Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua ethernet và SMS

Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
MỤC LỤC
1
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới
của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Và khái
niệm về ngôi nhà thông minh đã ra đời. Một ngôi nhà thông là một giải pháp
điều khiển tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe
nhìn, truyền thông thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất.
Nhận thức được tầm thực tiễn của ngôi nhà thông minh là cơ sở để chúng
em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong
gia đình qua Ethernet và SMS”. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng
em đã tìm hiều về vi điều khiển, các chế độ truyền thông, cảm biến đo, cơ cấu
chấp hành, cách kết nối mạng Ethernet, điều khiển qua tin nhắn SMS, đồng thời
tìm hiểu về các chỉ tiêu của một ngôi nhà thông minh.
Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Vũ Vân Hà cùng với sự
cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án
đúng thời hạn cho phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến
thức rất lớn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều thiếu xót. Vì vậy chúng
em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo và các
bạn sinh viên để chúng em có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện
1. Nguyễn Tất Nam
2. Đào Cửu Long
3. Mai Trung Chính
2
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP

1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ
thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển
đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công
nghiệp, cung cấp thông tin Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điều khiển
tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm
góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự
phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát
triển của nền kinh tế nước nhà.
Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy,
trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi
thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt
của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu.
Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin
nhắn SMS thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với
nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể
giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu.
Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua
mạng Ethernet và tin nhắn SMS gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt
máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo
động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị
này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm.
Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một
bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường,
các thiết bị trong ngôi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng
3
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Ethernet hoặc tin nhắn SMS của chủ nhà. Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện
… khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà. Hay chỉ với một tin
nhắn SMS, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi

về nhà trong một khoảng thời gian nhất định. Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo
cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu, đồng thời
phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá giới hạn cho phép. Ngoài ra,
hệ thống còn mang tính bảo mật. Nghĩa là chỉ có những số điện thoại được cài
đặt trước và biết đúng mật khẩu thì mới có thể điều khiển được hệ thống.
Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống,
cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã
chọn đề tài " Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua mạng Ethernet và tin
nhắn SMS " để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần
vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà.
Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba
hướng hướng chính:
 Điều khiển thiết bị qua Ethernet với giao thức TCP/IP. Người dùng đăng
nhập vào Website và thực hiện điều khiển thiết bị qua giao diện Web.
 Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ những số điện thoại được cho
phép. Thiết bị sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước. Phân tích
yêu cầu điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị.
 Đo và thông báo nhiệt độ trong phòng, phát tín hiệu cảnh báo nếu nhiệt
độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép.
1.2 Ý nghĩa của đề tài
Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra
đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu
4
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng
muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và
công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh
này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mỹ
thì mô hình ngôi nhà tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ.
Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa một phần những kỹ

thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước để có thể tạo
ra một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và
tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề tài lấy cơ
sở là mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị. Việc sử dụng mạng
Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí,
mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính
mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như
trong công nghiệp.
1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu
Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng
Ethernet và tin nhắn SMS áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh như nói trên là
rất phức tạp và rất tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này
đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định. Bên cạnh đó còn là vấn
đề tài chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm em
thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó. Đó là điều khiển
đóng mở đèn, ngoài ra còn có chức năng báo động khi nhiệt độ trong phòng tăng
cao quá nhiệt độ cho phép.
Với những gì đã trình bày trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu, khảo
sát và thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau:
5
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
- Thiết lập một Website và thực hiện điều khiển các thiết bị qua giao diện
Web, sau khi thực hiện lệnh điều khiển trạng thái của thiết bị on/off được
thể hiện ngay trên giao diện Web.
- Điều khiển các thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS. Sau khi thực hiện
lệnh điều khiển xong, tự động gửi tin nhắn lại cho người dùng biết đã thực
hiện thành công.
- Gửi tin nhắn thông báo trạng thái của các thiết bị và nhiệt độ trong phòng
hiện tại là bao nhiêu.
- Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng tự động phát tín hiệu cảnh bảo qua

