(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS và ứng dụng trong lĩnh vực cơ điện tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG TIN NHẮN SMS VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2013 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HOÀNG VĂN MẠNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG TIN NHẮN SMS VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60 52 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM MẠNH THẮNG HÀ NỘI – 2013 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Công nghệ mạng sở 1.1.1 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM 1.1.1.1 Cấu trúc mạng GSM 1.1.1.2 Đặc điểm mạng GSM 1.1.2 Công nghệ SMS 1.1.2.1 Các loại dịch vụ đặc điểm tin nhắn SMS 1.1.2.2 Các thành phần tin nhắn SMS 10 1.1.2.3 Cấu trúc tin nhắn SMS 10 1.1.2.4 Ứng dụng SMS 13 1.2 Chuẩn truyền thông công nghiệp TIA/EIA-485 15 1.2.1 Phƣơng pháp truy cập Chủ - Tớ 15 1.2.2 Chuẩn truyền dẫn TIA/EIA–485 17 1.2.2.1 Đƣờng truyền cân RS485 17 1.2.2.2 Đặc tính điện học 19 1.2.2.3 Mối quan hệ tốc độ truyền chiều dài dây dẫn 20 1.2.2.4 Cáp nối mạng RS-485 21 1.2.2.5 Vai trò trở đầu cuối 21 1.2.2.6 Vai trò đất 24 1.3 Giao thức truyền thông Modbus–RTU 24 1.3.1 Cơ chế giao tiếp 25 1.3.2 Các chế độ giao tiếp 27 1.3.3 Cấu trúc khung truyền 28 1.3.4 Bảo toàn liệu 30 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 1.3.5 Sơ đồ trạng thái Modbus 31 Chƣơng THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 33 2.1 Yêu cầu lựa chọn phƣơng án thiết kế 33 2.1.1 Yêu cầu thiết kế 33 2.1.2 Lựa chọn phƣơng án thiết kế 33 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 34 2.3 Thiết kế thi công phần cứng cho hệ thống 35 2.3.1 Khối giao tiếp GSM 35 2.3.1.1 Giới thiệu mô-đun GPRS/GSM SIM900 35 2.3.1.2 Thiết kế thi công khối giao tiếp GSM 37 2.3.2 Khối điều khiển trung tâm 39 2.3.2.1 Vi điều khiển dsPIC-30F4011 39 2.3.2.2 Thiết kế thi công khối điều khiển trung tâm 41 2.3.3 Khối điều khiển tầng 43 2.3.3.1 Vi điều khiển PIC-16F887 43 2.3.3.2 Thiết kế thi công khối điều khiển tầng 44 2.3.4 Khối công suất 47 Chƣơng THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 50 3.1 Giới thiệu phần mềm lập trình PIC C Complier 50 3.2 Tập lệnh AT tin nhắn với định dạng PDU 51 3.2.1 Tập lệnh AT 51 3.2.2 Mã hoá giải mã tin nhắn theo chế độ PDU 52 3.3 Cấu trúc tin nhắn điều khiển phản hồi trạng thái thiết bị 54 3.3.1 Cấu trúc tin nhắn điều khiển thiết bị 55 3.3.2 Cấu trúc tin nhắn phản hồi thông tin trạng thái thiết bị 55 3.4 Danh sách file mã nguồn 56 3.5 Xây dựng thuật toán cho khối điều khiển trung tâm 57 3.6 Xây dựng thuật toán cho khối điều khiển tầng 61 Chƣơng THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 62 4.1 Thử nghiệm hoạt động khối công suất 62 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4.2 Thử nghiệm chức nhận giải mã tin nhắn với định dạng PDU 62 4.3 Thử nghiệm chức giao tiếp truyền thông RS-485 Modbus-RTU 63 