Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn sms ứng dụng cho ngôi nhà thông minh

Tìm hiểu về mạng thông tin di động GSM Chương 3: Vi điều khiển PIC16F877A và Modul Sim900A Trong chương này chủ yếu trình bày về cấu trúc phần cứng của vi điều khiển PIC16F877A và Modul

621.38 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Người hướng dẫn: ThS Lê Văn Chương Sinh viên thực hiện: Đặng Hữu Sang

NGHỆ AN - 2015

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

MỞ ĐẦU 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 11

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 12

1.1 Khái niệm 12

1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển trong và ngoài nước 14

1.3 Một số sản phẩm thương mại 15

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG GSM VÀ TIN NHẮN SMS 17

2.1 Tổng quan về công nghệ GSM 17

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ GSM 17

2.1.2 Đặc điểm của công nghệ GSM 17

2.1.3 Cấu trúc mạng GSM 18

2.1.4 Sự hình thành và phát triển GSM ở Việt Nam 22

2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS 23

2.2.1 Giới thiệu về tin nhắn SMS 23

2.2.2 Cấu trúc của 1 tin nhắn 25

2.2.3 Tin nhắn chuỗi-tin nhắn SMS dài 25

2.2.4 SMS Center/SMSC 26

2.2.5 Nhắn tin SMS quốc tế 26

CHƯƠNG 3: VI DIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ MODUL SIM900A 28

3.1 Giới thiệu chung 28

3.2 Vi điều khiển PIC16F877A 30

3.2.1 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A 31

3.2.2 Bộ Nhớ PIC 16F877A 32

3.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A 35

3.2.4 Các bộ định thời 37

3.2.5 Ngắt của PIC16F877A 40

3.2.6 Các thanh ghi đặc biệt 41

3.2.7 Ngăn nhớ stack 43

3.3 Giới thiệu về chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 43

3.3.1 USART 44

3.3.2 USART bất đồng bộ 45

3.3.3 IC Max232 46

3.4 Modul SIM900A 47

3.4.1 Giới thiệu module SIM900A 47

3.4.2 Sơ đồ chân và chức năng từng chân của module SIM900A 48

3.4.3 Kết nối giữa Module SIM900A và vi điều khiển 51

3.5 Khảo sát tập lệnh AT của SIMCOM 51

3.5.1 Các thuật ngữ liên quan: 51

3.5.2 Các chế độ hoạt động của module SIM900A 51

3.5.3 Khởi tạo cấu hình mặc định cho modem 54

3.5.4 Lệnh Gửi tin nhắn SMS 57

3.5.5 Lệnh Đọc tin nhắn SMS 58

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO NGÔI NHÀ THÔNG MINH 60

4.1 Yêu cầu thiết kế 60

4.2 Sơ đồ khối của hệ thống 60

4.2.1 Chức năng của từng khối 61

4.2.2 Nguyên lý hoạt động 61

4.3 Thiết kế và thi công phần cứng 62

4.3.1 Khối Modul SIM900A 62

4.3.2 Khối xử lý PIC16F877A 63

4.3.3 Khối điều khiển công suất 64

4.3.4 Khối hiện thị LCD 66

4.3.5 Khối nguồn nuôi 66

4.3.6 Sơ đồ mạch in 67

4.4 Thiết kế và thi công phần mềm 68

4.4.1 Giới thiệu về phần mềm PIC C Compiler 68

4.4.2 Một số hàm thư viện PIC C Compiler 68

4.4.3 Sơ đồ thuật toán 69

KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

LỜI CẢM ƠN

Thấm thoát thì thời gian học tại trường đã gần hết, chúng em sắp phải nói lời chia tay với ngôi trường mến yêu của mình rồi Với chúng em quãng thời gian học tại trường là một khoảng thời gian không thể nào quên trong cuộc đời sinh viên mỗi chúng em Ở ngôi trường này, em đã được tiếp thu, học tập được biết bao nhiêu

là kiến thức bổ ích Tất cả những kiến thức đó sẽ trở thành hành trang quý báu cho

em, để em vững bước trên con đường sự nghiệp của mình

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể quý thầy cô trong trường, thầy

cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông, đã tận tình giảng dạy chúng em trong suốt khóa học qua, đặc biệt là thầy giáo ThS Lê Văn Chương, người đã trực tiếp hướng dẫn, động viên, chỉ bảo nhiệt tình giúp em hoàn thành đề tài đồ án này đúng thời gian quy định

Bên cạnh đó, gia đình, cũng là nguồn động viên to lớn về vật chất lẫn tinh thần giúp em thêm tự tin để hoàn thành đồ án Xin gửi lời biết ơn vô vàn tới gia đình, thầy cô, bạn bè trong suốt thời gian làm đồ án

Cuối cùng là lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp đã có những giúp đỡ kịp thời, những đóng góp ý kiến thật lòng, giúp cho đồ án hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, ngày 20 tháng 1 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đặng Hữu Sang

MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thế giới của chúng ta đã

và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Trong sự phát triển đó, khái niệm về ngôi nhà thông minh đã ra đời 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

Một trong những ứng dụng rất quan trọng và khá đặc trưng của công nghệ điện tử là kỹ thuật tự động điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống Hiện nay, do nhu cầu sử dụng các hệ thống, thiết bị tự động của người dân ngày càng tăng Đồng thời, mạng điện thoại di động phát triển rộng khắp và các thiết bị điện thoại di động ngày càng có mức giá phù hợp với người dân Đó là những mặt thuận lợi của việc hình thành ý tưởng điều khiển các thiết bị bằng cách sử dụng tin nhắn SMS Đây là một hình thức điều khiển thiết bị thuận lợi, tiết kiệm được nhiều thời gian cho việc điều khiển thiết bị, và đặc biệt là tiết kiệm được chi phí khá cao Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế nêu trên, em đã quyết định tìm hiểu

và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn SMS ứng dụng cho ngôi nhà thông minh” Hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa

thông qua tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Đề tài lấy cơ sở là tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị Việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động cao (nghĩa là ở chỗ nào có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể điều khiển thiết bị được) 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

Cấu trúc của đồ án, ngoài phần mở đầu, phần kết luận và các tài liệu tham khảo thì phần nội dung đồ án có bốn chương chính sau đây:

Chương 1: Khái niệm về ngôi nhà thông minh

Ở chương này, trình bày một số khái niệm về ngôi nhà thông minh và một số chức năng chính thường được sử dụng trong ngôi nhà thông minh Ngoài ra, còn có

