ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Tel. (84-511) 736 949, Fax. (84-511) 842 771
Website: itf.dut.edu.vn, E-mail: [email protected]
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ
NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ NGÀNH : 0511
ĐỀ TÀI :
XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ
ĐIỆN GIA DỤNG QUA MẠNG
Mã số : 06T3-23
07T2-08
07T2-44
Ngày bảo vệ : 13/06/2012 – 14/06/2012
SINH VIÊN :
LỚP : 06T3
LỚP : 07T2
CBHD : TS. HUỲNH CÔNG PHÁP
ĐÀ NẴNG, 06/2012
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 2
LỜI CẢM ƠN
SVTH : 4
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………… ………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Đà nẵng, ngày tháng năm 2012.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
II.2.2. Tại sao sử dụng AVR 36
II.3. Chip DS1307 37
CHƯƠNG III : CẤU TRÚC PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 44
I. Sơ đồ tổng quan 44
I.1 Nguồn 44
I.2 Giao tiếp cổng COM 44
I.3 Giao tiếp Ethenet với vi điều khiển 44
I.4 Giao tiếp giữa các thiết bị với vi điều khiển 45
II. Sơ đồ mạch nguyên lý 45
II.1 Mạch nguồn 46
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 6
II.1.1 Nguồn 5V 46
II.1.2 Nguồn 3V 46
II.3 Mạch Ethenet 47
II.4 Mạch cổng Serial port 47
II.5 Mạch cổng RJ45 48
II.6 Mạch ISP 48
CHƯƠNG IV: CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH HỆ THỐNG 50
I. Các module chính 50
I.1. Các module gao thức Tcp/Ip trong ENC28j60 50
I.2. Module giao thức Ethernet 50
I.2.1. Cấu trúc 1 frame Ethernet 50
I.2.2. Hàm xử lý giao thức ethernet 51
I.3. Module giao thức IP 52
I.3.1. Cấu trúc của gói IP như sau 52
I.3.2. Hàm xử lý giao thức IP 53
I.4. Module giao thức ICMP 55
I.3. Phần chương trình 71
II. Hướng phát triển trong tương lai 72
II.1 Sử dụng màn hình cảm ứng 72
II.2 Sử dụng IC ATmega128 72
II.3 Tích hợp thêm các cảm biến: 73
II.4 Sử dụng Camera 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 74
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 8
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình II.1: So sánh mô hình OSI và TCP/IP 17
Hình II. 1: Mô tà đóng gói IP lên khung Ethernet 20
Hình II. 2. Mô tả họat động của khung ARP 22
Hình II. 3. Gói tin của ARP 23
Hình II. 4. Trường của khung ARP 24
Hình II. 5. Đóng gói UDP vào khung Ethernet 26
Hình II. 6. Sự phân kênh và hợp kênh của ARP 26
Hình II. 8. Định dạng Gói TCP 29
Hình II. 9. Khung TCP 30
Hình II. 10. Sơ đồ chân chip ENC28J60 31
Hình II. 11. Cấu trúc phần cứng trong ENC28J60 33
Hình II. 12. ENC kết nối Internet 34
Hình II. 13. IC ATmega32 36
Hình II. 14. Hai gói cấu tạo chip DS1307. 37
Hình II. 15. Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307. 38
Hình II. 16. Tổ chức bộ nhớ của DS1307. 39
Hình II. 17. Tổ chức các thanh ghi thời gian. 40
Hình V. 2:Chíp ATmega128 72
Hình V. 3 : Camera quan sát 73
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 10
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Chức năng của các chân chip ENC28J60 32
Bảng 2. Bảng hướng dẫn giao tiếp SPI cho chíp ENC28J60 35
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 11
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TCP
Transmission Control Protocol
IP
Internet Protocol
UDP
User Datagram Protocol
ARP Address Resolution Protocol
RARP
Reverse Address Resolution Protocol
CDMA/CD
Carrier Sense Multiple Access Collision Detect
LAN
Local Area Network
OSI
Open Systems Interconnection
ICMP Internet Control Message Protocol
CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU
I. Bối cảnh đề tài
Ngày nay các thiết bị điện được sử dụng rộng rãi và là nhu cầu không thể thiếu
trong đời sống của con người. Việc sử dụng các thiết bị năng luợng điện này sao cho
hiệu quả, dễ dàng, tập trung là rất khó khăn. Hơn nữa việc sử dụng các thiết bị điện
này trong không gian rộng lớn sao cho tiết kiệm,an toàn luôn là vấn đề quan tâm hàng
đầu của nước ta.Với vấn đề đó nhóm em đã “Xây dựng hệ thống điều khiển các thiết
bị điện qua mạng Internet”. Hệ thống giúp cho chúng ta có thể quản lý các thiết bị
tập trung, dễ dàng và hiệu quả và nhanh chóng hơn. Ngoài ra hệ thống còn tích hợp
các cảm biến, cài đặt thời gian hoạt động tự động cho các thiết bị giúp chúng ta sử
dụng nguồn năng lượng điện tiết kiệm và an toàn hơn.
