ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE

Luận Văn Group hỗ trợ viết luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực tập,
Assignment, Essay
Zalo/Sdt 0967 538 624/ 0886 091 915 Website:lamluanvan.net
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2
_____________
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH
HỆ CHÍNH QUY
NIÊN KHÓA: 2013-2018
Đề tài:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG
TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE
Mã số đề tài: 18-N13DCDT128/078
Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc An – N13DCDT128
Lê Hải Quang –
N13DCDT078
Lớp: D13CQKD02-N
Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Huân
TP.HCM – 2017

Luận Văn Group hỗ trợ viết luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực
tập, Assignment, Essay
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2
_____________
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - MÁY TÍNH
HỆ CHÍNH QUY
NIÊN KHÓA: 2013-2018
Đề tài:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG
TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE
Mã số đề tài: 18-N13DCDT128/078
Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc An – N13DCDT128
Lê Hải Quang –
N13DCDT078
Lớp: D13CQKD02-N
Giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trọng Huân
TP.HCM – 2017

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn đến Ths.Nguyễn Trọng Huân –
giảng viên khoa kỹ thuật điện tử 2, đã giúp đỡ tận tình tạo điều kiện để nhóm hoàn
thành tốt đề tài.
Bên cạnh đó nhóm cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Học viện công nghệ bưu
chính viễn thông nói chung và khoa kỹ thuật điện tử 2 nói riêng đã truyền đạt nhiều
kiến thức quý báu, tạo nền tảng quan trọng giúp nhóm thực hiện hoàn thành đồ án tốt
nghiệp này cũng như chương trình đào tạo.
Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn đã góp ý, chia sẻ nhiều kiến thức, kinh
nghiệm để góp phần giúp nhóm hoàn thành đề tài tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn !
NHÓM THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Lê Ngọc An
Lê Hải Quang
i

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu đề tài ..................................................................................................... 2
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 2
1.3 Bố cục đề tài .......................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................. 4
2.1 Khái niệm .............................................................................................................. 4
2.1.1 Khái niệm về mạng WPAN............................................................................ 4
2.1.2 Khái niệm về mạng Zigbee............................................................................. 4
2.1.3 Lịch sử phát triển của mạng Zigbee ............................................................... 4
2.2 Chuẩn ZIGBEE/IEEE 802.15.4............................................................................. 4
2.2.1 Khái quát về Zigbee/IEEE 802.15.4............................................................... 4
2.2.2 Thiết bị trong mạng cảm biến không dây Zigbee........................................... 7
2.2.3 Địa chỉ mạng................................................................................................... 8
2.2.4 Cấu hình mạng Zigbee.................................................................................... 9
2.2.5Các thuật toán định tuyến của ZIGBEE/IEEE 802.15.4 .............................. 11
2.2.6 So sánh Zigbee và một số các chuẩn không dây khác.................................. 14
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG................................................................ 15
3.1 Giới thiệu mô hình............................................................................................... 15
3.1.1 Sơ đồ khối..................................................................................................... 15
3.1.2Sơ lược về mô hình....................................................................................... 16
3.2 Thiết kế phần cứng .............................................................................................. 16
3.2.1Giới thiệu phần cứng sử dụng ...................................................................... 16
3.2.2Zigbee coordinator board ............................................................................. 28
3.2.3 Zigbee router board ...................................................................................... 34
3.3 Thiết kế phần mềm .............................................................................................. 36
3.3.1 Thiết kế webserver bằng Node-RED............................................................ 36
3.3.2 Cơ sở dữ liệu với MySQL ............................................................................ 42
3.3.3 Stream Camera từ Raspberry Pi lên Webserver ........................................... 44
3.3.4 Thiết kế giao diện điều khiển trên màn hình HMI ....................................... 48
3.3.5 Cấu hình Module Zigbee .............................................................................. 49
ii

3.3.6. Thiết kế tập lệnh sử dụng trong mạng.........................................................................51
3.3.7 Lưu đồ và giải thuật..............................................................................................................54
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN.....................................................................................................................61
4.1 Kết quả thu được:............................................................................................................................61
4.2 Hướng phát triển đề tài: ...............................................................................................................61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................62
iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Băng tần hệ thống Zigbee....................................................................................................... 5
Hình 2.2 Kiếm trúc lớp (hay ngăn xếp – stack) trong kiến trúc Zigbee......................... 6
Hình 2.3: Sơ đồ mạng Zigbee......................................................................................... 7
Hình 2.4: Một số công ty thành viên trong liên đoàn Zigbee......................................... 8
Hình 2.5: Các mô hình mạng.......................................................................................... 9
Hình 2.6: Cấu trúc mạng hình sao.................................................................................10
Hình 2.7: Cấu trúc mạng hình lưới................................................................................10
Hình 2.8: Cấu trúc mạng hình cây.................................................................................11
Hình 3.9 Sơ đồ khối mô hình ........................................................................................15
Hình 3.10: Cấu trúc phần cứng trên Raspberry Pi.........................................................17
Hình 3.11 Vị trí của các kết nối và các IC chính trên Raspberry Pi model B+.............19
Hình 3.12: Sơ đồ chân của Raspberry Pi 3....................................................................19
Hình 3.13: Sơ đồ chân ATmega8 ..................................................................................25
Hình 3.14: Màn hình HMI Nextion...............................................................................26
Hình 3.15: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ..............................................................26
Hình 3.16: Sơ đồ kết nối tín hiệu của DHT11.................................................................................27
Hình 3.17: Cảm biến độ ẩm đất.....................................................................................27
Hình 3.18: Cảm biến mưa..............................................................................................28
Hình 3.19: Sơ đồ khối Zigbee Coordinator board.........................................................29
Hình 3.20: Sơ đồ khối Zigbee Router board .................................................................34
Hình 3.21: Lập trình dạng dòng chảy “flow” trong Node - RED .................................36
Hình 3.22: Mô hình máy tính vừa là server vừa là client..............................................36
Hình 3.23: Mô hình máy tính vừa là client vừa là server..............................................36
Hình 3.24: Khởi động Node-RED.................................................................................38
Hình 3.25: Màn hình thiết kế của Node-RED...............................................................38
Hình 3.26: Layout với Dashboard .................................................................................39
Hình 3.27: Cấu hình Serial port.....................................................................................40
Hình 3.28: Cấu hình nút nhấn........................................................................................40
Hình 3.29: Các nút nhấn gửi mã lệnh qua Serial port. ..................................................41
Hình 3.30: Lưu đồ xử lý dữ liệu để hiển thị lên biểu đồ ...............................................41
Hình 3.31: Giao diện trang web ....................................................................................42
Hình 3.32: Bảng một số dữ liệu Zone1 .........................................................................43
Hình 3.33: Các bảng trong CSDL .................................................................................42
Hình 3.34: Cấu hình kết nối với MySQL ......................................................................44
Hình 3.35: Công cụ MJPG-streamer .............................................................................44
Hình 3.36: Lưu đồ điều khiển Camera ..........................................................................47
Hình 3.37: Giao diện Stream video trên trang Web ......................................................47
Hình 3.38: Thiết kế trang màn hình cho vùng 1............................................................48
Hình 3.39: Trang màn hình 2 ........................................................................................48
Hình 3.40: Giao diện phần mềm cấu hình Module Zigbee ...........................................50
Hình 3.41: Sơ đồ truyền dữ liệu trong hệ thống............................................................54
Hình 3.42: Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên board coordinator.....................55
iv

Hình 3.43: Lưu đồ xử lý ngắt trên bộ UART1 ..............................................................56
Hình 3.44: Lưu đồ giải thuật chương trình chính trên các board router .......................58
Hình 3.45: Lưu đồ xử lý ngắt trên bộ UART của board router.....................................59
Hình 3.46: Lưu đồ giải thuật trên Raspberry Pi ............................................................60
v

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu...................................................................................................... 5
Bảng 2.2 Các kênh truyền và tần số của zigbee............................................................................... 5
Bảng 2.3 So sánh Zigbee – Wifi – Bluetoot.....................................................................................14
Bảng 3.1: Khung dữ liệu chuẩn UART..............................................................................................51
Bảng 3.2 : Khung lệnh đọc dữ liệu.......................................................................................................51
Bảng 3.3: Khung lệnh điều khiển .........................................................................................................52
Bảng 3.4: Khung lệnh gửi dữ liệu ........................................................................................................52
Bảng 3.5: Khung lệnh gửi trạng thái điều khiển............................................................................52
Bảng 3.6: Bộ lệnh hỏi và trả lời vùng(zone) 1................................................................................53
Bảng 3.7: Bộ lệnh hỏi và trả lời vùng(zone) 2................................................................................53
vi

LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đang diễn ra mạng mẽ trên thế giới và
ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam, có tác động sâu rộng đến nhiều lĩnh vực của đời
sống và sản xuất. Nông nghiệp là lĩnh vực chiếm tỉ trọng lớn trong nền kinh tế Việt
Nam, việc ứng dụng thành quả của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 vào sản xuất nông
nghiệp thông minh là xu hướng tất yếu, Việt Nam không đứng ngoài làn sóng này.
Nhiều chuẩn giao tiếp không dây đã được ra đời ứng dụng trong các hệ thống điều
khiển như: 3G, Wimax, Bluetooth, … Trong những năm gần đây xuất hiện một chuẩn
giao tiếp không dây Zigbee, với đặc tính truyền dữ liệu ổn định, tiêu thụ năng lượng
cực thấp, phù hợp với những ứng dụng điều khiển không yêu cầu băng thông dữ liệu
lớn. Ngoài việc áp dụng những công nghệ tự động hóa vào nông nghiệp thì nhu cầu về
giám sát và điều khiển từ xa cũng rất được quan tâm, việc ứng dụng Internet để giám
sát và điều khiển thiết bị từ xa là một giải pháp hiệu quả. Vì những lí do trên nhóm
thực hiện nghiên cứu đề tài: “Thiết kế bộ điều khiển và giám sát trang trại nông nghiệp
ứng dụng mạng Zigbee”.
Những kiến thức, năng lực đạt được trong quá trình học tập ở trường sẽ được đánh
giá qua đợt bảo vệ đồ án cuối khóa. Vì vậy nhóm thực hiện đề tài cố gắng tận dụng
những kiến thức đã học ở trường cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu, sự hướng dẫn tận
tình của giáo viên hướng dẫn cùng thầy/cô thuộc Khoa kỹ thuật điện tử 2 để có thể
hoàn thành tốt đồ án này.
Mặc dù nhóm thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ của đề tài đặt ra và
đúng thời hạn nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý
Thầy/Cô và các bạn sinh viên thông cảm. Nhóm thực hiện đề tài mong nhận được
những ý kiến đóng góp của quý thầy/cô và các bạn sinh viên.
Xin chân thành cảm ơn!

