Ứng dụng mạng internet để điều khiển thiết bị điện trong gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ỨNG DỤNG

ẠNGINTE NET ĐỂ ĐIỀU

THIẾT BỊ ĐIỆN T ONG GI Đ NH

NGUYỄN ĐỨC HIỂU

HÀ NỘI -2015

HIỂN


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

ỨNG DỤNG

ẠNGINTE NET ĐỂ ĐIỀU

HIỂN

THIẾT BỊ ĐIỆN T ONG GI Đ NH

NGUYỄN ĐỨC HIỂU
CHUYÊN NGHÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
MÃ SỐ: 60480201

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS. Nguyễn Quang Hoan

HÀ NỘI -2015


LỜI C

ĐO N

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của em và chưa được công bố trong
bất cứ công trình nào và chưa được đăng trong bất kỳ tài liệu, tạp chí, hội nghị nào
khác. Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Đức Hiểu

i


LỜI CẢ

ƠN

Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn trân thành đến thầy PGS.TS. Nguyễn Quang

Hoan, người đã tận tình giúp đỡ em rất nhiều về kiến thức chuyên môn cũng như
những tài liệu kỹ thuật phục vụ cho công tác nghiên cứu.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo đã và đang giảng dạy tại Viện Đại
học Mở - Hà Nội và các thầy cô trong Khoa Sau Đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ
em hoàn thành đề tài tốt nghiệp. Em cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã nhiệt tình
giúp đỡ, động viên và góp ý cho bản luận văn này.
Mặc dù em đã rất nỗ lực và cố gắng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này song
chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy, em rất mong được
sự hướng dẫn chỉ bảo, góp ý của thầy, cô và đồng nghiệpđể luận văn của em ngày
càng được hoàn thiện hơn.

ii


MỤC LỤC
LỜI C
ĐO N ............................................................................................. i
LỜI CẢ ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... v
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... vii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ THIẾT BỊ TỪ XA
TRONG GI Đ NH ........................................................................................ 2
1.1 Vấn đề đo và điều khiển các thiết bị trong gia đình từ xa ....................2
1.2 Mạng Internet ứng dụng trong điều khiển thiết bị gia đình từ xa .........5
1.2.1 Mạng cục bộ và giao thức ......................................................................5
1.2.2 Một số giao thức của mạng Internet ......................................................7
1.2.3

ng dụng điều hiển thiết bị qua giao thức UDP ...............................17

1.3 Các thành phần đo và điều khiển các thiết bị trong gia đình ...............17
1.3.1 Các đầu đo ...........................................................................................17
1.3.2 Ghép nối ...............................................................................................19
1.4 Các thiết bị thu thập số liệu ....................................................................21
1.4.1 PLC ......................................................................................................21
1.4.2 Vi điều khiển........................................................................................22

Chƣơng2: CẤU T ÚCVI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A ........................... 26
2.1 Giới thiệu chung ........................................................................................26
2.1.1 Sơ đồ khối của Vi điều khiển 16F877A ..............................................27
2.1.2 Các chân củaVi điều khiển PIC 16F877A ...........................................28
2.1.3 Các chân chức năng của Vi điều khiển ................................................29

iii


2.1.4 Các đặc điểm của Vi điều khiển 16F877A ..........................................30
2.1.5 Các phương pháp tổ chức bộ nhớ ........................................................31
2.2 Các cổng vào ra của PIC 16F887A ........................................................33
2.2.1 Các PORTA chính của PIC .................................................................33
2.2.2Giao tiếp nối tiếp ..................................................................................38
2.2.3Cổng giao tiếp song song ......................................................................39
2.3 Các đặc tính của CPU...............................................................................39
2.3.1 Bộ giao động ........................................................................................39
2.3.2 Các chế độ RESET ..............................................................................40
2.3.3 Chế độ nghỉ ..........................................................................................41

Chƣơng 3: ỨNG DỤNG VÀ THỬ NGHIỆM ............................................ 43

3.

ng ứng dụng điều khiển cho PIC 16F887A ................................43
3.1.1 Một số ứng dụng cụ thể .......................................................................43
3.1.2 Thiết kế giao diện điều khiển...............................................................45
3.1.3 Thiết kế mạch điện...............................................................................46

3.2 Mô tả hoạt động trao đổi dữ liệu .............................................................48
3.2.1 Trao đổi dữ liệu Client, Server, PIC ....................................................48
3.2.2 Cài đặt ..................................................................................................52

KẾT LUẬN .................................................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 63

iv


BẢNG DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
AC

Dòng điện xoay chiều

Alternating Current

ADC
ALU
ARP
AT
CGI

Analog to Digital Converter
Arithmetic Logic Unit
Address Resolution Protocol
Advanced Technology
Common Gateway Interface
Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CD
with Collision Detection
DC
Direct Current
DNS
Domain Name System
Electrically Erasable
EEPR
Programmable Read Only
Memory
FIN
Finish
FTP
File Transfer Protocol
HSC
High Speed Crystal

Bộ chuyển đổi tương tự sang số
Đơn vị số học logic
Giao thức phân giải địa chỉ
Công nghệ tiên tiến
Giao diện cổng chung
Tổ chức thâm nhập bằng cảm
nhận sóng mạng có dò xung đột

Dòng điện một chiều
Hệ thống tên miền
Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình
và xóa

Internet Group Management
Protocol
Internet Protocol

Kết thúc
Giao thức truyền tập tin
Tinh thể tốc độ cao
Giao thức vận chuyển siêu văn
bản
Giao thức thông báo điều hiển
mạng
Giao thức quản trị
nhóm
Internet
Giao thức Internet

IRC

Infrared Remote Control

Điều khiển hồng ngoại

ISP
LED
LP

Internet Service Provider
Light Emitting Diode
Low Power
Multipurpose Internet Mail
Extension
Network Information Server

Nhà cung cấp dịch vụ Internet
Diode phát quang
Bộ nguồn thấp
Phần mở rộng thư Internet đa
năng
Máy chủ thông tin mạng

POP3

Post Office Protocol

Giao thức bưu điện

PPP
PSH
PWM
RC
RF

Point-to-Point
Push
Pulse Width Modulation

Resistor Capacitor
Radio Frequency

Giao thức kết nối điểm điểm
Đẩy
Điều biến độ rộng xung
Dao động do mạch RC tạo ra
Tần số vô tuyến

HTTP

HyperText Transfer Protocol

ICMP

Internet Control Message Protocol

IGMP
IP

MIME
NIS

v


RIP
RST
SCI
SMTP

SYN

Telnet
TOS

Routing Information Protocol
Reset
Serial Communication Interface
Simple Mail Transfer Protocol
The Synchronous Idle Character
Transmission Control Protocol Internet Protocol
TErminaL NETwork
Type of Service

UDP

User Datagram Protocol

USART

UniversialSynchronous
Asynchronous Receiver
Transmitter

TCP/IP

VĐK
VXL
WAP
WDT

Thông tin định tuyến mạng
Khởi động lai
Giao diện truyền thông nối tiếp
Giao thức chuyển thư đơn giản
Ký tự đồng bộ hoá
Giao thức Điều khiển - giao thức
Internet
Thiết bị đầu cuối
Loại dịch vụ
Giao thức gói dữ liệu người
dùng
Chuyển đổi hông đồng bộ, bất
đồng bộ

Wireless Application Protocol
Watchdog Timer Reset

vi

Vi điều hiển
Vi xử lý
Giao thức ứng dụng hông dây
Thiết bị tính giờ thiết lập lại


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ kết nối ngôi nhà thông minh SmartHome ..................................3
Hình 1.2: Bộ điều khiển trung tâm LUMI ............................................................5
Hình 1.3: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP ..............................................................8