4.4 Thử nghiệm hoạt động toàn hệ thống 63 4.5 Đánh giá kết 65 KẾT LUẬN 66 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 70 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tổng quan mạng GSM .2 Hình 1.2 Sơ đồ đấu nối BSS Hình 1.3 Tổng quan NSS Hình 1.4 Các giao diện mạng GSM Hình 1.5: Cấu trúc SMS 11 Hình 1.6 Mơ hình Chủ/Tớ 15 Hình 1.7 Mơ tả q trình trao đổi liệu hai trạm tớ 16 Hình 1.8 Đƣờng truyền khơng cân 17 Hình 1.9 Đƣờng truyền cân RS485 17 Hình 1.10 Cấu hình bus RS485 truyền nhận đơn công 18 Hình 1.11 Cấu hình bus RS485 truyền nhận song cơng .19 Hình 1.12 Quy định trạng thái logic tín hiệu RS-485 19 Hình 1.13 Mức điện áp vi sai phát nhận 20 Hình 1.14: Quan hệ tốc độ truyền chiều dài dây dẫn .21 Hình 1.15 Chặn đầu cuối sử dụng trở 22 Hình 1.16 Chặn đầu cuối sử dụng R C 22 Hình 1.17: Mạch phân cực an toàn 23 Hình 1.18: Modbus mơ hình IOS/OSI 25 Hình 1.19: Cơ chế giao tiếp chủ/tớ chế độ truy vấn thiết bị tớ 25 Hình 1.20: Cơ chế giao tiếp chủ/tớ chế độ quảng bá 26 Hình 1.21: Chu trình yêu cầu – đáp ứng Modbus 27 Hình 1.22: Cấu trúc khung truyền Modbus RTU 30 Hình 1.23: Sơ đồ trạng thái trạm chủ 31 Hình 1.24: Sơ đồ trạng thái trạm tớ 31 Hình 1.25: Sơ đồ trạng thái chế độ truyền Modbus RTU .32 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị điện SMS .34 Hình 2.2: Mô-đun SIM900 36 Hình 2.3: Sơ đồ chân vi mạch LM2576S-ADJ .37 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 2.4: Sơ đồ khối mạch ứng dụng LM2576S-ADJ 37 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp GSM 38 Hình 2.6: Khối giao tiếp GSM sau chế tạo .39 Hình 2.7: Sơ đồ chân dsPIC4011 41 Hình 2.8 Sơ đồ khối IC ổn áp nguồn LM7805 41 Hình 2.9: Mạch nguyên lý khối điều khiển trung tâm 42 Hình 2.10: Khối điều khiển trung tâm sau lắp ráp linh kiện 43 Hình 2.11: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F887 44 Hình 2.12: Sơ đồ khối PIC16F887 44 Hình 2.13: Ký hiệu MAX485 45 Hình 2.14: Mạch ứng dụng MAX485 .45 Hình 2.15: Mạch nguyên lý điều khiển tầng 46 Hình 2.16: Bộ điều khiển tầng sau chế tạo 47 Hình 2.17: Sơ đồ chân IC đệm dịng ULN2803 47 Hình 2.18: Mạch nguyên lý khối công suất 48 Hình 2.19: Khối cơng suất sau chế tạo 49 Hình 3.1: Quy trình viết nạp chƣơng trình cho Vi điều khiển 50 Hình 3.2: Thuật tốn chƣơng trình cho khối trung tâm .57 Hình 3.3: Lƣu đồ thuật tốn khởi tạo mơ-đun GSM SIM900 .58 Hình 3.4: Lƣu đồ thuật tốn nhận tin nhắn SMS 58 Hình 3.5: Lƣu đồ thuật tốn xử lý tin nhắn 59 Hình 3.6: Lƣu đồ thuật tốn giải mã tin nhắn dạng PDU 59 Hình 3.7: Lƣu đồ thuật toán gửi lệnh điều khiển tới trạm tƣơng ứng 60 Hình 3.8: Lƣu đồ thuật tốn mã hóa liệu kiểu PDU 60 Hình 3.9: Thuật tốn chƣơng trình cho khối điều khiển tầng 61 Hình 4.1: Thử nghiệm chức khối cơng suất 62 Hình 4.2 Khởi tạo mô-đun GSM nhận, giải mã tin nhắn dạng PDU .62 Hình 4.3 Bật thiết bị tầng sử dụng giao tiếp RS-485 Modbus-RTU 63 Hình 4.4 Hình ảnh lắp ráp tồn hệ thống 63 Hình 4.5 Gửi tin nhắn điều khiển