Mô hình dàn trãi hệ thống cảnh báo và điều khiển thiết bị qua mạng GSM

GIỚI THIỆU

Tổng quan

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, ngành tự động hóa đã có những bước tiến đáng kể Tự động hóa không chỉ nâng cao năng suất lao động mà còn giúp giảm chi phí sản xuất và cải thiện sự ổn định chất lượng sản phẩm.

Tự động hóa không chỉ giảm bớt sức lao động cho con người mà còn nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng sản phẩm Do đó, tự động hóa ngày càng khẳng định vị trí và vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp, trở thành xu hướng phổ biến trong hệ thống công nghiệp toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam.

Trong bối cảnh xã hội hiện đại và phát triển, việc cải thiện đời sống con người ngày càng trở nên quan trọng Ngành điều khiển học ra đời nhằm thay thế con người trong các công việc nguy hiểm, độc hại hoặc những nơi không thể tiếp cận Một trong những ứng dụng phổ biến của điều khiển học hiện nay là "điều khiển thiết bị từ xa", đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.

Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại là công nghệ phổ biến trong các thiết bị gia dụng như TV, đầu đĩa, quạt, máy lạnh và đồ chơi trẻ em Hệ thống này sử dụng ánh sáng hồng ngoại để truyền tín hiệu, bao gồm hai thành phần chính: phần phát, thường là một đèn LED phát ra tia hồng ngoại, và phần thu, có nhiệm vụ nhận và giải mã tín hiệu hồng ngoại để chuyển đổi về tín hiệu gốc Tuy nhiên, hệ thống này chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng cách gần, không thể xuyên qua vật cản giữa phần phát và phần thu, và dễ bị ảnh hưởng bởi các loại ánh sáng khác cũng như có giới hạn về góc nhận tín hiệu.

Điều khiển từ xa bằng sóng RF là phương pháp phổ biến trong cuộc sống hiện nay, cho phép điều khiển cả trong nhà và ngoài trời, khác với điều khiển hồng ngoại chỉ hoạt động tốt trong điều kiện ánh sáng ổn định Ứng dụng của nó bao gồm mở cửa gara, khóa xe máy, xe hơi và các thanh chắn tự động Điều khiển RF sử dụng sóng vô tuyến để gửi tín hiệu nhị phân, mang lại ưu điểm về phạm vi điều khiển rộng, không bị giới hạn bởi góc và có khả năng xuyên tường, xuyên kính Tuy nhiên, phương pháp này cũng gặp phải hạn chế do dễ bị nhiễu từ các thiết bị sử dụng sóng vô tuyến khác.

Điều khiển từ xa bằng giọng nói là một phương pháp mới, đang được nghiên cứu trong những năm gần đây, nhưng vẫn chưa có hệ thống nhận dạng giọng nói tiếng Việt hoàn chỉnh, dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng Hệ thống này thường bao gồm hai phần: phần huấn luyện, nơi hệ thống học các mẫu âm thanh khác nhau để xây dựng từ vựng, và phần nhận dạng, quyết định từ nào được đọc dựa trên từ vựng đã huấn luyện Phương pháp này thường được áp dụng trong các hệ thống điều khiển yêu cầu tính bảo mật cao, như mở khóa nhà, xe hơi, tủ sắt, khởi động máy tính và điện thoại.

Điều khiển từ xa qua mạng điện thoại cố định là phương pháp điều khiển không giới hạn khoảng cách, sử dụng mạng điện thoại hiện có tại Việt Nam để truyền tải tín hiệu Phương pháp này cho phép người dùng điều khiển thiết bị từ bất kỳ điện thoại nào và ở bất kỳ đâu, rất tiện lợi cho việc quản lý các thiết bị trong nhà như nồi cơm điện, máy lạnh, máy bơm nước và hệ thống tưới cây Tuy nhiên, để thực hiện điều khiển, cần có một đường dây line kết nối.

6 điện thoại cố định, và hiện nay loại điện thoại này cũng đã không còn phổ biến ở nước ta

Điều khiển từ xa qua mạng Internet đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ trong công nghiệp hiện đại Với sự bùng nổ của Internet, nhiều ứng dụng mới ra đời, cho phép người dùng giám sát và điều khiển thiết bị từ xa mà không bị giới hạn về khoảng cách Hệ thống này sử dụng Internet làm phương tiện truyền tải tín hiệu, cho phép điều khiển thông qua máy tính hoặc điện thoại di động Tuy nhiên, một hạn chế của phương pháp này là nó không hoạt động ở những khu vực không có kết nối Internet.

