.  HLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ vật lý (địa chỉ MAC).  PLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ giao thức (địa chỉ IP).  Operation (2 bytes): cho biết hoạt động đang thực hiện trong gói tin này (request hay reply).  Sender H/W (hardware address, 6 bytes): địa chỉ vật lý của phía gửi.  Sender IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía gửi.  Target H/W (6 bytes): địa chỉ vật lý của phía nhận, nếu chưa biết thì sẽ là chứa toàn 0.  Target IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía nhận. Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức ARP được tiến hành như sau: - Khi giao thức IP đưa xuống yêu cầu tìm chỉ MAC của host có IP là a.b.c.d thì nó phải trả lời ngay địa chỉ MAC của địa chỉ trên dạng XX:XX:XX:XX:XX:XX. - Cách thức ARP lấy thông tin giải quyết vấn đề trên là: giao thức ARP duy trì một bảng gọi là ARP cache gồm hai cột, một cột ghi địa chỉ IP, một cột ghi địa chỉ MAC tương ứng với địa chỉ IP đó. Mỗi khi được hỏi bởi giao thức IP, nó sẽ tra bảng này để tìm câu trả lời. Khi được hỏi về một địa chỉ IP a.b.c.d nào đó mà không có sẵn trong bảng ARP cache, nó sẽ lập tức tìm trong mạng LAN phần tử có địa chỉ IP là a.b.c.d bằng cách gửi yêu cầu tới các phần tử trong mạng LAN. Các phần tử này đều nhận được yêu cầu và phần tử nào có IP a.b.c.d sẽ trả lời lại địa chỉ MAC của nó là XX:XX:XX:XX:XX:XX. Vậy giao thức ARP sẽ lập tức thêm cặp địa chỉ IP a.b.c.d và địa chỉ MAC XX:XX:XX:XX:XX:XX vào trong bảng ARP cache và trả lời lại cho giao thức IP.

25


2.2.4 Lớp giao tiếp mạng Tầng giao tiếp mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng. Giao thức được sử dụng trong phạm vi đồ án là giao thức Ethernet. Phần cứng được sử dụng chip giao tiếp Ethernet DP83848 giao tiếp qua chuẩn SPI ( Serial Pheripheral Interface ). Trong chồng giao thức TCP/IP, giao thức Ethernet đóng vai trò lớp truy nhập và truyền dẫn. Việc gửi và nhận dữ liệu ở lớp Ethernet được thực hiện dựa vào địa chỉ vật lý hay còn gọi là địa chỉ MAC. Trong mỗi khung Ethernet đều chứa 2 địa chỉ MAC: một địa chỉ của host gửi và một địa chỉ của host nhận. Khi lớp Ethernet nhận được một khung dữ liệu, trước hết nó sẽ kiểm tra địa chỉ host nhận xem có phải là địa chỉ của nó không (tức là gửi cho nó), nếu đúng nó sẽ nhận khung này và chuyển đến lớp IP. Ngoài ra còn có 1 trường hợp nữa lớp Ethernet sẽ nhận khung là nếu địa chỉ host nhận là địa chỉ broadcast (tức là gửi cho tất cả mọi máy trong mạng LAN), trong trường hợp này frame sẽ được nhận và xử lý.Ngoài việc kiểm tra địa chỉ, trong khng Ethernet còn có 1 trường chứa mã kiểm tra lỗi giúp phát hiện những lỗi xảy ra trong quá trình truyền, các khung bị xác định là có lỗi sẽ bị bỏ qua. Trong mạch của chúng ta, việc kiểm tra lỗi và kiểm tra địa được thực hiện tự động bởi IC DP83848, do đó ta không cần lập trình cho các chức năng này. Mỗi khi nhận được một khung trên đường truyền, DP83848 sẽ kiểm tra lỗi xem có sai sót không, tiếp đó nó sẽ đối chiếu địa chỉ host nhận với địa chỉ đã được cấu hình cho nó (trong các thanh ghi địa chỉ MAC: MAADR0-5).

2.3 Microchip TCP/IP Stack 2.3.1 Cấu trúc của Microchip TCP/IP Stack TCP/IP Stack là bộ thư việnvà một số công cụ phần mềm của Microchip để hỗ trợ viết phần mềm cho hệ thống nhúng sử dụng vi điều khiển của hãng.Thư viện đã xây dựng hầu hết các hàm giao tiếp giữa các lớp cũng như hỗ trợ xây dựng một Webserver nhúng. 26


TCP/IP cũng có các Module sử dụng cho lớp ứng dụng như: HTTP cho Web, SMTP cho gửi và nhận Email, SNMP cho giao thức trạng thái và điều khiển. Telnet cho điều khiển từ xa, TFTP.

