Tài liệu Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ zingbee 802.15.4 và ethernet

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------ VÕ THANH TÙNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP.Hồ Chí Minh 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ------------ VÕ THANH TÙNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ZIGBEE 802.15.4 VÀ ETHERNET Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: GS-TS. LÊ HÙNG LÂN TP.Hồ Chí Minh 2014 i TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC Họ và tên học viên: Võ Thanh Tùng Năm sinh: 1986 Cơ quan công tác : Công ty TNHH cơ khí - cân điện tử - tự động Tín Thành Tiến Khoá: 20.1 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Cán bộ hƣớng dẫn: GS-TS. Lê Hùng Lân Mã số: 60.52.70 Bộ môn: Điều khiển học 1. Tên đề tài : Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài: Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn Ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện qua giao diện Web server nhúng vào vi điều khiển AVR. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu và kết quả đạt đƣợc:  Phương pháp nghiên cứu : nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee và dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu thiết kế hệ thống thực tế.  Kết quả đạt được : dựa vào lý thuyết đã nghiên cứu đã áp dụng thiết kế thành công hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR. Đề xuất các giải pháp phát triển để có thể áp dụng mô hình đã thiết kế vào sản xuất và ứng dụng phục vụ cuộc sống con ngƣời. Điểm bình quân môn học: 7.08 Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn: Điểm bảo vệ luận văn: Ngày 10 tháng 5 năm 2014 Học viên GS.TS Lê Hùng Lân Xác nhận của bộ môn: Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Võ Thanh Tùng Đại học Giao thông Vận tải ii MỤC LỤC TRÍCH YẾU LUẬN VĂN CAO HỌC ......................................................................I LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................... V ............................................................................ VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. IX CHƢƠNG 1 - GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN ............................................... 1 1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện .................. 1 1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication)[15 ] .. 1 1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 .[ 2 ] .............................................. 2 1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ] .... 4 1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ] .............. 6 1.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Wifi [ 16 ] ...................................... 8 1.1.6 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Bluetooth [ 13 ] .............................. 9 1.1.7 Ƣu điểm của Zigbee [ 5 ] ................................................................. 11 1.2 ............... 12 1.2.1 Giao thức TCP/IP [ 1 ] ..................................................................... 12 1.2.2 Công nghệ Ethernet [ 4 ] .................................................................. 23 1.3 1.3.1 ........................................ 27 Mạng Zigbee/ IEEE 802.15.4 LR-WPAN ..................................... 27 1.3.2 Thành phần của mạng LR-WPAN ................................................... 27 1.3.3 Mô hình giao thức của ZIGBEE/IEEE802.15.4 [ 8 ] ..................... 31 1.4 Kết luận chƣơng....................................................................................... 41 CHƢƠNG 2 - HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ........ 42 2.1 Hệ thống giám sát nhiệt độ và báo cháy ................................................ 42 2.1.1 Khái quát .......................................................................................... 42 2.1.2 Nhiệm vụ .......................................................................................... 