4.4.1. Thủ tục phát tin TXD
- Thiết bị đầu cuối (hay máy vi tính) gởi tín hiệu DTR ( Data Terminal Ready (Sự sẵn sàng của thiết bị đầu cuối có số liệu) ) mức thấp cho Modem báo nó sẵn sàng.
- Modem gởi trả lời thiết bị đầu cuối (TBĐC) bằng tín hiệu DSR (Data Set Ready) mức thấp. Thông thƣờng, modem đƣợc đóng mạch nguồn nuôi bởi DTR và báo hiệu đã đóng mạch bởi DSR.
- Nếu thiết bị đầu cuối có một ký tự (Character) sẵn sàng gởi đi, nó gởi RTS (Request To Send - yêu cầu gởi) mức thấp cho Modem.
- Modem gởi tín hiệu CD (Carrier Detect - phát hiện sóng mang) cho TBĐC để báo rằng nó đã liên lạc đƣợc với máy vi tính.
- Khi Modem đã hoàn toàn sẵn sàng phát số liệu lên đƣờng dây, nó phát xung nhịp (Modem Clock) và tín hiệu CTR (Clear To Send) tới thiết bị đầu cuối.
- TBĐC gởi các ký tự số liệu (SUD) TXD cho Modem.
- Khi thiết bị đầu cuối gởi xong số liệu, nó nâng mức RTS lên cao báo cho Modem là đã phát xong .
- Modem trả lời thiết bị đầu cuối bằng cách kết thúc tín hiệu CTS về mức cao, báo đã hoàn thành việc truyền tin TXD.
4.4.2. Thủ tục nhận tin TXD
Khi một thiết bị đầu cuối nhận tin nối tiếp từ đƣờng dây, trình tự diễn ra nhƣ sau:
- TBĐC thu gởi DTR mức thấp cho modem báo sẵn sàng. - Modem thu giữ trả lời bởi DSR.
- Modem thu nhận tín hiệu CD từ đƣờng dây và kích thích phát tín hiệu nhịp modem (Modem Clock) cho tín hiệu thu.
- Modem nhận tín hiệu RTS và phát CTS mức thấp cho thiết bị đầu cuối thu biết modem sẵn sàng nhận tin.
- Modem nhận tín hiệu TXD đã điều chế ở trên đƣờng dây đƣa vào bộ giải điều chế và truyền chuỗi tín hiệu RxD cho thiết bị đầu cuối thu.
- Khi thu xong, TBĐC thu nâng RTS lên cao báo cho modem biết việc thu một lời tin đã xong.
CHƢƠNG 5: HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI MÔI TRƢỜNG DỰA TRÊN MẠNG GSM
5.1. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỤ THỂ
Tìm hiểu một cách khái công nghệ GSM. o Để có một cái nhìn tổng quan công nghệ GSM.
o Biết phƣơng hƣớng để nghiên cứu và giải quyết vấn đề. o Vạch kế hoạch cho bản thân để dần thực hiện.
o Tìm hiểu một số nguyên lý làm việc của chúng để lấy làm kiến thức và kinh nghiệm cho sau này.
Tìm hiểu về Module Sim900D. Thiết kế mạch.
Tiến hành gia công.
Thử nghiệm và sửa chữa mạch. Hoàn thiện đề tài.
5.2 PHƢƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU
Trong thiết kế thiết bị, yêu cầu sử dụng các phần mềm thông dụng sử dụng trong thiết kế và chế tạo mạch bao gồm:
- Proteous: Phần mềm mô phỏng
- Phần mềm vẽ mạch in Altium hoặc Orcad
- Phần mềm viết code cho vi xử lý. Có thể là AVR Studio hoặc các phần mềm tƣơng tự khác
- Phần mềm trên máy sử dụng Visual Studio để thực hiện lập trình.
Giới thiệu một số phần mềm sử dụng trong đề tài (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
5.2.1 Phần mềm mô phỏng mạch Proteous Proteous
Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chƣơng trình điều khiển cho các họ vi điều khiển nhƣ MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm bao gồm 2 chƣơng trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in.
5.2.2 Phần mềm vẽ mạch Altium.
Altium là phần mềm vẽ mạch thông dụng và phổ biến. Altium có những điểm mạch sau:
- Phần nguyên lý (Schematic):
o Hỗ trợ nhiều tính năng ( gióng linh kiện thẳng hàng, kéo nhiều đƣờng mạch cùng một lúc, thiết kế một mạch lớn và quản lý theo chiều sâu, ....)
o Chuyên nghiệp hơn
o Có thể chuyển từ Orcad, autocad, ...sang Altium - Phần mạch in ( PCB)
o Cực kì mạnh với các công cụ hỗ trợ
o Giao diện trực quan, hỗ trợ 3D o Quản lý dễ dàng
5.2.3 Phần mềm viết code AVR Studio.
AVR Studio là một bộ phần mềm do hãng ATmel phát triển sử dụng cho việc soạn thảo và biên dịch chƣơng trình dành cho các vi điều khiển thuộc họ AVR bằng ngôn ngữ C và Assembly. Hiện AVR Studio đã phát triển đến phiên bản 6 (gọi là ATmel Studio. AVR Studio chạy trên môi trƣờng Windows, giao diện dễ sử dụng. AVR Studio có đầy đủ các công cụ
quản lý project, soạn thảo source files, tích hợp sẵn trình biên dịch hợp ngữ, chƣơng trình nạp, hỗ trợ chạy mô phỏng và debug chƣơng trình.
5.2.4 Phần mềm viết chƣơng trình Visual Studio C# 2010 Express. Visual Studio C# 2010 Express.
Hình 5.3. Phần mềm altium
Hình 5.4. Phần mềm AVR Studio 6
Hình 5.5.Phần mềm Visual C# 2010 Express
Bộ Visual Studio C# 2010 Express của Microsoft là phiên bản thu gọn của Bộ Visual Studio 2010. Đây là phiên bản miễn phí, cung cấp đầy đủ các
công cụ trong lập trình C# rất phù hợp với ngƣời mới bắt đầu tìm hiểu môi trƣờng lập trình trên .NET Framework.
5.2.5 Phần mềm nạp code IC Prog.
Hình 5.5. Phần mềm nạp code IC Prog
Đây là phần mềm chuyên dụng dùng để nạp code cho rất nhiều loại Vi điều khiển
5.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
5.3.1. Xây dựng phƣơng án kết nối mạng GSM
Phƣơng án 1 :
Dùng bộ GSM MODEM Sim900A: Thích hợp cho lập trình tập lệnh AT dễ dàng và đầy đủ tính năng cho lập trình với lệnh AT.
Hình 5.6. Mặt trước, mặt sau và anten của Sim900A Phƣơng án 2 :
Dùng điện thoại di động có hỗ trợ RS232 (chức năng USB MODEM) để kết nối tới Vi điều khiển và máy tính. Việc lập trình cho USB MODEM cũng tƣơng tự nhƣ GSM MODEM nhƣng có hạn chế hơn vì một số loại điện thoại hỗ trợ USB MODEM nhƣng không hỗ trợ lệnh AT.
Hình 5.7.Điện thoại di động có hỗ trợ RS232
Lựa chọn phƣơng án 1: Chọn Modul Sim900A. Vì tính chuyên (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
nghiệp và hỗ trợ đầy đủ tính năng cho lập trình với lệnh AT.
5.3.2 Thiết kế phần cứng
Khối nguồn cho Vi điều khiển và nguồn cho Module Sim900A
Hình 5.8 : Khối nguồn
- Tạo ra điện áp 5VDC ổn định làm nguồn nuôi của bộ điều khiển, tạo ra nguồn nuôi Module Sim900A.