Hình 1.4: Cấu trúc gói TCP ................................................................................10
Hình 1.5: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP ............................................................12
Hình 1.6: Cấu trúc gói tin IP ..............................................................................14
Hình 1.7: Cấu trúc gói tin ARP ..........................................................................16
Hình 1.8: Mô hình sử dụng là Client/Server ......................................................17
Hình 1.9: Đầu đo cảm biến hồng ngoại ..............................................................18
Hình 1.10: Đầu đo hạ áp bằng đện trở ................................................................19
Hình 2.1: Sơ đồ hối của vi điều hiển 16F877A ..............................................27
Hình 2.2: Sơ đồ chân của vi điều hiển 16F877A..............................................28
Hình 2.3: Bộ nhớ chương trình PIC 16F887A ...................................................32
Hình 2.4: Bộ chuyểnđổi ADC ............................................................................37
Hình 3.1:Mạch nguyên lý ứng dụng điều hiển các PORT của vi điều hiển ...44
Hình 3.2: Giao diện điều hiển thiết bị ..............................................................45
Hình 3.3: Giao diện điều hiển điện hoa CNTT ..............................................46
Hình 3.4: Thiết ế mạch in của thiết bị điều hiển PIC 16F877A .....................46
Hình 3.5: Sơ đồ mạch của thiết bị điều hiển PIC 16F877A .............................47
Hình 3.6: Sơ đồ mô tả trao đổi dữ liệu ...............................................................48
Hình 3.7: Sơ đồ mô tả hoạt độngcủa hệ thống điều hiển .................................48
Hình 3.8: Bộ điều hiển thiết bị trung tâm chưa ết nối ....................................50

vii


Hình 3.9: Bộ điều hiển thiết bị trung tâm đã ết nối ........................................50
Hình 3.10: Thiết bị cảnh báo chuyển động.........................................................51
Hình 3.11: Sơ đồ mạch một lớp của bộ điều hiển ............................................51
Hình 3.12: Cấu hình máy chủ .............................................................................53
Hình 3.13: Cấu hình máy chủ .............................................................................53
Hình 3.14: Cấu hình máy chủ .............................................................................54
Hình 3.15: Cấu hình máy chủ .............................................................................54

Hình 3.16: Cấu hình máy chủ .............................................................................55
Hình 3.17: Nhập mật hẩu ..................................................................................56
Hình 3.18: Cấu hình máy chủ .............................................................................56
Hình 3.19: Cấu hình IP máy chủ ........................................................................56
Hình 3.20:Thiết lập IP tĩnh cho máy chủ ...........................................................57
Hình 3.21: Thiết lập IP tĩnh cho máy chủ ..........................................................57
Hình 3.22: Thiết lập IP tĩnh cho máy chủ ..........................................................58
Hình 3.23: Cấu hình trên Modem .......................................................................59
Hình 3.24: Cấu hình tạo một Host ......................................................................59

viii


LỜI MỞ ĐẦU
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đã làm thay đổi đến nhiều lĩnh vực
khoa học kỹ thuật. Một trong những ứng dụng rất được quan tâm hiện nay đang
được đề cập nhiều là “ngôi nhà thông minh”. Với khả năng lập trình, nhiều yêu cầu
mà trước kia rất hó hăn và tốn ém thì ngày nay đã trở nên đơn giản hơn.
Ngày nay nói đến điều thiển thông minh không thể hông nói đến công nghệ
thông tin qua đó nhờ công nghệ thông tin mà những thiết bị điều khiển hiện nay
được điều khiển một cách dễ dàng hơn.Nhiều phương pháp đo và điều khiểm mới
được hình thành và áp dụng nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của công
nghệ. Cũng chính nhờ công nghệ thông tin và sự đa dạng trong các giải pháp điều
khiển được kết hợp một cách hợp lý mang lại sự tiện lợi và hiệu suất cao.Công nghệ
điều khiển hoặc điều khiển tự động được ghép với máy tính thông qua các giao tiếp
được áp dụng khá rộng dãi và do vậycon người có thể ngồi một chỗ để điều khiển
các thiết bịthông qua mạng nội bộ hoặc Intenet.
Nhận thức được tầm quan trọng trong điều khiển thiết bị qua mạng ứng dụng
vào thực tế, em đã chọn luận văn tốt nghiệp Ứng ụng mạngInt rn t để điều
khiển thiết bị điện trong gia đình”. Trong thời gian hoàn thành luận văn, em đã

tìm hiều về một số thành phần của thiết bị đo và điều khiển xa: đầu đo, chuyển đổi
dữ liệu để tương thích về mặt dạng tín hiệu và công suất, bộ thu thập tín hiệu đo dựa
trên kỹ thuật vi điều khiển PIC, thiết ế bộ Kit vi điều hiển PIC, trao đôi dữ liệu
giữa bộ thu thập tín hiệu đo với máy tính và trao đổi dữ liệu qua mạng .
Do thời gian và trình độ hiểu biết về VĐK còn hạn chế do đó luận văn mới chỉ
mới đáp ứng các khả năng sau:
-

Điều khiển một số thiết bị điện qua mạng Internet

-

Thiết kế bộ điều khiển trung tâm đơn giản

Luận văn được thể hiện trong 3 chương với các nội dung sau:
Lời nói đầu
Chương 1: Tổng quan về điều khiển một số thiết bị từ xa trong gia đình
Chương 2: Cấu trúc về vi điều khiển PIC 16F877A
Chương 3:

ng dụng và thử nghệm

Kết luận và hướng phát triển của đề tài

1


Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỘT SỐ
THIẾT BỊ TỪ XA TRONG GI Đ NH
1.1 Vấn đề đo và điều khiển các thiết bị trong gia đình từ xa

Như chúng ta đều biết, sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin đã,
đang và sẽ là một nhân tố quan trọng góp phần làm thay đổi bộ mặt của các lĩnh vực
tự inh tế - xã hội, trong đó có môi trường sống của con người. Con người, giờ đây
có thể có một ngôi nhà trong đó đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng hách đến
toilet đều gắn các bộ điều hiển điện tử có thể ết nối với Internet và điện thoại di
động, cho phép chủ nhân điều hiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà
hoạt động theo lịch. Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và
chủ nhân của nó rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ, đặc
biệt là công nghệ thông tin đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua - bao gồm: sự tiện
nghi, tiết iệm thời gian, tiền bạc và năng lượng.
Các chức năng chính thường sử dụng trong ngôi nhà là:
-

Điều hiển nhiệt độ, độ ẩm thông qua điều hiển điều hòa, quạt

-

Điều hiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,...)

-

Điều hiển mành, rèm, cửa cổng

-

Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy

-

Hệ thống âm thanh đa vùng

-

Camera, chuông hình

-

Hệ thống bảo vệ nguồn điện

-

Các tiện ích và ứng dụng hác

Các thành phần của hệ thống đo và điều hiển các thiết bị trong ngôi nhà bao
gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sang,…), bộ phận thu thập
dữ liệu đo, các bộ điều hiển hoặc máy chủ và các thiết bị chấp hành hác. Nhờ hệ
thống cảm biến, bộ thu thập dữ liệu, các bộ điều hiển và máy chủ có thể theo dõi
các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều hiển các thiết bị
chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con
người.

2


Ngoài ra, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính
bảng và điện thoại thông minh cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như
Internet hoặc các mạng thông tin di động 3G, 4G, ngày nay các hệ thống đo và điều
hiển các thiết bị gia đình còn cung cấp hả năng tương tác với người sử dụng
thông qua các thiết bị điện tử cá nhân và cho phép con người có thể giám sát và điều
hiển ngôi nhà từ bất cứ đâu.

Hiện tại trên thế giới có rất nhiều hãng cung cấp cho các thiết bị đo và điều
hiển các thiết bị trongngôi nhà, trong đó nổi bật nhất là các hãng Home
Automation Inc (HAI- Nay là Leviton security & Automation), ELK, Vantage,
Control4. Ở thị những thị trường Việt Nam cũng đã có những hang đưa ra những
sản phẩm của mình như Lumi, B av SmartHome …
- Ngôi nhà thông minh SmartHome
Ngôi nhà thông minh SmartHome là sự ết nối tất cả các thiết bị trong nhà thành
một mạng để có thể điểu hiển chúng một cách linh hoạt hoặc theo ịch bản như bật
đèn, bật điều hòa , bật nước nóng , giám sát an ninh .vv..
Thông thường để điều hiển tất cả các thiết bị trong nhà, bạn cần tới hàng chục
công tắc, thậm chí với căn nhà lớn hàng trăm công tắc. Với nhà thông minh
SmartHome, bạn có thể điều khiển tất cả bằng một vài nút bấm trên màn hình cảm
ứng của smartphone hay máy tính bảng. Bạn cũng có thể điều khiển và kiểm soát
ngôi nhà thông qua giao diện trực quan 3D, ở đó các thiết bị được mô phỏng giống
như đang sử dụng thực tế, chỉ cần chạm vào thiết bị tương ứng trong màn hình để
điều khiển.

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối ngôi nhà thông minhSmartHome

3


Một kịch bản thường gặp, trước khi trở về nhà từ cơ quan, bạn chỉ cần bấm “Về
nhà”, bình nóng lạnh sẽ bật, hệ thống quạt thông gió, điều hòa nhiệt độ sẽ khởi
động… để khi bạn về đến nhà, tất cả đã sẵn sàng phục vụ.
Không chỉ điều khiển trực tiếp trên Smartphone, máy tính bảng, bạn có thể điều
khiển nhà mình bằng giọng nói của chính bạn. Nhà thông minh SmartHome được
trang bị công nghệ trợ lý ảo, giúp giao tiếp với hệ thống trở nên thân thiện, không
cứng nhắc như một hệ thống điều khiển thông thường. Sẽ là một trải nghiệm tuyệt
vời khi bạn ra lệnh bằng giọng nói và hệ thống đáp ứng bạn.

- Ngôi nhà thông minh LUMI
Lumi mong muốn tạo ra sản phẩm thương hiệu Việt phục vụ người Việt, Lumi Việt
Nam đã ra đời năm 2012 với sản phẩm đầu tiên là giải pháp nhà thông minh.
Nếu như yếu tố thẩm mỹ, sang trọng được ưu tiên hàng đầu thì chất lượng là vấn đề
sống còn. Đến nay giải pháp nhà thông minh của Lumi đã trải qua hàng chục phiên
bản, liên tục cải tiến và hoàn thiện, trong suốt quá trình đó đội ngũ ỹ sư của Lumi
được sự hợp tác, hỗ trợ của các chuyên gia đến từ các hãng cung cấp linh kiện hàng
đầu thế giới như Mỹ, Nhật, Hà Lan, Đài Loan, Singapore…
Là đơn vị đến sau trong thị trường giải pháp nhà thông minh, Lumi Việt Nam đã
phải xác định được hướng đi riêng của mình ngay từ đầu.
Sau 4 năm hông ngừng nỗ lực và phát triển, cho đến ngày hôm nay Lumi Việt
Nam đã có 35 đại lý trên cả nước và 1 nhà phân phối chính thức tại Australia. Mục
tiêu đến cuối năm 2016, Lumi Việt Nam sẽ mở rộng tới 120 đại lý trên khắp các
tỉnh thành và xuất khẩu tới 4 quốc gia trên thế giới (Australia, Ấn Độ, Lào,
Campuchia).
Sự tín nhiệm của các đối tác và hàng nghìn hách hàng đang sử dụng sản phẩm
công tắc cảm ứng của Lumi chính là lời chứng thực thuyết phục nhất cho giải pháp
nhà thông minh Lumi. Tính đến nay, Lumi Việt Nam đã cung cấp giải pháp và lắp
đặt cho rất nhiều dự án lớn trên cả nước:

4


Hình 1.2: Bộ điều khiển trung tâm LUMI

1.2 Mạng Internet ứng dụng trong điều khiển thiết bị gia đình từ xa
1.2.1 Mạng cục bộ và giao thức
Vì chỉ có một đường truyền vật lý trong mạng LAN, tại một thời điểm nào đó
LAN chỉ cho phép một thiết bị được sử dụng đường truyền để truyền tin. Nếu có hai
máy tính cùng gởi dữ liệu ở tại một thời điểm sẽ dẫn đến tình trạng đua tranh. Dữ

liệu của hai thiết bị này sẽ bị phủ lấp lẫn nhau, không sử dụng được. Vì thế cần có
một cơ chế để giải quyết sự cạnh tranh đường truyền giữa các thiết bị. Người ta gọi
phương pháp giải quyết cạnh tranh đường truyền giữa các thiết bị trong một mạng
cục bộ là Giao thức điều khiển truy cập đường truyền (Media Access Control
Protocol hay MAC Protocol). Có hai giao thức chính thường được dùng trong các
mạng cục bộ là: Giao thức CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with
Collision Detection) và Token Passing.
Trong các mạng sử dụng giao thức CSMA/CD như Ethernet chẳng hạn, các thiết
bị mạng tranh nhau sử dụng đường truyền. Khi một thiết bị muốn truyền tin, nó phải
lắng nghe xem có thiết bị nào đang sử dụng đường truyền hay không. Nếu đường
truyền đangrảnh, nó sẽ truyền dữ liệu lên đường truyền. Trong quá trình truyền tải, nó
đồng thời lắng nghe, nhận lại các dữ liệu mà nó đã gửi đi để xem có sự đụng độ với dữ
liệu của các thiết bị khác hay không. Một cuộc đụng độ xảy ra nếu cả hai thiết bị cùng
truyền dữ liệu một cách đồng thời. Khi đụng độ xảy ra, mỗi thiết bị sẽ tạm dừng một
khoản thời gian ngẫu nhiên nào đó trước khi thực hiện truyền lại dữ liệu bị đụng độ.

