Luận văn thạc sĩ Tự động hóa: Điều khiển và truyền thông sử dụng Modbus TCP và GSM

dựng một module điều khiển có thé giao tiếp với các bộ điều khiến Modbus TCPthông qua giao thức Modbus TCP, và module được xây dựng có thé giao tiếp, tươngtác với người sử dụng thông qua

PT —eeeeeeeeeee NGUYÊN THANH TUẦN

DIEU KHIEN VÀ TRUYEN THONG

SỬ DUNG MODBUS TCP VA GSM

Chuyên ngành: Tự Động Hoa

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 —————————————

PT —eeeeeeeeeee NGUYÊN THANH TUẦN

DIEU KHIEN VÀ TRUYEN THONG

SỬ DUNG MODBUS TCP VA GSM

Chuyên ngành: Tự Động Hoa

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 —————————————

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc: TS TRUONG DINH CHAU

(Ghi rõ họ, tên, hoc ham, hoc vi, va chữ ky)

Thành phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ bao gom:(Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc si)

1 TS NGUYEN ĐỨC THÀNH2 TS NGUYEN THIEN THANH3 TS NGUYEN VINH HAO4 TS VO HOANG DUY

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quan lý chuyên ngành sau

khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

Chú tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

TS NGUYÊN ĐỨC THÀNH

DIEU KHIEN VA TRUYEN THONG SU DUNG MODBUS TCP VA

GSM

I-NHIỆM VU VÀ NOI DUNG:

Tìm hiểu giao thức TCP/IP, va TCP/IP Stack của Microchip.Tìm hiểu giao thức Modbus, va Modbus TCP

Tim hiéu vé GSM, GPRS, va module SIM548C.Thiết kế, thi công phan cứng, và viết chương trình cho hệ thống điều khiếnvà truyền thông sử dụng Modbus TCP va GSM

HI-NGÀY GIAO NHIỆM VU: 05/07/2010IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 05/07/2011

V-CÁN BO HUONG DAN: TS TRUONG BINH CHAU

CAN BO HUONG DAN CNBO MON(Học hàm, học vi, họ tên, và chữ ky) QL CHUYỂN NGÀNH

TS TRƯƠNG DINH CHAU

Trước hết, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến bố, mẹ tôi vì đã tạođiều kiện cho tôi học tập cho đến ngày hôm nay Bồ mẹ tôi là những người đã luônbên tôi, hỗ trợ tôi hết sức về mặt vật chất, và tinh thần trong khoảng thời gian tôi

học tập tại trường, cũng như trong khoảng thời gian tôi thực hiện, và hoàn thànhluận văn.

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn của mình đến TS Trương Đình Châu, làngười thay trực tiếp hướng dan, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi thựchiện đề tài luận văn này Thầy đã giúp tôi định hướng đề tài, hỗ trợ tôi trong lúc tôigặp khó khăn, va thay cũng là người hỗ trợ thiết bị dé tôi có thể hoàn thành nhiệm

vụ của luận văn.

Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn ĐiềuKhién Tự Động đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu dé hoàn thành tốt luậnvăn này Những chỉ bảo, kiến thức mà tôi có được từ các thây, cô trong thời gian tôihọc tập tại trường là hành tranh quý cho tôi về sau trên con đường học tập, và lam

VIỆC.

Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đền những người bạn đã trực tiêp, hoặc giántiếp giúp đỡ tôi trong thời gian tôi thực hiện luận văn.

Một lân nữa, tôi xin chân thành cam ơn tat ca mọi người !

Nguyễn Thanh Tuan

dựng một module điều khiển có thé giao tiếp với các bộ điều khiến Modbus TCPthông qua giao thức Modbus TCP, và module được xây dựng có thé giao tiếp, tươngtác với người sử dụng thông qua mạng GSM Đồng thời xây dựng một ứng dụng cụthể trên module điều khiển đã xây dựng.

Trong luận văn này, trên cơ sở thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan

đến đẻ tài, học viên trình bày về các vẫn đề liên quan đến giao thức TCP/IP, giaothức Modbus, giao thức Modbus TCP, và các van đề liên quan đến GSM va GPRS.Trên cơ sở lý thuyết đã năm được, học viên tiễn hành thiết kế, thi công các mạchphan cứng, và viết các chương trình để thực hiện các yêu cầu của dé tài Vi điềukhiển được lựa chọn làm trung tâm của dé tài là PICI§F4620 được MicrochipTCP/IP Stack hỗ trợ, chip giao tiếp ethernet được sử dụng là ENC28J60 Đối vớigiao tiếp GSM/GPRS, SIM548C là lựa chọn của học viên để thiết kế khối

GSM/GPRS.

vChương 1 giới thiệu tổng quan về dé tài, ý nghĩa, tinh cấp thiết, và xácđịnh mục tiêu, nhiệm vụ của đề tài

Chương 2 trình bảy các lý thuyết về giao thức TCP/IP, giao thức

Modbus, giao thức Modbus TCP, và mang GSM/GPRS Chương nay

cũng trình bày các sơ đồ thiết kế phan cứng, các giải thuật để thựchiện các yêu cầu của đề tài

Chương 3 trình bày một ứng dụng cụ thể của đề tài trong công nghiệpChương 4 trình bày các kết quả đạt được của đề tài, các hạn chế mà đềtài chưa giải quyết được, đồng thời nêu ra một số hướng phát triển của

đề tài.

MUC LUC

CHUONG 1: TONG QUAN VE DE TAI1.1 Tên d6 tài ¿- 6 + S222 1 E5 5 121 1515111111 011511 111101151111 11 110111011111 0 01T 31.2 Giới thiệu dé tầi - - tt 11 121 v1 910191 11 5 11115111 111111211 Tung 31.3 Tính cấp thiết của để tài ¿56 5221233221 1511212121111 2111111111111 re 51.4 Nhiệm vụ của dé tầi - c1 1121211 5 011151111 112111 ng ng 6CHƯƠNG 2: HE THONG DIEU KHIEN VÀ TRUYEN THONG SU DỤNG

MODBUS TCP VA GSM2.1 So đỗ khối của hệ thong w.cecccecccccscssssescscscssescscscssssssesessssssssescsescsssseeeseens 122.2 Hoạt động của hệ thng cccccccscscccscscsssscscscscssesescscsssesescssssssssscsesssssssseseens 142.3 Khối nguồn của module điều khiẾn - ¿5-5 2522552 2*+E+££ezxvzzsrree 152.4 Khối điều khiến trung tâm ¿- - 252 52 SE‡E9E2EE‡E£EEEEEEEEEEErkererkrrereree 172.5 Khối GSM/GPRS G5211 221 111 121111111111111 1111111111111 11 11111 d 192.5.1 Tổng quan về GSM - c2 c1 1 1 191112111111 1121111 011111111111 cyye 192.5.2 Tong quan về GPRS -¿- 5-5623 12391 12151121 2111212111111 1 111 cxye 202.5.3 Các giải thuật cho khối GSM/GPRS - ¿5-5 52 2e2csccecrerrerreee 24

2.5.3.1 Khởi tạo cho ứng dụng GSM và GPRS Sài 25

2.5.3.2 Xóa tin nhắn trước khi module SIM548C hoạt động 302.5.3.3 Đọc tin nhắn - k1 11212111 91119191 1 5111111 ng rrei 322.5.3.4 Gởi tin nhẫn -¿- + c6 5z S332 191221211121 2111 1111111111111 332.5.3.5 Thiết lập kết nỗi GPRS giữa module SIM548C và GPRS server 352.5.3.6 Truyền nhận gói TCP giữa SIM548C và GPRS server 362.5.3.7 Hủy kết nối GPRS giữa module SIM548C và GPRS server 372.6 Khối ethernet và giao thức Modbus TCP ¿- - 2 2 s+x+c+£e+x+ezezeerereở 40

2.6.1 Giao thức TC P/ÏP - - - << 00 nọ re 4]

2.6.1.1 Giao thức liên mạng IP (Internet Protocol) «««««««««s 422.6.1.2 Giao thức TCP (Transmission Control Protocol) 412.6.2 Giao thức Modbus TCP - << «5c S999 999 3000 re 492.6.2.1 Giao thức ModuS - <0 0H ke 492.6.2.2 Modbus TCP - G9000 0n ke 56

2.7 Khối hiỀn thị - - s11 1919191 1E 919151 1 9 10112111 1111291 ng ng 69

2.8 Bàn Phim - << 9.000 0 ọ v 70

CHƯƠNG 3: UNG DUNG MODULE DIEU KHIỂN VÀ TRUYEN THONG

SU DUNG MODBUS TCP VA GSM3.1 Sơ đồ kết nối phần CUNG eccececccsesssssessesessssesesecsesessesssesscsssesssseseseeseseeeesesen 723.2 Hoạt động của hệ thống ¬— 733.3 Thiết kế chương trình server - + 252 SE S2SE£E£E+E£EEEEEEEEEESEErErkrkrree 76CHUONG 4: KET QUA VÀ HƯỚNG PHÁT TRIEN

4.1 Các kết quả đạt ưỢC - +5: E1 S113 1915111121 111311 111111110111 11 011110 yC 784.2 Các hạn chế của dé tài - - tt 11121 1E 91110191111 0101112 111111011 ng ngu 784.3 Hướng phát triển dé tài - + 6 6S S123 1 E5 E1 1211151511251 11 11.111 79

CHUONG 1: TONG QUAN VE DE TÀI

Trong Chương này sẽ trình bay nhitng nội dung sau:

v_ Tổng quan về dé tài.VY Tinh cấp thiết của đê tài.v Nhiệm vụ của đề tài.v_ Một số ứng dung của dé tài.1.1 Tên đề tài

“Điều khiển và truyền thông sử dung Modbus TCP và GSM”1.2 Giới thiêu đề tài

Vấn đề giám sat và điều khiến là một vẫn đề rất rộng, và thật sự phức tạp nóbao hàm giám sát — điều khiển nhỏ các thiết bị sinh hoạt hằng ngày cho đến cácmáy móc, dây chuyền sản xuất trong các xí nghiệp Đề tài này chỉ giới hạn trongviệc nghiên cứu lý thuyết giao thức liên mạng TCP/IP (một chuẩn giao tiếp nỗitiếng được sử dụng để truyền dữ liệu trong mạng Internet), giao thức Modbus TCP(một chuẩn giao thức phổ biến được sử dụng rộng rãi trong các thiết bi côngnghiệp), mạng GSM (module GSM SIM548C), và ứng dụng chúng trong điều khiếnthiết bi, các tiến trình từ xa

Hiện nay điều khiến từ xa thong qua mạng GSM dang được phát triển mạnhmẽ Điều khiển từ xa thông qua mang GSM được ứng dụng trong các ứng dụng dândụng cho các thiết bị sinh hoạt hăng ngày, trong đó Ngôi nhà thông minh là đề tàicụ thể Người sử dụng có thé ứng dụng GSM dé điều khiến thiết bị từ xa như đèn,cửa, hệ thống tưới nước mà không cần phải có mặt tại nhà, đồng thời hệ thongcũng có thể có những thông báo cảnh báo cho người sử dụng khi có van dé xảy ravới ngôi nhà của mình bang tin nhắn SMS Ngoài những ứng dung trong sinh hoạt,

còn có nhiễu ứng dụng chuyên môn khác như các hệ thống thu thập dữ liệu từ xa,giám sát từ xa v v Những ứng dụng trên đang cho thấy vai trò thiết thực của

mạng GSM trong các ứng dụng kỹ thuật.

Modbus TCP đang ngày càng cho thay ưu điểm của mình trong mạng côngnghiệp Nhờ khả năng tận dụng được cơ sở hạ tầng của hệ thống mạng xây dựngsăn, khắc phục được các nhược điểm của Modbus, nên Modbus TCP đang dần trởthành một chuẩn công nghiệp phố biến Trong tương lai, đây tiếp tục sẽ là mộtchuẩn quan trọng trong công nghiệp

Chính những ưu điểm trên của mạng GSM, va Modbus TCP, cho nên trongthời gian qua có rất nhiều sản phẩm trên nền Modbus TCP và GSM được xây dựngcủa nhiều hãng khác nhau Modbus TCP và GSM được ứng dụng trong các hệthống sản xuất công nghiệp Các mô hình điều khiến trên nền tảng này cũng rất pháttriển trong thời gian gần đây Sử dụng Modbus TCP và GSM, chúng ta có thể bảotrì, giám sát các hệ thông sản xuất từ xa, từ đó tiết kiệm chi phí và công sức

Vì những ly do trên, ta nhận thấy răng dé tài “Diéw khiển và truyền thông sửdung Modbus TCP và GSM” có ý nghĩa thiết thực

cơ sở module điều khiển được xây dung, ta sẽ xây dựng một hệ thống điều khiếnphân tán ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp Hệ thống sau khi xây dựng sẽđược điều khiến từ xa qua mang GSM thông qua tin nhắn SMS.

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Như chúng ta đã nói ở trên, hiện nay giao thức TCP/IP, va giao thức Modbus

TCP là các giao thức phố biến, và quan trọng trong truyền thông Modbus là chuẩngiao tiếp được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp Giao thức TCP/IP là chuẩn giaotiếp mạng phổ biến trên thé giới, không ai có thể phủ nhận ý nghĩa của nó trongtruyền thông dữ liệu hiện nay, đặc biệt là vai trò của nó trong mạng toàn cầuInternet.

Mang GSM, một mang điện thoại di động pho bién, hién dang su dung rongrãi Kha năng ứng dung trong điều khiến là rất lớn Hiện nay nhiều hệ thống sửdụng GSM để điều khiến, và giám sát từ xa Hệ thống ngôi nhà thông minh, hệthống thu thập dữ liệu từ xa, hệ thống giám sát từ xa là những ứng dụng cụ thể đangđược phát triển, và ứng dụng trên cơ sở ứng dụng mạng GSM

Từ các lý do trên, ta thấy việc năm bắt những kiến thức trên là có ý nghĩa,giúp ta phát triển các ứng dụng thật sự hữu ích trên nền tảng TCP/IP, Modbus TCP,và GSM Hơn nữa, những kiến thức trên là nền tảng để năm bắt những kiến thứcquan trọng khác, cũng như khả năng phát triển các kiến thức mới

Đề tai được hoàn thành sẽ là tài liệu tham khảo về giao thức liên mangTCP/IP, giao thức Modbus TCP, đồng thời cũng là tài liệu tham khảo về vẫn đề

mặt trực tiếp tại nơi thu thập dữ liệu mà vẫn có dữ liệu mong muốn, điều này giúptiết kiệm thời gian và công sức Ngoài thu thập dữ liệu từ xa, dựa trên đề tài nay, tacó thé phát triển những ứng dụng khác như điều khién thiết bi từ xa, hệ thống cảnh

báo từ xa

Thông qua thực hiện luận văn này, việc năm bắt các lý thuyết về giao thứcTCP/IP, giao thức Modbus TCP, và mạng GSM có ý nghĩa cho việc phát triển cácứng dụng trên các nên tảng này Hiện nay có rất nhiều hệ thống phát triển dựa trênnền TCP/IP, cho nên để có thể hiểu rõ các hệ thong trên, kiến thức TCP/IP là điềukhông thé thiếu Giao thức Modbus TCP là chuẩn giao tiếp phổ biến trong côngnghiệp, lý thuyết Modbus TCP giúp ta năm bắt, phát triển các ứng dụng trong cáchệ thống tự động dành cho công nghiệp Các kiến thức trên là cơ sở, cũng như làđiều kiện để ta năm bắt, tìm hiểu, và phát triển các kiến thức mới trong quá trìnhhọc tập làm việc, nghiên cứu về sau

Đối với bản thân học viên, việc thực hiện thành công đề tài này có ý nghĩathiết thực Học viên sẽ học được phương pháp nghiên cứu một kiến thức mới đối

với bản thân Trong quá trình thực hiện luận văn cao học, học viên sẽ có cơ hội xem

lại các kiến thức đã hoc, tiếp cận kiến thức mới, học cách tìm kiếm tài liệu, cáchđặt, giải quyết các van đề đến cách viết báo cáo Từ đó áp dụng những kinhnghiệm này trong quá trình nghiên cứu khoa học của bản thân về sau

Từ các ý nghĩa trên, cho nên dé tài “Diéu khiển và truyền thông sử dungModbus TCP va GSM” mang tính cấp thiết

1.4 Nhiệm vu cia đề tài

Nhận thức rõ được ý nghĩa thiết thực, tính cấp thiết, và mục tiêu của đề tải.Dựa trên những tìm hiểu về dé tai, từ đó, xác định các nhiệm vụ cần thực hiện trongdé tài này như sau:

Y Tìm hiểu giao thức liên mang TCP/IP.Y Tìm hiều giao thức Modbus TCP

Y Tìm hiểu SIM548C ứng dụng trong GSM, GPRS.Xây dựng phan cứng module điều khiển bao gồm: Khối điều khiển trung

tâm, khối Ethernet, và khối GSM/GPRS.v_ Viết chương trình cho module điều khiến.v Hệ thong sau khi xây dựng phải thực hiện được các chức năng sau trên nền

tảng phần cứng đã xây dựng:o Giao tiếp được với các bộ điều khiến Modbus TCP thông qua giao

thức Modbus TCP.

o Giao tiếp được với khôi GSM/GPRS thông qua tập lệnh AT.o Gửi dữ liệu lên máy tinh bằng giao thức TCP/IP

o Gui dt liệu thông qua GPRS.

VY Hệ thong phải điều khiển được thiết bi từ xa thong qua mang GSM (Tin nhắn

từ người sử dụng).

Như đã dé cập, dé tài xây dựng thành công, sẽ có nhiễu ứng dụng thực tiễn,hữu ích Dựa trên kết quả xây dựng module điều khiến và truyền thông sử dụngModbus TCP và GSM, ta có thể phát triển nhiều ứng dụng trực tiếp trên module đãđược xây dựng Đồng thời dựa trên các kết quả đạt được, ta có thể sử dụng để pháttriển các ứng dụng khác tùy theo yêu cầu ứng dụng mà ta sẽ thực hiện Bản thân họcviên trong quá trình thực hiện module điều khiến và truyền thông sử dung ModbusTCP và GSM nhận thấy được các kiến thức về GSM/GPRS có tiềm năng ứng dụngrat rong, dac biét la trong linh vuc dan dung Bén canh cac san pham dân dung, việcphát triển các ứng dụng trên nên tảng các thiết bị công nghiệp thông qua chuẩnModbus TCP, giúp ta tạo nên các sản phẩm có độ tin cậy cao

Sau đây là một số ứng dụng mà dựa trên kết quả thực hiện đề tài có thể xâydựng thành công Từ các hệ thống điều khiến thiết bị đơn giản ứng dụng trong dândung, đến các hệ thống phức tạp như các hệ thống điều khiến phân tán ứng dungtrong công nghiệp, và các hệ thống thu thập dữ liệu từ xa thông qua mang GSM

+ Hệ thong điều khiến thiết bị ứng dung trong dân dụng.

giúp ta xây dựng các ứng dụng dân dụng thật sự hữu ích, tiện lợi, đặc biệt là các

ứng dụng trên nên tảng GSM Ví dụ như ta sẽ làm gì khi ta quên tắt hệ thống đèncủa nhà trong khi ta đang ở xa ? Với sự hỗ trợ của mạng GSM, hầu như ta có thể tắthệ thống đèn từ bất cứ đâu

+ Hệ thong điều khiển trong công nghiệp

Với module điều khiển và truyền thông sử dụng Modbus TCP và GSM xâydựng được, chúng ta có thể áp dụng vào trong điều khiến các tiến trình trong hệthống công nghiệp từ xa thông qua chuẩn Modbus TCP Hệ thống tận dụng được cơsở hạ tầng mạng LAN có sẵn của công ty, giúp tăng năng suất lao động, và hiệu quả

công viéc.

Module điều khiển

+ Hệ thông thu thập dữ liệu từ xa.Đây là hệ thống thực sự hữu ích trong nhiều lĩnh vực như giao thong, ngànhnước, ngành điện v v Day là các lĩnh vực có địa bàn rộng lớn, cho nên việc lấythông tin tại các vi tri mong muốn thật sự cần thiết dé có các điều chỉnh, tác độngchính xác mang lại hiệu quả công việc Trong các lĩnh vực này, với hệ thống thuthập dữ liệu từ xa, tại các điểm cần lẫy thông tin, chúng ta bồ trí các cảm biến dé laythông tin can thiết Sau khi có thông tin cần thiết, hệ thống sẽ gửi thông tin thu thậpđược về máy tính thông qua mạng GSM để máy tính xử lý Với hệ thống thu thậpdữ liệu từ xa chúng ta có thé lay dữ liệu, thông tin cần thiết mà không cần có mặt tạihiện trường, tiết kiệm công sức, thời gian Hơn nữa, tại một số địa điểm, chỉ phí vàcông sức dé lay dữ liệu trong mỗi lần là van đề rất lớn Không chỉ thu thập dữ liệutừ xa, trên cơ sở dữ liệu thu được, thông qua hệ thong trên ta cũng có thé điều khiếnhệ thống thực hiện các yêu cầu, tac vụ mong muốn thông qua mạng GSM.

Hình 1.4, trình bày mô hình hệ thống thu thập dữ liệu từ xa thông qua mạng

GSM.

CHƯƠNG 2: HE THONG DIEU KHIEN VÀ TRUYEN

THONG SU DUNG MODBUS TCP VA GSM

Trong Chương này sẽ trình bay nhitng nội dung sau:

VY Sơ đồ khối của hệ thong.Y Hoạt động của hệ thong.VY Chức năng và thiết kế chỉ tiết các khối của module điều khiển.2.1 So đồ khối cúa hé thống

Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối của hệ thống điều khiến, và truyền thông sử

dụng Modbus TCP và GSM.

Máy Tính Đối Tượng

(Máy Tính Cá Nhân) Điêu Khiên

Ethernet Module Vi Điều Khiên Bàn Phím

‘| (ENC28J60) (AVR, PIC, ARM) (Bàn Phim HEX) |1

' Module Điều Khién Modul Khoi Nguôn Cua lì

oo Module Điều Khién ||

Hình 2.1: Sơ đô khối của hệ thông

2.2 Hoạt đông của hệ thong

Module điều khiến là phần mà ta sẽ xây dựng trong luận văn này Moduleđiều khiển bao gồm các khối chức năng sau: Khối nguồn, khối điều khiển trungtâm, khối ethernet, khối GSM/GPRS, khối hién thi, và khối ban phim

Khối điều khiến trung tâm là phần chính của hệ thong Khối điều khiến trungtâm do vi điều khiến (PIC, AVR, ARM ) làm trung tâm Khối điều khiến trungtâm sẽ điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống Khối điều khiển trung tâm sẽđiều khiến khối GSM/GPRS, khối ethernet, giao tiếp với khối hién thi, và bàn phím.Khối điều khiến trung tâm điều khiến việc thu thập dữ liệu nhận lệnh, thực hiệnlệnh truyền dữ liệu nhận được lên máy tính

Khối điều khiến trung tâm sẽ giao tiếp với khối ethernet qua chuẩn SPI, détruyền thông qua mạng ethernet Dữ liệu sẽ được truyền lên máy tính để xử lý, hoặcthông báo cho người dùng Đồng thời khối ethernet giữ chức năng truyền lệnhModbus đến các bộ điều khiển Modbus TCP

Người điều khiển sẽ sử dụng điện thoại di động, để nhắn một tin nhăn SMSvới cau trúc định trước đến hệ thong thông qua mang điện thoại di động để điềukhiển hoạt động của hệ thống Khối GSM/GPRS sẽ nhận tin nhăn này Khối điềukhiển trung tâm sẽ liên tục theo dõi khối GSM/GPRS xem có tin nhăn hay không.Khi kiểm tra có tin nhắn gửi đến, khối điều khiến trung tâm sẽ lấy nội dung tinnhăn, tat cả giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và khối GSM/GPRS được thựchiện thông qua băng cách sử dụng tập lệnh AT Nội dung tin nhắn sau khi đọc được,sẽ được khối điều khiến trung tâm xử lý để lẫy nội dung điều khiến cân thiết Saukhi lệnh điều khiến được khối điều khiến trung tâm xử lý, thì tùy theo lệnh mà khối

điều khiển trung tâm sẽ thực hiện lệnh được yêu cầu Ngược lại, khối điều khiển

trung tâm cũng sẽ sử dụng khối GSM/GPRS để gửi dữ liệu, thông tin của mình vềmáy tính, hay gửi dữ liệu, thông tin của mình trực tiếp về cho điện thoại của ngườiđiều khiến dé thông báo cho người điều khiến những thông tin can thiết

Người điều khiến sẽ quan sát hoạt động của hệ thống thông qua khói hiến thi,và có thể tương tác trực tiếp với hệ thông thông qua bàn phím.

Tất cả giao tiếp giữa các module trong hệ thống đều là giao tiếp 2 chiều, vídụ như module điều khiển có thé gửi dữ liệu đến các bộ điều khiển Modbus TCP,và các bộ điều khiến Modbus TCP có thé gửi dữ liệu trở lại cho module điều khiến,hay người điều khién có thé điều khiến hệ thong, nhưng đồng thời hệ thống cũng cóthé tương tác với người điều khiến thông qua việc gửi tin nhắn SMS đến người điềukhiến

Các lệnh thực thi sau khi được thực hiện sẽ gửi lên các chương trình server

trên máy tính, và di động để giám sát các hoạt động mà hệ thong da thuc hién

Ngoài ra, các dữ liệu, thong tin khác, cũng sẽ được gửi lên các chương trình server

dé xử lý tùy theo mục dich của người điều khiến

Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu chỉ tiết chức năng, nhiệm vụ của từng khốitrong module điều khiến và truyền thông sử dụng Modbus TCP va GSM mà chúng

ta sẽ xây dựng.

2.3 Khối nguồn của module điều khiến

Khối nguồn dùng để cung cấp các điện áp cần thiết để cho các khối chứcnăng khác trong module điều khién hoạt động

Hình 2.2 đến hình 2.4 trình bày sơ đồ chỉ tiết của các mạch nguồn sử dụngtrong module điều khiến

CON U3 | J2| 1 + + LÍ IN out Š —1

CON? cis | cz] oe L LL cig

= = —- C2 DIODE “T¬ E32“ —= c= Ci ? RI104 l4 #ữ0ufð0Vs|[ ð' 104 104

| 2 > 3 van vout LỄ 4 1

CON2 cie_ | c20_| Sout -+—x c19

= == OS L? ARMIT cs = Cử104 | 104 R70uF/80V - 104 104

000uFZ1Ệv/

Hình 2.4: Mạch nguồn 3.3V của hệ thông

VOC9

R1300LED

ñ4

y LEn

X

vec©

R2300

D4LED

ab

2.4 Khối điều khiến trung tâm

Khối điều khiển trung tâm là trung tâm của hệ thống, điều khiển toàn bộ hoạt

động của hệ thống, giao tiếp và điều khiển các khối chức năng khác trong hệ thống.Khối điều khiến trung tâm giao tiếp với khối GSM/GPRS thông qua chuẩn RS232,và giao tiếp với khối ethernet qua chuẩn SPI Khối điều khiến trung tâm điều khiếnkhối hién thị để hién thị thông tin về hoạt động của hệ thống đồng thời giao tiếp vớikhối bàn phim để tương tác với người dùng Khối điều khiển trung tâm được xâydựng trên vi điều khiến PIC18F4620 của Microchip

Hình 2.5 trình bày sơ đồ mach chỉ tiết khối điều khiển trung tâm

u4 ụII —

= Fis# ldwcurnppines — RHUPG0 Sper

é RAQVAND RBl/P0E ?

5 +] RAUIANI Res 34 + RAQIANIMetICMtet RM 44 +] RAVAN tet RS Hệ 5] T|RAAI0CMICI0UT — RĐ Hà Ũ!—> RAGIANISSICIOUT RBI Hồ 7

RHIIINT 8

ì RENRDIANETẾ 1 RENWRIANE von H——eWt thủ

6 Rewer ROS/PSPS 3

5 /ROSISCKISCL’ = - RD4P$H 4

4 z-/RCAISDUSDA - RD3P$P) 5

ì HF RCSISD0 ROUPSP2 Ũñ đị |R(8/DM0K R01/P$PI 7

WC WC

6

034 R341K14007

R2 1K

AAA Reset

swt

TM to Si PUSHBUTTONl0luF

Hình 2.5: Mạch điều khiển trung tâm của hệ thong

R3300036LED

ae

Giải thuật cho khối điều khiến trung tâm.

Bắt đầu

Khởi động cácchương trình cần thiêt

lượng cuộc gọi tốt hơn, gia thành thấp, và cung cấp dịch vụ tin nhắn.

GSM được xem là một hệ thong di động thứ hai (second generation, 2G) Tổ

chức khởi xướng nó, GSM Association (GSMA), dự đoán khoảng 80% thị trường di

động toàn câu sử dụng chuẩn GSM GSMA là một tổ chức của các nhà sản xuấtđiện thoại di động va các công ty liên quan hỗ trợ dé phát triển việc chuẩn hóa, triểnkhai và phát triển hệ thông điện thoại di động sử dụng GSM

GSM là một chuẩn mở, hiện được phát triển bởi 3GPP (Third GenerationPartnership Project — là tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mang thông tin di động tếbào) GSM được thiết kế độc lập với hệ thong nén hoan toan khong phu thudc vaophan cứng, ma chi tập trung vào chức năng và ngôn ngữ giao tiếp Điều nảy taođiều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính năng mới cho hệ thống,và cho phép các công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau

Các mạng đi động GSM hoạt động trên 6 băng tần Hầu hết thì hoạt động ởbăng tần 900Mhz và 1800Mhz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng tan 850Mhzvà 1900Mhz Các nước vùng Scandinavia sử dụng băng tan 400 Mhz hay 450 Mhz

Structure of a GSM network (key elements) es mỹ K/z:2y

MT/TE MSC/VLR ve Network SubSystem (NSS)

GPRS được phát triển dựa trên nền tảng di động của hệ thông mạng GSM.Giải pháp GPRS của Eriesson được thiết kế để đây nhanh việc triển khai GPRS màvẫn giữ cho chi phí đầu vào thấp Các khối chức năng của mang GSM hiện nay chicần được nâng cấp phần mềm ngoại trừ BSC (Base Station Center) phải được nângcấp phần cứng Hai nút mạng mới được giới thiệu, đó là SGSN (Serving GPRSSupport Node) và GGSN (Gateway GPRS Support Node) nhằm bố sung chức năngchuyén mach gói bên cạnh chức năng chuyển mạch mạch của mang

SGSN có nhiệm vụ tạo tuyến và quản lý địa chỉ IP SGSN cùng với các đầucuối GPRS hình thành các kênh truyền logic cho phép việc truyền nhận các gói IP.GGSN đóng vai trò kết nói các đầu cuối GPRS trong mạng đến các ISP (InternetService Provider) bên ngoài, hoặc kết nối giữa các mạng GPRS với nhau CácSGSN và GGSN liên kết với nhau và tạo thành một mạng IP xương sống làm nền

tảng cho dịch vụ GPRS.

SGSN và GGSN dựa trên đường truyền vô tuyến có sẵn để xây dựng mạngchuyển mạch gói GPRS dựa trên giao thức TCP/IP tương thích với mang Internetthông dụng, cho phép cung cấp cho các thuê bao trong mạng những dịch vụ mớihấp dẫn hơn.

Co} New HỤI $S MỤ King

SGSN Gateway GPRS %upperr Mode

HLF Hameloeadeu RegisterBS Mebile Stationhee Mobile Switching CenterSGSM Serving PRS Sup port Hade

SIESEC Short Message Service Center

S05 Service Ord o Gateway

Hình 2.8: Cấu trúc GPRS được phat trién dua trén mang GSM

Một số đặc điểm của GPRSe Tốc độ dữ liệu: GPRS tận dụng khe thời gian 9.6 Kbps của mang GSM dé

triển khai dich vu, nên tốc độ dữ liệu rất chậm so với các mạng truyền số liệugói khác Tốc độ thực sự phụ thuộc vào số khe thời gian được dùng cho dịch

Trong các ứng dụng thông thường việc phân tích, lưu trữ, vận hành dựa trên

dữ liệu thu thập được từ các đầu cuối mạng GPRS sẽ được thực hiện bởi một máytính, vì đây là thao tác phức tạp, và đòi hỏi nhiều tài nguyên Do đó việc thiết lậpmột liên kết giữa đầu cuối mang GPRS và máy tính là cần thiết Với lợi thế về hệthống cơ sở hạ tầng rộng khắp và khả năng truyền nhận dữ liệu tốc độ cao, đáng tincay, phương án tôi ưu là liên kết thông qua Internet

Mô hình kết nỗi được mô tả trong hình 2.9 Đầu cuối mang GPRS sẽ truyềnnhận dữ liệu với máy tính được kết nối Internet thông qua đường truyền sau: Đầucuối GPRS -> BTS -> Mạng xương sống GPRS -> GGSN -> ISP -> Router ->

Mạng nội bộ -> Máy tính.

GPRS GPRSRegister Register

‘aa \ ¬& Œ ~ : eee -ễeằê-.-ẽ-: Es

~7_ intra-operator VÌ \NH /, 'nhiàt spraio Intra-ope rafor osou Backbone Network \ ` x Gackbone Netwo sy Backbane Network SJ

— — i _——- 7 ¬ ee

a

Hình 2.9: Liên kết giữa đầu cudi mang GPRS và dau cuối mang InternetDữ liệu sẽ được trao đối giữa đầu cuối thuê bao GPRS và máy tính thông quacác gói IP, và dựa trên giao thức TCP, hoặc UDP Tùy theo kha năng hỗ trợ của đầucuối thuê bao GPRS có thể sử dụng các giao thức ở các lớp ứng dụng cao hơn

Với các mô hình đơn giản, nhu cầu về xử lý dữ liệu không cao, có thể lựa

chọn các phương án đơn giản hơn như:

e Sử dụng dịch vụ SMS: Phương án không cần thông qua GPRSe_ Truyền nhận dữ liệu giữa các đầu cuối GPRS: Phương án này hoản toàn có

thé thực hiện duoc, tuy nhiên tốc độ dữ liệu khá thấp, va làm tăng chi phí

dịch vụ.

Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị GSM/GPRS/GPS, với mẫu mã,chủng loại phong phú, của nhiều hãng nối tiếng như SIMCOM, WAVECOM Phục vụ cho các ứng dụng GSM/GPRS/GPS Tuy nhiên, giá cả của các thiết bị rấtkhác nhau, và không thống nhất Tùy theo nhu cầu ứng dụng mà chúng ta sẽ lựachọn thiết bị phù hợp về mặt kinh tế, và ứng dụng Việc giao tiếp với các thiết bị

trên được thực hiện thông qua tập lệnh AT Câu lệnh AT (Attension) được sử dụng

dé điều khién Modem hoặc điện thoại di động Mỗi dòng lệnh đều được bat đầu bởichữ “AT” hoặc “at” và kết thúc với ky tự <CR> nên được gọi là lệnh AT

Thiết bị được sử dụng chính trong khối GSM/GPRS ở module điều khiến sẽthực hiện là sản phẩm SIM548C Đây là module GSM/GPRS va GPS của hãngSIMCOM Module SIM548C có thé hoạt động với các tần số GSM 900 MHz, DCS1800MHz va PCS 1900MHz, va cũng hỗ trợ kỹ thuật định vị vị tri bằng vệ tinh

Y Độ tin cậy cao.

Hình 2.11 là sơ đồ mạch chỉ tiết khối GSM/GPRS của module điều khiển.

J3

CON2

2.5.3 Cac giai

Hình 2.11: Khối GSM/GPRSthuật cho khối GSM/GPRS

Cac thuật ngữ.

<C R> : Carriage return (0x0D).<LF> : Line Feed (0x0A).

oo 5] PWRKEY TEMP_BAT NETIERT- DI

ct SIMVOD il 7] SiM_PRESENCE NETLIGHT BUCZER ¥\Ị TTMIEST $I 00 BUZZER STATUS N LEn vee

SIM_RST STATUS x ó

lÌ SIMDATA Ậ

° = 2| SIM CLK DISP_CS EM R4 “

X—$-| OTR DISP_DATA F3j—X báo

BT exo DISP_DIC F3—X La R3TXO DISP_RST bg

lb Fe RTS pion Hex + Rg ° 309

3.3K ae] CTS DBG_RXD [ya59-7 Ri DBG_TXD [Jj—X

Br] SPKIP MIC1P Fa4—X #kX—j-| SPKIN MICIN Ƒ4§—X 5, LED veeX-Zr| SPKIP MICZP F4@—X = %X-äT| SPK2N MIC2N Fsữ—X lFr] GPS_MRST GPS_BOOTSEL tay R2 »Fr] GPS_THA GPS_TIMBMARK F72—X BUZZER 1 Q2

Fe] 6P$_RXA GPS_WAKEUP Fg ww Ny Cts

Fr] GPS_TKB GPS_WCC_RF Fee R?Fa] GPS_RXB GPS_VANT [ạp—X 47K 300+ GPS_VRTC 6P§_VtC FX Rô

SIMS4SE `"

0347K

3IMDD |_SIMRST_ v4

ae ; 4 '—rm=—! NETLIGHT `xi ; SIMDATA AAA 1 ts

SIMCARD “x

WA47K

MT : Mobile Terminal Thiết bi đầu cuỗi mang (trong trường hop này là

module SIM548C).

TE : Terminal Equipment Thiết bị đầu cudi (máy tính, hệ vi điều khiến)

2.5.3.1 Khoi tao cho ứng dụng GSM va GPRS

Đưa module SIM548C về chế độ nghỉ (sleep mode)

(3) Chuyên trạng thái chân DTR từ mức 0 sang mức 1

Module hoạt động ở chế độ sleep mode.Đưa module SIM548C chuyển từ chế độ nghỉ sang chế độ hoạt động bình

(2) AT+CFUN=1<CR>

Đưa module trở về chế độ hoạt động bình thường.(3) MT trả về chuỗi <CR><LF>OK<CR><LF>

(4) Module gởi tiếp chuỗi thông báo <CR><LF>Call Ready<CR><LF>

Thời gian kế từ lúc nhận lệnh AT+CFUN=1<CR> đến lúc module gởi về

thông báo trên khoảng 10 giây.

Khởi tạo cầu hình mặc định cho module SIM548C

Thiết lập quá trình truyền nhận tin nhắn được thực hiện ở chế độ text (mặc

trong SIM.(7) AT+CSAS<CR>

Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh AT+CMGF và AT+CNMI

tac nao khac.

Phuong pháp dùng lệnh AT được lựa chọn vi tinh don giản, dé điều khiến, vi

các thao tác với dữ liệu ở các lớp trên sẽ được SIM54&C thực hiện thay cho TE.(9) AT+CDNSORIP=0<CR>

Lựa chọn phương thức định địa chỉ cho GPRS server Có hai phương thức:

AT+CDNSORIP=0: Định địa chỉ trực tiếp bằng địa chỉ IP của GPRS server.AT+CDNSORIP=1: Định địa chỉ gián tiếp thông qua tên miền của GPRS server.Địa chỉ IP của GPRS server sẽ được truy vẫn thông qua hệ thống tên miền DNS

(Domain Name Server).

Để đơn giản, tăng tốc độ kết nối và giảm rủi ro, phương thức định địa chỉtrực tiếp băng địa chỉ IP được lựa chọn

(11) AT+CIPHEAD=1<CR>

P <CR><LF>OK<CR><LF>

(12) AT+CIPSPRT=-1<CR>P <CR><LF>OK<CR><LF>

`^

một cuộc gọi data call), và phương pháp chuyên mạch gói GPRS CSD có lợi thé về

vùng phủ sóng, nhưng giá cước đắt (giá cước được tính theo thời gian kết nối), tốnbăng thông vô tuyến (chiếm trọn kênh truyền vô tuyến) và module SIM548C khônghỗ trợ TCP stack cho phương thức kết nối trên, điều đó gây nhiều khó khăn cho quátrình truyền nhận dữ liệu Phương thức kết nỗi bang GPRS tuy gặp phải sự hạn chếvề vùng phủ sóng nhưng lại có được mọi ưu thế khác so với CSD Đó cũng là

nguyên nhân GPRS được lựa chọn trong phạm vi ứng dung của hệ thống

Phương thức kết nỗi GPRS và các tham số được thiết lập tương ứng với cáctham số của dịch vụ GPRS của nhà cung cấp dịch vụ mạng di động GSM MobiFone tại Việt Nam Cần thay đối các tham số phù hợp, tương ứng với mạng di động

được lựa chọn:

Mang GPRS cua Mobi Fone:AT+CIPCSGP=1,”m-wap”,’mms”,”mms’<CR>Mang GPRS cua Viettel Mobile:

AT+CIPCSGP=1,”v-internet”’,,<CR>(11) AT+CIPHEAD=1<CR>

Thêm phân header “+IPDx:” (x là số byte dữ liệu nhận được) vào phía trướcphần đữ liệu nhận được

2.5.3.2 Xóa tin nhắn trước khi module SIM548C hoạt đông

Các lệnh sau không được lưu vào bộ nhớ của SIM548C như một câu hìnhmặc định, và không được giữ nguyên các thiết lập khi SIM548C bị mat nguồn hoặcbị khởi động lại Do đó các lệnh này cần được thực thi mỗi khi SIM548C bị khởi

động lại.(1) AT+CMGD=1

Xóa tin nhăn ở vùng nhớ | trong SIM.Chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF>

(2) AT+CMGD=2<CR>

¥<CR><LF>OK<CR><LF>

(3) AT+CGREG=1<CR>

¥

<CR><LF>OK<CR><LF>*

Hình 2.15 : Khoi tao module SIMS48C

Tai sao ta lại phải xóa tin nhắn trước khi module hoạt động ? Có thé hìnhdung bộ nhớ lưu tin nhắn trong SIM bao gồm nhiều ngăn (loại Super SIM củaMobiphone có 50 ngăn), mỗi ngăn cho phép lưu nội dung của | tin nhăn (bao gồmtat cả các loại tin nhắn: tin nhắn từ tong dai, tin nhăn thông báo kết quả quá trìnhgởi tin nhắn trước đó, tin nhăn từ thuê bao khác, ) Mỗi ngăn được đại diện bằngmột số thứ tự Khi nhận được tin nhắn mới, nội dung tin nhăn sẽ được lưu trong mộtngăn trồng có số thứ tự nhỏ nhất có thể Việc xóa nội dung tin nhắn ở hai ngăn Ï và2 cho phép tin nhăn nhận được luôn được lưu vào trong hai ô nhớ này, giúp dé dang

xác định vị trí lưu tin nhăn vừa nhận được, và giúp cho việc thao tác với tin nhănmới nhận được trở nên dễ dàng và đơn giản hơn, giảm kha năng việc tin nhắn mớinhận được bị thất lạc ở một vùng nhớ nào đó mà ta không kiểm soát được.

Ngoài ra, khi bộ nhớ chứa tin nhắn đầy, MT sẽ không được phép nhận thêmtin nhắn mới nào nữa Những tin nhắn được gởi đến MT trong trường hợp bộ nhớchứa tin nhăn của MT đã bị day sẽ được lưu lại trên tổng đài, và sẽ được gởi đếnMT sau khi bộ nhớ chứa tin nhắn của MT có xuất hiện những ngăn trống dùng đểchứa tin nhắn Việc xóa nội dung tin nhắn trong các ngăn 1 và 2 sẽ giúp đảm bảokhả năng nhận thêm tin nhắn mới của MT Đồng thời giúp ta dễ dàng trong lập trìnhhoạt động của module điều khiển khi biết rõ vị trí của tin nhắn nhận được từ ngườiđiều khiến

(3) AT+CGREG=1<CR>

Lệnh này cho phép SIM548C gởi các thông báo trạng thái kết nối GPRS vềTE Khi vị trí của SIM548C thay đối từ vùng phủ sóng GPRS sang vùng chưa phủsóng GPRS, SIM548C sẽ gởi về chuỗi

<CR><LF>+CGREG: 0<CR><LF>

Trong trường hợp SIM548C ở ngoài vùng phủ sóng GPRS một thời gian

đủ lâu, kết nỗi GPRS sẽ bị ngất, và SIM548C gởi về chuỗi:

<CR><LF>+PDP: DEACT<CR><LF>Ngược lại, khi SIM548C trở về vùng phủ sóng GPRS, SIM548C sẽ gởi vềchuỗi:

<CR><LF>+CGREG: 1<CR><LF>Việc xác định trang thái kết nỗi GPRS tại vị trí hiện tại của SIM548C chophép chuyền đổi linh hoạt hơn phương thức truyền nhận dữ liệu (ví dụ như chuyểnsang truyền nhận bằng SMS) giúp bảo đảm kết nỗi được liên tục

Trong trường hop cân khảo sát vùng phủ sóng GPRS, có thé khởi tạo bằng

lệnh:

AT+CGREG=2<CR>

Ngoài thông tin về trạng thái sóng GPRS, khi lệnh trên được khởi tạo, khi

SIM548C chuyến từ cell này sang cell khác, hoặc từ vùng phủ sóng này sang vùngphủ sóng khác, chuỗi trả về sẽ có dạng:

<CR><LF>+CGREG:<stat>,<lac>,<ci><CR><LF>Ngoài thông tin về trang thái vùng phủ sóng GPRS, các thông tin khác nhưCell ID (<ci>) và vùng phủ sóng (<lac>) cũng được SIM548C gởi về, cho kết quảkhảo sát chi tiết hơn

dang nhu sau:

Day là định dạng mặc định cua Module SIM54SC lúc khởi động Dạng mở

rộng có thé được thiết lập bang cách sử dụng lệnh AT+CSDH=I trước khi thực hiệnđọc tin nhăn

(3) Sau khi đọc, tin nhăn được xóa đi bang lệnh AT+CMGD=1

Thao tác tương tự đối với tin nhắn chứa trong ngăn thứ 2 trong các bước 4,

5A (SB) và 6.

MT TE

AT+CMGR=1<CR>

(1)

<CR><LF>OK<CR><LF>(2A) ha-mm mm mmm nnn nnn nnn nn nnn nnn nnn nnn n nen e eee n nee e eee e eee n nd

<CR><LF>+CMGR: "RECUNREAD" "48492904 7589" "07/05/15,09:32:05428"