PIN Chức năng Mô tả
1 GND Chân mass.
2 VCC Chân cấp nguồn(3.3V).
3 CE Chân cho phép chip nhận hoặc truyền dữ liệu.
4 CSN
Chân chọn chế độ SPI, nếu lên mức cao cho phép truyền nhận, xuống mức thấp cho biết kết thúc giao dịch.
5 SCK Chân nhận xung clock SPI.
6 MOSI Chân nhận dữ liệu SPI. 7 MISO Chân truyền dữ liệu SPI.
8 IRQ Chân ngắt cho biết có dữ liệu đến.
2.8 KẾT LUẬN
Qua chương này nhóm thực hiện đã tìm hiểu được các đặc tính cơ bản của MSP430F5418A, những tính năng nổi bật của SIM900 trong các chức năng gửi, nhận tin nhắn SMS, MMS. Bên cạnh đó cũng nghiên cứu và sử dụng thành công camera UART JPEG OV0706. Đó là một thành công lớn.
Giao tiếp và sử dụng thành công EEPROM 25LC256 để lưu các thông số cài đặt của hệ thống. Ngoài ra nhóm thực hiện cũng đã giao tiếp giữa MSP430F5418A và module nRF24L01, góp phần cải thiện tính linh hoạt của hệ thống khi điều khiển các thiết bị điện trong nhà.
CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ
3.1 SƠĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG
Hình 3.1: Sơđồ khối toàn bộ hệ thống
Khối vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A sẽ điều khiển, đồng
thời xử lý các thông tin gửi về từ khác khối khác.
Module SIM900 dùng để gửi, nhận tin nhắn SMS, MMS và nhận cuộc
gọi đến trong chế độ điều khiển thiết bị qua DTMF.
EEPROM 25LC256 dùng để lưu dữ liệu cài đặt của hệ thống. Cảm biến PIR dùng để phát hiện khi có chuyển động.
Camera dùng để chụp ảnh khi phát hiện có chuyển động.
Module nRF24L01 dùng để truyền nhận RF để điều khiển các thiết bị. Khối Pin dự phòng sẽ giúp hệ thống tiếp tục hoạt động khi mất điện.
Vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A Module SIM900 Module nRF24L01 Cảm biến PIR Camera OV0706 Khối Công Suất Module nRF24L01 Điện thoại di động Thiết Bị EEPROM 25LC256 Nguồn cấp cho hệ thống VCC GND Pin dự phòng cho hệ thống VPin GND
3.2 CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG
3.2.1 Khối vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A
Vi điều khiển MSP430F5418A có bộ nhớ chương trình lớn(128KB) và bộ nhớ RAM lớn(16KB) sẽ là một thuận lợi cho việc nhận chuỗi dữ liệu lớn từ camera và module SIM900.
Ở trạng thái chờ, vi điều khiển sẽ ra lệnh cho camera, module SIM900 vào trạng thái Power saving đồng thời vi điều khiển cũng vào trạng thái tiết kiệm năng lượng(LPM3) nhằm tiết kiệm tối đa năng lượng giúp hệ thống có thể duy trì hoạt động lâu hơn khi sử dụng Pin.
Khi có cuộc gọi đến hay tin nhắn điều khiển từ người dùng hoặc tín hiệu từ cảm biến PIR truyền về, vi điều khiển sẽ thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng, đồng thời đánh thức module SIM900, sẵn sàng hoạt động.
Khi vi điều khiển nhận được tin nhắn hoặc cuộc gọi của người dùng, lập tức sẽ thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng sau đó đánh thức module SIM900 để đọc tin nhắn hoặc nhận/từ chối cuộc gọi và xử lý theo yêu cầu của người dùng.
Khi vi điều khiển nhận được tín hiệu từ cảm biến PIR, lập tức sẽ thoát
khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng sau đó đánh thức camera chụp một bức ảnh lưu vào RAM, đánh thức module SIM900 để gửi tin nhắn SMS, MMS cảnh báo đến người dùng.
Phần cấp nguồn cho vi điều khiển cũng là rất quan trọng, để vi điều khiển hoạt động được ổn định và chính xác, nhóm thực hiện thiết kế nguồn cho MSP430F5418A bằng cách sử dụng IC nguồn chuyên dụng từ TI, đó là IC UA78M33, với điện thế ngõ ra đạt chuẩn 3.3V, dòng cấp tối đa là 500mA, đảm bảo đủ khả năng cung cấp cho vi điều khiển hoạt động.
Hình 3.2 trình bày sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển trung tâm MSP430F5418A:
Hình 3.2: Sơđồ nguyên lý MSP430F5418A
3.2.2 Khối camera OV0706
Camera được sử dụng trong đề tài là một loại camera màu, có thể nén ảnh theo chuẩn jpeg nhằm giảm kích thước lưu trữ và đảm bảo quá trình truyền nhận được nhanh hơn. Có chuẩn giao tiếp UART đó là một lợi thế, giao tiếp này chỉ cần hai chân truyền(TXD) và nhận(RXD).
Khi hệ thống phát hiện có sự chuyển động thông qua cảm biến PIR, lập tức vi điều khiển trung tâm(MSP430F5418A) ra lệnh cho camera chụp lại một bức ảnh, sau khi chụp ảnh nội dung của ảnh được lưu trong bộ nhớ ROM của camera, sau đó vi điều khiển có thể đọc nội dung ảnh ra tại bất kì thời điểm nào.
Độ phân giải tối đa của camera là 640x480 và thấp nhất là 320x240, tùy vào ứng dụng mà chúng ta có thể cài đặt để được chất lượng ảnh tương ứng. Qua quá trình khảo sát nhóm thực hiện nhận thấy kích thước của bức ảnh mà camera chụp được chỉ có giới hạn từ 11KB – 13KB với độ phân giải cao nhất(640x480). Bên cạnh đó camera còn hỗ trợ tốc độ truyền lên đến 115200 bps với điều kiện nguồn
cấp là 5V, trong đề tài này, nhóm thực hiện sử dụng tốc độ mặc định của camera là 38400 bps.
Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật kiểm tra camera
Hình 3.3 mô tả cách thức kiểm tra camera OV0706 có hoạt động hay không. Sau khi cấp nguồn cho camera, camera sẽ trả về một chuỗi thông tin:
.Ctrl infr exist .User-defined sensor .625
.Init end .
Vi điều khiển sẽ chờ nhận chuỗi “.Init end”, nếu nhận được tiếp tục đợi 2-3s sau đó gửi lệnh chụp ảnh đến camera(56 00 36 01 00) sau đó đợi đáp ứng của camera(76 00 36 00 00), nếu nhận được đáp ứng từ camera thì đảm bảo camera có thể hoạt động bình thường.
Khi camera có thể hoạt động bình thường thì ta có thể gửi lệnh xuống để yêu cầu camera chụp một bức ảnh, sau khi chụp nội dung bức ảnh được lưu vào bộ nhớ của camera. Vi điều khiển có thể đọc nội dung ảnh này tại bất kì thời điểm nào sau đó nếu chưa có nội dung ảnh khác ghi đè lên.
Hình 3.4 mô tả quá trình để có một tấm ảnh từ camera, quá trình được mô tả thông qua lưu đồ giải thuật được đính kèm trong tài liệu kèm theo sản phẩm camera OV0706.
Power on
Init end(36 32 35 0D 0A 49 6E 69 74 20 65 6E 64 0D 0A) ?
Delay 2-3s and send take picture command
Timeout ? S
Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật chụp ảnh từ camera
Nội dung của file ảnh jpeg mà camera gửi về bắt đầu bằng 2 byte FF D8 và kết thúc bởi 2 byte FF D9. Sau khi chụp được một bức ảnh từ camera, lần lượt gửi lệnh đọc kích thước file rồi đến nội dung file. Trong lúc đọc nội dung file ảnh, điểm nhận biết kết thúc file chính là 2 byte FF D9, do vậy vi điều khiển sẽ kiểm tra mỗi lần đọc dữ liệu từ camera gửi về, nếu gặp 2 byte FF D9 thì kết thúc quá trình đọc, đồng thời gửi lệnh kết thúc chụp ảnh đến camera để sẵn sàng cho lần chụp tiếp theo.
3.2.3 Khối cảm biến PIR
Cảm biến chuyển động PIR được sử dụng trong đề tài có khoảng cách phát hiện chuyển động tối đa là 7m với góc quét là 1400. Khi chưa phát hiện chuyển
Take picture Send: 56 00 36 01 00 Return: 76 00 36 00 00 Send: 56 00 34 01 00 Return: 76 00 34 00 00 Send: 56 00 32 0C 00 0A 00 00 MH ML 00 00 KH KLXX XX Receive FF D9 ? Send: 56 00 36 01 03 Return: 76 00 36 00 00
Read Next Frame of Data
động tại ngõ ra tại chân out của cảm biến có mức tín hiệu 0(0V), khi có chuyển động thì tại ngõ ra chân out này có sự chuyển đổi mức từ 0V lên 3.3V, sự chuyển đổi mức này sẽ đánh thức vi điều khiển trung tâm(MSP430F5418A) thông qua ngắt ngoài của vi điều khiển.
Để tăng độ nhạy của cảm biến, ở đây nhóm thực tiến hành cài đặt thời gian trễ cho cảm biến ở mức nhỏ nhất là 5s để đảm bảo có thể phát hiện nhiều chuyển động liên tiếp.
3.2.4 Khối SIM900
Sơđồ nguyên lý mạch nguồn SIM900
Nguồn cung cấp đóng vai trò rất quan trọng trong sự hoạt động ổn định của module SIM900. Nếu nguồn cung cấp không tuân thủ những quy định nghiêm ngặt như trong datasheet, SIM900 rất dễ xảy ra lỗi. Nguồn cung cấp cho SIM900 là nguồn DC 3,4 – 4,5V. Dòng điện cung cấp phải lớn hơn hoặc bằng 2A trong lúc khởi động, khi SIM900 đã hoạt động ổn định, dòng cấp này có thể nhỏ hơn. Nếu dòng cung cấp không đủ, điện áp sẽ bị sụt xuống dưới mức yêu cầu và SIM900 không thể khởi động được. Điện áp cấp cho SIM900 tuyệt đối không được lớn hơn
dải điện áp cho phép (3,4 – 4,5V), nếu không SIM900 rất dễ cháy hoặc bị hư hại.
Nguồn 12V được đưa vào IC MIC29302 để tạo ra nguồn 4.0V cho khối SIM900.
Mạch được thiết kế dựa trên datasheet của IC nguồn, vấn đề quan tâm là phải tính toán giá trị của 3 điện trở R1, R2 và R3. Giá trị của 3 điện trở này sẽ quyết định điện áp ngõ tại chân 4 của IC MIC2902. Giá trị của R1 và R2 được cho trước(khuyến cáo trong datasheet của IC), từ đó tính toán được giá trị của R3:
Ω ≈ − Ω + Ω = ⇔ − + = R R V R K K V K R OUT 1) 100 240 . 1 4 ).( 33 10 ( 3 ) 1 240 . 1 ).( 2 1 ( 3 Module SIM900
Cấu trúc tin nhắn điều khiển:
• <CTRL><X> <khoảng cách><mật khẩu><khoảng cách><lệnh>
• <ALLON><khoảng cách><mật khẩu>
• <ALLOF><khoảng cách><mật khẩu>
• <CHAMK><khoảng cách><mật khẩu cũ><khoảng cách><mật khẩu mới>
• <PHONE><mật khẩu><khoảng cách><số điện thoại 1><khoảng cách><số điện thoại 2><khoảng cách><số điện thoại 3>
• <SOSON><khoảng cách><mật khẩu>
• <SOSOF><khoảng cách><mật khẩu>
Trong đó:
– CTRL là mã điều khiển từng thiết bị. – ALLON là mã điều khiển bật tất cả thiết bị. – ALLOF là mã điều khiển tắt tất cả thiết bị. – CHAMK là mã điều khiển để thay đổi mật khẩu.
– PHONE là mã điều khiển để đăng kí số điện thoại để hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo.
– SOSON là mã điều khiển để bật hệ thống báo động. – SOSOF là mã điều khiển để tắt hệ thống báo động. – X là thiết bị cần điều khiển(1,2,…).
– Mật khẩu là chuỗi 4 kí số do người dùng đặt(mặc định là 1234). – Lệnh là mã lệnh điều khiển bật hay tắt thiết bị, ON là bật, OFF là tắt.
3.2.5 Khối nRF24L01
Trong đề tài sử dụng hai module nRF24L01, một module ở board mạch chủ và một module ở board mạch điều khiển. Khi người dùng ra lệnh điều khiển thì module RF trên mạch chủ sẽ truyền tín hiệu RF đến module ở board mạch điều khiển để điều khiển các thiết bị.
Hình 3.7: Mô hình truyền nhận tín hiệu điều khiển qua module nRF24L01
Hai module nRF24L01 truyền nhận tín hiệu qua kênh truyền RF, để đảm bảo sự bảo mật cũng như tính ổn định của tín hiệu truyền nhận, ta phải định khung truyền nhận tín hiệu theo một tập lệnh đã được thống nhất giữa nơi truyền và nơi nhận.
Code C T R L X Y Y Byte 1 2 3 4 5 6 7
Code O K Byte 1 2
Hình 3.8: Cấu trúc khung dữ liệu truyền, nhận qua module nRF24L01
Module nRF24L01 ở board mạch chủ sẽ truyền đến module nRF24L01 ở board mạch điều khiển với cấu trúc khung truyền gồm 7 byte, trong đó:
– Bốn byte đầu: CTRL là mã lệnh điều khiển.
– Một byte tiếp theo: X là thiết bị cần điều khiển(X nằm trong khoảng từ 0 – 255).
– Hai byte cuối: YY là mã trạng thái ON hoặc OF, ON để điều khiển thiết bị bật, OF để điều khiển thiết bị tắt.
Sau khi lệnh được gửi đến module nRF24L01 ở board mạch điều khiển, nếu nhận đúng lệnh, đáp ứng sẽ là 2 byte(OK) gửi ngược lại cho module trên board mạch chủ để xác nhận. Module nRF24L01 trên board mạch chủ sẽ báo cáo với vi điều khiển trung tâm(MSP430F5418A) tình trạng điều khiển thành công.
nRF24L01 ở board mạch chủ
nRF24L01 ở
board điều khiển Mạch công suất Các thiết bị
Trường hợp nếu module nRF24L01 trên board mạch chủ không nhận được 2 byte xác nhận thì sẽ gửi lệnh lại 2 lần nữa, trong trường hợp xấu nhất, cả 3 lần gửi đều thất bại thì module nRF24L01 sẽ báo cáo với vi điều khiển trung tâm(MSP430F5418A) tình trạng không thể điều khiển được thiết bị.
3.2.6 Khối công suất
Hình 3.9: Sơđồ nguyên lý mạch điều khiển thiết bị
Trung tâm của mạch là một vi điều khiển MSP430G2111, vi điều khiển này sẽ giao tiếp với module nRF24L01 để truyền, nhận dữ liệu với module nRF24L01 trên board mạch chủ.
Phần công suất cấp cho các thiết bị sử dụng TRIAC BT138, có dòng cấp tối đa là 14A, hiệu điện thế tối đa là 400V, đáp ứng đủ yêu cầu cho điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn, quạt, TV, …
Để kích cho TRIAC dẫn điện, trong sơ đồ mạch dùng OPTO MOC3021, một loại OPTO chuyên dùng cho công việc điều khiển TRIAC.
Khi chưa có tín hiệu điều khiển các thiết bị thì các chân D1, D2 lên mức cao(3.3V), khi có thiết bị nào được bật thì chân kích tương ứng sẽ xuống mức thấp(Giả sử là chân D1), khi đó có dòng điện qua chân kích của MOC3021, dẫn đến có dòng điện chạy vào chân kích G của TRIAC, kết quả là TRIAC dẫn điện, thiết bị 1 hoạt động. Ngược lại khi chân D1 lên mức cao, MOC2031 không dẫn, chân G của TRIAC mất điện, TRIAC ngưng dẫn, thiết bị ngưng hoạt động.
3.2.7 Khối Pin dự phòng cho hệ thống
Để đảm bảo hệ thống mạch vẫn có thể tiếp tục hoạt động khi bị mất điện, nhóm thực hiện đã tích hợp thêm cho hệ thống một mạch pin dự phòng, Pin được sử dụng trong mạch là loại Pin Li-poly 11.1V, 2200 mAh.
Hình 3.10: Hình ảnh Pin Li-poly 11.1V-2200mAh
Mạch được trích từ “Mạch tự động sáng đèn khi mất điện” của kĩ sư Nguyễn Đức Ánh, trong sách Mạch điện lý thú, trang 177.
Bình thường khi có nguồn điện ngoài 12VDC thì điện áp tại chân B của Q1 vào khoảng 12V làm cho VBE = 0.9V, Q1 không dẫn kéo theo Q3 không dẫn, Pin trong trong trạng thái chưa được sử dụng. Khi nguồn ngoài 12VDC mất điện, lập tức điện áp tại chân B của Q1 xuống gần 0V làm cho Q1 dẫn, kéo theo Q3 dẫn, Pin cấp điện cho hệ thống tiếp tục hoạt động, điện áp được cung cấp tại chân Vout. Diode D1 có tác dụng ngăn dòng 1 chiều đi ngược lại từ nguồn Pin đến chân B của Q1.
3.2.8 Kết quả sau quá trình thực hiện
Các module trong hệ thống đã có thể giao tiếp với nhau một cách chính xác góp phần làm cho hệ thống hoạt động ổn định. Hệ thống được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, khoảng 9.5x6.5 cm.
Hệ thống có thể phát hiện chuyển động sau đó chụp lại ảnh và gửi tin nhắn cảnh báo đến người dùng, đáp ứng được yêu cầu đặt ra của đề tài. Bên cạnh đó hệ thống còn có thể nhận tin nhắn để điều khiển các thiết bị, có thể nhận cuộc gọi để điều khiển thiết bị qua DTMF, đó là một thế mạnh.
Hình 3.13: Hình ảnh thực tế của hệ thống
Một điểm mạnh của hệ thống là cần một nguồn cung cấp nhỏ. Khi hoạt động bình thường thì dòng cung cấp chỉ khoảng 120mA, thích hợp cho việc sử dụng Pin. Bảng 3.1 trình bày các thông số về điện năng tiêu thụ của hệ thống trong các trường hợp:
Bảng 3.1: Các thông sốđiện áp, dòng điện tiêu thụ của hệ thống MODE Điện áp Dòng điện Công suất