5


Khi mạng càng bận rộn thì tần suất đụng độ càng cao. Hiệu suất của mạng giảm đi
một cách nhanh chóng khi số lượng các thiết bị nối kết vào mạng tăng lên.
Trong các mạng sử dụng giao thức Token-passing như To en Ring hay FDDI,
một gói tin đặc biệt có tên là thẻ bài (To en) được chuyển vòng quanh mạng từ thiết
bị này đến thiết bị kia. Khi một thiết bị muốn truyền tải thông tin, nó phải đợi cho
đến hi có được token. Khi việc truyền tải dữ liệu hoàn thành, to en được chuyển
sang cho thiết bị kế tiếp. Nhờ đó đường truyền có thể được sử dụng bởi các thiết bị
khác. Tiện lợi lớn nhất của mạng Token-passing là ta có thể xác định được khoản
thời gian tối đa một thiết bị phải chờ để có được đường truyền và gởi dữ liệu. Chính
vì thế mạng Token-passing thường được sử dụng trong các môi trường thời gian
thực, như điều khiển thiết bị công nghiệp, nơi mà thời gian từ lúc phát ra một tín

hiệu điều khiển cho đến khi thiết bị nhận được tín hiệu luôn đảm bảo phải nhỏ hơn
một hằng số cho trước.
- Giao thức IP.
Giao thức liên mạng IP là một trong những giao thức quan trọng nhất của bộ
giao thức TCP/IP. Mục đích của giao thức liên mạng IP là cung cấp hả năng ết nối
các mạng con thành liên mạng để truyền dữ liệu. IP là giao thức cung cấp dịch vụ
phân phát datagram theo iểu hông liên ết và hông tin cậy nghĩa là hông cần có
giai đoạn thiết lập liên ết trước hi truyền dữ liệu, hông đảm bảo rằng IP datagram
sẽ tới đích và hông duy trì bất ỳ thông tin nào về những datagram đã gửi đi.
Giao thức giao tiếp hay còn gọi là giao thức truyền thông, giao thức liên
mạng, giao thức tương tác giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh là communication
protocol) - trong công nghệ thông tin gọi tắt là giao thức (protocol), tuy nhiên, tránh
nhầm với giao thức trong các ngành khác - là một tập hợp các quy tắc chuẩn dành
cho việc biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực và phát hiện lỗi dữ liệu - những
việc cần thiết để gửi thông tin qua các ênh truyền thông, nhờ đó mà các máy
tính (và các thiết bị) có thể ết nối và trao đổi thông tin với nhau.
Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số trong mạng máy
tính có nhiều tính năng để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậy qua

6


một ênh truyền thông hông hoàn hảo.Có nhiều giao thức được sử dụng để giao
tiếp hoặc truyền đạt thông tin trên Internet, dưới đây là một số các giao thức tiêu biểu.
TCP thiết lập ết nối giữa các máy tính để truyền dữ liệu. Nó chia nhỏ dữ
liệu rathànhnhững gói (packet)vàđảm

bảo

việc

truyền dữ

liệu thành

công.IP (Internet Protocol): định tuyến (Route) các gói dữ liệu hi chúng được
truyền qua Internet, đảm bảo dữ liệu sẽ đến đúng nơi cần nhận.
-

HTTP :cho phép trao đổi thông tin (chủ yếu ở dạng siêu văn bản) qua
Internet.
:cho phép trao đổi tập tin qua Internet.

-

FTP

-

SMTP :cho phép gởi các thông điệp thư điện tử (e-mail) qua Internet.

-

POP3 :cho phép nhận các thông điệp thư điện tử qua Internet.

-

MIME : một mở rộng của giao thức SMTP, cho phép gởi èm các tập
tin nhị phân, phim, nhạc,... theo thư điện tử.

-

WAP :cho phép trao đổi thông tin giữa các thiết bị hông dây, như điện
thoại di động.

1.2.2 Một số giao thức của mạng Internet
- 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

ng Dụng (Application Layer)

-

Tầng Giao Vận (Transport Layer)

-

Tầng Liên Mạng (Internet Layer)

-

Tầng Giao Tiếp Mạng (Networ Interface Layer)

-

Tầng

ng 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 thức thông
dụng trong tầng này là:HTTP,FTP,SMTP,…Trong phạm vi luận văn,chúng ta sử
dụng giao thức HTTP mà cụ thể là xây dựng một Webserver nhúng vào hệ thống.

7


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.

Hình 1.3: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP

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
( hi 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

8


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 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 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.
- Tầng Giao vận
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 và TCP do
UDP cung cấp các ênh truyền thông phi ết nối nên nó hông đảm bảo truyền dữ
liệu một cách tin cậy nên trong phạm vi luận văn chúng ta sử dụng thức TCP.Ngược
lại với UDP, TCP cung cấp các ênh truyền thông hướng ết nối và đảm bảo truyền
dữ liệu 1 cách tin cậy. TCP thường truyền các gói tin có ích thước lớn và yêu cầu
phía nhận xác nhận về các gói tin đã nhận. Cấu trúc gói TCP được thể hiện ởhình

1.4.
Số Port đích và số Port nguồn: để phân biệt các tiến trình ứng dụng đang xảy
ra trong máy tính.Các sốSequence và Acknowledgement: sốSequence 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) như sau:

9


- 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

Hình 1.4: Cấu trúc gói TCP

- PSH: được thiết lập trong trường hợp dữ liệu nên được giao tức thời
- RST: chỉ thị một lỗi sai và hủy bỏ phiên làm việc
- SYN: trong các bản tin khởi tạo khi thiết lập một kết nối truyền dữ liệu
-FIN (Finish): dùng đóng 1 phiên làm việc
- 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 ích 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 ích 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

10

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 (hình 1.5).
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 cảClient và Server. CảClient và Server đều bắt
đầu bằng trạng thái “Close”. Client sẽ thiết lập kết nối theo con đường Active Open
(nó chủ động thiết lập kết nối). Server sẽ thiết lập kết nối theo con đường Passive
Open. 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 từClient 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 hànhtruyền dữ liệu, trạng thái cả hai
đều là “Established”.
Một trong hai phía truyền xongdữ 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

11


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).

Hình 1.5: Lƣu đồ trạng thái kết nối TCP
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 ết nối, quay lại trạng
thái “Close”.Khi Server nhận được nó cũng chuyển từ “Last ACK” sang “Close”
(không cần đợi Timeout)

12


- Tầng Internet: Nằm bên trên tầng truy nhập mạng. Tầng này có chức năng
gán địa chỉ, đóng gói và định tuyến (Route) dữ liệu.Các giao thức quan trọng nhất
trong tầng này gồm:
+ IP (Internet Protocol): Có chức năng gán địa chỉ cho dữ liệu trước hi 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 hiển
truyền đa hướng (Multicast) .

+ Cấu trúc của gói IP (hình 1.6).
+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 hông phân đoạn gói này.
+Bit 3: MF (More Fragment) = 0 => đây là phân đoạn cuối cùng.
Fragmented offset (13 bit): độ dài (đơn vị 8 byte) tính từ điểm bắt đầu của
Header tới điểm bắt đầu của phân đoạnTTL (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.

13


Hình 1.6: Cấu trúc gói tin IP
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 vật 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.Nhưng giao thức Ethernet lại gửi các khung dữ liệu
đi dựa vào một loại địa chỉ hác 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 hông 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

14


Header của hung 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, hi 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 hông biết địa chỉ MAC tương ứng. Vậy nảy sinh một vấn đề là
làm sao biết được địa chỉ MAC của một Host hi biết địa chỉ IP.Đến đây, chính là
phát sinh vai trò của giao thức phân giải địa chỉ (ARP – Address Resolution
Protocol). Vai trò của giao thức này là tìm ra địa chỉ MAC hi biết địa chỉ IP của 1
Host.Cấu trúc gói ARPđược thể hiện ở hình 1.7.
- 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”. 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.

15