Chương 2: Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM và tin nhắn

SMS

Chương 2 giới thiệu về một số khái niệm, thành phần và cấu trúc cơ bản của mạng thông tin di động GSM và tin nhắn SMS Tìm hiểu về mạng thông tin di động GSM

Chương 3: Vi điều khiển PIC16F877A và Modul Sim900A

Trong chương này chủ yếu trình bày về cấu trúc phần cứng của vi điều khiển PIC16F877A và Modul Sim900A, bao nguyên lý hoạt động và các lệnh dùng để điều khiển

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển ứng dụng cho ngôi nhà thông

minh

Chương 4 này có thể nói là chương quan trọng nhất của đồ án, chương 4 là kết quả của việc vận dụng các kiến thức lý thuyết của các chương trên để thiết kế nên một hệ thống hoàn chỉnh

Trong quá trình thực hiện đề tài, do còn hạn chế về thời gian cũng như lượng kiến thức của người thực hiện mà đề tài còn có nhiều thiếu sót Vì vậy, rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô cũng như các bạn sinh viên

Nghệ An, ngày 20 tháng 1 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Đặng Hữu Sang

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật hiện đại, khái niệm về ngôi nhà thông minh không còn là mới mẻ nữa, những ứng dụng khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực này đã làm cho cuộc sống con người trở nên tiện nghi hơn Tuy nhiên, đó là trên thế giới còn ở Việt Nam thì những ứng dụng vẫn chưa được ứng dụng vào thực tiễn nhiều hoặc có thì đang ở mức độ nghiên cứu và thí nghiệm Cho nên nhận thức được tầm quan trọng và sự cần thiết của vấn đề này đối với thực tế Từ đó em đã

quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn SMS ứng dụng cho ngôi nhà thông minh” để làm đồ án tốt nghiệp Với hệ

thống này thì chúng ta sẽ thực hiện được một số chức năng điều khiển và giám sát

từ xa thông qua tin nhắn SMS của mạng điện thoại di động GSM Bên cạnh việc điều khiển từ xa thì hệ thống cũng được thiết kế thêm một số chức năng để thuận tiện cho việc điều khiển khi chúng ta đang ở nhà mà không cần phải gửi tin nhắn SMS gây ra lãng phí

ABSTRACT

With the advances of modern science and technology, the concept of smart homes is not new anymore, the application of science and technology in this field has made people's lives become more comfortable However,this is only in other countries in the world, these applications in Viet Nam have not been applied in practice commonly or just in doing research and experiment Therefore, i have

decided to choose the topic "Designing control system electrical equipment via SMS app for smart homes" as my thesis This system will take some

responsibilities for controlling and remote observing via SMS message of GSM mobile network With this system, we will perform a number of functions controlled and monitored remotely via SMS of GSM mobile network Besides the remote control, the system is also designed to add some functionality to facilitate

the control when we're at home without having to send SMS causing waste

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh ngôi nhà thông minh 16

Hình 2.1 Cấu trúc của mạng GSM 18

Hình 2.2 Các thành phần của mạng GSM 19

Hình 2.3 Cấu trúc của một tin nhắn SMS 25

Hình 2.4 SMS getway 27

Hình 3.1 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A 30

Hình 3.2 Sơ đồ khối PIC16F877A 31

Hình 3.3 Sơ đồ bộ nhớ chương trình 33

Hình 3.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 34

Hình 3.5 Sơ đồ khối của time0 37

Hình 3.6 Sơ đồ khối của time1 38

Hình 3.7 Sơ đồ khối của time2 39

Hình 3.8 Sơ đồ các ngắt trong PIC16F877A 40

Hình 3.9 IC Max232 và sơ đồ bên trong 46

Hình 3.10 Modul Sim900A 48

Hình 3.11 Sơ đồ chân của Module Sim900A 48

Hình 3.12 Kết nối giữa Breakout SIM900 và vi điều khiển 51

Hình 3.13 Chế độ nghỉ của SIM900A 51

Hình 3 14 Chế độ hoạt động bình thường của Modul Sim900A 52

Hình 3.15 Lệnh xóa tin nhắn trong Sim 53

Hình 3.16 Thiết lập cấu hình mặc định cho modem 54

Hình 3.17 Lệnh gửi tin nhắn SMS 57

Hình 3.18 Lệnh đọc tin nhắn SMS 59

Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống 60

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý khối Modul Sim900A 63

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển PIC16F877A 64

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển công suất 65

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối hiện thị LCD 66

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn 66

Hình 4.7 Sơ đồ mạch in 67 Hình 4.8 Sơ đồ thuật toán 69

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng chọn bank thanh ghi 33

Bảng 3.2 Các thông số của chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 44

Bảng 3.3 Tốc độ baud của BRG 45

Bảng 3.4 Chức năng từng chân modul SIM900A 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GSM Global System For Mobile

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn

SIM Subscriber Identity Modules Thẻ nhớ thông minh

3GPP Third Generation Partnership

Project

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

ETSI European Telecommunications

Standards Institute

Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

SMSC Short Message Service Center Trung tâm tin nhắn

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không dây

PIC Programable Intelligent

Computer

Máy tính khả trình thông minh

CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm

RISC Reduced Instruction Set

Computer

Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa

CISC Complex Instruction Set

Computer

Máy tính với tập lệnh phức tạp

SFR Special Function Register Thanh ghi có chức năng đặc biệt

GPR General Purpose Register Thanh ghi mục đích chung

UART Univerdal Asynchronous

Reciever Transmitter

Chuẩn truyền thông nối tiếp

NRZ None Return to Zero Mã nhị phân NRZ 0 trở về 0

MAC Media Access Control Giao thức mạng

2G Second generation Hệ thống thông tin di động thứ 2

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH

1.1 Khái niệm

Với sự phát triển của khoa học công nghệ ngay nay, gần như mọi thứ xung quanh chúng ta đều trở nên thông minh: Điện thoại thông minh (Smart Phone) cho đến ti vi thông minh, điều hòa thông minh, hệ thống điện thông minh, vv Tất cả tạo nên tiện ích lý thú cho cuộc sống, giúp con người kiểm soát được mọi hoạt động, giải phóng sức lao động, tiết kiệm được năng lượng và thời gian Từ đó bạn rất dễ

để làm quen với khái niệm “nhà thông minh”

Nhà thông minh hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà được trang bị

hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên Một ngôi nhà được coi là “thông minh” bởi vì hệ thống máy tính của nó có thể theo dõi rất nhiều khía cạnh của cuộc sống thường ngày

Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối Hệ thống cũng

có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phòng ngừa trộm

Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội

bộ, hệ thống tưới nước…

Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp Công nghệ nhà thông minh ngày càng trở nên tinh

vi Các tín hiệu được mã hóa được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích cho người lớn tuổi và người tàn tật, những người muốn sống tự lập

Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và chủ nhân của

nó rất nhiều lợi ích, tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá nhân

đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian, tiền bạc và năng lượng

Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ

và các thiết bị chấp hành khác Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người

Ngoài ra, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính bảng và điện thoại thông minh cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như internet hoặc các mạng thông tin di động 3G, 4G, ngày nay cac hệ thống nhà thông minh còn cung cấp khả năng tương tác với người sử dụng thông qua các thiết bị điện tử cá nhân cho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngôi nhà từ bất cứ đâu

Đã có nhiều nỗ lực để tiêu chuẩn hóa các dạng phần cứng, phần mềm, điện tử

và giao diện giao tiếp cần thiết để xây dựng hệ thống nhà thông minh Một số tiêu chuẩn sử dụng thêm dây dẫn liên lạc và điều khiển, một số truyên dẫn thông tin ngay trên hệ thống dây điện sẵn có trong ngôi nhà, một số sử dụng tín hiệu ở tần số

vô tuyến điện và một số sử dụng kết hợp đồng thời các giải pháp truyền dẫn khác nhau

Hiện nay, trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư vẫn đang tiếp tục sáng tạo

để tạo ra nhiều tiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hoá về việc triển khai lắp đặt một ngôi nhà thông minh Trong tương lai, ngôi nhà thông minh có thể có khả năng “tư duy” để tự điều chỉnh các thiết bị một cách phù hợp và còn có khả năng giao tiếp với con người

Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của nhà giàu Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phí ngày càng giảm của chúng, chi phí của các thiết bị điện tử thông minh cũng đã giảm đáng

Với sự phát triển vũ bảo của công nghệ thông tin, internet, cùng với việc chi phí cho hệ thống nhà thông minh đã giảm xuống cùng với nhu cầu ngày càng cao của con người, hiện nay nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa phát triển rất lớn

1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển trong và ngoài nước

đang còn rất hạn chế chỉ đang ở mức nghiên cứu sản phẩm ứng dụng còn ít

Tóm lại, việc nghiên cứu sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị hiện nay tại Việt Nam đang còn mới mẻ và chưa đi vào thực tiễn ứng dụng nhiều hầu hết các nghiên cứu đều là nghiên cứu tự phát của cá nhân hoặc là của nhóm nghiên cứu muốn tìm hiểu về công nghệ này, vẫn chưa phải là một hoạt động nghiên cứu mang tính chuyên nghiệp để có thể đưa ra sản phẩm ứng dụng cụ thể Ở Việt Nam GSM

đã trở thành công nghệ mà có hơn 95% dân số chọn dùng, sự tăng trưởng rất nhanh chóng của ba nhà mạng di dộng là VinaPhone, MobiFone và Viettel với số lượng thuê bao ngày phát triển lên tới hàng trăm nghàn thuê bao và các dịch vụ về SMS cũng tăng lên rất mạnh Điều này là một thuận lợi cho việc nghiên cứu và phát triển

các ứng dụng trong điều khiển tự động hóa

1.3 Một số sản phẩm thương mại

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm về nhà thông minh nhưng mới đây nhất Bkav đã cho ra mắt nhà thông minh SmartHome Sản phẩm nhà thông minh của Bkav được tham gia triển lãm lớn nhất thế giới về công nghệ điện tử, tiêu dùng Consumer Electronics Show - CES 2015 đã khai mạc tại tiểu bang Nevada (Mỹ) ngày 8/1/2015, với sự có mặt của hơn 3.600 công ty công nghệ trên toàn cầu Một bất ngờ lớn tại sự kiện là sự xuất hiện của giải pháp nhà thông minh Bkav SmartHome đến từ Việt Nam

Bkav SmartHome, một giải pháp nhà thông minh hoàn chỉnh được sản xuất hoàn toàn bởi Việt Nam Bkav SmartHome là hệ thống nhà thông minh hoàn chỉnh, kết nối tất cả các thiết bị trong ngôi nhà thành một hệ thống mạng, để có thể điều khiển chúng theo các kịch bản thông minh, bao gồm: hệ thống đèn chiếu sáng, rèm cửa, điều hoà nhiệt độ, ti vi, dàn âm thanh, cảm biến môi trường, chuông cửa có hình, camera an ninh, hàng rào điện tử, cảnh báo rò rỉ khí gas Trên thực tế sử dụng nhà thông minh, người dùng thường xuyên phát sinh nhu cầu và thay đổi kịch bản sử dụng theo thời gian, hoàn cảnh Hệ thống nhà thông minh Bkav SmartHome

sẽ tự học lại các thay đổi và cập nhật các kịch bản cho phù hợp Người dùng không chỉ điều khiển ngôi nhà trực tiếp trên Smartphone, máy tính bảng bằng giao diện trực quan 3D mà còn có thể điều khiển bằng giọng nói thông qua công nghệ trợ lý

ảo

 Các chức năng chính thường sử dụng trong nhà thông minh:

 Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic, )

 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng

 Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy

 Điều khiển điều hòa, máy lạnh

 Hệ thống âm thanh đa vùng

 Camera, chuông hình

 Hệ thống bảo vệ nguồn điện

 Giải pháp nhà thông minh toàn diện

 Điều khiển bật tắt đèn bằng Remote

 Một số hình ảnh của nhà thông minh:

Hình 1.1 Hình ảnh ngôi nhà thông minh

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG GSM

VÀ TIN NHẮN SMS

2.1 Tổng quan về công nghệ GSM

2.1.1 Giới thiệu về công nghệ GSM

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (viết tắt: GSM: Global System For Mobile Communications) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch

vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phát sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc

độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt, giá thành thấp Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng triển khai các dịch vụ ở mọi nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới

2.1.2 Đặc điểm của công nghệ GSM

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

 Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate

 Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watts đối với băng tần GSM 850/900Mhz và tối đa là 1 watts đối với băng tần GSM 1800/1900Mhz

 Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hoá âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1khz

đó là mã hoá 6 và 13kbps gọi là Full rate (13kbps) và haft rate (6kbps)

2.1.3 Cấu trúc mạng GSM

a Cấu trúc tổng quát

Hình 2.1 Cấu trúc của mạng GSM

 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)

b Các thành phần của mạng GSM

 AUC(): Trung tâm nhận thực

 VLR(): Thanh ghi định vị tạm trú

 HLR(): Thanh ghi định vị thường trú

 EIR(): Thanh ghi nhận dạng thiết bị

 MSC(): Trung tâm chuyển mạch di động

 BSC(): Bộ điều khiển trạm gốc

 BTS(): Trạm thu phát gốc

 NSS(): Phân hệ chuyển mạch

 BSS(): Phân hệ trạm gốc

 MS(): Trạm di động

 OSS(): Phân hệ khai thác bảo dưỡng

 PSPDN(): Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói

 CSPDN(): Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh

 PSTN(): Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

 PLMN(): Mạng di động mặt đất

 ISDN(): Mạng số tích hợp đa dịch vụ

Hình 2.2 Các thành phần của mạng GSM

 Phân hệ chuyển mạch NSS

Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động của thuê bao Chứa năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin di động giữa những người sử dụng mạng GSM và các mạng khác

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC

MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý MSC khác với một tổng đài cố định là nó phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục:

- Thủ tục đăng ký

- Thủ tục chuyển giao

MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài MSC làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC), có chức năng tương tác IWF (Inter Working Function) để thích ứng với các đặc điểm truyền dẫn GMS và các mạng ngoài Phân hệ chuyển mạnh giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM

 Thanh ghi định vị thường trú HLR

HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lý thuê bao Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lượng thuê bao

 Trung tâm nhận thực AUC

AUC kết nối với HLR, cung cấp các tthông số hợp thức hóa và các khóa mã

để đảm bảo chức năng bảo mật

 Thanh ghi định vị tạm trú VLR

VLR là cơ sở dữ liệu lớn thứ hai trong mạng, lưu trữ tạm thời số liệu thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và lưu trữ số liệu về vị trí của thuê bao Khi MS vào một vùng định vị mới, nó phải thực hiện thủ tục đăng ký MSC quản lý vùng này sẽ tiếp nhận đăng ký của MS và truyền số nhận dạng vùng định vị (LAI) nơi có mặt thuê bao tới VLR Một VLR có thể phụ trách một hoặc nhiều vùng MSC

Các thông tin cần thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS được lưu trong cơ sở

dữ liệu của VLR Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn các thông tin

từ HLR IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN của máy di động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạng thuê bao di động tam thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và vùng định vị nơi đăng ký MS VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và được nhận từ VLR

 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR

Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều có sở dữ liệu lưu trũ các IMEI (số nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM EIR được nối với MSC qua một đường báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị

 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC

Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà không cần biết vị trí hiện thời của thuê bao GMSC có nhiệm vụ lấy thông tin về vị trí của thuê bao và định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời GMSC có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của hệ thống chuyển mạch

 Phân hệ trạm gốc BSS

BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết người sử dụng máy di động với những người sử dụng dịch vụ viễn thông khác BSS cũng phải được điều khiển nên được kết nối vơi OSS

 Trạm thu phát gốc BTS

BTS giao diện với MS xử lý các tín hiệu đặc thù cho giao diện vo tuyến một

bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ)

 Bộ điều khiển trạm gốc BSC

BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều khiển từ BTS và MS như ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao Một BSC có thể quản lý phụ thuộc vào lưu lượng của BTS

 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS

OSS thực hiện chức năng khai thác, bảo dưỡng và quản lý toàn bộ hệ thống

 Trạm di động MS

MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diện vo tuyến và cung cấp các giao diện với người dùng (màn hình, loa, bàn phím…) Một trạm di động gồm hai phần chính:

- ME (Mobile Equipment – thiết bị di động): là phần cứng được dùng để thuê bao truy nhập vào mạng ME chứa kết cuối di động (MT) phụ thuộc vào ứng dụng

và các dịch vụ, có thể kết hợp các nhóm chức năng thích ứng đầu cuối (TA) và thiết

bị đầu cuối (TE) khác nhau

- SIM (Subscriber Identily Module – modul nhận dạng thuê bao): gắn chặt với người dùng trong vai trò một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với nhiều ME khác nhau SIM là một card điện tử thông minh được gắn vào ME để nhận dạng thuê bao

và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký SIM có phần cứng và phần mềm cần thiết với bộ nhớ có thể lưu trữ thông tin Có hai loại thông tin là thông tin cố định và thông tin thay đổi:

- Thông tin cố định

+ Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI Thuê bao sẽ được kiểm tra tính hợp

lệ trước khi truy nhập vào mạng thông qua số nhận dạng IMSI được thực hiện bởi trung tâm nhận thực AUC

+ Mã khóa cá nhân

- Thông tin thay đổi

+ Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI

+ Số hiệu nhận dạng thuê bao tam thời TMSI

Một số TMSI sẽ tương ứng với một IMSI được cấp phát tạm thời để tăng tính bảo mật cho qua trình báo hiệu giữa MS và hệ thống TMSI sẽ thay đổi khi MS cập nhật lại vị trí

2.1.4 Sự hình thành và phát triển GSM ở Việt Nam

Công nghệ GSM đã vào Việt Nam từ năm 1993 Hiện, ba nhà cung cấp di động công nghệ GSM lớn nhất của Việt Nam là VinaPhone, MobiFone và Viettel, cũng là những nhà cung cấp chiếm thị phần nhiều nhất trên thị trường với số lượng thuê bao mới tăng chóng mặt trong thời gian vừa qua Hiện nay có đến hơn 85% người dùng hiện nay đang là khách hàng của các nhà cung cấp dịch vụ theo công nghệ GSM Cho tới thời điểm này, thị trường thông tin di động của Việt Nam đã có

khoảng 70 triệu thuê bao di động Khi mà ba đại gia di động của Việt Nam là VinaPhone, MobiFone và Viettel đều tăng trưởng rất nóng với số lượng thuê bao mỗi ngày phát triển được lên tới hàng trăm ngàn thuê bao Trạm nguồn gửi khung tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả Địa chỉ MAC đích của khung là địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới địa chỉ này

