hệ thống chống trộm dùng sóng RF

Đặc biệt người thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Minh vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho người thực hiện đồ án để có thể

TRƯỜNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Trang ii

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, và nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho người thực hiện đồ án trong thời gian vừa qua

Đặc biệt người thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Minh vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho người thực hiện đồ án để có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài khôngthể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót…Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từnơi quý thầy cô và các bạn sinh viên

LỜI NÓI ĐẦU

Xuất phát từ nhu cầu thực tế qua những ứng dụng tiện ích và tác dụng của

sóng RF mang lại, nhóm em đã quyết định chọn đề tài “hệ thống chống trộm dùng sóng RF” Đề tài tập trung nghiên cứu và thiết kế mạch có các chức năng phát hiện

người đột nhập từ đó bật báo động, đồng thời hiển thị vị trí trộm đột nhập lên LCD 16x2, …

MỤC LỤC

TrangTrang bìa

Trang iv

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

MỤC LỤC iii

LIỆT KÊ BẢNG iv

LIỆT KÊ HÌNH v

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Mục tiêu đề tài 1

1.2 Nhiệm vụ đề tài 1

1.3 Giới thiệu tổng quan nội dung các chương 1

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 Sóng RF 3

2.2 Module RF nRF24L01 7

2.3 Khảo sát vi điều khiển stm 32f103c8t6 10

2.4 Module cảm biến chuyển động pir HC-SR 501 2.5 LCD 16x2 14

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 17

3.1 Sơ đồ khối 17

3.2 Chức năng các khối 17

3.3 Thiết kế các khối 18

3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 19

3.5 Sơ đồ mạch in 21

3.6 Linh kiện sử dụng trong mạch 23

3.7 Phân tích chương trình cho vi điều khiển 23

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25

4.1 Kết quả thi công 25

4.3 Hạn chế và hướng phát triển 28 PHỤ LỤC 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

Chương 1

GIỚI THIỆU

1.1 Mục tiêu đề tài

Đứng trước những thách thức lớn trong việc tiết kiệm năng lượng điện, vấn đề mang ý nghĩa quốc gia, đồng thời nâng cao sự tiện lợi trong lĩnh vực điềukhiển - một trong những nhân tố quyết định sự phát triển của đất nước, người thực hiện đề tài “Điều khiển và giám sát thiết bị điện từ xa dùng sóng RF” với mục đích thực hành một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghiệp điều khiển thiết bị Để thực hiện được điều đó, người thực hiện đã đưa ra một số mục tiêu :

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của module RF

- Ứng dụng thực tế chip vi điều khiển stm32f103c8t6 và phần mềm Keil C for arm

- Xây dựng thuật toán đọc cảm biến, truyền dữ liệu 2 chiều qua module rf, hiển thị lên lcd và phát ra còi báo động

- Tính toán, thiết kế và thi công mạch

1.2 Nhiệm vụ đề tài

Thiết kế và thi công mạch thực hiện các chức năng:

- Phát hiện được chuyển động và tạo ra tín hiệu cảnh báo

- Vi điều khiển ở khối phát nhận được tín hiệu cảnh báo gửi thông tin cho khốinhận qua module RF

- Màn hình LCD trên board khối nhận hiển thị bị trí cảnh báo

tuyến Sóng RF (tần số vô tuyến) là sóng điện từ có dải tần số nằm trong khoảng

ELF Chứa tần số điện mạng xoay

chiều, các tín hiệu đo lường từ

km-Tần số trung bình

MF Dùng cho phát thanh thương

mại sóng trung (535 –

1605 kHz) Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không

3 - 30 MHz 100m-10m Tần số cao HF Dùng trong thông tin vô tuyến

2 chiều với mục đích thông tin

ở cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá

Trang 4

30 - 300 MHz 10m-1m Tần số rất cao VHF Dùng cho vô tuyến di động,

thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thương mại

(kênh 2 đến 12 tần số từ 54 -

216 MHz)

300 MHz -

3 GHz

1m-10 cm Tần số cực cao UHF Dùng cho các kênh truyền hình

thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ thông tin

di động mặt đất, di động tế bào,một số hệ thống radar và dẫn đường, hệ thống vi ba và vệ tinh