42 2.1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động ............................................... 42 2.1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động ........................ 44 2.1.5 Khái niệm – nhiệm vụ của đầu báo cháy ......................................... 46 2.2 Hệ thống giám sát đo rò rỉ khí ga ........................................................... 47 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iii 2.3 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa ................................................ 48 2.3.1 Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống ......................................................... 48 2.3.2 Kết cấu bản tin điều khiển................................................................ 48 2.3.3 Kết cấu hệ thống............................................................................... 49 2.4 Hệ thống chống trộm .............................................................................. 49 2.5 Kết luận chƣơng ...................................................................................... 52 CHƢƠNG 3 - NGHIÊN CỨU PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER ............................. 53 3.1 Mô hình hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ............................ 53 3.2 Giới thiệu về Arduino và trình biên dịch [ 10 ] .................................... 54 3.3 Giới thiệu về linh kiện và chức năng trong mô hình .......................... 57 3.3.1 Giới thiệu về IC ATMEGA 2560 [ 12 ] ........................................... 57 3.3.2 Giới thiệu về IC DS18B20 ............................................................... 61 3.3.3 Giới thiệu về IC ATMEGA 16 [ 12 ] ............................................... 66 3.3.4 .......................................................... 70 3.3.5 R ............................................................. 72 3.3.6 -2 .................................................... 75 3.3.7 ................................................. 77 3.3.8 Giới thiệu về IC W5100 [ 11 ] ......................................................... 78 3.3.9 .................................................. 83 3.3.10 ............................................. 86 3.3.11 Giới thiệu IC cảm biến dòng ACS712-20 ........................................ 87 CHƢƠNG 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN QUA WEB SERVER AVR.......................................................................... 90 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống ....................................................................... 90 4.2 Gới thiệu về chức năng trong mô hình ................................................. 93 4.2.1 g tâm ( ATmega2560 ) ....................................... 93 4.2.2 ................................................... 94 4.2.3 ................ 94 4.2.4 n Zigbee ............................................................ 94 4.2.5 ................................................... 94 4.2.6 ...................................................... 94 4.3 Giải thuật phần mềm .............................................................................. 94 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải iv 4.3.1 ........................................................... 94 4.3.2 ............................................................. 97 4.3.3 Giải thuật truy cập web server ......................................................... 97 4.3.4 Giải thuật đo dòng điện xoay chiều ................................................. 99 4.3.5 Giải thuật báo trộm : ...................................................................... 101 4.3.6 Giải thuật báo cháy: ....................................................................... 102 4.4 ................................................. 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 106  Kết luận ................................................................................................... 