Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng module sim 900a, lập trình và lắp đặt tủ điện điều khiển, giám sát các thiết bị điện cho ngôi nhà thông minh

1 MỤC LỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH Bảng 1Cấu trúc của 1 tin nhắn SMS........................................................................20 Bảng 2 Các tính năng của Module Sim900A...........................................................31 Bảng 3 Chức năng các chân của module Sim 900A................................................35 Bảng 4 Các tập lệnh của AT....................................................................................36 Bảng 5 Thông số của AT Mega8..............................................................................50 Bảng 6 Tên gọi và tên trong Altium của các thiết bị sử dụng trong bài...................69 Bảng 7 Độ dày và vật liệu mạ..................................................................................83 Y Hình 1: cấu trúc của mạng GSM.............................................................................18 Hình 2 Module Sim 900A.........................................................................................23 Hình 3 Module Sim 900A.........................................................................................23 Hình 4: Module sim900A.........................................................................................24 Hình 5 Module Sim900A sử dụng trong đồ án.........................................................24 Hình 6 Sơ đồ chân của Module Sim 900A...............................................................32 Hình 7 Board Arduino Uno.....................................................................................40 Hình 8 Giao diện IDE của Arduino.........................................................................44 Hình 9 Sơ đồ chân vi điều khiển AT Mega 8 - 16PU...............................................49 Hình 10 Thạch anh trong mạch sơ đồ.....................................................................52 Hình 11 Thạch anh trong mạch điện tử...................................................................53 Hình 12 Ký hiệu của thạch anh trong mạch điện tử................................................54 Hình 13 Thạch anh vỏ sắt 4 chân............................................................................54 Hình 14 Thạch anh vỏ gốm 3 chân..........................................................................54 Hình 15 Dao động sóng sin sử dụng thạch anh + mosfet........................................55 Hình 16 Mạch tạo xung vuông sử dụng thạch anh + cổng điện tử số......................55 Hình 17 Linh kiện thạch anh...................................................................................56 Hình 18 Thạch anh trong bộ điều khiển máy giặt....................................................57 Hình 19 Thạch anh trong đồng hồ đeo tay..............................................................57 Hình 20 Thạch anh ứng dụng trong mạch đồng hồ.................................................58 Hình 21 Thạch anh trong mạch điện tử ARDUINO.................................................59 Hình 22 Thay đổi giá trị của linh kiện.....................................................................65 Hình 23Mạch nguyên lý sau khi nối dây xong.........................................................68 Hình 24Mạch in dưới dạng 3D................................................................................68 Hình 25 Sơ đồ mạch chân linh kiện.........................................................................68 Hình 26 Sơ đồ linh kiện của mạch...........................................................................75 Hình 27 Mạch in ở định dạng 2D............................................................................76 Hình 28 Mạch in dạng đen trắng.............................................................................76 Hình 29 Mạch in đen trắng......................................................................................76 Hình 30 Mạch in sau khi đã là vào bo đồng............................................................77 Hình 31Mạch bo đồng sau khi khoan......................................................................77 Hình 32 Cảm biến tiệm cận.....................................................................................80 