chuông và tin nhắn khi nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn
cho phép.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
- Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến
thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều
khiển tự động từ xa qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS.
- Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện điều khiển qua
mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP.
- Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay. Nghiên cứu và sử
dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay. Module nhóm thực hiện
nghiên cứu và sử dụng là module SIM900 của hãng SIMCom.
- Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip. Chip mà
nhóm đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip PIC18F8722.
6
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài
Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu,
tìm tòi của các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đã đạt
được những kết quả nhất định sau:
Thiết kế thành công mạch điều khiển giao tiếp qua mạng Ethernet và tin
nhắn SMS với các tính năng:
+ Giao tiếp thành công với mạng Ethernet qua chuẩn truyền thông TCP/IP,
thực hiện quan sát trạng thái và ra lệnh điều khiển thiết bị qua giao diện
Webserver.
+ Giao tiếp thành công với module SIM900, nhận và gửi tin nhắn thành
công, thực hiện điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS.
+ Cảnh báo tới người dùng và phát tín hiệu ra chuông khi nhiệt độ phòng
tăng cao vượt quá giới hạn cho phép.
+ Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc tích hợp thêm
các ngoại vi trong tương lai.

7
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
1.6 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG
 Sơ đồ tổng quan của hệ thống:
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống
Dù đang ở rất xa ngôi nhà, người sử dụng có thể dùng máy tính được kết
nối với mạng Internet hoặc các thiết bị như điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ
tin nhắn SMS để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện
trong gia đình. Điều này rất thuật tiện khi bạn thường xuyên phải ra khỏi nhà và
muốn cập nhật trạng thái và điều khiển hoạt động của các thiết bị điện trong ngôi
nhà.
8
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
 Sơ đồ khối của bộ điều khiển:
Hình 1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển
Chức năng từng khối:
 Khối giao tiếp SMS:
Gồm Module SIM900, có chức năng gửi nhận tin nhắn SMS cho việc điều
khiển các thiết bị. Module SIM900 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722,
có nhiệm vụ nhận SMS gửi tới vi điều khiển và gửi SMS tới người sử dụng khi
có yêu cầu.
 Khối giao tiếp ETHERNET:
Gồm ENC26JC0 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722 truyền nhận
tín hiệu qua giao thức SPI. Khối này có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển qua
9
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Webserver với giao thức TCP/IP. Vi điều khiển nhận lệnh, thực thi xong và gửi
trả lại kết quả.
 Khối vi điều khiển PIC18F8722
Khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển. Vi điều khiển nhận tín hiệu

từ khối giao tiếp SMS, khối giao tiếp Ethernet và cảm biến, sau đó đưa ra tín
hiệu điều khiển đồng thời hiển thị lên LCD.
 Khối cảm biến nhiệt độ
Cảm biến được sử dụng là DS18B20 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và gửi tín
hiệu tới vi điều khiển. Khi nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị cho phép thì vi điều
khiển phát tín hiệu cảnh báo.
 Khối hiển thị LCD
Gồm TEXT LCD 16x2, có nhiệm vụ hiện thị các thông tin có liên quan tới
việc điều khiển, giúp cho giao diện giữa người dùng và thiết bị trực quan hơn.
 Khối công suất
Khối này bao gồm 4 BJT C1815 có nhiệm vụ khuếch đại điện áp để kích
cho relay. Khối công suất với dòng thấp, đáp ứng tải tiêu tụ công suất dân dụng
như bóng đèn.
 Khối nguồn
Tạo nguồn với hai mức điện áp 5V cấp cho vi điều khiển và 3V3 cấp cho
ENC26JC0. Ngoài ra module SIM900 được cấp nguồn với điện áp 4V.
10
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC
TCP/IP
2.1 Tổng quan về Ethernet
2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet
Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp
OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame).
Cấu trúc khung Ethernet như sau:
Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet
Mở đầu
555…5H
SFD
(D5H)

