Tìm hiểu về arm và ứng dụng điều khiển trong ngôi nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH 621.389 KHO ĐI N TỮ VI N TH NG ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHI P T I: T u uv RM v ứ t tr Gá vê ướng dẫn : th.s Đ T S Sinh viên thực : Tr Lớp : 49K - ĐTVT MSSV : 0851085167 Vinh, 01/2014 i V tM dụ MỤC LỤC LỜI N I Đ U MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG SỐ LI U DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT C TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Bối cảnh 1.1.2 Giới thiệu đề tài 1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật hệ thống 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 RFID 1.2.2 GSM 10 1.2.3 Hiệu ứng DOPPLER 11 C PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 11 2.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống 11 2.1.1 Các giải pháp lựa chọn phương án 11 2.2 Thiết kế hệ thống : 15 2.2.1 Khối GSM 15 2.2.2 Giới thiệu tập lệnh AT 16 2.2.3 Khối vi điều khiển 17 C THIẾT KẾ PH N CỨNG 24 3.1 Sơ đồ khối thiết bị đầu cuối 24 3.2 Phân tích chi tiết khối sơ đồ nguyên lý 24 3.2.1 Khối nguồn 24 3.2.2 Khối lọc nguồn 28 3.2.3 Khối thu nhận tín hiệu GSM (khối Sim908C) 29 3.2.4 Khối sim card 30 3.2.5 Khối báo tín hiệu 30 3.2.6 Khối giao tiếp với máy tính 32 3.2.7 Khối vi điều khiển 32 3.2.8 Khối Cảm biến HB100: 34 3.2.9 Khối JTAG debug 34 3.2.10 hối t m 35 3.2.11 t số khối mở r ng 36 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý: 38 3.4 Mạch in PCB: 38 C THIẾT KẾ PH N MỀM 40 4.1 Phần mềm nhúng cho hệ thống điều khiển trung tâm 40 4.1.1 Hệ điều hành thời gian thực RTOS 40 4.1.2 Yêu cầu, chức 44 4.1.3 Lưu đồ giải thuật 45 C CHẾ TẠO, THỬ NGHI M VÀ PHÁT TRIỂN 51 5.1 Các kết đạt 51 5.1.1 Hệ thống điều khiển 51 5.1.2 iều khiển qua SMS hiển thị LCD 52 5.1.3.Test chức áo tr m 53 5.1.4 Test chức RFID 54 5.2 Hướng mở r ng nghiên cứu phát triển 54 CHƯƠNG KẾT LUẬN 56 TÀI LI U THAM KHẢO 57 LỜI N I Đ U gày với c ng nghệ ti n tiến đại c r t nhiều c ng nghệ ph c v cho nhiều ứng ng nhu cầu người Trong đ nhà thông minh đem lại cho người tiện nghi ch t lượng cu c sống, ng i nhà c điều kiện kỹ thuật bảo đảm cu c sống tốt nh t cho người tự đ ng bảo đảm tiêu kỹ thuật theo mong muốn người sử d ng Ngôi nhà thông minh khác với ng i nhà ình thường chỗ, m t q trình tích hợp hệ thống hệ thống điều khiển giám sát môi trường: hệ điều khiển đảm bảo nhiệt đ , hệ th ng đảm bảo lượng gió nhà, hệ thống đảm bảo ánh sáng , mạch đ ng ngắt, điều khiển cổng vào, giám sát cảnh báo cháy., thành m t hệ thông mạng thống nh t Với nguyện vọng tr n em thầy th.s Đ mang tên: “T uv RM v ứ dụ T S u giao đề tài tốt nghiệp tr t minh” ưới hướng dẫn thầy Đ Qua thời gian tìm hiểu nghiên cứu T S thầy cô khác b m n em hoàn thành đề tài, với n i ung sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án Chương 3: Thiết kế phần cứng Chương 4: Thiết kế phần mềm Chương 5: Chế tạo, thử nghiệm phát triển Do hạn chế trang thiết bị hiểu biết đề tài không tránh khỏi thiếu sót Em r t mong nhận góp ý q Thầy Cơ Bạn bè Em xin chân thành cảm ơn thầy th.s Đ lòng gi p đỡ em thực đề tài T S thầy c khác hết Vinh, ngày 18 tháng 01 năm 2014 gười thực Trần Viết inh D NH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Thẻ đầu đọc Hình 2.1 kiểm sốt người vào 11 Hình 2.2 mơ hình cảnh báo tr m sớm 12 Hình 2.3 Simcom908C 16 Hình 2.4 ARM STM32F 19 Hình 2.5 So sánh b nhớ AR thường ARM Cortex 20 Hình 2.6 Sơ đồ chân chip STM32F103 21 Hình 2.7 Các chức c ST 32F103RD 22 Hình 2.8 So sánh kích thức code 23 Hình 2.9 So sánh hiệu su t sử d ng lượng 23 Hình 3.1 C u trúc thiết bị đầu cuối 24 Hình 3.2 mạch nguồn 4.1V 25 Hình 3.3 IC LM2576 26 Hình 3.4 Khối nguồn 3.3V 27 Hình 3.5 IC LM1117 27 Hình 3.6 Mạch nguồn 5V 28 Hình 3.7 LM7805 28 Hình 3.8 Khối lọc nguồn 29 Hình 3.9 Khối Simcom908C 29 Hình 3.10 Khối simcard 30 Hình 3.11 Khối báo tín hiệu 31 Hình 3.12 khối ghép nối máy tính 32 Hình 3.13 Mạch nguyên lý khối HB100 34 Hình 3.14 Khối JTAG debug 35 Hình 3.15 Khối nut b m 36 Hình 3.16 Khối relay 36 Hình 3.17 C u trúc sơ đồ kết nối vi điều khiển DS18B20 37 Hình 3.18 Khối SD card 38 Hình 3.19 Mạch in khối HB100 39 Hình 4.1 M t hệ RTOS điều khiển 40 Hình 4.2 Sơ đồ chức m t hệ RTOS 41 Hình 4.3 trạng thái tác v 42 Hình 4.4 Kiến trúc hệ điều hành RTX RTOS 43 Hình 4.5 Mơ hình hệ thống điều khiển giám sát nhà thơng minh 44 Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật module 45 Hình 4.7 Lưu đồ xử lý cu c gọi tin nhắn 46 Hình 4.8 Lưu đồ xử lý cu c gọi tin nhắn 47 Hình 4.9 Lưu đồ xử lý DS18B20 48 Hình 4.10 Lưu đồ xử lý RFID 49 Hình 4.11 Lưu đồ xử lý cảm biến ánh sáng 50 Hình 4.12 Lưu đồ xử lý LCD 50 Hình 5.1 Board mạch điều khiển trung tâm 51 Hình 5.2 Module Simcom908 52 Hình 5.3 iều khiển thiết bị qua SMS 53 Hình 5.4 Test chức áo tr m 53 Hình 5.5 test chức RFID 54 D NH MỤC BẢNG SỐ LI U Bảng 2.1 ặc tích kỹ thuật Sim908C 16 Bảng 3.1 èn trạng thái netlight 31 D NH MỤC TỪ VIẾT TẮT GSM Global System Mobile Communication Hệ thống truyền th ng i đ ng toàn cầu A-GPS Assisted Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu sử d ng thêm thông tin trợ giúp D-GPS Different Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu vi sai GPRS General Packet Radio Service Dịch v vơ tuyến gói tổng hợp GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu TCP Transmition Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận IP Internet Protocol Giao thức dùng cho mạng internet LAN Local Area Network Mạng c c b OSI Open Systems Interconnection Reference Mơ hình tham chiếu kết nối hệ thống Model mở Hệ tăng vùng r ng WAAS Wide Area Augmentation System ASCII American Standard Code for Information Chuẩn mã trao đổi thơng tin Hoa Kì Interchange UART Universal Asyncronous Receiver Transmitter Truyền thông nối tiếp kh ng đồng b USART Universal Syncronous Asyncronous Receiver Transmitter Truyền thông nối tiếp đồng b /không đồng b RFID Radio Frequency Identification Công nghệ nhận dạng dùng tần số Radio API Application Programming Interface Hàm giao tiếp lập trình sẵn C TỔNG QU N VỀ ĐỀ TÀI 1.1 G t ệu t 1.1.1 Bố Tự đ ng hóa, năm gần khái niệm trở nên quen thu c khơng cịn khái niệm sử d ng lĩnh vực chuyên môn kỹthuật đặc thù Tự đ ng h a g p mặt lĩnh vực từ sản xu t ph c v cu c sống ngày M c tiêu công nghệ tự đ ng hóa xây dựng m t hệ thống mà trung tâm người, đ người thực việc đặt yêu cầu thao tác thực yêu cầu đ tùy theo lĩnh vực, trình đảm nhận hệ thống kỹ thuật đặc trưng Hệ giải phóng sức lao đ ng người, nâng cao hiệu sản xu t Trên giới, hệ thống thông minh, tự đ ng điều khiển áp d ng từ r t sớm cho th y đ ng g p quan trọng phủ nhận Việc xây dựng cơng trình ngày gần thiếu việc triển khai, áp d ng hệ thống