2 Hình 33 Vật chuẩn...................................................................................................80 Hình 34 Khoảng cách cài đặt..................................................................................81 Hình 35 Cảm biến tiệm cận.....................................................................................81 Hình 36 Thời gian cảm biến phản hồi.....................................................................81 Hình 37 Tần số đáp ứng..........................................................................................82 3 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................4 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI..........................................................................................5 1) Giới thiệu về đồ án..........................................................................................5 2) Đối tượng nghiên cứu....................................................................................7 3) Mục đích nghiên cứu.....................................................................................7 4) Ứng dụng của đồ án.......................................................................................8 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.........................................................................................9 1.1 Giới thiệu về ngôi nhà thông minh................................................................9 1.1.1Nhà thông minh là gì?.............................................................................9 1.1.2Điểm khác biệt của nhà thông minh với nhà truyền thống..................11 1.2 Lý do nhà thông minh chưa phổ biến..........................................................12 1.2.1Giá cả chưa bình dân để phổ cập..........................................................12 1.2.2E ngại về sự phức tạp khi lắp đặt và sử dụng.......................................12 1.3 Các tiện ích,chỉ tiêu của ngôi nhà thông minh............................................13 1.3.1Điều khiển tự động trong chiếu sáng....................................................13 1.3.2Điều khiển tự động hệ thống âm thanh................................................14 1.3.3Điều khiển tự động các thiết bị nhờ các cảm biến................................14 1.3.4Đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật:..............................................................15 1.4 Tính ứng dụng thực tiễn của đề tài với hoàn cảnh thực tế :.......................15 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1...........................................................................................16 CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM,TIN NHẮN SMS VÀ MODULE SIM 900A..................................................................................................16 2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM..........................................16 2.1.1Đặc điểm của công nghệ GSM Công nghệ GSM..................................16 2.1.2Cấu trúc của mạng GSM.......................................................................17 2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS........................................................................17 2.2.1Giới thiệu về sms....................................................................................17 2.2.2Cấu trúc một tin nhắn SMS:.................................................................18 2.2.3Tin nhắn SMS chuỗi/Tin nhắn SMS dài..............................................19 2.2.4SMS CENTRE/SMSC............................................................................19 2.2.5Ưu điểm của tin nhắn SMS...................................................................20 4 2.3 Tổng quan về Module Sim900A...................................................................21 2.3.1Giới thiệu về Module Sim900A..............................................................21 2.3.2Đặc điểm của Module Sim:...................................................................23 2.3.3Kết nối với vi điều khiển:.......................................................................25 2.3.4Một đoạn code mẫu của Module Sim 900A..........................................25 2.3.5Đặc điểm của Module Sim900A:...........................................................29 2.3.6Khảo sát tập lệnh AT của Module sim900A..........................................34 2.3.7Các lệnh AT được sử dụng trong đồ án:...............................................36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2...........................................................................................38 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ARDUINO VÀ VI ĐIỀU KHIỂN AT MEGA8 ...................................................................................................................................... 