CHƯƠNG 2 :LÝ THUYẾT
2.3 Giới thiệu Module SIM900 và Breakout SIM 900
2.3.1 Giới thiệu SIM900
Hình 2.11 Sim900.
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, kích thước nhỏ gọn (24x24 mm), đáp ứng những yêu cầu về không gian trong các ứng dụng M2M. 2.3.2 Giới thiệu Breakout SIM900.
Hình 2.12 Breakout Sim900A.
SIM900A là module GSM/GPRS của hãng SIMCom được thiết kế dưới dạng module chipset, nhỏ gọn, giá thành thấp, hoạt động ổn định và phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng. Module SIM900A có các tính năng cơ bản của một chiếc điện thoại như gọi điện thoại, nhắn tin, truy cập GPRS,...
- Điện năng tiêu thụ trong chế độ “ngủ”: 1.5mA. - Tương thích với GSM phase 2/2+.
- Tự động tìm băng tần phù hợp trong 4 băng tần EGSM 900MHz, DCS 1800MHz. - Lớp GSM: Small MS.
- Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến +80°C.
- Tốc dộ GPRS: Download data: 85.6kpbs, Upload data: 42.8kpbs.
- SMS.
- Lưu trữ trên Sim card.
- VOICE.
- Hỗ trợ đồng hồ thời gian thực.
- Lập trình bằng tập lệnh AT thơng qua chuẩn giao tiếp RS232. - Tích hợp SIM socket, SMA edge PCB connector và led status.
Bảng 2.4 Mô tả chân Breakout Sim900A.
Thứ tự
chân Tên gọi Loại Mô tả
1 Vcc Power Điện áp so sánh 3.3V/5V. Chỉ dùng để so sánh ápcho mơ-đun chuyển áp tín hiệu khơng có tác dụng cấp cho sim900.
2 Status Output Theo dõi nhanh trạng thái hoạt động của modulesim900.
3,9,10 GND Power Điện áp đất 0V.
4 Power
Key Input
Chân bật/tắt module SIM900 (tín hiệu PowerKey), tích cực mức cao.
5 TXD Output Chân truyền trong điều khiển UART, tương thích3.3V/5V tùy thuộc vào Vcc.
6,8 Vin Power
Ngõ cấp nguồn vào cho mơ-đun. Có cùng tác dụng với ngõ Jack DC 5mm trên mô-đun. Từ 5~12 VDC, 2~3 Amp.
7 RXD Input Chân nhận trong điều khiển UART, tương thích3.3V/5V tùy thuộc vào Vcc. 2.3.3 Tập lệnh AT đơn giản.
Tập lệnh AT (AT – Attention) còn gọi là tập lệnh Hayes, được phát triển lúc đầu bởi Hayes Communications cho modem Hayes Smartmodem 300 bốt vào năm 1997. Tập lệnh bao gồm một loạt các chuỗi ký tự được kết hợp lại để tạo thành những lệnh hoàn chỉnh cho những tao tác như gọi, giữ và thay đổi các tham số kết nối. Ngày nay hầu hết các modem đều sử dụng tập lệnh Hayes. Các lệnh này đều bắt đầu bằng “AT”.
Hình 2.13 Sơ đồ chân Breakout Sim900A.
- Để tạo và gửi tin nhắn SMS chúng ta sẽ sử dụng những lệnh liên quan sau:
Bảng 2.5 Lệnh AT gửi tin nhắn SMS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+CMGS Gửi tin nhắn.
+CMSS Gửi tin nhắn từ bộ nhớ.
+CMGW Ghi tin nhắn vào bộ nhớ.
+CMGD Xóa tin nhắn.
+CMGC Gửi.
+CMMS Gửi thêm nhiều tin nữa.
- Để nhận và đọc tin nhắn SMS chúng ta sẽ sử dụng những lệnh liên quan sau:
Bảng 2.6 Lệnh AT nhận và đọc tin nhắn SMS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+CNMI Báo hiệu nếu có tin nhắn mới.
+CMGL Liệt kê các tin nhắn.
+CMGR Đọc tin nhắn.
+CNMA Phản hồi tin nhắn mới.
- Cài đặt kết nối GPRS cho Sim 900:
Để kết nối GPRS, ta phải cung cấp tên điểm truy cập (APN), Username và Password cho SIM900A. APN, Username và Password để kết nối GPRS của một số nhà cung cấp mạng ở Việt Nam được cho ở bảng sau:
Bảng 2.7 APN, USER NAME và PASSWORD của một số nhà mạng.
Tên mạng APN USER PASSWORD
Mobifone m-wap mms mms
Vinaphone 3m-world mms mms
Viettel v-internet - -
Vietnam mobile wap - -
Bảng 2.8 Lệnh AT thiết lập GPRS.
Lệnh AT Ý nghĩa
+ CIPCSGP=1,”APN”,”usename”,”password” Đăng ký GPRS cho sim.
+ CIPSHUT=1 Ngắt kết nối GPRS.
+ CIPSTART=”MODE”,”domain name/IP address”,”port” Bắt đầu kết nối với server.
+ CIPSEND Truyền dữ liệu lên server.
Trong luận văn này sử dụng dịch vụ của Viettel.Mã lệnh AT để cài đặt các giá trị này như sau:
o Cài đặt APN: AT+SAPBR=3,1,“APN”,“v-internet”
o Cài đặt username: AT+SAPBR=3,1,“USER”,“-”
o Cài đặt password: AT+SAPBR=3,1,“PWD”,“-”
CID 1 bằng cách gởi lệnh “AT+SAPBR=1,1”. Nếu kết nối thành cơng, sẽ có phản hồi “OK”. Lệnh “AT+SAPBR=2,1” có thể được sử dụng để biết được địa chỉ IP được cấp để truy cập vào internet.
- Cài đặt truy cập internet thông qua dịch vụ HTTP:
SIM900A hỗ trợ giao thức TCP/IP được điều khiển bằng các lệnh AT cho phép các ứng dụng có thể truy cập dễ dàng dịch vụ internet HTTP. Các lệnh AT giúp truy cập internet bằng HTTP được liệt kê trong bảng sau:
Bảng 2.9 Các lệnh AT để sử dụng HTTP.
Mã lệnh Mô tả
AT+HTTPINIT Khởi tạo dịch vụ HTTP
AT+HTTPTERM Hủy dịch vụ HTTP
AT+HTTPPARA Thiết lập các thông số cho HTTP
AT+HTTPDATA Nhập dữ liệu HTTP
AT+HTTPACTION Phương pháp hoạt động HTTP
AT+HTTPREAD Đọc phản hồi của Server
AT+HTTPSCON Lưu lại ứng dụng HTTP
2.4 Giới Thiệu vi điều khiển trên khối Master và Slave.
2.4.1 Kit Tiva TM4C123GH6PM.
Hình 2.14Kit Tiva C Series TM4C123G LaunchPad. Vi xử lý khối Master:Arm Tiva C Cortex M4
- Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. Chúng có đặc
điểm tiết kiệm năng lượng, vì vậy các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử di động.
- Vi điều khiển Tiva C Series ARM CORTEX M4 cung cấp hiệu suất hàng đầu và tiên tiến của hãng Texas Instrument, cung cấp rất nhiều các ngoại vi xung quanh, các ngoại vi có thể cấu hình và điều khiển trực tiếp bằng cách truy cập vào các thanh ghi điều khiển.
Chip TM4C123GH6PM:
- CPU: 32bits ARM Cortex M4. - Thumb2 16/32-bit code. - Flash: 256KB.
- SRAM: 32KB.
- EEPROM: 2KB.
- Speed: Up to 80MHz. - PWM: 16 chanels.
- ADC: 12bits – 12 chanels.
- Communication: SSI/SPI, I2C, UART, USB, CAN, PWM, ADC12. 2.4.2 Vi điều khiển MSP430G2553
Hình 2.15 MSP430G2553.
Vi xử lý khối slave: MSP430G2553.Đây là dịng vi điều khiển 16bit có nhiều ưu điểm nổi trội:
- Bộ tương tự hiệu suất cao cho phép các phép đo chính xác: 12 bit hoặc 10 bit ADC- 200kskp, cảm biến nhiệt độ, Vref.
- Bộ giám sát điện áp nguồn: 16 bit RISC CPU cho phép được nhiều ứng dụng, thể hiện một phần ở kích thước Code lập trình.
- Thanh ghi lớn nên loại trừ được trường hợp tắt nghẽn tập tin khi đang làm việc. - Thiết kế nhỏ gọn làm giảm lượng tiêu thụ điện và giảm giá thành.
- Tối ưu hóa cho những chương trình ngơn ngữ bậc cao như C, C++. - Có 7 chế độ định địa chỉ.
2.4.3 Trình biên dịch CCS.
CCS là trình biên dịch hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C cho nhiều loại vi điều khiển khác nhau của TI.
- Trình biên dịch chính hãng từ TI.
- Cho phép người sử dụng làm việc, cấu hình ở mức độ thanh ghi. - Hỗ trợ Debug tới từng thanh ghi, dịng lệnh.
- Nền tảng Eclipse và hỗ trợ tồn bộ các loại MCU của hãng cho nên phần mềm khá nặng.
- Có nhiều tài liệu hướng dẫn sử dụng.
- CCS có bản miễn phí dành cho sinh viên dùng cho việc nghiên cứu học tập.
CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG
3.1 Yêu cầu thiết kế.
Với đề tài này, các yêu cầu đặt ra khi thiết kế phần cứng như sau: - Khối Master:
o Kết nối Kit Arm Tiva4C123GH6PM với Module Sim900A.
o Kết nối giữa Kit Arm Tiva4C123GH6PM với Module Zigbee. - Khối Slave:
o Kết nối giữa MSP430G2553 với Module Zigbee.
o Kết nối giữa MSP430G2553 với các cảm biến nhiệt độ, cảm biến mưa, cảm biến độ ẩm, relay.
3.2 Sơ đồ khối hệ thống.
Hình 3.16 Sơ đồ tổng quát sơ đồ khối hệ thống vườn thanh long thơng minh.
Khối Slave: Có chức năng cập nhật thơng số môi trường bao gồm nhiệt độ, ánh sáng,
Khối Master: Có chức năng cập nhật thơng số môi trường từ khối Slave gởi lên, đồng
thời gởi dữ liệu lên Web Server bằng kết nối GPRS của sim900.Ngồi ra khối Master cịn cập nhật yêu cầu điều khiển từ Web Server để tiến hành gởi đến các khối Slave.
Web Server: Có chức năng lưu trữ dữ liệu từ Master gởi lên như trạng thái thiết bị, các
thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, mưa của khu vườn.
Điện thoại thơng minh:Có chức năng kết nối 3G, đăng nhập trang web, theo dõi trạng
thái thiết bị, thông số môi trường và có khả năng điều khiển thiết bị. 3.2.1 Khối Slave.
Hình 3.17Sơ đồ khối khối Slave.
Khối Slave có các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng, các rờle đóng ngắt đèn, bơm nước. Trên khối Slave có một vi xử lý MSP430G2553.Ngồi ra khối Slave cịn có khối zigbee dùng để trao đổi dữ liệu với khối Master.
3.2.2 Khối Master.
Hình 3.18 Sơ đồ khối Master. Khối Zigbee có chức năng trao đổi dữ liệu với các khối Slave.
Khối Sim900 có chức năng kết nối GPRS, truyền và tải dữ liệu từ khối Master đến Web Server.
3.3 Thiết kế và sơ đồ nguyên lý.
3.3.1 Breakout Board Sim900A.
Hình 3.19 Sơ đồ chi tiết Breakout Sim900.
Breakout Board SIM900A sẽ được kết nối với kit Tiva bằng giao tiếp UART thông qua các chân RXD và TXD. Module SIM900A sẽ làm nhiệm vụ kết nối GPRS, thơng qua đó truy cập Internet.
Breakout Board SIM900A sẽ được khởi động bằng cách cấp một xung mức cao vào chân ON/OFF trong thời gian khoảng 1 giây. Khi đó Module SIM900A sẽ bắt đầu tìm mạng, đèn LED chỉ thị sẽ chớp tắt nhanh. Khi hồn thành q trình kết nối mạng, đèn LED chỉ thị sẽ chớp tắt chậm lại.
Breakout Board SIM900A được cung cấp nguồn 5V -2A hoặc 12V-2A để đảm bảo cho SIM900 hoạt động tốt và ổn định.
3.3.2 Khối Relay.
Để điều khiển các thiết bị điện thông thường, ta không thể sử dụng trực tiếp các chân ngõ ra của vi điều khiển vì hạn chế của điện áp và dòng ra của vi điều khiển. Muốn điều khiển thông qua vi điều khiển, ta cần một mạch Relay. Mạch này bao gồm một BJT đóng vai trị khóa điện tử, nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển. BJT sẽ đóng ngắt nguồn điện đi qua
Hình 3.5 Khối Relay.
Hình 3.6 Sơ đồ chi tiết khối Relay.Thơng số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
- Sử dụng điện áp nuôi 5VDC.
- 4 Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0V nên có thể sử dụng cho cả tín hiệu 5V hay 3v3 (cần cấp nguồn ngồi), mỗi Relay tiêu thụ dịng khoảng 80mA.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V - 10A hoặc DC30V - 10A. - Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
Hình 3.7 Module Zigbee và sơ đồ chi tiết.3.3.3 Khối Zigbee. 3.3.3 Khối Zigbee.
DRF1605 là module Zigbee dựa trên Chip Zigbee CC2530 của hãng Texas Instruments nhưng đã được hãng DTK viết firmware riêng, ta có thể giao tiếp với nó một cách dễ dàng qua giao thức UART quen thuộc.
Thông số kỹ thuật: - Nguồn: 5– 12V DC. - Nhiệt độ: -40 – 85 độ C.
- Baudrate: 38400bps (Default).Có thể cầu hình: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200. - Tần số: 2.4GHz.
- Giao thức truyền phát(Transmitter Protocol): Zigbee 2007/PRO. - Khoảng cách truyền phát(Transmitter Distance): 400m.
- Dòng tiêu thụ khi gửi: 34mA (max). - Dòng tiêu thụ khi nhận: 25mA (max). - Độ nhạy: -96 dBm.
Hình 3.8 Mạch so sánh điện áp LM393.
Hình 3.9 Cảm biến mưa.3.3.4 Module cảm biến mưa. 3.3.4 Module cảm biến mưa.
Cấu tạo Module: tấm cảm biến mưa lớn có thể thay đổi điện trở phụ thuộc vào lượng
nước trên bề mặt và IC so sánh điện áp LM393 dùng để so sánh điện áp ngõ vào với điện áp ngưỡng do người dùng cài đặt để nhận biết mưa.
Thông số kỹ thuật:
- Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm. - Kích thước board PCB: 30 x 16mm.
- Điện áp: 5V.
- Đầu ra: đầu ra kỹ thuật số DO (0 và 1) và đầu ra tương tự điện áp AO.
- Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra.
- Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. Có thể điều khiển trực tiếp relay, buzzer, a small fan...
- Độ nhạy có thể được điều chỉnh thơng qua chiết áp.
- LED sáng lên khi khơng có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt.
Nguyên lý hoạt động: Dựa vào sơ đồ nguyên lý hình 3.8, tấm cảm biến mưa được mắc
nối tiếp với một điện trở để tạo cầu phân áp, điện áp ngõ ra trên cầu phân áp phụ thuộc vào lượng nước trên bề mặt cảm biến mưa. Điện áp ngõ ra này được so sánh với điện áp ngưỡng, từ đó xuất tín hiệu mức cao hoặc thấp (DO) đến vi điều khiển để nhận biết mưa. Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào điện áp ngưỡng và có thể điều chỉnh được bằng biến trở gắn trên cảm biến.
3.3.5 Module cảm biến độ ẩm đất.
Cấu tạo module: Hai thanh thép nhỏ có thể thay đổi điện trở phụ thuộc vào lượng nước
trong đất và IC so sánh điện áp LM393 dùng để so sánh điện áp ngõ vào với điện áp ngưỡng do người dùng cài đặt để nhận biết độ ẩm.
Hình 3.20 Mạch so sánh điện áp LM393 cảm biến độ ẩm đất. Thông số kỹ thuật: - Phát hiện độ ẩm trong đất. - Phát hiện nước. - Mạch sử dụng IC so sánh điện áp LM393. - Điện áp sử dụng: 3.3-5V.
- Đầu ra: AOUT, DOUT, VCC, GND
o AOUT : Tín hiệu ADC.
o DOUT: Mức logic 0,1.
- Module khi chưa phát hiện ở mức 1, khi phát hiện độ ẩm cho ra mức 0.
- Biến trở cài đặt ngưỡng cài đặt.
Nguyên lý hoạt động: Dựa vào sơ đồ nguyên lý hình 3.10, hai thanh thép cảm biến được
mắc nối tiếp với một điện trở để tạo cầu phân áp, điện áp ngõ ra trên cầu phân áp phụ thuộc vào lượng nước trong đất. Điện áp ngõ ra này (AOUT) được đưa trực tiếp vào ngõ vào ADC của vi điều khiển, dựa vào giá trị bộ ADC có được ta xác định được độ ẩm của đất.
3.3.6 Cảm biến ánh sáng.
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux.
Thông số kỹ thuật :
- Nguồn: 3 -> 5VDC - Giao tiếp: I2C
- Khoảng đo: 1 -> 65535 lux - Kích cỡ: 21*16*3.3mm
Nguyên lý hoạt động :Cảm biến
BH1750 được dùng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị Lux, cảm biến gồm hai khối chính là khối ADC nội và bộ tiền xử lý. Khối ADC nội được dùng để chuyển đổi giá trị
Hình 3.21 Cảm biến độ ẩm đất.
Hình 3.13 Sơ đồ chi tiết cảm biến ánh sáng BH1750.
để trả ra đơn vị cường độ ánh sáng theo dơn vị Lux, giá trị này được đọc bởi vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C.
3.3.7 Cảm biến nhiệt độ LM35.
Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng khơng u cầu cân chỉnh ngồi vì vốn chúng đã được cân chỉnh.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V. - Điện áp ra: -1V đến 6V.
- Công suất tiêu thụ là 60uA.
- Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC. - Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C.
- Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải.