Nghiên cứu, thiết kế và chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho các phòng học ứng dụng cho các trường cao đẳng và đại học trong cả nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - ĐỖ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ THỬ HỆ THỐNG QUẢN LÝ THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA CHO CÁC PHÒNG HỌC, ỨNG DỤNG CHO CÁC TRƯỜNG CAO ĐẲNG VÀ ĐẠI HỌC TRONG CẢ NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT Chuyên ngành: Kĩ thuật truyền thông NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN PHAN KIÊN Hà Nội – Năm 2014 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước MỤC LỤC TRANG MỞ ĐẦU MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 2G GPRS 1.1 Mạng di động GSM 1.1.1 Giới thiệu mạng di động GSM 1.1.2 Đặc điểm mạng di động GSM 1.1.3 Cấu trúc hệ thống mạng GSM 10 1.2 Tổng quan tin nhắn SMS 11 1.2.1 Lịch sử tin nhắn SMS 11 1.2.2 Một số thành phần mạng GSM liên quan đến SMS 12 1.2.3 Tin nhắn SMS chuỗi/Tin nhắn SMS dài 13 1.2.4 Ưu điểm số ứng dụng tin nhắn SMS 14 1.3 Mạng GPRS 16 1.3.1 GPRS 16 1.3.2 Cấu trúc mạng GPRS 17 1.3.3 Mơ hình hệ thống thu thập liệu qua mạng GPRS 18 1.3.4 Kết hợp hai phương thức truyền nhận liệu GPRS & SMS 20 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ SIM 900 VÀ TẬP LỆNH AT 22 2.1 Tổng quan SIM 900 22 2.1.1 Giới thiệu SIM 900 22 2.1.2 Sơ đồ chân SIM 900 25 2.1.3 Các chế độ hoạt động SIM 900 30 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước 2.2 Tập lênh AT 32 2.2.1 Lý thuyết chung tập lệnh AT 32 2.2.2 Các lệnh AT mở rộng 33 2.2.3 Cú pháp tổng quát lệnh AT mở rộng 34 2.2.4 Mã kết lệnh AT 34 2.2.5 Một số lệnh AT dùng 37 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 46 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 46 3.2 Thiết kế phần cứng 47 3.2.1 Module SIM 900 47 3.2.2 Khối nguồn 49 3.2.3 Khối điều khiển 50 3.2.4 Khối vi xử lý 53 3.3 Sơ đồ khối hệ thống hoàn chỉnh 56 3.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 56 3.4.1 Ý tưởng 47 3.4.2 Nguyên lý hoạt động phần mềm 47 3.4.3 Giao diện phần mềm điều khiển 57 3.5 Thử nghiệm hệ thống 57 CHƯƠNG KẾT LUẬN 60 4.1 Những kết đạt được: 60 4.2 Hướng phát triển đồ án: 60 PHỤ LỤC 63 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước LỜI CAM ĐOAN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường thuận lợi sở vật chất chuyên mơn q trình tơi thực đề Tơi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Phan Kiên tận tình bảo, định hướng khoa học hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hồn tồn tơi tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất thực cẩn thận có định hướng sửa chữa giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Đỗ Văn Phương Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hệ thống Hình 1.2 Cấu trúc mạng GSM 10 Hình 1.3 SMS Gateway với chức chuyển tiếp 12 Hình 1.4 Cấu trúc GPRS phát triển dựa mạng GSM 17 Hình 1.5 Các lớp protocol GPRS tham chiếu triên mơ hình OSI 18 Hình 1.6 Liên kết đầu cuối mạng GPRS đầu cuối mạng Internet .19 Hình 2.1 Hình ảnh SIM 900 22 Hình 2.2: Sơ đồ chân SIM 900 .25 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 46 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối SIM 900 .48 Hình 3.3: Khối nguồn 3.3 V 49 Hình 3.4: Khối nguồn 3.8 V 50 Hình 3.5 Rơ le 50 Hình 3.6 Cấu tạo Rơle: cuộn dây tiếp điểm 51 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển 52 Hình 3.8 Sơ đồ chân STM32F103VBT6 53 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý 55 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 56 Hình 3.11 Giao diện truy cập 56 Hình 3.12 Giao diện điều khiển 56 Hình 3.13 Hình ảnh module điều khiển kết nối 56 Hình 3.14 Bật thiết bị thứ .56 DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số SIM 900 25 Bảng 2.2 Chức chân SIM 900 30 Bảng 2.3 Các chế độ hoạt động SIM 900 .32 Bảng 2.4 Bảng lỗi +CMS ý nghĩa lỗi 36 Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề tiết kiệm lượng vấn đề quan trọng việc đảm bảo phát triển bền vững không Việt Nam mà cịn giới Bên cạnh đó, hệ thống quản lý lượng cách hiệu sở Việt Nam gần khơng có Đặc biệt, Việt Nam, ngành công nghiệp điện chủ yếu cịn phụ thuộc vào thiên nhiêu, vậy, vấn đế tiết kiệm điện đặt lên ưu tiên hàng đầu Tiết kiệm điện Trên thực tế, phòng học trường đại học cao đẳng nước sử dụng cho 02 mục đích - Phục vụ giảng dạy theo thời khóa biểu - Phục vụ thời gian tự học cho sinh viên Tuy nhiên, theo khảo sát nay, lấy ví dụ trường Đại học Bách Khoa Hà nội, phịng, ngồi giảng dạy, sinh viên có khả tự động bật tắt hệ thống đèn, điện quạt thiết bị điện khác phịng để phục vụ q trình tự học Và có nhiều phịng bật đèn quạt nhằm phục vụ đến vài sinh viên tự học Chính vậy, muốn xây dượng hệ thống quản lý phịng học thơng qua hệ thống quản lý từ xa, cho phép bật đèn điện từ xa khống chế địa điểm tự học cho sinh viên nhằm đáp ứng yêu cầu sau: - Nâng cao hiệu việc sử dụng điện trường đại học - Phân bố phòng tự học cho sinh viên cách hợp lý, tránh tượng gây ầm ỹ, ảnh hưởng q trình tự học phịng học học công tác giảng dạy khác Mơ hình hệ thống minh họa đây: Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước Hình 1.1 Mơ hình hệ thống Trong mơ hình này, phần mềm giám sát có khả giám sát điều tiết chiếu sáng phòng học cách chủ động, tránh trường hợp sử dụng điện cách tràn lan sinh viên, đồng thời bảo đảm môi trường yên tĩnh cho việc đào tạo trường Đề tài chia làm chương:  Chương I: Tổng quan mạng di động GSM công nghệ GPRS  Chương II: Giới thiệu SIM 900 tập lệnh AT  Chương III: Thiết kế hệ thống  Chương IV: Kết luận Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 2G GPRS 1.1 Mạng di động GSM 1.1.1 Giới thiệu mạng di động GSM GSM viết tắt từ “Global System for Mobile Communication” - Mạng thơng tin di động tồn cầu Nó cơng nghệ khơng dây thuộc hệ 2G có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền giọng nói chuyển giao liệu chất lượng cao với băng tần khác nhau: 400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz 1900Mhz tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) quy định Hiện nay, GSM sử dụng tỷ người 212 quốc gia vùng lãnh thổ khác giới GSM chuẩn phổ biết cho điện thoại di động giới khả phủ sóng rộng khắp nơi, cho phép người dùng sử dụng điện thoại di động nhiều vùng giới nhà cung cấp dịch vụ thực việc ký kết chuyển vùng với GSM khác với chuẩn tiền thân tín hiệu lẫn tốc độ chất lượng gọi Lợi mạng di động GSM chất lượng gọi tốt, giá thành thấp dịch vụ tin nhắn dễ dàng Ngoài để tạo thuận lợi cho nhà cung cấp dịch vụ cơng nghệ GSM xây dựng sở hệ thống mở nên kết nối dễ dàng với thiết bị khác từ nhà cung cấp thiết bị GSM phát triển thêm tính truyền liệu GPRS với tốc độ cao sử dụng EDGE trước Tại Việt Nam, công nghệ GSM vào Việt Nam từ năm 1993 qua việc cung cấp hệ thống miền Bắc Hiện nay, ba mạng GSM Việt Nam chiếm hầu hết thị trường Viettel, Vinaphone Mobiphone 1.1.2 Đặc điểm mạng di động GSM GSM thiết kế độc lập với hệ thống nên hồn tồn khơng phụ thuộc vào phần cứng mà tập trung vào chức ngơn ngữ giao tiếp hệ thống Chính điều tạo điều kiện cho người thiết kế phần cứng sáng tạo thêm tính cho Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước phép công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác  Cho phép gửi nhận mẫu tin nhắn văn ký tự dài đến 126 ký tự  Cho phép chuyển giao nhận liệu, Fax mạng GSM với tốc độ lên tới 9.600kps Tính phủ sóng cao: công nghệ GSM không cho phép thuê bao mạng, lãnh thổ quốc gia thực việc kết nối với nhau, mà cịn cho phép chuyển giao mạng GSM toàn cầu cho phép thực việc kết nối người sử dụng muốn Điều có nghĩa thuê bao mang thiết bị nơi mạng tự động cập nhật vị trí thuê bao, đồng thời thuê bao gọi, nhắn tin nơi mà không cần biết thuê bao cần liên lạc đâu (thuê bao di động - Roaming) Mạng GSM sử dụng hai kiểu mã hóa âm để nén tín hiệu âm 3.1khz mã hóa 6kbps 13kbps gọi haft rate (6kbps) full rate (13kbps) Giải hạn chế dung lượng nhờ việc kỹ thuật sử dụng tần số tốt kỹ thuật chia ô nhỏ, số thuê bao phục vụ tăng lên Tính bảo mật cao Mạng kiểm tra hợp lệ thuê bao GSM thẻ đăng ký SIM (Subscriber Idertity Module) Thẻ SIM sử dụng mật PIN (Personal Identity Number) để bảo vệ quyền sử dụng người sử dụng Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước 1.1.3 Cấu trúc hệ thống mạng GSM Hình 1.2 Cấu trúc mạng GSM Cấu trúc mạng GSM chia thành ba phần: Trạm di động (Mobile Station) người thuê bao mang theo bao gồm điện thoại di động thẻ thông minh xác thực thuê bao (SIM) Hệ thống trạm gốc (Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động, gồm có hai phần Trạm thu phát gốc (BTS) Trạm điều khiển gốc (BSC) Hai phần giao tiếp với qua giao diện Abis, cho phép thiết bị nhà cung cấp khác "kết nối" với • Chức BSC: điều khiển số trạm BTS xử lý tin báo hiệu - Khởi tạo kết nối - Điều khiển chuyển giao: Intra & Inter BTS HO Kết nối đến MSC, BTS OMC • Chức BTS: Thu phát vô tuyến - Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý - Mã hóa giải mã - Mật mã / giải mật mã - Điều chế / giải điều chế Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 10 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước /////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char check_CONNECT_OK(unsigned char *str, int index) { unsigned char ma[10]= "CONNECT OK"; int i; int j = 0; for(i=index-9; i 9) j = 0; } return 1; } /////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char check_CONNECT_FAIL(unsigned char *str, int index) { unsigned char ma[13]= "CONNECT FAIL"; int i; int j = 0; Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 77 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước for (i=index-11;i 12) j = 0; } return 1; } /////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char check_NORMAL_P0WER_DOWN(unsigned char *str, int index) { unsigned char ma[18]= "NORMAL POWER DOWN"; int i; int j = 0; for (i=index-17;i 17) j = 0; } return 1; } /////////////////////////////////////////////////////////////// unsigned char check_CLOSED(unsigned char *str, int index) { unsigned char ma[7]= "CLOSED"; int i; int j = 0; for (i=index-6;i 6) j = 0; } return 1; } Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 79 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước /////////////////////////////////////////////////////////////// void connect_server(void) { uart_puts("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"192.168.0.114\",\"2020\""); USART_SendData(USART1,'\r'); while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET) {} } /////////////////////////////////////////////////////////////// u8 check_COMMAND(unsigned char *srt, int index) { u8 i = 0; unsigned char header[4] = "THUY"; u8 flag = 10; if (( header[0] == srt[index - 4]) & ( header[1] == srt[index - 3]) & ( header[2] == srt[index - 2]) & ( header[3] == srt[index - 1])) { switch (srt[index]) { case 'A': flag = 0; break; case 'a': flag = 1; Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 80 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước break; case 'B': flag = 2; break; case 'b': flag = 3; break; case 'C': flag = 4; break; case 'c': flag = 5; break; case 'D': flag = 6; break; case 'd': flag = 7; break; } } return flag; } Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 81 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước File ‘stm32f10x_it.c’ /* ******************************************************************* **** * @file USART/Interrupt/stm32f10x_it.c * @author MCD Application Team * @version V3.5.0 * @date 08-April-2011 * @brief Main Interrupt Service Routines * This file provides template for all exceptions handler and peripherals * interrupt service routine ******************************************************************* ***** */ /* Includes */ #include "stm32f10x_it.h" #include "stm32f10x_conf.h" #include "gprs.h" /** @addtogroup STM32F10x_StdPeriph_Examples * @{ */ /** @addtogroup USART_Interrupt Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 82 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước * @{ */ /* Private typedef -*/ /* Private define */ /* Private macro -*/ /* Private variables -*/ extern u8 data[1000]; extern u8 i; extern u8 flag_pwk; extern u8 flag_connect_server; /* Private function prototypes -*/ /* Private functions -*/ /******************************************************************* ***/ /* Cortex-M3 Processor Exceptions Handlers */ /******************************************************************* ***/ /** * @brief This function handles NMI exception * @param None Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 83 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước * @retval None */ void NMI_Handler(void) { } /** * @brief This function handles Hard Fault exception * @param None * @retval None */ void HardFault_Handler(void) { /* Go to infinite loop when Hard Fault exception occurs */ while (1) { } } /** * @brief This function handles Memory Manage exception * @param None * @retval None */ Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 84 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước void MemManage_Handler(void) { /* Go to infinite loop when Memory Manage exception occurs */ while (1) { } } /** * @brief This function handles Bus Fault exception * @param None * @retval None */ void BusFault_Handler(void) { /* Go to infinite loop when Bus Fault exception occurs */ while (1) { } } /** * @brief This function handles Usage Fault exception * @param None Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 85 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước * @retval None */ void UsageFault_Handler(void) { /* Go to infinite loop when Usage Fault exception occurs */ while (1) { } } /** * @brief This function handles SVCall exception * @param None * @retval None */ void SVC_Handler(void) { } /** * @brief This function handles Debug Monitor exception * @param None * @retval None */ Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 86 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước void DebugMon_Handler(void) { } /** * @brief This function handles PendSV_Handler exception * @param None * @retval None */ void PendSV_Handler(void) { } /** * @brief This function handles SysTick Handler * @param None * @retval None */ void SysTick_Handler(void) { } /******************************************************************* ***/ /* STM32F10x Peripherals Interrupt Handlers Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 87 */ Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước /******************************************************************* ***/ /** * @brief This function handles USART1 global interrupt request * @param None * @retval None */ void USART1_IRQHandler(void) { //USART_SendData(USART1,USART_ReceiveData(USART1)); data[i] = USART_ReceiveData(USART1); if (check_Call_Ready(data,i) == 1) { flag_pwk = 1; } if (check_CONNECT_OK(data,i) == 1) { LED1_ON(); } switch(check_COMMAND(data,i)) { case 0: LED2_ON(); break; Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 88 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước case 1: LED2_OFF(); break; case 2: SPEAKER_ON(); break; case 3: SPEAKER_OFF(); break; case 4: ROLE1_OPEN(); break; case 5: ROLE1_CLOSE(); break; case 6: ROLE2_OPEN(); break; case 7: ROLE2_CLOSE(); break; } i ++; if ( i == 1000) i = 0; Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 89 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước } /** * @brief This function handles USART2 global interrupt request * @param None * @retval None */ void USART2_IRQHandler(void) { } /******************************************************************* ***/ /* STM32F10x Peripherals Interrupt Handlers */ /* Add here the Interrupt Handler for the used peripheral(s) (PPP), for the */ /* available peripheral interrupt handler's name please refer to the startup */ /* file (startup_stm32f10x_xx.s) */ /******************************************************************* ***/ /** * @brief This function handles PPP interrupt request * @param None * @retval None */ Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 90 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước /*void PPP_IRQHandler(void) { }*/ /** * @} */ /** * @} */ Đỗ Văn Phương – CB 110890 Page 91 ... 30 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước GSM TALK Kết nối SIM 900 thiết bị khác hỗ trợ GPRS thực Trong trường. .. Page 18 Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước liên kết đầu cuối mạng GPRS máy tính cần thiết Với lợi hệ thống. .. Page Nghiên cứu, thiết kế chế thử hệ thống quản lý thiết bị điện từ xa cho phòng học ứng dụng cho trường cao đẳng đại học nước phép công ty vận hành mạng mua thiết bị từ nhiều hãng khác  Cho