BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ QUA TIN NHẮN SỬ DỤNG MODULE SIM800A

Đồ án môn học điều khiển thiết bị bằng tin nhắn sử dụng module SIM800A. Đồ án sử mạch Arduino UNO R3 dễ dàng sử dụng và thiết kế, Module SIM800A mới nhất hiện nay. Đồ án mình rất khó để làm ra nên rất kỹ lưỡng và thực tế, rất mong các bạn xem ủng hộ và cho mình xin ý kiến nhé. Cảm ơn các bạn đã đọcCó code kèm trong báo cáo nhé Chúc các bạn thành công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GÒN

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 Chuyên Ngành: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TP Hồ Chí Minh Tháng 02 năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm Đồ án 2 với đề tài “Điều Khiển Thiết Bị Bằng Tin Nhắn SMS” đã có sự giám sát trạng thái thiết bị và giao tiếp với người sử dụng thông qua tin nhắn, em đã nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp và hướng dẫn giúp đỡ rất chân tình từ cô, bạn bè và gia đình.

Tuy còn nhiều thiếu sót, chậm trễ trong quá trình trao đổi với cô nhưng những gì cô hướng dẫn và chỉ bảo đã giúp tụi em thấy thích thú khi được thực hành một cách cụ thể Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô khoa Điện - Điện Tử, em chúc các thầy cô sức khỏe, hạnh phúc và thành công trong công việc

Đặc biệt, em xin cảm ơn cô Trần Thị Huyền Trang Cô đã tạo mọi điều kiện cung cấp những tài liệu bổ ích thiết thực nhằm giúp cho chúng em tìm hiểu

và áp dụng lý thuyết dựa trên nguyên lý hoạt động và cách ứng dụng để thực hiện đồ án.

Em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 02 năm 2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 02 năm 2019

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.3 Phạm vi của đề tài 6

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8

2.1 Giới thiệu về mạng GSM 8

2.2 Giới thiệu về SMS 10

2.3 Giới thiệu module GSM GPRS SIM800A 10

2.4 Giới thiệu mạch Arduino nano FT232RL 13

2.5 Module 1 Relay 5v 17

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH 19

3.1 Thiết kế 19

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống mạch 19

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 22

4.1 Chương trình điều khiển hệ thống 22

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 24

5.1 Kết luận 24

5.2 Hướng phát triển 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

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 tròquan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thôngtin hoặc có thể là một hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà… Điển hình của một

hệ thống điều khiển các thiết bị trong nhà từ xa thông qua tin nhắn SMS gồm các thiết

bị đơn giản như bóng đèn, quạt máy, lò sưởi đến các thiết bị tình vi, phức tạp như tivi,máy giặt, hệ thống báo động… Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vinh tínhhoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trìnhđiều khiển Bình thường, các thiết vị trong ngôi nhà này có thể được điều khiển từ xathông qua các tin nhắn của chủ nhà Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện… khingười 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 mộtkhoảng thời gian nhất định Bên cạnh đó nó cũng gửi thông báo cho người điều khiểnbiết là yêu cầu đã được thực hiện Ngoài ra, hệ thống còn mang tính bảo mật Nghĩa làchỉ có chủ nhà hay người biết mật khẩu của hệ thống thì mới điều khiển được Từnhững yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống với sự hợp tác,phát triển mạnh mẽ của mạng di động nên chúng em đã chọn đề tài: “ Điều khiển thiết

bị bằng tin nhắn SMS” để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phầnvào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà

1.2 Mục tiêu của đề tài:

Nhằm ứng dụng những kiến thức được truyền đạt, giảng dạy trong thời gianhọc tại trường Ứng dụng sự phổ biến và tiện lợi của mạng điện thoại để tạo lập một

mô hình có thể điều khiển các thiết bị dân dụng một cách dễ dàng ở khoảng cách xacủa người sử dụng thông qua tin nhắn SMS Tìm hiểu hoạt động một số tính năng củaModule sim800A và mạch Arduino nano Qua đó thiết kế một mạch điều khiển thiết

bị tượng trưng cho các thiết bị trong nhà, có thể biết được trạng thái thiết bị khi bậttắt, cũng như điều khiển được thiết bị từ bất cứ nơi nào có phủ sóng các mạng điệnthoại (như Viettel, Mobi, Vinaphone…) Và cú pháp tin nhắn điều khiển dễ dàng của

mô hình, cũng như khi ứng dụng ra thực tế Nhóm đã chọn theo hướng xây dựng hệthống sử dụng arduino để quản lý nơi ở mà con người phải bỏ sức ra để thực hiện mộtcông việc lặp đi lặp lại hằng ngày Nhằm bỏ qua sự tác động của con người, con người

sẽ không phải bận tâm quá nhiều đến việc quản lý ngôi nhà mang lại cuộc sống thoảimái