Địa chỉ
đích
Địa chỉ
nguồn
Độ dài
kiểu
gói
Dữ liệu PAD FCS
7byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte
- Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn
mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng
hồ 10 Mhz.
- SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1
khung. Nó luôn mang giá trị 10101011.
- Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và
gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu.
- LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo.
- FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường
này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương
tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại
khung coi như là lỗi và bị loại bỏ.
2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet
11
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6
octet). Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC
(Media Access Control Address ). Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số
hexa ( hệ cơ số 16 ). Ví dụ:00:60:97:8F:4F:86 hoặc 00-60-97-8F-4F-86.Khuôn
dạng địa chỉ MAC được chia làm 2 phần:
- 3 octet đầu xác định hãng sản xuất, chịu sự quản lý của tổ chức IEEE.

- 3 octet sau do nhà sản xuất ấn định.
Kết hợp ta lẽ có một địa chỉ MAC duy nhất cho một giao tiếp mạng
Ethernet. Địa chỉ MAC được sử dụng làm địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong
khung Ethernet.
2.1.3 Các loại khung Ethernet
2.1.3.1 Khung unicast
Khung này được truyền tới một trạm xác định. Tất cả các trạm trong phân
đoạn mạng trên sẽ đều nhận được khung này nhưng:
- Chỉ có trạm 2 thấy địa chỉ MAC đích của khung trùng với địa chỉ MAC của giao
tiếp mạng của mình nên tiếp tục xử lý các thông tin khác trong khung.
- Các trạm khác sau khi so sánh địa chỉ sẽ bỏ qua không tiếp tục xử lý khung nữa.
2.1.3.2 Khung broadcast
Các khung broadcast có địa chỉ MAC đích là FF-FF-FF-FF-FF-FF. Khi
nhận được các khung này, mặc dù không trùng với địa chỉ MAC của giao tiếp
mạng của mình nhưng các trạm đều phải nhận khung và tiếp tục xử lý.
12
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
2.1.3.3 Khung multicast
Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả.
Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng
nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này.
2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD
Hình 2.1: Minh họa phương pháp CSMA/CD
Nguyên tắc làm việc phương pháp CSMA/CD:
Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập bus mà không
cần một sự kiểm soát nào. Phương pháp được tiến hành như sau:
- Mỗi trạm đều phải tự nghe đường dẫn (carrier sense), nếu đường dẫn rỗi (không
có tín hiệu ) thì mới được phát.
- Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai
trạm cùng phát tín hiệu lên đường dẫn. Chính vì vậy, trong khi phát thì mỗi trạm

13
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem
có xảy ra xung đột hay không (collision detection).
- Trong trường hợp xảy ra xung đột, mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình,
chờ một thời gian ngẫu nhiên và thử gửi lại.
2.2 Họ giao thức TCP/IP
TCP/IP là viết tắt của Transmission Control Protocol / Internet Protocol
(Giao thức Điều Khiển Truyền Thông /Giao thức Internet).Các tầng trong mô
hình này là:
- Tầng Ứng Dụng (Application Layer).
- Tầng Giao Vận (Transport Layer).
- Tầng Liên Mạng (Internet Layer).
- Tầng Giao Tiếp Mạng (Network Interface Layer).
Hình 2.2: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP
2.2.1 Tầng Ứng Dụng (Application Layer)
Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng. Được sử
dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng và hệ thống. Một số giao
14
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
thức thông dụng trong tầng này là: HTTP, FTP, SMTP,…Trong phạm vi đồ án,
chúng ta sử dụng giao thức HTTP mà cụ thể là xây dựng một Webserver nhúng
vào hệ thống.
HTTP là giao thức truyền tải siêu văn bản (HyperText Transfer Protocol).
HTTP xác định cách các thông điệp được định dạng và truyền tải ra sao và hoạt
động của Webserver và các trình duyệt Web.Trong mô hình của HTTP,
Webserver đồng thời cũng là TCPServer, mở sẵn port mặc định dành cho dịch
vụ HTTP là TCP80 (ở chế độ listen), sẵn sàng đợi yêu cầu kết nối từ các client.
Các client sẽ khởi tạo kết nối TCP thông qua port này, sau khi Webserver chấp
nhận kết nối, client sẽ gửi một bản tin HTTP (HTTP message) gọi là HTTP

request tới server trên kết nối TCP vừa thiết lập. Server sẽ trả lời lại bằng một
bản tin HTTP khác là HTTP response. Bản tin này sẽ chứa nội dung trang Web
yêu cầu (được viết bằng ngôn ngữ HTML).Như vậy giao thức HTTP sẽ dựa cơ
bản trên các bản tin HTTP, gồm 2 loại là HTTP request và HTTP response.
Giả sử ta truy nhập vào địa chỉ IP của webserver là 192.168.1.10 qua trình duyệt:
• Lúc đó, máy tính của chúng ta sẽ gửi đi một bản tin request của giao thức
HTTP là HTTP Get thông qua giao thức TCP (với cổng TCP được qui
định cho giao thức HTTP là 80) đến địa chỉ webserver trên.
• Webserver, ở đây chính là vi điều khiển của chúng ta nhận được bản tin
này (khi đã đi qua hết các lớp giao thức ethernet, IP, TCP rồi mới đến
HTTP). Tại đây vi điều khiển sẽ đọc và phân tích bản tin HTTP request
này để biết máy tính đang yêu cầu tải nội dung trang web nào.
• Sau đó vi điều khiển sẽ lấy nội dung trang web này (được soạn thảo theo
ngôn ngữ HTML) chứa trên trên ROM, nó cũng có thể thêm vào trang
web đó một số thông tin (ví dụ đọc giá trị từ các sensor cảm biến nhiệt độ
và đưa vào trong trang web), và gửi toàn bộ nội dung trang web thông qua
giao thức TCP trở lại cho máy tính. Nếu nội dung trang web lớn nó có thể
15
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
được gửi đi trên rất nhiều gói tin, vì mỗi gói tin chỉ chứa tối đa 1460 byte
dữ liệu.
• Máy tính nhận nội dung trang web và trình duyệt sẽ hiển thị lên cho chúng
ta thấy. Để điều khiển thiết bị kết tới hệ thống từ xa qua web, trên trang
web ta có thể thiết kế một nút nhấn chẳng hạn. Khi ta nhấn nút này trên
trình duyệt, máy tính sẽ gửi đi một bản tin HTTP nữa là HTTP Get. Vi
điều khiển sẽ nhận bản tin HTTP post này, phân tích dữ liệu chứa trong đó
để có đáp ứng tương ứng (bật tắt bóng đèn) sau đó nó sẽ gửi trả lại lần nữa
nội dung trang web đã cập nhật những thay đổi vừa rồi.Trình duyệt sẽ cập
nhật nội dung này lên và ta sẽ thấy được tác động của thao tác điều khiển.
2.2.2 Tầng Giao Vận (Transport Layer)

Nhiệm vụ của tầng là thiết lập phiên truyền thông giữa các máy tính và
quy định cách truyền dữ liệu. Hai giao thức chính trong tầng này gồm UDP
(User Datagram Protocol) và TCP (Transmission Control Protocol). Do UDP
cung cấp các kênh truyền thông phi kết nối nên nó không đảm bảo truyền dữ liệu
một cách tin cậy nên trong phạm vi đồ án chúng ta sử dụng thức TCP.Ngược lại
với UDP, TCP cung cấp các kênh truyền thông hướng kết nối và đảm bảo truyền
dữ liệu 1 cách tin cậy. TCP thường truyền các gói tin có kích thước lớn và yêu
cầu phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận.
Cấu trúc gói TCP:
16
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Hình 2.3: Cấu trúc gói TCP
Chú thích:
- Số port đích và số port nguồn: để phân biệt các tiến trình ứng dụng đang xảy
ra trong máy tính
- Các số sequence và Acknowledgement: số sequence để phân biệt các segment
khác nhau trong một dòng dữ liệu, các số Acknowledgement dùng trong cơ
chế xác nhận
- Vùng Data offset: chiều dài của Header tính theo đơn vị 32 bit
Một số cờ (flags):
.URG (Urgent): thiết lập 1 khi có dữ liệu quan trọng cần truyền ngay.
.ACK: cho biết có số xác nhận nằm trong vùng Acknowledgement
. PSH (Push): được thiết lập trong trường hợp dữ liệu nên được giao tức
thời
.RST (Reset): chỉ thị một lỗi sai và hủy bỏ phiên làm việc
. SYN (Synchronize): trong các bản tin khởi tạo khi thiết lập một kết nối
truyền dữ liệu
. FIN (Finish): dùng đóng 1 phiên làm việc
17
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà

- Vùng Window: chỉ ra số lượng không gian bộ đệm khả dụng để nhận dữ liệu
- Vùng Checksum: vùng kiểm tra sai cho cả segment
- Vùng Urgent Pointer: chỉ ra chiều dài của dữ liệu urgent
- Vùng Options: xác định kích thước cực đại của 1 segment
Cụ thể hơn, vai trò của TCP trong chồng giao thức TCP gồm 3 chức năng
chính: điều khiển luồng, kiểm soát lỗi và báo nhận.
- Điều khiển luồng: điều phối tốc độ và kích thước luồng dữ liệu để đảm bảo
phía nhận đủ khả năng nhận và xử lý luồng dữ liệu.
- Kiểm soát lỗi: đảm bảo các gói tin đến đúng và đủ.
- Báo nhận: khi nhận được dữ liệu và không có lỗi, phía nhận phải báo lại với
phía gửi biết.
Để thực hiện được các chức năng đó, một quá trình truyền dữ liệu qua giao
thức TCP (mà ta gọi là phiên truyền thông – session) gồm có 3 giai đoạn: Thiết
lập kết nối, truyền dữ liệu và giải phóng kết nối.
Để có thể giám sát chặt chẽ trạng thái và mọi sự kiện xảy ra trong một kết
nối TCP, trạng thái của một kết nối TCP được chuyển đổi tuân theo một lưu đồ
trạng thái như sau:
18
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Hình 2.4: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP
Giải thích:
- TCP là giao thức hướng kết nối, dạng client – server. Tức là trong một phiên
truyền thông thì sẽ có một phía đóng vai trò client, phía còn lại, lúc nào cũng ở
trạng thái chờ đợi các client thiết lập kết nối tới chính là server.
- Ví dụ khi ta truy cập web, thì máy tính của ta là client, máy chủ chứa trang web
chính là server – vi điều khiển, lúc nào cũng ở trạng thái đợi các máy tính client
kết nối đến (và phải có khả năng thiết lập đồng thời nhiều kết nối, vì có thể có
nhiều client kết nối tới cùng lúc).
- Trong lưu đồ trên, áp dụng cho cả client và server. Cả client và server đều bắt
đầu bằng trạng thái “Close”. Client sẽ thiết lập kết nối theo con đường Active