II. Mục đích, yêu cầu thiết kế và lý do chọn đề tài
II.1. Mục đích
Mục đích của đồ án tốt nghiệp này là xây dựng 1 hệ thông điều khiển từ xa một
số thiết bị trong nhà qua mạng Internet, hệ thống mà qua mạng internet cho dù chúng
ta đang ở đâu, dùng bất kỳ máy tính nào có kết nối internet cũng có thể điều khiển
được các thiết bị của hệ thống, chúng ta có thể điều khiển tắt bật các thiết bị từ xa
(đèn,quạt,hệ thống chống trộm….), giám sát được an ninh và quản lý nguồn năng
lượng điện an toàn, hiệu quả hơn.
II.2. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế Web Server với AVR có tính ổn định cao :
- Nhiều PC có thể điều khiển web server cùng lúc.
- Dễ dàng phát triển theo nhu cầu.
Điều khiển được các thiết bị điện :
- Đóng ngắt tự động theo thời gian.
- Đóng ngắt tự động theo thông số môi trường.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 13
- AVR Studio và WinAVR để hổ trợ lập trình C cho AVR.
- Free Commander và notepad ++ để quản lý và lập trình AVR.
- Hyper Terminal và Comman Prompt để kiểm tra kết nối mạng giữa
mạch và PC.
- Burn-E Programmer để nạp chương trình vào IC.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 15
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
I. Cơ sở lý thuyết Ethernet
I.1. Giao thức TCP/IP
I.1.1. Giới thiệu tổng quan
Mô hình TCP/IP chỉ có 4 lớp. Mô hình tham chiếu của TCP/IP không trực tiếp
giống mô hình của OSI. Mặc dù mỗi mô hình mạng đều có chung một mục đích là để
truyền thông dễ dàng giữa các mạng, giữa các loại máy tính chạy trên nền hệ điểu
hành khác nhau. Nhưng mỗi mô hình mạng đều có đặc điểm riêng và cách thực thi
cũng chút ít khác nhau. Mô hình OSI do ISO tạo ra trong một thời gian dài, nó được
dùng làm mô hình chuẩn cho các mô hình khác. Còn TCP/IP ra đời do yêu cầu cấp
thiết của chính phủ Mỹ trước tình hình lúc bấy giờ, do đó sự phát triển của TCP/IP
không bị đè nặng bởi những yêu cầu chặt chẻ như OSI.
Do đặc tính của OSI là một mô hình tham khảo nên việc áp dụng OSI vào thực
tế là khó có thể thực hiện (hiệu suất kém vì dữ liệu khi truyền trong mạng phải qua tất
cả các lớp của mô hình OSI). Do đó, OSI chỉ là một tiêu chuẩn để các nhà nghiên cứu
dựa vào đó để phát triển các mô hình khác tối ưu hơn. Có rất nhiều mô hình khác nhau
đã được phát minh, tuy nhiên hiện nay trên thế giới cùng với sự phát triển như vũ bão
của Internet thì mô hình TCP/IP là được sử dụng phổ biến nhất.
Bộ giao thức TCP/IP là rất quan trọng trong việc lựa chọn cách thức truyền
thông nhằm hạn chế lỗi và tăng hiệu quả. TCP/IP có các đặc điểm nổi bậc sau:
- Độc lập với cầu hình mạng: TCP/IP có thể dùng cho mạng bus, start, ring, cho
lớp và đủ nhỏ để mô hình không quá phức tạp.
Một mức có thể được phân thành các lớp nhỏ cần thiết.
Các mức con có thể lại bị loại bỏ.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 17
Hai hệ thống khác nhau có thể truyền thông với nhau nếu chúng bảo đảm
những nguyên tắc chung (cài đặt cùng một giao thức truyền thông).
Các chức năng được tổ chức thành một tập các lớp đồng mức cung cấp
chức năng như nhau. Các lớp đồng mức phải sử dụng giao thức chung.
Một lớp không định nghĩa một giao thức đơn, nó định nghĩa một chức năng
truyền thông có thể thi hành bởi một số giao thức. Do vậy, mỗi lớp có thể chứa nhiều
giao thức, mỗi giao thức cung cấp một dịch vụ phù hợp cho chức năng của lớp. Mỗi
lớp phải được chuẩn hóa để giao tiếp với lớp tương đương với nó. Trên lý thuyết, giao
thức chỉ liên quan tới lớp của nó mà không quan tâm tới lớp trên hoặc dưới của nó.