2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS

2.2.1 Giới thiệu về tin nhắn SMS

SMS là từ viết tắt của Short Message Service Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau SMS xuất hiện đầu tiên ở Châu Âu vào năm 1992 Ở thời điểm đó, nó bao gồm cả các chuẩn về GSM (Global System for Mobile Communications) Một thời gian sau đó, nó phát triển sang công nghệ wireless như CDMA và TDMA Các chuẩn GSM và SMS có nguồn gốc phát triển bởi ETSI ETSI là chữ viết tắt của European Telecommunications Standards Institute Ngày nay thì 3GPP (Third Generation Partnership Project) đang giữ vai trò kiểm soát về sự phát triển và duy trì các chuẩn GSM và SMS

Như đã nói ở trên về tên đầy đủ của SMS là Short Message Service, từ cụm từ

đó, có thể thấy được là dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một tin nhắn SMS là rất giới hạn Một tin nhắn SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu Vì vậy, một tin nhắn SMS chỉ có thể chứa :

 160 kí tự nếu như mã hóa kí tự 7 bit được sử dụng (mã hóa kí tự 7 bit thì phù hợp với mã hóa các kí tự Latin chẳng hạn như các kí tự Alphabet của tiếng Anh)

 70 kí tự nếu như mã hóa kí tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (các tin nhắn SMS không chứa các kí tự Latin như kí tự chữ Trung Quốc phải sử dụng

mã hóa kí tự 16 bit)

Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngôn ngữ khác nhau Nó có thể hoạt động tốt với nhiều ngôn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc Bên cạnh gửi tin nhắn dạng text thì tin nhắn SMS còn có thể mang các dữ liệu dạng binary Nó còn cho phép gửi nhạc chuông, hình ảnh cùng nhiều tiện ích khác … tới một điện thoại khác

Một trong những ưu điểm nổi trội của SMS đó là nó được hỗ trợ bởi các điện thoại có sử dụng GSM hoàn toàn Hầu hết tất cả các tiện ích cộng thêm gồm cả dịch

vụ gửi tin nhắn giá rẻ được cung cấp, sử dụng thông qua sóng mang wireless Không giống như SMS, các công nghệ mobile như WAP và mobile Java thì không được hỗ trợ trên nhiều model điện thoại

 Sử dụng tin nhắn SMS ngày càng phát triển và trở lên rộng khắp:

 Ngày nay, hầu hết mọi người đều có điện thoại di động của riêng mình và mang nó theo người hầu như cả ngày Với một điện thoại di động, bạn có thể gửi

và đọc các tin nhắn SMS bất cứ lúc nào bạn muốn, sẽ không gặp khó khăn gì khi bạn đang ở trong văn phòng hay trên xe bus hay ở nhà…

 Tin nhắn SMS có thể được gửi tới các điện thoại mà tắt nguồn

 Nếu như không chắc cho một cuộc gọi nào đó thì bạn có thể gửi một tin nhắn SMS đến bạn của bạn thậm chí khi người đó tắt nguồn máy điện thoại trong lúc bạn gửi tin nhắn đó Hệ thống SMS của mạng điện thoại sẽ lưu trữ tin nhắn đó rồi sau đó gửi nó tới người bạn đó khi điện thoại của người bạn này mở nguồn

 Các tin nhắn SMS ít gây phiền phức trong khi bạn vẫn có thể giữ liên lạc với người khác

Việc đọc và viết các tin nhắn SMS không gây ra ồn ào Trong khi đó, bạn phải chạy ra ngoài khỏi rạp hát, thư viện hay một nơi nào đó để thực hiện một cuộc điện thoại hay trả lời một cuộc gọi Bạn không cần phải làm như vậy nếu như tin nhắn SMS được sử dụng

 Các điện thoại di động và chúng có thể được thay đổi giữa các sóng mang Wireless khác nhau

Tin nhắn SMS là một công nghệ rất thành công và trưởng thành Tất cả các điện thoại mobile ngày nay đều có hỗ trợ nó Bạn không chỉ có thể trao đổi các tin nhắn SMS đối với người sử dụng mobile ở cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng sóng mang wireless, mà đồng thời bạn cũng có thể trao đổi nó với người sử dụng khác ở các nhà cung cấp dịch vụ khác

 SMS là một công nghệ phù hợp với các ứng dụng Wireless sử dụng cùng với

nó

Thứ nhất: tin nhắn SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại có sử dụng

công nghệ GSM Xây dựng các ứng dụng wireless trên nền công nghệ SMS có thể phát huy tối đa những ứng dụng có thể dành cho người sử dụng

Thứ hai: các tin nhắn SMS còn tương thích với việc mang các dữ liệu binary

bên cạnh gửi các text Nó có thể được sử dụng để gửi nhạc chuông, hình ảnh, hoạt họa …

Thứ ba: tin nhắn SMS hỗ trợ việc chi trả các dịch vụ trực tuyến

2.2.2 Cấu trúc của 1 tin nhắn

Nội dung của một tin nhắn SMS khi được gửi đi sẽ được chia làm 5 phần như sau:

Hình 2.3 Cấu trúc của một tin nhắn SMS

 Instructions to air interface: Chỉ thị dữ liệu kết nối với air interface (giao diện không khí)

 Instructions to SMSC: Chỉ thị dữ liệu kết nối với trung tâm tin nhắn SMSC (Short Message Service Center)

 Instructions to handset: Chỉ thị dữ liệu kết nối bắt tay

 Instructions to SIM (optional): Chỉ thị dữ liệu kết nối, nhận biết SIM (Subscriber Identity Modules)

 Message body: Nội dung tin nhắn SMS

2.2.3 Tin nhắn chuỗi-tin nhắn SMS dài

Một trong những trở ngại của công nghệ SMS là tin nhắn SMS chỉ có thể mang một lượng giới hạn các dữ liệu Để khắc phục trở ngại này, một mở rộng của

nó gọi là SMS chuỗi (hay SMS dài) đã ra đời Một tin nhắn SMS dạng text dài có thể chứa nhiều hơn 160 kí tự theo chuẩn dùng trong tiếng Anh Cơ cấu hoạt động

cơ bản SMS chuỗi làm việc như sau: điện thoại di động của người gửi sẽ chia tin nhắn dài ra thành nhiều phần nhỏ và sau đó gửi các phần nhỏ này như một tin nhắn SMS đơn Khi các tin nhắn SMS này đã được gửi tới đích hoàn toàn thì nó sẽ được

kết hợp lại với nhau trên máy di động của người nhận Khó khăn của SMS chuỗi là

nó ít được hỗ trợ nhiều so với SMS ở các thiết bị có sử dụng sóng wireless

2.2.4 SMS Center/SMSC

Một SMS Center (SMSC) là nơi chịu trách nhiệm luân chuyển các hoạt động liên quan tới SMS của một mạng wireless Khi một tin nhắn SMS được gửi đi từ một điện thoại di động thì trước tiên nó sẽ được gửi tới một trung tâm SMS Sau đó, trung tâm SMS này sẽ chuyển tin nhắn này tới đích (người nhận) Một tin nhắn SMS có thể phải đi qua nhiều hơn một thực thể mạng (netwok) (chẳng hạn như SMSC và SMS gateway) trước khi đi tới đích thực sự của nó Nhiệm vụ duy nhất của một SMSC là luân chuyển các tin nhắn SMS và điều chỉnh quá trình này cho đúng với chu trình của nó Nếu như máy điện thoại của người nhận không ở trạng thái nhận (bật nguồn) trong lúc gửi thì SMSC sẽ lưu trữ tin nhắn này Và khi máy điện thoại của người nhận mở nguồn thì nó sẽ gửi tin nhắn này tới người nhận Thường thì một SMSC sẽ hoạt động một cách chuyên dụng để chuyển lưu thông SMS của một mạng wireless Hệ thống vận hành mạng luôn luôn quản lí SMSC của riêng nó và vị trí của chúng bên trong hệ thống mạng wireless Tuy nhiên hệ thống vận hành mạng sẽ sử dụng một SMSC thứ ba có vị trí bên ngoài của

hệ thống mạng wireless

Bạn phải biết địa chỉ SMSC của hệ thống vận hành mạng wireless để sử dụng, tinh chỉnh chức năng tin nhắn SMS trên điện thoại của bạn Điển hình một địa chỉ SMSC là một số điện thoại thông thường ở hình thức, khuôn mẫu quốc tế Một điện thoại nên có một thực đơn chọn lựa để cấu hình địa chỉ SMSC Thông thường thì địa chỉ được điều chỉnh lại trong thẻ SIM bởi hệ thống mạng wireless Điều này có nghĩa là bạn không cần phải làm bất cứ thay đổi nào cả

2.2.5 Nhắn tin SMS quốc tế

Các tin nhắn SMS giữa các nhà điều hành được chia ra làm hai hạng mục gồm tin nhắn SMS giữa các nhà điều hành cục bộ và tin nhắn SMS giữa các nhà điều hành quốc tế với nhau Tin nhắn SMS giữa các nhà điều hành cục bộ là tin nhắn mà được gửi giữa các nhà điều hành trog cùng một quốc gia còn tin nhắn SMS giữa các nhà điều hành quốc tế là tin nhắn SMS được gửi giữa các nhà điều hành mạng wireless ở những quốc gia khác nhau Thường thì chi phí để gửi một tin nhắn SMS

quốc tế thì cao hơn so với gửi trong nước Và chi phí gửi tin nhắn trong nội mạng thì ít hơn so với gửi cho mạng khác trong cùng một quốc gia

Khả năng kết hợp của tin nhắn SMS giữa hai mạng wireless cục bộ hay thậm chí là quốc tế là một nhân tố chính góp phần tới sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống SMS toàn cầu

2.2.6 SMS gateway

Một khó khăn của SMS là các SMSC được phát triển, xây dựng bởi các công

ty sử dụng giao thức truyền thông riêng của họ và hầu hết các giao thức này thuộc quyền sở hữu riêng Ví dụ Nokia có một giao thức SMSC là CIMD, nhà điều hành CMG lại có giao thức SMSC là EMI Chúng ta không thể kết nối hai SMSC nếu chúng không có cùng giao thức SMSC Để giải quyết vấn đề này, một SMS geteway được đặt giữa hai giao thức SMSC khác nhau Geteway này hoạt động ở hai sóng mang khác nhau để có thể gửi SMS cho nhau mà không gặp bất kỳ trở ngại nào

Hình 2.4 SMS getway

CHƯƠNG 3: VI DIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ MODUL SIM900A

3.1 Giới thiệu chung

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho

vi điều khiển CPU1600 Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm

và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM Tuy nhiên, hiện nay PIC đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam vì những nguyên nhân sau:

 Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

 Giá thành không quá đắt

 Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

 Là sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051

 Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, PIC được sử dụng khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công,

dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn…

 Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình từ đơn giản đến phức tạp…

 Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC không ngừng được phát triển

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Harvard Điểm khác biệt giữa kiến trúc Harvard và kiến trúc Von-Neumann là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình

Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể

tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neumann không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển

Đối với kiến trúc Harvard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Harvard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu

Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16Fxxx, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neumann, độ dài lệnh luôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte)

Vi điều khiển được tổ chức theo kiến trúc Harvard còn được gọi là vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh rút gọn Vi điều khiển được thiết kế theo kiến trúc Von-Neuman còn được gọi là vi điều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) hay vi điều khiển có tập lệnh phức tạp vì mã lệnh của nó không phải là một số cố định mà luôn là bội số của 8 bit (1 byte)

 Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

 PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

 PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

 PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

 C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

khiển cho phép Ngoài ra mọi thông tin về cách lựa chọn vi điều khiển PIC có thể được tìm thấy trong cuốn sách “Select PIC guide” do nhà sản xuất Microchip cung cấp

3.2 Vi điều khiển PIC16F877A

a Hình dạng và sơ đồ chân

Hình 3.1 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A

b Các Khối Trong PIC 16F877A

 Khối ALU

 Khối bộ nhớ chương trình

 Khối bộ nhớ dữ liệu

 Khối bộ nhớ file thanh ghi Ram

 Khối thanh ghi đặt biệt

 Khối ngoại vi timer

 Khối giao tiếp

 Khối chuyển đổi ADC

 Khối các Port xuất nhập

c Các khối PIC16F877A

Hình 3.2 Sơ đồ khối PIC16F877A

3.2.1 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A

 8 K Flash ROM

 368 bytes RAM

 256 bytes EEPROM

 2 bộ định thời 8 bit timer 0 và timer 2

 1 bộ định thời 16 bit timer 1, có thể hoạt động trong cả chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài

 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM - tạm gọi là: Bắt giữ/So sánh/ Điều biến xung

 1 cổng song song (Parallel Port) 8 bit với các tín hiệu điều khiển.Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)

 Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programing)

 Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS

 1 bộ biến đổi tương tự – số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào

 2 bộ so sánh tương tự (Comparator)

 1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer)

 35 tập lệnh có độ dài 14 bit

 Tần số hoạt động tối đa là 20 MHz

 1 cổng nối tiếp (Serial Port)

ở ô nhớ có địa chỉ thấp của mỗi bank và thanh ghi mục đích chung GPR (General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng ví dụ như thanh ghi STATUS sẽ được đặt ở ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và giảm bớt lệnh của chương trình Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu như sau:

Hai bit RP1 và RP0 là hai bit chọn Bank:

Bảng 3.1 Bảng chọn bank thanh ghi

Sơ đồ bộ nhớ chương trình như sau:

Stack level 8 Reset vecter

Interrupt vecter

Page 0Page 1Page 2Page 3

0000H

0004H 0005H 07FFH 0800H 0FFFH 1000H 17FFH 1800H 1FFFH

13

Stack level 1 Stack level 2

Stack level 8 Reset vecter

Interrupt vecter

Page 0Page 1

0000H

0004H 0005H 07FFH 0800H 0FFFH 1000H

1FFFH

On-chip Program memory

Hình 3.3 Sơ đồ bộ nhớ chương trình

File Address

File address

File address

File address Indirect addr.(*) 00H Indirect addr.(*) 80H Indirect addr.(*) 100H Indirect addr.(*) 180H TMR0 01H OPTION_REG 81H TMR0 101H TMR0 181H PCL 02H PCL 82H PCL 102H PCL 182H STATUS 03H STATUS 83H STATUS 103H STATUS 183H FSR 04H FSR 84H SFR 104H FSR 184H PORTA 05H TRISA 85H 105H 185H PORTB 06H TRISB 86H PORTB 106H TRISB 186H PORTC 07H TRISC 87H 107H 187H PORTD(1) 08H TRISD(1) 88H 108H 188H PORTE(1) 09H TRISE(1) 89H 109H 189H PCLATH 0AH PCLATH 8AH PCLATH 10AH PCLATH 18AH INTCON 0BH INTCON 8BH INTCON 10BH INTCON 18BH PIR1 0CH PIE1 8CH EEDATA 10CH EECON1 18CH PIR2 0DH PIE2 8DH EEADR 10DH EECON2 18DH TMR1L 0EH PCON 8EH EEDATH 10EH Reserved(2) 18EH TMR1H 0FH 8FH EEADRH 10FH Reserved(2) 18FH T1CON 10H 90H 110H 190H TMR2 11H SSPCON2 91H 111H 191H T2CON 12H PR2 92H 112H 192H SSPBUF 13H SSPADD 93H 113H 193H SSPCON 14H SSPSTAT 94H 114H 194H CCPR1L 15H 95H 115H 195H CCPR1H 16H 96H 116H 196H CCP1CON 17H 97H 117H 197H RCSTA 18H TXSTA 98H 118H 198H TXREG 19H SPBRG 99H 119H 199H RCREG 1AH 9AH 11AH 19AH CCPR2L 1BH 9BH 11BH 19BH CCPR2H 1CH CMCON 9CH 11CH 19CH CCP2CON 1DH CVRCON 9DH 11DH 19DH ADRESH 1EH ADRESL 9EH 11EH 19EH ADCONO 1FH ADCON1 9FH 11FH 19FH

General purpose Register

80 byte

A0H EFH

General purpose Register

80 byte

120H 16FH

General purpose Register

80 byte

1A0H

1EFH accesses

70h-7Fh

F0H FFH

accesses 70h-7Fh

170H 17FH

accesses 70h-7Fh

1F0H 1FFH Bank 0 Bank 1 Bank 2 Bank 3

General purpose Register

16 byte

General purpose Register

□ Unimplemented data memory locations, read as '0'

* Not a physical register.

Note 1: These registers are not implemented on the PIC16F877A

2: These registers are reserved; maintain these registers dear.

Hình 3.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu

3.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A

Cổng xuất nhập chính là phương tiện để chúng giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập đó là: PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE

a PORTA

PORTA gồm có 6 chân I/O, đây là port hai chiều, nghĩa là có thể xuất nhập được Chức I/O được điều khiển bởi thanh ghi TRISA có địa chỉ 85h Nếu TRISA=1 thì là chân nhập ngược lại TRISA=0 thì là chân xuất Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các port khác, ngòi ra PORTA còn là ngõ ra ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog ngõ vào xung timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Mater Synchronous Serial Port)

 Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTA gồm:

 PORTA ở địa chỉ 05h, chứa giá trị các pin trong PORTA

 TRISA ở địa chỉ 85h, điều khiển xuất nhập

 CMCON ở địac chỉ 9Ch, thanh ghi điều khiển bộ so sánh

 CVRCON ở địac chỉ 9Dh, thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp

 ADCON ở địac chỉ 9Fh, thanh ghi điều khiển bộ ADC

b PORTB

PORTB gồm có 8 chân I/O, thanh ghi điều khiển là TRISB, khi PORTB=1 thì

là port nhập và PORTB=0 thì là port xuất Ngoài ra một số chân của PORTB còn được sử dụng nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ khác nhau PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và timer0 Mỗi chân của PORTB có điện trở kéo lên Bit 7 của thanh ghi OPTION_REG = 0 thì có thể mở tất cả các điện trở kéo lên Khi PortB được thiết lập là ngõ ra thì sẽ tự động tắt chức năng điện trở kéo lên

 Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB gồm:

 PORTB ở các địa chỉ 06h và 106h, chứa giá trị các pin trong PORTB

 TRISB ở các địa chỉ 86h và 186h, điều khiển xuất nhập

 OPTION_REG ở các địa chỉ 81h và 181h, điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0

c PORTC

PORTC là 2 chiều 8 bít, thanh ghi điều khiển xuất nhập là TRISC Các chân của PORTC còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ time0, bộ PWM và chuẩn giao tiếp nối tiếp I2c, SPI, SSP, USART

 Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTC gồm:

 PORTC ở các địa chỉ 07h , chứa giá trị các pin trong PORTC

 TRISC ở các địa chỉ 87h, điều khiển xuất nhập

d PORTD

PORTD là 8 bít I/O, với ngõ vào có mạch schmitt trigger Thanh ghi điều khiển tương ứng là TRISD, PORTD còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp dữ

liệu PSP(Paraller Slave Port)

 Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTD gồm:

 PORTD ở các địa chỉ 08h , chứa giá trị các pin trong PORTC

 TRISD ở các địa chỉ 88h, điều khiển xuất nhập

e PORTE

PORTE có 3 chân có cấu hình độc lập để thiết lập ngõ vào hay ra Có mạch điện schmitt trigger ở ngõ vào PORTE trở thành ngõ vào vi điều khiển I/O khi bit thứ 4 PSPMODE của TRISE=1 Và cũng chắc chắn rằng TRISE <0:2>=11 và ADCON1 được cấu hình như những ngõ xuất nhập số Hai bit RP1, RP0 nằm trong thanh ghi STATUS dùng để chọn bank Các chân của PORTE là ngõ vào analog và các chân điều khiển chuẩn giao tiếp SPS

 Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTE gồm:

 PORTE ở các địa chỉ 09h , chứa giá trị các pin trong PORTC

 TRISD ở các địa chỉ 89h, điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số chuẩn PSP

 ADCON1 ở địa chỉ 9Fh, thanh ghi điều khiển bộ ADC

3.2.4 Các bộ định thời

a Timer0

Hình 3.5 Sơ đồ khối của time0

Đây là một trong ba bộ đếm hoặc bộ định thời của vi điều khiển PIC16F877A

là bộ đếm 8 bít được kết nối với bộ chia tần 8 bít Cấu trúc của timer0 cho phép ta lựa chọn xung clock tác động và cạnh của xung clock Ngắt time0 sẽ xuất hiện khi timer0 bị tràn

Muốn time0 hoạt động ở chế độ timer ta xóa bít TOSC(OPTION_ REC<5>) Khi đó giá trị của TMR0 sẽ tăng theo từng chu kỳ của xung đồng hồ(Tần số vào time0 bằng ¼ tần số Oscillator) Khi giá trị TMR0 từ FFh trở về 00h, ngắt time0 sẽ xuất hiện Thanh ghi TMR0 cho phép ghi và xóa được giúp ta ấn định ngắt timer0 xuất hiện một cách linh động Muốn timer0 hoạt động ở chế độ counter ta set bit TOSC(OPTION_ REC<5>) Khi đó xung tác động lên bộ đếm được lấy từ chân RA4/TOSC1 Bít TOSE(OPTION_ REC<4>) cho phép cạnh tác động vào bộ đếm Nếu TOSE=0 cạnh tác động sẽ là cạnh lên, còn nếu TOSE=1 cạnh tác động sẽ là

đây chính là cờ ngắt của time0, cờ ngắt này phải được xóa trước khi chương trình thực hiện quá trình đếm Ngắt time0 không thể đánh thức vi điều khiển từ chế độ sleep

Các lệnh tác động lên thanh ghi TMR0 sẽ xóa chế độ hoạt động của prescaler, khi đối tượng tác động là time0, tác động lên giá trị TMR0 sẽ xóa prescaler nhưng không làm thay đổi giá trị của prescaler Khi đối tượng tác động là WDT, lệnh CLRWDT sẽ xóa prescaler, đồng thời prescaler sẽ ngưng tác vụ hỗ trợ cho WDT

 Thanh ghi điều khiển liên quan đến timer0 gồm:

 TMR0 ở địa chỉ 01h và 101h chứa giá trị đếm của timer0

 INTCON ở địa chỉ 0Bh, 8bh, 10Bh, 18Bh cho phép ngắt hoạt động

 OPTION_REC ở địa chỉ 81h 181h, điều khiển prescaler

b Timer1

Là bộ định thời 16 bít, giá trị của time1 sẽ được lưu trong hai thanh ghi TMR1H và TMR1L Cờ ngắt của time1là TMR1IF(PIR1<0>), bít điều khiển của time1 sẽ là TMR1IE(PIE<0>) Tương tự như time0, time1 cũng có hai chế độ hoạt động: Chế độ định thời với xung kích là xung clock của oscillator và chế độ counter với xung kích là xung phản ánh các sựu kiện cần đếm lấy từ bên ngoài thông qua chân RC0/T1OSO/T1CKI(cạnh tác động là cạnh lên) việc lựa chọn xung tác động được điều khiển bởi bít TMR1CS(T1CON<1>)

Sơ đồ khối của time1

Hình 3.6 Sơ đồ khối của time1

 Thanh ghi điều khiển liên quan đến timer1 gồm:

 INTCON ở địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh cho phép ngắt hoạt động

 PIR1 ở địa chỉ 0Ch chứa cờ ngắt time1(TMR1IF)

 PIE1 ở địa chỉ 8Ch cho phép ngắt time0(TMR1IE)

 TMR1L ở địa chỉ 0Eh chứa giá trị 8 bít thấp của bộ đếm time1

 TMR1H ở địa chỉ 0Fh chứa giá trị 8 bít cao của bộ đếm time1

 T1CON ở địa chỉ 10h xác lập các thông số cho time1

c Timer2

Là bộ định thời 8 bít và được hỗ trợ bởi hai bộ chia tần số prescaler và postscaler, thanh ghi chứa giá trị đếm của time2 là TMR2, bít cho phép ngắt time2 tác động là TMR2ON(T2CON<2>) Cờ ngắt của time2 là TMR2IF(PIR1<1>) xung ngõ vào được đưa qua bộ chia tần prescaler 4 bít(với các tỉ số tần số là 1:1, 1:4 hoặc 1:16 và được điều khiển bởi các bít T2CKPS1: T2CKPS0(T2CON<1:0>))

Sơ đồ khối của time2

Hình 3.7 Sơ đồ khối của time2

Ngoài ra ngõ ra của Time2 còn được kết nối với khối SSP, do đó time2 chỉ còn đóng vai trò tạo ra xung clock cho khối giao tiếp SSP

 Thanh ghi điều khiển liên quan đến timer2 gồm:

 INTCON ở địa chỉ 0Bh, 8Bh, 10Bh, 18Bh cho phép ngắt hoạt động

 PIR1 ở địa chỉ 0Ch chứa cờ ngắt time2(TMR2IF)

 PIE1 ở địa chỉ 8Ch cho phép ngắt time2(TMR2IE)

 TMR2 ở địa chỉ 11h chứa giá trị đếm của time2

 T2CON ở địa chỉ 12h xác lập các thông số cho time2