SVTH: LÊ NGỌC AN - LÊ HẢI QUANG LỚP: D13CQKD02-N 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu đề tài
Đề tài thực hiện xây dựng mô hình mạng cảm biến Zigbee kết hợp với mạng
Internet, ứng dụng trong việc điều khiển giám sát trạng trại nông nghiệp trồng hoa màu
hay cây cảnh. Hệ thống bao gồm 1 máy chủ (sử dụng máy tính Raspberry Pi) được cài
đặt websever, cơ sở dữ liệu, và các nút mạng cảm biến Zigbee. Mạng có thể thu thập
dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng, mưa. Dữ liệu thu thập được từ các nút
mạng gửi về máy chủ, có thể quan sát thông qua giao diện web, lưu trữ vào cơ sở dữ
liệu. Các cơ cấu chấp hành như máy bơm nước, máy phun sương hay động cơ cuốn
mành che ánh sáng,… có thể được thiết lập để điều khiển tự động, hay điều khiển trực
tiếp qua giao diện web hoặc màn hình HMI. Ngoài ra có thể quan sát trang trại từ xa
bằng camera.
• Một số tính năng của bộ điều khiển:
- Thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất.
- Điều khiển cơ cấu chấp hành với các Relay đóng/ ngắt được tích hợp, có thể
dễ dàng thay đổi thiết bị.
- Phát hiện trời mưa để đóng/ mở rèm che.
- Phát hiện sáng/ tối để điều khiển hệ thống đèn chiếu sáng, kích thích phát
triển cây trồng khi trời tối.
- Cài đặt thời gian hoặc đặt điều kiện để điều khiển hệ thống một cách tự
động.
- Lưu trữ dữ liệu trên cơ sở dữ liệu.
- Quan sát hoặc điều khiển trên Website hay màn hình HMI bằng giao diện
trực quan và sinh động.
- Giám sát trang trại từ xa bằng camera.
1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Với ý tưởng trên, đề tài tập trung nghiên cứu các đối tượng cụ thể như sau:
• Lý thuyết về chuẩn mạng IEEE 802.15.4 nơi mà zigbee được đặt nền móng xây
dựng và hoạt động.
• Đặc tính của zigbee trong các mô hình mạng sao, lưới và ứng dụng.
• Mô hình mạng Zigbee kết hợp với mạng Internet.
• Thiết kế nút mạng Zigbee với vi điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu từ cảm
biến, điều khiển cơ cấu chấp hành.
• Xây dựng websever và cơ sở dữ liệu trên máy tính Raspberry Pi.
• Thiết kế giao diện trên web và màn hình HMI.
• Phương pháp stream video, quan sát trang trại lên web.
Đề tài chỉ giới hạn thiết kế bộ điều khiển trang trại nông nghiệp không cụ thể cho
loại cây trồng nào. Điều khiển các thiết bị bằng phương pháp On/ Off với các relay

được tích hợp sẵn trên board, hệ thống điện cung cấp hay bố trí các thiết bị không nằm
trong nội dung thực hiện đề tài.
1.3 Bố cục đề tài
Nội dung của đề tài được trình bày như sau :
Chương 1 : Tổng quan đề tài : chương này giới thiệu về đề tài, mục tiêu, đối tượng
nghiên cứu của đề tài.
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết : chương này nhóm thực hiện đề tài sẽ giới thiệu sơ lược về
chuẩn mạng không dây cá nhân tốc độ thấp IEEE 802.15.4 nơi đặt nền móng cho
zigbee hoạt động và phát triển. Lý thuyết về chuẩn zigbee.
Chương 3 : Thiết kế và thi công : trình bày mô hình mạng, thiết kế phần cứng và phần
mềm thu thập dữ liệu và điều khiển Zigbee kết hợp với Internet.
Chương 4 : Kết luận : kết quả thu được và đưa ra hướng phát triển đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Khái niệm
2.1.1 Khái niệm về mạng WPAN
WPAN (Wireless Personal Area Network ) là mạng vô tuyến cá nhân không dây –
một mạng lưới cho các thiết bị kết nối chung vào không gian làm việc của cá nhân.
Mạng này có vùng phủ nhỏ tầm vài mét đến hàng chục mét , nên phù hợp cho mục
đích nối kết các thiết bị ngoại vi như máy in, bàn phím, chuột, đĩa cứng, USB,đồng
hồ,…với điện thoại di động, máy tính. Các công nghệ trong nhóm này bao gồm:
Bluetooth, Wibree, ZigBee, UWB, Wireless USB ….
2.1.2 Khái niệm về mạng Zigbee
Là tập hợp các giao thức giao tiếp mạng không dây khoảng cách ngắn có tốc độ
truyền dữ liệu thấp. Các thiết bị không dây dựa trên chuẩn Zigbee hoạt động trên 3 dãy
tần số là 868MHz, 915 MHz và 2.4GHz.Cái tên Zigbee được xuất phát từ cách truyền
thông tin của các con ong mật đó là kiểu “zig-zag” của loài ong “honey-Bee”. Cái tên
Zigbee cũng được ghép từ 2 từ này.
2.1.3 Lịch sử phát triển của mạng Zigbee
Mạng Zigbee được hình thành năm 1998 khi các kỹ sư công nghệ nhận thấy Wifi
và Bluetooth không thích hợp với nhiều ứng dụng. Tháng 5 năm 2003, tiêu chuẩn
IEEE 802.15.4 được hoàn thành. Tháng 10 năm 2004, Liên minh Zigbee ra đời. Đây là
hiệp hội các công ty làm việc cùng nhau để cho phép và kiểm soát các sản phẩm mạng
không dây tốc độ thấp, chi phí thấp, ít tiêu hao năng lượng và có tính bảo mật cao. Là
một tổ chức độc lập và hợp tác phi lợi nhuận. Nó tạo ra các tiêu chuẩn kỹ thuật cho
Zigbee, cấp các chứng nhận, phát triển thương hiệu, thị trường.
Các phiên bản Zigbee lần lượt ra đời từ đó đến nay:
• Phiên bản ZigBee 2004.
• Zigbee 2006.
• Zigbee PRO ( ZigBee2007 ) với những tính năng vượt trội hơn.
2.2 Chuẩn ZIGBEE/IEEE 802.15.4
2.2.1 Khái quát về Zigbee/IEEE 802.15.4
• Đặc điểm:
Đặc điểm của công nghệ ZigBee là tốc độ truyền tin thấp, tiêu hao ít năng lượng,
chi phí thấp, và là giao thức mạng không dây hướng 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 được
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 lượng 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 như Bluetooth. Một điều nổi bật là ZigBee có thể dùng được trong các mạng mắt
lưới (mesh network) rộng hơn là sử dụng công nghệ Bluetooth. Các thiết bị không dây

Assignment, Essay
sử dụng công nghệ ZigBee có thể dễ dàng truyền tin trong khoảng cách 10-75m tùy
thuộc và môi trường truyền và mức công suất phát được 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).
Hình 2.1 Băng tần hệ thống Zigbee
PHY Băng tần
Tốc độ
Kiểu
Tốc Tốc độ
Dạng ký
chip độ bit ký tự
(MHz) (MHz) điều chế tự
(kchips/s) (kb/s) (ksymbol/s)
868 868-868.6 300 B-PSK 20 20 Nhị phân
915 902-928 600 B-PSK 40 40 Nhị phân
2450 2400-2486 2000 QPSK 250 62.5 Hệ 16
Bảng 2.1 Băng tần và tốc độ dữ liệu
Có tất cả 27 kênh truyền trên các dải tần số khác nhau được mô tả như bảng dưới đây.
Tần số trung tâm Số lượng kênh
Kênh
Tần số kênh trung
(MHz) (N) tâm (MHz)
868 1 0 868.3
915 10 1–10 906 + 2(k-1)
2450 16 11–26 2405 + 5(k-11)
Bảng 2.2 Các kênh truyền và tần số của zigbee.