Điều khiển từ xa thông qua mạng di động GSM sử dụng hạ tầng mạng điện thoại có sẵn để truyền tín hiệu điều khiển qua sóng vô tuyến, không phụ thuộc vào dây điện thoại cố định Phương pháp này có phạm vi rộng, không giới hạn khoảng cách và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu, phù hợp với xu hướng phát triển của ngành viễn thông hiện đại Mặc dù điều khiển thiết bị từ xa là một chủ đề phổ biến, việc sử dụng mạng GSM để điều khiển thiết bị lại là một lĩnh vực mới, đặt ra nhiều thách thức trong việc xây dựng và hoàn thiện hệ thống Để đảm bảo tính chính xác và hoạt động lâu dài, hệ thống cần có tốc độ xử lý nhanh và hoạt động như một hệ thống thời gian thực, trong đó tốc độ nhanh và tính chính xác là hai yếu tố quan trọng nhất.

Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước : a “Thiết kế và thi công mạch điều khiển từ xa thiết bị điện thông qua đường dây điện thoại cố định” của Võ Minh Tuấn:

Trong nghiên cứu này, tác giả đã kết hợp vi điều khiển 8051 và mạng điện thoại cố định để phát triển hệ thống điều khiển thiết bị từ xa, cho phép điều khiển thiết bị điện qua tín hiệu DTMF Người dùng cần gọi đến máy điện thoại cố định, và nếu không có ai nhấc máy sau 5 hồi chuông, hệ thống sẽ tự động kết nối và yêu cầu nhập mật khẩu Nếu không nhập mật khẩu trong 7 giây, cuộc gọi sẽ tự động kết thúc Ngoài ra, nghiên cứu của Lê Xuân Tâm về điều khiển từ xa bằng sóng RF đã ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A và cặp IC PT2262, PT2272 để tạo ra bộ điều khiển cho 4 thiết bị Hệ thống mã hóa tín hiệu điều khiển qua IC phát PT2262 và truyền đi bằng module RF tần số 315Mhz, sau đó tín hiệu được thu và giải mã để điều khiển thiết bị thông qua relay Cuối cùng, Lê Quang Anh đã thiết kế hệ thống nhận dạng âm thanh để điều khiển thiết bị dân dụng.

Trong bài viết này, tác giả trình bày một phương pháp điều khiển thiết bị bằng giọng nói con người, nhằm ứng dụng vào việc điều khiển các thiết bị điện dân dụng trong gia đình Hệ thống được xây dựng dựa trên lý thuyết nghiên cứu về nhận dạng giọng nói, với phương pháp nhận biết giọng nói phụ thuộc vào người nói, do chính người dùng huấn luyện Sử dụng IC HM2007 để điều chế phổ âm và xử lý giọng nói, hệ thống có khả năng nhận biết 40 từ, mang lại tiện ích cho người sử dụng.

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước Ở các nước khác trên thế giới, các nghiên cứu đã tiếp cận đề tài theo nhiều hướng khác nhau, trong đó có những công trình nghiên cứu nổi bật sau: a “GSM car security system” của Mohd Azwan Bin Ramlan

Nghiên cứu này phát triển một hệ thống cảnh báo trong xe hơi, sử dụng vi điều khiển PIC 18F4550 kết hợp với modem GSM, cho phép giám sát vị trí xe qua tin nhắn SMS Đề tài tập trung vào việc kết hợp kỹ thuật lập trình C, vi điều khiển và mạng GSM, nhằm tối ưu hóa khả năng kiểm soát và an toàn cho phương tiện.

Nghiên cứu này giới thiệu một giao thức mạng mới nhằm điều khiển thiết bị công nghiệp qua mạng cảm biến không dây (WSN), tập trung vào việc giảm thiểu tiêu hao năng lượng, nâng cao độ tin cậy và thời gian phản hồi của hệ thống Các thông số của giao thức được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Tác giả đã áp dụng giao thức IEEE 802.15.4 để truyền tải gói tin một cách hiệu quả, đáng tin cậy và tiết kiệm năng lượng, từ đó kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị công nghiệp.

Sự cần thiết của đề tai

- Lý do chọn đề tài:

Trong bối cảnh xã hội ngày càng phát triển, ứng dụng khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử, đang diễn ra nhanh chóng và mạnh mẽ Điều này không chỉ nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn tăng năng suất lao động mà không cần tốn nhiều thời gian và sức lực.

+ Tính cấp thiết của đề tài: đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao chất lƣợng đào tạo

Hệ thống quản lý và điều khiển thiết bị gia đình giúp người dùng dễ dàng kiểm soát các thiết bị trong nhà, đồng thời cung cấp chức năng cảnh báo đột nhập ở bất kỳ nơi nào có sóng điện thoại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người về an ninh và tiện ích.

Đơn vị, địa bàn tiến hành nghiên cứu

- Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức, Bộ môn Điện tử, Điện tử viễn Thông

Mục tiêu của nghiên cứu

Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị từ xa qua mạng GSM đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, nhưng chỉ mới xuất hiện ở Việt Nam trong vài năm gần đây Phương pháp này hiện đang được sử dụng phổ biến trong các công ty, xí nghiệp và hộ gia đình Nghiên cứu này nhằm giúp sinh viên trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức tiếp cận với công nghệ điều khiển hiện đại, từ đó cung cấp cho họ cái nhìn trực quan và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống, để áp dụng vào thực tiễn sau khi tốt nghiệp.

Đề tài nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị từ xa qua mạng GSM Hệ thống được thiết kế theo kiểu module riêng lẻ, cho phép kết nối hoặc ngắt với bộ xử lý trung tâm thông qua các jumper, tạo điều kiện thuận lợi cho sinh viên thực hành Yêu cầu chính của hệ thống là đảm bảo hoạt động ổn định, đáp ứng thời gian thực và dễ dàng tháo lắp các module.

Mô hình được xây dựng dựa trên vi điều khiển 8051, hiện đang được giảng dạy tại khoa Điện-Điện Tử trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức, kết hợp với module GSM SIM900 Điều này giúp sinh viên nhận thấy ứng dụng nghề nghiệp của môn học, từ đó tạo hứng thú cho việc học tập và nghiên cứu Hệ thống được lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly, sử dụng tập lệnh AT để điều khiển module GSM Mục tiêu của đề tài bao gồm việc thực hiện các công việc liên quan đến ứng dụng này.

- Tìm hiểu module GSM SIM900, vi điều khiển AT89C51

- Tìm hiểu lập trình module GSM thông qua tập lệnh AT

- Xây dựng sơ đồ khối mô hình điều khiển thiết bị từ xa dùng tin nhắn điện thoại SMS

- Thiết kế sơ đồ nguyên lý mô hình điều khiển thiết bị từ xa dùng tin nhắn điện thoại SMS

- Thi công dàn trải mô hình điều khiển thiết bị từ xa dùng tin nhắn điện thoại SMS

- Viết báo cáo khoa học

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Đối tƣợng: Vi điều khiển AT89C51, Module GSM SIM900, mạng GSM, Kỹ thuật lập trình trên tập lệnh AT

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm kiếm thông tin từ sách ,báo, tạp chí công nghệ, internet

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm bao gồm việc thu thập kiến thức và lắp ráp, khảo sát nhiều mạch cảnh báo và điều khiển khác nhau Qua đó, quá trình này giúp xác định và phát triển mạch tối ưu nhất cho ứng dụng thực tiễn.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VI ĐIỀU KHIỂN, MODULE GSM VÀ TẬP LỆNH AT

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VI ĐIỀU KHIỂN,

MODULE GSM VÀ TẬP LỆNH AT

2.1 Giới thiệu vi điều khiển P89V51RD2

2.1.1 Tổng quan vi điều khiển P89V51RD2

Vi điều khiển P89V51RD2 thuộc dòng 8051, hỗ trợ 64KB bộ nhớ chương trình và 1KB bộ nhớ RAM Nó cho phép lập trình viên chọn giữa hai chế độ hoạt động với tốc độ khác nhau: một tốc độ tương ứng với tần số thạch anh chia 12 và tốc độ còn lại là tần số thạch anh chia 6 Bộ nhớ chương trình có thể nạp theo hai chuẩn, bao gồm chuẩn song song và chuẩn ISP, đồng thời tích hợp chức năng IAP (In Application Programmable) cho phép cấu hình lại bộ nhớ trong khi chương trình đang chạy.

- Bộ xử lý trung tâm (CPU) 80C51

- Hoạt động ở điện áp 5V, tần số từ 0Mhz đến 40Mhz

- 64KB bộ nhớ flash cho phép nạp ISP và IAP

- Hỗ trợ tốc độ 12 xung clock một chu kỳ máy (mặc định) hoặc 6 xung clock một chu kỳ máy (đƣợc lựa chọn bằng phần mềm hoặc ISP)

- Giao tiếp chuẩn SPI và UART

- PCA (Programmable Counter Array) với điều chế độ rộng xung PWM

- 4 port xuất nhập I/O 8 bit, trong đó có 3 port cho dòng ra lớn (16 mA mỗi chân)

- Watchdog timer có thể lập trình đƣợc

- 8 nguồn ngắt với 4 mức ƣu tiên

- Tự động phát hiện nguồn yếu

- Tương thích mức điện áp TTL và CMOS

2.1.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân

Hình 1: Sơ đồ khối vi điều khiển P89V51RD2

Hình 2: Sơ đồ chân điều khiển P89V51RD2

Port P0 (P0.0-P0.7) nằm từ chân 39 đến chân 32, hoạt động như một cổng xuất nhập hai chiều với băng thông 8 bit Khi mức 1 được ghi vào chân của Port P0, các chân này hoạt động như các ngõ nhập với tổng trở cao Port P0 có khả năng cấu hình để kết hợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu khi truy cập bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình bên ngoài, trong chế độ này, P0 được trang bị các điện trở kéo lên bên trong Khi lập trình, P0 nhận các byte mã chương trình và xuất ra các byte mã khi kiểm tra chương trình, tuy nhiên, để kiểm tra chương trình, cần có các điện trở kéo lên bên ngoài.

