Chào mọi người ! Hôm nay Randy xin gửi lên đây một bài viết mà rất nhiều anh em làm kỹ thuật đang thắc mắc và cũng không có thời gian để tổng hợp. Vâng, đó chính là Kỹ Thuật Sóng RF 433Mhz và 315Mhz đang sử dụng rất phổ biến trong việc truyền tín hiệu vô tuyến qua một khoảng cách khá xa (vài trăm mét) như remote ôtô, mở cửa cuốn, nhà thông minh, truyền dữ liệu giữa các vi điều khiển v.v…

Vậy anh em kỹ thuật cần biết gì trong khi sóng điện từ đối với đa số chúng ta là thứ gì đó mơ hồ, không cầm nắm, không thấy, không nghe, không đo lường được. Thực ra là có đấy. Có thể thấy, có thể đo lường và điều chỉnh được tất.

Cái chúng ta cần biết là:

• RF 433Mhz (hoặc 315Mhz) là gì?
• Để truyền từ một thiết bị đến một thiết bị khác nó cần những khối chức năng gì?
• Nguyên lý làm việc của những khối chức năng ra làm sao ?
• Ứng dụng vào thực tiễn thế nào ?

Để cho đơn giản, chúng ta khảo sát từng phần trong sơ đồ khối của một máy phát thu RF điển hình bên dưới đây. Dễ thấy 2 phần chính trong sơ đồ này là khối phát (transmitter), là khối phát đi tín hiệu RF. Và khối thu (Receiver), thu lại một phần tín hiệu RF. Khối phát truyền tín hiệu tới khối thu qua một kênh sóng vô tuyến (communication Channel) trong không gian.

• RF 433Mhz ( hay 315Mhz ) là gì ?

Đây là tín hiệu sóng vô tuyến có tần số 433Mhz ( Radio Frequency 433Mhz ). Hz là đơn vị đo của tần số hay chu kỳ sóng, như vậy 433Mhz có nghĩa là 433 000 000 chu kỳ trong mỗi giây. Trong hình trên, kênh liên lạc (Communication Channel) chính là RF 433Mhz đó các bạn.

Tần số 433Mhz nằm trong băng sóng UHF (Untra Hight Frequency). Thường an ten là loại đẳng hướng (tức bức xạ điện từ hướng ra mọi hướng trong không gian). Đó là vì sao máy thu sóng RF chỉ thu được một phần tín hiệu từ máy phát.

RF 433Mhz (hay 315Mhz) nằm trong miền tần số sóng điện từ UHF nên thường dùng để truyền tín hiệu trong môi trường không khí. Loại sóng này này cũng tuân theo các định luật phản xạ, khúc xạ, giao thoa  của sóng điện từ và còn có khả năng đâm xuyên (xuyên tường, xuyên vật cản không phải là kim loại). Cự ly truyền phụ thuộc vào nhiều yếu tố: như tần số truyền (tần số càng thấp truyền càng xa); độ ẩm không khí hoặc tính đồng nhất của môi trường truyền; phân cực sóng; công suất phát (dBm), độ nhạy máy thu (dBm) v.v…

• Các khối chức năng trong một hệ thống liên lạc sóng vô tuyến RF và cách làm việc :

Có 3 kiểu liên lạc phổ biến

• Simplex (đơn công, vd: remote điều khiển từ xa)
• Half-duplex (bán song công, vd: bộ đàm, tại một thời điểm chỉ có một máy phát và một máy thu)
• Full-duplex (song công, vd: Máy điện thoại vừa phát vừa thu – vừa nói vừa nghe)

Do mỗi đầu chỉ sử dụng 1 anten (vừa phát, vừa thu hoặc chỉ để phát hay thu) nên cũng nói thêm về sơ đồ của những loại này:

Với phương thức half-duplex thì mỗi bên đều có khối phát Tx và khối thu Rx và đều cần thêm cái chuyển mạch ( nút bấm để nói trên bộ đàm):

Với phương thức full-duplex (song công) thì mạch điện bên trong hơi phức tạp hơn một tí. Cần có bộ điều hướng an ten gọi là circulator. Bộ này có thức năng vừa đưa tín hiệu của bộ phát Tx lên anten để  bức xạ ra không gian vừa lấy tín hiệu thu về và đưa vào bộ thu Rx mà không lẫn vào nhau (không nhiễu nội bộ):

Chúng ta bắt đầu từ khối phát Tx trong sơ đồ RF. Tín hiệu thông tin tần số thấp (Low frequency information signal) là tín hiệu chúng ta cần truyền đi như giọng nói, hay nút bấm remote (on/off) v.v… được được đưa lên bộ điều chế (Modulator) cùng với tín hiệu sóng mang tần số cao (high frequency carrier). Sau khi điều chế được đưa lên tầng khuếch đại (Amplifier) để bức xạ ra không gian nhờ anten. Đối với những khối phát đơn giản như remote thì cả điều chế và khuếch đại đều được thực hiện trong một linh kiện (thường là 1 transistor) rất đơn giản.

Tại đầu thu Rx, sau khi truyền qua khoảng không gian vào anen nhờ bộ cộng hưởng, tín hiệu RF 433Mhz đã suy giảm sức mạnh (Biên độ sóng suy giảm) nên cần đi qua mạch khuếch đại. Tín hiệu sau bộ khuếch đại đủ rõ ràng để đưa qua bộ giải điều chế (Demodulator), sóng mang 433Mhz bị loại bỏ tín hiệu thông tin tần số thấp được khuếch đại (Amplifier) lên đủ lớn đến mức giao tiếp để đến đầu ra.

Các thông số của bộ phát Tx điển hình:

• Điện áp làm việc: 3-12V DC
• Dòng làm việc : 9-40mA
• Kiểu cộng hưởng: SAW (Surface Accoutic Wave)
• Kiểu điều chế: ASK (Amplitude Shift Keying : thay đổi biên độ)
• Công suất phát: 14 dBm
• Sai số tần số tối đa: 150Khz
• Tốc độ truyền tin: 10Kb/s

Các thông số của bộ Rx điển hình:

• Điện áp làm việc: 5V DC (sai số 0,5V)
• Dòng làm việc tối đa: 5,5 mA
• Kiểu làm việc: OOK / ASK (On / Of Keying là kiểu ASK với 2 mức 1 và 0)
• Băng thông : 2Mhz
• Độ nhạy : đến -100dBm ( tương đương 0,0001 nW) – 50 Ω
• Tốc độ truyền tin 9,6Kb/s

 

• Ứng dụng vào thực tiễn của sóng RF 433Mhz (hoặc 315Mhz)

Nói đúng hơn là từ những khối thu phát có sẵn trên thị trường ta làm thế nào để ứng dụng chúng vào thực tiễn. Đã có rất nhiều website trình bày khá kỹ về cách ứng dụng các modul RF này để truyền dữ liệu (data) giữa các vi điều khiển (microcontroller) mà chủ yếu là các board mạch Arduino. Trong phần này Randy xin trình bày những điểm cơ bản để ứng dụng bộ thu phát nói trên vào thực tiễn. Để tập trung hơn chúng ta sẽ tự hỏi mình những điểm sau đây:

• Các bộ phát thu cùng tần số có “nhiễu” lẫn nhau khi truyền tín hiệu ?
• Kiểu truyền của ON/OFF và kiểu truyền dữ liệu khác có gì khác nhau ?
• Những kiểu truyền dữ liệu phổ biến bằng sóng 433Mhz (hay 315Mhz) là gì?

Chúng ta sẽ cùng khảo sát qua các vấn đề vừa nêu nhé:

• Các bộ phát thu cùng tần số có “nhiễu” lẫn nhau khi truyền tín hiệu ?

Như đã nói ở trên, có 3 phương thức liên lạc bằng sóng RF đó là simplex, half-duplex, full-duplex và đặc biệt là tính thu phát đẳng hướng của anten. Rõ ràng một bộ Tx khi phát sóng RF 433Mhz ra không gian (với công suất 14 dBm tương đương 1mW) thì có bao nhiêu bộ thu trong bán kính vài trăm mét đều thu được tín hiệu đó. Vấn đề là bộ thu Rx sẽ “biết lọc” ra tín hiệu nào của nó và tín hiệu nào thì không. Nếu không sẽ nhiễu toàn bộ và rất là rắc rối nếu để nhiễu xảy ra. Vì kiểu điều chế của các bộ thu phát là ASK (điều chiế biên độ) Nên rõ ràng người dùng sẽ điều chế theo cách của mình, hay nói khác hơn người dùng sẽ quyết định “kiểu” tín hiệu của mình như thế nào. Sự phối hợp  phải khớp giữa phát và thu và trong môi trường  thông tin phải có một quy định nào đó để không can nhiễu lẫn nhau.

• Kiểu truyền của ON/OFF và kiểu truyền dữ liệu khác có gì khác nhau ?

Trước hết chúng ta thử dùng một bộ thu phát RF 433Mhz (hoặc 315Mhz) thử truyền ON/OFF và khảo sát chúng:

Bình thường (phím không được nhấp) là trạng tháI ON, ta thấy đèn led sáng, khi phím được nhấp đèn led tắt. Như vậy nếu chỉ tính với 2 mức ON và OFF, việc nhấp phím bao lâu chính là “kiểu” định dạng cho tín hiệu truyền đi. Tuy nhiên đây là mức thô sơ nhất của thử nghiệm.

Trong thực tế, thường người ta thường truyền đi tín hiệu data (dữ liệu) có đơn vị là byte (một byte có 8 bít chứa toàn số 0 và số 1 ngẫu nhiên). Không thể nói dữ liệu dài bao nhiêu, có khi vài trăm bytes có khi vài kilo-ytes, vài Mega hoặc vài Giga-bytes thì tín hiệu thông tin tần số thấp cần phải được”đóng gói” khi gửi đi. Và tất nhiên máy thu Rx phải biết cách mở gói này để lấy lại tín hiệu ban đầu và phải có một quy tắc nào đó để phân biệt dữ liệu giữa các byte.