Assignment, Essay

Assignment, Essay
IEEE 802.15.4 và liên đoàn zigbee đã liên kết chặt chẽ để xác định một bộ giao thức
stack. IEEE 802.15.4 tập trung vào các đặc điểm kỹ thuật của hai lớp thấp hơn (lớp vật
lý và lớp dữ liệu) dành cho các ứng dụng WPAN tốc độ thấp. IEEE 802.15.4 sẽ đi sâu
phần chi tiết về đặc điểm kỹ thuật của lớp PHY và MAC bằng cách xây dựng các kiến
trúc khối cho các loại mô hình mạng khác nhau như sao, cây và hình lưới. Các kỹ thuật
định tuyến trong mạng được thiết kế sao cho phải đảm bảo duy trì được nguồn năng
lượng lâu dài, độ trễ thấp (trong khoảng thời gian cho phép).
Hình 2.2 Kiếm trúc lớp (hay ngăn xếp – stack)
trong kiến trúc Zigbee.
Trong khi đó, liên đoàn zigbee nhắm đến mục đích xây dựng các thuộc tính “zigbee”
cho các lớp cao hơn trong giao thức stack (từ lớp mạng tới lớp ứng dụng) để có sự
tương đồng về mạng dữ liệu, một sự tích hợp rất quan trọng nữa là thêm vào lớp ZDO.
Các ZDO chịu trách nhiệm cho nhiều tác vụ, trong đó bao gồm: định nghĩa vai trò của
các thiết bị, tổ chức và yêu cầu để truy nhập vào mạng, bảo mật cho thiết bị... các giao
thức bảo mật và xây dựng một loạt các giải pháp cho các ứng dụng điều khiển không
dây; cung cấp tính mềm dẻo trong khả năng kiểm tra sự thích ứng giữa các thiết bị, tiêu
chuẩn trong thương mại hóa; bộ quy tắc cho các nhà phát triển ứng dụng sao cho phù
hợp tiêu chuẩn. Điều này sẽ đảm bảo người tiêu dùng mua sản phẩm từ các nhà sản
xuất khác nhau nhưng những sản phẩm này vẫn làm việc với nhau bình thường. Một
đặc tính quan trọng trong lớp mạng zigbee là khả năng dự phòng trong truyền thông tin
giúp mạng kiểu hình lưới có khả năng tự khắc phục sự cố khi một nốt mạng gặp sự cố.

Assignment, Essay

2.2.2 Thiết bị trong mạng cảm biến không dây Zigbee
Thiết bị trong hệ thống mạng cảm biến nói chung thường gồm có một thiết bị đầy
đủ chức năng (FFD: full-function device) hoặc thiết bị có chức năng bị hạn chế (RFD:
reduced-function device). Một mạng bao gồm ít nhất một FFD, hoạt động như
coordinator trong mạng PAN. Các FFD có thể hoạt động với ba chế độ: coordinator
mạng cá nhân (PAN), router hoặc end device. Một RFD là dùng cho các ứng dụng đơn
giản và không cần phải gửi một lượng lớn dữ liệu. Một FFD có thể nói chuyện với
nhiều RFD hoặc FFD trong khi RFD chỉ có thể nói chuyện với một FFD.
Về mạng zigbee, có 3 loại thiết bị cục bộ trong mạng đó là – (i) Coordinator,
(ii) Router, (iii) End-device. Trong một mạng zigbee bao gồm: duy nhất 1 nốt
Coodinator và đa nốt Router, End-device.
Hình 2.3: Sơ đồ mạng Zigbee
a) Coordinator
Đây là thiết bị khởi động mạng zigbee, nút Coordinator quét môi trường RF xung
quanh nó, sau đó nó chọn một kênh và một PAN ID. Nút Coordinator cũng được sử
dụng để cấu hình an ninh và mức kết nối của mạng. Một khi đã bắt đầu và cấu hình
mạng xong, nút Coordinator sẽ có chức năng như một nút Router. Hoạt động liên tục
của mạng sẽ không phụ thuộc vào sự có mặt của nút Coordinator, đây là tính chất quan
trọng của mạng ZigBee.
b) Router
Router thực hiện các chức năng:
• Cho phép các thiết bị khác tham gia vào mạng.
• Định tuyến multi-hop.
• Hỗ trợ giao tiếp cho các thiết bị sử dụng pin và end – device.
Thông thường, Router phải luôn trong hoạt động, vì vậy nó phải được cấp nguồn chính.

c) End Device
End-Device không có trách nhiệm duy trì cơ sở hạ tầng mạng, vì vậy nó chỉ thức
dậy khi nó có nhu cầu gởi hay nhận thông tin từ các thiết bị khác, thời gian còn lại nó
sẽ ngủ. Vậy nên ở nút End-Device sẽ được cấp nguồn pin. Thông thường, yêu cầu bộ
nhớ (đặc biệt là RAM) của end-device khá thấp.
Hiện nay liên đoàn zigbee có rất nhiều nhà cung các thiết bị và các dịch vụ hỗ trợ
trên toàn thế giới như Gban, Philips, Texas Instrument… với nhiều dòng thiết bị và
chủng lại khác nhau, cung cấp tính đa dạng về sự lựa chọn cho người tiêu dùng.
2.2.3 Địa chỉ mạng
Hình 2.4: Một số công ty thành viên trong liên đoàn Zigbee.
Thiết bị zigbee có 2 loại địa chỉ:
• 64-bit IEEE address (còn gọi là MAC address hoặc Extended address).
• Địa chỉ mạng 16-bit (còn gọi là logical address hoặc short address).
Địa chỉ 64-bit là địa chỉ duy nhất và được gán trong toàn thời gian sống của thiết bị.
Thông thường, nó được cài đặt bởi nhà sản xuất, địa chỉ này được duy trì và được cấp
phát bởi IEEE. Địa chỉ 16-bit là địa chỉ được gán vào thiết bị khi nó gia nhập vào mạng
và nó là duy nhất trong mạng. Địa chỉ 16-bit dùng để xác định thiết bị và truyền nhận
dữ liệu trong mạng.

2.2.4 Cấu hình mạng Zigbee
Trong truyền thông dùng giao thức zigbee thường hỗ trợ 3 mô hình mạng chính:
Hình 2.5: Các mô hình mạng
mạng hình sao, mạng hình cây và mạng hình lưới.
a) Mạng hình sao
Cấu hình mạng hình sao gồm một điều phối viên mạng – zigbee PAN Coordinator
(gọi tắt là ZC) và các điểm cuối – Zigbee end devices (gọi tắt là ZED). Khi một FFD
được kích hoạt lần đầu tiên nó sẽ trở thành bộ điều phối mạng PAN. Mỗi mạng hình
sao có PAN ID riêng để hoạt động độc lập. Mạng chỉ có một ZC duy nhất kết nối với
các FFD và RFD khác nên mọi liên lạc điều phải thông qua ZC. ZED không truyền
trực tiếp dữ liệu cho nhau, ví dụ 2 nút mạng muốn trao đổi với nhau thì phải thông qua
ZC này.

Hình 2.6: Cấu trúc mạng hình sao
Có thể dễ thấy được là ZC sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các nốt mạng khác và
mạng có tầm phủ sóng nhỏ (trong vòng bán kính khoảng 100m). Chuẩn IEEE 802.15.4
khuyến cáo chỉ nên sử dụng cấu trúc hình sao này cho các ứng dụng có tầm nhỏ, ví dụ
như các dự án nhà thông minh (home automation), thiết bị ngoại vi cho máy vi tính
(personal computer peripherals), đồ chơi (toys and games).
b) Mạng hình lưới
Mạng hình lưới cấu tạo từ các router (gọi là zigbee router – ZR), các điểm cuối
ZED và nó cũng chỉ có một Coordinator PAN. Ngược lại với topo sao, bất kỳ thiết bị
nào cũng có thể giao tiếp với bất kỳ thiết bị khác miễn là các thiết bị đó đang ở trong
phạm vi của chúng. Cách hình thành mạng lưới cũng tương tự như mạng hình sao,
song trong mạng này có thêm sự xuất hiện của ZR. ZR đóng vai trò định tuyến dữ liệu,
mở rộng mạng và nó cũng có khả năng điều khiển, thu thập số liệu như một nút bình
thường.
Hình 2.7: Cấu trúc mạng hình lưới