+ P0.0/AD0 : Chân xuất nhập, Port 0 bit 0, địa chỉ/dữ liệu bit 0

Port 1 (P1.0-P1.7) bao gồm chân từ 1 đến 8, là port xuất nhập với điện trở nội kéo lên nguồn bên trong Khi chân của port 1 được đặt ở mức 1, chúng sẽ được kéo lên mức cao nhờ các điện trở nội và có thể hoạt động như các ngõ nhập Nếu hoạt động như ngõ nhập, các chân của port 1 có khả năng cung cấp dòng ra lên đến 16mA Ngoài ra, port 1 còn đóng vai trò là ngõ vào cho địa chỉ thấp trong chế độ lập trình cho ROM và kiểm tra.

+ P1.0/T2 : Chân xuất nhập, Port 1 bit 0, ngõ vào đếm của timer/counter 2, hoặc ngõ ra xung (Clock out) của timer/counter 2

+ P1.1/T2EX : Chân nhập, Port 1 bit 1, điều hướng và khởi động timer/counter 2 ở chế độ Capture/Reload

+ P1.2/ECI: Chân nhập, Port 1 bit 2, ngõ vào xung nhịp, tín hiệu này là nguồn xung nhịp ngoài cho chức năng PCA

+ P1.3/CEX0: Chân xuất nhập, Port 1 bit 3, ngõ xuất nhập bên ngoài của Capture/compare cho PCA module 0

+ P1.4/ ̅̅̅/CEX1: Chân xuất nhập, Port 1 bit 4, chọn cổng phụ vào cho SPI, ngõ xuất nhập bên ngoài của Capture/compare cho PCA module 1

+ P1.5/MOSI/CEX2: Chân xuất nhập, Port 1 bit 5, ngõ ra chính, ngõ vào phụ cho SPI, ngõ xuất nhập bên ngoài của Capture/compare cho PCA module 2

+ P1.6/MOSI/CEX3: Chân xuất nhập, Port 1 bit 6, ngõ ra chính, ngõ vào phụ cho SPI, ngõ xuất nhập bên ngoài của Capture/compare cho PCA module 3

+ P1.7/SPICLK/CEX4: Chân xuất nhập, Port 1 bit 7, xung nối tiếp vào/ra cho SPI, ngõ xuất nhập bên ngoài của Capture/compare cho PCA module 4

Port 2 (P2.0-P2.7) từ chân 21 đến 28 là port xuất nhập 8 bit với điện trở nội kéo lên nguồn, cho phép các chân được kéo lên mức cao khi đặt mức 1 Trong chế độ này, chúng hoạt động như các ngõ vào Khi kết nối các chân của port 2 xuống mass, nó sẽ cung cấp dòng lớn, biến các chân thành nguồn dòng Port 2 gửi các byte cao địa chỉ trong quá trình thực thi chương trình từ bộ nhớ ngoài và hỗ trợ truy cập dữ liệu bộ nhớ ngoài với 16 bit địa chỉ Ngoài ra, port 2 cũng nhận tín hiệu điều khiển và bit địa chỉ trong quá trình lập trình và kiểm tra.

+ P2.0/A8 : Chân xuất nhập, Port 2 bit 0, địa chỉ bit 8

Port 3 (P3.0-P3.7) bao gồm các chân từ 10 đến 17, tương tự như port 2, là port xuất nhập 8 bit với điện trở nội kéo lên nguồn Các chân của port 3 được kéo lên mức cao nhờ các điện trở bên trong khi đặt mức 1 vào chúng, và trong chế độ này, chúng hoạt động như các ngõ vào Khi kết nối các chân port 3 xuống mass, sẽ cung cấp tín hiệu đầu vào cho hệ thống.

Cổng 3 nhận tín hiệu điều khiển và các bit địa chỉ trong quá trình lập trình và kiểm tra, trong khi 16 cấp một dòng lớn cung cấp nguồn dòng cho các chân.

+ P3.0/RXD : Chân nhập, Port 3 bit 0, ngõ vào của port nối tiếp

+ P3.1/TXD : Chân xuất, Port 3 bit 1, ngõ ra của port nối tiếp

+ P3.2/ ̅̅̅̅̅̅̅ : Chân nhập, Port 3 bit 2, ngõ vào của ngắt ngoài 0

+ P3.3/ ̅̅̅̅̅̅̅ : Chân nhập, Port 3 bit 3, ngõ vào của ngắt ngoài 1

Chân P3.4/T0 là chân xuất nhập, tương ứng với Port 3 bit 4, dùng làm ngõ vào đếm cho timer/counter 0 Chân P3.5/T1, cũng là chân xuất nhập, tương ứng với Port 3 bit 5, phục vụ cho ngõ vào đếm của timer/counter 1 Chân P3.6/̅̅̅̅̅ là chân xuất, thuộc Port 3 bit 6, có chức năng điều khiển việc ghi dữ liệu vào bộ nhớ ngoài Cuối cùng, chân P3.7/̅̅̅̅ là chân xuất, tương ứng với Port 3 bit 7, dùng để điều khiển việc đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài.

Chân ̅̅̅̅̅̅̅ (Program Store Enable) là chân 29, chịu trách nhiệm xuất nhập dữ liệu Khi sử dụng bộ nhớ chương trình bên trong vi điều khiển, chân này không hoạt động (ở mức cao) và được kích hoạt hai lần trong mỗi chu kỳ máy, trừ khi có sự kích hoạt bị bỏ qua khi kết nối bộ nhớ chương trình ngoài Việc thay đổi cưỡng bức từ mức cao sang mức thấp khi chân RTS đang ở mức cao trong 10 chu kỳ máy sẽ đưa vi điều khiển vào chế độ lập trình bộ nhớ ngoài.

Chân RST (Reset) là chân 9 và là chân nhập Khi bộ dao động hoạt động, việc đặt mức cao vào chân này trong 2 chu kỳ sẽ khiến vi điều khiển được reset Nếu chân ̅̅̅̅̅̅̅ chuyển từ mức cao xuống mức thấp trong khi chân RST vẫn giữ mức cao, vi điều khiển sẽ chuyển sang chế độ chạy chương trình từ bộ nhớ ngoài Ngược lại, nếu chân ̅̅̅̅̅̅̅ không thay đổi, vi điều khiển sẽ hoạt động bình thường và đọc chương trình từ bộ nhớ nội.

Chân ̅̅̅̅ (External Access Enable) là chân 31, có chức năng nhập Để vi điều khiển thực thi lệnh từ bộ nhớ ngoài, chân ̅̅̅̅ cần được nối với nguồn V SS Ngược lại, để thực thi lệnh từ bộ nhớ trong, chân ̅̅̅̅ phải được kết nối với nguồn V DD Chân ̅̅̅̅ có khả năng chịu điện áp lên đến 12V.

Chân ALE (Address Latch Enable) có chức năng quan trọng trong việc điều khiển truy cập bộ nhớ ngoài, xuất tín hiệu khóa các byte địa chỉ thấp Ngoài ra, chân này cũng đóng vai trò là ngõ vào xung lập trình khi thực hiện lập trình flash Thông thường, chân ALE phát ra một tần số cố định, giúp đảm bảo tính ổn định trong quá trình truyền dữ liệu.

Tần số dao động thạch anh thường được chia cho 17 và 1/6, thường được sử dụng làm xung clock cho các bộ timer ngoài Khi bit AO được đặt bằng 1, chân ALE sẽ bị vô hiệu hóa.

- Chân XTAL1 : Chân 19, chân nhập Ngõ vào của bộ khuếch đại dao động và ngõ vào cùa mạch tạo xung nội

- Chân XTAL2 : Chân 18, chân xuất Ngõ ra của bộ khuếch đại dao động

- Chân V DD : Chân 40, chân nhập Chân này nối với nguồn cung cấp

- Chân V SS : Chân 20, nhân nhập Chân này nối với GND

2.2 Giới thiêu Module GSM SIM900

2.2.1 Tổng quan Module GSM SIM900

SIM900 là module GSM toàn cầu, hoạt động trên 4 băng tần: GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz Nó hỗ trợ chuẩn GPRS class 10 và GPRS class 8, với mã hóa theo chuẩn CS.

SIM900 là một module nhỏ gọn với kích thước 24x24x3 mm, lý tưởng cho các ứng dụng như giao tiếp M2M, điện thoại thông minh, PDA và thiết bị di động Module này có 68 chân dán SMT, cung cấp các giao tiếp phần cứng hiệu quả giữa SIM900 và board ứng dụng của người dùng.

- Cổng nối tiếp, cổng debug giúp người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng

- Cổng audio gồm một ngõ vào microphone và một ngõ ra bộ nhận tín hiệu

- Các chân lập trình theo mục đích GPIO

- Giao tiếp bàn phím và hiển thị chuẩn SPI

SIM900 được thiết kế với công nghệ tiết kiệm năng lượng, chỉ tiêu thụ 1 mA ở chế độ ngủ Module này tích hợp giao thức TCP/IP và TCP/IP mở rộng, sử dụng lệnh AT để dễ dàng truyền dữ liệu trong các ứng dụng SIM900 hoạt động ở hai mức điện áp TTL là 5V (8051, AVR, PIC) và 3.3V (ARM), với tốc độ truyền dữ liệu từ 9600 (mặc định) đến 115200, có thể điều chỉnh qua lệnh AT Hiện nay, SIM900 được sử dụng phổ biến tại các quốc gia hỗ trợ băng tần GSM900 và GSM1800 như Châu Âu và Trung Đông.

Phi, Úc, và các nước Asia… SIM900 cũng được dùng rộng rãi ở các nước sử dụng băng tần GSM850, GSM1900 như : Canada, Mỹ, và các nước Châu Mỹ

2.2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân SIM900

Hình 3 : Sơ đồ khối SIM900

Hình 4 : Sơ đồ chân SIM900

SIM900 đƣợc thiết kế theo kiểu chân dán, gồm 68 chân và có chức năng nhƣ sau :

- Các chân nguồn cung cấp :

+ Chân VBAT : Chân số 55,56,57, là chân nhập Cung cấp nguồn cho SIM900 hoạt động

THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG GIÁM SÁT, ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA MẠNG GSM

Hệ thống hoạt động tự động, linh hoạt trong nhiều điều kiện môi trường và thời tiết, với khả năng tự phát hiện quá nhiệt và cảnh báo người quản lý Nó có thể điều khiển thiết bị sử dụng nguồn DC hoặc AC, mang lại giải pháp hợp lý cho người dùng tại Việt Nam Cấu hình của hệ thống phù hợp với sự phát triển công nghệ trong nước, không yêu cầu thiết bị chuyên dụng đắt tiền Hệ thống thích hợp cho xí nghiệp, công trường, công sở và hộ gia đình, đồng thời cho phép nâng cấp dễ dàng để mở rộng số lượng thiết bị, thêm cảm biến khói, cảm biến gas và phát cảnh báo đến nhiều số điện thoại.

Nhóm tác giả sẽ phát triển một mô hình hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua mạng GSM, đáp ứng một số yêu cầu cụ thể.

- Hệ thống đƣợc thiết kế theo kiểu module riêng lẻ, dễ dàng kết nối với các thiết bị khác thông qua hệ thống jumper

- Vi điều khiển và module SIM900 đƣợc gắn trên socket để dễ dàng thay thế

- Có thể điều khiển thiết bị DC và thiết bị AC bằng tin nhắn SMS

- Có thể lưu được nhiều số điện thoại của người dùng bằng EEPROM

- Tự động gửi cảnh báo bằng tin nhắn hoặc gọi điện

3.2 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 5: Sơ đồ khối của hệ thống

Giao tiếp ngoại vi Khối xử lý trung tâm

Khối điều khiển thiết bị

Khối phát cảnh báo (SIM900TEC)

3.3 Thiết kế thi công từng khối chức năng

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện áp cho hệ thống, với điện áp vào từ 9-12VDC-2A Điện áp này được chuyển đổi qua IC LM2940 để tạo ra mức điện áp ổn định 5V cho vi điều khiển Để cung cấp nguồn Vbat cho module SIM900 hoạt động, khối nguồn sử dụng IC MIC2930 nhằm tạo ra điện áp ổn định 4,1V, phù hợp với điện áp hoạt động của module SIM900 từ 3,2V đến 4,8V, và điện áp này được điều chỉnh bởi cặp điện trở R1, R2.

Trong quá trình nhắn tin hoặc gọi điện, module tiêu thụ năng lượng lớn với dòng tiêu thụ có thể lên đến 2A, dễ gây sụt áp cho bộ nguồn Do đó, cần thiết phải sử dụng một tụ C4 ở chân Vbat để ổn định điện áp nguồn Đèn LED D3 sẽ báo hiệu rằng đã có nguồn tại chân Vbat.

Hình 8: Sự sụt áp trên chân Vbat trong quá trình truyền tin- Nguồn SIMCOM

Khối xử lý trung tâm

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm

P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7

Hình 10: Mạch thi công khối điều khiển trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển P89V51RD2 để xử lý tín hiệu từ module SIM900 Khi nhận tin nhắn từ người dùng, module SIM900 sẽ xuất nội dung qua hai đường dữ liệu TXD và RXD Dữ liệu này được vi điều khiển xử lý theo cú pháp tin nhắn; nếu là lệnh điều khiển, vi điều khiển sẽ phát tín hiệu để điều khiển relay, còn nếu là lệnh kiểm tra, vi điều khiển sẽ đọc nhiệt độ từ cảm biến và gửi thông tin về cho người dùng qua lệnh AT.

Vi điều khiển được lắp trên socket 40 chân giúp dễ dàng thay thế và nạp chương trình Khối xử lý trung tâm kết nối trực tiếp với LCD qua 4 bit cao của port P2 (P2.7-P2.4) để hiển thị thông tin cần thiết Đồng thời, 4 bit thấp của port P2 được sử dụng để điều khiển còi, đèn báo trạng thái SIM900 và xuất xung để đóng mở SIM900.

Hình 11: Mạch điều khiển còi báo

Để kích hoạt SIM900, cần kéo chân PWRKEY xuống mức thấp ít nhất 1 giây Chân P2.0 được sử dụng để điều khiển việc đóng mở SIM900 theo sơ đồ kết nối đã được thiết lập.

Hình 13: Mạch đóng mở SIM900 bằng vi đều khiển

36 Hình 14: Thời gian để mở SIM900 bằng chân PWRKEY -Nguồn SIMCOM

Hình 15: Thời gian để đóng SIM900 bằng chân PWRKEY-Nguồn SIMCOM

Ngoài ra có thể đóng mở SIM900 bằng tay thông qua nút nhấn nhƣ sau:

Hình 16: Đóng ngắt module bằng nút nhấn-Nguồn SIMCOM

Bốn bit cao của port P3 (P3.7-P3.4) được kết nối với bộ chuyển đổi ADC qua jumper J8, trong khi bốn bit thấp kết nối với module qua jumper J12 để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và SIM900 Đồng thời, chân P3.2 và P3.3 kết nối với ERRPROM bên ngoài để lưu trữ số điện thoại của người dùng Hai port P0 và P1 được kết nối với jumper J61 và J62 để giao tiếp với thiết bị ngoại vi mở rộng, cả hai port đều có điện trở thanh treo lên nguồn Nút nhấn SW3 được kết nối với chân RST (chân 9) để thực hiện reset bằng tay cho vi điều khiển.

Hình 17: Mạch reset cho vi điều khiển

Hình 18: Sơ đồ nguyên lý khối module SIM900 TE_C

Hình 19: Mạch thi công khối module SIM900 TE_C

Khối phát cảnh báo có thể kết nối với các điện thoại có sẵn hoặc sử dụng module GSM Để tối ưu hóa thiết kế, đề tài chọn Module GSM Sim900 TEC của SIMCOM để gửi tin nhắn SMS hoặc thực hiện cuộc gọi tới người dùng qua mạng GSM, đồng thời giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn USB-TO-COM Module Sim900 của SIMCOM đảm nhận chức năng nhắn tin SMS, hoạt động trên băng tần 850 và 900.

Module SIM900 TEC hoạt động trên băng tần 1800 và 1900 MHz, sử dụng công nghệ GPRS, được thiết kế với socket 60 chân giúp dễ dàng thay thế khi cần Nó có khả năng nhận tin nhắn và cuộc gọi từ người điều khiển qua mạng GSM, đồng thời gửi tin nhắn cảnh báo đến người sử dụng khi có sự cố Module kết nối với socket sim card 6 chân, với các đèn báo hiệu Netlight và trạng thái Status được điều khiển bởi 2 BJT C1815, cho phép người dùng theo dõi trạng thái mạng của SIM900 một cách hiệu quả.

Bảng 1: Bảng báo trạng thái SIM900 thông qua chân Netlight

Các chân truyền dữ liệu TXD và RXD được kết nối qua jumper để dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển Ngoài ra, module còn tích hợp các chức năng như micro, loa và bàn phím, cùng với khả năng debug, cũng được nối ra ngoài qua jumper, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển phần cứng trong tương lai.

Hình 20: Mạch debug và update firmware cho SIM900

Trạng thái chân Netlight Trạng thái SIM900

Off SIM900 tắt, không hoạt động

64ms on/ 800ms off SIM900 chƣa dò đƣợc mạng

64ms on/ 3000ms off SIM900 đã dò đƣợc mạng

SIM900 đã thiết lập kết nối GPRS

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Khối cảm biến có chức năng đo nhiệt độ môi trường hiện tại bằng cảm biến nhiệt độ LM35 và truyền dữ liệu này đến vi điều khiển để xử lý.

IC ADC0804 được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu điện áp tương tự từ ngõ ra của cảm biến nhiệt độ LM35 thành tín hiệu số trước khi đưa vào vi điều khiển Với thiết kế 20 chân kiểu DIP, IC này được gắn trên socket, giúp việc thay thế trở nên dễ dàng và thuận tiện trong quá trình sử dụng.

Hình 23: Sơ đồ khối của IC ADC0804

Hình 24: Sơ đồ chân ADC0804 Chức năng từng chân của ADC0804:

 Chân 1: ̅̅̅̅ (Chip select) chân này tích cực mức thấp,là chân đầu vào điều khiển để IC ADC0804 hoạt động chuyển đổi bình thường

Chân 2 (Read) là chân đầu vào, có tín hiệu tích cực mức thấp Tín hiệu tương tự đầu vào sẽ được chuyển đổi sang dạng số nhị phân và lưu trữ trong một thanh ghi bên trong IC ADC0804 Dữ liệu sẽ được chuyển ra 8 chân DB0 - DB7 theo thứ tự LSB - MSB khi có xung cạch xuống ở chân RD, và chân CS phải ở mức tích cực (CS = [0]).

Chân 3 (WR) là chân đầu vào tích cực mức thấp, khi chân này được kích hoạt và chân CS bằng 0, ADC sẽ bắt đầu quá trình chuyển đổi tín hiệu thành dữ liệu số Khi có xung cạch xuống tại chân WR, ADC sẽ tiến hành chuyển đổi tín hiệu đầu vào tại chân Vin thành 8 bit nhị phân.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1.1 Sơ đồ thiết kế mạch nguyên lý

4.1.2 Sơ đồ mạch in layout

Mạch in được thiết kế bằng chương trình Orcad 9.2, một phần mềm đang được giảng dạy tại trường Cao Đẳng Công nghệ Thủ Đức Mạch được vẽ trên hai lớp TOP và BOT, với đường mạch nhỏ nhất là 15 mils Các linh kiện, bao gồm module SIM900, được bố trí trên cùng một mặt, và hình ảnh linh kiện được in trên mặt trên để thuận tiện cho việc thay thế và sửa chữa sau này.

Hình 36: Sơ đồ mạch layout nhìn từ lớp TOP

55 Hình 37: Sơ đồ mạch layout nhìn từ lớp BOT

Hình 38: Hình linh kiện trên mạch

4.1.3 Mạch thi công thực tế

Hình 39: Mặt trên mạch khi chƣa hàn linh kiện

Hình 40: Mặt dưới mạch khi chưa hàn linh kiện

57Hình 41: Mô hình thực tế dàn trải hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng GSM

4.2 Lưu đồ giải thuật và chương trình điều khiển thiết bị qua mạng GSM 4.2.1 Lưu đồ giải thuật

Chờ nhận tin nhắn Đọc tin nhắn

Hình 42: Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị qua mạng GSM

4.3 Lưu đồ giải thuật và chương trình phát cảnh báo qua mạng GSM

Hình 43: Lưu đồ giải thuật chương trình cảnh báo qua mạng GSM

Kiểm tra quá nhiệt Đọc nhiệt độ

Hiển thị LCD Kiểm tra

4.4 Lưu đồ giải thuật và chương trình kiểm tra nhiệt độ bằng tin nhắn SMS 4.4.1 Lưu đồ giải thuật

Hình 44: Lưu đồ giải thuật chương trình kiển tra nhiệt độ bằng tin nhắn SMS

Chờ nhận tin nhắn Đọc tin nhắn

Gửi tin nhắn Đọc nhiệt độ

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Đề tài đã hoàn thành các yêu cầu ban đầu, dựa trên nghiên cứu về vi điều khiển P89V51RD2, module GSM SIM900 TEC và các phương pháp điều khiển thiết bị từ xa trong thời gian thực, đặc biệt là qua mạng GSM kết hợp với kỹ thuật lập trình nhúng Nhóm đã xây dựng thành công mô hình hệ thống cảnh báo và điều khiển thiết bị qua mạng GSM, ứng dụng vào giảng dạy cho sinh viên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật điện tử - truyền thông và Tự động hóa tại Cao đẳng Công nghệ Thủ Đức.

Trong quá trình phát triển chương trình, nhóm đã nghiên cứu tập lệnh AT, từ đó nắm vững cách sử dụng các hàm trong tập lệnh này để thiết kế chương trình điều khiển và cảnh báo thiết bị hiệu quả.

Chương trình demo cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, với thời gian đáp ứng nhanh và hệ thống ổn định, ít lỗi Các khối chức năng dễ dàng kết nối với vi điều khiển thông qua hệ thống jumper Hệ thống cũng tương thích với mọi loại sim card của các nhà mạng tại Việt Nam như Viettel, Vinafone, Mobifone và Vietnamobile.

Công nghệ 3G đang được triển khai mạnh mẽ tại Việt Nam, tạo cơ hội lớn cho sự phát triển của ngành viễn thông Nhiều mạng viễn thông mới xuất hiện và không ngừng cải thiện chất lượng dịch vụ, từ nhắn tin SMS và gọi điện cơ bản đến các dịch vụ hiện đại như nhắn tin MMS, gọi video, định vị vệ tinh và chỉ dẫn bản đồ tại các thành phố lớn Ngoài ra, các dịch vụ viễn thông phong phú như nhạc chuông, nhạc chờ, tải hình ảnh và quảng cáo qua tin nhắn SMS cũng đang phát triển Đây chính là nền tảng cho sự phát triển các phương pháp điều khiển và cảnh báo kết hợp hình ảnh, âm thanh trong tương lai.

Tiêu đề	Mô Hình Dàn Trãi Hệ Thống Cảnh Báo Và Điều Khiển Thiết Bị Qua Mạng GSM
Tác giả	Đoàn Chánh Tín, Trần Quốc Trung
Trường học	Trường Cao Đẳng Công Nghệ Thủ Đức
Thể loại	Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Cấp Cơ Sở
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	2,36 MB