Luận văn Quản lý thiết bị sử dụng công nghệ GSm

ÐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ÐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP QUẢN LÝ THIẾT BỊ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ GSM GVHD: ThS. Ðinh Quốc Hùng SVTH: Bùi Mạnh Khánh 40501241 Võ Thành Long 40501532 - i - - Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 1-2010 - - ii - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Thành phố Hồ Chí Minh Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc       Số:______/BKĐT Khoa: Điện – Điện tử Bộ Môn: Viễn Thông NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên: BÙI MẠNH KHÁNH MSSV: 40501241 Họ và tên: VÕ THÀNH LONG MSSV: 40501532 Ngành: VIỄN THÔNG LỚP: DD05DV2 1. Đầu đề luận văn: “Quản lý thiết bị sử dụng GSM” 2. Nhiệm vụ ( Yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 5. Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn ................................................ Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ Môn. Ngày . .........tháng ............năm 2009 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận văn: TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc --o0o-- Ngày tháng năm 2010 PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn) Họ và tên: BÙI MẠNH KHÁNH MSSV: 40501241 Họ và tên: VÕ THÀNH LONG MSSV: 40501532 Ngành: VIỄN THÔNG LỚP: DD05DV2 1. Đề tài: “Quản lý thiết bị sử dụng GSM” 2. Họ tên người hướng dẫn: ThS ĐINH QUỐC HÙNG 3. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang ......... Số chương ......... Số bảng số liệu ......... Số hình vẽ ......... Số tài liệu tham khảo ......... Phần mềm tính toán ......... 4. Tổng quát về các bản vẽ: - Số bản vẽ: bản A1 bản A2 khổ khác - Số bản vẽ tay số bản vẽ trên máy tính 5. Những ưu điểm chính của LVTN: 6. Những thiếu sót chính của LVTN: 7. Đề nghị: Được bảo vệ , Bổ sung thêm để bảo vệ , Không được bảo vệ . 8. 3 câu hỏi sinh viên trả lời trước Hội Đồng: a) b) c) 9. Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm ……………………. Ký tên (ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, sinh viên muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên, Thạc sĩ Đinh Quốc Hùng, trong thời gian vừa qua, đã hướng dẫn và giúp đỡ sinh viên nghiên cứu từ đồ án 2, thực tập tốt nghiệp đến luận văn tốt nghiệp. Những lời nhận xét, góp ý và hướng dẫn của giáo viên đã giúp sinh viên có một định hướng đúng trong quá trình thực hiện đề tài, giúp sinh viên nhìn ra được ưu khuyết điểm của đề tài và từng bước khắc phục để ngày một tốt hơn. Đồng thời sinh viên cũng muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và bạn bè đã động viên và cổ vũ tinh thần sinh viên trong suốt quãng thời gian học tập, đặc biệt là bố mẹ sinh viên, người đã chăm lo và hi sinh rất nhiều cho sinh viên để sinh viên có thể chuyên tâm học tập. Bên cạnh đó, sinh viên muốn nói lời cảm ơn đến những giáo viên đã đứng trên bục giảng truyền đạt kinh nghiệm, kiến thức cho sinh viên trong suốt 4 năm đại học vừa qua. Một lần nữa, sinh viên xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến bố mẹ, thầy cô và bạn bè, những người luôn ở cạnh động viên, giúp đỡ và cổ vũ tinh thần cho sinh viên. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 01 năm 2010 BÙI MẠNH KHÁNH VÕ THÀNH LONG - ii - TÓM TẮT LUẬN VĂN Mục tiêu chính của đề tài luận văn là thiết kế mạch giao tiếp với GSM modem nhằm quản lý thiết bị bằng tin nhắn SMS. Khối giao tiếp này phải được thiết kế một cách linh hoạt nhằm truyền tải thông tin từ người sử dụng tới các thiết bị quản lý. Lý thuyết về GSM modem đã được tìm hiểu trong đồ án hai, trong phần luận văn này tập trung xây dựng hệ thống gồm phần giao tiếp với GSM modem (node trung tâm) và thiết bị giám sát nhiệt độ (node ngoại vi). Node ngoại vi và node trung tâm sử dụng giao tiếp không dây nhằm đảm bảo tính thẩm mỹ,tiện lợi cho người dùng.Mạch cảm biến nhiệt độ là một thí dụ điển hình cho thiết bị giám sát.Với thiết kế, lập trình linh hoạt người dùng có thể thêm nhiều thiết bị giám sát khác vào hệ thống mà không cần thay đổi gì node trung tâm. Nhóm sinh viên thực hiện BÙI MẠNH KHÁNH VÕ THÀNH LONG - iii - MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa.............................................................................................................i Nhiệm vụ luận văn............................................................................................... Lời cảm ơn.........................................................................................................ii Tóm tắt luận văn...............................................................................................iii Mục lục.............................................................................................................iv Danh sách hình vẽ............................................................................................vii Danh sách bảng biểu.........................................................................................xi Nội dung luận văn Phần 0 – GIỚI THIỆU CHUNG Phần I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: Giới thiệu vi xử lý ATmega16 1.1 Giới thiệu chung ....................................................................................05 1.2 Cấu trúc AVR..........................................................................................06 1.2.1 Cấu trúc tổng quát .........................................................................06 1.2.2 ALU...............................................................................................07 1.2.3 Thanh ghi trạng thái........................................................................07 1.2.4 Các thanh ghi chức năng.................................................................08 1.2.5 Con trỏ ngăn xếp (SP).....................................................................08 1.2.6 Quản lý ngắt....................................................................................09 1.3 Cấu trúc bộ nhớ.......................................................................................10 1.4 Các cổng ngoài ra (I/O)...........................................................................12 1.5 Bộ định thời.............................................................................................14 1.5.1 Các thanh ghi...................................................................................15 1.5.2 Đơn vị đếm......................................................................................15 1.5.3 Đơn vị so sánh ngõ ra......................................................................16 - iv - 1.5.4 Mô tả các thanh ghi.........................................................................17 1.6 USART...................................................................................................19 1.6.1 Tạo xung clock................................................................................20 1.6.2 Định dạng khung truyền..................................................................21 1.6.3 Khởi tạo USART.............................................................................22 1.6.4 Truyền thông dữ liệu –bộ truyền USART.......................................23 1.6.5 Nhận dữ liệu –bộ phận USART.......................................................24 1.7 Bộ biến đổi A/D.....................................................................................26 Chương 2: GIỚI THIỆU CẢM BIẾN DS18B20 2.1 Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ DS18B20.................................................34 2.2 Các đặc tính cơ bản của DS18B20..........................................................35 2.3 Lệnh ROM và các lệnh chức năng..........................................................37 2.3.1 Lệnh ROM......................................................................................37 2.3.2 Lệnh chức năng bộ nhớ...................................................................38 2.4 Các cách kết nối DS18B20 với vi điều khiển.........................................39 Chương 3: KHÁI QUÁT MODULE RF 3.1 Các đặc tính của RF module....................................................................42 3.2 Chức năng các chân module....................................................................43 Chương 4: GIỚI THIỆU GSM MODEM VÀ TẬP LỆNH AT 4.1 Giới thiệu về kết nối GSM modem và RS232..........................................46 4.1.1 Sơ đồ nhân của GSM modem.........................................................46 4.1.2 Kết nối anten....................................................................................47 4.1.3 Nguồn cung cấp cho kết nối.............................................................47 4.1.4 Các chân kết nối của GSM modem..................................................48 4.2 Giới thiệu vế tập lệnh ATcommand...........................................................50 Phần II – THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Chương 5: CƠ SỞ THIẾT KẾ 5.1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ khối................................................................55 5.1.1 Sơ đồ khối.....................................................................................55 - v - 5.1.2 Sơ đồ nguyên