19
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Open (nó chủ động thiết lập kết nối). Server sẽ thiết lập kết nối theo con đường
Passive Open (thụ động, vì nó đợi client bắt đầu mà)
Quá trình chuyển trạng thái:
- Cả hai bắt đầu bằng trạng thái close, không có kết nối nào tồn tại.
- Khi Server mở một port TCP để đợi client thiết lập kết nối, nó chuyển sang
trạng thái “Listen”.
- Khi client gửi đi bản tin SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN sent”.
- Lúc này khi server nhận được bản tin SYN từ client và gửi đáp lại 1 bản tin
SYN, nó chuyển sang trạng thái “SYN Received”.
- Lúc này client gửi lại bản tin xác nhận ACK (bước 3 trong ví dụ), nó chuyển
sang trạng thái thiết lập kết nối “Established”.
- Server nhận được bản tin ACK trên của client, nó cũng chuyển sang trạng thái
“Established”.
- Sau đó hai bên tiến hành truyền dữ liệu, trạng thái cả hai đều là “Established”.
- Một trong hai phía truyền xong dữ liệu, đến đây thì vai trò hai bên là như nhau,
ta giả sử client truyền xong dữ liệu trước, nó sẽ gửi bản tin FIN, và chuyển sang
trạng thái “FIN wait 1”.
- Phía server nhận được bản tin này, gửi xác nhận ACK, và chuyển sang trạng
thái “Close wait”.
- Khi client nhận được xác nhận từ server (nhận được bản tin ACK trên) thì nó
chuyển sang trạng thái “FIN wait 2”.
- Đến lúc này server vẫn có thể tiếp tục gửi dữ liệu và client vẫn tiếp tục nhận (vì
chỉ có client báo là gửi xong dữ liệu).
- Đến khi nào server cũng gửi hết dữ liệu, nó sẽ gửi đi bản tin FIN, cho biết nó
cũng đã gửi xong dữ liệu và chuyển sang trạng thái “LAST ACK”.
- Khi client nhận được bản tin FIN trên từ server, nó gửi xác nhận (ACK) và
chuyển sang trạng thái “Time wait”, sau đó chờ 1 khoảng thời gian Timeout và
đóng kết nối, quay lại trạng thái “Close”.

- Khi server nhận được nó cũng chuyển từ “Last ACK” sang “Close” (không cần
đợi Timeout)
20
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer)
Nằm bên trên tầng truy nhập mạng. Tầng này có chức năng gán địa chỉ, đóng gói
và định tuyến (Route) dữ liệu. 4 giao thức quan trọng nhất trong tầng này gồm:
- IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước khi
truyền và định tuyến chúng tới đích.
- ARP (Address Resolution Protocol): Có chức năng biên dịch địa chỉ IP của
máy đích thành địa chỉ MAC.
- ICMP (Internet Control Message Protocol): Có chức năng thông báo lỗi
trong trường hợp truyền dữ liệu bị hỏng.
- IGMP (Internet Group Management Protocol): Có chức năng điều khiển
truyền đa hướng (Multicast) .
- Cấu trúc của gói IP:
Hình 2.5: Cấu trúc gói tin IP
Ý nghĩa:
- Version (có chiều dài 4 bit): cho biết phiên bản của giao thức, đối với
trường hợp của chúng ta, giao thức là IP version 4, trường này sẽ luôn có
giá trị là 4 (0100).
- Header Length (4 bit): cho biết chiều dài của header IP, tính theo đơn vị 4
byte (32 bit).
21
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
- TOS (8 bit): Type of Service.
- Total Length (16 bit): 16 bit tổng chiều dài của gói IP gồm cả phần header.
- Identification (16 bit): dùng nhận diện các phân đoạn của gói IP.
- Flags:
. Bit đầu tiênkhông sử dụng.