Mạng hình lưới có ưu điểm là cho phép truyền thông liên tục và có khả năng tự xác
định lại cấu hình xung quanh đường đi bị che chắn bằng cách nhảy từ nốt này sang nốt
khác cho đến khi thiết lập được kết nối. Mỗi nốt trong lưới đều có khả năng kết nối và
định tuyến với các nốt lân cận. Cũng chính khả năng chuyển tiếp và định tuyến gói tin
đã làm cho khoảng cách truyền giữa hai điểm không còn là trở ngại đối với zigbee.
Các ứng dụng trong công nghiệp như điều khiển và giám sát, mạng cảm biến không
dây, kiểm kê và theo dõi hàng tồn kho là ví dụ về ứng dụng điển hình của topology
này.
c) Mạng hình cây
Là một trường hợp đặc biệt của mạng lưới, mạng hình cây gồm một ZC, mỗi ZR
trong mỗi nhánh và các ZED.
Hình 2.8: Cấu trúc mạng hình cây
Trong đó ZED có thể kết nối vào mạng như một nốt rời rạc ở điểm cuối của nhánh
cây. Bất kì một FFD nào cũng có thể hoạt động như một coordinator, cung cấp tín hiệu
đồng bộ cho các thiết bị và các coordinator khác. Vì thế mà cấu trúc mạng kiểu này có
qui mô phủ sóng và khả năng mở rộng cao. Trong loại cấu hình mạng này, mặc dù có
thể có nhiều coordinator nhưng chỉ có duy nhất một bộ điều phối mạng PAN (ZC).
Mạng hình cây hứa hẹn sẽ đem về ưu điểm của hai mạng trên, mạng hình sao (khả
năng đồng bộ, đường truyền tin cậy nhờ vào chế độ GTS) và mạng lưới (co giãn về
khoảng cách địa lý, tầm hoạt động rất rộng).
2.2.5 Các thuật toán định tuyến của ZIGBEE/IEEE 802.15.4
Mạng lưới là mạng mà ở đó việc định tuyến một gói tin được thực hiện phân cấp,
quá trình phối hợp định tuyến liên quan đến nhiều thiết bị ngang hàng. Định tuyến

hoàn toàn minh bạch tới các lớp ứng dụng, ứng dụng chỉ cần gởi dữ liệu đến thiết bị và
“stack” của thiết bị có trách nhiệm định tuyến gói tin đó. Bằng cách này, ứng dụng
không cần biết sự hoạt động của multi-hop network. Định tuyến cũng cho phép phục
hồi link hỏng, nếu có một đường truyền nào bị rớt, nó sẽ tự tìm một liên kết mới, đặc
điểm này giúp nâng cao độ tin cậy của mạng wireless và đây cũng là một đăc điển
quan trọng của mạng zigbee.
Zigbee sử dụng giao thức định tuyến nền tảng là giao thức AODV cho mạng ad-
hoc và được đơn giản hóa cho mạng cảm biến. Giao thức định tuyến zigbee thuận tiện
cho các môi trường có các nốt di động, môi trường hay có đường truyền bị yếu và hay
bị mất gói tin.
Những router mà nằm trong tầm với của nhau, sẽ quan sát các router mà nó có thể
tương tác trực tiếp thông qua “neighbor table”, “neighbor table” sẽ được cập nhật khi
một router nhận được tin nhắn của bất kì một router khác.
Khi một router nhận một gói unicast từ chính ứng dụng của nó hoặc từ một thiết bị
khác, lớp NWK sẽ chuyển nó theo tiến trình sau. Nếu đích đến là một nốt lân cận của
router (bao gồm cả những thiết bị con của nó) gói tin sẽ được chuyển đến trực tiếp đến
thiết bị đích. Nếu không, router sẽ kiểm tra trong bảng định tuyến, nếu có một mục
tương ứng định tuyến đến địa chỉ đích và nếu mục đó đang được kích hoạt định tuyến
cho gói tin đích, gói sẽ được chuyển đến trạm tiếp theo. Nếu truyền gói tin thất bại, nó
sẽ thử truyền lại và đợi ack. Số lần thử tối đa là NWK_MAX_DATA_RETRIES=2
(được định nghĩa trong f8wconfig.cfg). Nếu “active entry” không được tìm thấy trong
bảng định tuyến hoặc sử dụng entry vẫn bị lỗi sau lần thử cuối cùng, quá trình tìm
đường (được đề cập sau) sẽ được khởi động và gói tin sẽ được chuyển vào bộ đệm cho
đến khi tiến trình được hoàn thành.
Một zigbee end-device không thực hiện định tuyến. End-device muốn gởi một gói
tin tới bất kì thiết bị khác, đơn giản là nó sẽ chuyển gói tin đó tới thiết ZR của nó và
thiết bị này sẽ thay nó định tuyến gói tin đó. Tương tự, khi bất kì thiết bị muốn gởi một
gói tin đến end-device và khởi động quá trình tìm đường,thiết ZR của end-device này
sẽ thay mặt end-device trả lời. Trong Z-Stack, thiết lập định tuyến được tối ưu cho quá
trình lưu trữ bảng định tuyến. Thông thường, “routing table entry” cần thiết cho mỗi
thiết bị đích, bằng cách kết hợp tất cả các “entry” của end-device vào ‘entry” của ZR,
lưu trữ được tối ưu hóa và không mất bất kì chức năng nào.
ZigBee routers, bao gồm cả coordinator, thực hiện các chức năng định tuyến sau:
Định tuyến tìm và lựa chọn; bảo trì đường định tuyến; Route hết hạn.
• Tìm và lựa chọn đường định tuyến
Route Discovery là một thủ tục, theo đó các thiết bị trong mạng phối hợp với nhau để
tìm và thiết lập route thông qua mạng. Route discovery có thể được khởi tạo bởi bất kì
thiết bị router nào và được thực hiện liên quan đến một thiết bị đích đặc biệt. Cơ chế

route discovery tìm tất cả các đường có thể có giữa thiết bị nguồn và thiết bị đích và cố
gắng tìm đường tốt nhất.
Route selection sẽ chọn tuyến đường tốt nhất, thuật toán chọn đường tốt nhất sao
cho “route cost” nhỏ nhất. Trong đó, “route cost” được tính bằng cách cộng dồn các
“link cost”, “ link cost” thông thường là độ mạnh của tín hiệu nhận giữa hai thiết bị
(nếu tuyến đường đi qua càng ít trạm thì “route cost” của tuyến đường đó càng thấp,
tối ưu được thời gian truyền).
“Routes” được tìm bằng cách gởi các gói tin “request/response”. Một thiết bị
nguồn tìm đường đến địa chỉ đích bằng cách “broadcast” gói tin “Route Rquest”
(RREQ) đến các “neighbor” của nó, các “neighbor” của nó sẽ “reboadcast” gói tin
RREQ. Nhưng trước khi thực hiện điều đó, nó cập nhật “cost field” của gói RREQ
bằng cách cộng thêm “link cost” của link cuối và tạo một mục trong “Route Discovery
Table” của nó. Bằng cách này gói RREQ sẽ mang theo tổng “link cost” thuộc về một
link mà nó đi qua. Tiến trình này được thực hiện cho đến khi tới thiết bị đích. Nhiều
gói tin RREQ được tìm thấy với các tuyến đường khác nhau và mỗi gói RREQ sẽ chứa
tổng “route cost”. Thiết bị đích sẽ chọn một gói RREQ tốt nhất và gởi ngược lại một
gói RREP đến thiết bị nguồn.
RREP là một unicast gởi ngược đến lần lượt các nốt trung gian cho đến khi gặp
thiết bị nguồn. Khi gói RREP di chuyển ngược về thiết bị nguồn, những nốt trung gian
sẽ cập nhật cập nhật vào “routing table” để chỉ tuyến đường đến địa chỉ đích. “Route
Discovery Table” tại mỗi nốt trung gian, được sử dụng để xác định trạm kế tiếp mà gói
RREP phải đi qua khi di chuyển về nguồn của gói RREQ đồng thời tạo tạo một mục
trong “Routing Table”.
Một tuyến đường được tạo ra, gói dữ liệu có thể được gởi đi. Khi một nốt mất kết
nối với nốt tiếp theo, (không nhận được MAC ACK khi gởi gói dữ liệu), nốt đó sẽ làm
mất hiệu lực của tuyến đường bằng cách gởi gói RERR đến tất cả các nốt đã nhận
được RREP và đánh dấu link tồi trong bảng “Neighbor Table” của nó.
• Bảo trì đường định tuyến
Mạng lưới có khả năng tự bảo trì và tự khôi phục “routes”. Các nốt trung gian sẽ
kiểm tra lỗi truyền nhận của một link, nếu có một link giữa các “neighbor” được xác
định là link xấu, nốt nguồn sẽ khởi động sửa các “route” đang sử dụng link đó bằng
cách “rediscovery route” cho gói dữ liệu kế tiếp. Nếu “route discovery” không thể
được khởi tạo, hoặc bị lỗi vì một lí do nào đó, RERR sẽ được gởi đến nguồn của gói
tin, nơi chịu trách nhiệm tìm một “route” mới. Dù bằng cách nào đi nữa thì tuyến
đường sẽ tự động thiết lập lại.
• Router hết hạn
Bảng định tuyến duy trì các “entries” cho việc thiết lập “routes”. Nếu không có gói
tin nào được gởi trên một “route” trong khoảng một thời gian
ROUTE_EXPIRY_TIME = 30 (trong file "f8wconfig.cfg" , đơn vị là s) “route” đó sẽ

Assignment, Essay
được đánh dấu là hết hạn. Các “exprired route” sẽ không được xóa nếu việc đó
chưa cần thiết.
2.2.6 So sánh Zigbee và một số các chuẩn không dây khác
Zigbee cũng tương tự như Bluetooth nhưng đơn giản hơn, Zigbee có tốc độ truyền
dữ liệu thấp hơn, tiết kiệm năng lượng hơn. Một nốt mạng trong mạng Zigbee có khả
năng hoạt động từ 6 tháng đến 2 năm chỉ với nguồn là hai pin AA.
Phạm vi hoạt động của Zigbee là 10-75m trong khi của Bluetooth chỉ là 10m
(trong trường hợp không có khuếch đại).
Zigbee xếp sau Bluetooth về tốc độ truyền dữ liệu. Tốc độ truyền của Zigbee là
250kbps tại 2.4GHz, 40kbps tại 915MHz và 20kbps tại 868MHz trong khi tốc độ này
của Bluetooth là 1Mbps.
Zigbee sử dụng cấu hình chủ-tớ cơ bản phù hợp với mạng hình sao tĩnh trong đó
các thiết bị giao tiếp với nhau thông qua các gói tin nhỏ. Loại mạng này cho phép tối đa
tới 254 nút mạng. Giao thức Bluetooth phức tạp hơn bởi loại giao thức này hướng tới
truyền file, hình ảnh, thoại trong các mạng ad hoc (ad hoc là một loại mạng đặc trưng
cho việc tổ chức tự do, tính chất của nó là bị hạn chế về không gian và thời gian). Các
thiết bị Bluetooth có thể hỗ trợ mạng scatternet là tập hợp của nhiều mạng piconet
không đồng bộ. Nó chỉ cho phép tối đa là 8 nút slave trong một mạng chủ-tớ cơ bản.
Nút mạng sử dụng Zigbee vận hành tốn ít năng lượng, nó có thể gửi và nhận các
gói tin trong khoảng 15msec trong khi thiết bị Bluetooth chỉ có thể làm việc này trong
3s.
Zigbee Wifi Bluetooth
Tần số
686 Mhz/ 915 Mhz/
2.4 Ghz 2.4 Ghz/ 5Ghz
2.4 GHz
Data rate 20 – 250 Kbps 1 – 100 Mbps 1 – 3 Mbps
Khoảng cách 10 – 100 m 30 – 100 m 2 – 10 m
Bảng 2.3 So sánh Zigbee – Wifi – Bluetoot