106  Hạn chế .................................................................................................... 107  Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài ..................................................... 107 LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 108 LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 110 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải v LỜI MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập niên gần đây, cùng với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ điện toán, các công nghệ mạng hữu tuyến và vô tuyến cũng phát triển không ngừng và đƣợc chuẩn hóa liên tục để có thể đáp ứng các yêu cầu của ngƣời dùng trong việc chia sẻ và quản lý thông tin một cách nhanh chóng, hiệu quả và đạt độ an toàn cao . Sự phát triển của các thế hệ đo và điều khiển đi lên từ thế hệ cơ khí, điện, điện tử vi mạch rời, sử dụng các vi xử lý cấp cao, máy tính nhúng với các thuật xử lý hiện đại, có khả năng tự suy diễn, nhớ và kết nối mạng tốc độ cao. Các thiết bị hệ thống đo điều khiển thông minh này bảo đảm kết quả đo chính xác, khử đƣợc nhiễu và khả năng phân tích xử lý tổng hợp số liệu phong phú. Sự phát triển này đã tạo ra những ứng dụng phong phú thiết thực phục vụ cho sản xuất và đời sống con ngƣời. Xuất phát từ nhu cầu thực tế ứng dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật để phục vụ tối đa cho con ngƣời một cuộc sống tiện nghi - văn minh - hiện đại và an toàn nên ý tƣởng nghiên cứu “Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện ứng dụng công nghệ Zigbee 802.15.4 và Ethernet” đã ra đời. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đề tài tập trung vào nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP và chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee 802.15.4 ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu về chuẩn ethernet TCP/IP, nghiên cứu chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , nghiên cứu phƣơng án ứng dụng thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện , báo cháy , báo trộm , đo rò khí ga qua giao diện web server nhúng vào vi điều khiển AVR. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vi 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về chuẩn ethernet TCP/IP, chuẩn giao tiếp mạng không dây Zigbee , kế thừa phát triển dựa trên các nghiên cứu trƣớc trong và ngoài nƣớc , dựa trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu áp dụng thiết kế mô hình hệ thống thực tế. 5. Nội dung của luận văn Nội dung của luận văn đƣợc trình bày thông qua 4 chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết bị điện. Chƣơng 2: Hệ thống giám sát và điều khiển thiết bị điện. Chƣơng 3: Nghiên cứu phƣơng án thiết kế mô hình giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua giao diện web server. Chƣơng 4: Thiết kế hệ thống giám sát điều khiển thiết bị điện từ xa qua thông qua giao diện web server. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải vii Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Ack Acknowledgment Xác nhận AES Advance Encryption Standard Chuẩn mã hóa cao cấp ARP Address Resolution Protocol Giao thức phân giải địa chỉ CAP Contention Access Period Giai đoạn tranh chấp truy cập CBC Cipher Block Chaining Thuật toán mã hóa khối Chaining CCA Clear Channel Assessment Đánh giá kênh truyền CFP Contention Free Period Giai đoạn tranh chấp tự do CTR Counter Bộ đếm Carrier Sense Multiple Access Phƣơng pháp tránh xung đột đa Collision Avoidance truy cập nhờ cảm biến sóng mang CSMA-CA DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Giao thức cấu hình động máy chủ DNS Domain Name System Hệ thống tên miền ED Energy Detection Năng lƣợng truyền FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FFD Full Function Device Chức năng thiết bị đầy đủ ICMP Internet Control Message Protocol Giao thức điều khiển truyền tin trên mạng Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện và Điện Tử Electronic Engineers Mỹ IP Internet Protocol Giao thức liên mạng LAN Local Area Network Mạng cục bộ LQI Link