Tài liệu Thiết kế và chế tạo mạch giám sát gồm các tính năng cơ bản

UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH GIÁM SÁT GỒM CÁC TÍNH NĂNG CƠ BẢN Mã số đề tài: SV2015 - 28 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện tử - Viễn thông Chủ nhiệm đề tài: Phạm Ngọc Nam Thành viên tham gia: 1. Phan Thị Ngọc Hà Giáo viên hướng dẫn: ThS. Trần Minh Nhật Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016 I UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH GIÁM SÁT GỒM CÁC TÍNH NĂNG CƠ BẢN Mã số đề tài: SV2015 - 28 Xác nhận của Khoa (ký, họ tên) Giáo viên hướng dẫn (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2016 II MỤC LỤC BẢN TÓM TẮT ............................................................................................................. V DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... VII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ VIII THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................................9 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................10 1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................................10 2. Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................11 3. Mục tiêu đề tài ...........................................................................................................11 4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu ............................................................................11 5. Đối tượng và phạm vị nghiên cứu .............................................................................12 6. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................12 7. Nội dung và bố cục của đề tài ...................................................................................12 8. Kết luận......................................................................................................................12 CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT ...................13 1.1. Mô hình tổng quát của hệ thống .............................................................................13 1.2. Khối nhà trạm .........................................................................................................14 1.3. Khối quản lý nhà trạm ............................................................................................15 1.4. Khối quản lý trung tâm ...........................................................................................19 1.5. Mô hình hệ thống ....................................................................................................20 1.6. Kết luận...................................................................................................................20 CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ CẢM BIẾN VÀ SƠ ĐỒ MẠCH GIÁM SÁT .............21 2.1. Các thiết bị chính của mạch: ..................................................................................21 2.1.1. Mạch phát triển STM32F4-DISCOVERY ......................................................21 2.1.2. Cảm biến nhiệt DS18B20 ................................................................................25 2.1.3. Module cảm biến chuyển động ........................................................................26 2.1.4. Thiết bị báo cháy và chip LM393 ....................................................................27 2.1.5. Module cảm biến khí gas: ................................................................................30 2.1.6. Module ethernet DP83848 ...............................................................................31 2.2. Sơ đồ mạch giám sát và báo động ..........................................................................32 III 2.2.1. Sơ đồ mạch cảm biến nhiệt ..............................................................................32 2.2.2. Sơ đồ module cảm biến chuyển động: .............................................................33 2.2.3. Sơ đồ mạch điều khiển camera ........................................................................34 2.2.4. Sơ đồ mạch điều khiển đèn ..............................................................................35 2.2.5. Sơ đồ mạch cảm biến khói ...............................................................................35 2.2.6. Sơ đồ module cảm biến khí gas: ......................................................................37 2.2.7. Sơ đồ mạch báo động:......................................................................................37 2.3. Kết luận...................................................................................................................38 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG PHẦN MỀM QUẢN LÝ MẠCH GIÁM SÁT ..................39 3.1. Bộ công cụ lập trình nhúng Keil C .........................................................................39 3.2. Công nghệ .NET .....................................................................................................42 3.2.1. Cấu trúc .NET FrameWork ..............................................................................42 3.2.1.1. Common Language Runtime ....................................................................42 3.2.1.2. NET FRAMEWORK CLASS LIBRARY ...............................................45 3.2.1.3. Sơ lược về NAMESPACE ........................................................................45 3.2.2. Lập trình socket ...............................................................................................46 3.3. Kết luận...................................................................................................................48 CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................49 4.1. Khối nhà trạm .........................................................................................................49 4.2. Khối quản lý nhà trạm ............................................................................................50 4.3. Khối quản lý trung tâm ...........................................................................................52 4.4. Kết luận...................................................................................................................54 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................55 5.1. Kết quả đạt được .....................................................................................................55 5.2. Kiến nghị ................................................................................................................56 5.2.1. Áp dụng thực tế ................................................................................................56 5.2.2. Hướng phát triển ..............................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................57 PHỤ LỤC ......................................................................................................................58 IV BẢN TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH GIÁM SÁT GỒM CÁC TÍNH NĂNG CƠ BẢN Mã số: SV2015 – 28 1. Vấn đề nghiên cứu (vấn đề, tính cấp thiết) Điện tử - viễn thông là ngành kỹ thuật mũi nhọn, hiện đại, sử dụng những công nghệ tiên tiến để thiết kế, chế tạo nên các hệ thống, thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của sản xuất cũng như đời sống. Vì vậy việc áp dụng khoa học kỹ thuật để xây dựng một hệ thống giám sát sẽ góp phần nâng cao tính bảo vệ và an toàn cho cuộc sống con người. 2. Mục đích nghiên cứu/mục tiêu nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Đề tài đặt ra và giải quyết những vấn đề về giám sát để có thể áp dụng khoa học kỹ thuật vào việc nâng cao sự an toàn trong cuộc sống và làm việc của con người. Mục tiêu nghiên cứu: Làm ra được mạch giám sát cho phép giám sát nhiệt độ, chuyển động, khí gas, khói. Xây dựng một phần mềm đơn giản cho phép giám sát tập trung nhiều mạch giám sát cùng lúc. 3. Nhiệm vụ/nội dung nghiên cứu/câu hỏi nghiên cứu Tìm hiểu các sơ đồ, thiết bị thích hợp đồng thời phân tích, đánh giá: Các nguy cơ có thể xảy đến trong quá trình sinh sống và làm việc của con người? Những giải pháp cụ thể, khả thi áp dụng lên trên mạch giám sát? Các công cụ để xây dựng nên một hệ thống giám sát hoàn chỉnh, thiết thực? 4. Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu các yêu cầu giám sát ngoài xã hội, nghiên cứu các cảm biến phục vụ cho yêu cầu giám sát, nghiên cứu các công cụ lập trình. V 5. Kết quả nghiên cứu (ý nghĩa của các kết quả) và các sản phẩm (Bài báo khoa học, phần mềm máy tính, quy trình công nghệ, mẫu, sáng chế…)(nếu có) Góp vào danh mục tài liệu tham khảo phục vụ công tác nghiên cứu thực tiễn và giảng dạy, học tập ở các cơ sở đào tạo của địa phương. Hệ thống này có thể được áp dụng giám sát tại các hộ gia đình, xưởng sản xuất và các phòng học, phòng thí nghiệm tại trường Đại Học Sài Gòn. VI DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các chân giao tiếp thiết bị của mạch STM32F4-DISCOVERY. ...................25 Bảng 2.2 Các tính năng của DP83848. ..........................................................................31 Bảng 3.1 Bảng ký tự đại diện của các lệnh trong các file script. ..................................41 Bảng 3.2 Các đối tượng dùng để lập trình socket trong C#. .........................................46 VII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Cụm từ đầy đủ Từ viết tắt API Application Programming Interface CLR Common Language Runtime FCL Framework Class Library HTML Hypertext Mark-up Language JIT Just-In-Time JVM Java Virtual Machine LAN Local Area Network MSIL Microsoft Intermediate Language TCP/IP Transmission Control Protocol / Internet Protocol VIII THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Chương 1: Cho chúng ta cái nhìn tổng quát về cơ chế hoạt động của hệ thống giám sát, hệ thống này gồm 3 khối chương trình chính, mỗi khối đảm nhiệm một số tính năng riêng, tuy nhiên chúng có liên lạc mật thiết với nhau trên nền tảng là giao thức TCP/IP để tạo nên một hệ thống giám sát thống nhất. Chương 2: Mạch giám sát là một là một hệ thống thống nhất gồm nhiều module, mỗi module giám sát một loại thiết bị riêng. Chương 2 mới chỉ giới thiệu về sơ đồ phần cứng của các module, để hoạt động mỗi module cần phải tích hợp chương trình tương ứng để điều khiển quá trình giám sát. Chương 3: Giới thiệu chi tiết về các công cụ lập trình được sử dụng để xây dựng nên hệ thống giám sát, các công cụ này bao gồm: cộng nghệ .NET(C#), Keil C. Mỗi công cụ được sử dụng cho từng mục đích cụ thể sau:  .Net(C#) được sử dụng để thiết kế chương trình cho server trung tâm nhằm quản lý các dữ liệu báo cáo từ các mạch giám sát.  Keil C dùng để viết các phần mềm nhúng cho các mạch giám sát. Chương 4: Các kết quả mà nhóm đạt được trong quá trình nghiên cứu bao gồm phần cứng mạch giám sát, trang web cài đặt các thông số của nhà trạm và chương trình giám sát mạch trên máy tính người dùng. 9 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Điện tử - viễn thông là ngành kỹ thuật mũi nhọn, hiện đại, sử dụng những công nghệ tiên tiến để thiết kế, chế tạo nên các hệ thống, thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của sản xuất cũng như đời sống. Trong thời đại bùng nổ thông tin hiện nay, các thiết bị và hệ thống điện tử viễn thông là thành phần cơ bản của hệ thống cơ sở hạ tầng và hầu hết chúng ta ai cũng sử dụng thiết bị hoặc hệ thống do ngành điện tử - viễn thông cung cấp. Chúng ta thấy rằng một khi cơ sở hạ tầng này gặp sự cố thì nó sẽ ảnh hưởng tới cuộc sống của chúng ta như thế nào. Ví dụ như sự cố cáp quang trên biển bị đứt thì lập tức việc truy cập các trang Web có máy chủ ở nước ngoài sẽ bị chậm, ảnh hưởng đến nhiều ngành, nhiều lĩnh vực kể cả về kinh tế, kĩ thuật và an ninh quốc phòng. Đời sống công nghệ hiện đại của con người không thể nào thiếu các thiết bị điện tử. Các thiết bị này phổ biến ở khắp các hộ gia đình, trong các thiết bị giải trí, trong nhà máy sản xuất và có thể nói là tất cả mọi nơi có con nguời. Hãy thử nhìn vào các thiết bị trong gia đình của chính bản thân mình, các thiết bị hiện đại nhất của gia đình đều đều bị chi phối bởi kỹ thuật điện tử. Lấy một ví dụ đơn giản nhất, một chiếc quạt điện bình dân thì chúng ta không thể hẹn giờ và tắt mở từ xa nhưng nếu có sự tham gia của kỹ thuật điện tử thì việc điều khiển từ xa, hẹn giờ tắt mở sẽ thực hiện một cách dễ dàng. Có thể nói kỹ thuật điện tử đã nâng các thiết bị phục vụ cho đời sống của con người lên một tầm cao mới, hiện đại hơn và tinh vi hơn. Nhưng ở đất nước vẫn còn đang phát triển như chúng ta, người dân vẫn chưa được phục vụ, được bảo vệ đúng mức bởi các hệ thống thiết bị hiện đại ấy. Qua những tin tức gần đây chúng ta thấy rằng rất nhiều vụ đột