Đồ án điều khiển thiết bị sử dụng mạng GSM

Đây là đồ án sử dụng tin nhắn để điều khiển và giám sát thiết bị trong nhà.

ĐỒ ÁN/KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1. Họ và tên sinh viên nhóm sinh viên được giao đề tài. (1) Nguyễn Mạnh Linh. Lớp: Cơ Điện Tử Khóa: II (2) Bạch Văn Hải. Lớp: Cơ Điện Tử Khóa: II (3) Nguyễn Thanh Sơn. Lớp: Cơ Điện Tử Khóa: II Nghề: Cơ Điện Tử 2. Tên đề tài : thiết kế chế tạo hệ thống giám sát thiết bị trong nhà sử dụng mạng GSM 3. Các dữ liệu ban đầu : 4. Các yêu cầu chủ yếu : 5. Kết quả đánh giá: 1) 2) 3) 4) Ngày giao đề tài: 05 / 04 / 2014 Ngày nộp đề tài: 20 / 05 / 2014 TRƯỞNG KHOA Hà Nội: Ngày Tháng Năm 20 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN DUYỆT PHÒNG ĐÀO TẠO 1 MỤC LỤC 2 3 LỜI NÓI ĐẦU Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao với tốc độ chóng mặt. Trong đó vấn đề tự động điều khiển được đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất đời sống thay thế sức lao động con người . Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự tiện nghi, sự chính xác, tiết kiệm thời gian của hệ thống ngày một cao hơn, để có thể đáp ứng được nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội. Ngành Cơ Điện Tử đã hỗ trợ và thay thế con người trong nhiều lĩnh vực từ kinh tế, y tế, giáo dục, quốc phòng đến nhiều lĩnh vực khác như hàng không, vũ trụ. Với sự đòi hỏi của con người những nhà nghiên cứu không dừng lại ở đó, nhiều thiết bị, phần mềm ra đời chuyên phục vụ cho ngành công nghiệp, tính năng ưu việt luôn được nâng cao. Đồ án của chúng em chọn đó là “ Thiết kế và chế tạo hệ thống giám sát thiết bị trong nhà sử dụng mạng GSM ”. Với các rơle trung gian dùng làm tín hiệu cảm biến thay cho việc phải dùng cảm biến sau đó hiển thị trên màn hình LCD, việc điều khiển và giám sát thiết bị đã được làm chủ hoàn toàn. Đồ án Thiết kế và chế tạo hệ thống giám sát thiết bị trong nhà sử dụng mạng GSM ở đề tài đã tổng hợp nhiều công nghệ mới hiện nay. Tuy nhiên, với kinh phí hạn hẹp, chúng em chỉ dừng lại với mô hình, rất mong thầy cô, các bạn có thể đóng góp ý kiến và định hướng phát triển đề tài trong tương lai. Trước tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vương Thành Đô đã tận tình giúp đỡ theo dõi, động viên và khuyến khích chúng em hoàn thành tốt đề tài. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, toàn thể thầy cô và đặc biệt là các thầy cô khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành tốt đề tài này. Hà nội, ngày 31 tháng 05 năm 2014 Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Mạnh Linh Bạch Văn Hải Nguyễn Thanh Sơn 4 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề Khoa học công nghệ phát triển cùng với sự nhu cầu ngày càng cao về các thiết bị có tính năng ưu việt, giá cả hợp lý, khả năng thực tiễn cao để ứng dụng vào đời sống, vào sản xuất và tạo nên những thứ có khả năng cạnh tranh trên thị trường quốc tế, nâng cao chất lượng cuộc sống.và đưa nước ta theo hướng phát triển kinh tế gắn liền với công nghệ cao. Một vấn đề mới được đặt ra làm thế nào để có thể điều khiển những thiết bị này một cách hoàn hảo nhất, làm thế nào để điều khiển các thiết bị trong môi trường nguy hiểm mà không cần sự hiện diện trực tiếp của con người mà làm sao để cảnh báo tới người giám sát những vấn đề trục trặc một cách nhanh và chính xác nhất các hình thức trước đây như điều khiển và giám sát trực tiếp điều khiển thông qua mạng có dây đã ra đời nhưng vẫn còn nhiều hạn chế như vẫn còn người thao tác trực tiếp, hạn chế về mặt khoảng cách địa lý, tính cơ động, chi phí cao, người giám sát hệ thống chưa thực sự làm chủ hệ thống… Mạng GSM hiện nay đã trở thành thông dụng trong cuộc sống, thông qua máy điện thoại di động mà chúng ta có thể trò chuyện, nhắn tin, gọi điện thoại tới bạn bè, người thân… ngày nay mỗi chúng ta đều có thể trang bị cho mình một máy điện thoại di động dễ dàng. Cùng với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng dựa trên điện thoại cũng phát triển không ngừng cho phép chúng ta mở rộng các ứng dụng của chiếc điện thoại ngoài chức năng nghe, gọi, và nhắn tin thông thường. tra cứu thông tin, đăng kí dịch vụ qua SMS. Điều khiển thiết bị nhà qua mạng GSM được xây dựng sẽ giúp cho việc điều khiển hệ thống mang tính hiện đại, nhanh chóng, thuận tiện và giảm chi phí hơn. Chỉ với một tin nhắn SMS, bạn có thể diều khiển giám sát, nhận các cảnh báo hệ thống các thiết bị điện theo ý mình. 1.2 Tình hình nghiên cứu đề tài. Hiện nay, đã có nhiều sản phẩm ứng dụng SMS trong nước. Các úng dụng SMS trong nước khá phổ biến trong thời gian gần đây, song giá thành cao sản phẩm mang tính nhập khẩu nên kiến thức về lĩnh vực này khá mới mẻ. Tuy nhiên để hoàn thiện hơn nữa và đưa vào ứng dụng rộng rãi chắc hẳn cần thêm một thời gian không xa sản phẩm này sẽ được quan tâm hơn. Và sẽ được đưa vào các đề tài để nghiên cứu. Một đề tài được phát triển theo xu hướng hiện đại dựa trên nền tảng kiến thức cơ bản đã được thầy cô truyền đạt, có sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa kiến thức cơ 5 bản và sự nghiên cứu tìm tòi, đổi mới. đồng thời đề tài là một ứng dụng thực tiễn trên nhiều lĩnh vực, dân dụng cũng như công nghiệp và điều đó mang lại hiệu quả cao. Từ những ý tưởng đó, chúng em đặt ra quyết tâm hoàn thành đề tài “ điều khiển thết bị điện trong nhà qua mạng GSM”. 1.3 Đối tượng nghiên cứu Trong đề tài chủ yếu chú trọng và nghiên cứu về các vấn đề sau. - Mạng GSM. - Modun Sim900A. - Modun vi điều khiển Atmega16. 1.4 Giới hạn đề tài. Đề tài được nghiên cứu và tiến hành thực hiện với mục đích tạo ra một ứng dụng thực tiễn với nội dung “ Điều khiển thiết bị điện trong nhà qua mạng GSM” đây là hệ thống sử dụng cho dân dụng, giúp việc vận hành, điều khiển, giám sát và cảnh báo của hệ thống theo phương pháp hiện đại, đơn giản song rất cơ động và hiệu quả. Trong đề tài này, nhóm ứng dụng đề tài để thực hiện việc hiện cho một ngôi nhà nhờ “ điều khiển thiết bị trong nhà thông qua mạng GSM” chúng ta có thể điều khiển, giám sát các thiết bị điện trong nhà mọi lúc mọi mơi “nghĩa là bất cứ nơi nào có phủ sóng của nhà cung cấp GSM mà mình đang sử dụng”. đồng thời tích hợp vào đó những yêu cầu của một ngôi nhà thông minh như: Báo trộm qua tin nhắn SMS, các thiết bị được điều khiển qua hệ thống có sự liên kết với nhau tạo cho chúng ta một ngôi nhà hiện đại. 1.5 Mục đích nghiên cứu Mục đích của đồ án là thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị nhà qua tin nhắn SMS dựa trên công nghệ đang có trên thực tiễn. Tạo điều kiện cho sinh viên thực hiện và hiểu rõ tầm qua trọng, phạm vi ứng dụng của vi điều khiển kếp hợp với modun Sim900A trong điều khiển thiết bị điện nhà. 1.6 Ý nghĩa thực tiễn. Nội dung của đồ án cung cấp toàn bộ các bước tiến hành và cách thức xây dựng, thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện trong nhà qua mạng GSM, từ đó đưa ra phương án mới giúp tiếp cận và xây dựng mọi quy trình điều khiển hệ thống điện bất kỳ trên thực tế hiện nay. Từ những nhu cầu thực tế, nhóm muốn đưa một phần 6 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 điện trong nhà từ xa thông qua tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề tài lấy cơ sở là tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị và báo trộm. Việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Sau quá trình thực hiện đồ án nhóm đã học được các kiến thức và kỹ năng quan trọng trong việc tiếp cận thiết kế và xây dựng một hệ thống bất kỳ, khả năng thiết kế - lập trình điều khiển các thiết bị, khả năng xử lý tín hiệu và kết nối các thiết bị cho hệ thống giúp hỗ chợ rất nhiều cho quá trình hoạt động trong các lĩnh vực chuyên ngành. 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. Một số ứng dụng điều hành của GSM trong công nghiệp nông nghiệp. - Giám sát nhiệt độ máy sấy ( bất kỳ ) như sấy gỗ mây tre đan. - Ứng dụng công nghiệp GSM vào quản lý vận hành giao thông. - Điều khiển kích nổ bom, mìn từ xa trong khai thác hầm mỏ ( than, đá ). - Điều khiển và giám sát thiết bị điện trong nhà như đã nêu ở luận văn trên. - Thay đổi thông tin bảng quảng báo điện tử qua SMS. - Thiết kế máy theo dõi nhịp tim, huyết áp cho người cao tuổi qua SMS. 7 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GSM VÀ TIN NHẮN SMS 2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin qua mạng GSM GSM (Global system for mobile communication). Là hệ thống tin di động số toàn cầu, là công nghệ không dây thuộc thế hệ 2G (second Generation) có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền giọng nói và chuyển giao giữ liệu chất lượng cao với các băng tần khác nhau. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới. khả năng phủ sóng khắp nơi của chuẩn GSM cho phép người sử dụng có thế sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi. GSM là một chuẩn mới, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd generation partnership project (3GPP). Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịnh vụ SMS thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều nguồn cung ứng. GSM là một hệ thống có cấu trúc mở nên không hoàn toàn phụ thuộc vào phần cứng, người dùng có thể mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau. Do hầu như có mặt khắp nơi trên thế giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết roaming (chuyên vùng), nhờ đó mà thuê bao GSM có thể dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM của mình bất cứ nơi đâu. Mặt thuận lợi to lớn của công nghệ GSM là ngoài việc truyền âm thanh với chất lượng cao còn cho phép thuê bao sử dụng cách giao tiếp khác rẻ tiền hơn đó là tin nhắn SMS. Ngoài ra để tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ thì công nghệ GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị khác nhau. Công nghệ GSM cũng phát triển thêm các tính năng truyền dữ liệu như GPRS và sau này truyền với tốc độ cao hơn sử dụng EDGE… 2.1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin qua mạng GSM Cho phép gửi và nhận mẫu tin nhắn văn bản bằng ký tự dài đến 160 kí tự cho phép chuyển giao và nhận dữ liệu, Fax giữa các mạng GSM với tốc độ lên đến 9600bps. Tính phủ sóng cao công nghệ GSM không chỉ cho phép chuyển giao trong toàn mạng mà còn chuyển giao giữa mạng GSM trên toàn cầu mà không có một sự thay đổi, điều hành nào. Đây là một tính năng nổi bật của công nghệ GSM. Cấu trúc mạng GSM tổng quát. 8 - Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem). - Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem). - Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem). - Trạm di động MS (mobile Station). 2.1.2 Đặc điểm công nghệ GSM Trạm di động MS (mobile Station) bao gồm thiết bị di động ME (mobile Equipment) và một khối nhỏ gọn là modun nhận dạng thuê bao SIM (Subscriber Identity module). Đó là một khối điều khiển tách riêng, chẳng hạn là một IC thông minh, SIM dùng với thiết bị di động ME (Mobile Equipment) hợp thành trạm di động MS.SIM (Subscriber Identity module) chính là bộ phận quản lý của thuê bao, vì thế người sử dụng có thể lắp SIM (Subscriber Identity module) vào bất cứ máy điện thoại di động GSM nào truy cập vào dịch vụ đăng ký. SIM (Subscriber Identity module) là một microchip nó là thiết bị đươc kiểm tra trên thẻ (ID-1 SIM), hoặc một mảnh nhựa khoảng 1cm hình chữ nhật ( ghép vào thẻ SIM). Mỗi điện thoại di động được phân biệt bởi một số nhận dạng điện thoại di động IMEI (International mobile Equipment Identity). Card SIM chứa một số nhận dạng thuê bao di động IMSI (International Subscriber Identity) để hệ thống nhận dạng thuê bao, một mật mã đễ xác thực và các thông tin khác IMEI và IMSI hoàn toàn độc lập để đảm bảo tính di động cá nhân. SIM đảm nhiệm các chức năng sau. - Lưu ngữ khóa nhận thực thuê bao khi cùng với số nhận dạng trạm di động quốc tế IMSI nhằm thực hiện các thủ tục nhận thực và mật mã hóa thông tin - Khai thác và quản lý số nhận dạng cá nhân PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng của người sử dụng hợp pháp . PIN là một số gồm từ 4 đến 8 chữ số, được nạp bởi nhà khai thác khi đăng ký lần đầu. - Cấu trúc mạng GSM. Hình 2.1: Cấu trúc mạng GSM 9 Thiết bị di động ME (mobile Equipment) là bộ phận để xử lý các công việc chung như thu phát tín hiệu. có 3 loại thiết bị di động ME (mobile Equipment). Trên xe, xách tay, cầm tay ME (mobile Equipment) số nhận dạng là IMEI (International Mobile Equipment Identity). Nhờ kiểm tra IMEI (International Mobile Equipment Identity) mà thiết bị di động ME (Mobile Equipment) nếu bị mất cắp sẽ không được phục vụ. MS (Mobile Station) có ba chức năng chính. - Thiết bị vật lý để giao tiếp giữa mạng di động với mạng qua đường vô tuyến. - Bộ thích ứng đầu cuối trong MS có vai trò cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết nối di động khi lắp đặt các thiết bị đầu cuối trong môi trường di động MS có bộ thích ứng đầu cuối tuân theo tiêu chuẩn mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN (Integrated Sevrice Digital Network). Còn thiết bị đầu cuối thì có giao diện với modem. - Đăng ký thuê bao, ở chức năng thứ hai này mỗi thuê bao phải có một thẻ gọi là SIM card, trừ một số trường hợp đặc biệt như gọi khẩn cấp… Thuê bao chi có thể truy cập vào hệ thống khi cắm thẻ này vào máy. 2.1.3 Trạm di động MS (mobile Station) NSS gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao. Chức năng chính của NSS là quản lý thông tin giữa những người sử dụng mạng GSM với nhau và với mạng khác. NSS bao gồm các khối chức năng sau: - Trung tâm chuyển mạch di động MSC (mobile service Switching Center). - Bộ đăng ký thường trú HLR (home location Register). - Bộ đăng ký tạm trú VLR (Visitor location Register). - Bộ ghi nhận dạng thiết bị ElR (Equipment Identity Register). - Trung tâm nhận thực AUC (Authentication center). - Hình ảnh cấu trúc NSS (Network Switching Subsystem). 10 [...]... về cho vi điều khiển thực hiện xử lý tiếp theo - Điện áp hoạt động của modun SIM900A là 9-12V, dòng hoạt động của modun có thể lên đến 1A khi nhận tin nhắn - 4.3.4 Khối giao tiếp SMS - Tùy chọn 1 dòng rơle 34 Hình 4.5: Rơle trung gian Rơle: Là một thiết bị dùng bộ xử lý điều khiển thiết bị điện, bằng cách cấp nguồn điện áp thấp 24V và công suất nhỏ điều khiển đóng mở được thiết bị sử dụng điện áp... nhiều chức năng Nhóm chọn phương án 2 để thực hiện đề tài vì hướng phát triển nghiên cứu mở rộng đề tài trong tương lai sẽ ưu việt hơn 4.3 4.3.1 Thiết kế phần cứng Khối xử lý Hình 4.1: khối xử lý vi điều khiển Atmega16 Có chức năng kiểm tra, đọc tin nhắn modun SIM900A lưu và xử lý dữ liệu để điều khiển thiết bị khối tái công suất - Sử vi điều khiển Atmega16 để điều khiển và kiểm tra tin nhắn trên modun... giữa mạch xử lý có điện áp thấp và thiết bị điện có điện áp cao và công suất tải lớn An toàn cho bộ xử lý và mạch điều khiển - Trở kháng Giữa 2 trạng thái ON có trở kháng rất nhỏ, trạng thái OFF có trở kháng rất lớn và xem là lý tưởng ổn định vận hành cho thiết bị có công suất - nhỏ, điện áp nhỏ, tần số vận hành tùy ý Rơle có cuộn cảm nên khi điều khiển đóng mở phải sử dụng diode chống điện áp ngược... dịch vụ mạng sóng mang Wireless, mà đồng thời bạn cũng có thể trao đổi nó với người sử dụng khác ở các nhà cung cấp dịch vụ khác SMS là một công nghệ phù hợp với các ứng dụng Wireless sử dụng cùng với nó Nói như vậy là do: Thứ nhất, tin nhắn SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại có sử dụng công nghệ GSM Xây dựng các ứng dụng Wireless trên nền công nghệ SMS có thể phát huy tối đa những ứng dụng có... khiển hoạt động - Reset dây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống - 2 chân XTAL1, XTAL2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân này được nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p) - Chân Vref thuờng nối lên 5v(Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này đuợc sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định, có thể sử dụng. .. SMSC sẽ hoạt động một cách chuyên dụng để chuyển lưu thông SMS của một mạng wireless Hệ thống vận hành mạng luôn luôn quản lý SMSC của riêng nó và vị trí của chúng bên trong hệ thống mạng wireless Tuy nhiên hệ thống vận hành mạng sẽ sử dụng một SMSC thứ ba có vị trí bên ngoài của hệ thống mạng wireless Bạn phải biết địa chỉ SMSC của hệ thống vận hành mạng wireless để sử dụng, tinh chỉnh chức năng tín... việc thiết kế và phát triển ứng dụng một cách dễ dàng hơn thông qua việc giao tiếp bằng tập lệnh AT - Bộ sạc cho pin - Các ngõ vào ra dành cho chức năng nghe, gọi và sử lý âm thanh - Các ngõ vào của bọ chuyển đổi AD Để sử dụng một modun SIM900A, cần phải có các thiết bị đi kèm 20 Hình 3.2: thiết bị đi kèm modun SIM900A mạch vi điều khiển Atmega16 Nguồn cấp B Ănten GSMC Ănten GPS Cáp kết nối Ănten... tiêu điện áp ngược của cuộn cảm Việc điều khiển để vận hành các thiết bị trong gia đình sử dùng Rơle là giải pháp khả thi và ưu tiên vì đơn giản và ổn định, hiện tại chưa nên nghĩ dùng linh kiện điện trở để thay thế cho rơle - - Sử dụng rơle 24VDC, để đóng cắt các thiết bị tải chịu đựng được là 5A Chọn ULN2803 để kích đóng mở rơle vì ngõ vào tương thích với vi điều khiển ngõ ra đáp ứng được nhu cầu về... TRAU không được sử dụng cho các kết nối dữ liệu 2.1.8 Các thành phần công nghệ GSM Isdn pspdn cspdn pstn plmn SS Auc Hlllr Vld Eid Msc BSS Bsc 14 Bts Ms Omc Hình 2.5: thành phần mạng GSM - AUC (): Trung tâm nhận thức - ULR (): Bộ ghi dịch vụ tạm trú - HLR (): Bộ ghi dịch vụ thường chú - EIR (): Bộ ghi nhận dạng thiết bị - MSC (): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ mạng - BSC (): Bộ điều khiển trạm gốc... những chiếc điện thoại di động như X1, 1280… kết hợp với vi điều khiển Atmega16 thông qua lệnh AT của từng dòng máy, Với phương án này ta thực hiện viết chương trình phức tạp vì lệnh của từng dòng máy khác nhau 30 Dùng GSM modun SIMSIM900A giao tiếp với vi điều khiển Atmega16 với modun SIM900A có nhiều tính năng như: điều khiển thiết bị bằng tin nhắn SMS, định vị GSP, GPRS Với nhiều tính năng như vậy . mục đích tạo ra một ứng dụng thực tiễn với nội dung “ Điều khiển thiết bị điện trong nhà qua mạng GSM đây là hệ thống sử dụng cho dân dụng, giúp việc vận hành, điều khiển, giám sát và cảnh. để điều khiển thiết bị và báo trộm. Việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Sau quá trình thực hiện đồ án nhóm. tài này, nhóm ứng dụng đề tài để thực hiện việc hiện cho một ngôi nhà nhờ “ điều khiển thiết bị trong nhà thông qua mạng GSM chúng ta có thể điều khiển, giám sát các thiết bị điện trong nhà