3 – 30 GHz 10 cm-1 c

m Tần số siêu cao SHF Dùng cho các kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến

kênh 83, các dịch vụ thông tin

di động mặt đất, di động tế bào,một số hệ thống radar và dẫn đường, hệ thống vi ba và vệ tinh

Hình 2.1 Cách tạo và xác định tần số sóng RF

Dùng mạch cộng hưởng LC tạo sóng mang có tần số lớn, sau đó tạo ra các

mã lệnh điều khiển, gắn các mã lệnh điều khiển này vào sóng mang bằng các

phương pháp điều chế rồi phát chúng vào không gian

2.1.3 Sơ lược về một vài module NRF24L01

Module sử dụng chip truyền sóng NRF24L01+ mới nhất từ hãng Nordic vớinhiều cải tiến so với chipNRF24L01 cũ về tốc độ truyền, khoảng cách, độ nhạy, bổsung thêm pipelines, buffers, và tính năng auto-retransmit nhưng vẫn tương thíchngược với phiên bản cũ về cách sử dụng NRF24L01+ hoạt động trên dải tần2.4GHz và sử dụng giao tiếp SPI, khoảng cách tối đa trong điều khiện không vậtcản lên đến 50m

o Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu

o Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)

- Nguồn cấp:

o Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệutrên nhiều kênh khác nhau.

o Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng

o Chú ý: Điện áp cung cấp cho là 1.9à3.6V Điện áp thường cung cấp là 3.3V Nhưng các chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều này giúp nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển

2 Sơ đồ phần cứng:

Sơ đồ kết nối vi điều khiển:

Khung truyền của nRF24L01 từ 3-5 bytes dùng làm địa chỉ Bạn có thể cấu hình,

nhưng địa chỉ truyền như thế nào thì địa chỉ nhận của chip tương ứng phải giống như thế để có thể thu được tín hiệu Trong chương trình mình dùng 5 byte cho địa chỉ truyền nhận

unsigned char const TX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]=

Trang10

c - Kênh truyền nhận và địa chỉ nhận

- nRF24L01 có 126 kênh truyền Ban có thể lựa chọn kênh truyền nào bạn muốn bằng hàm

HTML:

SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH, 0); // kênh 0, tầBn sốD RF = 2400 + RF_CH* (1or 2 M)

- Trong 1 kênh truyền, nRF24L01 có thể nhận được 6 luồng dữ liệu Do đó bạn phảilựa chọn 1 trong 6 luồng đó

f Cách gửi dữ liệu:

Sau khi cấu hình các trạng thái hoạt động của nRF24L01 thông qua hàm:

void init_NRF24L01(void)

Để gửi dữ liệu đi bạn làm theo các bước sau

- Cho dữ liệu vào buffer, biến TxBuf[32]

- Chọn nRF24L01 ở chế độ phát, gọi hàm void SetTX_Mode(void);

- Gọi hàm void nRF24L01_TxPacket(unsigned char * tx_buf); để truyền dữ liệu trong TxBuf[32] đi

g Cách nhận dữ liệu

Trang12

- Chọn nRF24L01 ở chế độ thu, gọi hàm void SetRX_Mode(void);

- Độ dữ liệu trong bộ đệm sau khi gọi hàm unsigned char

nRF24L01_RxPacket(unsigned char* rx_buf);

2.2 Khảo sát vi điều khiển dòng vi đi u khi n STM32 ều khiển STM32 ển STM32

Những đặc điểm nổi trội của dòng ARM Cortex đã thu hútcác nhà sản xuất IC, hơn 240 dòng vi điều khiển dựa vào nhânCortex đã được giới thiệu Không nằm ngoài xu hướng đó, hãngsản xuất chip ST Microelectronic đã nhanh chóng đưa ra dòngSTM32 STM32 là vi điều khiển dựa trên nền tảng lõi ARM Cortex-M3 thế hệ mới do hãng ARM thiết kế Lõi ARM Cortex-M3 là sự cảitiến từ lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công vang dộicho công ty ARM

Một vài đặc điểm nổi bật của STM32

ST đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 vàARM9, nhưng STM32 là một bước tiến quan trọng trên đường congchi phí và hiệu suất (price/performance), giá chỉ gần 1 Euro với sốlượng lớn, STM32 là sự thách thức thật sự với các vi điều khiển 8

và 16-bit truyền thống STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khácnhau, được phân thành hai dòng: dòng Performance có tần sốhoạt động của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access có tần số hoạtđộng lên tới 36Mhz Các biến thể STM32 trong hai nhóm nàytương thích hoàn toàn về cách bố trí chân (pin) và phần mềm,đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 512K và64K SRAM

Hình 1 Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access

Nhánh Performance hoạt động với xung nhịp lên đến 72Mhz và cóđầy đủ các ngoại vi, nhánh Access hoạt động với xung nhịp tối đa36Mhz và có ít ngoại vi hơn so với nhánh Performance

a Sự tinh vi

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32 cũng giống như những viđiều khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI,CAN, USB và RTC Tuy nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiềuđặc điểm thú vị Ví dụ như bộ ADC 12-bit có tích hợp một cảmbiến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợnhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4 khối capturecompare (dùng để bắt sự kiện với tính năng input capture và tạodạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi khối định thời có thểliên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các địnhthời tinh vi hơn Một bộ định thời cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiểnđộng cơ, với 6 đầu ra PWM với dead time (khoảng thời gian đượcchèn vào giữa hai đầu tín hiệu xuất PWM bù nhau trong điều khiểnmạch cầu H) lập trình được và một đường break input (khi pháthiện điều kiện dừng khẩn cấp) sẽ buộc tín hiệu PWM sang mộttrạng thái an toàn đã được cài sẵn Ngoại vi nối tiếp SPI có mộtkhối kiểm tổng (CRC) bằng phần cứng cho 8 và 16 word hỗ trợtích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC

STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct MemoryAccess) Mỗi kênh có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các

Trang14

thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với kích thước

từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit Mỗi ngoại vi

có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng đểgửi hoặc đòi hỏi dữ liệu như yêu cầu Một bộ phân xử bus nội (busarbiter) và ma trận bus (bus matrix) tối thiểu hoá sự tranh chấpbus giữa truy cập dữ liệu thông qua CPU (CPU data access) và cáckênh DMA Điều đó cho phép các đơn vị DMA hoạt động linh hoạt,

dễ dùng và tự động điều khiển các luồng dữ liệu bên trong vi điềukhiển

STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệusuất cao Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz

và dòng tiêu thụ chỉ có 36mA với tất cả các khối bên trong vi điềukhiển đều được hoạt động Kết hợp với các chế độ tiết kiệm nănglượng của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2μA khi ở chế độ Standby.A khi ở chế độ Standby.Một bộ dao động nội RC 8MHz cho phép chip nhanh chóng thoátkhỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ dao động ngoàiđang khởi động Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độtiết kiệm năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổngthể

b Sự an toàn

Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong môitrường khắc khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sứcmạnh xử lý và càng nhiều thiết bị ngoại vi tinh vi Để đáp ứng cácyêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tính năng phầncứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất Chúng bao gồm một

bộ phát hiện điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung Clock và hai

bộ Watchdogs Bộ đầu tiên là một Watchdog cửa sổ (windowedwatchdog) Watchdog này phải được làm tươi trong một khungthời gian xác định Nếu nhấn nó quá sớm, hoặc quá muộn, thìWatchdog sẽ kích hoạt Bộ thứ hai là một Watchdog độc lập(independent watchdog), có bộ dao động bên ngoài tách biệt vớixung nhịp hệ thống chính Hệ thống bảo vệ xung nhịp có thể pháthiện lỗi của bộ dao động chính bên ngoài (thường là thạch anh) và

tự động chuyển sang dùng bộ dao động nội RC 8MHz

c Tính bảo mật

Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại lànhu cầu bảo mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái

phép phần mềm Bộ nhớ Flash của STM32 có thể được khóa đểchống truy cập đọc Flash thông qua cổng Debug Khi tính năngbảo vệ đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chốngghi để ngăn chặn mã không tin cậy được chèn vào bảng vectorngắt Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong phần còn lạicủa bộ nhớ Flash STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực vàmột khu vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin Khuvực này có một đầu vào chống giả mạo (anti-tamper input), cóthể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầuvào này Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữliệu được lưu trữ trên SRAM được nuôi bằng nguồn pin.

d Phát triển phần mềm

Nếu bạn đã sử dụng một vi điều khiển dựa trên lõi ARM, thì cáccông cụ phát triển cho ARM hiện có đã được hỗ trợ tập lệnhThumb-2 và dòng Cortex Ngoài ra ST cũng cung cấp một thư việnđiều khiển thiết bị ngoại vi, một bộ thư viện phát triển USB như làmột thư viện ANSI C và mã nguồn đó là tương thích với các thưviện trước đó được công bố cho vi điều khiển STR7 và STR9 Córất nhiều RTOS mã nguồn mở và thương mại và middleware (TCP/

IP, hệ thống tập tin, v.v.) hỗ trợ cho họ Cortex Dòng Cortex-M3cũng đi kèm với một hệ thống gỡ lỗi hoàn toàn mới gọi làCoreSight Truy cập vào hệ thống CoreSight thông qua cổng truycập Debug (Debug Access Port), cổng này hỗ trợ kết nối chuẩnJTAG hoặc giao diện 2 dây (serial wire-2 Pin), cũng như cung cấptrình điều khiển chạy gỡ lỗi, hệ thống CoreSight trên STM32 cungcấp hệ thống điểm truy cập(data watchpoint) và một công cụ theodõi (instrumentation trace) Công cụ này có thể gửi thông tin vềứng dụng được lựa chọn đến công cụ gỡ lỗi Điều này có thể cungcấp thêm các thông tin gỡ lỗi và cũng có thể được sử dụng trongquá trình thử nghiệm phần mềm

e Dòng Performance và Access của STM32

Họ STM32 có hai nhánh đầu tiên riêng biệt: dòng Performance vàdòng Access Dòng Performance tập hợp đầy đủ các thiết bị ngoại

vi và chạy với xung nhịp tối đa 72MHz Dòng Access có các thiết bịngoại vi ít hơn và chạy tối đa 36MHz Quan trọng hơn là cách bốtrí chân (pins layout) và các kiểu đóng gói chip (package type) lànhư nhau giữa dòng Access và dòng Performance Điều này chophép các phiên bản khác nhau của STM32 được hoán vị mà không

Trang16

cần phải sửa đổi sắp sếp lại footprint (mô hình chân của chiptrong công cụ layout bo mạch) trên PCB (Printed Circuit Board)

Ngoài hai dòng Performance và Access đầu tiên, hiện nay ST đãđưa ra thị trường thêm hai dòng USB Access và Connectivity nhưhình bên dưới

Hình 2 Đặc điểm của bốn nhánh trong họ STM32

2.3 Tìm hi u module c m bi n PIR ển STM32 ảm biến PIR ến PIR

A.2.3.1.A.1.1 Hình 5

A.2.3.1.A.1.2 Hình 6

Phía trên (Hình 5 và Hình 6) là hình ảnh của 1 module cảm biến PIR

Module cảm biến PIR này là một mạch điện được tích hợp bao gồm cảm biến PIR các mạch chức năng như mạch khuếch đại, mạch so sánh và mạch đình thời tất cả các khối được thiết kế thành một mạch hoàn chỉnh Mạch có 3 chân

để kết nối gồm một chân nối nguồn, một chân nối mass và một chân output tín hiệu ngõ ra

2.4 C u t o chung và m ch nguyên lý c a module c m bi n PIR ấu tạo chung và mạch nguyên lý của module cảm biến PIR ạo chung và mạch nguyên lý của module cảm biến PIR ạo chung và mạch nguyên lý của module cảm biến PIR ủa module cảm biến PIR ảm biến PIR ến PIR

Trang18

A.2.4.1.A.1.1 Hình 7

Cấu tạo của module cảm biến PIR gồm các khối: cảm biến PIR, khối

khuếch đại tín hiệu, khối so sánh, khối định thời delay và tín hiệu được đưa ra công tắt tự động để điều khiển các thiết bị khác Được mô tả hình dưới đây: Hình 8