1.3 Phạm vi của đề tài:

Nhóm thực hiện đề tài đã đặt ra mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau: Tìm hiểu

về nguyên tắc hoạt động của công nghệ số trên module Arduino Biết các ứng dụngtrên arduino IDE Tuy đây là một công nghệ không còn quá mới nhưng với khả năng

và kiến thức hiện tại cùng với thời gian ngắn nên mạch ứng dụng của nhóm vẫn cònmột số hạn chế Với những vấn đề đó thì nhóm em đã nghiên cứu, thiết kế tập trunghoàn thiện một số điểm như:

- Điều khiển được một số thiết bị.

- Gửi tin nhắn tương tác với điện thoại khi bật tắt thiết bị hay khi khởi động.

Do giới hạn về thời gian nghiên cứu cũng như kiến thức chuyên ngành nên nhôm thựchiện đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một số vấn đề chính xoay quanh đề tài như: Tìmhiểu và cài đặt các công cụ hỗ trợ lập trinh arduino IDE Tìm hiểu hoạt động của cácthiết bị trong hệ thống

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

2.1 Giới thiệu về mạng GSM:

2.1.1 Khái niệm về mạng GSM:

Viết tắt của Global System Mobile Communication, hệ thống truyền thông điđộng toàn cầu GSM là hệ thống điện thoại mạng lưới hoàn toàn sử dụng kỹ thuật số,khác với hệ thống mạng điện thoại analog cổ điển như AMPS (Advanced MobilePhone Service: Dịch vụ điện thoại di động cao cấp) GSM là một hệ thống của Châu

Âu được thiết kết theo kỹ thuật tín hiệu số Nó không tương thích với các hệ thốngtrước đó Hệ thống GSM nguyên thủy hoạt động ở tần số 900MHz So với các hệthống mạng lưới khác, các người dùng di động liên lạc với nhau thông qua một trạmtrung tâm tại mỗi vị trí bằng cách sử dụng các kênh nối lên (uplink) và nối xuống(downlink) riêng rẽ nhau Tần số nối lên bắt đầu tại 935.2MHz và kênh nối xuống bắtđầu từ 890.2MHz Tất cả các kênh đề có độ rộng tần số là 200kHz

Mỗi băng tần trong số 124 uplink và downlink bao gồm các khung 8 khe (slot)

để truyền thoại dữ liệu Vì có 8 khe trên mỗi kênh, tất cả là 124 kênh, nên trên lýthuyết hệ thống có thể phục vụ 992 người dùng; tuy nhiên, một số kênh sẽ không dùngđược nếu chúng xung đột với kênh hiện thời đang sử dụng trong ô lưới mạng bêncạnh

Mỗi khoảng thời gian truyền khung trong uplink hay downlinnk có độ rộng

1250 bit chia thành 8 khe 148 bit Nói chung, mỗi kênh có thể truyền một cuộc đốithoại âm hay truyền dữ liệu với tốc độ 9600 bit/giây

2.1.2 Cấu trúc và thành phần mạng GSM:

a) Cấu trúc:

- Hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:

+ Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem)

+ Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem)

+ Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem )

+ Trạm di động MS (Mobile station )

Hình 2.1: Cấu trúc của công nghệ GSM

b) Thành phần mạng GSM:

Một mạng GSM để cung cấp đầy đủ các dịch vụ cho khách hang cho nên nókhá phức tạp vì vậy sau đây sẽ chia ra thành các phần như sau chia theo phân hệ:

- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network switching SubSystem.

- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS : Radui SubSystem.

- Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS : Operation and Maintenance

SubSystem

c) Đặc điểm mạng GSM:

Cho phép gởi và nhận những mẫu tin nhắn văn bản bằng kí tự dài đến 126 kí

tự Cho phép chuyển giao và nhận dữ liệu, FAX giữa các mạng GSM với tốc đõ hiệnhành lên đến 9.600 bps

Tính phủ sóng cao Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hóa âm thanh để nén tínhiệu âm thanh 3,1Khz đó là mã hóa 6 và 13Kbps gọi là Full rate (13Kbps) và haft rate(6Kbps).

