Đề tài Điều khiển thiết bị điện qua internet và gsm_evaver

Đề tài Điều khiển thiết bị điện qua Internet và GSM_EvaVer 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ..................................................................................... 7 1.1 Đặt vấn đề: .................................................................................................... 7 1.2 Ý nghĩa của đề tài: ........................................................................................ 8 1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 9 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................... 10 1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài ..................................................................... 11 1.6 Sơ đồ tổng quan của hệ thống ..................................................................... 12 CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP ................................. 15 2.1 Tổng quan về Ethernet ................................................................................ 15 2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet .................................................................. 15 2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet ...................................................................... 16 2.1.3 Các loại khung Ethernet ........................................................................ 16 2.1.3.1 Khung unicast ................................................................................. 16 2.1.3.2 Khung broadcast ............................................................................. 16 2.1.3.3 Khung multicast .............................................................................. 17 2.1.4 Truy nhập bus sử dụng phương pháp CSMA/CD ................................ 17 2.2 Họ giao thức TCP/IP ................................................................................... 18 2.2.1 Tầng ứng dụng (Application Layer) ..................................................... 19 2.2.2 Tầng giao vận (Transport Layer) .......................................................... 20 2.2.3 Tầng Internet (Internet Layer) .............................................................. 25 2.2.4 Tầng giao tiếp mạng ............................................................................. 30 2.3 Microchip TCP/IP Stack ............................................................................. 31 2 2.3.1 Cấu trúc của Microchip TCP/IP Stack ................................................. 31 2.3.2 Hoạt động của TCP/IP Stack ................................................................ 32 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS VÀ MODULE SIM900 ..... 33 3.1 Tổng quan về tin nhắn SMS ........................................................................ 33 3.2 Giới thiệu Module SIM900 ......................................................................... 33 3.2.1 Tổng quan về Module SIM900 ............................................................. 33 3.2.2 Khảo sát sơ đồ chân và chức năng từng chân ....................................... 34 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG .......................................................... 35 4.1 Phân tích yêu cầu điều khiển ...................................................................... 35 4.2 Thiết kế phần cứng mạch chính .................................................................. 37 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chính ................. Error! Bookmark not defined. 4.2.2 Mô tả chức năng từng khối ................... Error! Bookmark not defined. 4.2.3 Khối rơle ............................................... Error! Bookmark not defined. 4.3 Tổng quan chương trình chính .................... Error! Bookmark not defined. 4.4 Thiết kế Webserver ..................................................................................... 38 4.5 Thiết kế và thi công Module SIM900 ......... Error! Bookmark not defined. 4.5.1 Sơ đồ nguyên lý kết nối Module SIM900 ........... Error! Bookmark not defined. 4.5.2 Tập lệnh AT dùng cho Module SIM900Error! Bookmark not defined. 4.5.2 Giải thuật nhận tin nhắn và thực thi điều khiển: .. Error! Bookmark not defined. Chương 5: KẾT LUẬN ........................................ Error! Bookmark not defined. 5.1 Kết luận ....................................................... Error! Bookmark not defined. 5.2 Hướng phát triển đề tài ............................... Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 39 3 PHỤ LỤC 1: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F8722 ...................................................... 40 PHỤ LỤC 2: GIỚI THIỆU VỀ TRÌNH BIÊN DỊCH MPLAB C18 ................... 59 PHỤ LỤC 3 : GIAO TIẾP GIỮA PIC VÀ ETHERNET .................................... 61 PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA SIM900 ...................................... 66 4 Liệt kê bảng Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet. ................. 15 Liệt kê hình Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ........................................................ 12 Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển .................................................. 13 Hình 2.1: Minh họa phương pháp CSMA/CD. ....................................... 17 Hình 2.2: Cấu trúc họ giao thức TCP/IP. ................................................ 18 Hình 2.3: Cấu trúc gói TCP. .................................................................... 21 Hình 2.4: Lưu đồ trạng thái kết nối TCP. ................................................ 23 Hình 2.5: Cấu trúc gói tin IP. .................................................................. 26 Hình 2.6: Cấu trúc gói tin ARP. .............................................................. 28 Hình 2.7: Cấu trúc của Stack. .................................................................. 31 Hình 2.8: So sánh cấu trúc TCP/IP tham khảo và cấu trúc Stack của Microchip……………………………………………………………….32 Hình 3.1: Module Sim900 ....................................................................... 33 Hình 3.2: Sơ đồ chân của Module Sim900.............................................. 34 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chính ... Error! Bookmark not defined. Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối rơle ....... Error! Bookmark not defined. Hình 4.3: Tổng quan chương trình chính Error! Bookmark not defined. Hình 4.4: Giao điện Webserver ............... Error! Bookmark not defined. Hình 4.5: Từ cảm biến nhệt độ lên trình duyệt ...... Error! Bookmark not defined. Hình 4.6: Kết quả nhiệt độ phòng trên trình duyệt . Error! Bookmark not defined. 5 Hình 4.7: Vi điều khiển nhận lệnh từ Web và điều khiển ................ Error! Bookmark not defined. Hình 4.8: Kết quả truyền dữ liệu ............. Error! Bookmark not defined. Hình 4.9: Phần mềm MPFS2 ................... Error! Bookmark not defined. Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý kết nối Module SIM900 .. Error! Bookmark not defined. Hình 4.11: Giải thuật nhận tin nhắn và thực thi điều khiển ............. Error! Bookmark not defined. 6 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Và khái niệm về ngôi nhà thông minh đã ra đời. Một ngôi nhà thông là một giải pháp điều khiển tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền thông thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất. Nhận thức được tầm thực tiễn của ngôi nhà thông minh là cơ sở để chúng em chọn đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong gia đình qua Ethernet và SMS”. Trong suốt thời gian hoàn thành đồ án, chúng em đã tìm hiều về vi điều khiển, các chế độ truyền thông, cảm biến đo, cơ cấu chấp hành, cách kết nối mạng Ethernet, điều khiển qua tin nhắn SMS, đồng thời tìm hiểu về các tiêu chí của một ngôi nhà thông minh. Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Vũ Vân Hà cùng với sự cố gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn cho phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như lượng kiến thức rất lớn nên chúng em không thể tránh khỏi nhiều thiếu xót. Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy cô giáo và các bạn sinh viên để chúng em có thể phát triển và hoàn thiện thêm đề tài này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện 1. Nguyễn Tất Nam 2. Đào Cửu Long 3. Mai Trung Chính 7 CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề: Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin ... Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điều khiển tự động chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị trong đời sống của các gia đình ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng. Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu. Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS gồm có các thiết bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tinh vi, phức tạp như tivi, máy giặt, hệ thống báo động … Nó hoạt động như một ngôi nhà thông minh. Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong ngồi nhà này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng 8 Ethernet hoặc tin nhắn SMS của chủ nhà. Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện … khi người chủ nhà quên chưa tắt trước khi ra khỏi nhà. Hay chỉ với một tin nhắn SMS, người chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi về nhà trong một khoảng thời gian nhất định. Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo cho người điều khiển biết nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi nhiệt độ phòng vượt quá giới hạn cho phép. Ngoài ra, hệ thống còn mang tính bảo mật. Nghĩa là chỉ có những số điện thoại được cài đặt trước và biết đúng mật khẩu thì mới có thể điều khiển được hệ thống. Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài " Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện trong nhà qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS " để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà. Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba hướng hướng chính:  Điều khiển thiết bị qua Ethernet với giao thức TCP/IP. Người dùng đăng nhập vào Website và thực hiện điều khiển thiết bị qua giao diện Web.  Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ những số điện thoại được cho phép. Thiết bị sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước. Phân tích yêu cầu điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị.  Đo và thông báo nhiệt độ trong phòng, phát tín hiệu cảnh báo nếu nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. 1.2 Ý nghĩa của đề tài: Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng 9 muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng cao. Có thể ở Việt nam chưa phát triển mạnh mẽ trong lĩnh này nhưng hiện nay ở trên thế giới, nhất là các quốc gia thuộc Châu âu hay Mỹ thì mô hình ngôi nhà tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ. Từ những nhu cầu thực tế đó, nhóm em muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước để có thể tạo ra một hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề tài lấy cơ sở là mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị. Việc sử dụng mạng Ethernet và tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. 1.3 Giới hạn nghiên cứu của đề tài Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS áp dụng cho một ngôi nhà hoàn chỉnh như nói trên là rất phức tạp và rất tốn kém. Để đáp ứng việc điều khiển toàn bộ các thiết bị này đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định. Bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính. Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này nhóm em thực hiện chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh đó. Đó là điều khiển đóng mở đèn, ngoài ra còn có chức năng báo động khi nhiệt độ trong phòng tăng cao quá nhiệt độ cho phép. Với những gì đã trình bày trên, nhóm em đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát và thực hiện và dự kiến đạt được các mục tiêu đặt ra như sau: 10 - Thiết lập một Website và thực hiện điều khiển các thiết bị qua giao diện Web, sau khi thực hiện lệnh điều khiển trạng thái của thiết bị on/off được thể hiện ngay trên giao diện Web. - Điều khiển các thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS. Sau khi thực hiện lệnh điều khiển xong, tự động gửi tin nhắn lại cho người dùng biết đã thực hiện thành công. - Gửi tin nhắn thông báo trạng thái của các thiết bị và nhiệt độ trong phòng hiện tại là bao nhiêu. - Ngoài ra, hệ thống còn có chức năng tự động phát tín hiệu cảnh bảo qua chuông và tin nhắn khi nhiệt độ trong phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. 1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển tự động từ xa qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS. - Nghiên cứu và tạo một giao diện Websever để thực hiện điều khiển qua mạng Ethernet với chuẩn giao tiếp TCP/IP. - Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay. Nghiên cứu và sử dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay. Module nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng là module SIM900 của hãng SIMCom. - Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển PIC của Mircochip. Chip mà nhóm đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip PIC18F8722. 11 1.5 Kết quả nghiên cứu của đề tài Với những mục tiêu và kế hoạch đã đề ra, cùng với sự nỗ lực nghiên cứu, tìm tòi của các thành viên trong nhóm thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đã đạt được những kết quả nhất định sau: Thiết kế thành công mạch điều khiển giao tiếp qua mạng Ethernet và tin nhắn SMS với các tính năng: - Giao tiếp thành công với mạng Ethernet qua chuẩn truyền thông TCP/IP, thực hiện quan sát trạng thái và ra lệnh điều khiển thiết bị qua giao diện Webserver. - Giao tiếp thành công với module SIM900, nhận và gửi tin nhắn thành công, thực hiện điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS. - Cảnh báo tới người dùng và phát tín hiệu ra chuông khi nhiệt độ phòng tăng cao vượt quá giới hạn cho phép. - Ngoài ra, mạch điều khiển được thiết kế sẵn sàng cho việc tích hợp thêm các ngoại vi trong tương lai. 12 1.6 Sơ đồ tổng quan của hệ thống  Sơ đồ tổng quan của hệ thống: Ethernet Bộ điều khiển Hình 1.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống Dù đang ở rất xa ngôi nhà, người sử dụng có thể dùng máy tính được kết nối với mạng Internet hoặc các thiết bị như điện thoại, máy tính bảng có hỗ trợ tin nhắn SMS để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển tác động lên các thiết bị điện trong gia đình. Điều này rất thuật tiện khi bạn thường xuyên phải ra khỏi nhà và muốn cập nhật trạng thái và điều khiển hoạt động của các thiết bị điện trong ngôi nhà. 13  Sơ đồ khối của bộ điều khiển: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F8722 KHỐI ETHERNET KHỐI CÔNG SUẤT Thiết bị 2Thiết bị 1 Thiết bị 4Thiết bị 3 MODULE SIM900 KHỐI GIAO TIẾP SMS CẢM BIẾN KHỐI GIAO TIẾP INTERNET KHỐI NGUỒN KHỐI HIỂN THỊ LCD Hình 1.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển Chức năng từng khối:  Khối giao tiếp SMS: Gồm Module SIM900, có chức năng gửi nhận tin nhắn SMS cho việc điều khiển các thiết bị. Module SIM900 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722, có nhiệm vụ nhận SMS gửi tới vi điều khiển và gửi SMS tới người sử dụng khi có yêu cầu.  Khối giao tiếp ETHERNET: Gồm ENC26JC0 được kết nối với vi điều khiển PIC18F8722 truyền nhận tín hiệu qua giao thức SPI. Khối này có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển qua Webserver với giao thức TCP/IP. Vi điều khiển nhận lệnh, thực thi xong và gửi trả lại kết quả.  Khối vi điều khiển PIC18F8722 14 Khối trung tâm trong việc xử lý và điều khiển. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ khối giao tiếp SMS, khối giao tiếp Ethernet và cảm biến, sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đồng thời hiển thị lên LCD.  Khối cảm biến nhiệt độ Cảm biến được sử dụng là DS18B20 có nhiệm vụ đo nhiệt độ và gửi tín hiệu tới vi điều khiển. Khi nhiệt độ đo được lớn hơn giá trị cho phép thì vi điều khiển phát tín hiệu cảnh báo.  Khối hiển thị LCD Gồm TEXT LCD 16x2, có nhiệm vụ hiện thị các thông tin có liên quan tới việc điều khiển, giúp cho giao diện giữa người dùng và thiết bị trực quan hơn.  Khối công suất Khối này bao gồm 4 BJT C1815 có nhiệm vụ khuếch đại điện áp để kích cho relay. Khối công suất với dòng thấp, đáp ứng tải tiêu tụ công suất dân dụng như bóng đèn.  Khối nguồn Tạo nguồn với hai mức điện áp 5V cấp cho vi điều khiển và 3V3 cấp cho ENC26JC0. Ngoài ra module SIM900 được cấp nguồn với điện áp 4V. 15 CHƯƠNG 2: ETHERNET VÀ HỌ GIAO THỨC TCP/IP 2.1 Tổng quan về Ethernet 2.1.1 Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data Link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (frame). Cấu trúc khung Ethernet như sau: Bảng 2.1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet. Mở đầu 555…5H SFD (D5H) Địa chỉ đích Địa chỉ nguồn Độ dài kiểu gói Dữ liệu PAD FCS 7 byte 1 byte 2/6 byte 2/6 byte 2 byte 46-1500 byte 4 byte  Preamble (mở đầu): trường này đánh dấu sự xuất hiện của khung bit, nó luôn mang giá trị 10101010. Từ nhóm bit này, phía nhận có thể tạo ra xung đồng hồ 10 Mhz.  SFD (start frame delimiter): trường này mới thực sự xác định sự bắt đầu của 1 khung. Nó luôn mang giá trị 10101011.  Các trường Destination và Source: mang địa chỉ vật lý của các trạm nhận và gửi khung, xác định khung được gửi từ đâu và sẽ được gửi tới đâu.  LEN: giá trị của trường nói lên độ lớn của phần dữ liệu mà khung mang theo.  FCS mang CRC (cyclic redundancy checksum): phía gửi sẽ tính toán trường này trước khi truyền khung. Phía nhận tính toán lại CRC này theo cách tương tự. Nếu hai kết quả trùng nhau, khung được xem là nhận đúng, ngược lại khung coi như là lỗi và bị loại bỏ. 16 2.1.2 Cấu trúc địa chỉ Ethernet M