38 3.1 Arduino.........................................................................................................38 3.1.1.1 Giới thiệu chung Arduino...............................................................38 3.1.2Giới thiệu về board Arduino Uno..........................................................39 3.1.3Khả năng của bo mạch Arduino:..........................................................40 3.1.4Môi trường lập trình bo mạch Arduino:...............................................42 3.1.5Chuỗi và khai báo chuỗi :......................................................................44 3.2 ATMega8 - 16PU..........................................................................................48 3.2.1Thông tin chung về sản phẩm:..............................................................49 3.2.2Ứng dụng:..............................................................................................50 3.2.3Tổng quan về VĐK Atmega8:................................................................50 3.2.4Hệ thống Clock:.....................................................................................50 3.2.5Nguồn RESET:......................................................................................51 3.3 Thạch anh.....................................................................................................52 3.3.1Thạch anh là gì?....................................................................................52 3.3.2Ký hiệu và hình dạng thực tế của thạch anh........................................53 3.3.3Vậy thạch anh có tác dụng gì ở mạch điện tử?.....................................54 3.3.4Lịch sử của thạch anh:..........................................................................55 3.3.5Cách kiểm tra thạch anh như thế nào:.................................................56 3.3.6Nguyên lí hoạt động:.............................................................................56 3.3.7Ứng dụng của thạch anh:......................................................................57 3.3.8Mạch lọc tích cực dùng Thạch anh:.....................................................57 5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...........................................................................................58 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH..................................................58 4.1 Phần mềm vẽ mạch Altium (sử dụng Altium 17)........................................58 4.2 Danh sách thiết bị, linh kiện sử dụng và tác dụng của chúng....................68 4.3 Code Module Sim900A sử dụng trong đồ án:..............................................69 4.4 Hướng dẫn sử dụng mạch điều khiển thiết bị điện từ xa,sử dụng Module Sim 900A................................................................................................................. 82 4.4.1Lưu ý khi sử dụng..................................................................................82 4.4.2Các lỗi có thể xảy ra và cách khắc phục:..............................................82 Tài liệu tham khảo:....................................................................................................83 KẾT LUẬN.................................................................................................................84 6 LỜI MỞ ĐẦU 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 Điện-Điện tử,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. “Smart House - Ngôi nhà thông minh’’ đã được nghiên cứu và phát triển trên thế giới. Việc điều khiển các thiết bị điện trong nhà hoặc là trực tiếp hoặc là từ xa là yêu cầu cơ bản của điều khiển ngôi nhà thông minh. Việc điều khiển từ xa có thể có thiết bị riêng, mạng internet và đặc biệt là sử dụng một phương tiện đang được sử dụng phổ biến nhất là điện thoại di động.Với ý tưởng ban đầu là xây dựng một thiết bị không dây dùng sóng hồng ngoại hoặc sóng RF để điều khiển các thiết bị điện trong nhà. Nhưng chúng đều có nhược điểm riêng. Qua nghiên cứu ứng dụng công nghệ di động sử dụng cho mục đích ngoài thông tin liên lạc là tính năng điều khiển từ xa. Bằng cách sử dụng điện thoại di động để nhắn tin SMS gửi đến một một mạch điều khiển có gắn Module sim để điều khiển các thiết bị điện. Với cách này có thể khắc phục các nhược điểm như bị vật cản (sóng hồng ngoại), khoảng cách ngắn (sóng RF). Chính vì các ưu điểm của việc điều khiển từ xa của điện thoại di động vì thế em đã lựa chọn đề tài : "Nghiên cứu ứng dụng Module SIM 900A,lập trình và lắp đặt tủ điện điều khiển,giám sát các thiết bị điện cho ngôi nhà thông minh". Đồ án chỉ tập trung vào nghiên cứu việc điều khiển từ xa thiết bị điện bằng điện thoại di động nhằm bước đầu làm quen, tiếp cận và xây dựng hệ thống điều khiển từ xa cơ bản dựa trên công nghệ di động. 7 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1) Giới thiệu về đồ án Hiện nay trên thị trường, công nghệ giám sát, điều khiển, cảnh báo từ xa vẫn còn khá mới mẻ, chưa được phổ biến và có giá thành cao. Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra mô hình sẽ giúp nhóm tìm hiểu sâu hơn về các công nghệ mới,qua đó tìm ra các phương án giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống thực tế. Bên cạnh những yêu cầu liên quan đến lĩnh vực trong đời sống, việc thực hiện đề tài nhằm chế tạo ra một mô hình phục vụ đào tạo, thực nghiệm trong trường cũng như trong các cơ sở đào tạo có chuyên ngànhĐiện-Điện tử.Em muốn có thể sử dụng mô hình để thực nghiệm, chứng minh các kiến thức sách vở đã có. Qua những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy và tham quan thực tế các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy rất nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất. Thêm vào đó, ngày nay hệ thống mạng điện thoại di động và các thiết bị điện thoại di động ngày càng được phổ biến trong cuộc sống. Cùng với đó là nhu cầu cuộc sống ngày càng tăng. Từ đó đã hình thành, nảy sinh một ý tưởng về việc điều khiển các thiết bị điện một cách tự động trong trạm viễn thông thông qua tin nhắn SMS.Như chúng ta cũng đã biết,trạm viễn thông là một công trình cần có và xuất hiện ở hầu hết tất cả các tỉnh thành trên cả nước,các thiết bị điện trong trạm vẫn chưa hoạt động một cách tự động mà vẫn cần phải có nhân viên trong trạm để điều hành,giám sát.Các thiết bị điện trong đó 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 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 từ xa thông qua 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 vi tính,máy điều hòa,hệ thống báo động,hệ thống máy phát điện …. 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 8 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 nhà có thể được điều khiển từ xa thông qua các tin nhắn của chủ nhà.Chẳng hạn như việc tắt quạt, đèn điện,máy điều hòa, … khi chủ nhà rời đi mà quên chưa tắt. Hay chỉ với một tin nhắn SMS,chủ nhà có thể bật máy điều hòa để làm mát phòng trước khi mọi người đến làm việc trong một khoảng thời gian nhất định. Khi có người lạ đột nhập,cảm biến chống trộm sẽ thông báo đến người chủ nhà,đồng thời phát ra chuông báo động. Còn khi có sự cố mang tính khẩn cấp như hỏa hoạn chẳng hạn. Lúc này,hệ thống sẽ tự động phát hiện ra hỏa hoạn nhờ vào các cảm biến khói,cảm biến nhiệt….. thì lập tức dữ liệu đó sẽ được gởi đến hệ thống điều khiển trung tâm. Khi hệ thống trung tâm đã xử lý xong dữ liệu thì nó sẽ lập tức ra lệnh điều khiển đóng tất cả các đường ống dẫn khí, tắt hết các thiết bị đang hoạt động trong ngôi nhà này đồng thời báo động gửi tin nhắn cho chủ nhà và có thể tự động gọi điện báo cho lực lượng phòng cháy chữa cháy. Ngoài ra, hệ thống còn mang tính bảo mật. Nghĩa là chỉ có chủ nhà biết mật khẩu của hệ thống mới điều khiển được. 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 em đã chọn đề tài "Nghiên cứu ứng dụng Module Sim 900A,lắp đặt tủ điều khiển thiết bị điện trong ngôi nhà thông minh điều khiển từ xa qua 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. Đồ án nghiên cứu xây dựng một hệ thống điều khiển đồng bộ bao gồm phần mềm được xây dựng trên máy tính, xử lý các tin nhắn điều khiển, và thực thi các lệnh điều khiển đó. Phần cứng xây dựng dựa trên nền tảng là Module Sim900A,vi điều khiển Atmega8. Đối tượng điều khiển là các thiết bị điện sử dụng trong ngôi nhà thông minh với mục tiêu tạo thuận tiện cho người dùng trong việc bật tắt nguồn và giám sát thiết bị từ đó góp phần nâng cao tính tiện nghi cho ngôi nhà, giảm thiểu năng lượng điện hao phí. 2) Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài : - Tổng quan về mạng di động GSM và tin nhắn SMS 9 - Module Sim900A của hãng Simcom và tập lệnh AT để điều khiển(trong đề tài em sử dụng module Sim 900A với cùng chức năng và phù hợp yêu cầu) -Vi điều khiển At Mega8 3) Mục đích nghiên cứu Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và xây dựng với mục đích là 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 bằng điện thoại di động sử dụng tin nhắn SMS" hoàn chỉnh. Hệ thống tích hợp module nhận tin nhắn sử dụng mạng GSM, module xử lý dữ liệu, module công suất để điều khiển các thiết bị điện trong ngôi nhà đáp ứng nhu cầu của người sử dụng với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. Hệ thống sẽ thu nhận các tín hiệu của thiết bị đầu cuối (mobile) để thực hiện các lệnh điều khiển các thiết bị điện trong nhà và phản hội trạng thái của các thiết bị điều được gửi đến người điều khiển thông qua tin nhắn sms. Một số chức năng của hệ thống điều khiển bằng điện thoại di động : - Điều khiển mở/tắt các thiết bị điện dân dụng. - Có thể mở/tắt tất cả các thiết bị cùng lúc hoặc từng thiết bị. - Có thể ứng dụng trong công nghiệp. Qua quá trình tìm hiểu các chức năng của Module SIM900A, có thể áp dụng để thi công một mạch điện điều khiển tắt/mở 8 bóng đèn tượng trưng cho 8 thiết bị điện trong nhà. Module SIM900A có thể làm việc tại các ví trí có phủ sóng của mạng điện thoại di động đang hoạt động trong nước như Viettel, Mobile Phone, Vina Phone... Sau khi thực hiện đề tài này sẽ giúp cho sinh viên nắm vững được các kiến thức chuyên môn cơ bản , những kiến thức này sẽ hỗ trợ cho sinh viên khi ra làm ngoài môi trường thực tế. 4) Ứng dụng của đồ án Ứng dụng chính của đồ án là nhằm xây một hệ thống mạch điện có khả năng điều khiển từ xa các thiết điện bằng cách người sử dụng dùng điện thoại cá nhân nhắn tin với lệnh tương ứng để điều khiển bật tắt các thiết bị. Đồ án được xây dựng để đáp ứng nhu cầu trong thực tế và nhằm mang lại tính tiện nghi, hiện đại cho một ngôi nhà thông minh. Đề tài lấy căn bản là sử dụng tin nhắn SMS làm mệnh lệnh để điều khiển từ xa các thiết bị điện trong nhà.Việc lấy tin nhắn SMS là phương thức 10 để điều khiển thiết bị điện có thuận lợi là giá rẻ, mang tính cơ động và cạnh tranh (nghĩa là có thể điều khiển được thiết bị ở nơi có phủ sóng mạng điện thoại di động mà người sử dụng đang dùng). Ngoài ra đồ án còn có tính nâng cao, có thể sử dụng cho nhiều đối tượng khác nhau, trong gia đình cũng như trong công nghiệp. 11 Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về ngôi nhà thông minh 1.1.1 Nhà thông minh là gì? Hiện nay xã hội đang phát triển bởi sự hội nhập với các nước trong và ngoài khu vực nhằm mục tiêu phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật và đời sống xã hội.Trên thị trường, công nghệ giám sát, điều khiển, cảnh báo từ xa vẫn còn khá mới mẻ, chưa được phổ biến và có giá thành cao.Vì vậy việc nghiên cứu chế tạo ra mô hình sẽ giúp nhóm tác giả tìm hiểu sâu hơn về các công nghệ mới, qua đó tìm ra các phương án giảm chi phí, tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống thực tế.Chính vì thế đời sống của con người cũng được cải thiện đáng kể. Những nhu cầu về sinh hoạt, cuộc sống tiện nghi ngày càng cần thiết. Sự tiện nghi đó yêu cầu đảm bảo thực hiện những công việc như giám sát, điều khiển tự động các thiết bị điện, khoá cửa an toàn, cảnh báo trộm cắp, nhiệt độ trong phòng, hiện tượng cháy nổ…Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Module Sim 900A,lập trình và lắp đặt tủ điều khiển,giám sát cho ngôi nhà 12 thông minh” đã giải quyết được những yêu cầu trên và thực hiện công việc đó một cách dễ dàng. Mục tiêu của đề tài là chế tạo ra một mô hình nhà thông minh, có sự kết hợp hài hòa giữa kiến trúc, các loại vật liệu mới, các hệ thống điện, điện tử, điều khiển, giám sát hỗ trợ nhu cầu cá nhân của con người. Khái niệm ngôi nhà thông minh vốn khá phổ biến ở các nước công nghệ phát triển và được du nhập qua các quốc gia có cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin đang phát triển.Ngôi nhà thông minh hay còn gọi là ngôi nhà số 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 hoàn chỉnh và thống nhất,có thể tự vận hành tất cả các hệ thống một cách tự động theo chương trình đã cài đặt hoặc theo điều khiển từ xa của người dùng.Các hệ thống như máy chiếu sáng,máy điều hòa,hệ thống an ninh bảo vệ,âm thanh,chuông báo,cửa tự động hay rèm cửa đều được phối hợp vận hành thành một hệ đồng nhất.Một ngôi nhà thế nào được gọi là Nhà thông minh(tiếng Anh: home automation, domotics, smart home hoặc Intellihome) Smart Home là một khái niệm tuy không quá xa lạ với dân công nghệ (IT) nhưng vẫn còn khá lạ tai với đa số người dân nói chung.Hiểu theo cách đơn giản nhất, Smart Home là ngôi nhà mà ở đó mọi thiết bị liên quan đến điện năng đều được điều khiển trực tiếp bằng bản công tắc,cảm ứng hay điều khiển từ xa qua mạng,điểu khiển, nút chạm hiển thị trên màn hình smart phone, tablet, máy tính cá nhân (PC, laptop). Theo nghĩa tương đối đầy đủ Smart Home là ngôi nhà được tích hợp những công nghệ tân tiến về kỹ thuật điện-điện tử-tin học để quản lý và điều khiển các thiết bị điện theo mong muốn của chủ nhà mọi lúc, mọi nơi theo những chương trình được cài đặt theo ngữ cảnh, lịch trình, cảm biến tự động,được lắp đặt các thiết bị điện, điện tử có thể được điều khiển hoặc tự động hoá hoặc bán tự động, thay thế con người trong thực hiện một hoặc một số thao tác quản lý, điều khiển. Hệ thống điện tử này giao tiếp với người dùng thông qua bảng điện tử đặt trong nhà, ứng dụng trên điện thoại di động, máy tính bảng hoặc một giao diện web. 1.1.2 Điểm khác biệt của nhà thông minh với nhà truyền thống. Như vậy sự khác biệt với một ngôi nhà bình thường mà ở đó mọi việc quản lý và điều khiển thiết bị điện đều thực hiện bằng cách thủ công cơ học theo nguyên tắc 13 Mở/Tắt (On/Off) thì Smart Home đã tiến lên một đẳng cấp khác về điều khiển, quản lý thiết bị một cách thông minh hơn rất nhiều. Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc lập trình cho thiết bị ở nhà hoạt động theo lịch. Thêm vào đó, các đồ gia dụng có thể hiểu được ngôn ngữ của nhau và có khả năng tương tác với nhau. Mỗi chức năng của ngôi nhà thông minh đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới sự điều khiển của người dùng,thông qua điện thoại di động sử dụng Sim,mạng 3G hoặc Internet,cung cấp nhiều chế độ sử dụng.Người dùng có thể truy cập từ xa vào hệ thống quản lý tại nhà để theo dõi ngôi nhà qua màn hình smartphone,tắt các thiết bị quên chưa tắt khi ra khỏi nhà,tắt bớt các hệ thống đèn không sử dụng trong các phòng để tiết kiệm điện năng…Theo ABI Research,chức năng được sử dụng phổ biến nhất trong ngôi nhà thông minh hiện nay là cảnh báo an ninh. Vì thế hiện nay nhà thông minh là một trong những đề tài công nghệ ứng dụng đang tạo nên một cơn sốt trong thị trường địa ốc.Các hãng đầu tư công nghệ nước ngoài đã và đang phát triển giải pháp nhà thông minh với rất nhiều tính năng vượt trội. Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà có các điều kiện kỹ thuật đảm bảo cuộc sống tốt nhất cho con người,được tự động bảo đảm các chỉ tiêu kỹ thuật theo mong muốn của người sử dụng. Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị hệ thống tự động điều khiển các thiết bị điện trong nhà như đèn chiếu sáng,quạt,điều hòa,tivi,an ninh và nhiều tính năng khác.Nhằm giúp cho đời sống ngày càng tiện nghi,an toàn và góp phần sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị được kêt nối với nhau và kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm nhằm theo dõi và kiểm soát các trạng thái và đưa ra các quyết định điều khiển thích hợp. Các thành phần của hệ thống ngôi nhà thông minh gồm các cảm biến(như cảm biến nhiệt độ,cảm biến ánh sáng,cảm biến mưa,cảm biến 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 ngôi nhà để đưa ra các 14 quyết định điều khiển phù hợp các thiết bị chấp hành nhằm đảm bảo môi trường sống tốt nhất cho con người. Ngôi nhà thông minh khác với ngôi nhà bình thường ở chỗ,nó là một quá trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trường:hệ điều khiển bảo đảm nhiệt độ,hệ thống bảo đảm lượng gió trong nhà,hệ thống bảo đảm ánh sáng….,mạch đóng ngắt,điều khiển cổng ra vào,giám sát cảnh báo cháy…tất cả kết hợp lại thành một hệ thống mạng thống nhất. Tại Việt Nam,hiện nay đã có một số nhà đầu tư cho các công trình nhà thông minh nhưng chủ yếu là phân phối các sản phẩm nhập của nước ngoài. 1.2 Lý do nhà thông minh chưa phổ biến 1.2.1 Giá cả chưa bình dân để phổ cập Trở ngại thứ nhất khiến Smart Home chưa phổ cập nằm ở giá thành còn quá cao.Đối với những người yêu thích công nghệ và muốn áp dụng thành tựu công nghệ vào ngôi nhà thì khi tìm hiểu thiết bị Smart Home họ lại nghe nói rằng các thiết bị này rất đắt đỏ. Trên thực tế điều này cũng không sai vì nhiều hệ thống Smart Home từ ÂuMỹ nếu lắp trọn bộ cho một căn biệt thự 1 tầng trệt, 1 tầng lầu rộng chừng 300m2 nhiều khi lên đến 1 tỷ đồng. Cái giá này khiến hầu hết những người có ý định dùng Smart Home đều phải e ngại. Khi tìm hiểu kỹ càng về các sản phẩm Smart Home trên thị trường hiện nay điều ngạc nhiên có những công ty công nghệ của Việt Nam đang làm chủ công nghệ và sản xuất thiết bị Smart Home mà tiêu biểu là 2 công ty như Bkav hay ACIS (TP HCM). 1.2.2 E ngại về sự phức tạp khi lắp đặt và sử dụng Trở ngại thứ 2 là người dùng luôn hỏi và đặt ra các câu hỏi giống nhau đó là nhà thông minh là gì? Sử dụng nhà thông minh như thế nào? Tính e sợ và tính ì chính là trở ngại lớn nhất để công nghệ phát triển. Sở dĩ công tắc điện truyền thống khó bị thay thế là vì cách điều khiển đơn giản Bật/Tắt trong khi nghe nói đến Smart Home, hầu như mọi người hình dung đến sự phức tạp khi điều khiển vì liên quan đến công nghệ cao. Trở ngại lớn nhất vẫn nằm ở việc làm sao thuyết phục được khách hàng, giúp họ vượt qua được sự e ngại về việc khó khăn khi áp dụng công nghệ Smart Home. ‘‘Thực ra, thành tựu công nghệ tạo ra không phải để làm khó 15 người dùng mà giúp con người giải phóng được thời gian, tâm sức cho những việc lặt vặt ở nhà”. Lấy ví dụ tiêu biểu, khi lắp Smart Home, nhiều khách hàng đều nghĩ phải áp dụng khi xây nhà mới chứ nhà đang hiện hữu phải phá vách, đục tường trong khi thực tế đơn giản chỉ thay công tắc cơ bằng bảng công tắc cảm ứng ACIS, thời gian thi công chỉ mất 1 ngày và khách hàng sử dụng ngay lập tức. 1.3 Các tiện ích,chỉ tiêu của ngôi nhà thông minh Nhà thông minh không đơn giản là sự trình diễn tiện ích và công nghệ mới nhất, mà còn tăng tính di động và thoải mái của những người sử dụng. So với những ngôi nhà bình thường, tính tự động hóa cao mang lại những hiệu quả cao như tính an toàn, độ bền vững, tiết kiệm điện … Trong căn nhà thông minh, đồ dùng trong nhà từ phòng ngủ, phòng khách đến toilet đều gắn các bộ điều khiển điện tử có thể kết nối với Internet và điện thoại di động, cho phép chủ nhân điều khiển vật dụng từ xa hoặc thiết lập cho thiết bị ở nhà tự động hoạt động theo ý mình. 1.3.1 Điều khiển tự động trong chiếu sáng 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. Đảm bảo chỉ tiêu ánh sáng: Đảm bảo ánh sáng theo yêu cầu sử dụng như chất lượng ánh sáng và tiết kiệm điện,ánh sáng tại mỗi nơi đều như nhau,không được để chỗ thì quá sáng,chỗ thì quá tối. Ánh sáng có thể được tắt mở thông qua hệ thống tự động điều khiển hoặc điều khiển từ xa.Ngoài ra thiết bị ánh sáng được kết nối với một số thiết bị trong nhà như thiết bị chống trộm,báo cháy. 1.3.2 Điều khiển tự động hệ thống âm thanh Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn,gồm Hệ thống điều khiển giải trí tại gia – loa với công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội bộ, hệ thống tưới nước… 16 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. 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. 1.3.3 Điều khiển tự động các thiết bị nhờ các cảm biến 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. Nhà thông minh sử dụng công nghệ có khả năng tích hợp điều khiển những tiện ích thường dùng trong nhà, giúp chủ nhà sử dụng một cách dễ dàng và tạo ra thêm những tiện nghi cao cấp hơn cho ngôi nhà: - Đóng mở cổng, cửa cuốn gara, cửa ra vào nhà, cửa sổ, rèm cửa … từ điện thoại của chủ nhà với hình ảnh camera trực quan.Sử dụng điện thoại chỉ với một thao tác đơn giản để mở và đóng cổng, gara. An ninh và bảo mật là điểm mạnh của công nghệ nhà thông minh, giúp chủ nhà đảm bảo an ninh tốt hơn, an tâm khi sử dụng. - Cửa sổ tự đóng lúc trời mưa hoặc khi bật điều hòa. - Giếng trời tự kéo lại khi trời mưa, tự mở ra đón khí trời vào mỗi buổi sáng chỉ với 1 thao tác đơn giản. - Rèm cửa tự đóng mở vào những giờ khác nhau trong ngày. - Việc sử dụng trở nên vô cùng đơn giản với vài thao tác trên điện thoại hoặc dùng nút nhấn thông minh trên tường. - Nhà thông minh còn là hệ thống có tính “mở” rất cao nên có khả năng tích hợp mở rộng thêm nhiều tiện ích khác trong tương lai rất dễ dàng. 17 - Giám sát trạng thái các cổng cửa từ xa.Dễ dàng quản lý được mọi cánh cửa ra vào, biết được trạng thái đóng mở hay khi có người ra vào.Việc sử dụng còn đơn giản và tiện nghi hơn khi dùng điện thoại dù chủ nhà đang ở nơi khác. 1.3.4 Đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật: - Chỉ tiêu về thông gió: Đảm bảo lượng gió vừa đủ,tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung. Ngoài ra lượng gió và tốc độ của gió có thể thay đỏi tùy theo yêu cầu của người sử dụng Hệ thống có thể tự nhận biết được khi nào thì sử dụng gió tự nhiên và khi nào thì sử dụng gió nhân tạo.Bằng cách sử dụng quạt máy thông gió. - Chỉ tiêu về nhiệt độ: Đảm bảo nhiệt độ trong nhà luôn phù hợp với khí hậu môi trường,tránh tình trạng khi ra vào nhà với 2 nhiệt độ khác xa nhau,gây bệnh cho người ở. Nhiệt độ trong nhà cũng có thể thay đổi được tùy theo sở thích của mỗi người thông qua hệ thống điều khiển từ xa. Phải có thiết bị cảnh báo và phòng chống khi nhiệt độ quá cao,như thiết bị báo cháy,hiển thị nhiệt độ(vì con người có khả năng chịu được nhiệt độ ở mức 90°C,nếu như nhiệt độ được tăng từ từ,nên ta cần có bộ phận hiển thị để quan sát nhiệt độ) 1.4 Tính ứng dụng thực tiễn của đề tài với hoàn cảnh thực tế : Theo xu hướng phát triển của thế giới,nhận thấy giải pháp cho ngôi nhà thông minh thực sự rất thiết yếu và là một hướng đề tài ứng dụng rất hay. Hiện nay mô hình ngôi nhà thông minh đang rất phổ biến ở nước ngoài, tuy nhiên ở Việt Nam thì nhà thông minh còn chưa phổ biến.Với xu hướng hiện nay, đời sống con người ngày càng phát triển và hiện đại hơn, thì nhu cầu một ngôi nhà mang lại sự tiện nghi nhờ được điều khiển tự động sẽ ngày càng cần thiết. Do đó, tính thực tiễn của đề tài “Nghiên cứu ứng dụng Module Sim 900A, lập trình và lắp đặt tủ điều khiển,giám sát các thiết bị điện cho ngôi nhà thông minh” là rất lớn. 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Chương 1 là tổng quan về ngôi nhà thông minh, về sự phổ biến và các ưu điểm vượt trội của nó so với nhà truyền thống nhờ tự động điều khiển các điều kiện và kiểm soát các chỉ tiêu về nhiệt độ, thông gió, an ninh,vv… Khác với nhà truyền thống, nhà thông minh được tích hợp các chức năng và điều khiển hệ thống một cách tự động thông qua bộ xử lý trung tâm, với khả năng điều khiển,giám sát các thiết bị và kiểm soát trạng thái của ngôi nhà. Tuy nhiên ở Việt Nam, việc nhân rộng mô hình nhà thông minh vẫn còn gặp phải nhiều trở ngại do nhiều yếu tố ảnh hưởng. Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM,TIN NHẮN SMS VÀ MODULE SIM 900A, sẽ nêu ra những điều cần biết về nền tảng sự phát triển và vận hành của ngôi nhà thông minh. Giúp người đọc hiểu hơn về mô hình này và cách vận hành của nó. 19 Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM,TIN NHẮN SMS VÀ MODULE SIM 900A 2.1 Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM 2.1.1 Đặc điểm của công nghệ GSM Công nghệ GSM Có một số đặc điểm cơ bản như sau: - 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 độ hiện hành lên đến 9600 bps. - Tính phủ sóng cao: Công nghệ GSM không chỉ cho phép chuyển giao trong toàn mạng mà còn chuyển giao giữa các mạng GSM trên toàn cầu mà không có một sự thay đổi, điều chỉnh nào. Đây là một tính năng nổi bật nhất của công nghệ GSM(dịch vụ roaming). - 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 850/900AMhz và tối đa là 1 watts đối với băng tần GSM 1800/900AMhz. - 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). 2.1.2 Cấu trúc của mạng GSM Hình 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). 20 - Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem). - Trạm di động MS (Mobile Station). 2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS 2.2.1 Giới thiệu về sms SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tín 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 lí tự latin chẳng hạn như các lí 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 gữi 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 :