Nguyên lý hoạt động

4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?

3.3 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống vườn thông minh.

16 Nguyên lý hoạt động:

Bình thường toàn bộ hệ thống ở chế độ auto. Ở chế độ này thì vi điều khiển trung tâm sẽ nhận tín hiệu từ các cảm biến và đưa ra giải pháp cho phù hợp theo chương trình lập trình như cây tại vị trí nào đó bị thiếu nước thì nước sẽ được tự động bơm vào, hay vào những ngày trời âm u thì cường độ ánh sáng cần cho cây bị thiếu thì sẽ được bật đèn để tăng cường độ ánh sáng.

Khi xảy ra sự cố cảm biến sẽ gửi dữ liệu về vi điều khiển và từ vi điều khiển sẽ gửi dữ liệu để cảnh báo về chủ khu vườn để khắc phục kịp thời. Không làm ảnh hưởng xấu đến cây trồng.

CHƯƠNG 4

CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG

4.1 Arduino Mega 2560

4.1.1 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thật sự đã gây sóng gió trên thị trường cho mảng người dùng tự chế ra sản phẩm riêng của mình trên thế giới trong vài năm gần đây. Sự phát triển của Arduino được ví giống sự thành công cùa điện thoại thông minh Apple trong thị trường thiết bị số. Số lượng người dùng lớn và số lượng các ứng dụng được phát triển từ Arduino cao đã làm cho ngay cả những người sáng lập ra cũng ngạc nhiên.

Hình 4.1: Những thành viên sáng lập

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu

tiên.Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.

4.1.2 Giới thiệu về board Arduino Mega2560

Arduino Mega 2560 là một bo mạch được thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển công suất thấp 8-bit CMOS AVR Atmega2560. Có 54 ngõ vào/ra số, 16 ngõ vào analog, thạch anh 16 MHz , kết nối USB, 1 jack cắm điện, header ICSP, và một nút reset. Nó cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính bằng cáp USB hoặc một adapter AC-DC hoặc pin.

Vi điều khiển: ATmega2560

Điện áp hoạt động: 5V

Nguồn ngoài: 7-9V

Số chân Digital: 54 (15 chân PWM)

Số chân Analog: 16

Giao tiếp UART : 4 bộ UART

Giao tiếp SPI : 1 bộ ( chân 50 -> 53 ) dùng với thư viện SPI của Arduino

Giao tiếp I2C : 1 bộ

Ngắt ngoài : 6 chân

Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB sử dụng cho Bootloader

SRAM: 8 KB

EEPROM: 4 KB

Xung clock: 16 MHz

Bảng 1: Các thông số chi tiết của Arduino Mega2560

4.1.3 Nguồn cấp

Arduino Mega được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc một nguồn cung cấp điện bên ngoài như adapter AC-DC hoặc pin. Nguồn điện được chọn tự động. Arduino có thể hoạt động trên một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6 đến 20V. Tuy nhiên, nếu được cung cấp ít hơn 5V, Arduino có thể hoạt động không ổn định. Nếu sử dụng nhiều hơn 12V, Arduino bị quá nóng và làm hỏng các linh kiện. Phạm vi đề nghị là 7 đến 12V.

Chức năng một số chân tại vùng cấp nguồn: V-in: Điện áp đầu vào Arduino.

5V: Nguồn quy định cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board. 3V3: Điện áp ngõ ra 3.3V. Dòng điện là 50mA.

GND: Chân được nối đất.

AREF: Điện áp tham chiếu cho ngõ vào tương tự.

4.1.4 Các cổng vào ra

Arduino Mega có 54 ngõ vào/ra tín hiệu số sử dụng như một ngõ vào hoặc ngõ ra, trong đó có 15 ngõ có thể xuất xung PWM. Mỗi ngõ vào/ra hoạt động ở 5V và có điện trở nội kéo lên (mặc định ban đầu là chưa hoạt động). Mỗi ngõ vào/ra có thể cung cấp hoặc nhận được tối đa 40mA .

Serial: 0 (RX) và 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) và 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) và 16

(TX); Serial 3: 15 (RX) và 14 (TX) .Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) TTL

dữ liệu nối tiếp.

PWM: từ chân số 0 đến 13 cung cấp 8-bit đầu ra PWM dùng lệnh analogWrite ().

SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Những hỗ trợ chân SPI truyền thông bằng cách sử dụng thư viện SPI .

LED: 13. Có một LED kết nối kỹ thuật số chân 13. Khi pin là giá trị cao, đèn LED, khi pin là LOW.

Arduino Mega có 16 ngõ vào tương tự, từ A0 đến A15, cung cấp 10 bit độ phân giải (tức là 1024 giá trị khác nhau).

4.1.5 Cổng giao tiếp

Arduino Mega có một số cơ sở để giao tiếp với một máy tính, Arduino khác, hoặc vi điều khiển khác. ATmega2560 cung cấp UART TTL (5V) giao tiếp nối tiếp, trong đó có sẵn trên các chân số 0 (RX) và 1 (TX).

4.1.6 USB bảo vệ quá dòng

Arduino được trang bị các cầu chì điện tử resettable polyfuse - một linh kiện điện tử thụ động chống quá dòng để bảo vệ cổng USB của máy tính của bạn khi quá dòng. Mặc dù hầu hết các máy tính cung cấp bảo vệ bên trong nhưng cầu chì cung cấp thêm một lớp bảo vệ nữa. Nếu dòng điện hơn 500mA đi vào vào cổng USB các cầu chì sẽ tự động ngắt dòng điện.

4.2Module cảm biến siêu âm HC-SR04

Hình 4.3: Hình ảnh cảm biến siêu âm HC-SR04 Các thông số kỹ thuật: 1: Điện áp: DC 5V 2: Dòng điện:2mA 3: Output Level:5V 4: góc cảm ứng: không quá 15 độ 5: phát hiện khoảng cách: 2 cm -450cm 6: Độ chính xác cao: lên đến 0.3cm

Hình 4.4: Biều đồ xung SRF04

Ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn 10uS vào trigger để bắt đầu, sau đó các module sẽ gửi ra một chuỗi 8 chu kỳ sóng siêu âm ở 40 kHz và tăng cường tín hiệu của nó. Echo là một đối tượng tính khoảng cách đo độ rộng xung và phạm vi theo tỷ lệ. Ta có thể tính toán được khoảng cách thông qua đo khoảng thời gian giữa việc gửi tín hiệu kích hoạt của trigger và tín hiệu nhận về từ echo.

Công thức:

us/58 (đơn vị cm) hoặc us/148 (đơn vị inch)

Tổng quát:

Phạm vi tổng quát= thời gian* vận tốc (340m/s)/ 2

4.3 Module cảm biến cường độ ánh sáng (LUX) BH1750

BH1750 sử dụng đơn giản và chính xác hơn nhiều lần so với dùng cảm biến quang trở để đo cường độ ánh sáng với dữ liệu thay đổi trên điện áp dẫn đến việc sai số

cao.Với cảm biến BH1750 cho dữ liệu đo ra trực tiếp với dạng đơn vị là LUX không cần phải tính toán chuyển đổi thông qua chuẩn truyền I2C.

Cường độ được tính như sau: + Ban đêm: 0.001 - 0.02 lx. + Trời sáng trăng: 0.02 - 0.3 lx + Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx. + Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx. + Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx. Tính năng chính:

Chuẩn kết nối i2C

+Độ phân giải cao(1 - 65535 lx ) +Tiêu hao nguồn ít.

+Khả năng chống nhiễu sáng ở tần số 50 Hz/60 Hz +Sự biến đổi ánh sáng nhỏ (+/- 20%)

+Độ ảnh hưởng bởi ánh sáng hồng ngoại rất nhỏ +Nguồn cung cấp : 3.3V-5V

+Kích thước board: 0.85*0.63*0.13"(21*16*3.3mm)

4.4 Module GSM/GPRS SIM 900 4.4.1 Giới thiệu tổng quan về GSM 4.4.1 Giới thiệu tổng quan về GSM 4.4.1.1 Khái niệm GSM

GSM là viết tắt của từ " Global System for Mobile Communication" - Mạng thông tin di động toàn cầu. Một trong những công nghệ về mạng điện thoại di động phổ biến nhất trên thế giới. Là tiêu chuẩn chung cho các thuê bao di động di chuyển giữa các vị trí địa lý khác nhau mà vẫn giữ được liên lạc. Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA (Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian). Đây là công nghệ cho phép 7 máy di động có thể sử dụng chung 1 kênh để đàm thoại, mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin.

4.4.1.2 Lịch sử phát triển của GSM

Vào đầu những năm 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực. Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hoá bởi (CEPT : European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu. Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi nhà khai thác Radiolinja ở Finland. Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu (European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các tiêu chuẩn, đặc tính của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990. Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia.

4.4.1.3 Cấu trúc mạng di động

Hình 4.6: Cấu trúc mạng thông tin di động

EIR ( Equipment Indentity Register) : Chứa số liệu phần cứng của thiết bị.

Trung tâm xác thực (AuC) là một cơ sở dữ liệu bảo vệ chứa bản sao các khoá bảo mật của mỗi card SIM, được dùng để xác thực và mã hoá trên kênh vô tuyến.

Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động. Hệ thống trạm gốc gồm có hai phần: Trạm thu phát gốc (BTS) và Trạm điều khiển gốc (BSC: là kết nối giữa trạm di động và tổng đài chuyển mạch di động MSC).

Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC), thực hiện việc chuyển mạch cuộc gọi giữa các thuê bao di động và giữa các thuê bao di động với thuê bao của mạng cố định.

Hệ thống trạm gốc ( Base Station Subsystem) điều khiển kết nối vô tuyến với trạm di động.

HLR bao gồm tất cả các thông tin quản trị cho các thuê bao đã được đăng ký của mạng GSM, cùng với vị trí hiện tại của thuê bao. Chỉ có một HLR logic cho toàn bộ mạng GSM mặc dù nó có thể được triển khai dưới dạng cơ sở dữ liệu phân bố.

Bộ ghi địa chỉ tạm trú (VLR) bao gồm các thông tin quản trị được lựa chọn từ HLR, cần thiết cho điều khiển cuộc gọi và cung cấp dịch vụ thuê bao, cho các di động hiện đang ở vị trí mà nó quản lý. Mặc dù các chức năng này có thể được triển khai ở các thiết bị độc lập nhưng tất cả các nhà sản xuất tổng đài đều kết hợp VLR vào MSC, vì thể việc điều khiển vùng địa lý của MSC tương ứng với của VLR nên đơn giản được báo hiệu.

4.4.2 Giới thiệu về module sim 900 4.4.2.1 Tổng quan về sim 900 4.4.2.1 Tổng quan về sim 900

Hình 4.7: Sim 900

Sim900 là một module GSM/GPRS cực kỳ nhỏ gọn, được thiết kế cho thị trường toàn cầu. Sim900 hoạt động được ở 4 băng tần GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz như là một loại thiết bị đầu cuối với một chip xử lý đơn nhân đầy sức mạnh, tăng cường các tính năng quan trọng dựa trên nền vi xử lý ARM926EJ-S, mang lại nhiều lợi ích từ kích thước nhỏ gọn (24x24 mm), đáp ứng những yêu cầu về không gian trong các ứng dụng M2M.

4.4.2.2 Sơ đồ chân Sim 900

4.4.2.3 Module sim 900

Hình 4.9: Module Sim 900 Thông số kĩ thuật:

Nguồn cấp: 3,5V - 4,5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino).

Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA.

Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A.

Kích thước: 2.5 cm x 3.1 cm.

Nhiệt độ hoạt động: -30oC đến 80oC.

Tốc độ GPRS: download đạt: 85.6kpbs; upload data: 42.8kpbs. Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực, lập trình bằng tập lệnh AT. Chức năng các chân:

VCC: Nguồn vào 5V. TXD: Chân truyền Uart TX. RXD: Chân nhận Uart RX. Headphone: Chân phát âm thanh.

Microphone: Chân nhận âm thanh (phải gắn thêm Micro từ GND vào chân này thì mới thu được tiếng).

GND: Chân Mass, cấp 0V.

4.4.2.4 Các chế độ hoạt động của module sim 900

GSM/GPRS SLEEP: Module sẽ tự động chuyển sang chế độ SLEEP nếu DTR được

thiết lập mức cao và ở đó không có ngắt phần cứng như ngắt GPIO hoặc dữ liệu trên port nối tiếp. Trong trường hợp này, dòng tiêu thụ của module sẽ giảm xuống mức thấp nhất.Trong suốt chế độ SLEEP, module vẫn có thể nhận gói tin nhắn hoặc SMS tự hệ thống.

GSM IDLE: Phần mềm tích cực. Module kết nối mạng GSM và module sẵn sàng gửi và nhận.

GSM TALK: Kết nối vẫn tiếp tục diễn ra giữa 2 thuê bao, nhưng không có dữ liệu được gửi hoặc nhận. Trong trường hợp này, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào thiết lập mạng và cấu hình GPRS.

GPRS STANDBY: Module sẵn sàng truyền dữ liệu GPRS, nhưng không có dữ liệu nào được gửi và nhận. Trong trường hợp này, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào thiết lập mạng và cấu hình GPRS.

GPRS DATA: Xảy ra việc truyền dữ liệu GPRS. Trong trường hợp này, năng lượng tiêu thụ liên quan tới việc thiết lập mạng ( mức điều khiển nguồn), tốc độ uplink/downlink và cấu hình GPRS (sử dụng thiết lập multi-slot).

4.4.2.5 Các tập lệnh AT test module sim 900

Các tập lệnh AT là các hướng dẫn được sử dụng để điều khiển một modem.AT là một cách viết gọn của chữ Attention. Mỗi dòng lệnh của nó bắt đầu với “AT” hay “at”. Đó là lý do tại sao các lệnh modem được gọi là các lệnh AT. Bên cạnh bộ lệnh AT thông dụng này, các modem GSM/GPRS và các điện thoại di động còn được hỗ trợ bởi một bộ lệnh AT đặc biệt đối với công nghệ GSM. Nó bao gồm các lệnh liên quan tới SMS như: AT+CMGS (gửi tin nhắn SMS), AT+CMSS (gửi tin nhắn SMS từ một vùng lưu trữ), AT+CMGL (liệt kê các tin nhắn SMS) và AT+CMGR (đọc tin nhắn SMS).

Tắt ứng dụng GSM của module SIM900: Các cách được sử dụng để tắt ứng dụng GSM của module SIM900:

Sử dụng chân PWRKEY (kéo mức thấp trong một khoảng thời gian ngắn. Module sẽ gửi thông báo: NORMAL POWER DOWN).

Sử dụng lệnh AT.

4.4.3 Tổng quan về tin nhắn SMS

SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tín nhắn giữa các điện thoại với nhau. Dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một tin nhắn SMS là rất giới hạn. Một tin nhắn SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy, một tin nhắn SMS chỉ có thể chứa:

160 kí tự nếu như mã hóa kí tự 7 bit được sử dụng.

70 kí tự nếu như mã hóa kí tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng.

Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau. Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung Quốc, Nhật bản và Hàn Quốc.

Một đặc tính nổi bật của SMS đó chính là sự báo nhận. Ưu điểm:

SMS có thể gửi và đọc bất cứ lúc nào.SMS có thể gửi khi máy nhận tắt.SMS được hỗ trợ 100% đối với thiết bị di động GSM, tin nhắn SMS là một công nghệ rất mạnh.Tất cả các thiết bị di động GSM đều hổ trợ chúng.

28 Khuyết điểm:

Một tin nhắn SMS chỉ có thể mang theo một khối lượng dữ liệu rất hạnh chế. Để khắc phục vấn đề trên một cách giải quyết được đưa ra là nối các SMS lại với nhau (và nó được hiểu là một SMS dài ). Một tin nhắn văn bản được nối lại có thể chứa hơn 160 ký tự tiếng Anh.

Cấu trúc tin nhắn:

Instructions to air inter face: Chỉ thị dữ liệu kết nối với air interface (giao diện không khí).

Instructions to SMSC: Chỉ thị dữ liệu kết nối với trung tâm tin nhắn SMSC

Chỉ tiêu về an toàn

Giới thiệu chung về Arduino