• Những kiểu truyền dữ liệu phổ biến bằng sóng 433Mhz (hay 315Mhz) là gì?

Trong phạm vi bài viết nhỏ này Randy không thể bao quát hết cả một phạm vi rộng lớn trong kỹ thuật tryền dẫn (transmission) của viễn thông (telecommunication), hy vọng chỉ nêu vài điểm trúng “chỗ ngứa” để anh em hiểu vấn đề nhanh thôi.

Khi gặp người nước ngoài ta dùng tiếng Anh để giao tiếp với họ đó là ngôn ngữ giao tiếp. Những máy vi tính (computers) hay những vi điều khiển (microcontrollers) khi trao đổi với nhau cũng dùng những những ngôn ngữ máy. là những giao thức (protocol)

Rõ ràng để truyền nhiều bytes dữ liệu đi qua phần vô tuyến RF trong “môi trường” này cần đến một giao thức hay một chuẩn nào tương tự vậy. Nhờ thông tin mang bên trong byte đó bao gồm ID (Identification) định danh và dữ liệu hữu ích (thông tin cần truyền) mà thông tin cần truyền đi tới trúng địa chỉ, tính vẹn toàn của dữ liệu được đảm bảo.

UART không phải là một giao thức nhưng là một định dạng  truyền dữ liệu khá phổ biến. Hầu hết các chuẩn giao tiếp không dây plug and play hiện nay từ usb cho tới các giao tiếp máy ảnh, thẻ nhớ v.v… đều dùng chuẩn UART. Một cách cụ thể, để giao tiếp với sóng RF 433Mhz (315Mhz) ta cũng làm tương tự. Phần tiếp theo chúng ta khảo sát qua chuẩn UART này nhé.

Truyền tin kiểu UART ( Universal Asynchronous Receiver/Transmitter )

Thuật ngữ trên chính là Thu Phát Nối Tiếp Cận Đồng Bộ. Chỉ những mạch điện vật lý truyền dữ liệu theo kiểu nối tiếp.

Như ta đã biết 1 byte gồm 8 bít trong một ô nhớ để di chuyển byte từ máy phát này đến một ô nhớ khác ở máy thu cần một bus có 8 line và những line phụ trợ nữa. Tuy nhiên khi 8 byte này đến ngưỡng cửa truyền đi gặp anh UART-1,  anh ấy phát cờ tín hiệu và truyền lần lượt từng bít qua 1 line đến UART-2 (bít ít quan trọng phát trước). Tại đầu thu Rx, anh UART-2 chuyển 8 bít nối tiếp vừa thu được thành song song đưa vào ô nhớ để sử dụng.

Bình thường trong truyền dẫn đồng bộ cần đến tín hiệu clock (xung nhịp chuẩn) để đồng bộ các bít, các khung dữ liệu. Nhưng với UART thì phương pháp là cận đồng bộ. Có thể hiểu đây là kỹ thuật kết hợp của xung cờ (flag) và tốc độ quy định (baud rate). Ngoài 8 bít dữ liệu chuẩn UART có thêm vào 1 bít đầu gọi là start, 1 bít chấm dứt gọi là stop bit và một bí chẵn lẻ gọi là parity.

Khi đầu thu của UART-2 dò thấy đường dây đang ở trạng thái cao (5V – mức logic 1) bỗng xuống thấp (0V – mức logịc 0) có độ dài thời gian 1 bít / baud rate ) thì biết UART-1 đang gửi đi start bit nên bắt đầu đọc bít thu về theo tốc độ baud rate ( tốc độ 64 kbps hoặc 128 kbps v.v….). Cả Tx và Rx đều làm việc cùng một tốc độ.

Bít chẵn lẻ parity dùng để kiểm tra lỗi truyền dẫn. Một cách rất đơn giản nếu số bít 1 trong byte cần tuyền đi là số chẵn thì parity là 0, nếu lẻ thì parity là 1. VD, nếu UART-2 đếm số bít 1 thu về là số lẻ nhưng parity = 0 vậy đã xảy ra lỗi truyền dẫn và yêu cầu UART-1 gửi lại byte lỗi ấy. Thật tuyệt phải không anh em. Và chúng ta cần biết thêm là khi xảy ra lỗi thì việc gửi lại làm ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ truyền.

Sau đó truyền nối tiếp theo hình sau:

Tại mạch điện đầu thu, sau khi loại bỏ start bit, parity bit và stop bit. còn lại dữ liệu gốc được đưa ra bus dữ liệu:

Hy vọng với những lát cắt cụ thể để anh em có cái nhìn bao quát về truyền sóng RF và những kiểu quản lý truyền dữ liệu thông tin. Tất nhiên anh em sẽ có cách truyền rất riêng của mình. Chúc anh em ngày một tiến bộ và thành thạo trong ứng dụng truyền sóng RF.

P luôn lắng nghe ý kiến đóng góp của anh em. vui lòng để lại bình luận bên dưới.

Xin cám ơn !