nhập, cướp của xảy ra và khi mà cuộc sống ngày nay gas là nhiên liệu đốt không thể thiếu trong mỗi gia đình, các nguy cơ cháy nổ luôn luôn thường trực, mối đe dọa về một thảm họa nào đó có thể xảy đến 10 bất cứ lúc nào. Những thảm họa ấy nếu không được cảnh báo và phát hiện kịp thời thì sẽ nguy hiểm đến tài sản và đe dọa lớn đến tính mạng của con người. Chính vì những lý do trên đồng thời cũng muốn áp dụng kiến thức kiến thức chuyên ngành đã học vào thực tiễn. Do đó, nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch giám sát gồm các tính năng cơ bản” với mục đích chính là tăng cường việc kiểm soát an ninh, an toàn trong đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người. 2. Tính cấp thiết của đề tài Nghiên cứu những vấn đề khoa học trong nội dung nghiên cứu, áp dụng các kiến thức đã học vào thực tiễn, giúp cũng cố kiến thức phục vụ cho quá trình phát triển đề tài tốt nghiệp sau này. 3. Mục tiêu đề tài Làm ra được mạch giám sát cho phép giám sát nhiệt độ, chuyển động, khí gas, khói. Xây dựng một phần mềm đơn giản cho phép giám sát tập trung nhiều mạch giám sát cùng lúc. 4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích: Đề tài đặt ra và giải quyết những vấn đề về giám sát để có thể áp dụng khoa học kỹ thuật vào việc nâng cao sự an toàn trong cuộc sống và làm việc của con người. Nhiệm vụ: Thứ nhất, tìm hiểu, đánh giá những nguy cơ mà con người có thể gặp phải trong môi trường sống và làm việc để đưa ra các thành phần cần thiết trong mạch giám sát mà nhóm sẽ thi công. Thứ hai, tìm hiểu các linh kiện, phần mềm, cách thức để xây dựng bản thiết kế phù hợp với kinh phí và tiêu chí đã được đặt ra ban đầu. Thứ ba, tiến hành thi công và thử nghiệm hệ thống giám sát để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn, hiệu quả khi đưa vào sử dụng. 11 5. Đối tượng và phạm vị nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Những thành phần cần phải có trong hệ thống của mạch giám sát cơ bản phù hợp với thực tế. Phạm vi nghiên cứu: Những linh kiện làm mạch giám sát và phần mềm cho phép giám sát tập trung nhiều mạch giám sát cùng lúc. 6. Phương pháp nghiên cứu 5.1. Nghiên cứu các yêu cầu giám sát ngoài xã hội. 5.2. Nghiên cứu các cảm biến phục vụ cho yêu cầu giám sát. 5.3. Nghiên cứu các công cụ lập trình. 7. Nội dung và bố cục của đề tài Nội dung đề tài được tổ chức thành các phần chính như sau: - Phần mở đầu: Trình bày lý do và mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát. - Chương 1: Mô hình hoạt động của hệ thống giám sát. - Chương 2: Các thiết bị cảm biến và sơ đồ mạch giám sát. - Chương 3: Hệ thống phần mềm quản lý mạch giám sát. - Chương 4: Các kết quả nghiên cứu. - Chương 5: Kết luận và kiến nghị. 8. Kết luận Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát có ý nghĩa rất quan trọng trong việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để tự động hóa quá trình giám sát, giúp nâng cao sự an toàn trong đời sống sinh hoạt và làm việc của con người. Có cơ hội áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn và chuẩn bị kinh nghiệm cho những đề tài sau này. Hơn nữa hoàn toàn có thể ứng dụng hệ thống giám sát cho các phòng thực hành, phòng học cũng như các phòng thí nghiệm của trường Đại học Sài Gòn. 12 CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GIÁM SÁT Chương này sẽ mô tả cụ thể các tính năng của các khối trong hệ thống và mối liện hệ giữa các khối này để hình thành nên một hệ thống giám sát hoàn chỉnh. 1.1. Mô hình tổng quát của hệ thống Hình 1.1 Mô hình tổng quát của hệ thống. Hệ thống được thiết kế theo 3 khối chúc năng cơ bản:  Khối nhà trạm.  Khối quản lý nhà trạm.  Khối quản lý trung tâm. Nguyên lý hoạt động  Khối nhà trạm liên tục cung cấp thông tin về hoạt động của mạch cho người dùng quan sát và có thể tự hoạt động theo chương trình đã được lập ra từ trước. 13  Theo định kỳ khối quản lý nhà trạm gởi các thông tin của nhà trạm về cho khối trung tâm.  Khối quản lý trung tâm sẽ tập hợp tất cả các thông tin của các nhà trạm để xử lý và gởi thông tin về cho chương trình giám sát trên máy tính của người dùng. 1.2. Khối nhà trạm Đây là mạch giám sát được thiết kế có nhiệm vụ tự thực hiện các chức năng đã được định ra từ trước và cung cấp thông tin hoạt động của mạch cho người dùng quan sát. Chức năng tự động điều khiển camera, đèn, báo động Bắt đầu Lấy thông tin từ các cảm biến chuyển động, khí gas, khói Sai Nếu có khí gas hoặc khói Nếu có chuyển động Đúng g Bật đèn và camera Sai Đúng g Bật báo động Kết thúc Hình 1.2 Sơ đồ xử lý việc điều khiển thiết bị. CODE: tham khảo tại phụ lục 1 (trang 58) 14 1.3. Khối quản lý nhà trạm Thiết kế theo cấu trúc độc lập có thể tự chạy cục bộ khi mất kết nối với trung tâm, khối này bao gồm chức năng cài đặt thông số, chức năng lấy thông tin trạng thái của các trạm giám sát, chức năng điều khiển các thiết bị camera, đèn, báo động… 1. Chức năng cho phép cài đặt các thông số của trạm như:  ID của trạm: là mã thiết bị giám sát dùng để phân biệt với các thiết bị giám sát khác.  Địa chỉ IP của máy tính trung tâm: là địa chỉ mạng của máy tính trung tâm dùng để giám sát các trạm, trạm khi khởi động sẽ sử dụng địa chỉ này để kết nối vào trung tâm và định kỳ gởi các thông số trạng thái của trạm về trung tâm.  Subnet mask: dùng để phân chia về mặc logic địa chỉ IP.  Cổng truy cập của server trung tâm: là cổng kết nối của máy tính trung tâm.  Địa chỉ máy trạm: là địa chỉ IP của máy trạm.  Địa chỉ gateway: là địa chỉ máy tính để giao tiếp với mạng bên ngoài.  Địa chỉ DNS server: là địa chỉ máy tính để phân giải tên miền.  Password: mật khẩu để truy xuất vào các trang web hệ thống của mạch giám sát.  Retyped: mật khẩu nhập lại để đối sánh với mật khẩu khi thực hiện việc thay đổi mật khẩu. Đây là tính năng dạng trang web được nhúng trong bộ xử lý ARM. 15 Bắt đầu Para= lấy thông số từ trang web Nếu para là LocalIP Đúng Ghi vào hệ thống S ai Nếu para là Port Đúng Ghi vào hệ thống Đúng Ghi vào hệ thống Đúng Ghi vào hệ thống Đúng Ghi vào hệ thống Đúng Ghi vào hệ thống Đúng Ghi vào hệ thống S ai Nếu para là S erverIP S ai Nếu para là S ubnet Mask S ai Nếu para là Gateway S ai Nếu para là DNSS erver S ai Nếu para là ID Nếu para là pass Đúng Lưu vào biến pass1 Đúng S sánh với pass1 o S ai Nếu para là retyped S ai Ghi vào hệ thống S ai Kết thúc Đúng Lưu thông tin lỗi vào file log Hình 1.3 Sơ đồ xử lý việc cài đặt các thông số của trạm. CODE: tham khảo tại phụ lục 2 (trang 58) 16 2. Chức năng lấy thông tin: cho phép lấy thông tin về nhiệt độ, báo khói, chuyển động, khí gas,... Đây là chức năng được thực hiện định kỳ sau mỗi 5 giây. Bắt đầu Nhiệt= lấy thông tin nhiệt độ từ cảm biến nhiệt Chuyển đổi thông tin sang dạng mảng Gán mã số tương ứng cho thiết bị Đưa thông tin này vào mảng chung Khói= lấy thông tin khói từ cảm biến khói Chuyển đổi thông tin sang dạng mảng Gán mã số tương ứng cho thiết bị Đưa thông tin này vào mảng chung 17 Chuyển động= lấy thông tin từ cảm biến chuyển động Chuyển đổi thông tin sang dạng mảng Gán mã số tương ứng cho thiết bị Đưa thông tin này vào mảng chung Khí gas= lấy thông tin từ cảm biến khí gas Chuyển đổi thông tin sang dạng mảng Gán mã số tương ứng cho thiết bị Đưa thông tin này vào mảng chung Tạo gói tin với phần data là mảng chung và gởi tới máy tính trung tâm Kết thúc Hình 1.4 Sơ đồ xử lý việc lấy thông tin trạng thái của các cảm biến. CODE: tham khảo tại phụ lục 3 (trang 60) 18 1.4. Khối quản lý trung tâm Khối này quản lý tất cả các đối tượng cần giám sát trên máy tính với giao diện thân thiện, dễ sử dụng, khối này gồm các chức năng sau: Chức năng nhận trạng thái từ máy trạm và gởi thông tin về trang web người dùng. Bắt đầu Nhận chuỗi dữ liệu từ trạm Chuyển chuổi dữ liệu sang dạng biến cố Phát sinh biến cố ControlStateEvent Message= lấy gói tin từ biến cố ControlStateEvent Nếu giờ trong gói tin trùng khớp với giờ của hệ thống Sai Lưu thông tin lỗi vào file log Đúng Ghi thông tin vào CSDL Gởi gói tin cập nhật trạng thái cho những nút trạng thái trên giao diện web Kết thúc Hình 1.5 Sơ đồ xử lý gói tin thông báo trạng thái thiết bị. CODE: tham khảo tại phụ lục 4 (trang 62) 19 1.5. Mô hình hệ thống Mô hình kết nối của hệ thống trên nền tảng TCP/IP: Hình 1.6 Hệ thống có sử dụng camera giám sát. 1.6. Kết luận Chương 1 cho chúng ta cái nhìn tổng quát về cơ chế hoạt động của hệ thống giám sát, hệ thống này gồm 3 khối chương trình chính, mỗi khối đảm nhiệm một số tính năng riêng, tuy nhiên chúng có liên lạc mật thiết với nhau trên nền tảng là giao thức TCP/IP để tạo nên một hệ thống giám sát thống nhất. 20