Tuy nhiên phải có sự đồng ý để làm sao chuyển dữ liệu giữa các lớp trên một máy
tính, bởi mỗi lớp lại liên quan tới việc gửi dữ liệu từ ứng dụng này tới một ứng dụng
tương đương trên một máy khác. Lớp cao hơn dựa vào lớp thấp hơn để chuyển dữ liệu
qua mạng phía dưới. Dữ liệu chuyển xuống ngăn xếp từ lớp này xuống lớp thấp hơn
cho tới khi được truyền qua mạng nhờ giao thức của lớp vật lý. Tại nơi nhận, dữ liệu
đi lên ngăn xếp tới ứng dụng nhận. Những lớp riêng lẻ không cần biết các lớp trên và
dưới nó xử lý ra sao, nó chỉ cần biết cách chuyển thông tin tới lớp đó mà thôi. Sự cô
lập các hàm truyền thông trên các lớp khác nhau giảm thiểu sự tích hợp công nghệ của
đầu vào mỗi bộ giao thức.
Tương quan hai mô hình OSI model và TCP/IP model :
mạng vật lý phía dưới (cấu trúc của gói, địa chỉ ) để định dạng đúng thông tin sẽ được
truyền tuân theo những ràng buộc của mạng. Lớp mạng của TCP/IP chứa chức năng
của tất cả 2 lớp thấp nhất của mô hình tham chiếu OSI (lớp liên kết dữ liệu và lớp vật
lý). Lớp mạng thường không được người dùng để ý tới vì thiết kế của TCP/IP che dấu
những chức năng của lớp thấp nhất này và những điều cần biết cho người sử dụng
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 19
cũng như người lập trình chỉ là những giao thức của các lớp cao hơn (IP, TCP,
UDP ). Mỗi khi có công nghệ phần cứng mới xuất hiện, những giao thức của lớp
mạng phải được phát triển để TCP/IP có thể sử dụng phần cứng mới (thông thường đó
chính là các trình điều khiển của chính nhà cung cấp phần cứng đó). Các chức năng
trình diễn trong lớp này bao gồm đóng gói gói thông tin IP thành các “Frame” được
truyền dẫn trên mạng và chuyển địa chỉ IP thành địa chỉ vật lý sử dụng bởi mạng máy
tính. Một số các điểm mạnh của TCP/IP là địa chỉ của nó được phối hợp sao cho trên
mạng Internet không có một thiết bị mạng nào cùng địa chỉ. Địa chỉ này phải được
chuyển đổi thích hợp với địa chỉ mạng vật lý nơi mà dữ liệu được truyền đi.
Hai ví dụ RFCs mô tả giao thức sử dụng cho lớp mạng là :
- RFC 826, giao thức chuyển đổi địa chỉ chuyển đổi địa chỉ IP thành địa chỉ
Ethernet.
- RFC 894, một chuẩn cho việc truyền gói tin IP qua mạng Ethernet mô tả cách
thức đóng gói để chuyển thông tin qua mạng Ethernet.
Khi cài đặt trong UNIX, giao thức của lớp này được xem như sự phối hợp của chương
trình để điều khiển thiết bị và các chương trình liên quan. Những đơn vị tương ứng với
những thiết bị mạng làm nhiệm vụ đóng gói dữ liệu và chuyển giao cho mạng.
I.1.2.2. Lớp liên mạng (Internet Layer)
Lớp này định nghĩa đơn vị dữ liệu để truyền và định tuyến cho các đơn vị dữ
liệu đó. IP là một protocol quan trọng nhất của bộ TCP/IP vì tất cả các protocol trong
bộ TCP/IP đều phải dùng đến nó và tất cả dữ liệu phải lưu chuyển qua nó.
Hình II. 1: Mô tà đóng gói IP lên khung Ethernet
- Verision (VER) 4bits: đánh số phiên bản của IP, phiên bản hiện hành là 4
(IPv4) với giá trị nhị phân là 0100.
- Header length (HLEN) 4bits: định nghĩa chiều dài của IP header chỉ ra bội
số của 4 bytes. Dung 4bits tức giá trị tối đa là 15 tương đương 60bytes.
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 21
- Service type (1 bytes): định nghĩa cách mà datagram được quản lý. Nó bao
gồm các bits định nghĩa thứ tự ưu tiên của datagram. Nó cũng chứa các bit làm rõ loại
dịch vụ phía gởi mong muốn độ tin cậy, trễ…
- Total length (2 bytes): định nghĩa chiều dài tổng thể của một datagram. Tối
đa là 65535 bytes.
- Identification: được dung với các phân đoạn. Một datagram khi đi qua các
mạng khác nhau có thể được chia thành các đoạn để phù hợp với kích thước khung của
mạng. khi xảy ra hiện tượng này thì mỗi đoạn được định danh với một số thứ tự trong
trường này.
- Flags: các bits trong cờ có quan hệ với phân đoạn. Ví dụ datagram có thể
hoặc không có phân đoạn, có thể đoạn đầu, đoạn giữa hoặc đoạn cuối…
- Fragmentation offset: đây là một con trỏ chỉ ra độ lệch của dữ liệu trong
datagram gốc (nếu đã được phân đoạn).
- Time to live: định nghĩa số bước nhảy tối đa một datagram có thể đi qua trước
khi bị drop (loại bỏ). Máy chủ nguồn khi tạo ra datagram sẽ khởi động giá trị trong
trường này. Kế tiếp khi datagram qua Internet, mỗi router mà datagram đi qua sẽ giảm
giá trị đi 1. nếu giá trị này bằng 0 trước khi đến đích cuối cùng thì datagram sẽ bị drop.
- Protocol: định nghĩa loại dữ liệu nghi thức nào của lớp trên đóng gói trong
datagram (TCP, UDP, ICMP…).
- Header checksum (16 bits): dung kiểm tra header chứ không kiểm tra phần
còn lại của gói.
Hình II. 2. Mô tả họat động của khung ARP
Chuyển giao trực tiếp: địa chỉ vật lý là một hàm của địa chỉ IP ví dụ sử dụng
trên mạng token ring proNET-10 là mạng cho phép đặt địa chỉ IP và địa chỉ vật lý
H o s t A H o s t D H o s t C H o s t B
A R P R e q u e s t
H o s t A H o s t D H o s t C H o s t B
A R P R e p l y
Đồ án tốt nghiệp GVHD : TS. Huỳnh Công Pháp
SVTH : 23
thỏai mái. Người ta có thể đặt địa chỉ IP là 192.5.48.3 và địa chỉ vật lý là 3, khi đó ta
có Pa= f(Ia).
Chuyển giao địa chỉ động được thực hiện bằng cách máy tính muốn gửi thông
tin gửi một thông báo tới tòan bộ các máy tính trên mạng, trong thông báo đó có chứa
địa chỉ IP của máy tính nó cần liên lạc, mọi máy sẽ nhận được thông báo và máy nào
thấy địa chỉ IP của mình thì trả lại một thông báo chứa địa chỉ vật lý. Khi đó hai máy
tính có thể “ nói chuyện” với nhau.
Ngoài ra, người ta còn sử dụng bảng chỉ đường để lưu trữ tạm thời các địa chỉ
sử dụng mới nhất ( Address Reslution Cache) để tăng tốc độ của việc chuyển giao địa
chỉ.
Một gói thông tin ARP là một Ethernet Frame được truyền trực tiếp từ máy này
tới máy khác. Vì không phải sử dụng IP, gói tin này không có địa chỉ IP cũng như
không cần được dẫn đường, nó phải được gửi broadcast tới tất cả các máy trên mạng
Ethernet (với địa chỉ FFFF_FFFF_FFFF).
Gói thông tin ARP được mô tả như sau
o 1= yêu cầu
o 2 = đáp lại
o 3/4 = RARP yêu cầu/đáp lại
Destination
Address 6 bytes
Source Add
6 bytes
Frame type
2 bytes
(ARP) Data
28 bytes
CRC
4 byte
Hình II. 4. Trường của khung ARP
- Địa chỉ đích (ethernet destination address):
- FF:FF:FF:FF:FF:FF là địa chỉ broadcast cho ARP request.
- Địa chỉ nguồn (ethernet source address) là địa chỉ của ARP yêu cầu.
- Frame type:
+ ARP yêu cầu hoặc đáp lại (ARP request/rely) : 0x0806
+ RARP yêu cầu hoặc đáp lại (RARP request/rely): 0x08035
+ IP: 0x0800
I.1.2.3. Lớp giao vận (Transport layer)
- Lớp vận chuyển có 2 nhiệm vụ như sau :
+ Cung cấp dịch vụ cho lớp quá trình bên trên nó và các ứng dụng cùng
với giao diện thích hợp cho mạng.
+ Phân phát message của các lớp trên giữa các host.
- Lớp giao thức ngay trên lớp Internet là Host to Host Transport Layer hay
thường gọi là Transport Layer. Hai giao thức quan trọng này là Transmission Control
Protocol (TCP) và User Datagram Protocol (UDP). TCP cung cấp dịch vụ chuyển giao
thông tin kết nối (connection oriented), nó bao gồm cả kiểm tra và sửa lổi. UDP cung
nó không có khả năng biết là gói nào bị mất. UDP cho phép truyền dữ liệu trên mạng
với chi phí thấp do sự phân phát dữ liệu không tin cậy. Các dịch vụ dùng UDP là
TFTP, DSN, SNMP…
Copyright: Tài liệu đại học ©