bật thiết bị điều khiển tầng .64 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hình 4.6 Gửi tin nhắn điều khiển bật thiết bị điều khiển tầng .64 Hình 4.7 Tin nhắn gửi lại sau hồn thành q trình điều khiển .65 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số thông số chuẩn truyền dẫn RS-485 20 Bảng 1.2 Trở kháng nhận mạch phân cực an tồn 23 Bảng 1.3 Trở kháng đầu vào nhận có mạch phân cực an toàn 24 Bảng 2.1 Một số thông số điện học mô-đun SIM900 36 Bảng 2.2 Đặc tính điện học giao tiếp với SIM CARD 37 Bảng 3.1: Một số lệnh AT 51 Bảng 3.2 Mã hoã chuỗi liệu bảy (septet) thành chuỗi tám (octet) 52 Bảng 3.3 Mã hoã chuỗi liệu tám (octet) thành chuỗi bảy (septet) 53 Bảng 3.4: Cấu trúc tin nhắn PDU Mode 53 Bảng 3.5: Liệt kê file mã nguồn sử dụng cho hệ thống đƣợc thiết kế .56 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ASCII American Standard Code for Information Interchange AuC Authentication Centre AT Attention Commands BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller BSS Base Station Subsystem CBC Cell Broadcast Center CDMA Code Division Multiple Access CMOS Complementary Metal–Oxide Semiconductor CRC Cyclic Redundancy Check DRC Dedicated Radio Channel EIA Electronic Industries Association EIR Equipment Identity Register EFR Enhanced Full Rate ETSI European Telecommunications Standards Institute FAX Facsimile GMSC Gateway Mobile Switching Centre GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile HLR Home Location Register IMEI International Mobile Equipment Identity IMSI International mobile subscriber identity ISDN Integrated services digital network ISO International Standard Organization LPC Linear predictive coding LRC Longitudinal Redundancy Check MAP Manufacturing Message Protocol MS Mobile Station TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com PHỤ LỤC A Chƣơng trình dùng cho điều khiển trung tâm #include #device PASS_STRINGS = IN_RAM #device *=16 #fuses HS, NOWDT #use delay(clock=20M) #include #include #include #define COM_SIM900 #define USE_LCD #define COM_puts printf #include "lcd.c" #include "SMS_com.c" #include "SMS_api.c" #include "SMS_tools.c" #include "SMS_ctr.c" extern int rx_ack; volatile int read_index; unsigned char user_pass[15]; #INT_EXT0 void ext_isr() { output_high(pin_d3); delay_ms(1000); output_low(pin_d3); } void MAIN_init( void ) { modbus_init(); lcd_init(); delay_ms(100); 70 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com output_high(pin_d2); printf(lcd_putchar," SMS CONTROL SYS"); COM_init(); enable_interrupts (INTR_GLOBAL); enable_interrupts (INT_EXT0); ext_int_edge (H_TO_L); enable_interrupts (INT_RDA); #priority RDA delay_ms(10000); API_phoneinit(); sprintf(user_pass,"486162931401"); COM_rx_reset(); COM_setSearchString( CMTI_ ); COM_rx_on(); } void main() { int index; unsigned char msg[15]="PASS INCORRECT"; searchStrings[0] = OK; searchStrings[1] = CMTI; searchStrings[2] = READY; searchStrings[3] = CR_LF; MAIN_init( ); delay_ms(1000); lcd_clear(); read_index = 0; while(true) { if( rx_ack == ) 71 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com { lcd_clear(); rx_ack = 0; read_index = TOOLS_decodeCMTI( ); API_readmsg( read_index ); if( cmpstr(user_pass, encodenumber) == 1) { Control_Floor(msgbuff); } else { #ifdef COM_SIM900 #use rs232 (UART1, baud = 9600, xmit = pin_c13, rcv = pin_c14, stream = SIM900) index=API_sendmsg(msg); lcd_gotoxy(0,1); printf(lcd_putchar,"%d",index); API_deletemsg(read_index); #endif } COM_setSearchString( ); COM_rx_reset( ); COM_rx_on( ); } } } B Chƣơng trình điều khiển #ifndef PIC_SMS_CTR_INCLUDED #define PIC_SMS_CTR_INCLUDED #define MODBUS_TYPE MODBUS_TYPE_MASTER #define MODBUS_SERIAL_TYPE MODBUS_RTU #define MODBUS_SERIAL_RX_BUFFER_SIZE 64 #define MODBUS_SERIAL_BAUD 9600 #define MODBUS_SERIAL_RX_PIN PIN_F4 #define MODBUS_SERIAL_TX_PIN PIN_F5 72 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com #define MODBUS_SERIAL_ENABLE_PIN PIN_F6 #define MODBUS_SERIAL_INT_SOURCE MODBUS_INT_RDA2 #include "modbus_lib.c" int1 err; int8 MODBUS_SLAVE_ADDRESS; void Remove_char(char *p, char ch) { char *temp; temp = p; while (*temp != NULL) { if (*temp == ch) { while (*temp != NULL) { *temp = *(temp+1); if (*temp != NULL) temp++; } temp = p; } temp++; } } int cmpstr(char *src, char *dst) { char *p; p = strstr(src, dst); if(p == NULL) return 0; else return 1; } void SMS_Anlys(char *msg) 73 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com { char *msg1; char str[10], str1[20], str2[20], str3[20], str4[20], str5[20], str6[20]; char str7[20], str8[20], str9[20], str10[20], str11[20], str12[20]; char str13[20], str14[20], str15[20], str16[20]; char str_on[20], str_off[20], str_st[20]; int A,B,C,D,E,F,G,H; int *coils; int coils1[1] = {0xff}; sprintf(str, "CT"); sprintf(str_on, "ON"); sprintf(str_off, "OFF"); sprintf(str_st, "ST"); sprintf(str1, "A1"); sprintf(str2, "B1"); sprintf(str3, "C1"); sprintf(str4, "D1"); sprintf(str5, "E1"); sprintf(str6, "F1"); sprintf(str7, "G1"); sprintf(str8, "H1"); sprintf(str9, "A0"); sprintf(str10, "B0"); sprintf(str11, "C0"); sprintf(str12, "D0"); sprintf(str13, "E0"); sprintf(str14, "F0"); sprintf(str15, "G0"); sprintf(str16, "H0"); if( cmpstr(msg, str) == 1) { if( cmpstr(msg, str1) == 1) A = 1; if( cmpstr(msg, str9) == 1) A = 0; if( cmpstr(msg, str2) == 1) B = 1; if( cmpstr(msg, str10) == 1) B = 0; if( cmpstr(msg, str3) == 1) C = 1; if( cmpstr(msg, str11) == 1) C = 0; if( cmpstr(msg, str4) == 1) D = 1; if( cmpstr(msg, str12) == 1) D = 0; if( cmpstr(msg, str5) == 1) E = 1; if( cmpstr(msg, str13) == 1) E = 0; 74 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com if( cmpstr(msg, str6) == 1) F = 1; if( cmpstr(msg, str14) == 1) F = 0; if( cmpstr(msg, str7) == 1) G = 1; if( cmpstr(msg, str15) == 1) G = 0; if( cmpstr(msg, str8) == 1) H = 1; if( cmpstr(msg, str16) == 1) H = 0; coils = (A