điều khiển các thiết bị trong nhà qua sms

1 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như hiện nay, các thiết bị điện tử, tự động hóa đóng vai trò rất quan trọng, đặc biệt là trong quá trình sản xuất ở các phân xưởng nhà máy cũng như trong lĩnh vực phục vụ đời sống của con người. Áp dụng các kiến thức đã được học trong lĩnh vực điện tử (về lý thuyết điều khiển, kỹ thuật vi xử lý và các môn học về lập trình) cũng như sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầy giáo chúng em quyết định chọn đề tài : Điều khiển các thiết bị trong nhà qua SMS. Sau thời gian một học kỳ (20112) triển khai làm đề tài này nhóm sinh viên chúng em đã được mở rộng và hiểu biết thêm cách thiết kế chế tạo một thiết bị điện tử phục vụ đời sống và làm quen với nhiều công cụ phục vụ cho ngành điện tử. Cũng qua đề tài này nhóm cũng nhận ra và bổ sung được nhiều kinh nghiệm, kiến thức quý báu mà chỉ khi thực sự bắt tay vào làm nhóm mới có thể có được. Nhóm sinh viên chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Song Tùng đã nhiệt tình giúp đỡ và định hướng cho chúng em hoàn thành tốt đề tài này. Trong quá trình thực hiện đề tài môn học Project1, chúng em cố gắng thiết kế sao cho hệ thống đơn giản, ổn đinh và dễ sử dụng nhất, tuy nhiên do vấn đề thời gian và kinh nghiệm của nhóm còn hạn chế nên hệ thống chưa hoàn hảo. Chúng em rất mong được sự đóng góp của thầy giáo và các bạn đề sản phẩm của nhóm ngày càng hoàn thiện hơn. Nhóm chúng en xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện đề tài : Nhóm 1 Lớp KSTN-ĐTVT-K54 Trần Xuân Bách Hoàng Việt Cường Đỗ Trung Đức (TL) Nguyễn Trung Quân Nguyễn Duy Toán 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 DANH MỤC HÌNH VẼ 4 Chương 1: 5 GIỚI THIỆU 5 Đặt vấn đề 5 Mục tiêu đề tài 5 Tổng quan hệ thống 5 Tổng quan báo cáo 6 Chương 2: 7 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 Giới thiệu chương 7 2.1. Giới thiệu vi điều khiển PIC18F2550 7 2.2 Giới thiệu tập lệnh AT 9 2.3. Modul sim 900B 11 2.4. Chuẩn giao tiếp RS232 11 2.4.1. Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232: 12 2.4.2. Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232 12 2.4.3. Các mức điện áp đường truyền 12 2.4.4.Quá trinh truyền dữ liệu 12 2.4.5. Tốc độ Baud 13 2.4.6. Bit chẵn lẻ hay Parity bit 13 2.5. Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS 13 2.6. Giới thiệu về J2ME 13 2.6.1. Lịch sử 13 2.6.2. Kiến trúc của J2ME 14 2.6.3.Giới thiệu MIDP 16 2.7. Các công cụ sử dụng 18 2.7.1. CCS C 18 2.7.2. Proteus 7.2 18 2.7.3. Altium 18 2.7.4. Netbeans IDE 19 3 2.7.5. Java ME SDK 20 Kết luận chương 20 Chương 3: 21 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21 Giới thiệu chương 21 3.1. Phân tích yêu cầu hệ thống 21 3.1.1. Yêu cầu chức năng 21 3.1.2. Yêu cầu phi chức năng 21 3.2. Thiết kế phần cứng 22 3.2.1. Phân tích và lựa chọn giải pháp 22 3.2.2. Thiết kế 24 3.3. Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển 28 3.3.1. Lựa chọn giải pháp 28 3.3.2. Thiết kế firmware 29 3.4. Thiết kế phần mềm trên điện thoại 33 3.4.1. Yêu cầu của hệ thống 33 3.4.2. Thiết kế hệ thống 34 Kết luận chương 35 Chương 4: 36 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ KINH NGHIỆM 36 4.1. Kết quả đạt được 36 4.2. Kinh nghiệm rút ra 40 Chương 5: 43 KẾT LUẬN 43 5.1. Những điểm còn hạn chế 43 5.2. Hướng phát triển của đề tài 44 5.3. Kết luận 44 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 1 48 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống 48 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Sơ đồ chân vi điều khiển PIC18F2550. Hình 2.2: Sơ đồ kiến trúc J2ME. Hình 2.3: So sánh các thông số kỹ thuật của CDC và CLDC. Hình 3.1: Sơ đồ liên kết các modul của hệ thống. Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý bộ đệm sử dụng 74HC125. Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý modul sim 900B. Hình 3.4: Sơ đồ chân modul vi điều khiển PIC18F2550 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn Hình 3.6.:Sơ đồ cấu trúc firmware của PIC18F2550. Hình 3.7: Sơ đồ chức năng phần mềm trên điện thoại. Hình 3.8: Sơ đồ DFD mức đỉnh của phần mềm trên điện thoại. Hình 4.1: Thiết bị nhận và giải mã tín hiệu. Hình 4.2: Giao diện phần mềm. Hình 4.3: Giao diện phần mềm. Hình 4.4: Demo bật 2 đèn số 5 và 8. Hình 4.5: Demo bật 4 đèn số 1, 3, 5 và 8. Hình p.1: Sơ đồ nguyên lý bộ đệm. Hình p.2: Sơ đồ nguyên lý modul sim 900B. Hình p.3:Sơ đồ nguyên lý khối PIC18F2550. Hình p.4: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn. Hình p.5: Sơ đồ nguyên lý main board. 5 Chương 1: GIỚI THIỆU Đặt vấn đề Công nghệ nhày càng phát triển và thâm nhập sâu hơn vào cuộc sống của con người. Hơn 5 năm trước điện thoại còn là mặt hàng khá đắt đỏ thì giờ đây những chiếc smartphone mạnh mẽ đã trở thành người bạn không thể thiếu trong cuộc sống của nhiều người. Chúng ta không những có thể gọi điện, nhắn tin đơn thuần trên điện thoại như trước mà giờ có thể chơi game, lướt web, check mail hay sử dụng những phần mềm tiện ích khác phục vụ cho đời sống hàng ngày. Vậy tại sao chúng ta không nghĩ tới một thiết bị có thể giúp chúng ta điều khiển, giám sát mọi thiếu bị điện trong căn nhà yêu quý của mình thông qua vài thao tác đơn giản trên chiếc điện thoại di động? Hãy tưởng tượng, nếu bạn đi làm và phân vân không biết mình đã tắt lò vi sóng hay chưa? Bạn muốn bật sẵn bình nóng lạnh vào mùa đông hay bật trước điều hòa vào mùa hè trước khi về nhà? Bạn đi du lịch nhiều ngày và không muốn cây cảnh trong vườn khô héo hay thú cưng bị chết vì đói?… Tất cả các điều trên sẽ không còn là mối bận tâm nếu bạn sở hữu một thiết bị nhỏ gọn cho phép bạn điều khiển mọi thứ trong nhà thông qua chiếc điện thoại của mình. Mục tiêu đề tài Đề tài hướng tới việc thiết kế một thiết bị nhỏ gọn được kết nối với các thiết bị điện trong nhà giúp người sử dụng có thể dễ dàng điều khiển mọi thứ qua phần mềm gọn nhẹ được cài trên điện thoại hay smartphone. Thiết bị phải có khả năng hoạt động bền bỉ 24/7, phải thực hiện