tự đ ng Với cơng trình xây dựng công nghiệp dân d ng, hệ thống kỹthuật tự đ ng gọi chung hệ thống tự đ ng h a tòa nhà đ ng m t vai trị quan trọng việc trì m t điều kiện làm việc lý tưởng cho c ng trình cho người thiết bị hoạt đ ng bên cơng trình M t hệ thống tự đ ng hồn chỉnh cung c p cho cơng trình giải pháp điều khiển, quản lý điều kiện làm việc nhiệt đ đ ẩm lưu th ng kh ng khí chiếu sáng, hệ thống an ninh, báo cháy, quản lý hệ thống thiết bị kỹthuật, tiết kiệm lượng tiêu th cho cơng trình, thân thiện với môi trường Ở Việt Nam, năm gần kh ng kh để nhận đ ng g p hệ thống tự đ ng cơng trình cơng nghiệp dân d ng Những khái niệm quản lý tòa nhà, tiết kiệm lượng cơng trình, bảo vệm i trường… kh ng cịn q mẻ Tuy nhiên, mức đ áp d ng hệthống nói chung có giới hạn chưa thực sâu r ng iều thay đổi nhanh chóng năm tới nhịp đ xây dựng cơng trình đại ngày cao, hệ thống tự đ ng hóa tịa nhà ngày c lực đ tin cậy lớn lợi ích việc áp d ng hệ thống ngày rõ nét Tự đ ng hóa nhà ngày trở nên c p thiết nhu cầu quản lý hoạt đ ng nhà tự đ ng thông minh, hệ thống an ninh, kiểm soát truy cập, hệ thống điều khiển ánh sáng, hệ thống kiểm soát nhiệt đ đ ẩm điều khiển từ xa tin nhắn S S… nhu cầu t t yếu nhà thông minh thời đại Tự đ ng h a điều khiển chiếu sáng người vận hành lập sẵn lịch hoạt đ ng chiếu sáng cho khu vực nh t định, cho thời điểm nh t định hư khu hành lang nơi thường xuy n c người qua lại, hệ thống tự đ ng bật sáng khu vực đ thời gian làm việc Những khu vực nhạy cảm v n đề an ninh, hệ thống tự đ ng bật sáng khu vực đ đ m chiếu sáng tăng cường thời điểm nhạy cảm Xu t phát từ ý tưởng tình hình thực tế trên, em chọn đề tài: “Thi t k hệ thống tự ộ đồ án tốt nghiệp 1.1.2 G t ệu u n giám sát nhà thông minh” cho t T n đề tài: “T uv RM v ứ dụ u tr thơng minh” M c tiêu: + Tìm kiếm giải pháp mang tính hệ thống + Thiết kế thiết bị đầu cuối nhận nhiệm v nhận truyền liệu 1.1.3 Yêu c u ĩ t uật ệ t ố - Kiểm sốt vào thẻ RFID, thơng báo cho chủ nhà biết vào cửa - Hiển thị hình LCD thơng tin hệ thống - Giám sát giá trị nhiệt đ đ ẩm nhà cảnh áo vượt ngưỡng - Giám sát chuyển đ ng cảnh báo có tượng xâm nhập trái phép qua SMS - iều khiển thiết bị đèn nhà qua tin nhắn SMS - iều khiển đèn cổng dựa cảm biến hồng ngoại 1.2 C sở lý t uy t 1.2.1 RFID M t hệ thống RFID toàn diện bao gồm bốn thành phần: - Thẻ RFID lập trình điện tử với thông tin nh t - Các reader sensor (cái cảm biến) để truy v n thẻ - Anten Hardware Requirements SysTick timer or other hardware timer Thread context switch time < 2.6 us - 72 MHz Interrupt lockout time Not disabled - ể c u hình cho RTX ta c u hình ile RTX_Conf_CM.C 4.1.2 Yêu c u, c ức ă Với mô hình hệ thống hình 4.1 y u cầu phần mềm nhúng phải đảm bảo:   Thực việc giao tiếp với Simcom908 thông qua tập lệnh AT Nhận gia công chuỗi tin nhắn SMS để l y th ng tin điều khiển từ Sim908C  Xử lý đa nhiệm với luồng chạy đ c lập nhau, thời gian thực RTOS Hình 4.5 Mơ hình hệ thống điều khiển giám sát nhà thông minh 44 4.1.3 Lưu ả t uật 4.1.3.1 Lưu đồ thuật toán nhúng vi điều khiển Start hởi tạo Thread DS18B20 RESET Thread SMS Thread HB100 Bật Simcom? NO NO Thread LCD Thread RFID Có mailbox LCD? YES Thread light 1000ms NO YES YES NO Trích mẫu nhiệt đ C người lạ đ t nhâp? NO NO C tin nhắn SMS? Mã RFID? Cường đ ánh sáng? YES YES NO Bật LCD, đèn hiệt đ > 40 Or hiệt đ 40 Or hiệt đ