Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino

Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình chúng em, đặc biệc cha mẹ chúng em tạo điều kiện cho chúng em ăn học ngày hôm Chính họ nguồn động viên lớn ủng hộ chúng em, giúp đỡ chúng em suốt trình học tập nhƣ việc thực đồ án Chúng em xin chân thành cám ơn cô hƣớng dẫn PGS TS TRẦN THU HÀ trƣờng Đại học Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh tận tình dạy, hƣớng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu suốt trình thực đồ án Chúng em xin chân thành cám ơn thầy cô khoa Điện - Điện Tử nói riêng thầy trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh tạo cho chúng em môi trƣờng học tập thật tuyệt vời tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án Xin cám ơn tất bạn sinh viên anh chị đóng góp ý kiến giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án Ngƣời thực đồ án LÊ VĂN QUANG HÀ MINH TUẤN ANH i GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino TÓM TẮT Trong năm qua, khoa học máy tính xử lý thơng tin có bƣớc tiến vƣợt bậc ngày có đóng góp to lớn vào cách mạng khoa học kỹ thuật đại Đặc biệt đời phát triển nhanh chóng kỹ thuật số làm cho ngành điện tử trở nên phong phú đa dạng Nó góp phần lớn việc đƣa kỹ thuật đại thâm nhập rộng rãi vào lĩnh vực hoạt động sản xuất, kinh tế đời sống xã hội Từ hệ thống máy tính lớn đến hệ thống máy tính cá nhân, từ việc điều khiển máy công nghiệp đến thiết bị phục vụ đời sống ngày ngƣời Hiện nay, hệ thống tƣới tiêu nơng nghiệp thủ cơng sử dụng sức ngƣời chính, hệ thống nhƣ thƣờng không hiệu làm tốn sức lao động, xem xét ứng dụng thực tế nhƣ máy bơm nƣớc hộ gia đình Xét trƣờng hợp máy bơm bơm mà khơng có nƣớc , máy bơm chạy thời gian dài trƣờng hợp không tải nhƣ thƣờng dẫn tới hƣ hỏng Với đời công nghệ SIM900A việc điều khiển thiết bị qua SMS dần đƣợc phổ biến ƣu điểm vƣợt trội đặc biệt hệ thống tƣới tiêu tự động cho ngƣời nơng dân Đồ án trình bày kết nghiên cứu công nghệ SIM 900A gửi tin nhắn thông báo lỗi ứng dụng vào việc thông báo tình trạng hoạt động máy bơm đƣợc điều khiển board Arduino Từ khóa: SIM 900A, Board Arduino Mega 2560 ii GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC HÌNH v DANH SÁCH CÁC BẢNG vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MODULE SIM900A VÀ ARDUINO 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1.Giới thiệu chung .1 1.1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc 1.2.Mục tiêu đối tƣợng nghiên cứu đề tài 1.2.1.Mục tiêu 1.2.2.Đối tƣợng nghiên cứu 1.3.Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.3.1.Nhiệm vụ 1.3.2.Giới hạn 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu 1.5.Nội dung luận văn .4 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Tổng quan công nghệ GMS 2.1.1.Giới thiệu công nghệ GSM 2.1.2.Đặc điểm công nghệ GSM .6 2.1.3.Dịch vụ tin nhắn SMS 2.2 Giới thiệu chuẩn truyền thông UART 2.3.Giới thiệu Sim 900A 12 iii GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino 2.3.1.Khối nguồn 18 2.3.2.Khối giao tiếp thẻ Sim 19 2.3.3 Khối giao tiếp RF 20 2.3.4 Các chế độ hoạt động module sim 900A 21 2.3.5 Tập lệnh AT module sim 900A 22 2.4 Board Arduino Mega2560 .32 Chƣơng THIẾT KẾ VÈ THI CƠNG MƠ HÌNH BƠM NƢỚC .38 3.1 Thiết kế phần cứng: 38 3.1.1 Khối nguồn: 38 3.1.2 Khối xử lý: 39 3.1.3 Khối sim 900A: 40 3.1.4 Khối cảm biến: 41 3.2 Giới thiệu linh kiện sử dụng thiết kế trạm bơm : 42 3.2.1 Cảm biến siêu âm HC – SR 04: 42 3.2.2 Cảm biến lƣu lƣợng nƣớc: 43 3.2.3 Rơ le trung gian : 44 3.2.4 Động AC pha: 45 3.3 Thiết kế mạch sơ đồ kết nối: 46 3.3.1 Sơ đồ mạch in : 46 3.3.2 sơ đồ nguyên lý hệ thống: 47 3.3.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống : 47 3.4 Mơ hình trạm bơm sau thiết kế: 48 3.5 Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình: .49 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 52 4.1 Những mục tiêu đạt đƣợc 52 4.2 Nhận xét 52 4.3 Những hạn chế đề tài 52 4.4 Hƣớng phát triển đề tài 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .53 iv GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Cấu trúc tin nhắn SMS Hình 2 Định dạng ký tự truyền theo chuẩn RS-232 11 Hình Hình ảnh SIM 900A .12 Hình Sơ đồ khối Module Sim900A 14 Hình Sơ đồ chân Sim900A .15 Hình Sử dụng tụ bybass cung cấp cho nguồn .18 Hình Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho Module sim900A .19 Hình Giao tiếp Simcard chân chip Sim 900 19 Hình Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp âm .21 Hình 2.10 Khởi tạo cấu hình mặc định cho module SIM .28 Hình 11 Đọc tin nhắn từ hai vùng nhớ SIM 30 Hình 12 Gửi tin nhắn 31 Hình 2.13 Giao diện IDE Arduino 35 Hình 2.14 Board Arduino Mega 2560 (mặt trƣớc sau) 35 Hình 2.15 Board Arduino Mega 2560 36 Hình 2.16 Sơ đồ chân ATMEGA 2560 36 Hình Sơ đồ khối hệ thống .38 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 39 Hình 3 Sơ đồ nguyên lý nguồn sim900 39 Hình Sơ đồ chân board arduino mega 2560 40 Hình Sơ đồ chân sim 900A 41 Hình Cảm biến siêu âm HC- SR 04 .42 Hình Cảm biến lƣu lƣợng nƣớc 43 Hình Cấu tạo role trung gian 44 Hình role trung gian .45 Hình 10 Động AC pha 46 Hình 3.11 Sơ đồ mạch in 46 Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 47 Hình 3.13 Mơ hình trạm bơm nƣớc 48 Hình 14 Lƣu đồ chƣơng trình arduino .51 v GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Sơ đồ chân cổng COM 10 Bảng 2: Tên chức chân Module sim900A 15 Bảng 3: Chế độ lệnh AT 23 Bảng 4: Lệnh ATZ .23 Bảng 5: Lệnh AT+CMGR 24 Bảng 6: Lệnh AT+CMGS 24 Bảng 7: Lệnh AT+CMSS 24 Bảng 8: Lệnh AT+CMGD 25 Bảng 9: Lệnh ATE .25 Bảng 2.10: Lệnh AT+CLIP 25 Bảng 2.11: Lệnh AT&W .26 Bảng 2.12 Lệnh AT+CMGF .26 Bảng 2.13: Lệnh AT+CNMI 26 Bảng 2.14: Lệnh AT+CSAS 27 vi GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino CÁC TỪ VIẾT TẮT DCD Data Carry Detect / Phát mang liệu DTR RXD TXD RTS CTS RI DSR ADC CS CSD CTS DTE DTX EFR EGSM ETS FR GPRS GSM HR I/O IC Imax Kbps LED Li-Ion MO MT PAP PDU PPP RF RTC RX SIM SMS Data Terminal Ready / Sẵn sàng nhận liệu Receive Data / Truyền liệu Transmit Data /Nhận liệu Request To Send / Yêu cầu để gửi Clear To Send / Xóa để gửi Ring Indicator / Báo hiệu chng Date Set Ready / Dữ liệu sẵn sàng Analog-to-Digital Converter / Chuyển tín hiệu analog sang digital Coding Scheme Circuit Switched Data Clear to Send Data Terminal Equipment(typically computer, terminal, printer) Discontinuous Transmission Enhanced Full Rate Enhanced GSM European Telecommunication Standard Full Rate General Packet Radio Service Global Standard for Mobile Communications Half Rate Input/Output Integrated Circuit Maximum Load Current Kilo bits per second Light Emitting Diode Lithium-Ion Mobile Originated Mobile Terminated Password Authentication Protocol Protocol Data Unit Point-to-point protocol Radio Frequency Real Time Clock Receive Direction Subscriber Identification Module Short Message Service vii GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino TDMA TE TX UART Vmax Vnorm Vmin VIHmax VIHmin VILmax VILmin Vimax Vimin VOHmax VOHmin Time Division Multiple Access Terminal Equipment, also referred to as DTE Transmit Direction Universal Asynchronous Receiver & Transmitter Maximum Voltage Value/giá trị điện áp cao Normal Voltage Value/giá trị điện áp ngẫu nhiên Minimum Voltage Value/ giá trị điện áp thấp Maximum Input High Level Voltage Value Minimum Input High Level Voltage Value Maximum Input Low Level Voltage Value Minimum Input Low Level Voltage Value Absolute Maximum Input Voltage Value Absolute Minimum Input Voltage Value Maximum Output High Level Voltage Value Minimum Output High Level Voltage Value viii GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino Chƣơng TỔNG QUAN VỀ MODULE SIM900A VÀ ARDUINO 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, nhu cầu thông tin liên lạc ngƣời ngày cao Đặc biệt mạng viễn thông năm gần phát triển với tốc độ chóng mặt nhƣ viettel, mobiphone, vinaphone…một vấn đề đƣa sử dụng sim để điều khiển thiết bị kết nối bên ngồi qua SMS đƣợc khơng Đây điều mà khoa học kỹ thuật ngày hoàn tồn giải đƣợc Chúng ta thƣờng thấy động bơm nƣớc thƣờng dùng học để điều khiển đóng cắt động nhƣ phao, nhiên đóng cắt phao thƣờng hay làm cháy động cơ, vấn đề đặt thay đóng cắt thủ cơng phƣơng pháp tự động sử dụng cảm biến điều khiển đóng cắt động bơm nƣớc SMS, dù đâu cần tin nhắn điều khiển hoạt động động cơ, điều tiện ích việc tƣới tiêu bơm thuốc trừ sâu cho ngƣời nông dân với diện tích canh tác rộng cần nhiều nhân công Để thực ý tƣởng này, chúng em sử dụng SIM900A xử lý để xử lý thông tin gửi lệnh điều khiển Bộ xử lý đƣợc sử dụng Board Arduino, hệ thống thành cơng nhƣng hạn chế hiển thị đƣợc nhà mạng, chƣa tích hợp đƣợc real time Hiện thị trƣờng công nghệ Arduino phát triển mạnh mẽ với board đƣợc thiết kế sẵn, nạp chƣơng trình trực tiếp board, tất nhiên có board cho kết nối với sim900A thuận tiện cho việc truyền nhận nhƣ điều khiển thiết bị Hiện giới nói chung, việt nam nói riêng để điều khiển giao tiếp với nhiều thiết bị ngoại vi, board mạch Arduino chọn lựa thích hợp Arduino thật bo mạch vi xử lý đƣợc dùng để lập trình tƣơng tác với thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trƣờng phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với ngƣời GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tƣợng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, ngƣời dùng sở hữu board Arduino có 20 ngõ I/O tƣơng tác điều khiển chừng thiết bị Board có nhiều cổng giao tiếp với Sim 900A, mở rộng để hiển thị thơng tin nhiều nhà mạng Cụ thể chúng em sử dụng board Arduino mega 2560 Đây ƣu điểm vƣợt trội Arduino lý nên chúng em đinh thực đề tài : “Hệ thống điều khiển trạm bơm nƣớc sử dụng module sim900A với Arduino ” Đề tài ứng dụng công nghệ Sim 900A phổ biến nhiều thiết bị, với việc điều khiển thông qua board Ardiuno đem lại nhiều cảm hứng nhƣ thực dự án theo ý muốn cách dễ dàng 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc Trên thị trƣờng Việt Nam chƣa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị sim900A, đa số sản phẩm có nhập từ nƣớc với giá thành cao Phạm vi ứng dụng điều khiền thiết bị sim900A nƣớc đƣợc ứng dụng phát triển mạnh mẽ nhƣng sản phẩm nƣớc ngồi, cơng nghệ sim Arduino Việt Nam, đƣợc biết đến vào năm 2010 thành viên ban quản trị Cộng đồng Arudino Việt Nam Và gần năm kể từ ngày Cộng đồng Arduino Việt Nam thức vào hoạt động Với quy mơ ngày lớn chất lƣợng số lƣợng Cộng đồng Arudino Việt Nam dần trở thành sân chơi quen thuộc bạn Việt Nam , nơi mà ngƣời đến học hỏi, trao đổi chia sẻ kiến thức độc đáo nhằm xây dựng hình ảnh cá nhân phát triển dựa tinh thần cộng đồng nguồn mở chia sẻ , quan tâm thành viên Cộng đồng Việt Nam Tuy hạn chế nhƣng có số ứng dụng cơng nghệ sử dụng sim900A board Ardiuno đƣợc thiết kế xây dựng nhƣ :  “ Kỹ thuật nhận dạng tiếng nói thành lệnh ứng dụng công nghiệp” PGS.TS: Trần Thu Hà – Th.s : Nguyễn Thành Chung  “ Gửi nhận tin nhắn module sim900 sử dụng MCU 89 để điều khiển” nhóm sinh viên Đại học bách khoa TP Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino Chƣơng KẾT UẬN V HƢỚN PHÁT TR ỂN 4.1 Kết luận Đã thiết kế thi cơng hồn thành nhiệm vụ đề tài đƣa  Thiết kế sơ đồ mạch in, sơ đồ nguyên lý hệ thống trạm bơm nƣớc  Hiểu rõ lý thuyết hoạt động mạch xử lý arduino module sim 900A , cách thực truyền nhận liệu từ board arduino module sim 900A  Sử dụng ngôn ngữ C, java tập lệnh AT để viết chƣơng trình điều khiển cho hệ thống  Thực kết nối sơ đồ hệ thống thiết kế mơ hình trạm bơm nƣớc  Viết chƣơng trình cho Arduino điều khiển thiết bị đóng cắt trạm bơm truyền nhận liệu với module Sim 900A thơng báo tình trạng hoạt động máy bơm  Vận hành thử mơ hình hệ thống 4.2 Nhận xét  Mặc dù chƣơng trình điều khiển trạm bơm nƣớc chƣa đƣợc tối ƣu song kết điều khiển nhƣ chấp nhận đƣợc với yêu cầu ban đầu đề tài đƣa  Chƣơng trình điều khiển trạm bơm nƣớc dừng việc điều khiển bơm gửi thông tin hoạt động bơm mobiphone, nhiên dựa nguyên lý truyền nhận để thực việc gửi tin nhắn từ mobiphone xuống sim 900A thông qua arduino để điều khiển thiết bị  Chúng ta sử dụng phƣơng pháp tự động khác để điều khiển trạm bơm nhiên phƣơng pháp đề tài đƣa phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều việc tƣới tiêu nông nghiệp 52 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino 4.3 Những hạn chế đề tài  Chỉ dừng lại mơ hình hai máy bơm mơ  Chƣơng trình điều khiển chƣa tối ƣu  Chƣa điều khiển qua tin nhắn để điều khiển máy bơm 4.4 Hƣớng phát triển đề tài  Xây dựng giao diện phần mềm đề thị thông tin trạm bơm nƣớc  Có thể điều khiển trạm bơm việc gửi tin nhắn gọi điện  Ứng dụng công nghệ Sim 900A vào hệ thống tự động khác 53 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino TÀI LI U THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú, Giáo trình kỹ thuật số, Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, 2011 [2] Trang wed arduino.cc, hshop.vn… [3] Nguyễn Ngọc Hùng, Nguyễn Ngô Lâm, Nguyễn Văn Phúc, Giáo trình Kỹ thuật truyền số liệu , Trƣờng ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, 9.2011 [4] Vũ Đình Chung, Ứng dụng GSM/GPS quản lý giá sát phương tiện cá nhân, Đồ án tốt nghiệp, Trƣờng ĐH Giao Thông Vận Tải, 5.2013 [5] Phạm Minh Đức, Thiết kế bảng quảng cáo led sử dụng vi iều n Atmega 16 module hi n thị, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009 [6] Hồ Tuấn Việt, Thiết kế thi công hệ thống iều n thiết bị nhà qua module SIM sóng RF, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 6.2013 [7] Trần Nhật Thông, Điều n thiết bị qua mạng GSM, Đồ án tốt nghiệp, Học Viện Công nghệ Bƣu Viễn Thơng Cơ Sở 2, 12.2013 [8] SIMCOM, Hardware Design, SIMCOM Datasheet, 12.2009 [9] SIMCOM, SIM900 AT Commands Set, SIMCOM Datasheet, 1.2010 [10] www Arduino.vn 54 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino PHỤ LỤC: CO CHƢƠN TRÌNH Đ ỀU KHIỂN TRẠM ƠM NƢỚC #include "HCSR04.h" #include HCSR04 Sensor1(7,8); #define bom1 #define bom2 #define q1 #define q2 Int buocnt1, buocnt2, buocc,buocgb1,buocgb2,buoc1,buoc2, ttq1,ttq2,ttm,ttx1,ttx2; float DistanceCm = 0; unsigned long xung1,xung2; int Q1,Q2; char kytu; String tn,nt; unsigned long lastmillis2 = 0; void setup() { pinMode(led, OUTPUT); pinMode(bom1, OUTPUT); pinMode(bom2, OUTPUT); pinMode(q2, INPUT); pinMode(q1, INPUT); Serial.begin(9600); Serial3.begin(9600); } 55 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino void loop() { DistanceCm = Sensor1.ping(58,500); Serial.println(DistanceCm); if(DistanceCm>40) { delay(6500); if(DistanceCm>40) { switch(buocc) { case : { if((ttx1==1) && (ttx2==0)) { digitalWrite(bom1,LOW); digitalWrite(bom2,HIGH); delay(5000); } if((ttx2==1) && (ttx1==0)) { digitalWrite(bom2,LOW); digitalWrite(bom1,HIGH); delay(5000); } if((ttx2==0) && (ttx1==0)) { digitalWrite(bom1,HIGH); digitalWrite(bom2,HIGH); delay(5000); } 56 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino buocc++; break; } case : { kt_xung1(); kt_xung2(); if((xung1==0) && (xung2==0)) { delay(1000); if((xung1==0) && (xung2==0)) { digitalWrite(bom1,LOW); digitalWrite(bom2,LOW); goidien(); delay(10000); guitinnhan("ca bom bi hu muc nuoc can"); delay(3000); while(1) { Serial.println("2 bom hu"); } } } if((xung1==0) && (xung2>0)) { delay(1000); if((xung1==0) && (xung2>0)) { switch(buocnt1) { 57 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino case : { digitalWrite(bom1,LOW); ttx1=1; guitinnhan("bom hu muc nuoc can,su dung bom 2"); delay(3000); buocnt1++; break; } case : { break; } } buocc=1; } } if((xung1>0) && (xung2==0)) { delay(1000); if((xung1>0) && (xung2==0)) { switch(buocnt2) { case : { digitalWrite(bom2,LOW); ttx2=1; guitinnhan("bom hu muc nuoc can,su dung bom 1"); delay(3000); buocnt2++; 58 GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ Hệ thống điều khiển trạm bơm nước sử dụng module Sim 900A với Arduino break; } case : { break; } } buocc=1; } } break; } } } } if((DistanceCm>35) && (DistanceCm35) && (DistanceCm