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 LỜI NÓI ĐẦU 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 viễn thông Bài tập lớn môn Thông tin di động yêu cầu nhóm sinh viên tìm hiểu, thiết kế thực phần công việc hệ thống nêu trên, nhằm giúp sinh viên củng cố nắm kiến thức chung hệ thống thông tin di động, áp dụng kiến thức học vào giải toán cụ thể thực tế Với vấn đề nêu trên, phạm vi nghiên cứu này, chúng em lựa chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch giao tiếp sử dụng module SIM” Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu xây dựng thiết kế mạch phần cứng 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) Mặc dù cố gắng nỗ lực chắn đề tài chúng em cịn nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận đóng góp ý kiến đánh giá thầy người quan tâm để đề tài chúng em hoàn thiện Cuối em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình TS Ngơ Vũ Đức giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG BIỂU CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Hướng phát triển đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 2.2 2.3 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Mơ hình Client-Server Giới thiệu mơ hình Client-Server Client Server 10 2.2.1 2.2.2 Giao thức SMS/TCP-IP 10 Giao thức SMS 10 Giao thức TCP/IP 14 2.3.1 2.3.2 Truyền thông USART 17 Tổng quan truyền thông USART 17 Truyền thông nối tiếp khái niệm 18 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 22 3.1 3.2 Sơ đồ khối mạch phần cứng 22 Tính tốn thiết kế khối 23 Khối nguồn 23 Khối cảm biến 24 3.2.3 Khối MCU 25 3.2.4 Khối module SIM 26 3.2.5 Mạch nguyên lý phần cứng hoàn thiện 27 3.2.6 Thông số mạch phần cứng linh kiện sử dụng 28 3.2.1 3.2.2 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 30 4.1 4.1.1 4.1.2 Giới thiệu phần mềm kiểm thử 30 Phần mềm Hercules 30 Phần mềm Sdiags 31 4.2 Thử nghiệm 31 4.3 Kết 33 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát, thu thập thơng tin điển hình Hình 2.1 Ví dụ mơ hình Client-Server Hình 2.2 Tin nhắn văn 11 Hình 2.3 Bảng chuyển đổi ký tự hệ lục thập phân sang nhị phân ngược lại 12 Hình 2.4 Cấu trúc tin nhắn 12 Hình 2.5 Sơ đồ truyền tin SMS 13 Hình 2.6 Cấu trúc TCP/IP so với mơ hình OSI 14 Hình 2.7 Minh họa lớp Application làm việc 15 Hình 2.8 Gói liệu lớp Transport 15 Hình 2.9 Datagram lớp Internet 16 Hình 2.10 Cấu trúc Ethernet 16 Hình 2.11 Frame lớp Network Interface 17 Hình 2.12 Tín hiệu tương đương UART RS232 .18 Hình 2.13 Truyền bit theo phương pháp song song nối tiếp .19 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch phần cứng 22 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn +3.3V .23 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 4.3÷4.8V 24 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến .24 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý khối MCU 26 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối module SIM .26 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý phần cứng hoàn thiện 27 Hình 3.8 Hình ảnh 3D mạch phần cứng sau thiết kế 28 Hình 4.1 Giao diện phần mềm Hercules .30 Hình 4.2 Giao diện phần mềm SDiags 31 Hình 4.3 Cách xác định địa IP Server giả lập .32 Hình 4.4 Cấu hình Port Forwarding Server 33 Hình 4.5 Mạch phần cứng hồn thiện 33 Hình 4.6 Mơ hình Client-Server triển khai thực tế 34 Hình 4.7 Quá trình kết nối bắt đầu truyền liệu .34 Hình 4.8 Quá trình kết nối phần cứng (Client) với Server kết thúc 35 Hình 4.9 Thu nhận liệu từ cảm biến thông qua giao thức UDP 36 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Thông số mạch nguồn +3.3V 23 Bảng 3.2 Thơng số mạch nguồn 4.3÷4.8V 24 Bảng 3.3 Một số thông số khối cảm biến 25 Bảng 3.4 Thông số module SIM900 27 Bảng 3.5 Danh sách linh kiện sử dụng 28 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật mạch phần cứng .29 CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Trong nhiều năm trở lại đây, phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật đặc biệt lĩnh vực truyền thông công nghiệp công nghệ phần mềm mang lại nhiều giải pháp, khả lĩnh vực điều khiển, giám sát thu thập liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Theo thời gian, hệ thống xác định, giám sát thu thập thông tin đời mang lại nhiều tiện ích lĩnh vực khác hàng khơng, sản xuất cơng nghiệp, y tế… Hình 1.1 Tổng quan hệ thống giám sát, thu thập thơng tin điển hình Với khả ứng dụng lớn nhiều lĩnh vực vậy, việc xây dựng hệ thống giám sát, thu thập thông tin cần thiết 1.2 Mục đích đề tài Từ vấn đề nêu trên, dựa vào việc tìm hiểu cở sở hạ tầng mạng Việt Nam giới, hiểu nguyên lý thu nhận truyền thông liệu, chúng em lên ý tưởng cho việc xây dựng mơ hình hệ thống giám sát, thu thập thông tin cỡ nhỏ Một hệ thống giám sát, thu thập thông tin cỡ nhỏ với chức đưa cảnh báo hay điều khiển thiết bị khác chắn hữu ích phù hợp môi trường nghiên cứu học tập sinh viên Hơn nữa, cá nhân sử dụng máy tính có kết nối internet làm phương tiện làm việc, học tập, nghiên cứu việc thiết lập hệ thống vô đơn giản Do thời gian môn học không đủ dài để thực tồn hệ thống, nhóm chúng em chọn đề tài nhỏ việc xây dựng hệ thống giám sát, thu thập thông tin Cụ thể đề tài nhóm chúng em là:“ Thiết kế chế tạo mạch giao tiếp sử dụng module SIM” với nhiệm vụ chế tạo phần cứng truyền thông sử dụng module SIM có khả gửi liệu thu thập từ cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm) server giả lập cho trước có khả kết hợp với phần mềm Client-Server mà nhóm khác xây dựng 1.3 Hướng phát triển đề tài Phần cứng xây dựng giúp hỗ trợ cho việc theo dõi, giám sát thông tin cách thường xuyên để từ đưa cho người sử dụng định điều chỉnh cho phù hợp Từ hệ thống này, hồn tồn sâu để nâng cấp, cải thiện chức hiển thị, xử lý thơng số, chi phí chế tạo hỗ trợ việc chế tạo phiên Tương lai gần hướng phát triển đề tài mở rộng thiết kế để kết hợp với phần mềm, ứng dụng hay giải pháp khác như: Phần mềm thu thập, xử lý, đóng gói, liệu để truyền qua module SIM server (Protocol) Phần mềm nhận xử lý gói liệu từ module SIM server (Server) Phần mềm quản lý hiển thị liệu (bao gồm webserver smartphoneapps) Phát triển giải pháp truyền thơng an tồn cho thiết bị định vị - giám sát công suất thấp (Security) Phát triển chức điều khiển thiết bị đầu cuối qua modul SIM (Control) Phát triển module truyền thông qua đàm (Communication) Phát triển chức định vị sử dụng Cell-ID (Positioning) CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các liệu sau thu thập từ cảm biến (nhiệt độ độ ẩm) xử lý đưa lên server giả lập thông qua module SIM Đó ví dụ điển hình cho mơ hình Client-Server Chính vậy, chương đề tài tổng hợp lý thuyết bản, tổng quan mơ hình Client-Server, giao thức truyền nhận liệu SMS,TCP/IP, truyền thông tốc độ cao UART phục vụ cho q trình phân tích, thiết kế chương sau 2.1 Mơ hình Client-Server 2.1.1 Giới thiệu mơ hình Client-Server Mơ hình client-server mơ hình tiếng mạng máy tính, áp dụng rộng rãi mơ hình trang web có Ý tưởng mơ hình máy (đóng vài trị máy khách) gửi u cầu (request) để máy chủ (đóng vai trị người cung ứng dịch vụ), máy chủ xử lý trả kết cho máy khách Một mô hình ngược lại mơ hình master-slaver, máy chủ (đóng vai trị ơng chủ) gửi liệu đến máy (đóng vai trị nơ lệ) máy có cần hay khơng Hình 2.1 Ví dụ mơ hình Client-Server Thuật ngữ server dùng cho chương trình thi hành dịch vụ tồn mạng Các chương trình server chấp nhận tất yêu cầu hợp lệ đến từ nơi mạng, sau thi hành dịch vụ trả kết máy yêu cầu Một chương trình coi client gửi yêu cầu tới máy có chương trình server chờ đợi câu trả lời từ server Chương trình server client nói chuyện với thông điệp (messages) thông qua cổng truyền thông liên tác IPC (Interprocess Communication) Để chương trình server chương trình client giao tiếp với chúng phải có chuẩn để nói chuyện, chuẩn gọi giao thức Nếu chương trình client muốn u cầu lấy thơng tin từ server phải tuân theo giao thức mà server đưa Bản thân cần xây dựng mơ hình client/server cụ thể ta tự tạo giao thức riêng thường làm điều tầng ứng dụng mạng Với phát triển mạng có nhiều giao thức chuẩn mạng đời nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển Các giao thức chuẩn (ở tầng mạng giao vận) sử dụng rộng rãi như: giao thức TCP/IP, giao thức SNA IBM, OSI, ISDN, X.25 giao thức LAN-toLAN NetBIOS Một máy tính chứa chương trình server coi máy chủ hay máy phục vụ (server) máy chứa chương trình client coi máy tớ (client) Mơ hình mạng có máy chủ máy tớ giao tiếp với theo ọmoojthoặc nhiều dịch vụ gọi mơ hình client/server Thực tế mơ hình client/server mở rộng tự nhiên tiện lợi cho việc truyền thông liên tiến trình máy tính cá nhân Mơ hình cho phép xây dựng chương trình client/server cách dễ dàng sử dụng chúng để liên tác với để đạt hiệu 2.1.2 Client Trong mơ hình client/server, người ta cịn định nghĩa cụ thể cho máy client máy trạm mà sử dụng người dùng để thể tính độc lập cho Thực tế ứng dụng mơ hình client/server, chức hoạt động kết hợp client server với chia sẻ tài nguyên, liệu hai máy Trong mơ hình client/server, client coi người sử dụng dịch vụ mạng nhiều máy chủ cung cấp server coi người cung cấp dịch vụ để trả lời yêu cầu clients Điều quan trọng phải hiểu vai trị hoạt động mơ hình cụ thể, máy client mơ hình lại server mơ hình khác Ví dụ cụ thể máy trạm làm việc client bình thường mạng LAN đồng thời đóng vai trị máy in chủ (printer server) cung cấp dịch vụ in ấn từ xa cho nhiều người khác (clients) sử dụng Client hiểu bề dịch vụ mạng, có thơng tin vào chúng hiển thị máy client ... tưởng cho việc xây dựng mơ hình hệ thống giám sát, thu thập thông tin cỡ nhỏ Một hệ thống giám sát, thu thập thông tin cỡ nhỏ với chức đưa cảnh báo hay điều khiển thiết bị khác chắn hữu ích phù... hệ thống, nhóm chúng em chọn đề tài nhỏ việc xây dựng hệ thống giám sát, thu thập thơng tin Cụ thể đề tài nhóm chúng em là:“ Thiết kế chế tạo mạch giao tiếp sử dụng module SIM” với nhiệm vụ chế. .. mạng thông 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, …