Quality Indication Chỉ số chất lƣợng đƣờng truyền MAC Medium Access Control IEEE Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Điều khiển truy nhập môi trƣờng mạng Đại học Giao thông Vận tải viii MFR MAC Footer Cuối khung MAC MHR MAC Header Đầu khung MAC MIC Message Integrity Mã hóa tin nguyên vẹn MPDU MAC Protocol Data Unit Giao thức dữ liệu MAC NWK Network Layer Tầng mạng PAN ID PAN identifier Chỉ số nhận dạng cá nhân PHR PHY Header Chứa thông tin độ dài khung PHY Physical Layer Tầng vật lý PLME Physical Layer Management Quản lý tầng vật lý PPDU PHY Protocol Data Unit Đơn vị số liệu giao thức PHY QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RARP Reverse Address Resolution Protocol Giao thức phân giải ngƣợc địa chỉ RFD Reduced Function Device Giảm chức năng thiết bị RREQ Route Reply Packet Route trả lời packet SAP Service Access Point Điểm truy nhập dịch vụ SHR Synchronization Header Đồng bộ hóa tiêu đề SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SPI Serial Peripheral Interface TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol WAN Wide Area Networks WPAN Wireless Personal Area Network Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Giao diện nối tiếp với thiết bị ngoại vi Giao thức điều khiển truyền thông Giao thức truyền nhận dữ liệu dƣới dạng các gói tin Mạng diện rộng Mạng cá nhân không dây Đại học Giao thông Vận tải ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số Tên bảng hiệu Trang 1.1 Tóm tắc các thông số chuẩn RS485 3 1.2 Một số loại cáp truyền Ethernet thông dụng 23 1.3 Băng tần và tốc độ dữ liệu 32 1.4 Kênh truyền và tần số 32 3.1 3.2 -2 77 Chức năng các chân GLCD 64*128 85 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ Trang 1.1 Truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 4 1.2 Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN 5 1.3 Kiến trúc giao thức TCP/IP 13 1.4 Cấu trúc gói dữ liệu TCP/IP 17 1.5 Cấu trúc gói tin IP 17 1.6 Cấu trúc gói tin TCP 19 1.7 Thiết lập kết nối TCP 22 1.8 Kết thúc kết nối TCP 22 1.9 Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 25 1.10 Cấu trúc liên kết mạng 28 1.11 Cấu trúc mạng hình sao 28 1.12 Cấu trúc mạng mesh 29 1.13 Cấu trúc mạng hình cây 30 Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải x 1.14 Mô hình giao thức của ZigBee 31 1.15 Băng tần hệ thống của Zigbee 32 1.16 Định dạng khung PPDU 34 1.17 Cấu trúc siêu khung 35 1.18 Định dạng khung MAC 37 1.19 Khung tin mã hóa tầng MAC 39 1.20 Khung tin mã hóa tầng mạng 40 2.1 48 2.2 Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa 49 2.3 Hệ thống chống trộm tiêu biểu 50 2.4 Cảm biến từ phát hiện mở cửa 51 2.5 Cảm biến chuyển động PIR 52 3.1 Mô hình của hệ thống điều khiển và giám sát từ xa 53 3.2 Giao diện phần mềm Arduino IDE 56 3.3 Sơ đồ khối của ATmega2560 59 3.4 Sơ đồ chân ATmega2560 61 3.5 Dạng đóng vỏ và bề ngoài của cảm biến DS18B20 62 3.6 Nội dung dãy mã 64-bit trên bộ nhớ ROM 63 3.7 Sơ đồ khối vi điều khiển AVR 69 3.8 3.9 71 ân PCF8885 72 3.10 73 3.11 74 3.12 75 3.13 Sơ đồ cảm biến rò rỉ khí ga MQ2 76 3.14 78 3.15 78 3.16 Phƣơng pháp kết nối TCP Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 81 Đại học Giao thông Vận tải xi 3.17 Phƣơng pháp kết nối trực tiếp 82 3.18 Phƣơng pháp kết nối gián tiếp 82 3.19 Phƣơng pháp kết nối SPI 83 3.20 GLCD 128x64 84 3.21 87 4.1 90 4.2 90 4.3 91 4.4 91 4.5 92 4.6 93 4.7 trung tâm 96 4.8 97 4.9 98 4.10 Thuật toán đo dòng điện xoay chiều 50 Hz 100 4.11 Thuật toán chế độ báo trộm 101 4.12 Thuật toán báo cháy 102 4.12 Thuật toán báo cháy 103 4.13 Kết quả ping tới web server AVR 104 4.14 105 4.15 105 4.16 Mô hình thực tế Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 106 Đại học Giao thông Vận tải 1 CHƢƠNG 1- GIỚI THİỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUẢN LÝ GİÁM SÁT THİẾT BỊ ĐİỆN Trong chƣơng này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một công nghệ truyền thông quản lý giám sát thiết bị điện từ xa. Ƣu điểm nổi bật của công nghệ Zigbee so với các công nghệ khác. Tìm hiểu về mạng ethernet, giao thức TCP/IP, tổng quan về mạng và giao thức của Zigbee. 1.1 Các công nghệ truyền thông giám sát quản lý thiết bị điện 1.1.1 Công nghệ truyền dữ liệu PLC (Power Line Communication) [ 15 ]  Hệ thống đo lƣờng, giám sát, điều khiển trên đƣờng dây điện lực Khởi đầu của công nghệ truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực là hệ thống hỗ trợ đọc công tơ điện. Sau đó hệ thống này đƣợc phát triển bổ sung thêm các chức năng giám sát, cảnh báo và điều khiển. Từ chức năng ban đầu là tự động đọc số công tơ, ghi lại và chuyển số liệu về trung tâm, các chức năng giám sát hoạt động, cảnh báo và điều khiển đã đƣợc phát triển. Ở Việt Nam hiện nay, ngƣời sử dụng internet gia đình có thể kết nối thông qua đƣờng dây điện thoại (tốc độ chậm 56Kbps) hoặc qua ADSL (chi phí tuy có giảm nhƣng vẫn ở mức cao). Vì thế, PLC sẽ có thể là 1 lựa chọn tốt vì những ƣu điểm sau: Cung cấp khả năng kết nối tới mạng truy nhập, đây là một tính năng rất hấp dẫn của PLC. Cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần (1,7 - 30Mhz). Tuy nhiên đứng về mặt đƣờng truyền thì đƣờng dây điện không phải đƣợc thiết kế để truyền tải thông tin vì vậy kỹ thuật PLC ra đời chính là để giải quyết vấn đề này. Hiện nay, PLC chia làm hai lớp chính PLIC và PLOCcheettitPLIC (Powerline Indoor Telecoms) Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 2 Đây chính là công nghệ PLC để sử dụng trong nhà, tức là chúng ta có thể sử dụng mạng điện lƣới trong nhà để thiết lập một mạng trao đổi thông tin giữa các thiết bị dùng trong nhà với nhau. PLOC (Powerline Ourdoor Telecoms) Đây là kỹ thuật PLC sử dụng để trao đổi thông tin giữa các trạm điện với nhau và với mạng gia đình. BPL chính là ứng dụng của PLOC có khả năng cung cấp cho ngƣời sử dụng khả năng truy cập Internet băng rộng với tốc độ vƣợt trội so với ADSL (40Mbps). Phân chia tần số Theo tiêu chuẩn của châu Âu năm 1991(EN 50065-1 standard) xác định chuẩn tín hiệu trên đƣờng hạ thế nằm trong khoảng từ 3Khz tới 148,5Khz (băng tần không cần đăng ký). Trong băng tần này đƣợc chia thành 5 băng con. Trong đó, hai băng đầu 3 - 9 và 9 - 95Khz là dành cho nhà cung cấp điện lực và ba băng còn lại dành cho khách hàng. Băng A, sóng mang có thể từ 9Khz tới 95Khz dùng cho việc trao đổi thông tin giữa khách hàng và nhà cung cấp. Băng C đƣợc dùng cho khách hàng sử dụng các giao thức truy nhập, băng B cũng đƣợc dùng cho khách hàng tuy nhiên không có giao thức truy nhập nên có thể coi băng này là băng thông tin tự do. Các hệ thống PLC hoạt động ở dải tần đến 30MHz đƣợc xem xét nhƣ là hệ thống PLC băng rộng. 1.1.2 Công nghệ truyền dữ liệu RS485 .[ 2 ] Chuẩn RS485 đƣợc hình thành cho việc thu nhận dữ liệu ở khoảng cách xa. Những đặc điểm nổi trội của RS485 là nó có thể hỗ trợ một mạng lên tới 32 trạm thu phát trên cùng một đƣờng truyền tốc độ có thể lên tới 11.520.000 baud cho khoảng cách là 4000 feet (1200m).Với kiểu truyền cân bằng và các dây đƣợc xoắn lại với nhau nên khi nhiễu xảy ra thì 2 dây nhiễu giống nhau. Điều này làm cho điện áp sai lệch giữa 2 dây thay đổi không đáng kể nên tại nơi thu vẫn thu đƣợc tín hiệu đúng nhờ tính năng đặc biệt của bộ thu đã loại bỏ nhiễu. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 3 Bảng 1.1. Tóm tắc các thông số chuẩn RS485 Thông số Điều kiện Min 1.5 -1.5 Max 6 -6 Đơn vị V V Áp ngõ ra điều khiển khi có tải RL=100Ω 1.5 -1.5 5 -5 V V Dòng ngắn mạch ngõ ra điều khiển 1 ngõ ra nối với điểm chung ±250 mA Thời gian cạnh lên ngõ ra điều khiển RL=54Ω CL=50pF 30 % độ rộng bit Áp kiểu chung điều khiển RL=54Ω ±3 V Ngƣỡng nhạy thu vào -7V≤VCM≤12V ±200 mV 12 V Áp ngõ ra điều khiển khi hở mạch Phạm vi áp kiểu chung thu vào -7 Tổng trở ngõ vào phía thu 12 kΩ  Một số vấn đề liên quan đến RS485 Truyền dẫn cân bằng Hệ thống truyền dẫn cân bằng gồm có hai dây tín hiệu A,B nhƣng không có dây mass..Sở dĩ đƣợc gọi là cân bằng do tín hiệu trên 2 dây A,B ngƣợc mức logic. Mức tín hiệu Với hai dây A,B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL đƣợc quy định VAB > ± 200mV. Nếu điện áp VAB mà nằm trong khoảng -200mV < VAB < 200mV thì tín hiệu lúc này đƣợc xem rơi vào vùng bất định. Điện thế của mỗi dây tín hiệu so với mass bên thu phải nằm trong khoảng -7V đến +12V. Trở kháng đặc tính cặp dây xoắn Phụ thuộc vào hình dáng và chất liệu cách điện của dây mà nó sẽ có 1 trở kháng đặc tính (Characteristic impedence-Zo), điều này thƣờng đƣợc chỉ rõ bởi nhà sản xuất. Theo nhƣ khuyến cáo thì trở kháng đặc tính của đƣờng dây vào khoảng từ 100 - 120Ω nhƣng không phải lúc nào cũng đúng nhƣ vậy. Điện trở đầu cuối (Terminating Resistor ) là điện trở đặt tại 2 điểm tận cùng kết thúc của đƣờng truyền. Giá trị của điện trở đầu cuối lí tƣởng là bằng giá trị trở kháng của dây xoắn thƣờng khoảng 100 – 120 Ω. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 4 Cách thức truyền mã ASCII theo chuẩn RS 485 1. Truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485 Bình thƣờng đƣờng truyền rãnh ( Idle line ) sẽ ở mức cao, VAB > 200mV. Tín hiệu TX Control cho phép phát tín hiệu đi . Mỗi bít tín hiệu TXD phát đi sẽ đƣợc biểu diễn tƣơng ứng với dạng tín hiệu VAB theo chuẩn RS485. Bít 1 tƣơng ứng với VAB dƣơng, bít 0 tƣơng ứng với VAB âm. Sau khi phát đi đủ 10 bít thì đƣờng truyền lại lên mức cao báo hiệu trạng thái rãnh của đƣờng truyền. 1.1.3 Công nghệ truyền dữ liệu CAN (Controller Area Network) [ 14 ]  CAN ( Controller Area Network : Mạng điều khiển khu vực) là giao thức giao tiếp có khung truyền dữ liệu lớn với độ ổn định, bảo mật và đặc biệt chống nhiễu cực kỳ tốt. CAN đƣợc phát triển đầu tiên bởi nhà cung cấp phụ tùng xe ô tô của Đức (Robert Bosch) vào giữa những năm 80. Nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng nhiều của khách hàng trong vấn đề an toàn, tiện nghi bên cạnh đó để tuân theo yêu cầu việc giảm bớt ô nhiễm và tiêu thụ năng lƣợng.  Ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhiều hệ thống điện tử nhƣ : hệ thống chống trƣợt bánh xe, bộ điều khiển động cơ, bộ điều hòa nhiệt độ, bộ đóng cửa …với mục đích chính là làm cho những hệ thống của ô tô trở nên an toàn, ổn định và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn giản hóa hệ thống, tiết kiệm chi phí sản xuất thì CAN đã đƣợc phát triển.  Ngày nay, CAN đã đƣợc chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO118989 ; và từ Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 5 năm 1991, CAN có chuẩn phát triển cuối cùng là Version 2.0 ( gồm : Version 2.0A và Version 2.0B ) hầu nhƣ mọi nhà sản xuất chíp lớn nhƣ : Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxim IC, Fairchild, Microchip, Philip, Texas Intrument, Tmicro…..đều sản xuất rachip CAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành ngoại vi ( Peripheral ) của vi điều khiển. Do đó việc thực hiện chuẩn CAN trở nên cực kỳ đơn giản, rút ngắn thời gian thiết kế và chi phí thực hiện rẻ.  Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn (Reliability and Safety) nhờ cơ chế truy cập chống xung đột đƣờng truyền khá thông minh : CSMD (Carrier sense Multiple Access/ Collision Detecsion ) và cơ chế phát hiện , xử lý lỗi cực mạnh, nên tất cả lỗi hầu nhƣ đƣợc phát hiện. Theo thống kê, xác xuất để một khung truyền của CAN bị lỗi mà không đƣợc phát hiện Hình 1.2. Thống kê về sự phát hiện lỗi khung truyền CAN Nghĩa là : giả sử 0.7 giây môi trƣờng tác động lên đƣờng truyền CAN làm lỗi 1 bit dữ liệu tốc độ truyền 500kbit/s hoạt động 8h/ ngày và 365 ngày/năm thì trung bình 1000 năm có một khung truyền bị lỗi mà không đƣợc phát hiện.  Mạng CAN thuộc hệ thống dựa vào bức điện ( adress base system ) Những hệ thống dựa vào địa chỉ thì mỗi nốt mạng đƣợc gán một địa chỉ nhất định nên khi có thêm hay bớt một nhóm nốt trong hệ thống buộc phải thiết kế lại tốn thời gian và chi phí. Những hệ thống dựa vào bức điện sẽ có tính mở hơn vì mỗi loại bức điện ( Message ) sẽ đƣợc gán một số căn cƣớc. Khi thêm bớt một nốt hay nhóm nốt cũng không làm ảnh hƣởng đến cả hệ thống. Có thể có nhiều nốt cùng nhận bức điện và cùng thực hiện tác vụ ( task ) hay thực hiện những công việc khác nhau, hoặc cũng có Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 6 thể không làm gì cả…Do đó, hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở và linh hoạt dễ dàng thay đổi mà không thiết kế lại hệ thống. Ngoài ra CAN còn dùng để truyền dữ liệu lớn (Trong khung truyền có thể chứa 0 đến 8 byte dữ liệu ) có tốc độ tƣơng đối cao ( 1Mbyte o khoảng cách 40 m ) ổn định đáp ứng thời gian thực trong nhiều môi trƣờng khác nhau. Các chuẩn Fieldbus : DeviceNet, CAN open, J1939….thƣờng dùng trong công nghiệp là chuẩn CAN mở rộng ( lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu của các chuẩn này là CAN ). Đó là tất cả lý do CAN đƣợc mở rộng trong nhiều ngành công nghiệp khác ngoài ngành ô tô : máy công nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa , dây chuyền sản xuất tự động …và trở thành giao thức giao tiếp phổ biến. 1.1.4 Công nghệ truyền dữ liệu mạng Zigbee/ IEE 802.15.4 [ 5 ]  Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lƣợng, chi phí thấp và là giao thức mạng không dây hƣớng tới các ứng dụng điều khiển từ xa và tự động hóa.Tổ chức IEEE 802.15.4 bắt đầu làm việc với chuẩn tốc độ thấp đƣợc một thời gian ngắn thì tiểu ban về ZigBee và tổ chức IEEE quyết định sát nhập và lấy tên ZigBee đặt cho công nghệ mới này. Mục tiêu của công nghệ ZigBee là nhắm tới việc truyền tin với mức tiêu hao năng lƣợng nhỏ và công suất thấp cho những thiết bị chỉ có thời gian sống từ vài tháng đến vài năm mà không yêu cầu cao về tốc độ truyền tin nhƣ Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng đƣợc trong các mạng mắt lƣới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy thuộc và môi trƣờng truyền và mức công suất phát đƣợc yêu cầu với mỗi ứng dụng. Tốc độ dữ liệu là 250kbps ở dải tần 2.4GHz (toàn cầu), 40kbps ở dải tần 915MHz (Mỹ+Nhật) và 20kbps ở dải tần 868MHz(Châu Âu).  Các nhóm nghiên cứu Zigbee và tổ chức IEEE đã làm việc cùng nhau để chỉ rõ toàn bộ các khối giao thức của công nghệ này. IEEE 802.15.4 tập trung nghiên cứu vào 2 tầng thấp của giao thức (tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu). Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải 7 Zigbee còn thiết lập cơ sở cho những tầng cao hơn trong giao thức (từ tầng mạng đến tầng ứng dụng) về bảo mật, dữ liệu, chuẩn phát triển để đảm bảo chắc chắn rằng các khách hàng dù mua sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau nhƣng vẫn theo một chuẩn riêng để làm việc cùng nhau đƣợc mà không tƣơng tác lẫn nhau.  Hiện nay thì IEEE 802.15.4 tập trung vào các chi tiết kỹ thuật của tầng vật lý PHY và tầng điều khiển truy cập MAC ứng với mỗi loại mạng khác nhau (mạng hình sao, mạng hình cây, mạng mắt lưới). Các phƣơng pháp định tuyến đƣợc thiết kế sao cho năng lƣợng đƣợc bảo toàn và độ trễ trong truyền tin là ở mức thấp nhất có thể bằng cách dùng các khe thời gian bảo đảm (GTSs_guaranteed time slots) . Tính năng nổi bật chỉ có ở tầng mạng Zigbee là giảm thiểu đƣợc sự hỏng hóc dẫn đến gián đoạn kết nối tại một nút mạng trong mạng mesh. Nhiệm vụ đặc trƣng của tầng PHY gồm có phát hiện chất lƣợng của đƣờng truyền (LQI) và năng lƣợng truyền (ED), đánh giá kênh truyền (CCA), giúp nâng cao khả năng chung sống với các loại mạng không dây khác.  Một hệ thống ZigBee/IEEE802.15.4 gồm nhiều phần tạo nên. Phần cơ bản nhất tạo nên một mạng là thiết bị có tên là FFD (full-function device), thiết bị này đảm nhận tất cả các chức năng trong mạng và hoạt động nhƣ một bộ điều phối mạng PAN. Ngoài ra còn có một số thiết bị đảm nhận một số chức năng hạn chế có tên là RFD (reduced-function device). Một mạng tối thiểu phải có 1 thiết bị FFD, thiết bị này hoạt động nhƣ một bộ điều phối mạng PAN.  FFD có thể hoạt động trong ba trạng thái : là điều phối viên của toàn mạng PAN (personal area network), hay là điều phối viên của một mạng con hoặc đơn giản chỉ là một thành viên trong mạng. RFD đƣợc dùng cho các ứng dụng đơn giản, không yêu cầu gửi lựợng lớn dữ liệu. Một FFD có thể làm việc với nhiều RFD hay nhiều FFD, trong khi một RFD chỉ có thể làm việc với một FFD. Võ Thanh Tùng - Cao học KTĐT K20.1 Đại học Giao thông Vận tải