Assignment, Essay

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI
CÔNG 3.1 Giới thiệu mô hình
3.1.1 Sơ đồ khối
Zigbee Wireless Wireless
Coordinator
Board
Zigbee
UART
Network
Wireless
Camera
HTTP
Internet
Khối trung tâm
(Web server)
HTTP
HTTP
Zigbee
Router
Board
Zigbee
Router
Board
Hình 3.9 Sơ đồ khối mô hình

3.1.2 Sơ lược về mô hình
Mô hình được tạm được chia thành 2 thành phần chính: khối xử lý trung tâm và
các zigbee router board (hình 3.1).
Khối trung tâm bao gồm một máy tính Raspberry Pi 3 kết nối với zigbee
coordinator board thông qua UART. Máy tính Raspberry Pi được cài đặt web server và
một cơ sở dữ liệu, web được thiết kế giao diện, phục vụ cho quá trình hiển thị các
thông tin thu thập được trong mạng và điều khiển các cơ cấu chấp hành. Cơ sở dữ liệu
được sử dụng để lưu trữ thông tin thu thập được.
Zigbee coordinator board làm nhiệm vụ điều phối trong mạng, cho phép các thành
viên gia nhập mạng, cấp địa chỉ. Nhận lệnh điều khiển từ máy tính Raspberry Pi, gửi
gói tin truy vấn đến các thành viên, và thu thập dữ liệu và truyền lại cho máy tính
Raspberry Pi. Board cũng có thể điều khiển thiết bị bởi các cơ cấu được chấp hình hay
thu thập dữ liệu bởi các cảm biến.
Các zigbee router board trực tiếp làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và điều khiển các
cơ cấu chấp hành.
Hệ thống được trang bị một camera, người sử dụng có thể theo dõi toàn bộ trang
trại, dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất hay trời có mưa hay không và điều khiển
thiết bị như máy bơm nước, máy phun sương hay động cơ cuốn mành che ánh sáng, …
bằng website. Hoặc có thể điều khiển trực tiếp bởi một màn hình HMI cảm ứng được
thiết kế giao diện dễ sử dụng.
3.2 Thiết kế phần cứng
3.2.1 Giới thiệu phần cứng sử dụng
3.2.1.1 Máy tính Raspberry Pi 3
Raspberry Pi là một seri các máy tính chỉ có một board mạch kích thước chỉ bẳng
một thẻ tín dụng, được phát triển tại Anh bởi Raspberry Pi Foundation với mục đích
thúc đẩy việc giảng dạy về khoa học máy tính cơ bản trong các trường học và các nước
đang phát triển.
Raspberry Pi gốc và Raspberry Pi gốc 2 được sản xuất theo nhiều cấu hình khác
nhau thông qua các thỏa thuận cấp phép sản xuất với Newark element14 (Premier
Farnell), RS Components và Egoman. Các công ty này bán Raspberry Pi trực tuyến.
Egoman sản xuất một phiên bản phân phối duy nhất tại Đài Loan, có thể được phân
biệt với Pis khác bởi màu đỏ của chúng và thiếudấu FCC/CE. Phần cứng là như nhau
đối với tất cả các nhà sản xuất.
Raspberry Pi ban đầu được dựa trên hệ thống trên một vi mạch(SoC)BCM2835
của Broadcom, bao gồm một vi xử lý ARM1176JZF-S 700 MHz, VideoCore IV GPU,
và ban đầu được xuất xưởng với 256 MB RAM, sau đó được nâng cấp (model B và B
+) lên đến 512 MB. Board này cũng có socket Secure Digital (SD) (model A và B)
hoặc MicroSD (model A + và B +) dùng làm thiết bị khởi động và bộ lưu trữ liên tục.

Trong năm 2014, Raspberry Pi Foundation đã phát hành Compute Module, đóng
gói một BCM2835 với 512 MB RAM và một flash chip eMMC vào một module để sử
dụng như một phần của hệ thống nhúng.
Foundation này cung cấp Debian và Arch Linux ARM để người dùng download về.
Các công cụ có sẵn cho Python như là ngôn ngữ lập trình chính, hỗ trợ cho BBC
BASIC (thông qua RISC OS image hoặc Brandy Basic clone cho Linux), C, C++, Java,
Perl và Ruby.
Tính đến ngày 08 Tháng Sáu năm 2015, khoảng 5-6.000.000 board Raspberry Pi
đã được bán. Trong khi đã trở thành máy tính cá nhân bán chạy nhanh nhất của Anh,
nó cũng đã được vận chuyển số lượng đơn vị lớn thứ hai phía sau Amstrad PCW,
"Personal Computer Word-processor", bán được tám triệu chiếc.
Vào đầu tháng 2 năm 2015, thế hệ tiếp theo của Raspberry Pi, Raspberry Pi 2, đã
được phát hành. Board máy tính mới này đầu tiên chỉ có một cấu hình (model B) và
trang bị SoC Broadcom BCM2836, với một nhân ARM Cortex-A7 CPU lõi tứ và một
VideoCore IV dual-core GPU; 1 GB bộ nhớ RAM với thông số kỹ thuật còn lại tương
tự như của các thế hệ model B+ trước đó. Raspberry Pi 2 vẫn giữ nguyên giá US$35 so
với model B, với model A+ giá US$20 vẫn còn được bán.
a. Phần cứng:
Phần cứng Raspberry Pi qua nhiều phiên bản được trang bị nhiều cấu hình khác
nhau, dung lượng bộ nhớ, thiết bị ngoại vi...
Sơ đồ khối trên mô tả model A, B, A+, B+ và. Model A và A+ thiếu cổng Ethernet
và USB. Bộ chuyển đổi Ethernet được kết nối với một cổng USB bổ sung. Trong
model A và A+ cổng USB được kết nối trực tiếp đến SoC. Trên model B+ chip này có
chứa một hub USB năm đầu ra, trong đó có bốn cổng có sẵn, trong khi model B chỉ
cung cấp có hai cổng mà thôi.
Hình 3.10: Cấu trúc phần cứng trên Raspberry Pi
❖ Bộ vi xử lý:
SoC được sử dụng trong Raspberry Pi thế hệ đầu tiên hơi tương đương với chip
được sử dụng trong các điện thoại thông minh đời cũ (chẳng hạn như iPhone / 3G /
3GS). Raspberry Pi dựa trên SoC BCM2835 của Broadcom, trong đó bao gồm một bộ
xử lý ARM1176JZF-S 700 MHz, GPU VideoCore IV,và RAM. Nó có một bộ nhớ
cache cấp 1 16 KB và một bộ nhớ cache cấp 2 128 KB. Cache cấp 2 này được sử dụng

chủ yếu bởi GPU. SoC được xếp chồng lên nhau dưới chip RAM, vì vậy chỉ cạnh của
nó là nhìn thấy được.
❖ RAM
Phiên bản Raspberry Pi 3 model B, RAM (LPDDR2 SDRAM) đã được nâng cấp
dung lượng lên 1GB.
❖ Mạng
Mặc dù model A và A+ không có một cổng 8P8C ("RJ45") Ethernet, chúng có thể
được kết nối với một mạng sử dụng một bộ adapter USB Ethernet hoặc Wi-Fi ngoại vi
do người dùng cung cấp. Trên model B và B+ cổng Ethernet được cung cấp bởi một
adapter USB Ethernet có sẵn.
Trên phiên bản Raspberry Pi 3 model B mới nhất đã được tích hợp sẵn Wifi chuẩn
802.11n và Bluetooth 4.1
❖ Thiết bị ngoại vi
Raspberry Pi có thể hoạt động với bất kỳ bàn phím máy tính và chuột thông qua kết
nối USB nào.
❖ Video
Bộ điều khiển video có khả năng phân giải chuẩn truyền hình hiện đại, chẳng hạn
như HD và Full HD, và các độ phân giải màn hình và cao hơn hoặc thấp hơn và độ
phân giải TV CRT chuẩn cũ hơn. Khi vận chuyển (tức là không có tùy chỉnh ép xung)
nó có các khả năng như sau: 640 × 350 EGA; 640 × 480 VGA; 800 × 600 SVGA;
1024 × 768 XGA; 1280 × 720 720p HDTV; 1280 × 768 WXGA biến; 1280 × 800
WXGA biến; 1280 × 1024 SXGA; 1366 × 768 WXGA biến; 1400 × 1050 SXGA +;
1600 × 1200 UXGA; 1680 × 1050 WXGA +; 1920 × 1080 1080p HDTV; 1920 ×
1200 WUXGA.[16] Nó có thể tạo ra các tín hiệu video composite 576i và 480i cho
PAL-BGHID, PAL-M, PAL-N, NTSC và NTSC-J.
❖ Đồng hồ thời gian thực
Raspberry Pi không được trang bị đồng hồ thời gian thực, có nghĩa là nó không thể
theo dõi thời gian trong ngày, khi nó không hoạt động.
Thay vào đó, một chương trình chạy trên Pi có thể lấy thời gian từ một máy chủ thời
gian mạng hoặc do người dùng nhập vào lúc khởi động.
Một đồng hồ thời gian thực (như DS1307) với pin dự phòng có thể được thêm vào
(thường thông qua giao tiếp I²C).
❖ Các cổng kết nối
Máy tính Raspberry pi đã được trang bị đầy đủ các cổng kết nối như:
▪ Ethernet RJ45

▪ Camera Interface (CSI)
▪ Display Interface (DSI)
▪ 4 x USB 2.0 ports
▪ Full size HDMI 1.3a port
▪ 3.5mm out composite video and audio
▪ Micro USB (power in)
Hình 3.11 Vị trí của các kết nối và các IC chính trên Raspberry Pi model B+
❖ Cổng GPIO
RPi A+, B+ và 2B GPIO J8 có 40-chân pinout.
Hình 3.12: Sơ đồ chân của Raspberry Pi 3

❖ Phụ kiện
▪ Camera - Ngày 14 tháng 5 năm 2013, the Foundation và các nhà phân phối RS
Components & Premier Farnell / Element 14 đã ra mắt board camera Raspberry
Pi với một bản cập nhật firmware kèm theo. Board camera được vận chuyển đi
kèm với một cáp phẳng linh hoạt để cắm vào đầu nối CSI nằm giữa cổng
Ethernet và HDMI. Trong Raspbian, ta kích hoạt hệ thống sử dụng board camera
này bằng cách cài đặt hoặc nâng cấp lên phiên bản mới nhất của hệ điều hành
(OS) và sau đó chạy Raspi-config và chọn tùy chọn camera. Giá của mô-đun
camera này là €20 ở châu Âu (09 Tháng 9 năm 2013).
▪ Gertboard – một thiết bị được Raspberry Pi Foundation khuyến khích, được thiết
kế cho mục đích giáo dục, nó sẽ giúp mở rộng các chân GPIO của Raspberry Pi
để cho phép giao tiếp với và điều khiển các đèn LED, tiếp điểm, tín hiệu analog,
cảm biến và các thiết bị khác. Nó cũng bao gồm một trình điều khiển tương
thích với Arduino theo tùy chọn để giao tiếp với Pi.
▪ Infrared Camera – Vào tháng 10 năm 2013, tổ chức này đã tuyên bố rằng họ sẽ
bắt đầu sản xuất một module camera không có bộ lọc hồng ngoại, được gọi là Pi
NoIR.
▪ Các board mở rộng HAT (Hardware Attached on Top-Phần cứng đính kèm ở
mặt trên) – Cùng với model B+, được lấy cảm hứng bởi các board Arduino
shield, giao diện cho các board HAT được trang bị bởi Raspberry Pi Foundation.
Mỗi board HAT mang theo một EEPROM nhỏ (điển hình là một CAT24C32WI-
GT3) chứa các chi tiết có liên quan tới board này, do đó hệ điều hành của
Raspberry Pi được sẽ được thông báo về HAT, và chi tiết kỹ thuật của nó, liên
quan tới hệ điều hành sử dụng HAT. Board HAT có 4 lỗ định vị ở 4 góc hình
chữ nhật của nó.
b. Phần mềm:
❖ Các hệ điều hành
Raspberry Pi chủ yếu sử dụng các hệ điều hành dựa trên nhân Linux.
Chip ARM11 tại trung tâm của Pi (mô hình thế hệ đầu tiên) được dựa trên phiên
bản 6 của ARM. Các phiên bản hiện tại của một số phân nhánh phổ biến của Linux,
bao gồm Ubuntu,[28] sẽ không chạy trên ARM11. Không thể chạy Windows trên
Raspberry Pi gốc, mặc dù Raspberry Pi 2 mới có thể chạy trên hệ điều hành Windows
10 IoT Core. Raspberry Pi 2 hiện tại chỉ hỗ trợ Ubuntu Snappy Core, Raspbian,
OpenELEC và RISC OS.
Trình quản lý cài đặt cho Raspberry Pi là NOOBS. Các hệ điều hành đi kèm với
NOOOBS là:
▪ Arch Linux ARM
▪ OpenELEC
▪ Pidora (biến thể của Fedora)
▪ Puppy Linux

▪ Raspbmc và trung tâm truyền thông số mã nguồn mở XBMC
▪ RISC OS – là hệ điều hành của máy tính dựa trên nền tảng ARM đầu tiên.
▪ Raspbian (được đề xuất dùng cho Raspberry Pi 1)– được bảo trì độc lập bởi
the Foundation; dựa trên cổng kiến trúc Debian ARM hard-float (armhf)
được thiết kế ban đầu cho ARMv7 và các bộ xử lý kế tiếp (với Jazelle
RCT/ThumbEE và VFPv3), biên dịch cho các tập lệnh hạn chế hơn ARMv6
của Raspberry Pi 1. Một thẻ SD có kích thước tối thiểu là 4 GB là cần thiết
cho những Raspbian image được cung cấp bởi Raspberry Pi Foundation. Có
một Pi Store (Kho) dùng để trao đổi chương trình.
▪ Raspbian Server Edition là một phiên bản rút gọn với các gói phần mềm đi
kèm ít hơn so với phiên bản Raspbian dành cho máy tính để bàn thông
thường.
▪ Giao thức máy chủ hiển thị Wayland cho phép sử dụng hiệu quả GPU để
tăng tốc phần cứng chức năng vẽ GUI. Vào ngay 16 Tháng 4 năm 2014,
một GUI shell dành cho Weston gọi Maynard đã được phát hành.
▪ PiBang Linux – là một biến thể từ Raspbian.
▪ Raspbian for Robots – là một biến thểcủa Raspbian dành cho các dự án
robot với LEGO, Grove, và Arduino
❖ Phần mềm ứng dụng của bên thứ ba
▪ AstroPrint – Kể từ tháng 8 năm 2014, phần mềm máy in 3D không dây
AstroPrint có thể chạy được trên Pi 2
▪ Mathematica – Kể từ ngày 21 tháng 11 năm 2013, Raspbian bao gồm một cài
đặt đầy đủ của phần mềm độc quyền này dung cho miễn phí. Tính đến ngày 24
tháng 8 năm 2015, là phiên bản Mathematica 10.2.
▪ Minecraft – Phát hành 11 Tháng 2 năm 2013, một phiên bản dành cho
Raspberry Pi, trong đó bạn có thể thay đổi thế giới trò chơi với code.
▪ UserGate Web Filter – Ngày 20 tháng 9 năm 2013, hãng bảo mật có trụ sở tại
Florida Entensys công bố bố UserGate Web Filter cho nền tảng Raspberry Pi.
▪ Julia –Kể từ tháng 5 năm 2015, ngôn ngữ lập trình Julia biên dịch và chạy trên
Pi 2, và bản gốc, trong trạng thái alpha (bản thử nghiệm).
▪ R POS - Phát hành tháng 5 năm 2016, phần mềm bán hàng POS cho ngành Ăn
Uống và Bán Lẻ do Young POS phát triển.
3.2.1.2 Module Zigbee DRF1605H
Module ZigBee DRF1605H được thiết kế trên chip
CC2530F256, chip chuyên dụng cho giao thức ZigBee
2007 với 256K bộ nhớ Flash, module DRF1605H giao
tiếp truyền dữ liệu qua UART.
Đặc tính của module:
o Điện áp hoạt động: DC 3.3V (2.6V-3.6V)
o UART Baud rate: 38400bps, 9600bps, 19200bps,
57600bps, 115200bps.

o Tần số hoạt động: 2460MHz, 2405MHz-2480Mhz, khoảng cách các kênh 5M.
o Cấu hình: Router, Coordinator.( mặc định: Router PAN ID 0x199B, kênh 22
(2460MHz).
o Giao tiếp : UART 3.3V TX-RX.
o Khoảng cách truyền: 1.6Km
3.2.1.3 Vi điều khiển STM32F103C8T6
Vi điều khiển STM32F103C8T6 là họ vi điều khiển 32bit lõi ARM Cortex M3 của
hãng STMicroelectronics.
Cortex là bộ xử lý thế hệ mới đưa ra một chuẩn kiến trúc cho nhu cầu đa dạng về
công nghệ. Không giống như các dòng ARM khác, dòng Cortex là một lõi hoàn thiện
đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung. Dòng Cortex gồm 3 nhánh: dòng
A dành cho ứng dụng cao cấp, dòng R cho ứng dụng thời gian thực cà dòng M dánh
cho các ứng dụng điều khiển và chi phí thấp.
Lõi ARM Cortex là sự cải tiến của ARM7, từng mang lại thành công vang dội cho
công ty ARM.
Cortex – M3 đưa ra một lõi vi điều khiển chuẩn nhằm cung cấp phần tổng quát,
quan trọng nhất của vi điều khiển bao gồm hệ thống ngắt (Interrupt system), SysTick
timer (được thiết kế cho hệ điều hành thời gian thực), hệ thống kiểm lỗi (Dubug
system), memory map và nhiều tính năng cải tiến khác.
Các chip ARM7 và ARM9 có hai tập lệnh (tập lệnh ARM 32-bit và tập lệnh
Thumb 16-bit), trong khi đó dòng Cortex được thiết kê hỗ trợ tập lệnh ARM Thumb-2,
là sự phối hợp giữa 2 tập lệnh trên để đạt được sự tương nhượng giữa dung lượng code
và thời gian xử lý.
Một số thông số kỹ thuật của vi điều khiển STM32F103C8T6:
• CPU lõi ARM 32-bit Cortex – M3:
o Tần số hoạt động tối đa 72MHz.
o Tốc độ xử lý: 1.25 DMIPS/Hz.
• Bộ nhớ:
o Flash memory: 64 hoặc 128 Kbytes.
o SRAM: 20 Kbytes.
• Xung nhịp và nguồn cung cấp:
o Điện áp cung cấp: 2V đến 3.6V.
o Thạch anh 4 đến 16 MHz.
o Vòng khóa pha PLL.
o Thạch anh 32kHz cho RTC.
• Năng lượng thấp:
o Chế độ Sleep, stop và standby.
o Nguồn pin VBAT cung cấp cho RTC

• 2 bộ ADC 12-bit, 1µs A/D converters (lên đến 16 kênh)
o Phạm vi chuyển đổi: 0 đến 3.6V.
o Khả năng lấy mẫu Dual – Sample.
o Cảm biến nhiệt nội.
• DMA:
o 7 kênh DMA.
o Ngoại vi hỗ trợ: Timer, ADC, SPI, I2
C, USART.
• I/O:
o Có thể sử dụng lên đến 37 I/O.
o Có 16 vector ngắt ngoài và phần lớn các I/O chịu được 5V-Tolerant.
• Chế độ debug: SWD và JTAG interfaces.
• 7 bộ Timer:
o 3 bộ timer 16-bit, với 4 kênh dùng cho Input capture, Output Compare,
PWM, Pulse counter và Quadrature encoder input.
o 1 bộ timer 16-bit dùng cho điều khiển động cơ, với dead-time và dừng khi
có trường hợp khẩn cấp.
o 2 bộ watchdog timer (Independent và window).
o 1 bộ Sys-tick timer 24-bit đếm xuống.
• Cung cấp lên đến 9 giao diện truyền
thông: o 2 bộ I2
C (SMBus/PMBus)
o 3 bộ USART.
o 2 bộ SPI.
o Giao tiếp CAN.
o Giao tiếp USB 2.0 full-speed.
3.2.1.4 Vi điều khiển ATmega8
• Họ vi điều khiển AVR
Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996),
nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer)
đồng thời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để
lưu trữ chương trình. Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã trở thành
nhà tiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ Flash (không biến đổi, có thể
xóa bằng điện và lập trình lại bộ nhớ, Họ AVR thường được sử dụng trong các sản
phẩm như Camera số, board chủ PC…)
Vi điều khiển Atmega AVR có công suất cao, tiêu thụ năng lượng thấp, cấu trúc
RISC tiến với 130 lệnh với chu kỳ thực hiện đơn xung lớn nhất, 32 thanh ghi đa mục
đích 8 bít, 16 MIPS tại tần số đặt 16 MHz, bộ nhân 2 chu kỳ On-chip, Power-on Reset
và Brown-out Detection có thể lập trình, bộ dao động RC bên trong có thể lập trình các
mức, 5 Mode ngủ (Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down và Standby),
có khả năng Reset khi bật nguồn, khả năng dò lỗi Brown out lập trình được, có nguồn
ngắt trong và ngắt ngoài. Cốt lõi của AVR là sự kết hợp các câu lệnh phong phú với 32
thanh ghi đa mục đích. Tất cả 32 thanh ghi đều trực tiếp kết nối tới bộ xử lý logíc số

học - Arithmetic Logic Unit (ALU), cho phép truy nhập 2 thanh ghi độc lập trong một
câu lệnh đơn được thực hiện trong một chu kỳ xung. Kết quả của cấu trúc trở nên gọn
nhẹ, hiệu quả hơn, trong khi vẫn đạt được thời gian xử lý nhanh hơn gấp 10 lần các vi
điều khiển CISC thông thường khác.
Một số đặc điểm của vi điều khiển ATmega8
• ATmega8 với kiến trúc RISC hiệu suất cao và mức tiêu thụ năng lượng
thấp: o 131 lệnh hầu hết được thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.
o 32x8 thanh ghi làm việc đa năng.
o Tốc độ xử lý lệnh lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16MHz.
• Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình không tự mất dữ liệu:
o 8Kbyte bộ nhớ Flash lập trình được ngay trên hệ thống, có thể ghi xoá
10000 lần.
o 512Bytes bộ nhớ SRAM.
o Khóa bảo mật phần mềm lập trình được.
o Giao diện nối tiếp SPI để lập trình ngay trên hệ thống.
• Các tính năng ngoại vi:
o Hai bộ Timer/Counter 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt.
o Một bộ Timer/Counter 16 bit với chế độ so sánh, chia tần số tách biệt và
chế độ bắt mẫu (Capture Mode).
o Bộ đếm thời gian thực (RTC) với bộ dao động tách biệt.
o Ba kênh PWM điều chế độ rộng xung.
o Bộ biến đổi ADC bên trong 8 kênh 10 bit.
o Bộ USART nối tiếp lập trình được.
o Bộ định thời Watchdog lập trình được với bộ dao động trên chip.
• Bộ so sánh Analog ngay trên chip .Các tính năng vi điều khiển đặc biệt:
o Có mạch power - on reset và có thể reset bằng phần mềm.
o Các nguồn ngắt ngoài và trong.
o Có 6 chế độ ngủ: nghỉ (Idle). Tiết kiệm năng lượng (power save) và
power down, ADC Noise Reduction, Standby and Extended Standby.
o Tần số làm việc có thể thay đổi được bằng phần mềm.
• Vào ra và các cách đóng vỏ
o 23 đường vào ra lập trình được.
o 28 chân kiểu vỏ nhựa PDIP, 32 chân kiểu TQFP
• Điện thế làm việc:
o VCC = 2,7V đến 5,5V đối với ATmega8L.
o VCC = 4,5V đến 5,5V đối với ATmega8.
• Vùng tốc độ làm việc:
o 0 đến 8 MHz đối với ATmega8L.
o 0 đến 16 MHz đối với ATmega8.

Hình 3.13: Sơ đồ chân ATmega8
3.2.1.5 Màn hình HMI
Màn hình MHI UART cảm ứng điện trở Nextion 2.4 inch được phát triển với mục
đích giúp người dùng sử dụng có thể thiết kế các giao diện điều khiển và hiển thị
(GUI) trên màn hình cảm ứng một cách dễ dàng và trực quan nhất. Các điểm mạnh về
tính năng:
• Giao tiếp UART, với chỉ 2 dây tín hiệu (TX, RX) rất dễ dàng giao tiếp và điều
khiển.
• Phần mểm thiết kế giao diện trên máy tính Nextion Editor trực quan và dễ sử
dụng, giao tiếp với màn hình qua giao tiếp UART
• Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh, tích hợp khe thẻ nhớ, nên giảm thiểu được
hầu hết các tác vụ về xử lý hình cho mạch điều khiển trung tâm, chỉ truyền về
trung tâm các dữ liệu thao tác cảm ứng.
• Thiết kế cảm ứng điện trở giúp dễ dàng thao tác khi mang găng tay trong môi
trường lao động.
• Mạch có chất lượng gia công tốt, độ bền cao.
Thông số kỹ thuật:
• Màn hình HMI 2.4 inch cảm ứng điện trở.
• Giao tiếp UART mức TTL (3 - 5VDC).
• Cấp nguồn 5VDC.
• Có phần mềm thiết kế giao diện đi kèm.
• Có bộ nhớ lưu trữ và xử lý hình ảnh.

Hình 3.14: Màn hình HMI Nextion
3.2.1.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• Thông số:
- Điện áp hoạt động: 3 --> 5V
- Dải nhiệt độ đo: 0 -> 50°C với độ chính xác là ±2°C
- Dải độ ẩm đo: 20 -> 80% với độ chính xác là 5%
- Kích thước: 15.5mm x 12mm x 5.5mm
- Tần số lấy mẫu: 1Hz , nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.
- 4 chân: VCC( cực (+) nguồn ), DATA(chân tín hiệu), NC, GND(cực (-) nguồn)
Hình 3.15: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
• Cách điều khiển:
DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu DATA, với chuẩn dữ liệu truyền
1 dây này, chúng ta phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (idle) dây DATA có giá trị ở
mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải được mắc với một trở kéo
bên ngoài(thông thường giá trị là 4.7kΩ).

Hình 3.16: Sơ đồ kết nối tín hiệu của DHT11
Dữ liệu truyền về của DHT11 gồm 40bit dữ liệu theo thứ tự: 8 bit biểu thị phần
nguyên của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần thập phân của độ ẩm + 8 bit biểu thị phần
nguyên của nhiệt độ + 8 bit biểu thị phần thập phân của nhiệt độ + 8 bit check sum.
3.2.1.7 Cảm biến độ ẩm đất
Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ra mức
thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức
cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều
chỉnh được bằng biến trở. Cảm biến độ ẩm đất
có thể sử dung tưới hoa tự động khi không có
người quản lý khu vườn của bạn hoặc dùng
trong những ứng dụng tương tự như trồng cây.
Độ nhạy của Cảm biến phát hiện độ ẩm đất có thể tùy
chỉnh được (bằng cách điều chỉnh chiết áp màu
xanh trên board mạch).
Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện
độ ẩm của đất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng
thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao.
• Thông số kĩ thuật:
- Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
- Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
- Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm.
- IC so sánh : LM393
- VCC: 3.3V-5V
- GND: 0V
- DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
- A0: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
• Nguyên lý hoạt động:
Hình 3.17: Cảm biến độ ẩm đất

Assignment, Essay
Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại
đầu vào của IC OPAMP LM393. IC này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín
hiệu 0V để báo hiệu. và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất.
- Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được
sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất.
- Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá
trị là 0V.
- Ngõ ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như (Arduino, PIC,
AVR, STM), để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất.
- Đầu ra Analog A0 có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận
được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất.
3.2.1.8 Cảm biến mưa
Cảm Biến Mưa sử dụng để phát hiện mực nước, trời mưa, hay các môi trường có
nước. Mạch cảm biến mưa được đặt ngoài trời để kiểm tra trời có mưa không, qua đó
truyền tín hiệu điều khiển đóng/ngắt.
• Thông số kĩ thuật:
- Điện áp: 5V
- Led báo nguồn ( Màu xanh)
- Led cảnh báo mưa ( Màu đỏ)
- Hoạt động dựa trên nguyên lý: nước rơi
vào board sẽ tạo ra môi trường dẫn điện.
- Có 2 dạng tín hiệu: Analog( A0) và
Digital (D0)
- Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA ( Có thể Hình 3.18: Cảm biến mưa.
sử dụng trực tiếp Relay, Còi công suất nhỏ...)
- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
- Sử dụng LM358 để chuyển A0 → D0
- Kích thước: 5.4*4.0 mm
- Dày 1.6 mm
• Cách sử dụng:
- Kết nối với nguồn DC 5V.
- D0: đầu ra ở mức cao, khi có nước đèn đỏ sáng, đồng thời đầu ra sẽ
chuyển xuống mức thấp. Có thể dùng để điều khiển relay, còi, … hoặc
đưa vào chân I/O của vi điều khiển.
- A0: xác định độ lớn của giọt nước, bằng cách đưa vào ADC của vi điều
khiển.
3.2.2 Zigbee coordinator board
Zigbee coordinator board bao gồm vi xử lý trung tâm STM32F103C8T6 kết nối
với một module zigbee coordinator DRF1605H thông qua UART, cảm biến ánh sáng

Assignment, Essay

và các header để kết nối với màn hình HMI, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm (DHT11), cảm
biến độ ẩm đất, cảm biến mưa. Cơ cấu chấp hành là một module 4 relay để đóng/ngắt
thiết bị.
Cảm biến mưa
I/O
HMI
Cảm biến nhiệt độ,
độ ẩm DHT11
UART
wire
1-
Zigbee
UART
Coordinator
(DRF1605H)
ADC
Vi điều khiển
Cảm biến độ STM32F103C8T6 ẩm đất
I/O Quang
trở
Cơ cấu chấp hành
I/O
Hình 3.19: Sơ đồ khối Zigbee Coordinator board

Sơ đồ nguyên lý của từng khối trên mạch:
• Khối vi điều khiển: mạch sử dụng kit ra chân STM32F103C8T6 có tích hợp thạch
anh tạo giao động, chỉ cần cấp nguồn là có thể sử dụng. Các tín hiệu sử dụng sẽ
trình bày cụ thể ở các khối sau.
• Khối Zigbee:
Module zigbee được kết nối với bộ UART 3 của vi điều khiển
STM32F103C8T6, với 2 đường tín hiệu: truyền (TxD3) và (nhận RxD3)
• Khối kết nối với máy tính Raspberry Pi:

Mạch được kết nối với từ máy tính Raspberry Pi với bộ UART1 của vi điều khiển
STM32F103C8T6. Toàn bộ thông tin trao đổi giữa webserver được cài đặt trên máy
tính Raspberry Pi và các thành phần khác trong hệ thống là qua 2 đường tín hiệu này.
Nguồn cấp cho mạch cũng lấy từ máy tính Raspberry Pi.
• Khối đọc cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11:
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm truyền dữ liệu bằng giao tiếp 1-wire chỉ có 1 đường tín hiệu.
Đường tín hiệu được kéo lên mức cao bằng điện trở 10KΩ.

• Khối đọc cảm biến độ ẩm đất:
Module cảm biến độ ẩm đất
gồm 2 tín hiệu, tín hiệu số (D0) để
phát hiện đất khô hay đất ẩm, và tín
hiệu tương tự (A0) được kết nối với
với 1 ngõ vào analog của vi điều
khiển để đọc giá trị độ ẩm bằng
chuyển đổi ADC.
• Khối đọc cảm biến mưa:
Module cảm biến mưa chỉ cần sử dụng 1 tín
hiệu số cho biết có mưa hay không
• Khối điều khiển cơ cấu chấp hành:
Module gồm 4 relay, có thể dễ dàng kết nối và thay đổi thiết bị cần điều khiển.

• Khối màn hình HMI:
Màn hình HMI được kết nối với bộ UART2 của vi điều khiển.
• Khối cảm biến ánh sáng:
Module cảm biến ánh sáng với tín hiệu số từ OPAMP và có thể điều chỉnh độ nhạy
nên chỉ cần sử dụng I/O để phát hiện trời sáng hay tối.

3.2.3 Zigbee router board
Board sử dụng vi điều khiển ATmega8, zigbee router DRF1605H, các rào cắm để
giao tiếp với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, cảm biến độ ẩm đất. Trên board được
tích hợp 2 relay và đèn báo để điều khiển thiết bị. Ngoài ra còn có các IC ổn áp để cấp
nguồn cho mạch bằng pin 9V.
Zigbee
Module
Cảm biến độ
ẩm đất Cảm biến nhiệt độ,
độ ẩm
ADC
ADC
UART
Cơ cấu chấp hành
I/O
Vi điều khiển ATmega8
Hình 3.20: Sơ đồ khối Zigbee Router board
• Khối vi điều khiển:
Vi điều khiển ATmega8 được cấp xung 8Mhz

• Khối zigbee:
Module zigbee router cũng được kết nối với vi điều khiển bằng UART như module
zigbee coordinator nhưng có thêm chân SW1 để kích tín hiệu xin gia nhập mạng.
• Khối đọc relay:
Mạch được tích hợp 2 relay 5V để điều khiển thiết bị, relay được điều khiển thông
qua 1 PNP và có đèn LED báo.
• Khối nguồn:
Nguồn cấp cho mạch bằng pin 9V, sử dụng IC LM7805 để lấy nguồn 5V và IC

AMS1117 để lấy nguồn 3V3. Mạch có đèn báo nguồn.
Khối đọc cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 và đọc cảm biến độ ẩm đất tương tự
như trên zigbee coordinator board.
3.3 Thiết kế phần mềm
3.3.1 Thiết kế webserver bằng Node-RED
Webserver trong đề tài được thiết kế bởi công cụ Node-red.
3.3.1.1 Giới thiệu Node-RED
Node – RED là một công cụ phần mềm do IBM phát triển, dựa trên Node.js. Nó có
thể được xem như một web server mà có thể cấu hình tùy chỉnh các chức năng gọi là
“flow” từ bất kỳ trình duyệt nào trên máy tính. Mỗi ứng dụng Node-RED bao gồm các
node có thể liên kết được với nhau với các dạng là input, output và operation.
Một ví dụ đơn giản để chúng ta có thể hình dung được các node khác nhau sẽ
Hình 3.21: Lập trình dạng dòng chảy “flow” trong Node - RED
tương tác như thế nào:
Với Node-RED ta có thể hình dung cách tương tác và giao tiếp với các thiết bị một
cách tổng quan như hình dưới. Ở đây máy tính của mình sẽ đóng vai trò là server và
client.
Hình 3.23: Mô hình máy tính vừa là client vừa là server

Hình 3.22: Mô hình máy tính vừa là server vừa là client

3.3.1.2 Cài đặt Node – RED trên Raspberry Pi
Mở terminal trên Raspberry Pi và gõ theo các lệnh sau để cài đặt Node-RED
• Bước 1: Cập nhật repository
sudo apt-get update
• Bước 2: Cài nodejs
sudo apt-get install node.js -y
sudo apt-get install nodejs-legacy
• Bước 3: Cài đặt Git và clone Node-red
sudo apt-get install git -y
git clone https://github.com/node-red/node-red.git
• Bước 4: Truy cập vào thư mục node-red
cd node-red
• Bước 5: Cài npm và cập nhật node-js phiên bản mới nhất
sudo npm install n -g
sudo n stable
• Bước 6: Về lại thư mục trước
cd ..
• Bước 7: Cài grunt-cli
sudo npm install -g grunt-cli
• Bước 8: Vào lại thư mục node-red và build
cd node-red
grunt build

Hình 3.24: Khởi động Node-RED
Khởi động node bằng cách gõ node – red
Truy cập vào Node-RED ở đường dẫn http://127.0.0.1:1880/#
Hình 3.25: Màn hình thiết kế của Node-RED

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE

Similar to ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE (20)

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn (20)

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT TRANG TRẠI NÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG MẠNG ZIGBEE