nhanh gọn và chính xác mỗi khi có yêu cầu, giao diện người dùng cho phần mềm trên điện thoại phải thân thiện và dễ dàng nâng cấp cũng như bổ sung thêm số lượng các thiết bị có thể điều khiển. Tổng quan hệ thống Để đảm bảo thực hiện được các mục tiêu trên chúng tôi sử dụng một modul sim trong vệc gửi và nhận tin nhắn cho các mạng GSM phổ biến ở Việt Nam. Một vi điều khiển để giải mã và thực hiện các lệnh. Thiết bị cũng cần có giao diện người dùng đơn giản bao gồm 1 LCD (chỉ dùng khi debug và cài đặt) và các đèn LED hiển thị trạng 6 thái của hệ thống cũng như bật tắt của thiết bị. Ngoài ra còn cần có một ứng dụng gửi lệnh điều khiển các thiết bị từ xa trên điện thoại di động. Tổng quan báo cáo Trong báo cáo này nhóm sẽ trình bày chi tiết về:  Cơ sở lý thuyết (về cả phần cứng và phần mềm), các công cụ sử dụng.  Yêu cầu hệ thống.  Nêu ra các giải pháp công nghệ và lựa chọn giải pháp.  Thiết kế hệ thống.  Kết quả đạt được, kinh nghiệm rút ra và kết luận. 7 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu chương Chương này sẽ đề cập đến cơ sở lý thuyết của các phần mềm cũng như phần cứng sẽ sử dụng trong đồ án như vi điều khiển, modul sim, tập lệnh AT và các công nghệ liên quan; các phần mềm sẽ sử dụng trong đồ án. 2.1. Giới thiệu vi điều khiển PIC18F2550 Vi điều khiển PIC18F2550 nằm trong họ PIC18, là dòng vi điều khiển Pic có tính thực thi cao của hãng Mcrochip. Đây là dòng vi điều khiển được sử dụng nhiều trong các ứng dụng hệ thống nhúng công nghiệp. Thông qua công nghệ Nanowat, hãng Microchip đã đưa vào bên trong thiết bị PIC18F2550 các chức năng đặc trưng mà khiến nó có thể giảm được đáng kể sự tiêu thụ năng lượng trong suốt quá trình hoạt động. Bao gồm như:  Các chế độ chạy xen kẽ: Bằng cách tạo xung nhịp cho khối điều khiển từ nguồn Timer1 hoặc từ khối tạo dao động bên trong, năng lượng tiêu thị trong suốt quá trình thực thi mã có thể giảm 90%  Các chế độ Idle: Khối điều khiển có thể chạy với lõi CPU của nó không hoạt động như các thiết bị ngoại vi vẫn ở trạng thái hoạt động. Trong các trạng thái này, thiết trung bình để hoạt động.  Chế độ chuyển mạch on-the-fly: Các chế độ quản lý năng lượng được gọi ra bởi người dùng trong suốt quá trình thao tác mã, cho phép họ có thể đưa ra các ý tưởng tiết kiệm năng lượng vào bên trong các thiết kế phần mềm của ứng dụng.  Các chế độ khóa tiêu thị ít năng lượng : Khiến cho năng lương cần cho cả bộ Timer1 và bộ Watchdog Timer là rất nhỏ. PIC18F2550 được Microchip hỗ trợ lên tới mười hai lựa chọn chế độ dao động khác nhau, vì vậy người dùng có thể tùy biến hơn rất nhiều tỏng quá trình thiết kể phần cứng so với các thiết bị khác. Nó bao gồm: 8  Bốn chế độ dao động tinh thể bằng cách sử dụng các bộ cộng hưởng tinh thể hoặc ceramic.  Bốn chế độ dao động xung ở bên ngoài.  Một khối tạo dao động ở bên trong cung cấp một xung tín hiệu có tần số 8MHZ với độ chính xác ±2% và một nguồn INTRC (khoảng 31kHz).  