Tthiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu gprs

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Chƣơng inh viên h hi n : Hoàng Bảo Nhƣ : 52K - ĐTTT Mã số sinh viên : 1151089228 NGHỆ AN - 2016 LỜI CẢM ƠN Sau trình học tập rèn luyện khoa Điện tử - Viễn thông trƣờng Đại học Vinh em đƣợc trang bị kiến thức bản, kỹ thực tế để hồn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo khoa Điện tử Viễn thông trƣờng Đại học Vinh quan tâm hƣớng dẫn truyền đạt kiến thức quý báu kinh nghiệm cho em suốt thời gian học trƣờng nói chung đồ án tốt nghiệp nói riêng Qua em xin chân thành cảm ơn ThS Lê Văn Chƣơng hƣớng dẫn tận tình để giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp Trong suốt thời gian làm đồ án em cố gắng hồn thành nhƣng khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến quý thầy cô bạn để đồ án em có tính thiết thực Cuối em xin chúc thầy, cô giáo sức khỏe, nhiều thành công nghiệp trồng ngƣời Em xin chân thành cảm ơn M CL C LỜI CẢM ƠN .0 MỞ ĐẦU .5 DANH M C CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .6 DANH M C BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO .6 1.1.HỆ THỐNG GSM .10 1.1.1 Lịch sử hình thành mạng GSM 10 1.1.2 Kiến trúc mạng GSM 11 1.1.3 Các thủ tục GSM 13 1.2.GPRS 15 1.2.1 Khái quát chung mạng GPRS 15 1.2.2 Kiến trúc GPRS 19 1.2.3 Nguyên tắc hoạt động GPRS 24 CHƢƠNG II : GIAO THỨC TCP/IP .26 2.1 GIỚI THIỆU VỀ GIAO THỨC TCP/IP 26 2.1.1 Lịch sử 26 2.1.2 Khái niệm giao thức TCP/IP 28 2.2 TỔNG QUÁT VỀ GIAO THỨC TCP/IP 28 2.2.1 Giao thức IP 30 2.2.2 Giao thức điều khiển truyền liệu TCP 33 CHƢƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS 39 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ .39 3.2 SƠ ĐỒ KHỐI .39 3.3 THIẾT KẾ CÁC KHỐI CHỨC NĂNG 39 3.3.1 Giới thiệu Module Sim900 39 3.3.2 Khối vi điều khiển 48 3.3.3 Khối cảm biến DS18B20 51 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 55 3.5 THIẾT KẾ THI CÔNG 56 KẾT LUẬN .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PH L C 60 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án nghiên cứu lập trình cho vi điều khiển giao tiếp với cảm biến, vi điều khiển giao tiếp với module Sim900A để gửi liệu lên trang web Để đạt đƣợc đƣợc mục đích ta sâu vào tìm hiểu kiến thức Module Sim900A, cảm biến nhiệt độ DS18B20, vi điều khiển PIC16F887,… Nắm vững cách viết chƣơng trình, đề hƣớng phát triển để đề tài hoàn thiện ABSTRACT The thesis researches programming for microcontrollers communicate with sensors, microcontrollers communicate with the module Sim900A to send data to the website To achive that goal, we go into learn the basics of Module Sim900A, Temperature sensor DS18B20, Microcontrollers PIC16F887,… Mastering how to write programs, proposed the development direction to more completed thesis MỞ ĐẦU Hiện với phát triển kinh tế - xã hội, vấn đề an toàn cháy nổ đƣợc quan tâm lớn từ xã hội Các hệ thống giám sát,cảnh báo đƣợc đời Một số giám sát cảnh báo nhiệt độ đƣợc ngƣời quan tâm cao Vì nhiệt độ tăng ảnh hƣởng tới yếu tố khác thiên nhiên nhƣ ảnh hƣởng trực tiếp tới ngƣời Bên cạnh việc thu thập thơng tin cảnh báo qua mạng đƣợc quan tâm rộng rãi Với phƣơng pháp này, thu thập đƣợc liệu từ khu vực hay đối tƣợng mà không cần phải tác động trực tiếp Sự bùng nổ Internet tạo môi trƣờng thuận lợi cho việc truy cập thu thập liệu Việc thu thập thông tin cảnh báo toán thiết thực, vận dụng linh hoạt kiến thức ứng dụng nhiều thực tế Đây chủ đề mẻ đƣợc nhiều cơng ty, tịa nhà áp dụng để nâng cao tính an tồn cho ngƣời cải xã hội Chính lý nhƣ nên định chọn đề tài ― Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thơng qua mạng liệu GPRS‖ Đây tốn nhỏ, nhƣng giúp chúng em có nhìn khái qt tốn, tạo sở tiền đề cho tìm tịi phát triển hƣớng cao nghiên cứu công nghệ Nội dung đồ án đƣợc trình bày chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống GSM GPRS Chƣơng 2: Giao thức TCP/IP Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS Mặc dù có nhiều cố gắng nhiên t hời gian có hạn điều kiện thực cịn hạn chế khơng tránh khỏ sai sót trình bày nhƣ phần thể hiện, mong thầy bạn góp ý bổ sung thêm Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, tháng 05 năm 2016 Sinh viên thực Hoàng Bảo Nhƣ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Base Station Controller – Bộ điều khiển trạm gốc 15 Hình 1.2 Cấu trúc mạng GPRS 15 Hình 1.3 Các khối mạng GPRS 20 Hình 2.1 Các tầng giao thức TCP/IP 28 Hình 2.2 Cấu trúc lớp địa IP 31 Hình 2.3 Dạng thức gói tin IP 32 Hình 2.4 Cổng truy nhập dịch vụ TCP 34 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 39 Hình 3.2 Module SIM900 40 Hình 3.3 Khối nguồn 42 Hình 3.4 Khối Sim900A 42 Hình 3.5 Khối UART .43 Hình 3.6 Khối Microphone 43 Hình 3.7 Khối Speaker .43 Hình 3.8 Sơ đồ chân SIM900 44 Hình 3.9 Sơ đồ thiết kế Breakout Module SIM900 45 Hình 3.10 Cấu hình mặc định cho SIM900 .47 Hình 3.11 Sơ đồ chân PIC 16F887 48 Hình 3.12 Cấu trúc bên PIC 16F887 49 Hình 3.13 Sơ đồ chân DS18B20 .51 Hình 3.14 Sơ đồ khối DS18B20 52 Hình 3.15 Bộ nhớ DS18B20 52 Hình 3.16 Kết nối vi điều khiển cảm biến 54 Hình 3.17 Lƣu đồ thuật tốn 55 Hình 3.18 Module Sim900 .56 Hình 3.19 Mạch vi điều khiển 56 Hình 3.20 Kết nối mạch lại với 56 Hình 3.21 Giao diện trang web .57 DANH MỤC BẢNG BIỂU TRONG BÁO CÁO Bảng 1.1 Tốc độ liệu truyền GPRS 18 Bảng 1.2 Tốc độ kênh truyền GPRS .18 Bảng 2.1 Một số cổng TCP phổ biến .35 Bảng 2.2 Dạng thức segment TCP 37 CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG BÁO CÁO Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt GSM Global System for Mobile communication Hệ thống truyền thơng di động tồn cầu TDMA Time Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian FDMA Frequence Division Mutiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số ETSI European Telecommunication Standards Institude Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station System Hệ thống trạm gốc HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thƣờng trú VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp SMSC Short Message Service Centre Dịch vụ tin ngắn SGSN Serving GPRS Support Node Nút phục vụ thuê bao GPRS GGSN Gateway GPRS Support Node Nút định tuyến GPRS TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol Giao thức Điều Khiển Truyền Thông/Giao thức Internet ICMP Internet control message protocol Giao thức điều khiển thông điệp Internet IGMP Internet group management protocol Giao thức quản lý nhóm Internet Sơ đồ khối DS18B20: Hình 3.14 Sơ đồ khối DS18B20  Mã 64 bit ROM: Mỗi cảm biến nhiệt DS18B20 có dãy mã 64 bit đƣợc lƣu trữ nhớ ROM đƣợc khắc kĩ thuật laze bit đầu mã định danh họ dây, mã DS18B20 28h 48 bit mã xuất xƣởng nhất, nghĩa cảm biến DS18B20 có mã bit cuối có ý nghĩa byte mã kiểm tra CRC (cyclic redundancy check), byte đƣợc tính tốn từ 56 bit dãy mã ROM  Bộ nhớ SCRATCHPAD: Bộ nhớ DS18B20 bao gồm ghi bit Hình 3.15 Bộ nhớ DS18B20 52 Giải thích: Byte chứa LSB, MSB ghi nhiệt độ Byte đọc Byte 2, 3: cập nhật ghi TH TL, lƣu giá trị nhiệt độ ngƣỡng Byte 4: chứa liệu ghi cấu hình hoạt động DS18B20 (Configuration Register) Byte 5, không sử dụng Byte 8: ghi đọc chứa mã kiểm tra CRC từ byte đến byte Dữ liệu byte 2,3,4 đƣợc ghi thông qua lệnh Write Scratchpad [4Eh] liệu đƣợc truyền đến DS18B20 với bit LSB byte 2, sau ghi liệu đƣợc đọc lại thông qua lệnh Read Scratchpad [BEh] đọc Scratchpad bit LSB byte đƣợc gửi trƣớc tất byte đƣợc đọc, nhƣng ghi đƣợc byte 2,3 Để chuyển giá trị TH TL từ nhớ vào EEPROM cần gửi 53 lệnh Copy Scratchpad [48h] đến DS18B20 Và liệu từ EEPROM đƣợc chuyển vào ghi TH, TL thông qua lệnh Recall E2 [B8h] 3.3.3.3 Phƣơng thức giao tiếp Việc trao đổi liệu VĐK DS18B20 thông qua bƣớc:  Bước 1: Khởi tạo xung reset nhận tin hiệu từ DS18B20 Quá trình khởi tạo bao gồm xung reset VĐK gửi đến DS18B20, sau xung presence từ DS18B20 gửi đến VĐK, để báo hiệu cho VĐK biết diện DS18B20, trình hoạt động trao đỏi liệu bắt đầu  Bước 2: Lệnh điều khiển ROM Các lệnh làm việc với mã 64 bit ROM, lệnh đƣợc phát sau trình khởi tạo Lệnh cho phép VĐK biết có thiết bị thiết bị loại bus  Bước 3: Lệnh chức DS18B20 Sau VĐK định địa thiết bị cần giao tiếp thông qua lệnh ROM, VĐK gửi lệnh điều khiển hoạt động DS18B20 Những lệnh cho phép VĐK ghi đọc liệu từ nhớ Scratchpad DS18B20, bắt đầu trình chuyển đổi nhiệt độ xác định chế độ cấp nguồn Kết nối với VĐK đấu mạch cảm biến: Hình 3.16 Kết nối vi điều khiển cảm biến 54 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM Lƣu đồ thuật toán Begin Khởi tạo kết nối Kết nối tới Internet S Đ - Đọc giá trị từ cảm biến - Gửi giá trị lên Internet End Hình 3.17 Lƣu đồ thuật tốn 55 3.5 THIẾT KẾ THI CƠNG Mạch thực tế Hình 3.18 Module Sim900 Hình 3.19 Mạch vi điều khiển Hình 3.20 Kết nối mạch lại với 56 Web server đề tài sử dụng trang web thingspeak.com Hình 3.21 Giao diện trang web Kết quả: thiết kế, chế tạo thành công hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS Hệ thống thu thập liệu nhiệt độ tự động gửi lên Web Server Từ giám sát đánh không cần đến trực tiếp đối tƣợng cần đo 57 KẾT LUẬN Đề tài kết nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS đạt đƣợc kết sau: + Kiến thức tập lệnh PIC16F887 để giao tiếp với Module Sim900A nhƣ xây dựng chƣơng trình để kết nối, gửi liệu lên Web Server + Hiểu đƣợc cấu trúc Module Sim900A, PIC16F887 cảm biến nhiệt độ DS18B20 + Thiết kế chế tạo thành công hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS + Các kết thực tế đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt trƣớc thiết kế Hạn chế đề tài + Hệ thống cịn đơn giản chƣa tích hợp đƣợc nhiều tính nhƣ cảnh báo, điều khiển thiết bị,… + Giao diện Web Server đơn giản Hƣớng phát triển đề tài Qua đề tài này, em đạt đƣợc số kết định Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu thực tế thiết kế cịn phát triển thêm hƣớng nhƣ: + Cảnh báo nhiệt độ qua SMS + Bật tắt thiết bị cần thiết nhiệt độ vƣợt mức độ cho phép + Có thể sử dụng thêm nhiều loại cảm biến khác, chẳng hạn nhƣ cảm biến độ ẩm không khí để đo độ ẩm khơng khí, hệ thống báo cháy tự động,… để ứng dụng vào đề tài 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Văn Thế Minh, Kĩ thuật vi xử lý, Nhà xuất giáo dục, 1997 [2] Mischa Schwartz, Mobile Wireless Communications, Columbia University, New York, 2013 [3] Ngơ Đình Phú, Giáo trình Vi xử lý, Khoa Điện – Điện tử, trƣờng đại học Sƣ phạm Kĩ Thuật, 2004 [4] Các website: http://codientu.org/, truy cập lần cuối vào ngày 11/5/2016 https://vi.wikipedia.org, truy cập lần cuối vào ngày 9/5/2016 http://www.alldatasheet.com/, truy cập lần cuối vào ngày 10/5/2016 http://www.microchip.com/, truy cập lần cuối vào ngày 12/5/2016 http://www.simcom.eu/, truy cập lần cuối vào ngày 08/5/2016 http://www.picvietnam.com/, truy cập lần cuối vào ngày 10/5/2016 59 PHỤ LỤC *Chƣơng trình #include #device *=16 adc=10 #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT,NOLVP, NOCPD, NOWRT #use delay(clock=20000000) #include #include "1_day.c" #include "DS18B20.c" #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8) float temperature; // void main() { LCD_Init(); // Khoi tao cho ngat ngoai===================================== enable_interrupts (INT_EXT); ext_int_edge(H_TO_L); enable_interrupts (GLOBAL); //Khoi tao che cho bo ADC===================================== LCD_Cmd(0x01); printf(LCD_Char,"nhiet do"); delay_ms(5000); while(true) { temperature=ds18b20_read(); LCD_Cmd(0xC4); Printf(LCD_Char,"TEMP: %3.1f",temperature); LCD_Char(223); 60 LCD_Char("C"); delay_ms(5000); printf("AT+CIPSTART="); putc(34);printf("TCP"); putc(34); printf(","); putc(34);printf("184.106.153.149"); putc(34);printf(",80"); putc(13);putc(10); LCD_Cmd(0x01); printf(LCD_Char,"AT+CIPSTART"); delay_ms(5000); LCD_Cmd(0x01); printf("AT+CIPSEND"); putc(13);putc(10); LCD_Cmd(0x01); printf(LCD_Char,"AT+CIPSEND"); delay_ms(5000); LCD_Cmd(0x01); printf(LCD_Char,"SEND "); LCD_Data(0x01); printf("GET /update?key=M5VCLAK68RKSYHGU&field1="); printf("%3.1f",temperature); putc(13);putc(10); putc(26); delay_ms(5000); LCD_Cmd(0x01); printf(LCD_Char,"CLOSE"); } } //The End======================================= 61 *Thƣ viện LCD //#define lcd_light PIN_D0 #define lcd_RS PIN_D1 #define lcd_RW PIN_D2 #define lcd_E PIN_D3 #define lcd_B1 PIN_D4 #define lcd_B2 PIN_D5 #define lcd_B3 PIN_D6 #define lcd_B4 PIN_D7 #use delay(clock=20000000) //====================Cac ham dung ngoai thu vien============== #separate void LCD_Init(); // khai bao LCD #separate void LCD_Position(int x); // Di chuyen vi tri tro #separate void LCD_Char(int x); // Hien Thi bien Char #separate void LCD_Cmd(int x); // Gui lenh len LCD #separate void LCD_Pulse(); #separate void LCD_CGRAM(); //=========================Chuong trinh======================== #separate void LCD_Data (int x) { output_bit(lcd_B1, x & 0x01); output_bit(lcd_B2, x & 0x02); output_bit(lcd_B3, x & 0x04); output_bit(lcd_B4, x & 0x08); } #separate void LCD_Pulse() { 62 output_high(lcd_E); delay_us ( 3); // was 10 output_low(lcd_E); delay_us ( 150); // was } #separate void LCD_Position(int x) { LCD_Data(Swap(x) | 0x08); LCD_Pulse(); LCD_Data(Swap(x)); LCD_Pulse(); } #separate void LCD_Cmd (int x) { LCD_Data(Swap(x)); LCD_Pulse(); LCD_Data(Swap(x)); LCD_Pulse(); if (x == 0x01) delay_us(2000); } #separate void LCD_Char (int x) { output_high(lcd_RS); LCD_Data(Swap(x)); LCD_Pulse(); LCD_Data(Swap(x)); LCD_Pulse(); output_low(lcd_RS); 63 } #separate void LCD_Init () { // output_high(lcd_open); LCD_Data(0x00); delay_ms(20); //cho cho VDD len >> 15ms output_low (lcd_RS); //mac dinh la viet lenh output_low (lcd_RW); //mac dinh la LCD nhan lenh LCD_Data(0x03); //che bit LCD_Pulse(); LCD_Pulse(); LCD_Pulse(); LCD_Data(0x02); //xoa man hinh LCD_Pulse(); LCD_Cmd(0x2c); LCD_Cmd(0x0c); //bat hien thi tat tro LCD_Cmd(0x06); //tang tro LCD_Cmd(0x01); //xoa man hinh hien thi } *Thƣ viện PIC16F887 #byte INDF = 0x00 #byte TMR0 = 0x01 #byte PCL = 0x02 #byte STATUS= 0x03 #byte FSR = 0x04 #byte PORTA = 0x05 #byte PORTB = 0x06 #byte PORTC = 0x07 #byte PORTD = 0x08 #byte PORTE = 0x09 64 #byte PCLATH= 0x0A #byte INTCON= 0x0B #byte PIR1 = 0x0C #byte PIR2 = 0x0D #byte TMR1L = 0x0E #byte TMR1H = 0x0F #byte T1CON = 0x10 #byte TMR2 = 0x11 #byte T2CON = 0x12 #byte SSPBUF= 0x13 #byte SSPCON= 0x14 #byte CCPR1L= 0x15 #byte CCPR1H= 0x16 #byte CCP1CON=0x17 #byte RSCTA = 0x18 #byte TXREG = 0x19 #byte RCREG = 0x1A *Thƣ viện DS18B20 #ifndef DS18B20_C #define DS18B20_C #include "1_day.c" float ds18b20_read(); void ds18b20_configure(int8 TH, int8 TL, int8 config); float ds18b20_read() { int8 busy=0, temp1, temp2; signed int16 temp3; float result; onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0x44); while(busy == 0) 65 busy = onewire_read(); onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0xBE); temp1 = onewire_read(); temp2 = onewire_read(); temp3 = make16(temp2, temp1); //result = (float) temp3 / 2.0; result = (float) temp3 / 16.0; delay_ms(200); // return(result); } void ds18b20_configure(int8 TH, int8 TL, int8 config) { onewire_reset(); onewire_write(0xCC); onewire_write(0x4E); onewire_write(TH); onewire_write(TL); onewire_write(config); } #endif / 66 ... nghệ Nội dung đồ án đƣợc trình bày chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan hệ thống GSM GPRS Chƣơng 2: Giao thức TCP/IP Chƣơng 3: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS. .. HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng liệu GPRS cần đạt yêu cầu: - Thiết bị phần cứng... 30 2.2.2 Giao thức điều khiển truyền liệu TCP 33 CHƢƠNG III : THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ TỪ XA THÔNG QUA MẠNG DỮ LIỆU GPRS 39 3.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