SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau. SMS xuất hiện đầu tiên ở Châu Âu vào năm 1992. Ở thời điểm đó, nó bao gồm cả các chuẩn về GSM (Global System for Mobile Communication). Một thời gian sau đó, nó phát triển sang công nghệ wireless như CDMA và TDMA. Các chuẩn GSM và SMS có nguồn gốc phát triển bởi ETSI (European Telecommunication Standards Institute). Ngày nay 3GPP (Third Generation Partnership Project) đang giữ vai trò kiểm soát về sự phát triển và duy trì các chuẩn GSM và SMS.
Như chính tên đầy đủ của SMS là Short Message Service, dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một SMS là rất giới hạn. Một SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy, một SMS có thể chứa:
160 ký tự nếu mã hóa ký tự 7 bit được sử dụng (phù hợp với mã hóa các ký tự latin như alphatet của tiếng Anh)
70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (dùng cho các ký tự không phải mã latin như chữ Trung Quốc…)
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 Arabic, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc…
Nội dung của 1 tin nhắn SMS khi được gửi đi chia làm 5 phần như hình 2.6:
Hình 2.6: Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS.
Instructions to air interface: 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. Instructions to handset: chỉ thị dữ liệu kết nối bắt tay
Instructions to SIM (optional): chỉ thị dữ liệu kết nối, nhận biết SIM. Ưu điểm của SMS
- Tin nhắn có thể được gửi và đọc tại bất kỳ thời điểm nào.
- Tin nhắn SMS có thể được gửi tới các điện thoại dù chúng đang bị tắt nguồn. - Ít gây phiền phức trong khi bạn vẫn có thể giữ liên lạc với người khác. - Được sử dụng trên các điện thoại di động khác nhau và có thể gửi cùng mạng hoặc khác mạng đều được.
- Phù hợp với các ứng dụng wireless sử dụng cùng với nó như: chức năng SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại sử dụng công nghệ GSM; có thể gửi nhạc chuông, hình ảnh…; hỗ trợ chi trả các dịch vụ trực tuyến download nhạc chuông. 2.4. Module SIM300CZ
Là module dùng để nhận và phát sóng GSM với thiết bị đầu cuối là máy tính hoặc vi điều khiển thông qua cổng truyền USART (tham khảo mục [3]).
Hình 2.7: Hình ảnh module SIM300CZ. 2.4.1. Các đặc điểm chính của module SIM300CZ
Truyền phát sóng GSM Tự động đặt tốc độ Baud Tự động tắt khi quá nhiệt
Chức năng nhận thẻ SIM tự động
Có chế độ ngủ (Sleep) tiết kiệm năng lượng
Yêu cầu cấp nguồn cho Module là 3.4 – 4.5V, dòng điện cực đại là 2A. 2.4.2. Tập lệnh AT của module Sim 300CZ
a. Các thuật ngữ
<CR>: Carriage return (Mã ASCII 0x0D). <LF>: Line Feed (Mã ASCII 0x0A). MT: Mobile Terminal - Thiết bị đầu cuối mạng (trong trường hợp này là modem). TE: Terminal Equipment - Thiết bị đầu cuối (máy tinh, hệ vi điều khiển).
b. Cú pháp lệnh AT
Khởi đầu lệnh: Tiền tố “AT” hoặc “at” Kết thúc lệnh: ký tự <CR>
Lệnh AT thường có một đáp ứng theo sau nó, đáp ứng có cấu trúc: “<CR><LF><Response><CR><LF>”.
Các bước khởi tạo trong hình 2.9 được trình bày chi tiết từng bước như sau: (1) ATZ<CR>
Reset modem, kiểm tra modem dã hoạt động bình thường chưa. Gửi nhiều lần cho đến khi nhận được chuỗi ATZ<CR><CR><LF>OK<CR><LF>.
(2) ATE0<CR>
Tắt chế độ echo lệnh. Chuỗi trả về có dạng ATE0<CR><CR><LF>OK<CR><LF>. (3) AT+CLIP=1<CR>
Định dạng chuỗi trả về khi nhận cuộc gọi. Thông thường, ở chế độ mặc định, khi có cuộc gọi đến, chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>RING<CR><LF>
Sau khi lệnh AT+CLIP=1<CR> đã được thực thi, chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>RING<CR><LF>
<CR><LF>+CLIP: "0929047589",129,"",,"",0<CR><LF>
Chuỗi trả về có chứa thông tin về số điện thoại gọi đến. Thông tin này cho phép xác định việc có nên nhận cuộc gọi hay từ chối cuộc gọi.
Kết thúc các thao tác khởi tạo cho quá trình nhận cuộc gọi. Các bước khởi tạo tiếp theo liên quan đến các thao tác truyền nhận tin nhắn.
(4) AT&W<CR>
Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh ATE0 và AT+CLIP vào bộ nhớ. (5) AT+CMGF=1<CR>
Thiết lập quá trình truyền nhận tin nhắn được thực hiện ở chế độ text (mặc định là ở chế độ PDU). Chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF>
(6) AT+CNMI=2,0,0,0,0<CR>
Thiết lập chế độ thông báo cho TE khi MT nhận được tin nhắn mới. Chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF>
Sau khi lệnh trên được thiết lập, tin nhắn mới nhận được sẽ được lưu trong SIM, và MT không truyền trở về TE bất cứ thông báo nào. TE sẽ đọc tin nhắn được lưu trong SIM trong trường hợp cần thiết.
(7) AT+CSAS<CR>
Lưu cấu hình cài đặt được thiết lập bởi các lệnh AT+CMGF và AT+CNMI. Thực hiện cuộc gọi:
Quá trình thực hiện cuộc gọi qua hình 2.10 được thể hiện chi tiết từng bước như sau: (1) ATDxxxxxxxxxx;<CR> Quay số cần gọi. (2) Chuỗi trả về có dạng: <CR><LF>OK<CR><LF>.
Chuỗi này thông báo lệnh trên đã được nhận và đang được thực thi. Sau đó là những chuỗi thông báo kết quả quá trình kết nối (nếu như kết nối không được thực hiện thành công).
(2A) Nếu MT không thực hiện được kết nối do sóng yếu, hoặc không có sóng (thử bằng cách tháo antenna của modem GSM), chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>NO DIAL TONE<CR><LF>
(2B) Nếu cuộc gọi bị từ chối bởi người nhận cuộc gọi, hoặc số máy đang gọi tạm thời không hoạt động (chẳng hạn như bị tắt máy) chuỗi trả về có dạng:
<CR><LF>NO CARRIER<CR><LF>
(2C) Nếu cuộc gọi không thể thiết lập được do máy nhận cuộc gọi đang bận (ví dụ như đang thông thoại với một thuê bao khác), chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>BUSY<CR><LF> (4s)
Tổng thời gian từ lúc modem nhận lệnh cho đến lúc nhận được chuỗi trên thông thường là 4 giây.
(2D) Nếu sau 1 phút mà thuê bao nhận cuộc gọi không bắt máy, chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>NO ANSWER<CR><LF> (60s)
(3) Trong trường hợp quá trình thiết lập cuộc gọi diễn ra bình thường, không có chuỗi thông báo nào (2A, 2B, 2C hay 2D) được trả về, và chuyển sang giai đoạn thông thoại.
Quá trình kết thúc cuộc gọi được diễn ra trong hai trường hợp: (4A) Đầu nhận cuộc gọi gác máy trước: chuỗi trả về sẽ có dạng: <CR><LF>NO CARRIER<CR><LF>
(4B) Đầu thiết lập cuộc gọi gác máy trước: phải tiến hành gửi lệnh ATH, và chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>OK<CR><LF> Nhận tin nhắn:
Mọi thao tác liên quan đến quá trình nhận tin nhắn đều được thực hiện trên 2 ngăn 1 và 2 của bộ nhớ nằm trong SIM trong hình 2.11:
(1) Đọc tin nhắn trong ngăn 1 bằng lệnh AT+CMGR=1.
(2A) Nếu ngăn 1 không chứa tin nhắn, chỉ có chuỗi sau được trả về: <CR><LF>OK<CR><LF>
(2B) Nếu ngăn 1 có chứa tin nhắn, nội dung tin nhắn sẽ được gửi trả về TE với định dạng như sau:
<CR><LF>+CMGR: "REC UNREAD","+84929047589",,"07/05/15,09:32:05+28" <CR><LF>NỘI DUNG<CR><LF>
<CR><LF>OK<CR><LF>
Các tham số trong chuỗi trả về bao gồm trạng thái của tin nhắn (REC UNREAD), số điện thoại gửi tin nhắn (+84929047589) và thời gian gửi tin nhắn (07/05/15,09:32:05+28) và nội dung tin nhắn. Đây là định dạng mặc định của module SIM300CZ lúc khởi động. dạng mở rộng có thể được thiết lập bằng cách sử dụng lệnh AT+CSDH=1 trước khi thực hiện đọc tin nhắn.
(3) Sau khi đọc, tin nhắn được xóa đi bằng lệnh AT+CMGD=1.
Thao tác tương tự đối với tin nhắn chứa trong ngắn thứ 2 trong các bước 4, 5A (5B) và 6.
Gửi tin nhắn:
Quá trình gửi tin nhắn thể hiện qua hình 2.12 được trình bày từng bước như sau:
(1) Gửi tin nhắn đến thuê bao bằng cách sử dụng lệnh AT+CMGS=”số điện thoại”. (2) Nếu lệnh (1) được thực hiện thành công, chuỗi trả về sẽ có dạng:
<CR><LF>> (kí tự “>” và 1 khoảng trắng).
(3) Gửi nội dung tin nhắn và kết thúc bằng kí tự có mã ASCII 0x1A.
(3A) Gửi kí tự ESC (mã ASCII là 27) nếu không muốn tiếp tục gửi tin nhắn nữa. Khi đó TE sẽ gửi trả về chuỗi
Hình 2.12: Quá trình gửi tin nhắn giữa AVR và Module Sim300CZ
(4) Chuỗi trả về thông báo kết quả quá trình gửi tin nhắn. Chuỗi trả về có định dạng như sau:
<CR><LF>+CMGS: 62<CR><LF> <CR><LF>OK<CR><LF>
Trong đó 62 là một số tham chiếu cho tin nhắn đã được gửi. Sau mỗi tin nhắn được gửi đi, giá trị của số tham chiếu này sẽ tăng lên 1 đơn vị. Số tham chiếu này có giả trị nằm trong khoảng từ 0 đến 255. Thời gian gửi một tin nhắn vào khoảng 3-4 giây (kiểm tra với mạng Mobi phone).
(4A) Nếu tình trạng sóng không cho phép thực hiện việc gửi tin nhắn (thử bằng cách tháo antenna), hoặc chức năng RF của modem không được cho phép hoạt động (do sử dụng các lệnh AT+CFUN=0 hoặc AT+CFUN=4), hoặc số tin nhắn trong hàng đợi phía tổng đài vượt qua giới hạn cho phép, hoặc bộ nhớ chứa tin nhắn của MT nhận được tin nhắn bị tràn, MT sẽ gửi thông báo lỗi trở về và có định dạng như sau: <CR><LF>+CMS ERROR: 193<CR><LF>
<CR><LF>+CMS ERROR: 515<CR><LF>
Chức năng truyền nhận tin nhắn và chức năng thoại được tách biệt. Khi đang thông thoại vẫn có thể truyền nhận được tin nhắn. Khi truyền nhận tin nhắn vẫn có thể tiến hành thiết lập và kết thúc cuộc gọi.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong quá trình tìm hiểu để thiết kế hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa trạm giảm áp khí nén CNG, tác giả đã tìm hiểu truyền thông Modbus RTU cũng như chuẩn truyền RS485, phần mềm lập trình PLC Siemens S7-200 về truyền thông Modbus. Để nhận tín hiệu từ xa, tác giả đã tìm hiểu sóng GSM cũng như module SIM 300CZ phân tích quá trình nhận, gửi tin nhắn cũng như thực hiện cuộc gọi. Với những kiến thức cơ bản trên giúp tác giả nắm rõ nguyên lý hoạt động của từng thiết bị, thực hiện các yêu cầu của đề tài đề ra.
CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ MÔ HÌNH GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO TỪ XA 3.1. Mô hình giám sát cảnh báo từ xa cho trạm giảm áp khí nén CNG bằng module GSM.
Hiện tại, với công nghệ trạm giảm áp khí nén CNG có 2 loại: PRU Enric và PRU PLC. Để đảm bảo bài toán công nghệ đặt ra module có nhiệm vụ giám sát thông số hoạt động. Cảnh báo từ xa thông qua cuộc gọi báo về điện thoại người quản lý trạm cũng như tin nhắn báo trạng thái hoạt động được thể hiện qua hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa các trạm PRU.
- Với trạm PRU Enric là trạm cơ khí, không có bộ điều khiển xử lý, chỉ bao gồm những tín hiệu điện rời rạc như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, còi báo động. Đầu vào của Module GSM là tín hiệu cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ 4- 20mA. Đầu ra là tín hiệu phục vụ cho các cơ cấu chấp hành như còi báo động áp suất, bơm tuần hoàn gia nhiệt nước nóng, bộ gia nhiệt nước nóng.
- Với trạm PRU PLC là trạm có bộ điều khiển PLC S7-200, các tín hiệu điện cũng như trạng thái của cơ cấu chấp hành đều nằm trong bài toán công nghệ được lập trình nạp vào PLC. Module GSM kết nối PLC qua cổng kết nối RS485 bằng truyền thông Modbus. Bộ điều khiển PLC có trách nhiệm thiết lập bản tin Modbus bao gồm các dữ liệu phục vụ cho mục đích giám sát như đã trình bày ở trên. Module GSM có trách nhiệm giải mã bản tin Modbus và thông báo cho người quản lý bằng cuộc gọi hoặc tin nhắn gửi đến khi trạm có sự cố về áp suất hoặc khi người quản lý kiểm tra tình trạng thiết bị bằng tin nhắn gửi đến module.
3.2. Module giám sát và cảnh báo GSM 3.2.1. Nhiệm vụ thiết kế 3.2.1. Nhiệm vụ thiết kế
Thiết kế Module GSM giám sát và cảnh báo từ xa trạm giảm áp khí nén CNG: Với nhiệm vụ trên thì Module GSM (tham khảo mục [4]) phải có chức năng như sau: - Module cần phải có các đầu vào tương tự và đầu vào, ra số phục vụ cho trạm PLC Enric.
- Module phải có khả năng giao tiếp với nhiều đối tượng theo một chuẩn giao tiếp công nghiệp nào đó (Modbus, Frofilebus..). Cụ thể ở đây là truyền thông Modbus RTU qua chuẩn truyền RS485.
- Với trạm PRU PLC có bộ điều khiển PLC S7-200, Module phải xử lý được bản tin Modbus Master của PLC S7-200 truyền xuống Module.
- Module GSM cảnh báo bằng tin nhắn và cuộc gọi đến số điện thoại người quản lý vận hành khi trạm có sự cố xảy ra.
- Module GSM thông báo tình hình thiết bị trên trạm khi người quản lý yêu cầu đến. - Module GSM có tính năng nạp tiền, kiểm tra tài khoản, thay đổi số điện thoại cảnh báo, thay đổi mật khẩu khi người quản lý hệ thống yêu cầu.
3.2.2 Sơ đồ khối Module giám sát, cảnh báo GSM
Hình 3.2: Sơ đồ khối Module giám sát, cảnh báo GSM.
Với sơ đồ khối Module giám sát trong hình 3.2 (tham khảo mục [4]) thì bộ xử lý trung tâm, giao tiếp với cảm biến, module GSM, và các khối in, out là vi điều khiển là AT MEGA 128L.
Cổng RS-485 giúp thiết bị có thể giao tiếp nhận dữ liệu bản tin Modbus từ PLC Siemens S7-200 xuống bộ vi điều khiển AVR.
Thiết bị có bốn đầu vào tương tự, bốn đầu ra số có cách ly quang.
Module GSM 300CZ phục vụ cho việc gửi, nhận tin nhắn điện thoại hoặc tín hiệu thực hiện cuộc gọi tới người quản lý khi AVR yêu cầu.
Các ngoại vi : LCD, LEDS phục vụ cho việc quan sát trạng thái.
PLC S7-200
3.3. Các khối chức năng của Thiết bị 3.3.1 Khối nguồn cung cấp 3.3.1 Khối nguồn cung cấp
Hình 3.3: Sơ đồ nguồn cung cấp cho AVR, SIM300CZ. Thiết bị cần có 3 giá trị nguồn cung cấp là 5V; 3,3V và 4,2V.
Nguồn đầu vào của khối sử dụng adapter AC-DC (100 -:- 240 VAC - 9.5VDC,1A). Sử dụng IC ổn áp LM2576 cho ra điện áp ổn định 5V.
Sử dụng IC ổn áp ASM1117 cho ra điện áp ổn định 3,3V. Tụ C19 (1000uF/16V) có vai trò làm phẳng điện áp từ adapter. Tụ C21 (1000uF/16V) giúp ổn định điện áp đầu ra 5V.
Tụ C244 (220uF/25V) giúp ổn định điện áp đầu ra 3,3V.
Tụ C20 (1000uF/16V) có vai trò bù điện tích khi moduld GSM hút dòng. Sử dụng 2 Diode 1N4007 và 1N5822 cho ta điện áp đầu ra 4,2V.
Các Led thế hiện trạng thái các nguồn.
3.3.2. Khối vi điều khiển
Hình 3.4: Khối vi điều khiển AT mega 128L. Những điểm chú ý về Vi điều khiển AT MEGA 128L
Hình 3.5 Vi điều khiển AT mega 128L.
PEN 1 PE0 (RXD0/PDI) 2 PE1 (TXD0/PDO) 3 PE2 (XCK0/AIN0) 4 PE3 (OC3A/AIN1) 5 PE4 (OC3B/INT4) 6 PE5 (OC3C/INT5) 7 PE6 (T3/INT6) 8 PE7 (IC3/INT7) 9 PB0 (SS) 10 PB1 (SCK) 11 PB2 (MOSI) 12 PB3 (MISO) 13 PB4 (OC0) 14 PB5 (OC1A) 15 PB6 (OC1B) 16 PB7 (OC2/OC1C) 17 TOSC2/PG3 18 TOSC1/1PG4 19 RESET 20 VCC 21 GND 22 XTAL2 23 XTAL1 24 PD0 (SCL/INT0) 25 PD1 (SDA/INT1) 26 PD2 (RXD1/INT2) 27 PD3 (TXD1/INT3) 28 PD4 (IC1) 29 PD5 (XCK1) 30 PD6 (T1) 31 PD7 (T2) 32 PG0 (WR) 33 PG1 (RD) 34 PC0 (A8) 35 PC1 (A9) 36 PC2 (A10) 37 PC3 (A11) 38 PC4 (A12) 39 PC5 (A13) 40 PC6 (A14) 41 PC7 (A15) 42 PG2 (ALE) 43 PA7 (AD7) 44 PA6 (AD6) 45 PA5 (AD5) 46 PA4 (AD4) 47 PA3 (AD3) 48 PA2 (AD2) 49 PA1 (AD1) 50 PA0 (AD0) 51 VCC 52 GND 53 PF7 (ADC7/TDI) 54 PF6 (ADC6/TDO) 55 PF5 (ADC5/TMS) 56 PF4 (ADC4/TCK) 57 PF3 (ADC3) 58 PF2 (ADC2) 59 PF1 (ADC1) 60 PF0 (ADC0) 61 AREF 62 GND 63 AVCC 64 U5 Comment 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ICSP PE0 RESET PB1 PE1 VCC PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 TOSC2 TOSC1 PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6 PD7 PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 WR RD ALE RESET PEN AREF AVCC VCC VCC PF0 PF1 PF2 PF3 PF4 PF5 PF6 PF7 PC3 PC1 PA7 PA6 PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0 13 24 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PORT3 Header 8X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PORT1 Header 8X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 PORT2 Header 8X2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14