BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ NHÚNG Đề tài THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, THU THẬP THÔNG TIN TỪ XA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ HỆ NHÚNG Đề tài: THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT, THU THẬP THÔNG TIN TỪ XA Sinh viên thực hiện: Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Duy Thịnh 20149575 Lê Quang Minh 20159503 Nguyễn Việt Anh 20121228 TS Ngô Vũ Đức Hà Nội, - 2016 MỤC LỤC MỤC LỤC I MÔ TẢ ĐỀ TÀI II YÊU CẦU CHỨC NĂNG III YÊU CẦU PHI CHỨC NĂNG IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1 Sơ đồ khối chức 4.2 Thông số linh kiện dự kiến sử dụng cho phần cứng .4 4.2.1 Khối nguồn .4 4.2.2 Khối cảm biến 4.2.3 Khối MCU 4.2.4 Khối module SIM 4.3 Phần mềm kiểm thử ngôn ngữ lập trình LabVIEW 4.3.1 Phần mềm Hercules 4.3.2 Phần mềm SDiags 4.3.3 Ngơn ngữ lập trình LabVIEW V KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I MÔ TẢ ĐỀ TÀI Hiện nay, ứng dụng khai thác hạ tầng mạng thơng tin di động mạng Internet sẵn có phát triển mạnh mẽ Một số ứng dụng thực tế kể như: hệ thống thu thập liệu từ môi trường, hệ thống điều khiển thiết bị, hệ thống giám sát, cảnh báo từ xa… Trong ứng dụng thường sử dụng module SIM để truyền liệu (SMS/DATA) qua hạ tầng mạng thông tin di động Bài tập lớn môn Thiết kế hệ nhúng u cầu nhóm sinh viên tìm hiểu, thiết kế thực hệ thống nhỏ tương tự hệ thống nêu trên, nhằm giúp sinh viên củng cố nắm kiến thức chung hệ thống nhúng bản, áp dụng kiến thức học vào giải toán cụ thể thực tế Với vấn đề nêu trên, chúng em lựa chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát, thu thập thông tin từ xa” Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng thiết kế mạch phần cứng, phần mềm nhằm giải vấn đề sau:  Nghiên cứu giao thức truyền nhận với module SIM900  Thiết kế mạch điện tử thu nhận liệu từ cảm biến  Tối ưu lượng tiêu thụ hoạt động ổn định  Truyền liệu thu thập server giả lập trước  Kết hợp với phần mềm Client-Server (nếu có) II YÊU CẦU CHỨC NĂNG Các liệu sau thu thập từ cảm biến (nhiệt độ độ ẩm) xử lý đưa lên Server giả lập thơng qua module SIM Đó ví dụ điển hình cho mơ hình Client-Server Cụ thể, yêu cầu chức đề tài bao gồm:  Thu thập liệu môi trường (nhiệt độ, độ ẩm…) thông qua cảm biến  Dữ liệu thu thập truyền lên Server tự động gửi SMS điện thoại di động  Hiển thị liệu phần mềm giả lập Server  Giao tiếp với phần mềm máy tính  Cảnh báo thông số vượt ngưỡng cảnh báo (led, buzzer) III YÊU CẦU PHI CHỨC NĂNG Ngoài yêu cầu chức nêu trên, hệ thống cần phải đảm bảo thêm số yêu cầu phi chức nhằm phục vụ mục đích sử dụng phát triển hệ thống sau  Sử dụng vi điều khiển lõi ARM Cortex-M3, phù hợp ứng dụng thực tế hệ thống nhúng  Linh kiện sử dụng hệ thống chủ yếu linh kiện dán, thuận tiện việc tối ưu hệ thống sau  Code viết sử dụng ngôn ngữ lập trình C, trình biên dịch Keil C  PCB thiết kế để dễ dàng trình debug phát triển thêm tính khác  Nguồn cung cấp ổn định, đảm bảo hệ thống hoạt động lâu dài môi trường thực tế  Tương tác phần cứng phần mềm đơn giản IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để xây dựng hệ thống giám sát, thu thập thơng tin từ xa, ngồi việc có hiểu biết phương thức thu thập liệu hay giao thức truyền liệu, phải xác định chi tiết mà hệ thống cần đạt Cụ thể cần phải đưa mục tiêu rõ ràng, liệt kê mục tiêu mà hệ thống đạt loại cảm biến đo lường, giao thức sử dụng… Cụ thể là, với phần cứng cần xác định loại linh kiện sử dụng, thông số liên quan, giao tiếp…; phần mềm sử dụng trình biên dịch để xây dựng nên, giao thức làm việc tương ứng với phần cứng gì… 4.1 Sơ đồ khối chức Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống Phần cứng thu thập liệu ghép khối chức năng:  Khối cảm biến: tín hiệu thu từ cảm biến  Khối MCU: xử lý tín hiệu thu từ khối cảm biến, giao tiếp với module SIM  Khối nguồn: bao gồm nguồn xung cung cấp cho cho khối module SIM nguồn tuyến tính cho khối MCU cảm biến  Khối module SIM: tiếp nhận lệnh từ khối MCU truyền liệu Server giả lập trước gửi SMS điện thoại Trong đó, khối nguồn khối quan trọng Khối nguồn hoạt động tốt đảm bảo tín hiệu truyền cách liên tục, đặc biệt khối module SIM không bị treo reset chừng tiêu thụ nhiều lượng so với khối khác 4.2 Thông số linh kiện dự kiến sử dụng cho phần cứng 4.2.1 Khối nguồn Nguồn vấn đề quan trọng hệ thống Trong hệ thống cần cung cấp nguồn cho khối module SIM, khối MCU khối cảm biến với yêu cầu cụ thể là:  Khối MCU khối cảm biến: +3.3V  Khối module SIM: 4.3÷4.8V / 2÷3A Bảng 4.1 Thơng số mạch nguồn +3.3V Thơng số Giá trị IC AMS1117 Điện áp đầu vào +5V Điện áp đầu +3.3V Dòng 1A Dropout Voltage 1V Bảng 4.2 Thơng số mạch nguồn 4.3÷4.8V Thơng số Giá trị Linh kiện LM2576 Điện áp đầu vào +12V Điện áp đầu Adjustable Dòng 3A 4.2.2 Khối cảm biến Yêu cầu ban đầu đặt thu nhận hai thơng số cảm biến, nhóm lựa chọn hai thông số nhiệt độ, độ ẩm DHT11 loại cảm biến tích hợp đo hai thông số cách đồng thời Bảng 4.3 Một số thông số khối cảm biến Thơng số Giá trị Sensor DHT11 Dải đo 20÷90%RH, 0÷50oC Độ xác ±5% RH, ±2% oC Độ phân giải Package 4-pin Single Row Giao thức Serial Interface Nguồn cung cấp 3÷5.5V 4.2.3 Khối MCU Tín hiệu thu nhận từ cảm biến vào vi điều khiển phải đảm bảo tốc độ độ trung thực liệu thu nhận Vì với ưu điểm đáp ứng yêu cầu, vi điều khiển STM32F103C8T6 ST Microelectronics lựa chọn cho thiết kế Các đặc tính bật STM32F103C8T6:  Dải điện áp -0.3 – 4V  MIPS đơn xung nhịp, tần số thạch anh tối đa 72MHz  Full Speed USB 2.0  Truyền thông nối tiếp tốc độ cao USART, I2C, SPI, CAN…  Lập trình chế độ tiêu thụ lượng Sleep, Stop, Standby Trong phạm vi đề tài này, sử dụng dụng tính truyền thơng nối tiếp tốc độ cao USART với module SIM 4.2.4 Khối module SIM Hiện thị trường cho nhiều module SIM đáp ứng yêu cầu đề tài Các module hầu hết hỗ trợ truyền thông UART với vi điều khiển, giao tiếp thông qua tập lệnh AT, dễ dàng kiểm thử thông qua module USB to COM… Với yêu cầu vậy, nhóm lựa chọn module SIM900A Bảng 4.4 Thông số module SIM900 Thơng số Giá trị Nguồn cung cấp 3.4÷4.5V Giao tiếp AT command Các giao thức hỗ trợ UDP, TCP/IP GSM class Small MS External antenna Antenna pad GPRS data downlink / uplink 85.6kbps / 42.8kbps 4.3 Phần mềm kiểm thử ngơn ngữ lập trình LabVIEW 4.3.1 Phần mềm Hercules Hercules phần mềm thiết kế gọn nhẹ trực quan cho phép quản lý kết nối đến máy tính Có thể sử dụng phần mềm công cụ hiển thị thông báo từ vi điều khiển lên máy tính, giúp cơng việc test debug thuận lợi Dưới giao diện phần mềm Hercules Hình 4.2 Giao diện phần mềm Hercules 4.3.2 Phần mềm SDiags Phần mềm SDiags sử dụng để test module SIM900 với máy tính với chức cấu hình module SIM, truyền nhận tin nhắn (SMS), thực gọi (CALL)… Về chức gần tương tự phần mềm Hercules Hình 4.3 Giao diện phần mềm SDiags 4.3.3 Ngơn ngữ lập trình LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) phần mềm máy tính phát triển National Instruments LabVIEW dùng hầu hết phịng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật tự động hóa, điều khiển, điện tử, điện tử, hàng khơng, hóa sinh, điện tử y sinh nước đặc biệt Mỹ, Hàn quốc, Nhật Bản Nó cung cấp cho người dùng hệ thống hàm hỗ trợ giao tiếp, mô liệu, hàm xử lý tín hiệu LabVIEW khác với ngơn