Trạng thái nghỉ
Yêu cầu gửi tới một trạm tớ/thời gian chờ đáp ứng đƣợc khởi động Đợi đáp ứng Nhận đƣợc đáp ứng của trạm tớ không mong đợi
Yêu cầu gửi ở chế độ quảng bá/thời gian chờ đáp ứng đƣợc khởi động
Đợi thời gian trễ quay vòng
Xử lý đáp ứng
Xử lý lỗi
Kết thúc quá trình xử lý lỗi
Lỗi khung truyền
Hết thời gian chờ đáp ứng Nhận đƣợc đáp ứng của trạm tớ mong đợi/dừng thời gian chờ đáp ứng Hết thời gian trễ quay vòng Kết thúc quá trình xử lý đáp ứng
Hình 1.23: Sơ đồ trạng thái của trạm chủ
Trạng thái nghỉ
Nhận yêu cầu đáp ứng từ trạm chủ
Kiểm tra yêu cầu Xử lý hành động đƣợc yêu cầu Đáp ứng với bản tin thông thƣờng Đáp ứng với bản tin thông báo lỗi
Kết thúc quá trình xử lý lỗi ở chế độ quảng bá
Có lỗi trong dữ liệu yêu cầu
Có lỗi trong khung truyền, hoặc khung truyền không đƣợc định địa chỉ cho trạm tớ nhận đƣợc Gửi đáp ứng
thông báo lỗi
Không có lỗi Có lỗi trong quá trình xử lý Gửi đáp ứng thông thƣờng
Kết thúc quá trình xử lý lỗi ở chế độ truy vấn một thiết bị tớ
32 Hết thời gian t3.5 Khởi động t3.5 Nhận đƣợc ký tự/ khởi tạo và bắt đầu thời gian t3.5
Yêu cầu gửi Hết thời gian t3.5
Ký tự cuối cùng đƣợc truyền/khởi tạo và bắt đầu thời
gian t3.5
Hết thời gian t3.5 Ký tự đầu tiên nhận đƣợc/
khởi tạo và bắt đầu thời
gian t1.5, t3.5 Nhận đƣợc ký tự/
khởi tạo và bắt đầu thời gian t3.5, t1.5 Nhận đƣợc ký tự
/flag = khung truyền NOK
Chú thích:
Khung điều khiển (kiểm soát lỗi CRC, kiểm tra chẵn lẻ, địa chỉ trạm tớ) Flag = khung truyền là OK hoặc NOK
Chú thích: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu khung truyền OK xử lý Nếu khung truyền NOK xoá
Hết thời gian t3.5
Ghi chú:
t3.5 = thời gian của 3.5 ký tự t1.5 = thời gian của 3.5 ký tự
Trạng thái
ban đầu Điều khiển và đợi
Trạng thái nghỉ (sẵn sàng gửi hoặc nhận) Điều khiển và đợi Trạng thái nghỉ (sẵn sàng gửi hoặc nhận)
33
Chƣơng 2. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG 2.1. Yêu cầu và lựa chọn phƣơng án thiết kế
2.1.1. Yêu cầu thiết kế
Hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa sử dụng tin nhắn SMS phải đạt đƣợc những yêu cầu sau đây:
Thứ nhất, hệ thống phải có khả năng giao tiếp với điện thoại di động để gửi và
nhận tin nhắn.
Thứ hai, hệ thống phải phải có khả năng điều khiển và giám sát trạng thái của các
thiết bị điện.
- Hệ thống có khả năng nhận tin nhắn SMS, phân tích và đƣa ra tín hiệu điều khiển các thiết bị điện.
- Hệ thống có khả năng gửi phản hồi tới thuê bao di động đã gửi tin nhắn SMS điều khiển cho biết trạng thái của các thiết bị vừa đƣợc điều khiển.
- Ngƣời dùng cũng có thể gửi tin nhắn SMS để truy vấn trạng thái hiện tại của các thiết bị điện.
Thứ ba, các mô-đun (mô-đun điều khiển trung tâm, mô-đun điều khiển tầng) có
khả năng giao tiếp RS485 Modbus-RTU.
Thứ tư, hệ thống phải có khả năng bảo mật, chỉ ngƣời dùng có mật khẩu mới có
khả năng truy cập và điều khiển hệ thống. Tin nhắn SMS sẽ đƣợc xoá sau khi điều khiển xong.
2.1.2. Lựa chọn phương án thiết kế
Để thiết kế một hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS có thể chọn một trong hai phuơng án thiết kế sau:
Phương án 1: Sử dụng mô-đun GPRS/GSM SIM900 của SIMCOM làm mô-đun
giao tiếp GSM để kết nối với khối điều khiển trung tâm. Mô-đun SIM900 thích hợp và đầy đủ tính năng cho lập trình sử dụng tập lệnh AT. Ngoài ra còn có thể phát triển các ứng dụng với GPRS.
Phương án 2: Dùng điện thoại di động (ví dụ nhƣ Ericssion T28, T39) có chức
năng giống với mô-đun GSM để kết nối với khối điều khiển trung tâm. Việc lập trình cho điện thoại di động cũng tƣơng tự nhƣ mô-đun GSM nhƣng có hạn chế hơn vì một số loại điện thoại chỉ hỗ trợ lệnh AT ở dạng PDU nên lập trình rất phức tạp. Ngoài ra phần kết nối giữa điện thoại di động với khối vi điều khiển cũng khá phức tạp.
Lựa chọn phƣơng án: Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã chọn phƣơng án sử dụng mô-đun SIM900 của SIMCOM làm mô-đun giao tiếp GSM vì mô-đun
34 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SIM900 hỗ trợ lập trình với tập lệnh AT ở cả 2 chế độ Text Mode và PDU Mode. Ngoài ra còn có thể phát triển các ứng dụng khác sử dụng GPRS (gửi mail, gửi dữ liệu lên Web Server).
2.2. Sơ đồ khối của hệ thống
Hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị điện từ xa đƣợc thiết kế theo sơ đồ khối nhƣ hình 2.1 dƣới đây: Mô-đun GSM Mô-đun điều khiển trung tâm (Master) Đ ƣ ờ ng b us R S 4 8 5 – M o b u s R T U Mô-đun điều khiển tầng 01 (Slave 01) Mô-đun điều khiển tầng n (Slave n)
Khối công suất 01
Khối công suất n
Khối nguồn
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị điện bằng SMS
Khối giao tiếp GSM (Mô-đun SIM900)
Có chức năng giao tiếp với mạng GSM để gửi/nhận tin nhắn SMS với nội dung điều khiển và giám sát trạng thái các thiết bị điện. Mô-đun GPRS/GSM SIM900 phải đƣợc gắn SIM Card của nhà cung cấp dịch vụ mạng, có chức năng nhƣ một điện thoại di động và kết nối với khối điều khiển trung tâm.
Khối điều khiển trung tâm (Master)
Khối điều khiển trung tâm đóng vai trò là một khối chủ (Master) kết nối với các khối điều khiển tầng (Slave) trong mạng RS485 với chuẩn truyền thông Modbus-RTU. Khi khối GMS nhận tin nhắn điều khiển hay truy vấn trạng thái các thiết bị, khối này sẽ đọc, giải mã tin nhắn và đƣa ra các tín hiệu điều khiển tới các khối điều khiển tầng cần điều khiển hay truy vấn trạng thái các thiết bị điện.
Khối điều khiển tầng (Slave)
Khối điều khiển tầng đƣợc kết nối với khối trung tâm qua mạng RS485 Modbus RTU. Khối này có chức năng nhận và giải mã câu lệnh điều khiển hay truy vấn đƣợc gửi từ khối trung tâm và đƣa ra tín hiệu điều khiển tƣơng ứng tới khối khối công suất để điều khiển đóng/ngắt thiết bị điện hay đáp ứng lại truy vấn trạng thái thiết bị của khối điều khiển trung tâm.
35
Khối công suất
Khối này có nhiệm vụ điều khiển đóng/ngắt thiết bị điện theo yêu cầu của ngƣời sử dụng. Khối công suất với dòng thấp, đáp ứng tải tiêu thụ nhƣ bóng đèn, điều hòa, tivi.
2.3. Thiết kế và thi công phần cứng cho hệ thống
2.3.1. Khối giao tiếp GSM
2.3.1.1. Giới thiệu mô-đun GPRS/GSM SIM900
Mô-đun GPRS/GSM SIM900 là một loại mô-đem GSM nhƣng có tốc độ truyền nhận dữ liệu nhanh hơn. Nó sử dụng công nghệ GPRS/GSM với băng tần hoạt động GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz; tính năng GPRS của SIM900 có nhiều lớp (8/10 lớp điện dung) và hỗ trợ GPRS theo dạng đồ thị mã hóa CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4.
- Đặc điểm cơ bản
Băng tần hoạt động: 850/ 900/ 1800/ 1900 MHz
Khả năng kết nối GPRS: GPRS có nhiều rãnh lớp 8 (lựa chọn) hay GPRS có nhiều rãnh lớp 10 (mặc định).
Trạm di dộng GPRS lớp B. Tƣơng thích với GSM pha 2/2+
Điều khiển qua tập lệnh AT (GSM 07.07, 07.05 và tập lệnh AT cải tiến của SIMCOM).
Nguồn điện áp: 3.4 ~ 4.5 VDC.
Dải nhiệt độ hoạt động: -30 oC tới 80 oC
- Gửi FAX
Nhóm 3, lớp 1.
- Truyền nhận dữ liệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
GPRS lớp 10: Tốc độ tải xuống tối đa là 85.5 kbps. Hỗ trợ PBCCH.
Sơ đồ mã hóa: CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4. Hỗ trợ giao thức PAP, kiểu sử dụng kết nối PPP. Tích hợp giao thức TCP/IP.
Chấp nhận thông tin đƣợc điều chỉnh rộng rãi.
36
MT, MO, CB, chế độ TEXT và PDU Bộ nhớ SMS: SIM Card
- Âm thanh
Dạng mã hoá âm thanh Nửa tốc độ (ETS 06.20) Toàn tốc độ (ETS 06.10)
Toàn tốc tăng cƣờng (ETS 06.50/ 06.06/ 06.80) Loại bỏ tiếng dội
ARM Nửa tốc độ Toàn tốc độ
- Giao tiếp nối tiếp
Giao tiếp với SIM Card ngoài (3V/ 1.8V). Giao tiếp âm thanh dạng tƣơng tự.
Chuẩn giao tiếp SPI, I2C. GPIO, PWM, ADC.
Cổng giao tiếp nối tiếp để giao tiếp RS232 (1.200 ~ 11.52 kbps). Cổng hiệu chỉnh lỗi (TXD và RXD) và chỉ sử dụng cổng hiệu chỉnh lỗi để sửa lỗi.
Memory FrequencyRadio
Baseband Engine Module Antenna Interface Power Interface GPIO/Keypad Interface Audio Interface SIM Interface LCD Interface UART Interface Hình 2.2: Mô-đun SIM900 Bảng 2.1. Một số thông số điện học của mô-đun SIM900
Ký hiệu Thông số Min Typ Max Đơn vị
VBAT Điện áp nguồn 3.2 4.0 4.8 V
TOPER Nhiệt độ hoạt động -40 +25 +85 oC
37
Bảng 2.2. Đặc tính điện học giao tiếp với SIM CARD
Ký hiệu Thông số Min Typ Max Đơn vị
Vo Điện áp ra 2.75 2.9 3.0 V
1.65 1.8 1.95
Io Dòng ra - - 10 mA
2.3.1.2. Thiết kế và thi công khối giao tiếp GSM
Nguồn cung cấp cho mô-đun GPRS/GSM SIM900 từ 3.2V tới 4.8V. Khi mô-đun thực hiện quá trình truyền nhận sẽ tạo ra sụt áp vì vậy nguồn phải có khả năng cung cấp dòng lên tới 2A. Và đặc biệt chú ý rằng, nguồn điện cấp cho SIM900 không thể giảm xuống dƣới 3.1V. Nếu xảy ra hiện tƣợng này thì mô-đun SIM900 sẽ tự động ngắt.
Mạch nguồn ổn áp cho khối giao tiếp GSM đƣợc thiết kế dƣạ trên linh kiện LM2576S-ADJ (IC nguồn có thể điều chỉnh mức điện áp ra). Đây là bộ ổn áp trên một chip đƣợc thiết kế theo kiểu đóng/cắt (switching regulator). Nó cho dòng tải cực đại lên tới 3A. Với tần số dao động nội 52 kHz.
Nguồn 12V qua LM2576S-ADJ tạo nguồn xung 4.3V cho khối mô-đun SIM900. Mạch đƣợc xây dựng dựa trên tài liệu kỹ thuật cung cấp bởi nhà sản xuất. Nhƣng với LM2576S-ADJ dùng biến trở 50K để chỉnh mức áp ra theo mong muốn.
với Vref = 1.23V
Nhƣ vậy giá trị điện áp đầu ra phụ thuộc vào tỷ lệ giữa R2 và R1. Để có đƣợc giá trị điện áp mong muốn, ta có thể dùng biến trở (50K) để thay đổi tỷ lệ tạo ra điện áp 4.0V. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.3: Sơ đồ chân vi mạch LM2576S-ADJ
Hình 2.4: Sơ đồ khối và mạch ứng dụng cơ bản của LM2576S-ADJ
38
Khối trung tâm giao tiếp với mô-đun SIM900 theo chuẩn giao tiếp RS232. Bởi vì khối trung tâm sử dụng nguồn nuôi 5V trong khi khối GSM chỉ là 4.3V vì vậy cần có mạch chuyển đổi mức tín hiệu để phù hợp.
Hình 2. 5 : Sơ đ ồ nguyê n lý kh ối g iao ti ếp GS M
39
Hình 2.6: Khối giao tiếp GSM sau khi chế tạo
2.3.2. Khối điều khiển trung tâm
2.3.2.1. Vi điều khiển dsPIC-30F4011
Vi điều khiển dsPIC30 là dòng vi điều khiển 16 bit tích hợp bộ xử lý tín hiệu số 16 bit của hãng Microchip. Với việc tích hợp mô-đun xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) vào một lõi vi điều khiển, hãng Microchip đã tạo ra một bộ vi điều khiển có khả năng xử lý các phép tính phức tạp và điều khiển trực tiếp các thiết bị ngoại vi. Việc đóng gói nhỏ gọn giúp chúng ta có thể thiết kế mạch điện tử đơn giản hơn và đặc biệt là tăng khả năng chống nhiễu cho hệ thống.
Trong dòng vi điều khiển dsPIC30 thì dsPIC30F4011 với giá thành hợp lý và đƣợc thiết kế chuyên dụng cho điều khiển động cơ. Vi điều khiển dsPIC30F4011 đƣợc tích hợp các mô-đun đặc biệt trong nhƣ bộ đọc xung phản hồi vị trí động cơ (Quadrature Encoder), bộ điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation), bộ biến đổi tín hiệu tƣơng tự sang số ADC (Analog to Digital Converter). Vi điều khiển dsPIC30F4011 có một số tính năng sau:
CPU với tập lệnh đƣợc đơn giản hóa RISC
- Kiến trúc Harvard có hiệu chỉnh.
- Tập lệnh tối ƣu cho ngôn ngữ lập trình C với chế độ địa chỉ linh hoạt. - Lệnh cơ bản gồm 84 lệnh (độ dài lệnh 24 bit), độ dài dữ liệu 16 bit. - 48 KB bộ nhớ Flash, có thể nạp lại nhiều lần.
- 02 KB bộ nhớ RAM. - 01 KB bộ nhớ EEPROM.
- Tốc độ xử lý tối đa 30 triệu lệnh trong 1 giây (MIPs). - 30 nguồn tạo ngắt với 3 nguồn ngoài, 8 mức ƣu tiên. - 16 thanh ghi 16 bit.
40
- Nhập dữ liệu kép.
- Câu lệnh xử lý tín hiệu số (DSP) đƣợc thực hiện trong một chu kỳ lệnh. - Bộ nhân bằng phần cứng 17x17 bit chỉ trong một chu kỳ lệnh đơn.
Các ngoại vi tích hợp trên chip
- Các chân vào/ra có khả năng chịu dòng cao (25mA).
- 05 mô-đun Timer/ Counter với tần số xung nhịp có khả năng chia tần và có thể cấu hình thành các cặp Timer 16 bit hoặc 32 bit.
- Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) với độ phân giải 16 bit. - Mô-đun truyền nhận dữ liệu SPI (hỗ trợ chế độ 4 khung truyền).
- Mô-đun truyền nhận dữ liệu I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ/tớ và các chế độ định địa chỉ 7 bit hay 10 bit.
- 02 mô-đun truyền thông nối tiếp (UART) với bộ đệm FIFO. - Mô-đun truyền thông CAN tƣơng thích chuẩn 2.0B.
Mô-đun điều khiển PWM
- 06 cổng vào/ra PWM với đầu ra với chế độ bù hoặc độc lập và các chế độ sƣờn xung hoặc trung tâm.
- 03 khối tạo chu kỳ làm việc khác nhau. - Cơ sở thời gian riêng biệt với toàn chip. - Đầu ra phân cực lập trình đƣợc.
- Bộ so sánh sự kiện đặc biệt cho việc lập lịch những sự kiện ngoại vi.
Các đặc điểm chính của module UART (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Truyền song công, dữ liệu 8 hoặc 9 bit.
- Các tùy chọn chẵn, lẻ hoặc không bit chẵn lẻ (cho dữ liệu 8 bit). - 01 hoặc 02 bit Stop.
- Tích hợp bộ tạo tốc độ Baud đầy đủ 16-bit.
- Dải tốc độ Baud từ 38 bps đến 1,875 Mbps với tốc độ thực hiện lệnh 30 MHz. - Bộ đệm dữ liệu truyền 4 từ đơn.
- Bộ đệm dữ liệu nhận 4 từ đơn.
- Phát hiện lỗi chẵn lẻ, lỗi khung truyền và lỗi tràn bộ đệm.
- Hỗ trợ ngắt cho chế độ dò tìm địa chỉ (bit thứ 9 có giá trị bằng 1). - Phân chia riêng biệt ngắt truyền và ngắt nhận.
41
Hình 2.7: Sơ đồ chân dsPIC4011
2.3.2.2. Thiết kế và thi công khối điều khiển trung tâm
Mạch sử dụng IC ổn áp nguồn LM7805. Đầu vào là nguồn 12 VDC qua IC ổn áp LM7805 tạo ra nguồn tuyến tính 5V cấp cho vi điều khiển, khối thực hiện chức năng giao tiếp với khối GSM, khối giao tiếp RS485 và khối hiển thị LCD. Mạch đƣợc thiết kế theo tài liệu kỹ thuật của IC LM7805.
Hình 2.8. Sơ đồ khối của IC ổn áp nguồn LM7805
Khối điều khiển trung tâm làm nhiệm vụ nhận các tin nhắn điều khiển để xử lý nội dung tin nhắn, sau đó thực hiện lệnh điều khiển theo tin nhắn nhận đƣợc để đƣa ra các lệnh điều khiển tƣơng ứng tới các trạm điều khiển tầng qua mạng RS485 Modbus- RTU, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi trạng thái thiết bị từ các trạm điều khiển tầng để gửi tin nhắn báo cáo trạng thái thiết bị điện đến thuê bao điều khiển thông qua khối giao tiếp GSM sử dụng mô-đun SIM900.
42 Hình 2. 9 : M ạch ng uyê n lý kh ối đ iề u khi ển tru ng tâm
43
Hình 2.10: Khối điều khiển trung tâm sau khi lắp ráp linh kiện
2.3.3. Khối điều khiển tầng
2.3.3.1. Vi điều khiển PIC-16F887
Vi điều khiển PIC16F887 sử dụng công nghệ CMOS, nano-Watt có bộ nhớ Flash 8 bit. Chi tiết kỹ thuật của chip đƣợc cho trong các tài liệu có sẵn của hãng MicroChip.