Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường trong tòa nhà (cháy, độ ẩm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM ANH VŨ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƢỜNG TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - PHẠM ANH VŨ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO MÔI TRƢỜNG TRONG TÒA NHÀ (CHÁY, ĐỘ ẨM) Chuyên ngành: Đo lƣờng hệ thống điều khiển LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Phạm Thị Ngọc Yến Hà Nội - Năm 2015 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC CẢM BIẾN ĐỘ ẨM, CẢM BIẾN CHÁY 1.1 Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor) 1.1.1 Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor) 1.1.2 Cảm biến độ ẩm điện trở (Resistive humidity sensor) 1.1.3 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt (Thermal Conductivity Humidity Sensor) 1.2 Cảm biến khói (Smoke sensor) 12 1.2.1 Cảm biến khói ion hoá (Ionization detector) 13 1.2.2 Cảm biến khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector) 14 1.2.3 Cảm biến khói quang dạng tia (Projected Beam Detector) 16 1.2.4 Cảm biến khói lắp đường ống (Duct smoke detector) 19 1.2.5 Đầu báo khói độ nhạy cao (Aspirating Smoke Detector Air Sampling Detector - ASD) 20 CHƢƠNG MỘT SỐ PHƢƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY .22 2.1 Tổng quan 22 2.2 Lựa chọn phương thức 22 2.2.1 Băng tần ISM 2.4 GHz 22 2.2.2 Tin nhắn ngắn SMS 24 2.2.3 Wi-Fi 25 2.2.4 ZigBee 27 2.2.5 Bluetooth 29 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC MODULE SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG .32 3.1 Module xử lý trung tâm 32 3.1.1 Giới thiệu chung chip ARM 32 3.1.2 Giới thiệu tổng quan Cortex-M3 33 3.1.3 Khối MPU STM32F103 34 3.2 Module Hiển thị phím bấm 37 3.2.1 Hình dáng kích thước 37 3.2.2 Chức chân 38 3.3 Module truyền tin GSM 38 38 3.3.2 Cấu trúc mạng GSM 39 3.3.3 Giới thiệu Module GSM SIM908 40 3.3.4 Tập lệnh AT 42 3.4 Module nguồn 42 3.5 Vi điều khiển PIC 45 3.5.1 Giới thiệu vi điều khiển PIC 45 3.5.2 Giới thiệu PIC 16F1823 47 3.6 Module cảm biến độ ẩm 49 3.7 Module cảm biến khói 50 3.8 Module truyền, nhận liệu không dây Wireless 50 CHƢƠNG CÁC BƢỚC XÂY DỰNG HỆ THỐNG 55 4.1 Xây dựng phần cứng hệ thống 55 4.2 Các bước xây dựng phần cứng hệ thống 56 4.3 Xây dựng phần mềm hệ thống 57 4.3.1 Phần mềm vẽ mạch hệ thống Protel 99 se 57 4.3.2.Phần mềm nạp vào điều khiển hệ thống 58 CHƢƠNG TÍCH HỢ 61 5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 61 5.2 Mô hình truyền liệu hệ thống 62 5.3 Sơ đồ nguyên lý 63 5.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống trung tâm 63 5.3.2 Sơ đồ nguyên lý module cảm biến wireless 67 5.4 Thuậ 72 ối xử lý trung tâm 72 ối Cảm biến độ ẩm, khói, module Wireless 73 5.5 Phần cứng hệ thống 74 5.6 Phần mềm hệ thống 76 5.7 Cài đặt hệ thống cảnh báo tòa nhà 79 5.7.1 Lắp đặt module đo độ ẩm 81 5.7.2 Lắp đặt module báo khói 84 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 86 6.1 Các kết đạt 86 6.2 Các kết chưa đạt 86 6.3 Khó khăn gặp phải trình làm luận văn 87 6.4 Định hướng phát triển tương lai 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO i PHỤ LỤC iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những nội dung luận văn công trình nghiên cứu hướng dẫn trực tiếp GS TS Phạm Thị Ngọc Yến Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Tác giả luận văn (Ký ghi rõ họ tên) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết đầy đủ Chữ viết tắt AC Alternating Current- Dòng xoay chiều ADC Analog-to-Digital Converter-Bộ biến đổi tương tự - số ARM Advanced RISC Machine- Cấu trúc ARM ASD Aspirating Smoke Detector-Cảm biến khói độ nhạy cao kiểu nephelomet CCK Complementary Code Keying-Điều chế mã bù CPS Capacitive Sensing – cổng vào cảm biến điện dung PIC DAC Digital-to-Analog Converter- Bộ biến đổi số- tương tự DC Direct current- Dòng điện chiều DMA Direct Memory Access-Truy cập nhớ trực tiếp GPRS General Packet Radio Service-Dịch vụ chuyển mạch gói FCC GSM Federal Communications Commission-Ủy ban Truyền thông Liên bang Global System for Mobile Communications-Thông tin di động GSM I2S Integrated Interchip Sound- Chuẩn giao tiếp âm I2S I2C Inter-Integrated Circuit- Giao diện I2C IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers-Tổ chức kỹ sư điện tử điện ISM Industrial Scientific Medical – Băng tần ISM IrDA Infrared Data Access- Truy cập hồng ngoại KXLTT Khối Xử Lý Trung Tâm LAN Local Area Network- Mạng LAN LCD Liquid Crystal Display- Màn hiển thị tinh thể lỏng LED Light Emitting Diode-Điod phát quang LOS Line of Sight-Tầm nhìn thẳng MCU Micro Controller Unit – Vi điều khiển M2M Machine-to-Machine-Giao diện máy-máy NLOS None Line of Sight- Ngoài tầm nhìn thẳng OFDM Orthogonal Frequency-Division Multiplexing- Điều chế OFDM nRF nRF24L01 PC Personal Computer- Máy tính cá nhân PCB Printed Circuit Board- Mạch in PDA Personal Digital Assistant- Máy tính cầm tay PDA PIC Programmable Intelligent Computer- Vi điều khiển PIC PWM RF Pulse Width Modulation- Điều chế độ rộng xung Radio Frequency- Tần số vô tuyến điện SDIO Secure Digital Input Output-Vào có bảo mật SIM Subscriber identity module- Thẻ SIM SPI Serial Peripheral Interface- Giao diện truyền thông nối tiếp UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter- Bộ thu phát dị Wi-Fi Wireless Fidelity - Mạng không dây DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Bảng hiển thị thông số quan trọng cảm biến độ ẩm .5 Bảng 1.2 Độ nhạy tiêu chuẩn cảm biến khói .13 Bảng 2.1 Các dải tần số phổ biến ISM 23 Bảng 3.1 Chức chân LCD 38 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật chung PIC16F1823 47 Bảng 3.3 Chức chân module nRF24L01+ 53 Bảng 4.1 Danh sách linh kiện phần cứng 56 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hình ảnh cảm biến độ ẩm Hình 1.2 Cấu trúc cảm biến điện dung Hình 1.3 Cảm biến điện trở Hình 1.4 Cấu trúc cảm biến điện trở Hình 1.5 Tương quan cảm biến điện trở với độ ẩm 25°C Hình 1.6 Tương quan cảm biến điện trở độ ẩm Hình 1.7 Cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt Hình 1.8 Sơ đồ mạch cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt 10 Hình 1.9 Mối tương quan độ ẩm đầu cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt 11 Hình 1.10 Hình ảnh cảm biến khói 12 Hình 1.11 Cấu tạo đầu báo khói ion 14 Hình 1.12 Cấu tạo đầu báo khói quang 14 Hình 1.13 Đầu báo beam dạng thu - phát 16 Hình 1.14 Đầu báo beam dạng phản xạ 17 Hình 1.15 Đầu báo tia báo động khói che khuất phần tia hồng ngoại 17 Hình 1.16 Đám cháy phát đầu báo beam 18 Hình 1.17 Hoạt động đầu báo beam phản xạ 19 Hình 1.18 Đầu báo Duct 19 Hình 1.19 Hệ thống ASD 20 Hình 3.1 Mô hình giao tiếp vi điều khiển ARM STM32 32 Hình 3.2 Các thành phần vi xử lý Cortex-M3 33 Hình 3.3 Hình ảnh chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 34 Hình 3.4 Sơ đồ khối chip vi điều khiển ARM STM32F103VET6 35 Hình 3.5 Sơ đồ chân LCD 37 Hình 3.6 Mô hình hệ thống GSM 39 Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường tòa nhà (cháy, độ ẩm) { char mess[50]; lcd_GotoXY(1,0); //simcom_cmd("AT+CMGF=1\r"); //set to send the SMS in text mode de phan init cung duoc //delay_ms(500); sprintf(mess,"AT+CMGS = \"%s\"\r",number); simcom_cmd(mess);//send sms message, be careful need to add a country code before the cellphone number delay_ms(500); simcom_cmd(s);//the content of the message delay_ms(500); simcom_cmd("\x1A");//the ASCII code of the ctrl+z is 26 delay_ms(500); } uint16_t simcom_cmd(char* cmd) { char c; uint16_t nochar; nochar=0; c=*cmd; { USART_SendData(USART2, (uint8_t)c); /* Loop until the end of transmission */ while (USART_GetFlagStatus(USART2, USART_FLAG_TC) == RESET) {} c=*(++cmd); ++nochar; }while(c!=0) ; // end string return nochar; Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07 xxv Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường tòa nhà (cháy, độ ẩm) } void SignalReport(void) { lcd_GotoXY(1,0); simcom_cmd("at+csq\r");//send sms message, be careful need to add a country code before the cellphone number delay_ms(500); } Phần mềm điều khiển PIC /* Main.c *author Pham Anh Vu * Processor: PIC16F1823 */ #include "pic.h" #include #include "string.h" #include /* For uint8_t definition */ CONFIG(FOSC_HS & PWRTE_OFF & BOREN_OFF & LVP_OFF & WDTE_OFF & MCLRE_OFF); #define PICCPRO #define _XTAL_FREQ 8000000 #define bitset(var,bitno) ((var) |= P1 SPI_RW_Reg(RF_WRITE_REG + EN_RXADDR, 0x01); //Enable data P0 SPI_RW_Reg(RF_WRITE_REG + RF_CH, 0); // Chanel RF = 2400 + RF_CH* (1or M) SPI_RW_Reg(RF_WRITE_REG + RX_PW_P0, RX_PLOAD_WIDTH); // Do rong data truyen 32 byte SPI_RW_Reg(RF_WRITE_REG + RF_SETUP, 0x07); SPI_RW_Reg(RF_WRITE_REG + CONFIG, 0x0e); // 1M, 0dbm // Enable CRC, byte CRC, Send } Học viên thực hiện: Phạm Anh Vũ- CB121016 – 2012BDLDK-KT07 xxxiii Đề tài: Xây dựng hệ thống cảnh báo môi trường tòa nhà (cháy, độ ẩm) /**************************************************************** ************************************/ //unsigned char SPI_RW(unsigned char Buff) //NRF24L01 /**************************************************************** ************************************/ unsigned char SPI_RW(unsigned char Buff) { unsigned char bit_ctr; unsigned char bit_miso; for(bit_ctr=0;bit_ctr