Hệ thống chống trộm dùng sóng rf

1.1. Mục tiêu đề tài Đứng trước những thách thức lớn trong việc tiết kiệm năng lượng điện, vấn đề mang ý nghĩa quốc gia, đồng thời nâng cao sự tiện lợi trong lĩnh vực điều khiển một trong những nhân tố quyết định sự phát triển của đất nước, người thực hiện đề tài “Điều khiển và giám sát thiết bị điện từ xa dùng sóng RF” với mục đích thực hành một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghiệp điều khiển thiết bị. Để thực hiện được điều đó, người thực hiện đã đưa ra một số mục tiêu :

Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng KHOA CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ~~~~~  ~~~~~ Báo cáo môn học Hệ thống Nhúng Đề tài: HỆ THỐNG CHỐNG TRỘM DÙNG SÓNG RF Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Ngọc Minh Mục Lục CHƯƠNG : GIỚI THIỆU 1.1 Mục tiêu đề tài 1.2 Nhiệm vụ đề tài CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sóng RF 2.1.1 Khái niệm sóng RF 2.1.2 Cách tạo sóng RF .6 2.1.3 Sơ lược vài module NRF24L01 2.2 a Thông số kỹ thuật : b Phân tích c Sơ đồ phần cứng Khảo sát vi điều khiển dòng STM32 10 2.2.1 Sự tinh vi 11 2.2.2 Sự an toàn 12 2.2.3 Tính bảo mật 12 2.2.4 Phát triển phát mềm 13 2.2.5 Dòng Performance Access STM32 13 2.3 Tìm hiểu Module cảm biến PIR 14 2.4 Nguyên lý hoạt động module cảm biến PIR 20 2.4.1 Môi trường hoạt động cảm biến PIR 20 2.4.2 Nguyên tắc hoạt động module cảm biến PIR 20 2.4.3 Các thông số module cảm biến PIR 24 2.5 LCD 16x2 27 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG 27 3.1 Sơ đồ khối 27 3.2 Chức khối 28 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 29 Chương : Giới thiệu 1.1 Mục tiêu đề tài Đứng trước những thách thức lớn việc tiết kiệm lượng điện, vấn đề mang ý nghĩa quốc gia, đồng thời nâng cao tiện lợi lĩnh vực điều khiển - những nhân tố định phát triển đất nước, người thực đề tài “Điều khiển giám sát thiết bị điện từ xa dùng sóng RF” với mục đích thực hành những ứng dụng quan trọng ngành công nghiệp điều khiển thiết bị Để thực điều đó, người thực đã đưa số mục tiêu :  Nghiên cứu nguyên lý hoạt động module RF  Ứng dụng thực tế chip vi điều khiển stm32f103c8t6 phần mềm Keil C for arm  Xây dựng thuật toán đọc cảm biến, truyền dữ liệu chiều qua module RF, hiển thị lên lcd phát còi báo động  Tính tốn, thiết kế thi cơng mạch 1.2 Nhiệm vụ đề tài Thiết kế thi công mạch thực chức năng: - Phát chuyển động tạo tín hiệu cảnh báo - Vi điều khiển khối phát nhận tín hiệu cảnh báo gửi thông tin cho khối nhận qua module RF - Màn hình LCD board khối nhận hiển thị bị trí cảnh báo Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Sóng RF 2.1.1 Khái niệm sóng RF Những dao động điện từ có tần số hàng chục hàng trăm Hz xạ rất yếu Sóng điện từ chúng khơng có khả truyền xa Trong thơng tin vơ tuyến, người ta sử dụng những sóng có tần số từ hàng nghìn Hz trở lên, gọi sóng vơ tuyến Sóng RF (tần số vơ tuyến) sóng điện từ có dải tần số nằm khoảng KHz tới 300 GHz Tần số Bước Bảng 2.1 Phân loại tần số Tên gọi Tên Công dụng sóng gọi 10^4 km- Tần số ELF 30 – 300 Hz 10^3 km thấp Chứa tần số điện mạng xoay chiều, tín hiệu đo lường từ xa tần thấp 10^3 km- Tần số thoại 300 – 3000 Hz VF tiêu chuẩn 100 km 100 – 30 kHz Chứa tần số kênh thoại km- Tần số rất thấp VLF Chứa phần dải nghe tiếng nói Dùng cho 10 km hệ thống an ninh, quân sự, chuyên dụng, thông tin dưới nước (tàu ngầm) 10 30 – 300 kHz km- Tần số thấp LF km 