- Nguyên lý hoạt động: Điện áp 9-12VDC từ Adapter qua nút nhấn On/Off rồi chia làm 2 nhánh:
Nhánh 1 2 qua IC LM2576-5 cho ra điện áp 5VDC đƣợc lọc và ổn định nhờ tụ C3,C4 và đƣợc đƣa vào bộ điều khiển.
Nhánh 2 qua IC LM2576 (out: 1,23 - 35V, 3A, ổn định và tự bảo vệ quá dòng), qua diode xung, cuộn dây và tụ để lọc và ổn định. Biến trở điều chỉnh điện áp đầu ra, điện áp này dùng riêng cho Module Sim900D.
Có 2 cách lấy nguồn cho Module Sim900A:
+ Cách 1: Lấy nguồn từ Adapter, không kết nối Pin Lithion tới mạch. + Cách 2: Lấy nguồn từ Pin Lithion 3,7V.
Khối điều khiển trung tâm (Sử dụng ATmega 8)
- Sơ đồ mạch :
Hình 5.9 : Khối vi điều khiển
- Chức năng: Đây là khối điều khiển trung tâm. Khối này chịu trách nhiệm nhận dữ liệu về và xuất dữ liệu điều khiển.
- Nguyên lý hoạt động:
Khi cấp nguồn điện 5VDC vào vi điều khiển thì điện áp tại chân Reset là 5VDC tức ở trạng thái “1”, đồng thời dòng điện sẽ đƣợc đƣa vào các đầu IN/OUT của nó.
Khi nguồn điện ổn định thì trạng thái ở các chân của vi điều khiển đƣợc xác định và bộ tạo xung hệ thống (thạch anh) hoạt động, cung cấp xung hệ thống cho vi điều khiển hoạt động.(Dao động nội at8 này dùng 8Mhz)
Atmega 8 là chíp đƣợc nạp chƣơng trình điều khiển, phụ thuộc vào chƣơng trình điều khiển mà trạng thái các chân của Vi điều khiển sẽ thay đổi theo để nhận hay xuất tín hiệu.
Các chân nạp để kết nối với máy tính nạp chƣơng trình cho Vi điều khiển. Khối tạo xung gồm thạch anh và hai tụ pi lắp nhƣ trên tạo dao động hệ thống cho Vi điều khiển.
Khối nút nhấn reset rất quan trọng khi ta nhấn nút này thì chân reset của ATmega 8 sẽ ở trạng thái “0“ và lúc này con trỏ chƣơng trình trong chip sẽ đƣợc reset về vị trí ban đầu.
Khối Sim900A
- Sơ đồ mạch:
- Chức năng: gửi, nhận tin nhắn, nhận cuộc gọi và gọi điện. Truyền nhận dữ liệu qua hai chân Rx và Tx.
- Nguyên lý hoạt động:
Nguồn cấp cho Sim900A qua chân VBAT và GND hoạt động phải ổn định. Sim900A hoạt động tốt trong dải điện áp từ 3,4V đến 4,5V. Khi có thẻ Sim, ta bật nguồn sẽ tốn năng lƣợng để Sim900A dò mạng.
Các chân DBG_TXD, DBG_RXD, RXD, TXD, DCD, DTR, RTS, RI, CTS là các chân hỗ trợ giao tiếp nối tiếp. Trong đó ta sử dụng hai chân RXD và TXD để giao tiếp với ATmega 32 (qua tập lệnh AT Command) trong việc truyền nhận dữ liệu.
Chân Status để báo tình trạng Modul (qua LED).
Chân LetLight để báo tình trạng kết nối mạng (qua LED).
Chân PWRKey đƣợc nối với nút nhấn (rồi nối xuống mass) để khởi động và tắt nguồn Sim.
Các chân Sim_Data, Sim_CLK, Sim_RST, Sim_VDD đƣợc nối với SimCard để thu phát tín hiệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các chân DISP_CS, DISP_CLK, DISP_D/C, DISP_DATA để hỗ trợ giao tiếp bên ngoài (LCD).
Các chân MIC và SPK là các chân vào ra, hỗ trợ giao tiếp Audio
Khối phụ kiện (LED báo, Speaker, Jack, Microphone)
- Sơ đồ mạch:
Hình 5.11: Khối ngoại vi
- Chức năng: Tạo Jack cắm nối tới các Module và báo tình trạng hoạt động của Module.
- Nguyên lý hoạt động:
LED Status (LED đỏ) để báo tình trạng Modul, khi dò mạng LED sẽ nháy liên tục, khi dò xong sẽ nháy chậm đều.
LED LetLight (LED xanh) để báo tình trạng kết nối mạng. Khi chƣa có mạng thì LED tắt, Khi có mạng thì LED sáng.
Speaker để báo khi có cuộc gọi đến. Với Sim900D thì không hỗ trợ chân Buzzer nên ta nối với một chân của Vi điều khiển để báo.
Khối cảm biến
Mạch cảm biến
Hình 5.12: Mạch cảm biến nhiệt độ
Sensor
Mạch đo nhiệt độ sử dụng sensor LM35 của TI. Đầu ra của sensor là giá trị điện áp với tỷ lệ: 10mV/10
C Mạch vào
Mạch vào đƣa mức điện áp đầu ra của sensor về điện áp tiêu chuẩn trƣớc khi đƣa vào bộ ADC
ADC (Analog digital converter)
Bộ ADC là bộ chuyển đổi điện áp từ tƣơng tự (liên tục) sang số (rời rạc) để bộ xử lý có thể xử lý đƣợc. Bộ ADC đƣợc tích hợp sẵn trong vi điều khiển Atmega16 mà luận văn lựa chọn sử dụng
Khối giao tiếp máy tính
Hình 5.13. Mạch kết nối RS232 giữa PC và Vi điều khiển
Hình 5.15 Các sản phẩm minh họa
Khối xử lý trung tâm và giao tiếp với PC
5.3.3 Các kết quả đo đạc thử nghiệm. +Lần đo thứ nhất: +Lần đo thứ nhất:
Ở lần đo này khối đo đạc và lấy dữ liệu (Có cảm biến nhiệt độ) sẽ đo nhiệt độ môi trƣờng tại thời điểm đó là 25oC. Kết quả sẽ đƣợc update( cập nhật) về Khối xử lý trung tâm và giao tiếp với PC.
Khối đo đạc và lấy dữ liệu Khối xử lý trung tâm và giao tiếp với PC
+Lần đo thứ hai:
Nhiệt độ tại thời điểm này khối đo đạc và lấy dữ liệu (Có cảm biến nhiệt độ) sẽ đo nhiệt độ môi trƣờng là 33oC. Kết quả sẽ đƣợc update( cập nhật) về Khối xử lý trung tâm và giao tiếp với PC.
Khối đo đạc và lấy dữ liệu Khối xử lý trung tâm và giao tiếp với PC
+ Dữ liệu lƣu trữ trên PC bằng các file .log theo từng ngày, từng tuần, từng tháng từng năm.Dùng làm cơ sở để trích xuất vẽ đồ thị, bảng biểu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN
Kết luận
Thông qua việc nghiên cứu đề tài ứng dụng công nghệ mạng di động cho việc giám sát các tham số môi trƣờng đã tạo điều kiện để em tìm hiểu về vi điều khiển, các thiết bị GSM, các cảm biến đo đạc… đồng thời đã mở ra cho em nhiều ý tƣởng mới để em có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển các đề tài khác có liên quan đến giám sát, đo đạc, các thiết bị cảnh báo, các thiết bị lƣu trữ và công nghệ mạng di động.
Hệ thống giám sát các tham số môi trƣờng sử dụng công nghệ mạng di động đã phần nào mở rộng đƣợc phạm vi điều khiển, phạm vi cảnh báo. Tại một một nơi có thể giám sát, điều khiển quản lý, theo dõi nhiều nơi khác. Hệ thống đƣợc thiết kế để có thể lắp ráp, tích hợp các thiết bị, tính năng này giúp hệ thống có thể phát triển dễ dàng hơn.
Tuy nhiên việc kết nối cũng nhƣ điều khiển các thiết bị GSM cũng không dễ, đa số các module GSM đều thiết kế nhỏ gọn, khó khăn trong việc kiểm tra, đo đạc và gỡ lỗi.
Hƣớng phát triển đề tài
Hệ thống giám sát các tham số môi trƣờng sử dụng công nghệ mạng di động là một hệ thống có tính ứng dụng cao và có khá nhiều tính năng ƣu việt. Với chức năng điều khiển, cảnh báo từ xa nên hệ thống có thể thông báo tình hình một cách chính xác tới ngƣời dùng. Hệ thống này có kích thƣớc nhỏ gọn, dễ lắp đặt, dễ vận chuyển nên có thể lắp đƣợc ở nhiều nơi nhƣ trong phòng, trong nhà kho, phòng máy, phòng ban…
Hế thống có thể đƣợc mở rộng các chức năng và phạm vi ứng dụng khi lắp ráp thêm các cảm biến đo đạc và các thiết bị ngoại vi khác. Cụ thể, nếu hệ thống tích hợp cảm biến báo khói thì hệ thống có thể dùng để cảnh báo cháy. Thay thế cảm biến đo nhiệt độ bằng cảm biến khí ga thì có thể sử dụng để cảnh báo khí ga. Tích hợp các cảm biến khác nhƣ cảm biến đo xung, đo tốc độ động cơ, đo áp xuất, đo tốc độ gió… có thể ứng dụng để giám sát và quản lý tàu biển hoặc nếu tích hợp cảm biến đo độ ẩm, đo điểm đọng sƣơng, đo tốc độ gió có thể ứng dụng trong nông nghiệp.
Dƣới sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, mạng thông tin di động ngày càng đƣợc mở rộng và phát triển (2G, 3G và 4G). Bằng cách sử dụng module GSM hỗ trợ các công nghệ mạng di động tiến tiến, hệ thống có thể truyền nhiều dữ liệu hơn, giá thành rẻ hơn, tốc độ truyền nhanh hơn và an toàn hơn
Hệ thống cũng có thể mở rộng phạm vi ứng dụng khi tích hợp các thiết bị truyền nhận dữ liệu khác. Tích hợp các module truyền nhận dữ liệu qua mạng Internet, dữ liệu có thể đƣợc truyền lên máy tính sau đó lƣu trữ trên các máy chủ. Khi cần xem dữ liệu thì ngƣời dùng chỉ cần truy cập vào các máy chủ là có thể lấy đƣợc dữ liệu, điều này cho phép mở rộng phạm vi giám sát. Điều khiển thiết bị qua mạng Internet cũng có nhiều ƣu điểm, khả năng điều khiển, cảnh báo cũng phong phú, đa dạng và đƣợc hỗ trợ nhiều hơn.
Trên đây là phần trình bày toàn bộ cơ sở lý thuyết và nguyên lý thiết kế của hệ thống giám sát các tham số môi trƣờng. Luận văn đã mô tả chi tiết phƣơng án
thiết kế, quy trình thiết kế chi tiết của hệ thống bao gồm cả thiết bị và phần mềm. Đồng thời, luận văn cũng đã thiết kế minh hoạ một hệ thống đơn giản để minh họa.
Tuy tác giả đã có nhiều cố gắng nhƣng do kiến thức cũng nhƣ thời gian không cho phép nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong hội đồng đóng góp, chỉnh sửa giúp luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Atmega8, Atmel Corp, www.atmel.com.
[2] NMEA Specification, National Marine Electronics Association..
[3] Vũ Đức Thọ, Tính toán mạng thông tin di động số CELLULAR, Nhà xuất bản giáo dục, Hà Nội 1999.
[4] http://www.wikipedia.org, Truy cập cuối cùng ngày 15/03/2015
[5] Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình thông tin di động thế hệ 3, Nhà xuất bản Bƣu Điện, Hà Nội 2004.