lý.............................................................................60 5.2 Giới thiệu IC max232..............................................................................62 Chương 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH 6.1 Cách sử dụng codevisionAVR.................................................................65 6.2 Lưu đồ giải thuật khối trung tâm.............................................................74 6.3 Lưu đồ giải thuật khối ngoại vi...............................................................78 6.4 Chương trình chính.................................................................................80 6.4.1 Chương trình khối trung tâm...........................................................80 6.4.2 Chương trình khối ngoại vi.............................................................81 Chương 7: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết quả thi công......................................................................................86 7.1.1 Mạch in trung tâm...........................................................................86 7.1.2 Mạch in ngoại vi.............................................................................86 7.1.3 Mạch thực tế...................................................................................87 7.2 Kết luận và hướng phát triển...................................................................87 TÀI LIỆU THAM KHẢO - vi - DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc ATmega16 Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc CPU của ATmega16 Hình 1.3: Thanh ghi trạng thái SREG Hình 1.4: Thanh ghi chức năng chung Hình 1.5:Thanh ghi con trỏ ngăn xếp Hình 1.6: Bản đồ bộ nhớ chương trình Hình 1.7: Bản đồ bộ nhớ dữ liệu SRAM Hình 1.8: Sơ đồ cấu trúc bộ định thời Hình 1.9: Đơn vị đếm Hình 1.10: Sơ đồ đơn vị so sánh ngõ ra Hình 1.11: Thanh ghi điều khiển bộ định thời Hình 1.12: Thanh ghi bộ định thời Hình 1.13: Thanh ghi so sánh ngõ ra Hình 1.14: Thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK Hình 1.15: Thanh ghi mặt nạ ngắt TIMSK Hình 1.16: Sơ đồ khối bộ USART Hình 1.17: Đơn vị tạo xung clock Hình 1.18: Định dạng khung truyền Hình 1.19: Sơ đồ bộ biến đổi A/D Hình 1.20: Thanh ghi ADMUX Hình 1.21: Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC Hình 1.22: Thanh ghi dữ liệu ADC Hình 2.1 : Sơ đồ chân DS18B20 Hình 2.2 Phương pháp nối dây của DS18B20 Hình 2.3: Nội dung giải mã 64 bit trên bộ nhớ ROM Hình 2.4 : Kết nối “1 dây” Hình 2.5: Kết nối dùng nguồn ngoài - vii - Hình 3.1: Module giao tiếp RF Hình 3.2:Cấu trúc chân RF module Hình 3.3:Kết nối RF Hình 4.1: Sơ đồ khối bên trong GSM modem. Hình 4.2: Kết nối SMA cho anten Hình 4.3 Nguồn cung cấp kết nối Hình 4.4 15 chân kết nối Hình 5.1: Sơ đồ khối tổng quát Hình 5.2: Quá trình truyền tin(1) Hình 5.3: Quá trình truyền tin(2) Hình 5.4: Quá trình truyền tin(3) Hình 5.5: Sơ đồ khối trung tâm Hình 5.6: Sơ đồ khối ngoại vi Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý trung tâm Hình 5.8 : Sơ đồ nguyên lý ngoại vi Hình 5.9: Sơ đồ chân MAX232. Hình 5.10: Sơ đồ khối bên trong MAX232. Hình 6.1: Cách sử dụng codevisionAVR(1) Hình 6.2: Cách sử dụng codevisionAVR(2) Hình 6.3: Cách sử dụng codevisionAVR(3) Hình 6.4: Cách sử dụng codevisionAVR(4) Hình 6.5: Cách sử dụng codevisionAVR(5) Hình 6.6: Cách sử dụng codevisionAVR(6) Hình 6.7: Cách sử dụng codevisionAVR(7) Hình 6.8: Cách sử dụng codevisionAVR(8) Hình 6.9: Cách sử dụng codevisionAVR(9) Hình 6.10: Cách sử dụng codevisionAVR(10) Hình 6.11: Cách sử dụng codevisionAVR(11) Hình 6.12: Cách sử dụng codevisionAVR(12) - viii - Hình 6.13: Cách sử dụng codevisionAVR(13) Hình 6.14: Cách sử dụng codevisionAVR(14) Hình 6.15:Lưu đồ node trung tâm 1 Hình 6.16 : Lưu đồ node trung tâm 2 Hình 6.17: Lưu đồ giải thuật khối ngoại vi Hình 6.18:Lưu đồ chương trình đọc giá trị nhiệt độ Hình 7.1: Mạch in trung tâm Hình 7.2: Mạch in ngoại vi Hình 7.1: Mạch thực tế - ix - DANH SÁCH BẢNG BIỂU Báng 1.1:Bảng 3 bít chọn xung đồng hồ Bảng 1.2: Chọn điện áp tham khảo ADC Bảng 4.1: Chân nguồn và ngoại vi Bảng 4.2:Các chân kết nối GSM modem - x - DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT GSM Groupe Special Mobile SMS Short Message Services GPS Global Positioning System GPRS General Packet Radio Service CPU Central Processing Unit RF Radio frequency FSK Frequency Shift Keying FDMA Frequency Division Multiplexing Access - xi - Ngày nay với sự phát triển của hệ thống thông tin di động GSM và hệ thống định vị GPS, nhu cầu của việc giám sát, quản lý ngày càng tăng. Song song với nhu cầu định vị, chỉ đường dùng công nghệ GPS, nhu cầu giám sát thiết bị trên xe cũng GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 1 Phần mở đầu GIỚI THIỆU CHUNG ngày càng cấp thiết. Module Wavecom Fastrack Supreme được tích hợp nhiều cổng giao tiếp mở rộng cho những chức năng khác nhau như GPS, Bluetooth, Wifi,… cùng các chuẩn giao tiếp chuẩn thông dụng như USB,RS232,…đã đáp ứng được hai nhu cầu định vị và giám sát trên. Trong đề tài luận văn này, chúng em thiết kế hệ thống để cụ thể mô hình trên. Thiết bị gắn trên xe tải sẽ làm nhiệm vụ chính là thu sóng GPS xác định tọa độ của nó và gửi tọa độ đó cùng các thông số đo được trên xe gửi về trung tâm quản lý. Cụ thể như sau: - Thiết kế khối trung giao tiếp với GSM modem - Thiết kế khối ngoại vi kiểm tra nhiệt độ - Giao tiếp khối ngoại vi và khối trung tâm dùng RF module giao tiếp không dây - Kết hợp hệ thống GPS để giám sát xe tải PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: Giới thiệu vi xử lý ATmega16 Chương 2: Giới thiệu cảm biến DS18B20 Chương 3: Khái quát module RF Chương 4: Giới thiệu GSM modem và tập lệnh AT PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Chương 5: Cơ sở thiết kế Chương 6: Lưu đồ giải thuật và chương trình Chương 7: Kết quả thi công và hướng phát triển triển GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 2 GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 3 Phần I CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: Giới thiệu vi xử lý ATmega16 Chương 2: Giới thiệu cảm biến DS18B20 Chương 3: Khái quát module RF Chương 4: Giới thiệu GSM modem và tập lệnh AT Chương 1 GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 4 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu trúc nhân AVR 1.2.1 Cấu trúc tổng quát 1.2.2 ALU 1.2.3 Thanh ghi trạng thái 1.2.4 Các thanh ghi chức năng chung 1.2.5 Con trỏ ngăn xếp (SP) 1.2.6 Quản lý ngắt 1.3 Cấu trúc bộ nhớ 1.4 Các cổng vào ra (I/O) 1.5 Bộ định thời 1.5.1 Các thanh ghi 1.5.2 Đơn vị đếm 1.5.3 Đơn vị so sánh ngõ ra 1.5.4 Mô tả các thanh ghi 1.6 USART 1.6.1 Tạo xung clock 1.6.2 Định dạng khung truyền 1.6.3 Khởi tạo USART 1.6.4 Truyền thông dữ liệu-bộ truyền USART 1.6.5 Nhận dữ liệu-bộ nhận USART 1.7 Bộ biến đổi A/D Nôị dung chính PHẦN I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 1.1Giới thiệu chung ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).Dưới đây là sơ đồ khối của ATmega16 GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 5 PHẦN I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc ATmega16 ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,.... ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử nghiêm,... 1.2Cấu trúc nhân AVR CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình. Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt. 1.2.1 Cấu trúc tổng quát GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 6 PHẦN I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc CPU của ATmega16 AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash. 1.2.2 ALU ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán được thực hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số, logic và theo bit. 1.2.3 Thanh ghi trạng thái Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số học và logic. Hình 1.3: Thanh ghi trạng thái SREG C: Carry Flag ;cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập) Z: Zero Flag ;Cờ zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0) N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm) V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù 2) V, For signed tests (S=N XOR V) S: N H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau) T: Transfer bit used by BLD and BST instructions(Được sử dụng làm nơi trung gian trong các lệnh BLD,BST). GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 7 PHẦN I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 I: Global Interrupt Enable/Disable Flag (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt. Nếu bit này ở trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ.) 1.2.4 Các thanh ghi chức năng chung Hình 1.4: Thanh ghi chức năng chung 1.2.5 Con trỏ ngăn xếp (SP) Là một thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh ghi chức năng đặc biệt 8 bit. Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là $3E (Trong bộ nhớ RAM là $5E). Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ trong RAM chứa ngăn xếp. Hình 1.5:Thanh ghi con trỏ ngăn xếp GVHD: TH.S ĐINH QUỐC HÙNG SVTH: BÙI MẠNH KHÁNH : VÕ THÀNH LONG Trang 8 PHẦN I – CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 1: GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA16 Khi chương trình phục vu ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngă