- Thứ ba :Hệ thống cảnh báo chống đột nhập Khi bạn đi ngủ hoặc khi bạn vắng nhà đều là những thời điểm thích hợp cho những kẻ có mƣu đồ xấu Vì
3.2.6. Thiết kế phần cứng
Phần cứng là phần quan trọng nhất khi thiết kế một hệ thống. Phần này sẽ làm rõ quá trình thiết kế và định nghĩa khi thiết kế một hệ thống truyền thông. Tất cả các phần trong đồ án thiết kế này sẽ đƣợc thiết kế theo các modular cơ bản. Thiết kế một mẫu mới sử dụng các modular cơ bản sẽ cho nhiều không gian để kiểm tra và xử lý sự cố hơn. Nhƣ vậy sẽ tiết kiệm đƣợc nhiều thời gian khi xử lý sự cố và các vấn đề về mạch điện.
3.2.6.1. Bộ vi điều khiển PIC16F876
Một module đƣợc thiết kế sử dụng bộ vi điều khiển PIC16F876. Module này hoạt động giống nhƣ bảng điều khiển hệ thống. Hình 3.17 là sơ đồ mạch của khối điều khiển. Khối điều khiển sử dụng bộ tạo dao động thạch anh với tần số 3.6864 MHz. Bộ tạo dao động sẽ tạo ra chu kỳ định thời để bộ vi điều khiển thực hiện chƣơng trình. Bộ tạo dao động này cũng gửi tín hiệu đồng hồ cho giao tiếp USART. Bộ tạo dao động sử dụng thạch anh có tần số dao động 3.6864 MHz vì bộ vi điều khiển có thể tạo ra tốc độ bit thấp 1200bps với 0% lỗi khi sử dụng thạch anh. Hai điện dung 15pF đƣợc dùng để tín hiệu của bộ tạo dao động đƣợc ổn định. Chân MCLR đƣợc cấp nguồn 5V tƣơng ứng với giá trị 1, bộ vi điều khiển sẽ khởi động lại nếu button đƣợc bấm.
Chân 17 (TX) của PIC16F876 sẽ đƣợc kết nối tới chân 1 (DATAIN) của modem PLC TDA5051A và chân 18 (RX) sẽ nối tới chân 2 (DATAOUT) của modem PLC TDA5051A. Chân 17 và 18 của PIC16F876 là các chân truyền thông nối tiếp dùng cho USART. Dữ liệu số đƣợc nhận từ modem PLC qua các chân này.
Cổng B của bộ vi điều khiển sẽ đƣợc kết nối tới các thiết bị cần đƣợc điều khiển. Các chân sẽ đƣợc cung cấp điện áp 1 chiều 5V khi nó ở trạng thái „1‟ và 0V khi ở trạng thái „0‟.
Điôt phát quang (LED – light emitting diode) đƣợc kết nối tới cổng B và đƣợc dùng cho việc kiểm tra xem vi điều khiển PIC16F876 hoạt động có phù hợp hay không. Khi cài đặt cho các ứng dụng thực tế, LED phải đƣợc vô hiệu hóa bằng cách kéo ra các jumper (JP1 đến JP8).
Hình 3.17: Sơ đồ mạch của khối điều khiển 3.2.6.2. Truyền thông nối tiếp
Tất cả các máy tính thông thƣờng đƣợc trang bị hai cổng nối tiếp và một cổng song song. Hai loại cổng này cùng đƣợc dùng để giao tiếp với các thiết bị bên trong nhƣng chúng hoạt động rất khác nhau.
Cổng song song gửi và nhận dữ liệu 8 bit tại một thời điểm qua 8 dây nối riêng biệt. Điều này cho phép dữ liệu có thể truyền nhanh hơn; tuy nhiên, cáp song song lại có kích thƣớc lớn do có nhiều dây riêng biệt phải chứa. Cổng song song đƣợc sử dụng để kết nối máy tính với máy in và hiếm khi đƣợc dùng để kết nối tới các thiết bị khác. Một cổng nối tiếp chỉ gửi và nhận 1 bit tại một thời điểm qua 1 dây dẫn. Trong khi phải mất 8 lần để truyền đi mỗi byte, chỉ có một vài dây đƣợc yêu cầu. Trên thực tế, truyền thông song công (full duplex) có thể đƣợc tạo nên chỉ cần 3 dây riêng biệt, một dây để gửi dữ liệu và 1 dây để nhận và 1 dây đất tín hiệu chung.
Dữ liệu truyền từ 1 máy tính qua giao diện đồ họa ngƣời dùng (GUI) tới modem điện đƣợc thực hiện thông qua truyền thông nối tiếp. Kết nối từ máy tính tới
modem sử dụng truyền thông nối tiếp dựa trên nền tảng tiêu chuẩn của hiệp hội ngành công nghiệp điện tử (Electronic Industries Association – EIA232). Hai thuật ngữ quen thuộc là DTE và DCE. DTE là từ viết tắt của Data Terminal Equipment, và DCE là từ viết tắt của Data Communications Equipment. Các thuật ngữ này đƣợc dùng để chỉ ra sơ đồ chân cho kết nối trên 1 thiết bị và chỉ ra hƣớng đi của tín hiệu trên các chân. Máy tính là một thiết bị DTE, trong khi hầu hết các thiết bị khác thƣờng là các thiết bị DCE. Nhƣ vậy, trong hệ thống, máy tính cá nhân chính là thiết bị DTE, còn modem là thiết bị DCE. Hình 3.18 là sơ đồ chân cho đầu nối cái DB9 trên modem.
Hình 3.18: Sơ đồ chân cho đầu nối cái DB9
Cổng nối tiếp (COM1) trên máy tính tạo ra tín hiệu nối tiếp theo chuẩn RS232. Điện áp -3V đến -25V tƣơng ứng với tín hiệu nối đất (chân 5) và đƣợc coi là tính hiêu mức logic „1‟(Mark), và điện áp từ +3V đến +25V tƣơng ứng với mức logic „0‟ (Space). Dải điện áp từ -3V đến +3V là vùng chuyển tiếp, đó là vùng mà trạng thái tín hiệu không đƣợc gán. Các trạng thái logic đƣợc gán tƣơng ứng với khoảng điện áp theo chuẩn giao tiếp EIA232 đƣợc cho nhƣ trong hình 3-19.
Hình 3.19: Trạng thái logic theo chuẩn EIA232
Tín hiệu từ máy tính sẽ đƣợc gửi đến chân DATAIN và chân DATAOUT của modem TDA5051A. Các chân này chỉ có thể nhận dữ liệu nối tiếp ở mức TTL (Transistor-transistor logic). Nếu kết nối trực tiếp từ cổng COM1 tới các chân DATAIN và chân DATAOUT thì sẽ làm hỏng modem TDA5051A. Vì thế, cần phải chuyển đổi mức điện áp RS232 thành mức TTL. Hình 3.20 là sơ đồ nối mạch khi kết nối từ máy tính tới modem.
Hình 3.20: Sơ đồ mạch của truyền thông nối tiếp.
MAX232 đƣợc chế tạo bởi nhà sản xuất Maxim Intergrated Products đƣợc dùng để chuyển đổi mức điện áp RS232 thành mức logic. Mạch tích hợp này sử
dụng nguồn 5V DC. Tín hiệu đƣợc truyền dẫn bởi máy tính qua giắc cắm cái DB9 sẽ đi qua chân 13 của MAX232. Sau khi tín hiệu từ máy tính đƣợc chuyển thành các mức TTL, nó sẽ ra ngoài chân 12 của MAX232 và đi tới chân DATAIN của modem TDA5051A. Đây chính là cách dữ liệu đƣợc gửi từ máy tính tới modem.
3.2.6.3. Mạch nạp PIC16F876
Có rất nhiều loại mạch nạp trên thị trƣờng để nạp chƣơng trình cho vi điều khiển PIC16F876. Một trong số đó là mạch nạp JDM. Chúng ta lựa chọn mạch nạp JDM là vì có rất nhiều tài liệu cung cấp cách xây dựng và chế tạo mạch này. Mạch này đạt đƣợc và sửa đổi bởi nhà sản xuất Olimex Ltd. Mạch nạp JDM đƣợc sửa đổi nhận tất cả các tín hiệu và nguồn nuôi từ cổng nối tiếp RS-232. Nó hỗ trợ các bộ vi điều khiển PIC 28 và 40 chân. Vi điều khiển PIC có thể đƣợc nạp bằng mạch nạp JDM và phần mềm hỗ trợ. Phần mềm hỗ trợ cho mạch nạp JDM là ICPROG, WinPIC và WinPIC800. Hình 3.21 là sơ đồ mạch nạp.
3.2.6.4. Modem Philips TDA5051A
Sơ đồ của modem Philips TDA5051A ASK đƣợc kết nối nhƣ trong hình 3.22. Mạch tích hợp (IC) này đƣợc bọc bởi vở nhựa nhỏ. Bộ tạo dao động thạch anh với tần số 7.3728 MHz đƣợc nối tới chân 7 (OSC1) và chân 8 (OSC2) vì chúng ta cần có tần số sóng mang 115.2 kHz. Dữ liệu serial đƣợc truyền và nhận trên chân 1 và chân 2 của IC TDA5051A. Để giảm công suất tiêu thụ, IC có thể bị ngừng hoạt động bởi một đầu vào power-down (chân PD): trong chế độ này, bộ tạo dao động trên chip vẫn tiếp tục duy trì hoạt động và xung đồng hồ tiếp tục đƣợc cấp ở chân CLKOUT.
Hình 3.22: Modem điện Philips TDA5051A
Trong chế độ nhận dữ liệu, IC hoạt động với mức công suất thấp, chân PD có thể đƣợc điều khiển động bởi bộ vi điều khiển. Vì ta mong muốn chip có thể nhận dữ liệu bất cứ lúc nào, nên ta không cần IC chuyển sang chế độ ngủ (sleep mode); đầu vào power down (chân PD) đƣợc nối đất. Đầu ra ở chân DATAOUT phải luôn đƣợc kết nối đến một tụ điện rẽ (10nF), vì ở chân này luôn có 1 điện áp 0.5VDD ngay cả khi thiết bị không truyền dẫn. Chân này phải đƣợc bảo vệ khỏi sự quá áp và
3.2.6.5. Mạch ghép
Hình 3.23 là sơ đồ mạch ghép đầy đủ của hệ thống. Mạch ghép đƣợc kết nối trƣợc tiếp tới đƣờng dây chính. Cầu chì (630mA) đƣợc dùng để bảo vệ mạch khỏi quá dòng và biến trở 250V AC thay đổi theo điện áp đƣợc dùng để bảo vệ mạch khỏi quá áp. Điều này sẽ đảm bảo modem Philips TDA5051A không bị phá hỏng do ngắn mạch hay tăng áp đột ngột khi kết nối đến mạch ghép. Modem Philips TDA5051A cũng đƣợc bảo vệ bởi bộ triệt (SA5.0A).
Hình 3.23: Mạch ghép sử dụng biến áp
3.2.6.6. Khối cấp nguồn
Khối cấp nguồn chịu trách nhiệm cung cấp nguồn năng lƣợng cần thiết cho các thành phần thiết bị cần thiết bao gồm vi mạch PIC16F876 và modem philips TDA5051A. Ba tụ điện đƣợc dùng để ổn định điện áp và giảm gợn sóng của nguồn điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp (L7805) đƣợc dùng để cung cấp điện áp 5V cho vi điều khiển và modem ASK. Sơ đồ mạch của khối cấp nguồn đƣợc hiển thị nhƣ trong hình 3.24.
3.2.6.7. Sơ đồ mạch tổng thể của khối điều khiển
Thành phần mạch bao gồm:
- Chíp giao tiếp đƣờng dây TDA5051 có nhiệm vụ xuất tín hiệu phát từ chíp điều khiển, mã hóa ASK, qua mạch lọc rồi đƣa lên đƣờng điện lƣới - Chíp điều khiển, có nhiệm vụ giao tiếp với ngƣời sử dụng thông qua bàn
phím, điều khiển trực tiếp rơ le đóng cắt thiết bị.
- Rơle, là thành phần đóng cắt tiếp điểm cấp nguồn cho thiết bị cần điều khiển.
- Khối nguồn gồm cầu điot chỉnh lƣu điện áp xoay chiều 12V rồi đƣa qua tụ lọc thành điện áp một chiều trƣớc khi qua ổn áp 7805 để ổn định điện áp 5V cấp cho chíp điều khiển và TDA5051
- Biến áp cách ly: có nhiệm vụ cách ly tín hiệu với đƣờng dây, biến áp hoạt động trong dải từ 50Khz – 250Khz. Đủ băng thông cho tín hiệu điều chế ASK từ chíp ra lƣới và chọn lấy tín hiệu tần số cao từ lƣới đƣa về.
- Ngoài ra trong mạch còn có các thành phần khác hỗ trợ nhƣ: tụ điện, điện trở, cuộn dây, điot ổn áp, phím bấm, cầu đấu….
- Thạch anh dao động sử dụng cho TDA5051 bằng 8Mhz, tần số sóng mang theo tính toán của nhà sản xuất sẽ bằng 125Khz
3.2.6.8. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad)
Trên cơ sở mạch in đã thiết kế hình ảnh thực của modul PLC ở hình dƣới.
Hình 3.27: Hình ảnh thực modul điều khiển PLC 3.2.6.9. Mô hình mạng quản lý thiết bị:
Mỗi thiết bị trong nhà đƣợc gắn một modul PLC – tƣơng đƣơng một “Station” trong hệ thống.
Toàn bộ hệ thống đƣợc giám sát bởi modul “Controller” có khả năng kết nối máy tính, di động hay internet.
Controller giao tiếp với ngƣời sử dụng thông qua giao diện màn hình, bàn phím hay phần mềm điều khiển.
Thuật toán điều khiển
Bản tin điều khiển từ Controller:
Quy trình làm việc của Controller:
Thu tin ở “Station”:
Mỗi Station sẽ mang một mã điều khiển do ngƣời sử dụng cài đặt. Để điều khiển thiết bị tại Station nào đó, Controller cần truyền bản tin Command. Khi Station bắt đƣợc Command, kiểm tra đúng mã của mình sẽ ngay lập tức thực thi lệnh điều
Hình 3.28: Mô hình mạng quản lý thiết bị
Giao tiếp ngƣời dùng Kiểm tra thiết bị Ra lệnh điều khiển
Trên thực tế ta sẽ có rất nhiều thiết bị trong một hệ thống, có thể vài chục đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn thiết bị. Để quản lý và điều khiển, giám sát chính xác, tin cậy toàn bộ hệ thống là điều phức tạp. Dƣới đây đề tài chỉ trình bày mô hình đơn giản cho hai modul mô phỏng quá trình thực thi lệnh điều khiển đóng cắt thiết bị.