ngữ lập trình thơng thường C, Basic Hệ thống lập trình khác sử dụng ngơn ngữ text-based để tạo dòng lệnh, LabVIEW sử dụng ngơn ngữ lập trình đồ họa, việc dùng khối hình ảnh sinh động dây nối để tạo lệnh hàm Chương trình lập trình hồn thiện nhìn vào giống dạng sơ đồ khối chi tiết Chính điều khác biệt LabVIEW làm việc lập trình trở nên đơn giản nhiều so với việc lập trình nhàm chán truyền thống LabVIEW hỗ trợ kỹ sư, nhà khoa học sinh viên… xây dựng thuật toán cách nhanh gọn, sáng tạo dễ hiểu nhờ khối hình ảnh có tính gợi nhớ cách thức hoạt động theo kiểu dòng liệu (data flow) từ trái qua phải Các ứng dụng LabVIEW kể đến là:  Kết nối cảm biến cấu chấp hành với máy tính  Có thể xử lý kiểu liệu tín hiệu tương tự (Analog), tín hiệu số (Digital), hình ảnh (Vision), âm (Audio)…  Hỗ trợ giao thức giao tiếp khác RS232, RS485, TCP/IP, UDP… Hình 4.4 Phần mềm điều khiển động DC thiết kế LabVIEW Chính ưu điểm trên, nhóm dự kiến sau q trình kiểm thử với phần mềm thu nhận có sẵn Hercules, Sdiags… bắt đầu tiến hành xây dựng phần mềm thu nhận liệu viết ngơn ngữ lập trình LabVIEW V KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI No Task Name Week 32 In Charge By Duration Start days Finish Mon 3/14/16 Sun 3/20/16 Lựa chọn đề tài All days Mon 3/14/16 Wed 3/16/16 Viết mô tả chi tiết cho đề tài All days Fri 1/17/14 Sat 1/18/14 day Sat 3/19/16 Sat 3/19/16 day Sun 3/20/16 Sun 3/20/16 days Mon 3/21/16 Sun 3/27/16 Việt Anh days Mon 3/21/16 Sun 3/27/16 Thịnh days Mon 3/21/16 Sun 3/27/16 Minh days Mon 3/21/16 Sun 3/27/16 Phân cơng trưởng nhóm, cơng việc All Nộp mô tả chi tiết đề tài Thịnh Week 33 Tìm hiểu module kiểm thử USB to COM Tìm hiểu cấu trúc vi điều khiển STM32 Tìm hiểu mơ hình ClientServer Week 34 Tìm hiểu module SIM900A Tìm hiểu truyền thơng UART SMT32 Tìm hiểu phần mềm LabVIEW 11 days Mon 3/28/16 Sun 4/10/16 Việt Anh 11 days Mon 3/28/16 Sun 4/10/16 Thịnh 11 days Mon 3/28/16 Sun 4/10/16 Minh 11 days Mon 3/28/16 Sun 4/10/16 days Mon 4/11/16 Sun 4/17/16 Việt Anh days Mon 4/11/16 Sun 4/17/16 Thịnh days Mon 4/11/16 Sun 4/17/16 Minh days Mon 4/11/16 Sun 4/17/16 Week 35 Giao tiếp module SIM USB to COM Thử nghiệm truyền thông UART Viết phần mềm giao tiếp UART LabVIEW Week 36 11 days Mon 4/18/16 Sun 5/1/16 Kết hợp giao tiếp module Thịnh + SIM STM32 Việt Anh 11 days Mon 4/18/16 Sun 5/1/16 10 Tìm hiểu giao thức Minh + TCP/IP, UDP Thịnh 11 days Mon 4/18/16 Sun 5/1/16 days Mon 5/2/16 Sun 5/8/16 Việt Anh days Mon 5/2/16 Sun 5/8/16 Thịnh days Mon 5/2/16 Sun 5/8/16 Minh days Mon 5/2/16 Sun 5/8/16 days Mon 5/9/16 Sun 5/15/16 days Mon 5/9/16 Sun 5/15/16 Việt Anh days Mon 5/9/16 Sun 5/15/16 Minh days Mon 5/9/16 Sun 5/15/16 days Mon 5/16/16 Sun 5/22/16 STM32, DHT11 module Việt Anh days Mon 5/16/16 Sun 5/22/16 Week 37 Hoàn thiện giao tiếp module SIM STM32 Tìm hiểu cảm biến DHT11 Xây dựng phần mềm thu nhận liệu qua giao thức TCP/IP, UDP Week 38 Giao tiếp DHT11 với STM32 Kết nối đến phần mềm thu nhận xây dựng Thịnh Tiếp tục xây dựng phần mềm thu nhận liệu qua giao thức TCP/IP, UDP Week 39 Hoàn thiện giao tiếp SIM Thiết kế phần cứng cho khối Hoàn thiện phần mềm xây dựng LabVIEW Thịnh days Mon 5/16/16 Sun 5/22/16 Minh days Mon 5/16/16 Sun 5/22/16 days Mon 5/23/16 Sun 5/29/16 Week 40 Đặt mạch Thịnh days Mon 5/23/16 Sun 5/29/16 Giao tiếp thử nghiệm toàn All days Mon 5/23/16 Sun 5/29/16 11 hệ thống Viết báo cáo All days Mon 5/23/16 Sun 5/29/16 days Mon 5/30/16 Tue 5/31/16 All day Mon 5/30/16 Mon 5/30/16 All day Mon 5/30/16 Mon 5/30/16 All day Tue 5/31/16 Tue 5/31/16 10 Week 41 Hàn mạch, thử nghiệm phần cứng Hoàn thiện sản phẩm 11 Bảo vệ 12