Một bộ nhân tần PLL, có thể bao gồm cả chế độ dao động tinh thể tốc độ cao và các chế độ dao động ở bên ngoài, cho phép tốc độ xung có một phạm vi rộng từ 4MHZ tới 48MHZ  Hai xung hoạt động không đồng bộ với nhau, cho phép module USB có thể chạy được với bộ tạo dao động tần số cao trong khi phần còn lại của vi điều khiển thì được tạo xung dao động từ một bộ tạo dao động công suất thấp ở bên trong. Ngoài ra PIC18F2550 còn được đưa vào một mô đun truyền thông USB đầy đủ phù hợp với các đặc điểm kỹ thuật của chuẩn USB 2.0. Mô đun hỗ trợ cả hai kiểu truyền thông low-speed và full-speed cho tất cả các kiểu dữ liệu mà nó hỗ trợ. Nó cũng được tích hợp thêm một bộ thu-phát và bộ điều chỉnh điện áp 3.3V trên chip của nó và hỗ trợ sử dụng với các bộ thu phát và điều chỉnh điện áp ở bên ngoài. Hình 2.1: Sơ đồ chân PIC18F2550 9 2.2 Giới thiệu tập lệnh AT Năm 1977, Dennis Hayes sử dụng chuẩn truyền thông RS232 đơn giản kết nối Modem thông minh (Smart modem) tới một máy tính để truyền cả lệnh và dữ liệu. Bởi vì mỗi lệnh bắt đầu với chữ AT trong chữ Attention nên ngôn ngữ điều khiển được định nghĩa bởi Hayes nhanh chóng được biết tới với bộ lệnh Hayes AT. Chính vì sự đơn giản và khả năng thực thi với chi phí thấp của nó, bộ lệnh Hayes AT nhanh chóng được sử dụng phổ biến trong các modem của các nhà sản xuất khác nhau. Khi chức năng và độ tích hợp của các modem ngay càng tăng cùng với thời gian, nên làm cho ngôn ngữ lệnh Hayes AT và nhanh chóng mỗi nhà sản xuất modem đã sử dụng ngôn ngữ của ông. Ngày nay, bộ lệnh AT bao gồm cả các lệnh về dữ liệu, fax,voice và các truyền thông SMS. Các lệnh AT là các hướng dẫn được sử dụng để điều khiển một modem. AT là một cách viết gọn của chữ Attention. Mỗi dòng lệnh của nó bắt đầu với “AT” hay “at”. Đó là lí do tại sao các lệnh Modem được gọi là các lệnh AT. Nhiều lệnh của nó được sử dụng để điều khiển các modem quay số sử dụng dây mối (wired dial-up modems). Chẳng hạn như : ATD (Dial), ATA (Answer), ATH (Hool control) và ATO (return to online data state), cũng được hỗ trợ bởi các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động. Bên cạnh bộ lệnh AT thông dụng này, các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động còn được hỗ trợ bởi một bộ lệnh AT đặc biệt đối với công nghệ GSM. Nó bao gồm các lệnh liên quan tới SMS:  AT+ CMGS : gửi tin nhắn SMS  AT+CMSS: gửi tin nhắn SMS từ một vùng lưu trữ  AT+CMGL: chuỗi liệt kê các tin nhắn SMS  AT+CMGR: đọc tin nhắn SMS Chú ý là khởi động “AT” là một tiền tố để thông báo tới modem về sự bắt đầu của một dòng lệnh. Nó không phải là một phần cưa tên lệnh. Sau đây là một vài nhiệm vụ có thể hoàn thành bằng cách sử dụng các lênh AT kết hợp với sử dụng một modem GSM/GPRS hay một điện thoại di động:  Lấy thông tin cơ bản về điện thoại di động hay modem GSM/GPRS. Ví dụ như tên của nhà sản xuất (AT+CGMI), số model (AT+CGMM), số IMEI (International Mobile Equipment Identity) (AT+CGSN) và phiên bản phần mềm (AT+CGMR). 10  Lấy các thông tin cơ bản về những người kí tên dưới đây. Thí dụ, MSISDN (AT+CNUM) và số IMS (International Mobile Subscriber Identity) (AT+CIMI).  Lấy thông tin trạng thái hiện tại của điện thoại di động hay modem GSM/GPRS. Ví dụ như trạng thái hoạt động của điện thoại (AT+CPAS), trạng thái đăng kí mạng mobile (AT+CREG), chiều dài sóng radio (AT+CSQ), mức sạc pin và trạng thái sạc pin (AT+CBC).  Thiết lập một kết nối dữ liệu hay kết nối voice tới một remote điều khiển (ATD, ATA, )  Gửi và nhận fax (ATD, ATA,AT+F*)  Gửi (AT+CMGS, AT+CMSS), đọc (AT+CMGR, AT+CMGL), viết (AT+CMGW) hay xóa tin nhắn SMS (AT+CMGD) và nhận các thông báo của các tin nhắn SMS nhận được mới nhất (AT+CNMI).  Đọc (AT+CPBR), viết (AT+CPBW) hay tìm kiếm (AT+CPBF) cá mục về danh bạ điện thoại (phonebook).  Thực thi các nhiệm vụ liên quan tới an toàn, chẳng hạn như mở hay đóng các khóa chức năng (AT+CLCK), kiểm tra xem một chức năng được khóa hay chưa (AT+CLCK) và thay đổi password (AT+CPWD).  Điều khiển hoạt động của các mã kết quả/các thông báo lỗi của các lệnh AT. Ví dụ, bạn có thể điều khiển cho phép hay không cho phép kích hoạt hiển thị thông báo lỗi (AT+CMEE) và các thông báo lỗi nên được hiển thị theo dạng số hay theo dạng dòng chữ (AT+CMEE=1 hay AT+CMEE=2).  Thiết lập hay thay đổi cấu hình của điện thoại di dộng hay modem GSM/GPRS. Ví dụ, thay đổi mạng GSM (AT+COPS), loại dịch vụ của bộ truyền tin (AT+CBST), các thông số protocol liên kết với radio (AT+CRLP), địa chỉ trung tâm SMS (AT+CSCA) và khu vực lưu trữ các tin nhắn SMS (AT+CPMS).  Lưu và phục hồi các cấu hình của điện thoại di động hay modem GSM/GPRS. Ví dụ, lưu (AT+COPS) và phục hồi (AT+CRES) các thiết lập liên quan tới tin nhắn SMS chẳng hạn như địa chỉ trung tâm tin nhắn SMS. [...]... thống điều khiển: Để điều khiển hệ thống này cần có 1 trung tâm điều khiển có tác dụng đọc và giải mã các lệnh gửi tới modul sim thông qua tin nhắn sau đó thực hiện các lệnh tương ứng hay thực hiện các lệnh theo từng hoàn cảnh cụ thể (như báo cháy từ xa hay báo cáo trạng thái của thiết bị) Để điều khiển modul sim 900B đã lựa chọn thì thiết bị điều khiển cần có giao tiếp RS232 Trung tâm điều khiển này... on/off các thiết bị hay mã hóa tin nhắn để bảo mật ở mức độ vừa phải không cần phải sức mạnh quá lớn Thiết bị điều khiển dùng trong các hộ gia đình thì thông thường chỉ cần bật lên ở đó chứ không cần phải thiết lập hay gioa tiếp gì nhiều nên cũng không cần thiết Như vậy chúng tôi quyết định sử dụng vi điều khiển trong đồ án này Trong các loại vi điều khiển hiện nay chúng tôi quyết định sử dụng vi điều khiển. .. dùng để điều khiển được 8 thiết bị cắm ngoài và 1 phần mềm chạy trên điện thoại di dộng để điều khiển 8 cổng của mạch Hệ thống sau khi hoàn thành đã thực hiện được các chức năng yêu cầu ban dầu như: có phần mềm chạy trên điện thoại để nhắn tin điều khiển mạch điện, mạch điện có chức năng điều khiển các cổng ra để nối với các relay điều khiển thiết bị ngoài (dòng ra có thể đưa lên 100mA), có các đèn... mãn các yêu cầu chức năng như sau:  Có thể nhận và gửi tin nhắn thông qua các nhà mạng GSM của Việt Nam  Có khả năng thực hiện lệnh bật, tắt các thiết bị điện trong nhà khi có yêu cầu qua tin nhắn SMS  Có thể gửi báo cáo cho người dùng về trạng thái của thiết bị cũng như các thông số cần theo dõi như nhiệt độ, … tùy điều kiện sử dụng (option)  Có giao diện người dùng đơn giản (chỉ thông báo các. .. Chúng tôi đã trình bày những khái niệm quan trọng nhất cũng như những phần cứng, phần mềm và công nghệ sử dụng trong đồ án này Phần tiếp theo xin đi vào chi tiết thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà thông qua SMS 20 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Giới thiệu chương Trong chương này chúng tôi xin trình bày về các yêu cầu của hệ thống cũng như thiết kế phần cứng cũng như phần mềm... di động hoặc các modul GSM chuyên dụng cho thiết bị nhận và gửi tin nhắn  Phương án sử dụng điện thoại di động: Để có thế kết nối dễ dàng với thiết bị điều khiển sử dụng vi điều khiển hoặc PC thì điện thoại di động được chọn phải có khả năng giao tiếp với vi điều khiển (PC) thông qua các giao tiếp phổ biến hiện nay như I2C, SPI, CAN, RS232, USB, …(sử dụng giao tiếp phổ biến giúp dễ dàng trong triển... thái các cổng thiết bị hiện tại: Là tin nhắn có nội dung bắt đầu bằng byte 0x3F (ký tự ‘?’) Hệ thống sẽ gửi lại tin nhắn có nội dung với 3 byte là: 0x3F, 0x3D, Trong đó State là các bit trạng thái hiện tại của hệ thống với quy ước “0” là thiết bị ở vị trí bit tương ứng đang tắt, “1” là thiết bị đang bật 32 3.4 Thiết kế phần mềm trên điện thoại 3.4.1 Yêu cầu của hệ thống Điều khiển thiết bị điện... 2.4 Chuẩn giao tiếp RS232 Vấn đề giao tiếp giữa PC va vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dung định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu... cho các thiết bị có tính chất nhỏ, gọn như: 13  Các lọai thẻ cá nhân như Java Card  Máy điện thoại di động  Máy PDA (Personal Digital Assistant - thiết bị trợ giúp cá nhân)  Các hộp điều khiển dành cho tivi, thiết bị giải trí gia dụng … 2.6.2 Kiến trúc của J2ME Hình 2.2: Sơ đồ kiến trúc J2ME Định nghĩa về Configuration (Cấu hình): là đặc tả định nghĩa một môi trường phần mềm cho một dòng các thiết. .. bộ  Thiết kế board to board dễ dàng kết nối cũng như hạn chế nhiễu do kết nối các modul 3.2.2 Thiết kế Hình 3.1: Sơ đồ liên kết các modul của hệ thống 24 Hệ thống thiết kế bao gồm các modul sau:  Main board: Bo mạch chủ Mục đích là kết nối các thành phần khác nhau của hệ thống; hệ thống led báo hiệu thiết bị nào đang được bật và tắt; mở rộng thêm I/O cho việc phát triển điều khiển nhiều thiết bị hơn; . Điều khiển các thiết bị trong nhà qua SMS. Sau thời gian một học kỳ (20112) triển khai làm đề tài này nhóm sinh viên chúng em đã được mở rộng và hiểu biết thêm cách thiết kế chế tạo một thiết. một thiết bị nhỏ gọn cho phép bạn điều khiển mọi thứ trong nhà thông qua chiếc điện thoại của mình. Mục tiêu đề tài Đề tài hướng tới việc thiết kế một thiết bị nhỏ gọn được kết nối với các. va vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi