Thiết kế bộ điều khiển thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS (Designed controller device in the home by SMS)

Tóm tắt:
Bài báo này trình bày về thiết kế bộ điều khiển thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS. Nhờ vào khả năng xử lý mềm dẻo của vi điều khiển AVR và những tiện ích của mạng điện thoại di động mà ta có thể xây dựng một thiết bị điều khiển linh hoạt, hoạt động ổn định, tin cậy. Với lợi thế không giới hạn về khoảng cách (ở đâu có phủ sóng điện thoại là có thể sử dụng được thiết bị này) nên ta có thể điều khiển được các thiết bị ở lúc, mọi nơi.
Từ khóa: Vi điều khiển ATMega 16, Modul Sim 900,
Abstract:
This paper presents the design of the controller device in the home by SMS. Thanks to the flexible processing capabilities of AVR microcontrollers and the utility of the mobile phone network that we can build a flexible control unit , operational stability and reliability. With unlimited advantage of distance (where there is phone coverage can use this device) so you can control the device from anywhere and anytime.
Keyword: ATMega 16, Modul Sim 900,
1. Đặt vấn đề
Ngày nay điện thoại không thể thiếu với mỗi chúng ta và ngày càng có nhiều ứng dụng ngoài việc nghe và gọi điện như vào mạng internet, thanh toán các hóa đơn điện tử, chuyển khoản… Trước đây để điều khiển bật hay tắt một thiết bị trong nhà ta phải trực tiếp tác động bằng tay hoặc sử dụng các bộ điều khiển từ xa thông dụng sử dụng sóng RF. Tuy nhiên các phương pháp này chỉ cho phép điều khiển các thiết bị trong pham vi hẹp.  Với sự phát triển của ngành chế tạo linh kiện điện tử cho phép chúng ta có thể tích hợp được nhiều tính năng vào một vi mạch để giao tiếp, kết nối nhiều thiết bị với nhau. Mục tiêu của nghiên cứu trong bài báo này là ứng dụng công nghệ vi điều khiển để thiết kế ra một bộ điều khiển thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS, điều khiển được thiết bị mà không bị giới hạn về khoảng cách. Hai Modul chính được sử dụng trong mạch là AVR và SIM 900.  
AVR là vi điều khiển 8 bit với tiêu thụ điện năng thấp dựa trên cấu trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer). Vào ra Analog – digital và ngược lại. Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1Mhz. AVR cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.
SIM 900 là một module GSM/GPRS cực kỳ nhỏ gọn, được thiết kế như một điện thoại thu nhỏ. SIM900 hoạt động được ở 4 băng tần GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz và PCS 1900MHz như là một loại thiết bị đầu cuối, có thể truyền thông được với các thiết bị khác thong qua các cổng truyền thông
Việc sử dụng các Modul AVR và SIM900 cho phép người thiết kế:
·        Chế tạo các thiết bị gọn nhẹ do các Modul đều được tích hợp rất nhiều khối chức năng tương tự và chức năng số nên ít cần tới các khối chức năng ngoại vi,
·        Các đặc tính trên cũng cho phép mạch hoạt động tiết kiệm năng lượng do ít bị tổn thất trên các IC ngoài cũng như trên các phần tử điện trở trong các khối analog ngoài,
·        Đơn giản hóa được quá trình thiết kế do các thông số của các mạch chức năng như: các tần số cơ bản của các mạch lọc, các hệ số khuếch đại, tần số lấy mẫu, tốc độ truyền thông,... đều có thể được điều chỉnh “mềm” ngay cả khi Modul đang hoạt động nên rất thuận tiện và chính xác.
2. Phân tích hệ thống
 Để hệ thống hoạt cần thiêt lập số điện thoại, nội dung tin nhắn phản hồi, xóa tin nhắn rác, sau đó lưu các nội dung đã thiết lập. Sơ đồ khối chức năng cơ bản của thiết bị được trình bày trên hình 1.

Hình 1. Sơ đồ khối của thiết bị

Khi có tin nhắn đến Vi điều khiển đọc nội dung tin nhắn từ Module sim900. Nếu nội dung tin nhắn trùng khớp với một trong các tín nhắn đã lưu khi thiết lập thì vi điều khiển sẽ thực hiện các lệnh tương ứng để đóng, ngắt các rơle (các thiết bị) đồng thời truyền tín hiệu điều khiển module sim900 gửi tin nhắn phản hồi đến số điện thoại đã lưu để báo thiết bị đã được bật hoặc tắt. Sau đó tin nhắn đến sẽ được xóa để chờ tin nhắn điều khiển tiếp theo. Nếu nội dung tin nhắn không hợp lệ cũng sẽ được xóa bỏ để tránh vị tràn bộ nhớ. Quá trình truyền nhận được thực hiện thông qua khối giao tiếp. Quá trình giáo tiếp với điện thoại được thực hiện thông qua khối module Sim 900 và mạng điện thoại

AVR16 có tập lệnh phong phú, với 32 thanh ghi làm việc chung với nhau. Tất cả 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép 2 thanh ghi truy cập độc lập trong một chỉ lệnh đơn trong một chu kỳ xung nhịp. Kiểu cấu trúc này cho phép đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC (Complex Instruction Set Computer) thông thường. AVR có 40 chân I/O và các chân chức năng khác như hình 2.

Hình 2. Sơ đồ chân của ATmega16

AVR được hỗ trợ nhiều trình biên dịch đặc biệt là trình dịch C đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là CodeVisionAVR C. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng có sẵn.

Chuẩn RS232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) do đó tín hiệu tryền được xa hơn. Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch. Chuẩn RS232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps.

Hình 3. Sơ đồ kết nối VĐK với máy tính

Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE và DCE. Việc trao đổi tín hiệu thông thường qua 2 chân RxD (nhận) và TxD (truyền). Các tín hiệu còn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake).
Vì tín hiệu cổng COM không tương thích với điện áp TTL, nên để giao tiếp vi điều khiển với máy tính qua cổng COM phải qua một vi mạch biến đổi Max232 để phù hợp với mức TTL như hình 3.

Sim 900 là thiết bị truyền thông được sử rụng rộng rãi để giao tiếp theo phương thức SMS. Tín hiệu làm việc chuẩn TTL nên kết nối với VĐK dễ dàng.Sim 900 có khả năng kết nối với mạng điện thoại khi được lắp sim và quản lý dữ liệu như một điện thoại thu nhỏ : Quản lý danh bạ, tin nhắn SMS, gọi thoại, kết nối GPRS vì vậy không giới hạn khoảng cách truyền tin (có sóng điện thoại là có thể sử dụng Sim 900). Các chân vào ra dữ liệu được thể hiện như hình 4. Chúng ta có thể lập trình để điều khiển Sim 900 bằng lênh tập lệnh AT.

Hình 4. Sơ đồ chân của Sim 900

 
Hình 5. Sơ đồ khối nguồn

Nguồn cấp VĐK và Rơle: Khối nguồn sử dụng nguồn 9VAC qua ic ổn áp 7805 tạo nguồn 5Vvà được lọc bởi tụ sau đó được cấp cho Atmega16 và các khối khác.
Khối nguồn 12V được đưa tới chỉnh
lưu và lọc bởi tụ được đưa tới khối rơ le
để thực hiện đóng/mở rơle và module sim 900.

 Các kết quả nghiên cứu trên đã được thiết thể hiện trên các hình 6 là mạch điện thực tế và hình 7 là giao diện điều khiển và cài đặt hệ thống.

Hình 7. Giao diện điều khiển và cài đặt hệ thống

Từ kết quả 10 lần thử nghiệm như trên bảng 1 cho thấy hệ thống đã hoạt động tốt và ổn định tại các môi trường khác nhau. Tuy nhiên với những môi trường bị che khuất, gần các nhà cao tầng thì thời gian đáp ứng sẽ lâu hơn so với những môi trường thông thoáng, không có các vật cản và ảnh hưởng của các loại nhiễu khác.....
6. Kết luận và hướng phát triển
Bài báo đã trình bày về một thiết kế mạch đo sử dụng Modul AVR và SIM900 điều khiển thiết bị trong nhà bằng tin nhắn SMS. Nhờ vào khả năng tích hợp chức năng lớn của các Modul mà thiết bị khá nhỏ gọn đồng thời các thông số của mạch có thể được điều chỉnh dễ dàng mà không cần can thiệp lại tới phần cứng. Cần nhấn mạnh rằng với thiết kế hiện tại thì các Modul vẫn chưa phải sử dụng hết tài nguyên, vì vậy nếu có nhu cầu thì thiết bị vẫn có thể tiếp tục được bổ sung chức năng mà không cần thiết phải tăng kích thước bên ngoài cũng như thay đổi lại đáng kể thiết kế mạch.
Dự kiến có thể bổ sung các chức năng khác cho thiết bị như: Cảnh báo an ninh, Quản lý và sử dụng tiết kiệm điện năng, bổ sung chức năng tự động phân tích nhiệt độ trong phòng phục vụ cho cảnh báo sớm trong phòng cháy và chữa cháy….