2.2 Giới thiệu về SMS:

SMS (Short Message Services) là một giao thức viễn thông cho phép gửi các

thông điệp dạng text ngắn (không quá 160 chữ cái) SMS là công nghệ mà nó chophép gửi và nhận những thông điệp giữa những chiếc điện thoại di động SMS lần đầutiên xuất hiện năm 1992, nó được sử dụng trên hệ thống mạng GSM đây là chuẩn duynhất vào thời điểm khởi đầu

2.2.1 Ưu điểm và khuyết điểm:

a) Ưu điểm:

SMS có thể gửi và đọc bất cứ lúc nào SMS có thể gửi khi máy nhận tắt SMSđược hỗ trợ 100% đối với thiết bị di động GSM, tin nhắn SMS là một công nghệ rấtmạnh Tất cả các thiết bị di động GSM đều hổ trợ chúng

b) Khuyết điểm:

Một tin nhắn SMS chỉ có thể mang theo một khối lượng dữ liệu rất hạnh chế

Để khắc phục vấn đề trên một cách giải quyết được đưa ra là nối các SMS lại với nhau(và nó được hiểu là một SMS dài) Một tin nhắn văn bản được nối lại có thể chứa hơn

160 ký tự Tiếng Anh

2.3 Giới thiệu module GSM GPRS SIM800A:

Mạch GSM GPRS Sim800A (SIM900A update) tích hợp nguồn xung và icđệm được thiết kế cho các ứng dụng cần độ bền và độ ổn định cao

Mạch GSM GPRS Sim800A (SIM900A update) tích hợp nguồn xung và icđệm được thiết kế nhỏ gọn nhưng vẫn giữ được các yếu tố cần thiết của thiết kếModule Sim như: Mạch chuyển mức tín hiệu logic sử dụng Mosfet, IC giao tiếpRS232 MAX232, mạch nguồn xung dòng cao, khe sim chuẩn và các đèn led báo hiệu,mạch còn đi kèm với Anten GSM Module Sim800A cung cấp giải pháp Dual-bandGSM/GPRS 900/1800MHz, có thể truyền nhận SMS, Dat

Được thiết kế cho thị trường toàn cầu, SIM800 là mô-đun GSM / GPRS bốnbăng tần hoạt động trên các tần số GSM 850 MHz, EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz

và PCS 1900 MHz SIM800 có tính năng đa khe GPRS 12 lớp / 10 (tùy chọn) và hỗtrợ các sơ đồ mã hóa GPRS CS-1, CS-2, CS-3 và CS-4

Với cấu hình nhỏ 24 * 24 * 3 mm, SIM800 có thể đáp ứng gần như tất cả cácyêu cầu về không gian trong người dùng các ứng dụng, như M2M, điện thoại thôngminh, PDA và các thiết bị di động khác.

SIM800 có 68 miếng đệm SMT và cung cấp tất cả các giao diện phần cứnggiữa mô-đun và bảng khách hàng

SIM800 được thiết kế với kỹ thuật tiết kiệm năng lượng để mức tiêu thụ hiệntại thấp tới 1,2mA ở chế độ ngủ

SIM800 tích hợp giao thức TCP / IP và các lệnh TCP / IP AT mở rộng rấthữu ích cho việc truyền dữ liệu các ứng dụng

2.3.1 Tính năng của module Sim800A:

- Sử dụng module GSM GPRS Sim800A

+ Nguồn cấp đầu vào: 5 - 18VDC, lớn hơn 1A

+ Mức tín hiệu giao tiếp: TTL (3.3-5VDC) hoặc RS232

+ Tích hợp IC chuyển mức tín hiệu RS232 MAX232

+ Tích hợp nguồn xung với dòng cao cung cấp cho Sim800A

+ Các kênh âm thanh bao gồm đầu vào micrô và đầu ra máy thu

+ Lập trình mục đích đầu vào và đầu ra chung

+ Giao diện một thẻ SIM

+ Hỗ trợ chức năng Bluetooth

+ Hỗ trợ một PWM, PCM

2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng của từng chân của module Sim800A:

Hình 2.2: Sơ đồ chân của module SIM800A.

- Header P1: Từ trên xuống dưới

 VCC: Nguồn dương từ 5-18VDC, lớn hơn 1A

 GND: Mass, 0VDC

 EN: Mặc định nối lên cao, chức năng dùng để khởi động (Enable) hoặc dừnghoạt động (Disable) Module Sim800, nếu nếu muốn module Sim800 dừng hoạtđộng bạn có thể nối chân này xuống âm GND (0VDC)

 232R: Chân nhận tín hiệu RS232

 232T: Chân truyền tín hiệu RS232

 GND: Mass, 0VDC

 RXD: Kết nối với RX của MCU

 TXD: Kết nối với TX của MCU (Chân nhận tín hiệu TTL 3.3V)

- Header P2: Từ phải sang trái

 BRXD: Thường không sử dụng, chân nhận tín hiệu, dùng để giao tiếp nạpFirmware cho Sim800, mức tín hiệu 3.3VDC

 BTXD: Thường không sử dụng, chân truyền tín hiệu, dùng để giao tiếp nạpFirmware cho Sim800, mức tín hiệu 3.3VDC

 GND: Mass, 0VDC

 EPN: Ngõ ra loa Speaker âm

 EPP: Ngõ ra loa Speaker dương

 MICP: Ngõ vào Micro dương

 MICN: Ngõ vào Micro âm

P1

P2

2.3.3 Các chế độ hoạt động của module Sim800A:

 GSM/GPRS SLEEP Module sẽ tự động chuyển sang chế độ SLEEP nếu DTRđược thiết lập mức cao và ở đó không có ngắt phần cứng như ngắt GPIO hoặc dữ liệutrên port nối tiếp Trong trường hợp này, dòng tiêu thụ của module sẽ giảm xuốngmức thấp nhất Trong suốt chế độ SLEEP, module vẫn có thể nhận gói tin nhắn hoặcSMS tự hệ thống

 GSM IDLE: Phần mềm tích cực Module kết nối mạng GSM và module sẵnsàng gửi và nhận

 GSM TALK: Kết nối vẫn tiếp tục diễn ra giữa 2 thuê bao, nhưng không có dữliệu được gửi hoặc nhận Trong trường hợp này, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vàothiết lập mạng và cấu hình GPRS

 GPRS STANDBY: Module sẵn sàng truyền dữ liệu GPRS, nhưng không có dữliệu nào được gửi và nhận Trong trường hợp này, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vàothiết lập mạng và cấu hình GPRS

 GPRS DATA: Xảy ra việc truyền dữ liệu GPRS Trong trường hợp này, nănglượng tiêu thụ liên quan tới việc thiết lập mạng (mức điều khiển nguồn), tốc độ uplink/downlink và cấu hình GPRS (sử dụng thiết lập multi-slot)

2.4 Giới thiệu mạch Arduino nano FT232RL:

Hình 2.3: Mạch Arduino nano FT232RL.

Mạch Arduino Nano FT232RL có kích thước nhỏ gọn, thiết kế và chuẩn chângiao tiếp tương đương với Arduino Nano chính hãng, mạch sử dụng IC nạp và giao

Arduino.cc, mạch có đi kèm cáp nạp Mini USB.

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCUATmega328P-AU dán, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình chạy trênArduino Uno đều có thể sử dụng trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano

là vì sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 so với ArduinoUno

- Thông số kỹ thuật:

 Thiết kế theo đúng chuẩn chân, kích thước của Arduino Nano chính hãng

 IC chính: ATmega328P-AU

 IC nạp và giao tiếp UART: FT232RL chính hãng FTDI

 Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw

 Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC

 Dòng GPIO: 40mA

 Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

 Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân)

 Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)

- Sơ đồ chân và chức năng của chân mạch Arduino nano FT232RL:

Hình 2.4: Sơ đồ chân mạch arduino nano FT232RL.

Arduino Nano

Serial TX Pin

Serial RX Pin

Arduino Nano

Arduino Nano có sẵn trong TQFP với 32 chân Thêm 2 chân của ArduinoNano phục vụ cho các chức năng ADC, trong khi Arduino UNO có 6 cổng ADCnhưng Nano có 8 cổng ADC Bảng mạch Nano không có giắc cắm nguồn DC như các

bo mạch Arduino khác, nhưng thay vào đó có cổng mini-USB Cổng này được sửdụng cho cả lập trình và giám sát nối tiếp Tính năng hấp dẫn trong Nano là nó sẽchọn nguồn năng lượng mạnh nhất với sự khác biệt tiềm năng của nó và nguồn nhảychọn nguồn không hợp lệ

Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 chân I / O kỹ thuật số có thểđược sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra kỹ thuật số Các chân hoạt động với điện áp 5V

là tối đa, tức là, mức cao kỹ thuật số là 5V và mức thấp kỹ thuật số là 0V Mỗi pin cóthể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50k ohms.Mỗi trong số 14 chân kỹ thuật số trên sơ đồ chân Nano có thể được sử dụng làm đầuvào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead () Khácvới các chức năng đầu vào và đầu ra kỹ thuật số, các chân kỹ thuật số cũng có một sốchức năng bổ sung

Arduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay

do đó rất dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập trình

Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn

Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây

2.5 Module 1 Relay 5v:

Hình 2.5: Module 1 Relay 5v:

Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp