BÁO CÁO PROJECT I

ĐỀ TÀI

CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ QUA INTERNET DƯỚI DẠNG WEBSITE.

LỜI NÓI ĐẦU

Bước sang thế kỷ 21,thế giới đã có những bước nhảy lớn về mọi mặt của cuộc sống.Đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ với sự phát triển của internet,những hệ điều hành ngày càng thông minh và gần gũi với người sử dụng, từ cách thức quản lý công việc, điều hành cuộc sống, tìm kiếm thông tin……rất nhiều thành tựu trong từng lĩnh vực đã làm thay đổi cuộc sống của chúng ta. Một cuộc sống đầy đủ , tiện nghi , thoải mái – một cuộc sống hoàn hảo.

SmartHome – ngôi nhà của cuộc sống hoàn hảo – ngôi nhà trong mơ hiện đã không còn quá xa vời. Ngoài không gian mở, thiết kế đẹp, tiện nghi đầy đủ, tiết kiệm năng lượng , an ninh đảm bảo, ….thì toàn bộ hệ thống của ngôi nhà được liên kết và hoạt động tự động dưới sự quản lý trong một hệ điều hành sẽ đem lại 1 ngôi nhà thông minh thực sự theo cả nghĩa đen lẫn nghĩa bóng . Tại Việt Nam, giao diện quản lý dưới dạng Website thông qua Internet , hiện thời là giao diện quản lý phổ biến và thông dụng nhất. Ý tưởng kết hợp chúng lại để tạo nên một ngôi nhà thông minh cùng với hệ thống giao tiếp đơn giản , dễ dàng đã được nhóm chúng em nghiên cứu , mong rằng tương lai góp một phần nhỏ phát triển cho cuộc sống nước nhà và do đó nhóm chúng em đã chọn đề tài Project 1 là : “ CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ QUA INTERNET DƯỚI DẠNG WEBSITE ”. Do thời gian nghiên cứu và khả năng có hạn nên đề tài không tránh khỏi sai sót và còn nhiều điểm chưa hoàn thiện, nhóm rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô, bạn bè.

Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy cô, bạn bè, gia đình đã quan tâm giúp đỡ khi chúng em thực hiện đồ án. Đặc biệt chúng em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Hữu Trung đã giúp chúng em hoàn thiện thành công đề tài này.

Hà Nội, tháng 6 năm 2013

Nhóm sinh viên

Tô Hoài Nam, Lê Anh Quang, Trần Đại Nghĩa

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................1

TÓM TẮT PROJECT I......................................................................................2

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH........................................................................7

Giới thiệu chung...............................................................................................11

Các mục tiêu của Projetc I................................................................................11

Các kết quả đã đạt được...................................................................................12

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH VÀ TÌM HIỂU HỆ THỐNG..............................47

1.1.Phân tích.....................................................................................................47

1.1.1 Yêu cầu chức năng...............................................................................47

1.1.2 Yêu cầu phi chức năng.........................................................................47

1.1.3 Yêu cầu phần cứng...............................................................................47

1.1.4 Yêu cầu phần mềm...............................................................................47

1.2. Tìm hiểu hệ thống......................................................................................47

1.2.1 Tìm hiểu về phần cứng và phần mềm..................................................47

1.2.1.1 Bộ giao thức TCP/IP......................................................................47

1.2.1.1.1 Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer)...................47

1.2.1.1.2 Tầng Liên Mạng (Internet Layer).............................................47

1.2.1.1.3 Tầng Giao Vận (Transport Layer)............................................47

1.2.1.1.4 Tầng Ứng Dụng (Application Layer).......................................47

1.2.1.2 Ethernet – ENC28J60.....................................................................47

1.2.1.3 Vi điều khiển Atmega32.................................................................47

1.2.1.4 Các linh kiện khác..........................................................................47

1.2.2 Cách thức hoạt động của hệ thống.......................................................47

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG...............................48

2.1 Mạch phần cứng.........................................................................................48

2.1.1 Sơ đồ khối............................................................................................48

2.1.2 Đơn vị điều khiển trung tâm – Vi điều khiển Atmega32.....................49

2.1.3 Module Ethernet ENC28J60................................................................51

2.1.4 Khối đáp ứng........................................................................................62

2.1.5 Khối nguồn...........................................................................................72

2.2 Sơ đồ nguyên lý..........................................................................................76

2.3 Sơ đồ mạch in.............................................................................................78

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM........................................................93

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN...............................................................................114

4.1 Các kết quả đã đạt được........................................................................114

4.2 Các vấn đề còn chưa được giải quyết...................................................114

4.3 Đánh giá và kết luận.............................................................................114

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 – Sơ đồ khối bộ giao thức TCP/IP...............................................17

Hình 1.2 – Sơ đồ chân của ENC28J60.......................................................19

Hình 1.3 – Sơ đồ kết nối ENC28J60 với vi điều khiển..............................20

Hình 1.4 – Module ethernet ENC28J60.....................................................21

Hình 1.5 – Sơ đồ chân Atmega32...............................................................32

Hình 1.6 – Sơ đồ khối Atmega32...............................................................33

Hình 1.7 – Hình ảnh Relay 5V...................................................................35

Hình 1.8 – Thông số kỹ thuật và sơ đồ chân của PC817............................36

Hình 1.9 – Hình ảnh LED...........................................................................36

Hình 1.10 – Hình ảnh điện trở....................................................................36

Hình 1.11 – Hình ảnh tụ điện.....................................................................40

Hình 1.12 – Sơ đồ khối cách thức hoạt động của hệ thống........................40

Hình 2.1 – Sơ đồ khối của hệ thống...........................................................40

Hình 2.2 – Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển..............................................47

Hình 2.3 – Sơ đồ nguyên lý khối ENC28J60.............................................47

Hình 2.4 – Sơ đồ nguyên lý khối đáp ứng..................................................47

Hình 2.5 – Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.....................................................47

Hình 2.6 – Sơ đồ nguyên lý của mạch........................................................47

Hình 2.7 – Sơ đồ mạch in của mạch ..........................................................47

Hình 4.1 – Mạch sau khi hoàn thành .........................................................47

Hình 4.2 – Giao diện web điều khiển ........................................................47

MỞ ĐẦU

Giới thiệu chung

Xuất phát từ nhu cầu thực tế cùng những gì đã biết và tìm hiểu được, nhóm chúng em xin đề xuất thực hiện đề tài điều khiển các thiết bị điện trong nhà qua mạng internet dưới dạng website.

Hệ thống sau khi được hoàn thành sẽ góp phần nâng cao đời sống của con người, giúp cho chúng ta có thể dễ dàng kiểm soát và điều khiển các thiết bị trong nhà một cách từ xa, đồng thời tăng tính thông minh cho những ngôi nhà.

Sau đây nhóm chúng em xin trình bày chi tiết hơn:

Các mục tiêu của Project I:

Tìm hiểu tổng quan về bộ giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol – Giao

thức Điều Khiển Truyền Thông / Internet Protocol – Giao thức Internet).

Tìm hiểu module Ethernet ENC28J60.

Tìm hiểu cách tạo một website đơn giản bằng Adobe Dreamweave CS6.

Tìm hiểu và đánh giá chung về khó khăn, tính khả thi, hiệu quả cũng như nhu cầu và

ứng dụng của hệ thống tại Việt Nam.

Các kết quả đã đạt được:

Thiết kế mạch giao tiếp ENC28J60 và điều khiển các thiết bị điện.

Thiết kế giao diện website điều khiển.

Hệ thống ứng dụng trong mạng LAN.

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ

THỐNG

1.1 Phân tích

1.1.1 Yêu cầu chức năng

Điều khiển được các thiết bị điện thông qua internet dưới dạng website (trên thực

tế ứng dụng dừng lại ở việc điều khiển bóng đèn thông qua mạng LAN dưới dạng

website).

1.1.2 Yêu cầu phi chức năng

Giao diện website dễ sử dụng, tiện lợi trong quá trình điều khiển.

Khối xử lý và điều khiển (vi điều khiển), khối chức năng (module ethernet

ENC28J60) phải được cách ly với khối đáp ứng (các thiết bị điện sử dụng nguồn

xoay chiều 220V).

Mạch thiết kế nhỏ gọn, được đóng hộp để tiện cho việc lắp đặt trong nhà.

1.1.3 Yêu cầu phần cứng

Dựa vào các yêu cầu chức năng và phi chức năng ở trên, hệ thống sẽ cần những

khối linh kiện phần cứng như sau:

Khối xử lý và điều khiển: Vi điều khiển Atmega32L – 16PI.

Khối chức năng: Module Ethernet ENC28J60.

Khối đáp ứng: Relay 5V, PC817, Led, bóng đèn.

Các khối phụ: mạch nạp ISP, khối nguồn (5V, AMS3.3V), các linh kiện khác …

1.1.4 Yêu cầu phần mềm

Lập trình thiết lập các giao thức trên các tầng của bộ giao thức TCP/IP.

Giao tiếp được Atmega32 với module ethernet ENC28J60.

Thiết kế giao diện website điều khiển sử dụng Adobe Dreamweave CS6 và nhúng

vào vi điều khiển Atmega32.

Lập trình điều khiển các thiết bị điện.

Sử dụng phần mềm lập trình CodeVisionAVR 2.05.0.

1.2 Tìm hiểu và thiết kế hệ thống

1.2.1 Tìm hiểu về phần cứng và phần mềm.

1.2.1.1Bộ giao thức TCP/IP.

Khái niệm

Để các máy máy tính có thể liên lạc với nhau qua mạng, chúng phải sử dụng cùng

1 ngôn ngữ hay còn gọi là 1 giao thức (Protocol). Giao thức là 1 hệ luật và chuẩn

cho phép các máy tính trong mạng liên lạc với nhau.

TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol (Giao thức Điều Khiển

Truyền Thông) / Internet Protocol (Giao thức Internet). 

TCP/IP không chỉ gồm 2 giao thức mà thực tế nó là tập hợp của nhiều giao thức.

Chúng ta gọi đó là 1 Hệ Giao Thức hay Bộ Giao Thức (Suite Of Protocols). 

Tổng quát

Để cho các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau TCP/IP sử dụng mô hình truyền thông 4 tầng hay còn gọi là Mô Hình DoD (Mô hình của Bộ Quốc Phòng Mỹ). Các tầng trong mô hình này là (Theo thứ tự từ trên xuống):

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

Sơ đồ khối:

Hình 1.1

Mỗi giao thức của Họ TCP/IP đều thuộc 1 trong các tầng này. 

1.2.1.1.1 Tầng Giao Diện Mạng (Network Interface Layer):

Tầng Giao Diện Mạng có trách nhiệm đưa dữ liệu tới và nhận dữ liệu từ phương tiện truyền dẫn. Tầng này gồm các thiết bị phần cứng vật lí chẳng hạn như Card Mạng và Cáp Mạng. 

1 Card Mạng chẳng hạn card Ethernet chứa 1 số HEX 12 kí tự (00-18-37-03-C0-F4) được gọi là Địa Chỉ MAC (Media Access Control) hay Địa Chỉ Truy Nhập Phương Tiện . MAC đóng vai trò quan trọng trong việc gán địa chỉ và truyền dữ liệu. 

1 số giao thức tiêu biểu thuộc tầng này gồm : ATM (Asynchronous Transfer Mode) Ethernet Token Ring FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Frame Relay 

1.2.1.1.2 Tầng Liên Mạng (Internet Layer):

Nằm bên trên tầng giao diện 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). 

1.2.1.1.3 Tầng Giao Vận (Transport Layer):

Có trách nhiệm thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và quy định cách truyền dữ liệu. 2 giao thức chính trong tầng này gồm:

UDP (User Datagram Protocol): Còn gọi là Giao Thức Gói Người Dùng. UDP cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không đảm bảo truyền dữ liệu 1 cách tin cậy. Các ứng dụng dùng UDP thường chỉ truyền những gói có kích thước nhỏ, độ tin cậy dữ liệu phụ thuộc vào từng ứng dụng. 

TCP (Transmission Control Protocol): 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. 

1.2.1.1.4 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. 1 số giao thức thông dụng trong tầng này là:

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Giao Thức Cấu Hình Trạm Động. DNS (Domain Name System): Hệ Thống Tên Miền. SNMP (Simple Network Management Protocol): Giao Thức Quản Lý Mạng Đơn

Giản. FTP (File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin. TFTP (Trivial File Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Tập Tin Bình Thường.  SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Giao Thức Truyền Thư Đơn Giản.  TELNET. 

1.2.1.2 Ethernet – ENC28J60.

Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữ liệu (frame-based) dành cho mạng LAN. Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín hiệu cho tầng vật lý, hai phương tiện để truy nhập mạng tại

phần MAC (điều khiển truy nhập môi trường truyền dẫn) của tầng liên kết dữ liệu và một định dạng chung cho việc đánh địa chỉ.

ENC28J60 là IC giao tiếp mạng Ethernet ở lớp vật lý tương ứng trong mô hình OSI. Nó hỗ trợ tuyền song công trên kênh truyền có băng thông từ 10-20Mbps. Đồng thời nhằm tránh xung đột trên kênh truyền, ENC28J60 làm việc trên giao thức CSMA/CD để phát hiện và tối thiểu hóa xung đột. ENC28J60 được giao tiếp với các thiết bị khác theo chuẩn SPI.Sơ đồ chân:

Hình 1.2

Sơ đồ kết nối với vi điều khiển (kết nối với vi điều khiển bằng chuẩn SPI chế độ 0):

Hình 1.3 Module ethernet ENC28J60:

Trong phân cứng nhóm chúng em sử dụng module ENC28J60, trên module đã tích hợp đầy đủ các linh kiện để có thể kết nối ENC28J60 với vi điều khiển và các máy trong mạng LAN:

Hình 1.4

1.2.1.3 Vi điều khiển Atmega32.

Sơ đồ chân:

Hình 1.5

Atmega 32 là vi điều khiển 8 bit có kiến trúc RISC thuộc họ vi điều khiển AVR do Atmel sản xuất với những thông số kỹ thuật chính như sau:

Điện áp hoạt động:- 2.7 – 5.5V với Atmega32L.- 4.5 – 5.5V với Atmega32. Tần số hoạt động:- 0 – 8MHz với Atmega32L.- 0 – 16MHz với Atmega32. Bộ nhớ chương trình Flash 32K Bytes cho phép ghi/xóa 10.000 lần, 2K bytes bộ

nhớ trong SRAM ngoài ra còn tích hợp 1024 bytes bộ nhớ EEPROM. 32 chân I/O (Input/Output) chia đều ra cho 4 PORT điều khiển: PORTA, PORTB,

PORTC, PORTD. 3 bộ TIMER: timer0 – 8bit, timer1 – 16bit, timer2 – 8bit. 4 kênh PWM. 8 kênh ADC với độ phân giải 10 bit. Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp: USART, I2C, SPI. Tích hợp các nguồn ngắt trong và ngoài. Tích hợp thạch anh nội bên trong.

Chi tiết được thể hiện trên hình 3.

Hình 1.6

Trên vi điều khiển Atmega32 đã được tích hợp sẵn phần cứng hỗ trợ chuẩn giao

tiếp SPI giúp việc giao tiếp với ENC28J60 dễ dàng hơn.

1.2.1.4 Các linh kiện khác.

Relay 5V: Đóng mở đèn.

Hình 1.7

PC817: Cách ly quang, cách ly giữa mạch điều khiển và khối đáp ứng.

Hình 1.8

Led:

Hình 1.9

Điện trở:

Hình 1.10

Tụ điện:

Hình 1.11

1.2.2 Cách thức hoạt động của hệ thống.

Sơ đồ khối:

Hình 1.12

Cách thức hoạt động:

Người sử dụng sẽ gửi một gói tin từ tầng ứng dụng bằng một trong các giao thức như: TFTB, SMTP, FTP,… Gói tin sau khi đi qua tầng giao vận (TCP) sẽ đưa xuống tầng liên mạng, tại đây giao thức IP sẽ gắn thêm vào đầu gói tin 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 nguồn 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 sau đó được chuyển đến lớp giao thức ethernet để thêm phần header ethernet vào và gửi các frame dữ liệu đi dựa vào 1 loại địa chỉ khác là địa chỉ MAC (hay còn gọi là địa chỉ vật lý). Header ethernet bao gồm địa chỉ MAC nguồn

và địa chỉ MAC nhận. Địa chỉ MAC nguồn là địa chỉ MAC của ENC28J60, địa chỉ MAC nhận là địa chỉ MAC của máy nằm trong mạng LAN.

Tuy nhiên, chúng ta chỉ mới biết được IP của host đích mà chưa biết được địa chỉ MAC, vậy chúng ta sử dụng giao thức ARP ở tầng liên mạng để tìm địa chỉ MAC khi biết địa chỉ IP của host đích.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG

2.1 Mạch phần cứng.

2.1.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1

2.1.2 Đ n v đi u khi n trung tâm – Vi đi u khi n Atmega32ơ ị ề ể ề ể .

Hình 2.2

2.1.3 Module Ethernet ENC28J60.

Hình 2.3

2.1.4 Kh i đáp ngố ứ .

Hình 2.4

2.1.5 Kh i ngu nố ồ .

Sử dụng AMS1117 3.3V để tạo nguồn 3.3V từ nguồn 5V.

Hình 2.5

2.2 S đ nguyên lý.ơ ồ

Hình 2.6

2.3 S đ m ch in.ơ ồ ạ

Hình 2.7

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHẦN MỀM

Phần mềm được lập trình trên CodeVisionAVR 2.05.0 bao gồm các hàm xử lý sau:

Giao tiếp với ENC28J60: file enc28j60.h, enc28j60.c Thiết lập các giao thức trong bộ giao thức TCP/IP:

Giao thức TCP: file tcp.h, tcp.c Giao thức IP: file ip.h, ip.c Giao thức ARP: file Arp.h, Arp.c Giao thức Ethernet: file Ethernet.h. Ethernet.c Giao thức ICMP: file icmp.h, icmp.c

Nhúng websile vào Atmega32: file http.h, httpc.c

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

4.1 Các kết quả đã đạt được.

Hoàn thành mạch phần cứng.

Hình 4.1 Điều khiển được LED, đóng mở Relay thông qua giao diện web.

Hình 4.2

4.2 Các vấn đề còn chưa được giải quyết.

Hệ thống chỉ mới được ứng dụng trong hệ thống mạng LAN, chưa điều khiển được khi dùng các Host nằm ngoài mạng.

4.3 Đánh giá và kết luận.

Hướng phát triển

Ứng dụng hệ thống với mạng Internet. Thiết lập giao diện bảo mật với người dùng qua việc tạo lập tài khoản admin. Kết hợp các cảm biến

Kết luận

Do điều kiện và hạn chế về trình độ, nhóm chúng em chỉ mới hoàn thiện hệ thống ở mức điều khiển các thiết bị trong mạng LAN, chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu và phát triển mở rộng ứng dụng trên mạng internet.