. Bit 2: DF (Don’t Fragment) = 1 có nghĩa là không phân đoạn gói này.
. Bit 3: MF (More Fragment) = 0 => đây là phân đoạn cuối cùng.
- Fragmented offset (13 bit): độ dời (đơn vị 8 byte) tính từ điểm bắt đầu của
Header tới điểm bắt đầu của phân đoạn
- TTL (Time to Live) (8 bit): thời gian tồn tại trên mạng hoặc số chặng trên
mạng mà gói đi qua trước khi bị hủy bỏ.
- Protocol (8 bit): nhận diện Protocol trên lớp IP.
- Header checksum (16 bit): sửa sai cho phần Header.
- Các vùng địa chỉ nguồn, địa chỉ đích: địa chỉ IP 32 bit.
- Option: các tùy chọn dùng cho việc kiểm tra: Loose source routing, Strict
source routing, Record route và Timestamp.
- Padding: Gồm các số zero được thêm vào sao cho chiều dài của vùng
Header là bội số của 32 bit.
Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức IP được tiến hành như sau:
- Khi nhận được một segment dữ liệu (từ giao thức lớp trên là TCP) cần gửi
đến đích nào đó, địa chỉ đích này phải được xác định bằng địa chỉ IP (tức
là địa chỉ mạng hay địa chỉ luận lý). Lớp giao thức IP sẽ gắn thêm vào đầu
segment dữ liệu một header IP để tạo thành gói IP hoàn chỉnh. Trong
header IP này có chứa 2 thông tin quan trọng, đó là địa chỉ host gửi
(source IP address) và địa chỉ host nhận (destination IP address). Địa chỉ
source đương nhiên là địa chỉ của bản thân nó, còn địa chỉ đích phải được
cung cấp cho lớp IP khi muốn gửi dữ liệu qua giao thức này.
- Gói tin IP này sau đó được chuyển đến lớp giao thức ethernet để thêm
phần header ethernet vào và gửi đi.
22
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Nhưng giao thức ethernet lại gửi các khung dữ liệu đi dựa vào một loại địa
chỉ khác là địa chỉ MAC (hay còn gọi là địa chỉ vật lý). Tại sao lại cần đến 2 địa
chỉ như vậy? Lý do là địa chỉ vật lý chỉ có giá trị trong phạm vi mạng LAN, nó
sẽ không thể giúp xác định vị trí host ở bên ngoài phạm vi mạng LAN. Khi gửi

dữ liệu ra ngoài mạng LAN, các router sẽ chuyển dữ liệu đi dựa và địa chỉ IP.
Như vậy trong phần địa chỉ MAC nguồn và địa chỉ MAC đích trong header của
khung ethernet, ta sẽ điền các địa chỉ nào? Đối với địa chỉ MAC nguồn, đương
nhiên ta sẽ điền địa chỉ MAC của chính ENC28J60 đã được xác lập. Nhưng còn
địa chỉ MAC đích, sẽ có 2 trường hợp xảy ra:
- Nếu host đích nằm trong cùng 1 mạng LAN với chúng ta, ta sẽ điền địa
chỉ MAC đích là địa chỉ tương ứng của host đích. Frame dữ liệu sẽ được
gửi thẳng đến đích.
- Nếu host đích nằm bên ngoài mạng LAN, rõ ràng ta không thể gửi dữ liệu
trực tiếp đến host đích mà phải thông qua gateway, khi đó địa chỉ MAC
đích phải là địa chỉ gateway.
Vẫn còn một vấn đề nữa mà ta phải giải quyết. Đó là trong cả hai trường
hợp trên, dù là cần gửi cho gateway hay thẳng đến host đích, thì đến đây, ta mới
chỉ biết địa chỉ IP của host đích (hay của gateway) mà không biết địa chỉ MAC
tương ứng. Vậy nảy sinh một vấn đề là làm sao biết được địa chỉ MAC của một
host khi biết địa chỉ IP?
Đến đây, chính là phát sinh vai trò của giao thức phân giải địa chỉ (APR –
Address Resolution Protocol). Vai trò của giao thức này là tìm ra địa chỉ MAC
khi biết địa chỉ IP của 1 host.
23
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
Cấu trúc gói ARP:
Hình 2.6: Cấu trúc gói tin ARP
Ý nghĩa:
• Hardware type (2 bytes): cho biết loại địa chỉ phần cứng, đối với địa chỉ
MAC của giao thức ethernet thì giá trị này được qui định là "0x0001".
• Protocol type (2 bytes): cho biết loại địa chỉ giao thức lớp trên, đối với địa
chỉ IP, giá trị này được qui định là “0x0800”.
• HLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ vật lý (địa chỉ MAC).
• PLEN (1 byte): cho biết chiều dài của địa chỉ giao thức (địa chỉ IP).

• Operation (2 bytes): cho biết hoạt động đang thực hiện trong gói tin này
(request hay reply).
• Sender H/W (hardware address, 6 bytes): địa chỉ vật lý của phía gửi.
• Sender IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía gửi.
• Target H/W (6 bytes): địa chỉ vật lý của phía nhận, nếu chưa biết thì sẽ là
chứa toàn 0.
• Target IP (4 bytes): địa chỉ IP của phía nhận.
Cách thức mà dữ liệu được gửi qua giao thức ARP được tiến hành như sau:
- Khi giao thức IP đưa xuống yêu cầu tìm chỉ MAC của host có IP là a.b.c.d
thì nó phải trả lời ngay địa chỉ MAC của địa chỉ trên dạng
XX:XX:XX:XX:XX:XX.
24
Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà
- Cách thức ARP lấy thông tin giải quyết vấn đề trên là: giao thức ARP duy
trì một bảng gọi là ARP cache gồm hai cột, một cột ghi địa chỉ IP, một cột
ghi địa chỉ MAC tương ứng với địa chỉ IP đó. Mỗi khi được hỏi bởi giao
thức IP, nó sẽ tra bảng này để tìm câu trả lời. Khi được hỏi về một địa chỉ
IP a.b.c.d nào đó mà không có sẵn trong bảng ARP cache, nó sẽ lập tức
tìm trong mạng LAN phần tử có địa chỉ IP là a.b.c.d bằng cách gửi yêu
cầu tới các phần tử trong mạng LAN. Các phần tử này đều nhận được yêu
cầu và phần tử nào có IP a.b.c.d sẽ trả lời lại địa chỉ MAC của nó là
XX:XX:XX:XX:XX:XX. Vậy giao thức ARP sẽ lập tức thêm cặp địa chỉ
IP a.b.c.d và địa chỉ MAC XX:XX:XX:XX:XX:XX vào trong bảng ARP
cache và trả lời lại cho giao thức IP.
2.2.4 Lớp giao tiếp mạng
Tầng giao tiếp mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết
bị trong cùng một mạng. Giao thức được sử dụng trong phạm vi đồ án là giao
thức Ethernet. Phần cứng được sử dụng chip giao tiếp Ethernet ENC28J60 giao
tiếp qua chuẩn SPI ( Serial Pheripheral Interface ).
Trong chồng giao thức TCP/IP, giao thức Ethernet đóng vai trò lớp truy

nhập và truyền dẫn. Việc gửi và nhận dữ liệu ở lớp Ethernet được thực hiện dựa
vào địa chỉ vật lý hay còn gọi là địa chỉ MAC. Trong mỗi khung Ethernet đều
chứa 2 địa chỉ MAC: một địa chỉ của host gửi và một địa chỉ của host nhận. Khi
lớp Ethernet nhận được một khung dữ liệu, trước hết nó sẽ kiểm tra địa chỉ host
nhận xem có phải là địa chỉ của nó không (tức là gửi cho nó), nếu đúng nó sẽ
nhận khung này và chuyển đến lớp IP. Ngoài ra còn có 1 trường hợp nữa lớp
Ethernet sẽ nhận khung là nếu địa chỉ host nhận là địa chỉ broadcast (tức là gửi
cho tất cả mọi máy trong mạng LAN), trong trường hợp này frame sẽ được nhận
và xử lý.Ngoài việc kiểm tra địa chỉ, trong khng Ethernet còn có 1 trường chứa
25