Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua ethernet và SMS

Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà MỤC LỤC 1 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Và khái niệm về ngôi nhà thông minh đã ra đời. Một ngôi nhà thông là một giải pháp điều khiển tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền thông thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất. Nhận thức được tầm thực tiễn của ngôi nhà thông minh là cơ sở để chúng em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS”. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng em đã tìm hiều về vi điều khiển, các chế độ truyền thông, cảm biến đo, cơ cấu chấp hành, cách kết nối mạng Ethernet, điều khiển qua tin nhắn SMS, đồng thời tìm hiểu về các chỉ tiêu của một ngôi nhà thông minh. Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Vũ Vân Hà cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn cho phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến thức rất lớn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều thiếu xót. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo và các bạn sinh viên để chúng em có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện 1. Nguyễn Tất Nam 2. Đào Cửu Long 3. Mai Trung Chính 2 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điều khiển tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy, trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu. Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong ngôi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng 3 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà Ethernet hoặc tin nhắn SMS của chủ nhà. Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện … khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà. Hay chỉ với một tin nhắn SMS, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi về nhà trong một khoảng thời gian nhất định. Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá giới hạn cho phép. Ngoài ra, hệ thống còn mang tính bảo mật. Nghĩa là chỉ có những số điện thoại được cài đặt trước và biết đúng mật khẩu thì mới có thể điều khiển được hệ thống. Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài " Điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS " để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà. Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba hướng hướng chính:  Điều khiển thiết bị qua Ethernet với giao thức TCP/IP. Người dùng đăng nhập vào Website và thực hiện điều khiển thiết bị qua giao diện Web.  Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ những số điện thoại được cho phép. Thiết bị sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước. Phân tích yêu cầu điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị.  Đo và thông báo nhiệt độ trong phòng, phát tín hiệu cảnh báo nếu nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. 1.2 Ý nghĩa của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu 4 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mỹ thì mô hình ngôi nhà tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ. Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước để có thể tạo ra một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề tài lấy cơ sở là mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị. Việc sử dụng mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh như nói trên là rất phức tạp và rất tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm em thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó. Đó là điều khiển đóng mở đèn, ngoài ra còn có chức năng báo động khi nhiệt độ trong phòng tăng cao quá nhiệt độ cho phép. Với những gì đã trình bày trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát và thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau: 5 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà - Thiết lập một Website và thực hiện điều khiển các thiết bị qua giao diện Web, sau khi thực hiện lệnh điều khiển trạng thái của thiết bị on/off được thể hiện ngay trên giao diện Web. - Điều khiển các thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS. Sau khi thực hiện lệnh điều khiển xong, tự động gửi tin nhắn lại cho người dùng biết đã thực hiện thành công. - Gửi tin nhắn thông báo trạng thái của các thiết bị và nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu. - Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng tự động phát tín hiệu cảnh bảo qua chuông và tin nhắn khi nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu - Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển tự động từ xa qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS. - Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện điều khiển qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP. - Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay. Nghiên cứu và sử dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay. Module nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng là module SIM900 của hãng SIMCom. - Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip. Chip mà nhóm đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip PIC18F8722. 6 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà 1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu, tìm tòi của các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đã đạt được những kết quả nhất định sau: Thiết kế thành công mạch điều khiển giao tiếp qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS với các tính năng: + Giao tiếp thành công với mạng Ethernet qua chuẩn truyền thông TCP/IP, thực hiện quan sát trạng thái và ra lệnh điều khiển thiết bị qua giao diện Webserver. + Giao tiếp thành công với module SIM900, nhận và gửi tin nhắn thành công, thực hiện điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS. + Cảnh báo tới người dùng và phát tín hiệu ra chuông khi nhiệt độ phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. + Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc tích hợp thêm các ngoại vi trong tương lai. 7 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà 1.6 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG  Sơ đồ tổng quan của hệ thống: Hình 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống Dù đang ở rất xa ngôi nhà, người sử dụng có thể dùng máy tính được kết nối với mạng Internet hoặc các thiết bị như điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ tin nhắn SMS để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện trong gia đình. Điều này rất thuật tiện khi bạn thường xuyên phải ra khỏi nhà và muốn cập nhật trạng thái và điều khiển hoạt động của các thiết bị điện trong ngôi nhà. 8 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà  Sơ đồ khối của bộ điều khiển: Hình 1.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển Chức năng từng khối:  Khối giao tiếp SMS: Gồm Module SIM900, có chức năng gửi nhận tin nhắn SMS cho việc điều khiển các thiết bị. Module SIM900 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722, có nhiệm vụ nhận SMS gửi tới vi điều khiển và gửi SMS tới người sử dụng khi có yêu cầu.  Khối giao tiếp ETHERNET: Gồm ENC26JC0 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722 truyền nhận tín hiệu qua giao thức SPI. Khối này có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển qua 9 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà Webserver với giao thức TCP/IP. Vi điều khiển nhận lệnh, thực thi xong và gửi trả lại kết quả.  Khối vi điều khiển PIC18F8722 Khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ khối giao tiếp SMS, khối giao tiếp Ethernet và cảm biến, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đồng thời hiển thị lên LCD.  Khối cảm biến nhiệt độ Cảm biến được sử dụng là DS18B20 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và gửi tín hiệu tới vi điều khiển. Khi nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị cho phép thì vi điều khiển phát tín hiệu cảnh báo.  Khối hiển thị LCD Gồm TEXT LCD 16x2, có nhiệm vụ hiện thị các thông tin có liên quan tới việc điều khiển, giúp cho giao diện giữa người dùng và thiết bị trực quan hơn.  Khối công suất Khối này bao gồm 4 BJT C1815 có nhiệm vụ khuếch đại điện áp để kích cho relay. Khối công suất với dòng thấp, đáp ứng tải tiêu tụ công suất dân dụng như bóng đèn.  Khối nguồn Tạo nguồn với hai mức điện áp 5V cấp cho vi điều khiển và 3V3 cấp cho ENC26JC0. Ngoài ra module SIM900 được cấp nguồn với điện áp 4V. 10 [...]... năng giao tiếp của thiết bị hơn nữa, tăng tính tương tác với người sử dụng cũng như tăng độ an toàn cho ngôi nhà thông minh 34 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà 4.2 Tổng quan chương trình chính  Giải thuật tổng quan chương trình chính Hình 4.1 Tổng quan chương trình chính 35 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet. .. thì hệ thống sẽ điều khiển để tắt điều hòa đi 33 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà Yêu cầu điều khiển được đặt ra đối với hệ thống là người dùng có thể sử dụng máy tính có nối mạng, hoặc điện thoại, máy tính bảng có tính năng nhắn tin SMS để đưa ra yêu cầu điều khiển từ xa Bộ điều khiển nhận lệnh, xử lý rồi sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển. .. năng quan trọng dựa trên nền vi xử lý ARM926EJ-S, kích thước nhỏ gọn (24x24 mm), đáp ứng những yêu cầu về không gian trong các ứng dụng M2M 3.2.2 Khảo sát sơ đồ chân Hình 3.3 Sơ đồ chân của Module Sim900 3.2.3 Kết nối giữa Module SIM900 và vi điều khiển 30 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà Hình 3.4 Kết nối giữa Breakout SIM900 và Vi điều khiển. .. các thiết bị nói trên sẽ được tích hợp trong một hệ thống đồng nhất, cung cấp các chức năng của từng loại thiết bị nhưng được điều khiển tập trung từ bộ điều khiển trung tâm Như vây, các thiết bị “thông minh” rời rạc trước đây giờ đây là các thành phần cấu thành nên một hệ thống “thông minh” Phân tích các thiết bị điện cần điều khiển trong một gia đình thông thường, ta nhận thấy các thiết bị điện trong. .. trúc họ giao thức TCP/IP 2.2.1 Tầng Ứng Dụng (Application Layer) Gồm nhiều giao thức cung cấp cho các ứng dụng người dùng Được sử dụng để định dạng và trao đổi thông tin người dùng và hệ thống Một số giao 14 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà thức thông dụng trong tầng này là: HTTP, FTP, SMTP, Trong phạm vi đồ án, chúng ta sử dụng giao thức.. .Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP 2.1 Tổng quan về Ethernet 2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame) Cấu trúc khung Ethernet như sau: Bảng... address) và địa chỉ host nhận (destination IP address) Địa chỉ source đương nhiên là địa chỉ của bản thân nó, còn địa chỉ đích phải được - cung cấp cho lớp IP khi muốn gửi dữ liệu qua giao thức này Gói tin IP này sau đó được chuyển đến lớp giao thức ethernet để thêm phần header ethernet vào và gửi đi 22 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà Nhưng giao... giám sát chặt chẽ trạng thái và mọi sự kiện xảy ra trong một kết nối TCP, trạng thái của một kết nối TCP được chuyển đổi tuân theo một lưu đồ trạng thái như sau: 18 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà Hình 2.4: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP Giải thích: - TCP là giao thức hướng kết nối, dạng client – server Tức là trong một phiên truyền thông... coi như là lỗi và bị loại bỏ 2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet 11 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân Hà Mỗi giao tiếp mạng Ethernet được định danh duy nhất bởi 48 bit địa chỉ (6 octet) Đây là địa chỉ được ấn định khi sản xuất thiết bị, gọi là địa chỉ MAC (Media Access Control Address ) Địa chỉ MAC được biểu diễn bởi các chữ số hexa ( hệ cơ số 16... số xác nhận nằm trong vùng Acknowledgement PSH (Push): được thiết lập trong trường hợp dữ liệu nên được giao tức thời RST (Reset): chỉ thị một lỗi sai và hủy bỏ phiên làm việc SYN (Synchronize): trong các bản tin khởi tạo khi thiết lập một kết nối truyền dữ liệu FIN (Finish): dùng đóng 1 phiên làm việc 17 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS Vũ Vân . Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà MỤC LỤC 1 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong ngôi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng 3 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS ngoại vi trong tương lai. 7 Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS GVHD:TS. Vũ Vân Hà 1.6 SƠ ĐỒ TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG  Sơ đồ tổng quan của hệ thống: Hình