Hình 2.7: Cấu trúc của Stack

Hình 2.8: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo và cấu trúc Stack của Microchip Ngoài những module chính giống như cấu trúc TCP/IP tham khảo thì Microchip đưa thêm vào Stack 2 module mới đó là StackTask và ARPTask. StackTask quản lý sự vận hành và tất cả các module của Stack. Trong khi đó, ARPTask quản lý các dịch vụ của lớp ARP ( Address Resolution Protocol). 2.3.2 Hoạt động của TCP/IP Stack Hoạt đông của TCP/IP Stack là các nhiệm vụ sẽ được chia thành các tác vụ ( ở đây là TCP, UDP, Ping,…). Tất cả hoạt động của TCP/IP sẽ được một đồng 27


hồ chung quản lí theo Time Split. Tức là có một Timer hệ thống (Timer1), cứ mỗi khoảng thời gian ngắn sẽ ngắt (gọi là một TICK), khi bị ngắt, hệ thống sẽ treo lại, ngữ cảnh của tất cả các tác vụ được bộ lập lịch lôi ra, xem xét tác vụ nào được chạy theo kiểu chia sẻ thời gian (vì không có mức ưu tiên cho tác vụ). Sau đó cho phép tác vụ đó chiếm quyền thực thi của CPU. Đến TICK tiếp theo, hệ thống lại treo lại, và lại lôi ngữ cảnh ra, cứ tiếp tục như vậy mãi. Với cơ chế hoạt động này, vi điều khiển được coi như một lúc có thể vừa thực hiện TCP, vừa thực hiện UDP, Ping,…vừa có thể là Server và Client cùng một lúc. Vì vậy, STM32F407 nếu được thiết lập ở chế độ TCP Server/Client sẽ hoạt động đồng thời cả hai hoạt động này. Server lắng nghe kết nối từ Client nào đó trên mạng. Còn Client thì gửi lệnh mở cổng kết nối tới một Server nào đó cũng ở trên mạng, mà ta có thể xác lập được. Vì vậy, hoạt động của các tác vụ là độc lập với nhau, không chịu ảnh hưởng lẫn nhau.

28


CHƯƠNG 3:GIỚI THIỆU KIT STM32F4 DISCOVERY 3.1 Tổng quan về STM32F4

Hình 3.1 Kit STM32F407VG trong thực tế - Sử dụng vi điều khiển STM32F407VGT6 :  Dòng ARM cortex- M4 32 bit MCU  1MB Flash  192+4 KB RAM  USB OTG HS/FS 29


 Ethernet  3 ADCs  5 Port : A,B,C,D,E Mỗi port 16 chân - 2 nút nhấn - 8 LED :  LD1 (green/red): giao tiếp USB  LD2 (red): báo sử dụng điện áp 3.3V  4 LED : LD3 (orange), LD4 (green), LD5 (red), LD6 (blue)  LD7 (green), LD8 (red) : USB OTG - Mạch nạp ST-LINK/V2 - Trong đồ án sử dụng :  4 led LD3,LD4,LD5,LD6 để mô tả hoạt động của 4 thiết bị trong thực tế  ADC 1 kênh 10 để đọc giá trị điện áp chân C0  Và các chân kết nối module ethernet được đề cập ở chương 4 phần kết nối giữa module ethernet với kit stm32f4

30


3.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 3.2 sơ đồ nguyên lý các ngõ ra, ngõ vào

31


Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nạp ST-LINK/V2 32


CHƯƠNG 4:MODULE ETHERNET 4.1 Tổng quan về module ethernet

Hình 4.1 Module Ethernet Sử dụng IC DP83848C:  Sử dụng tần số 25MHZ  Hỗ trợ 2 chế độ giao tiếp MII và RMII  Điện áp 3.3V  Tốc độ 10/100 Mb/s

33


4.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 4.2 sơ đồ nguyên lý Module Ethernet DP83848

34


4.3 Cách kết nối với STM32F4 Kết nối thê chế độ MII ETHERNET

STM32F4

PC1 PC9 PA2 PC3 PB11 PB12 PB13 PC2 PE2 PC4 PC5 PB0 PB1 PA3 PB14 PA7 PA0 NRST PB10 PA1 3.3V GND

MDC MCO MDIO TX_CLK TX_EN TXD0 TXD1 TXD2 TXD3 RXD0 RXD1 RXD2 RXD3 COL INT RX_DV CRS RESET RX_ER RX_CLK VCC GND

Hình 4.3 sơ đồ kết nốt giữa Module Ethernet và STM32F4

35


CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG WEBSERVER 5.1 Phân tích yêu cầu điều khiển Trong một gia đình thông thường ngày nay, TV, hệ thống nghe nhìn, máy tính, đèn chiếu sáng, rèm cửa và điện thoại di động, ngày càng trở nên dễ sử dụng và đa năng hơn, nhưng mỗi thiết bị hoạt động độc lập với các bộ điều khiển dùng riêng. Điều này có nghĩa là có rất nhiều bộ điều khiển, nút chỉnh làm cho cuộc sống thêm phức tạp. Với ý nghĩa một ngôi nhà “thông minh”, các thiết bị nói trên sẽ được tích hợp trong một hệ thống đồng nhất, cung cấp các chức năng của từng loại thiết bị nhưng được điều khiển tập trung từ bộ điều khiển trung tâm. Như vây, các thiết bị “thông minh” rời rạc trước đây giờ đây là các thành phần cấu thành nên một hệ thống “thông minh”. Phân tích các thiết bị điện cần điều khiển trong một gia đình thông thường, ta nhận thấy các thiết bị điện trong gia đình chủ yếu là các biến logic, chỉ có 2 trạng thái tắt hoặc mở ví dụ như quạt, điều hòa, tivi, bóng đèn… Song bên cạnh đó cũng có một số biến có dạng số nguyên, số thực như nhiệt độ phòng, mức nước trong bể, độ mở của rèm cửa… Với những biến kiểu logic, ta chỉ cần xác định trạng thái của thiết bị và yêu cầu điều khiển để bật hoặc mở thiết bị khi có yêu cầu. Còn với những biển kiểu số nguyên, số thực như nhiệt độ, mức nước trong bể… thì ta cần có cảm biến đo để xác định được giá trị của biến ở thời điểm hiện tại. Ví dụ, muốn hệ thống tự động bật điều hòa khi nhiệt độ phòng cao thì ta cần ta cần có một cảm biến nhiệt độ để xác định nhiệt độ phòng tại thời điểm hiện tại. Nếu nhiệt độ phòng cao hơn một giá trị ta định trước thì hệ thống sẽ tự động điều

36


khiển để bật điều hòa lên, và khi nhiệt độ hạ thấp giá trị ta định trước thì hệ thống sẽ điều khiển để tắt điều hòa đi. Yêu cầu điều khiển được đặt ra đối với hệ thống là người dùng có thể sử dụng máy tính, máy tính bảng hoặc điện thoại có nối mạng để đưa ra yêu cầu điều khiển từ xa. Bộ điều khiển nhận lệnh, xử lý rồi sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp, sau khi điều khiển xong thì thông báo ngược lại cho người sử dụng biết đã thực hiện thành công cũng như thông báo trạng thái của thiết bị hiện thời. Nhà thông minh là một đề tài mở với rất nhiều các ứng dụng, các tiện ích có thể áp dụng nhằm phục vụ nhu cầu ngày càng nâng cao của con người. Chính vì vậy mà giới hạn trong đồ án môn học của em không thể giải quyết được hết các bài toán trên thực tế. Trước mắt, em sẽ thi công một bộ điều khiển có khả năng giao tiếp truyền thông qua mạng Ethernet từ đó người sử dụng có thể đưa ra yêu cầu điều khiển để đóng hoặc mở một số thiết bị điện từ xa, ngoài ra bộ điều khiển còn có khả năng đọc ADC1 kênh 10 và điểu khiển thiết bị bằng xung PWM. Về hướng đi trong tương lai, em sẽ mở rộng và phát triển thêm nhiều module, nâng cao khả năng giao tiếp của thiết bị hơn nữa, tăng tính tương tác với người sử dụng cũng như tăng độ an toàn cho ngôi nhà thông minh.

37


5.2 Lưu đồ giải thuật Bắt đầu

Khởi tạo GPIO,ADC, PWM

Khởi tạo Ethernet

Cập nhật trạng trái thiết bị,đọc adc

Gửi lệnh điều khiển thiết bị

Kết thúc

Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật chính

38


5.3 thiết kế giao điện điều khiển 5.3.1 Thiết kế giao diện web Ta có dùng một số công cụ như MicrosoftOffice Publisher trong bộ Microsoft Office hay Adobe Dreamweaver,… để tạo một webserver với giao diện đơn giản như sau:

Hình 5.2 Giao diện trang chủ Webserver

39


Hình 5.3 Giao diện điều khiển Webserver

5.3.2 Điều khiển trên Web Công việc tiếp theo là làm cách nào để điều khiển thiết bị thông qua trình duyệt? Trước hết chúng ta tìm hiểu về thẻ
, cách đọc nó trong HTML code và so sánh sự khác nhau giữa hai phương pháp truyền tin là phương pháp GET và POST. Cuối cùng là đi vào một phương pháp cụ thể mà được dùng trong đồ án này là phương pháp GET. Web forms cho phép webserver nhận dữ liệu từ người dùng thông qua mạng. Dữ liệu này có thể dùng để điều khiển một đầu ra hoặc một vùng nhớ của hệ thống. Chúng ta sẽ lấy một ví dụ là vi điều khiển nhận lệnh “On/Off” từ trang web và điều khiển trạng thái của một bóng đèn tương ứng.

40


Hình 5.4 Vi điều khiển nhận lệnh từ Web và điều khiển Giống như bất kỳ phần nào trong HTML,web forms có thể nhận ra thông qua cặp thẻ
. Trong cặp thẻ này sẽ có các thẻ với các kiểu tương tác người dùng (nút bấm,dạng check,…)

Khi các biến này đưa tới server thì chúng được mã hóa thành một chuỗi gồm có lệnh set hay get kèm theo tên thiết bị và giá trị. Ví dụ : varset.cgi?name=led1&value=1 5.3.3 Phương pháp truyền dữ liệu Có hai phương pháp được dùng để truyền dữ liệu là phương pháp GET và phương pháp POST.Phương pháp GET đặt dữ liệu ngay sau URL (VD: /varset.cgi?name=led1&value=1). Trong nền tảng ARM thì đây là phương pháp 41


xử lý dữ liệu dễ nhất bởi nó được lưu vào vùng nhớ đồng thời. Tuy nhiên,độ dài của tên biến,giá trị,ký tự bị giới hạn bởi kích thước của vùng đệm là 100 byte. Trong khi đó phương pháp POST không giới hạn kích thước của dữ liệu,tuy nhiên phương thức truyên của nó phức tạp hơn. Do phạm vi của đồ án với ít ngoại vi nên việc sử dụng phương pháp GET được cho là tối ưu. Dữ liệu gồm có 2 hoặc 3 thành phần tùy vào action. Đối với action là get sẽ có 2 thành phần : tên action và name. Đối với action là set cần có 3 thành phần : tên action, name và value. Trong đó : tên action là : get hoặc set. name là : led1, led2, led3, led4, pwm, adc. value: là 0 hoặc 1 đối với led, là 0÷100 đối với pwm. 5.4 Cách đọc ADC - Thiết lập ADC1 và DMA2 cho chân C0 * Enable ADCx, DMA and GPIO clocks *****************************/ /* ADC1 */ RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE); RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); /* ADC pin C0*/ GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

- Chọn mode analog cho chân IO GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;

- Chọn độ phân giải ADC 12 bit 42


ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;

- Chọn kích thước thanh ghi : kiểu HalfWord 16 bit DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;

- Canh lề dữ liệu bên phải : do ADC 12 bit nhưng thanh ghi ADC 16 bit nên phải canh lề. ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;

- Đọc ADC1 kênh 10 ADC_RegularChannelConfig(ADC1 , ADC_Channel_10, 1 , ADC_SampleTime_3Cycles);

- Hiển thị giá trị ADC trên web: lấy độ phân giải * giá trị chuyển đổi /*Gain : 3.3/4095 */ webserver_adc = (float)(0.000805860793F*( (float)ADCDemoRegularADC_ConvertedValue[0] ));

5.5 Cách điều chế độ rộng xung PWM - Sử dụng xung PWM để điều khiển 2 led ứng với chân D12 và D13 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure); GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_TIM4); GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_TIM4);

Tính chu kỳ xung TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 60000-1; /* chu ky cua timer 60000*(84MHZ/28)^-1=0.02 sec */ TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 27; // bộ chia//

Tính độ rộng xung= giá trị % xung *độ rộng của 1% TIM4->CCR1 = (uint32_t) ( ((real_T) ((uint32_t) webserver_pwm) )* 60000/100); TIM4->CCR2 = (uint32_t) ( ((real_T) ((uint32_t) webserver_pwm) ) * 60000/100);

43


5.6 Cách bật tắt thiết bị - Ở đây ta bật tắt 2 led thay cho 2 thiết bị. 2 led này ứng với chân D14 và D15. Thêm 2 chân D1 và D2 để điều khiển thiết bị bên ngoài khi cần thiết. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT; GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);

- Chương trình bật tắt thiết bị: webserver.LED1 = !webserver.LED1_PreviousInput; /* LEDToggle Output */ *LEDToggle_D15 = webserver.LED1; /* web */ webserver_led1 = (uint32_t) webserver.LED1; /* Update for LED*/ webserver.LED1_PreviousInput = webserver_led1;

44


Chương 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Qua thời gian nghiên cứu, thi công đồ án đã cơ bản được hoàn thành. Bằng sự nỗ lực cố gắng của bản thân mỗi cá nhân và sự phân chia, phối hợp công việc hợp lí, chặt chẽ, nhịp nhàng giữa mỗi thành viên của nhóm, bên cạnh đó còn là sự hướng dẫn nhiệt tình, tận tâm của Thầy Nguyễn Thanh Bình, đồ án này đã được hoàn thành đúng thời gian như đã định và đã đạt được yêu cầu đặt ra là thiết kế và thi công hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa qua mạng Ethernet. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã thu được những kết quả nhất định như sau: - Mạch điện với các module trên mạch được thiết kế và thi công hoàn chỉnh và đã được thử nghiệm nhiều lần và đã hoạt động ổn định trong thực tế. -

Xây dựng được mô hình để ứng dụng điều khiển các thiết bị

Hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet được thực hiện như trong đề tài là một hệ thống với các chức năng đạt được như sau: 1. Hệ thống của thể điều khiển được thiết bị điện từ xa thông qua mạng Ethernet - Người dùng có thể dùng máy tính đăng nhập vào Webserver và thực thi điều khiển thiết bị ngay trên giao điện Web. - Trạng thái của thiết bị được cập nhật ngay trên giao diện Web. 2. Hệ thống có thể đọc ADC, điều khiển được độ rộng xung PWM để có thể điều khiển các thiết bị 1 cách hợp lý. Để thực hiện được các chức năng nêu trên, nhóm em đã tìm hiểu, nghiên cứu các vấn đề có liên quan tới đề tài như : truyền thông UART, truyền thông SPI, giao thức TCP/IP, STM32F4, Module Ethernet DP83848, mạng Ethernet, và các vấn đề khác liên quan tới đề tài. 45


Cuối cùng, theo nhận định chủ quan của nhóm em thì đồ án đã được hoàn thành đúng thời gian cho phép và đã trình bày khá đầy đủ các mảng kiến thức liên quan, các vấn đề liên qua tới đề tài. Song do những điều kiện khách quan, đề tài này chỉ thực hiện một phần nhỏ đối với việc điều khiển. Đó là điều khiển 4 thiết bị : 2 thiết bị điều khiển 2 chế độ ON-OFF, 2 thiết bị được điều khiển chung bởi 1 xung PWM với mức độ từ 0-100 và đọc ADC.

6.2 Hướng phát triển đề tài Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng kiến thức cá nhân mỗi thành viên của nhóm là nhất định nên đề tài thực hiện xong chỉ đáp ứng được một phần nhỏ của một hệ thống hoàn chỉnh. Vì vậy, để đề tài này thêm phong phú hơn, mang nhiều tính thực tế hơn nữa, có khả năng ứng dụng cao hơn thì em đề xuất đưa thêm vào những yêu cầu như sau:  Sử dụng thêm nhiều loại cảm biến khác, chẳng hạn như cảm biến độ ẩm không khí để đo độ ẩm không khí, hệ thống báo cháy tự động,… để ứng dụng vào đề tài. Như thế người dùng có thể hình dung ra được toàn bộ không gian trong ngồi nhà.  Thêm khối bàn phím, thời gian thực để người dùng có thể trực tiếp chỉnh định lại các thông số của hệ thống sao cho phù hợp và có thể hẹn giờ để tắt/bật thiết bị theo ý muốn.  Mở rộng điều khiển được nhiều hơn nữa các thiết bị.  Phần cứng cho mỗi module cần được tách rời nhằm dễ dàng cho việc chỉnh sửa, thay đổi. Hy vọng với những hướng phát triển nêu trên cùng với những ý tưởng, góp ý khác của các thầy cô giáo, các bạn đọc sẽ phát triển hơn nữa đề tài này, khắc phục những hạn chế, tồn tại của đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao hơn vào trong thực tế cuộc sống, phục vụ cho những lợi ích của con người trong tương lai.

46


TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú , Vi Điều Khiển PIC, Nhà Xuất Bản ĐH Quốc Gia TP.HCM [2] Một Số Trang Web Tham Khảo:  www.codientu.org  www.st.com  icviet.vn  www.dientuvietnam.net  stm32vn.tk

47

Điều Khiển Thiết Bị Qua Webserver

Recommend Documents