300 MHz kHz - 100m Dùng cho dẫn đường hàng hải hàng không km- Tần số trung MF bình Dùng cho phát thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng dùng cho dẫn đường hàng hải hàng không Tần số cao 100m- - 30 MHz HF Dùng thơng tin vơ tuyến chiều với mục đích thông tin 10m cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát quảng bá 10m-1m 30 - 300 MHz Tần số rất cao VHF Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải hàng không, phát FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại (kênh đến 12 tần số từ 54 216 MHz) 300 MHz - 1m-10 cm Tần số cực cao UHF Dùng cho kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 GHz đến kênh 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất, di động tế bào, số hệ thống radar dẫn đường, hệ thống vi ba vệ tinh – 30 GHz 10 cm cm- Tần số siêu SHF cao Dùng cho kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất, di động tế bào, số hệ thống radar dẫn đường, hệ thống vi ba vệ tinh 30 – 300 GHz 1mm cm- Tần số EHF cao Ít sử dụng thơng tin vơ tuyến 2.1.2 Cách tạo sóng RF Để có sóng RF dùng điều khiển vô tuyến, khởi đầu người ta dùng mạch dao động cộng hưởng LC kết nối cuộn dây tụ điện Khi mạch LC bị kích thích, cuộn dây sẽ xuất từ trường tụ điện sẽ xuất điện trường Khi vào trạng thái cộng hưởng, từ trường cuộn dây L điện trường tụ C sẽ kết hợp tạo dạng sóng điện từ trường Dùng dây anten phù hợp cho phát sóng mạch LC vào khơng gian, đến sóng RF dùng cho cơng việc điều khiển vô tuyến đã tạo 2.1.3 Sơ lược vài module NRF24L01 Module sử dụng chip truyền sóng NRF24L01+ mới nhất từ hãng Nordic với nhiều cải tiến so với chipNRF24L01 cũ tốc độ truyền, khoảng cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers, tính auto-retransmit tương thích ngược với phiên cũ cách sử dụng NRF24L01+ hoạt động dải tần 2.4GHz sử dụng giao tiếp SPI, khoảng cách tối đa điều khiện không vật cản lên đến 50m a Thông số kỹ thuật : - Radio  Hoạt động giải tần 2.4G  Có 126 kênh  Truyền nhận dữ liệu  Truyền tốc độ cao 1Mbps 2Mbps - Công suất phát:  Có thể cài đặt cơng śt nguồn phát: 0,-6,-12,-18dBm - Thu:  Có lọc nhiễu đầu thu  Kếch đại bị ảnh hưởng nhiễu thấp (LNA) - Nguồn cấp:  Hoạt động từ 1.9-3.6V  Các chân IO chạy 3.3 lẫn 5V - Giao tiếp:  pin SPI  Tốc độ tối đa 8Mbps  3-32 bytes khung truyền nhận b Phân tích Module NRF24L01 hoạt động tần số sóng ngắn 2.4G nên Modul khả truyền dữ liệu tốc độ cao truyền nhận dữ liệu điều kiện mơi trường có vật cản Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền Điều giúp ta truyền nhận dữ liệu nhiều kênh khác Modul khả thay đổi công suất phát chương trình, điều giúp hoạt động chế độ tiết kiệm lượng Chú ý : Điện áp với cung cấp cho 1.9 3.6V Điện áp thường cung cấp 3.3V Nhưng chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều giúp giao tiếp rộng dãi với dòng vi điều khiển c Sơ đồ phần cứng Khi kết nối tới vi điều khiển bạn nhớ cấu hình chân output hay input (AVR, PIC) 2.2 Khảo sát vi điều khiển dòng STM32 Những đặc điểm trội dòng ARM Cortex đã thu hút nhà sản xuất IC, 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhân Cortex đã giới thiệu Khơng nằm ngồi xu hướng đó, hãng sản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa dòng STM32 STM32 vi điều khiển dựa tảng lõi ARM CortexM3 hệ mới hãng ARM thiết kế Lõi ARM Cortex-M3 cải tiến từ lõi ARM7 truyền thống mang lại thành công vang dội cho công ty ARM Một vài đặc điểm bật STM32 : ST đã đưa thị trường dòng vi điều khiển dựa ARM7 ARM9, STM32 bước tiến quan trọng đường cong chi phí hiệu suất (price/performance), giá gần Euro với số lượng lớn, STM32 thách thức thật với vi điều khiển 16-bit truyền thống STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, phân thành hai dòng: dòng Performance có tần số hoạt động CPU lên tới 72Mhz dịng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz Các biến thể STM32 hai nhóm tương thích hồn tồn cách bố trí chân (pin) phần mềm, đồng thời kích thước nhớ FLASH ROM lên tới 512K 64K SRAM Hình Kiến trúc STM32 nhánh Performance Access 10 gồm chân nối nguồn, chân nối mass chân output tín hiệu ngõ Hình Cấu tạo module cảm biến PIR gồm khối: cảm biến PIR, khối khuếch đại tín hiệu, khối so sánh, khối định thời delay tín hiệu đưa công tắt tự động để điều khiển thiết bị khác Được mơ tả hình dưới đây: Hình Người ta đã thiết kế loại IC tích hợp tất khối vào đó, IC có tên BISS0001 IC BISS0001 có 16 chân có hình dạng dưới : 16 Hình 9: Sơ đồ chân BISS0001 Đây bảng chức chân IC BISS0001 : Hình 10: Bảng chức chân IC BISS0001 17 Cấu tạo bên IC BISS0001 : Hình 11 : Cấu tạo bên IC BISS0001 Sơ đồ tương đương module cảm biến PIR : Hình 12 : Sơ đồ tương đương module cảm biến PIR 18 Đây mạch điện module cảm biến PIR (Hình 12) bao gồm có ngõ vào cảm biến PIR, qua khối xử lí BISS0001 tín hiệu ngõ Output, tín hiệu ngõ biến thành tín hiệu số giao tiếp với thiết bị số khác Mạch ngõ mắc thêm cảm khối công tắc transistor relay 12Volt Thiết bị hội tụ tia nhiệt cho module cảm biến PIR Các tia nhiệt phát từ vật thể sống rất yếu rất phân tán, để tăng độ rộng cho đầu dò hội tụ tia nhiệt lại vào vị trí cảm biến PIR, người ta dùng kính Fresnel (Hình 13 ) để chụp lên đầu cảm biến PIR Đồng thời giúp cho cảm biến tránh tia tử từ mơi trường bên ngồi chiểu vào đầu cảm biến Hình 13 19 Hình 14 : Hình ảnh kính Fresnel hội tụ tia nhiệt vào vị trí cảm biến PIR 2.4 Nguyên lý hoạt động module cảm biến PIR 2.4.1 Môi trường hoạt động cảm biến PIR Cảm biến PIR hoạt động khoảng nhiệt độ từ -30 độ C đến 70 độ C Có nghĩa cảm biến làm việc khoảng nhiệt độ trên, tia nhiệt phát từ vật thể phải nằm khoảng nhiệt độ 2.4.2 Nguyên tắc hoạt động module cảm biến PIR Nguyên lý chung: module cảm biến PIR hoạt động dựa nguyên lí cảm ứng tia nhiệt vật thể sống phát ra, cảm biến pyroelectric thứ nhất nhận tia nhiệt, sẽ phát tín hiệu nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai cảm biến pyroelectric nhận tia nhiệt lại phát tín hiệu điện Sự xuất tín hiệu nhận biết đã có nguồn nhiệt di động ngang mạch điện tử sẽ phát tín hiệu điều khiển 20 Nguyên tắc hoạt động: Ở trạng thái thường trực chưa có tia nhiệt di chuyển vào đầu dị cảm biến tín hiệu mức 0, mạch khơng hoạt động Khi có vật chuyển động vào đầu dị nhiệt PIR tia nhiệt từ vật thể phát sẽ qua thấu kính Fresnel tia nhiệt sẽ hội tụ vào đầu dò PIR, mới vào vùng dò cảm biến tia nhiệt hội tụ vào cảm biến pyroelectric thứ 1, mức cảm biến thứ nhất sẽ lên 1, khoảng thời gian rất nhỏ vật sẽ di chuyển ngang qua tới cảm biến pyroelectric thứ tương tự cảm biến thứ nhất sẽ chuyển từ mức lên mức tín hiệu sẽ qua khuếch đại thứ nhất FET, tín hiệu ngõ cảm biến PIR chân (Source) sẽ vào mạch khuếch đại nữa, mạch khuếch đại sẽ khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết theo theo thiết kế sẵn nhà sản xuất, tín hiệu sẽ đến mạch so sánh để xuất tín hiệu chuẩn kỹ thuật số mức tức mạch hoạt động, ngược lại mức mạch không hoạt động Trong thực tế vật phát tia hồng ngoại di chuyển nhanh, chậm đứng yên vùng quét cảm ứng, ta cần mạch làm trễ tín hiệu lâu so với tín hiệu nhận thực tế để ta điều chỉnh thiết bị hoạt động khoản thời gian mà mong muốn từ tín hiệu module cảm biến đưa để kết nối với thiết bị khác Chúng ta sẽ xem hoạt động mạch qua hình mơ tả dưới đây: Với hình bóng đèn tín hiệu output module PIR, đèn tắt mức 0, đèn sáng mức 1, hình cảm biến PIR với bảng pyroelectric lúc đầu sẽ màu lợt chưa có vật di chuyển vào vùng phát tín hiệu đường thẳng (Hình 15) Tiếp đến vật thể di chuyển vào vùng ảnh hưởng tín hiệu bắt đầu xuất hiện, hình cảm biến PIR bảng pyroelectric đậm lên ngõ PIR hình bóng đèn tắt (Hình 16) Khi vật thể vào vùng ảnh hưởng thứ tín hiệu hình cảm biến PIR bảng pyroelectric sẽ lợt đi, bảng đậm lên tín hiệu x́t bảng 2, 21 hình bóng đèn sáng lên, tín hiệu output module PIR lúc (Hình 17) Khi vật thể qua khỏi vùng ảnh hưởng tín hiệu đã trở đèn cịn sáng lúc mạch delay trùy tín hiệu ngõ module PIR mức (Hình 18) Đến thời gian cài đặt trước nhất định thì đèn sẽ tắt, tín hiệu sẽ trở 0, mạch trạng thái thường trực (Hình 19) Hình 15 Hình 16 22 Hình 17 Hình 18 Hình 19 23 2.4.3 Các thông số module cảm biến PIR Họ LM2575 loại IC nguồn Switching rất thông dụng Thị trường có khả hoạt động với điện áp vào lên tới 40V đối với loại thông thường tới 57V đối với loại LM7525HV (đuôi ‘HV’ kèm theo có nghĩa High Voltage tức điện áp cao) Hình 20 : Sơ đồ chân IC LM2575 Đặc biệt, họ LM2575 có loại dưới đây: LM2575 – 3.3 loại IC Ổn áp Switching cho điện áp 3,3V; Tần số Chuyển mạch: 52 kHz LM2575 – 5.0 IC Ổn áp Switching cho điện áp 5V; Tương tự, LM2575 – 12 LM2575 – 15 loại Ổn áp Switching cho điện áp tương ứng 12V 15V Riêng đối với loại LM2575 – Adj loại Ổn áp Switching cho phép điều chỉnh điện áp từ 1,25V đến 33V tuỳ theo yêu cầu Cường độ dòng điện cung cấp tối đa cho tải 1A Họ IC LM2575 có chân với chức tương ứng dưới đây: 24 Chân 1: Điện áp vào; Chân 2: Điện áp ra; Chân 3: Cực âm chung cho điện áp điện áp vào; Chân 4: Hồi tiếp điện áp để hiệu chỉnh điện áp ra; Chân 5: Cho phép cắt hoặc mở nguồn (nếu nối cực âm nguồn mở liên tục cho tải Nếu để hở mạch nối lên dương thì nguồn cấp cho tải sẽ bị cắt tức khơng có điện áp ra) Mạch dưới mô tả cấu trúc bên nguyên lý mạch điện bên ngồi họ IC LM2575 Hình 21: Cấu trúc bên nguyên lý mạch điện bên họ IC LM2575 Theo sơ đồ nguyên lý cho thấy rằng, với cấu trúc bên IC LM2575 đã có sẵn mạch phân áp hồi tiếp để so sánh điều chỉnh điện áp cho R1 giữ cố định thay đổi giá trị R2 thì điện áp LM2575 sẽ thay đổi theo Bảng tham sô bên cạnh Theo đó, để chế tạo LM2575 – 3,3 (tức Ổn áp 3,3 V) thì R2 = 1,7 kΩ; LM2575 – (tức Ổn áp 5V) thì R2 = 3,1 kΩ; … 25 Nếu R2 = R1 để hở mạch LM2575 sẽ trở thành loại cho phép điều chỉnh mạch phân áp hồi tiếp bên ngồi Điều có nghĩa với IC LM2575 – 3,3 LM2575 – 12… thì thân IC cho điện áp định vì bên đã chứa sẵn mạch phân áp hồi tiếp để cố định điện áp nên phối hợp thêm mạch phân áp hồi tiếp bên nữa để điều chỉnh sẽ không hiệu quả(không đảm bảo độ ổn định) điện áp Mạch nguồn đơn giản nhất mô tả dưới đây: Trong đó, D1 diode Xung (sử dụng loại diode Xung chịu 1A đến 3A điện áp xung lên tới 100V bán rất phổ biến Thị trường nay) dùng để triệt Xung ngược Cuộn cảm L1 sinh ra, Cuộn cảm L1 sử dụng để chặn xung cho điện áp tải tụ lọc nguồn C2¬ khơng vượt q mức danh định Chú ý: Như đã trình bày, đối với loại LM2575 xác định điện áp theo giá trị kèm theo LM2575 – (Ổn áp 5V) LM2575 – 12 (Ổn áp 12V) đã chế tạo sẵn mạch phân áp hồi tiếp R1R2 bên IC nên phản hồi điện áp trở để so sánh điều chỉnh cần nối thẳng lối tải (Output) với 26 Chân số (Feedback – hồi tiếp) mà không cần sử dụng thêm mạch phân áp hồi tiếp bên ngồi Hình bên mơ tả giản đồ biến đổi Năng lượng Chuyển mạch Dòng điện (Điều chế Độ rộng Xung đối với Cường độ Dòng điện) phụ thuộc giữa Điện áp vào Điện áp cho Cường độ Dòng điện mà Tải yêu cầu bé Điện áp vào lớn Xung tạo có độ rộng ngắn Ngược lại, Cường độ Dòng điện mà Tải yêu cầu lớn Điện áp vào nhỏ Xung tạo cần phải có độ rộng lớn Khi đó, Độ rộng Xung Nguồn Chuyển mạch thay đổi Giá trị Điện áp sẽ xác định Giá trị Trung bình Độ rộng Xung Chuyển mạch thay đổi cho Độ rộng Xung lớn thì điện áp trung bình sẽ lớn 2.5 LCD 16x2 LCD từ viết tắt Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng) Có nhiều loại hình LCD với kích cỡ khác nhau, ví dụ LCD 16x1 (16 cột hàng), LCD 16x2 (16 cột hàng), LCD 20x2 (20 cột hàng)… Trong đồ án sử dụng loại LCD 16x2- loại bán phổ biến thị trường Chương : Thiết kế hệ thống 3.1 Sơ đồ khối 27 Hình 22 : Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Chức khối * Khối phát RF Module phát RF phát sóng kèm dữ liệu mã hóa * Khối thu RF Module thu RF nhận tín hiệu sóng sau x́t mức tín hiệu tương ứng đến khối điều khiển * Khối chấp hành: nhận tín hiệu điều khiển, thực kêu loa báo động * Khối điều khiển: – Là thành phần hệ thống, nhận tín hiệu từ khối cảm biến 28 – Xuất tín hiệu đến khối phát RF – Xuất tín hiệu hiển thị bị trí khối phát đến khối hiển thị – Xuất tín hiệu đóng ngắt loa * Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối điều khiển hiển thị thông tin trạng thái thiết bị * Khối nguồn: cấp điện áp phù hợp cho linh kiện mạch để hệ thống hoạt động ổn định liên tục * Khối phát RF Module phát RF phát sóng kèm dữ liệu mã hóa * Khối thu RF Module thu RF nhận tín hiệu sóng sau x́t mức tín hiệu tương ứng đến khối điều khiển * Khối chấp hành: nhận tín hiệu điều khiển, thực kêu loa báo động * Khối điều khiển: – Là thành phần hệ thống, nhận tín hiệu từ khối cảm biến – Xuất tín hiệu đến khối phát RF – Xuất tín hiệu hiển thị bị trí khối phát đến khối hiển thị – X́t tín hiệu đóng ngắt loa * Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối điều khiển hiển thị thông tin trạng thái thiết bị * Khối nguồn: cấp điện áp phù hợp cho linh kiện mạch để hệ thống hoạt động ổn định liên tục 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 29 Từ sơ đồ khối linh kiện đã chọn, người thực đề tài tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 23 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống 30 ... thương mại middleware (TCP/IP, hệ thống tập tin, v.v.) hỗ trợ cho họ Cortex Dòng Cortex-M3 kèm với hệ thống gỡ lỗi hoàn toàn mới gọi CoreSight Truy cập vào hệ thống CoreSight thông qua cổng... Thiết kế hệ thống 3.1 Sơ đồ khối 27 Hình 22 : Sơ đồ khối hệ thống 3.2 Chức khối * Khối phát RF Module phát RF phát sóng kèm dữ liệu mã hóa * Khối thu RF Module thu RF nhận tín hiệu sóng sau... để hệ thống hoạt động ổn định liên tục 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 29 Từ sơ đồ khối linh kiện đã chọn, người thực đề tài tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý Hình 23 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống