Xây dựng hệ thống cảnh báo xâm nhập bằng module cảm biến chuyển động sử dụng KIT Easy8051 v6 và truyền tín hiệu cảnh báo qua module sim900A

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT HẬU CẦN CANDKHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG & KỸ THUẬT NGHIỆP VỤ

BÁO CÁO

HỌC PHẦN: CHẾ ÁP VÀ BẢO VỆ ĐIỆN TỬChuyên đề : Xây dựng hệ thống cảnh báo xâm

nhập bằng module cảm biến chuyển động sửdụng KIT Easy8051 v6 và truyền tín hiệu

cảnh báo qua module sim900A

Nhóm học viên: nguyễn a Lớp: ab

Giáo viên hướng dẫn: hoàng x

4/2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT HẬU CẦN CANDKHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG & KỸ THUẬT NGHIỆP VỤ

BÁO CÁO

HỌC PHẦN: CHẾ ÁP VÀ BẢO VỆ ĐIỆN TỬChuyên đề : Xây dựng hệ thống cảnh báo xâm

nhập bằng module cảm biến chuyển động sửdụng KIT Easy8051 v6 và truyền tín hiệu

cảnh báo qua module sim900A

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thế giới ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc sử dụng các hệ thống cảnh báo xâm nhập trở nên cực kỳ quan trọng để đảm bảo an ninh và an toàn cho các khu vực quan trọng như nhà ở, doanh nghiệp, và các cơ sở công cộng Đồng thời, sự tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ cảm biến và truyền thông đã tạo ra những cơ hội mới để phát triển các giải pháp cảnh báo hiệu quả và linh hoạt hơn bao giờ hết.

Trong chuyên đề này, chúng em sẽ tập trung vào việc xây dựng hệ thống cảnh báo xâm nhập sử dụng module cảm biến chuyển động kết hợp với module truyền thông SIM900A Sự kết hợp này không chỉ giúp chúng ta phát hiện sự xâm nhập một cách nhanh chóng và chính xác mà còn cho phép chúng ta thông báo kịp thời về tình trạng đó qua mạng di động.

Chúng em sẽ trình bày chi tiết về cách thức hoạt động của hệ thống, từ cài đặt và lập trình các module cho đến quá trình tích hợp và kiểm tra hiệu suất Bằng việc đánh giá kỹ lưỡng các yếu tố kỹ thuật và thực hiện các thử nghiệm thực tế, chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp cho độc giả một cái nhìn toàn diện về cách thiết kế và triển khai hệ thống cảnh báo xâm nhập đáng tin cậy Chúng em hi vọng rằng chuyên đề này sẽ giúp các độc giả hiểu rõ hơn về lợi ích và ứng dụng của công nghệ trong việc bảo vệ an ninh, cũng như cung cấp cho họ những kiến thức cần thiết để triển khai thành công các giải pháp cảnh báo xâm nhập trong thực tế.

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 10 Hình 2 2 Mô phỏng hệ thống trên Proteus 12 Hình 3.1 mô phỏng mạch bằng Protues

Hình 3 2 Các chân kết nối của module sim900A Hình 3.3 Giao diện 8051 Flash khi nạp code

I Phần mềm và thiết bị sử dụng 1.1 Phần mềm sử dụng

Sử dụng phần mềm Keil C V4 để lập trình cho vi điều khiển Keil C v4 là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) dành cho lập trình và phát triển phần mềm cho các hệ thống nhúng Được phổ biến trong cộng đồng phát triển nhúng, Keil C v4 cung cấp một loạt các công cụ mạnh mẽ cho việc lập trình, debug và triển khai ứng dụng Với trình biên dịch C/C++ tích hợp và công cụ debug, Keil C v4 cho phép lập trình viên phát triển và kiểm tra mã nguồn một cách hiệu quả trên nhiều nền tảng vi điều khiển khác nhau từ các nhà sản xuất hàng đầu Giao diện người dùng thân thiện và các công cụ mô phỏng giúp tối ưu quá trình phát triển và kiểm tra ứng dụng, trong khi hỗ trợ chuẩn mã hóa đa dạng giúp đảm bảo tính linh hoạt và tiện lợi.

1.2 Bộ kit sử dụng

- Bộ Kit Easy8051 v6:

+ Bộ kit Easy8051 v6 là một giải pháp phát triển phần cứng hoàn chỉnh dành cho việc thiết kế và phát triển các ứng dụng nhúng dựa trên vi điều khiển 8051.

+ Bộ kit này bao gồm một bo mạch chủ (mainboard) có sẵn vi điều khiển 8051, cùng với một loạt các cổng kết nối và module bổ sung như LED, nút nhấn, cảm biến, và giao tiếp serial Đi kèm với các phần mềm hỗ trợ và tài liệu chi tiết, Easy8051 v6 cho phép lập trình viên nhanh chóng bắt đầu phát triển và thử nghiệm các ứng dụng nhúng một cách dễ dàng.

Hình 1.1 Kit Easy8051 v6

- Bộ kit sử dụng vi điều khiển AT89S8253

+AT89S8253 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit hiệu suất cao, công suất thấp với 12K byte bộ nhớ chương trình Flash có thể lập trình trong hệ thống (ISP) và 2K byte bộ nhớ dữ liệu EEPROM Thiết bị này được sản xuất bằng công nghệ bộ nhớ không biến đổi mật độ cao và tương thích với bộ lệnh và sơ đồ chân MCS-51 tiêu chuẩn công nghiệp Flash có thể tải xuống trên chip cho phép bộ nhớ chương trình được lập trình lại trong hệ thống thông qua giao diện nối tiếp SPI hoặc bằng bộ lập trình bộ nhớ không biến đổi thông thường Bằng cách kết hợp CPU 8 bit linh hoạt với Flash có thể tải xuống trên chip nguyên khối, AT89S8253 là bộ vi điều khiển mạnh mẽ cung cấp giải pháp rất linh hoạt và tiết kiệm chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng.

Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89S8253

1.3 Cảm biến phát hiện chuyển động PIR HC-SR501

- Module HC-SR501 là một loại cảm biến chuyển động, một cảm biến PIR bao gồm hai phần tử riêng biệt Một mặt, nó có một thiết bị phát ra tín hiệu khác biệt giữa nó và các cảm biến khác, đây sẽ là thiết bị thực sự kích hoạt tín hiệu báo động.

Hình 1.3 Module PIR HC-SR501

1.4 Module GSM GPRS SIM900A

- Module GSM GPRS Sim900A có IC đệm (GSM sim900a module ) được thiết kế cho các ứng dụng cần độ bền và độ ổn định cao, mạch có kích thước nhỏ gọn nhưng vẫn giữ được các yếu tố cần thiết của thiết kế Sim900 cũ như: Mạch chuyển mức tín hiệu logic sử dụng Mosfet, IC giao tiếp RS323 MAX232, tụ ổn định nguồn đầu vào, khe sim chuẩn và các đèn led báo hiệu Ngoài ra mạch còn đi kèm dây cáp nguồn và Anten GSM.

- Tính năng module GSM GPRS SIM900A: + Dựa trên lõi là chip SIMCOM SIM900A

+ Tương thích với nhiều loại vi điều khiển như: ARDUINO, RASPBERRY PI, ARM, AVR, PIC, 8051, etc.

+ Có thể kết nối trực tiếp với máy tính thông qua thiết bị chuyển đổi USB sang COM

- THÔNG SỐ KỸ THUẬT :

+ Sử dụng module GSM GPRS Sim900A + Nguồn cấp đầu vào: 5VDC, 1.5A.

+ Mức tín hiệu giao tiếp: TTL (3.3 – 5VDC).

+ Tích hợp chuyển mức tín hiệu TTL Mosfet tốc độ cao + Tích hợp IC chuyển mức tín hiệu RS232 MAX232 + Có tụ ổn định nguồn đầu vào.

Hình 1 4 Module GSM GPRS SIM900A

II Thiết kế mạch 2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Trong đó:

- Khối nguồn đóng vai trò cung cấp nguồn điện cho toàn bộ các khối khác, đảm bảo nguồn năng lượng hoạt động của toàn hệ thống.

- Khối cảm biến: Là các sensor có chức năng thu thập dữ liệu từ môi trường cung cấp cho khối điều khiển hoạt phân tích và xử lý dữ liệu.

- Khối điều khiển: Là các vi điều khiển có chức năng thu thập và phân tích dữ liệu nhận được từ các khối cảm biến Sau đó, xử lý dữ liệu và đưa ra lệnh điều khiển hoạt động cho các khối tiếp theo để thực hiện chức năng mong muốn.

- Khối hiển thị: Là khối có chức năng hiển thị dữ liệu hoặc trạng thái mong muốn của khối điều khiển có thể thấy bằng mắt thường.

- Khối truyền dữ liệu: Là khối được dùng để truyền dữ liệu sau khi phân tích, xử lý của khối điều khiển đến người sử dụng ở một khoảng cách xa nhất định

2.2 Cấu trúc của hệ thống

- Cảm biến chuyển động (PIR sensor):

+ Cảm biến chuyển động được đặt ở các vị trí chiến lược để phát hiện sự chuyển động trong khu vực đang giám sát.

- Bộ kit Easy8051 v6:

+ Bộ vi xử lý AT89S8253 (8051) được tích hợp trên bộ kit, là trung tâm của hệ thống, xử lý các tín hiệu từ cảm biến chuyển động và quản lý các chức năng khác của hệ thống.

+ Mô-đun giao tiếp với màn hình LCD 16x2, điều khiển hiển thị thông điệp cảnh báo lên màn hình.

+ Giao tiếp với module SIM900A để gửi thông điệp cảnh báo qua mạng di động.

- Màn hình LCD 16x2:

+ Màn hình LCD hiển thị thông điệp cảnh báo cho người dùng, bao gồm thời gian và vị trí xâm nhập.

- Module truyền thông SIM900A:

+ Module này được sử dụng để truyền tín hiệu cảnh báo tới một số điện thoại hoặc máy chủ thông qua mạng di động GSM/GPRS.

- Nguồn điện và các thành phần phụ trợ:

+ Nguồn điện cung cấp cho toàn bộ hệ thống.

+ Các thành phần như nút nhấn, đèn LED, và các linh kiện phụ trợ khác có thể được sử dụng để mở rộng chức năng hoặc tăng tính tương tác của hệ thống

2.3 Nguyên lí hoạt động

- Cảm biến chuyển động (PIR HC-SR501): Cảm biến chuyển động tiếp tục được sử dụng để phát hiện sự chuyển động trong khu vực nhất định Khi cảm biến phát hiện sự chuyển động, nó gửi tín hiệu kích hoạt đến bộ vi xử lý.

- Bộ vi xử lý (8051 Microcontroller): Bộ vi xử lý AT89S8253 trên bộ kit Easy8051 v6 tiếp tục nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến chuyển động Khi nhận được tín hiệu kích hoạt từ cảm biến, bộ vi xử lý kích hoạt các hành động cảnh báo và cập nhật thông tin lên màn hình LCD.

- Màn hình LCD 16x2: Màn hình LCD 16x2 được kết nối với bộ vi xử lý và dùng để hiển thị thông điệp cảnh báo Khi có sự xâm nhập, bộ vi xử lý sẽ gửi thông điệp cảnh báo tới màn hình LCD để thông báo cho người dùng về sự kiện xâm nhập Thông điệp này có thể bao gồm thời gian xâm nhập và vị trí xâm nhập - Module truyền thông SIM900A: Bộ vi xử lý sau khi xác định sự xâm nhập sẽ gửi dữ liệu cảnh báo tới module SIM900A, như đã mô tả trong phiên bản trước.

+ LCD hiển thị đúng trạng thái của hệ thống được thiết lập + Chưa xác định kết quả hoạt động của cảm biến chuyển động

+ Tín hiệu qua đường truyền hữu tuyến được thể hiện qua LED hoạt động bình thường

+ Có tín hiệu được truyền qua cổng UART của vi điều khiển Hiển thị bằng cách thêm cửa sổ Terminal ở đầu ra cổng UART của vi điều khiển

III Quá trình thực hiện

Bước 1: Xác định sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động

Xác định sơ đồ khối và nguyên lý là một phần quan trọng của quá trình lập trình vi điều khiển Ý nghĩa của việc này có thể được mô tả như sau:

- Hiểu rõ hệ thống: Sơ đồ khối giúp bạn hiểu rõ cấu trúc tổng quan của hệ thống điều khiển, bao gồm các phần tử chính và cách chúng tương tác với nhau Điều này cung cấp một cơ sở vững chắc cho việc phát triển phần mềm điều khiển.

- Phân chia chức năng: Bằng cách xác định sơ đồ khối, bạn có thể phân chia chức năng của hệ thống thành các khối nhỏ hơn, dễ quản lý hơn và dễ triển khai hơn.

- Tối ưu hóa mã hóa: Bằng cách phân chia chức năng thành các khối, bạn có thể tối ưu hóa quá trình lập trình bằng cách tập trung vào từng khối một, giúp việc quản lý mã hóa và gỡ lỗi trở nên dễ dàng hơn.

- Kiểm soát dễ dàng: Sơ đồ khối và nguyên lý cung cấp một cách tiếp cận hệ thống mạch mà không cần biết về chi tiết cấu trúc nội bộ của từng phần tử Điều này giúp kiểm soát dễ dàng

Bước 2: Xác định linh kiện, thiết bị và công cụ cầndùng

- Sau khi xác định được sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống thì cần lựa chọn các linh kiện, thiết bị sử dụng hợp lí và tối ưu từ đó lựa chọn các công cụ phần mềm lập trình để phù hợp với các loại linh kiện với thiết bị đó.

- Lựa chọn linh kiện, thiết bị và công cụ cần chú ý:

+ Tính tương thích: Đảm bảo rằng các thiết bị và công cụ được lựa chọn là tương thích với nhau Ví dụ, module cảm biến chuyển động, màn hình LCD, bộ vi xử lý và module truyền thông cần phải hoạt động một cách hài hòa với nhau.

+ Tính linh hoạt và mở rộng: Chọn các thiết bị và công cụ có khả năng linh hoạt và mở rộng để có thể mở rộng chức năng của hệ thống trong tương lai, nếu cần.

+ Hiệu suất và độ tin cậy: Lựa chọn các thiết bị và công cụ có hiệu suất cao và độ tin cậy cao, đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của hệ thống.

+ Dễ sử dụng và cài đặt: Chọn các thiết bị và công cụ dễ sử dụng và cài đặt, giúp giảm thời gian và công sức cần thiết để triển khai hệ thống.

+ Tiêu thụ năng lượng: Lựa chọn các thiết bị và công cụ có tiêu thụ năng lượng thấp để giảm chi phí vận hành và đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài.

+ Chi phí: Xác định ngân sách và chọn các thiết bị và công cụ có chi phí phù hợp với ngân sách nhưng vẫn đảm bảo chất lượng và hiệu suất.

+ Hỗ trợ kỹ thuật: Chọn các thiết bị và công cụ được hỗ trợ kỹ thuật tốt từ nhà sản xuất hoặc cộng đồng người dùng, giúp giải quyết các vấn đề kỹ thuật một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Bước 3: Cài đặt các phần mềm sử dụng

- Cài đặt phần mềm lập trình Keil uVision V4

Trang web hướng dẫn cài đặt phần mềm Keil C v4:

- Cài đặt phần mềm mô phỏng Protues

Trang web hướng dẫn cài đặt phần mềm Protues:

https://tinhte.vn/thread/download-proteus-8-15-full-huong-dan-cai-dat-chi-tiet.3736125/

Bước 4: Tạo mô phỏng trên phần mềm Protues

- Mô phỏng trên Proteus là quá trình sử dụng phần mềm Proteus để tạo ra một mô hình số của một hệ thống điện tử, từ vi mạch điện tử đơn giản đến hệ thống điều khiển phức tạp Các mô phỏng này giúp chúng em kiểm tra, đánh giá và phát triển sản phẩm điện tử mà không cần phải xây dựng các bản mẫu vật lý, tiết kiệm thời gian và chi phí.

- Vai trò của mô phỏng trên Proteus bao gồm:

+ Kiểm tra chức năng: Mô phỏng giúp kiểm tra xem các vi mạch hoạt động như mong đợi hay không trước khi chúng được triển khai vào sản phẩm thực tế.

+ Phát triển và gỡ lỗi: chúng em có thể sử dụng mô phỏng để phát triển và gỡ lỗi vi mạch mà không cần phải xây dựng các mô hình vật lý.

+ Đánh giá hiệu suất: Proteus cho phép đánh giá hiệu suất của hệ thống điện tử, bao gồm các thử nghiệm về tín hiệu, tần số, và nhiễu.

+ Tiết kiệm thời gian và chi phí: Thay vì phải xây dựng và thử nghiệm các mẫu vật lý, mô phỏng trên Proteus giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho việc phát triển sản phẩm điện tử.

Hình 3.1 mô phỏng mạch bằng Protues

Bước 5: Viết chương trình

- Khi viết chương trình cho hệ thống cần chú ý:

+ Chức năng cảnh báo: Xác định các chức năng cần thiết cho hệ thống cảnh báo, bao gồm việc xử lý tín hiệu từ cảm biến chuyển động, hiển thị thông báo trên màn hình LCD, và gửi thông điệp cảnh báo qua mạng di động.

+ Xử lý tín hiệu: Lập trình để xử lý tín hiệu từ cảm biến chuyển động, bao gồm việc kiểm tra trạng thái của cảm biến và kích hoạt các hành động cảnh báo khi phát hiện sự chuyển động.

+ Giao tiếp với màn hình LCD: Lập trình để hiển thị thông điệp cảnh báo lên màn hình LCD, bao gồm việc cập nhật thông tin như thời gian xâm nhập và vị trí xâm nhập.

+ Gửi thông điệp cảnh báo: Lập trình để gửi thông điệp cảnh báo từ bộ vi xử lý tới module truyền thông SIM900A, bao gồm việc chuẩn bị và định dạng thông điệp cảnh báo.

+ Xử lý phản hồi (nếu cần): Lập trình để xử lý phản hồi từ người nhận thông điệp cảnh báo, bao gồm việc xác nhận hoặc xử lý yêu cầu thêm thông tin.

+ Quản lý nguồn điện: Đảm bảo rằng chương trình được thiết kế để quản lý nguồn điện hiệu quả, bao gồm việc kiểm tra

+ Đọc và hiểu datasheet: Đọc và hiểu datasheet của các thiết bị được sử dụng trong hệ thống, bao gồm bộ vi xử lý, cảm biến, màn hình LCD, và module truyền thông.

+ Debug và kiểm thử: Thực hiện debug và kiểm thử kỹ lưỡng để đảm bảo chương trình hoạt động đúng đắn và ổn định trước khi triển khai vào môi trường thực tế.

Bước 6: Kết nối mạch thật và nạp chương trình

- Kết nối chân nguồn và chân của cảm biến ánh sáng đúng

với chân đã khai báo trong chương trình.

- Kết nối Module sim900A với bộ kít đảm bảo TX của Vi điều khiển được nối với chân RX của module sim900A và chân RX của vi điều khiển được nối với chân TX của module sim 900A.

- Kết nối nguồn 5V cho module sim900A - Mở LCD trong bộ Kit Easy8051 V6.

Bước 6: Nạp code và kiểm tra, đánh giá hoạt động của hệ thống

- Sử dụng phần mềm 8051 Flash để nap code vào bộ kit Khi

nạp cần chú ý chọn đúng tên Vi điều khiển và tần số hoạt động của bộ kit.

Hình 3.3 Giao diện 8051 Flash khi nạp code

-Kết quả hoạt động của hệ thống

+ Hệ thống hoạt động đúng các chức năng được thiết lập + Màn hình LCD hiển thị đúng trạng thái của hệ thống + Cảm biến hoạt động bình thường, gửi dữ liệu về cho vi điều khiển khi phát hiện xâm nhập

+ Chức năng truyền tín hiệu qua Module sim900A hoạt động bình thường Thời gian trung bình để báo hiệu từ ~30s.