Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển bằng SMS

Tài liệu đồ án thiết kế mạch cân bằng nhiệt độ và điều khiển từ xa bằng SMS. Phân tích chi tiết vi điều khiển PIC16F887, module SIM900A và lệnh AT.

• Tác giả: Lê Tấn Vàng
• Người hướng dẫn: Trần Thị Trà Vinh
• Trường học: Cao đẳng CNTT Hữu Nghị Việt – Hàn
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mạch Cân Bằng Nhiệt Độ và Điều Khiển qua SMS

Đồ án mạch cân bằng nhiệt độ và điều khiển qua SMS là một dự án điện tử hiện đại kết hợp công nghệ IoT và viễn thông. Dự án này cho phép giám sát và điều chỉnh nhiệt độ từ xa thông qua tin nhắn SMS, áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp và gia dụng. Hệ thống này cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí, không yêu cầu kết nối internet, và có khả năng hoạt động trong môi trường khó khăn.

1.1. Định Nghĩa và Mục Đích Dự Án

Mạch cân bằng nhiệt độ là hệ thống tự động duy trì nhiệt độ ở mức ổn định thông qua các cảm biến và bộ điều khiển. Mục đích chính là tạo ra một giải pháp điều khiển từ xa hiệu quả, cho phép người dùng thay đổi cài đặt nhiệt độ mà không cần có mặt tại hiện trường. Ứng dụng công nghệ SMS giúp hệ thống hoạt động trên bất kỳ điện thoại nào.

1.2. Ý Nghĩa Thực Tiễn và Ứng Dụng

Dự án này mang lại nhiều lợi ích thực tiễn như tiết kiệm năng lượng, tăng hiệu suất sản xuất, và cải thiện chất lượng sản phẩm. Được ứng dụng trong tủ lạnh công nghiệp, hệ thống sưởi ấm, kho lạnh, và các thiết bị bảo quản hàng hóa. Đây là bước tiến quan trọng trong tự động hóa và quản lý tài nguyên hiện đại.

II. Cấu Trúc và Các Thành Phần Chính của Hệ Thống

Hệ thống mạch cân bằng nhiệt độ bao gồm các thành phần cơ bản như cảm biến nhiệt độ, vi điều khiển, module GSM/SMS, và các thiết bị thực thi. Cảm biến đo lường nhiệt độ môi trường, dữ liệu được gửi tới vi điều khiển để xử lý. Module GSM cho phép hệ thống gửi và nhận tin nhắn SMS từ người dùng, từ đó điều chỉnh các thiết bị làm nóng hoặc làm lạnh tự động.

2.1. Cảm Biến Nhiệt Độ Temperature Sensor

Cảm biến nhiệt độ như DS18B20 hoặc LM35 được sử dụng để đo lường nhiệt độ chính xác. Các cảm biến này có độ chính xác cao, phạm vi đo rộng, và dễ kết nối với vi điều khiển. Dữ liệu từ cảm biến được gửi liên tục để kiểm soát trạng thái hệ thống, đảm bảo nhiệt độ luôn trong giới hạn cho phép.

2.2. Vi Điều Khiển và Module GSM

Vi điều khiển Arduino hoặc PIC được sử dụng xử lý dữ liệu từ cảm biến và ra quyết định điều khiển. Module GSM SIM800L cho phép gửi/nhận SMS, kết nối mạng di động. Kết hợp hai thành phần này tạo thành trái tim của hệ thống, cho phép giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả.

2.3. Thiết Bị Thực Thi và Cấp Nguồn

Relay, transistor hoặc MOSFET điều khiển các thiết bị làm nóng/lạnh. Pin hoặc adapter cấp nguồn ổn định cho toàn bộ hệ thống. Các thành phần này đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và an toàn, với khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa các chế độ.

III. Nguyên Tắc Hoạt Động của Mạch Cân Bằng Nhiệt Độ qua SMS

Hệ thống hoạt động theo chu trình liên tục: cảm biến đo nhiệt độ, vi điều khiển nhận dữ liệu và so sánh với giá trị đặt sẵn. Nếu vượt ngưỡng, hệ thống bật thiết bị điều chỉnh. Người dùng có thể gửi lệnh SMS để thay đổi giá trị đặt sẵn, tra cứu trạng thái hiện tại, hoặc bật/tắt hệ thống từ xa. Module GSM nhận tin nhắn, vi điều khiển xử lý lệnh và gửi phản hồi.

3.1. Quy Trình Giám Sát và Phản Hồi Tự Động

Cảm biến liên tục theo dõi nhiệt độ và gửi dữ liệu tới vi điều khiển mỗi giây. Vi điều khiển so sánh nhiệt độ hiện tại với giá trị mục tiêu, nếu lệch quá 2-5°C sẽ bật/tắt thiết bị thích hợp. Quá trình này tạo nên chu kỳ phản hồi tự động, duy trì nhiệt độ ổn định mà không cần can thiệp thủ công, tiết kiệm điện năng hiệu quả.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển qua SMS

Người dùng gửi SMS với các lệnh như 'SET 25' để đặt nhiệt độ 25°C, hoặc 'STATUS' để kiểm tra trạng thái. Module GSM nhận tin, vi điều khiển giải mã lệnh và thực thi. Hệ thống gửi SMS phản hồi xác nhận hoặc thông báo lỗi. Phương pháp này đơn giản, tiết kiệm chi phí data, và hoạt động trên tất cả điện thoại.

IV. Lợi Ích và Triển Vọng Phát Triển của Dự Án

Đồ án này mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí vận hành, tăng hiệu suất, và cải thiện an toàn. Không yêu cầu kết nối internet, tiết kiệm chi phí hơn IoT truyền thống. Triển vọng phát triển bao gồm tích hợp nhiều cảm biến (độ ẩm, áp suất), lưu trữ dữ liệu, và ứng dụng AI để dự báo xu hướng. Dự án này là nền tảng tốt cho các nghiên cứu về tự động hóa và điều khiển từ xa.

4.1. Ưu Điểm Nổi Bật của Hệ Thống

Hệ thống có độ tin cậy cao, chi phí thấp, dễ lắp đặt, và không phụ thuộc vào kết nối Internet. SMS hoạt động trong hầu hết các vùng sóng di động, đảm bảo điều khiển luôn khả dụng. Tiêu thụ điện năng thấp, phù hợp với các ứng dụng dài hạn. Giao diện SMS đơn giản, dễ học và sử dụng cho mọi lứa tuổi.

4.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Triển vọng phát triển bao gồm thêm AI để dự đoán, tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng. Tích hợp app mobile, dashboard web để giám sát trực quan. Mở rộng thêm cảm biến như độ ẩm, CO2. Ứng dụng blockchain cho quản lý dữ liệu an toàn. Hệ thống này là nền tảng mạnh cho nghiên cứu tự động hóa thông minh tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về mạng GSM và dịch vụ nhắn tin qua mạng SMS Chương 2: Vi điều khiển PIC16F887 Chương 3: Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS. Chương 4: Kết quả đạt được của hệ thống SVTH: Lê Tấn Vàng_Lớp: CCVT06A 1 Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG GSM VÀ DỊCH VỤ NHẮN TIN NHẮN SMS 1. TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM 1. Giới thiệu về hệ thống thông tin di động GSM GSM (Global System for Mobile communication) là hệ thống thông tin di động số toàn cầu, là công nghệ không dây thuộc thế hệ 2G (second generation) có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền giọng nói và chuyển giao dữ liệu chất lượng cao với các băng tần khác nhau: 400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz và 1900Mhz, được tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) quy định.

GSM là một hệ thống có cấu trúc mở nên hoàn toàn không phụ thuộc vào phần cứng, người ta có thể mua thiết bị từ nhiều hãng khác nhau. Do nó hầu như có mặt khắp mọi nơi trên thế giới nên khi các nhà cung cấp dịch vụ thực hiện việc ký kết roaming với nhau nhờ đó mà thuê bao GSM có thể dễ dàng sử dụng máy điện thoại GSM của mình bất cứ nơi đâu. Mặt thuận lợi to lớn của hệ thống GSM là ngoài việc truyền âm thanh với chất lượng cao còn cho phép thuê bao sử dụng các cách giao tiếp khác rẻ tiền hơn đó là tin nhắn SMS. Ngoài ra để tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ thì hệ thống GSM được xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên nó dễ dàng kết nối các thiết bị khác nhau từ các nhà cung cấp thiết bị khác nhau.

Nó cho phép nhà cung cấp dịch vụ đưa ra tính năng roaming cho thuê bao của mình với các mạng khác trên toàn thế giới. Và hệ thống GSM cũng phát triển thêm các tính năng truyền dữ liệu như GPRS và sau này truyền với tốc độ cao hơn sử dụng EDGE. GSM hiện chiếm 85% thị trường di động với 2,5 tỷ thuê bao tại 218 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 ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới.2 Đặc điểm của hệ thống thông tin di động GSM - Cho phép gởi và nhận những mẫu tin nhắn văn bản bằng kí tự dài đến 126 kí tự.

- Cho phép chuyển giao và nhận dữ liệu, FAX giữa các mạng GSM với tốc độ hiện hành lên đến 9. - Tính phủ sóng cao: Hệ thống GSM không chỉ cho phép chuyển giao trong toàn SVTH: Lê Tấn Vàng_Lớp: CCVT06A 2 Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS 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 hệ thống 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 850/900Mhz 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).3 Cấu trúc của hệ thống thông tin di động GSM 1.1 Cấu trúc tổng quát Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống thông tin di động 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).2 Các thành phần của hệ thống thông tin di động GSM Hình 1.2 Các thành phần hệ thống GSM SVTH: Lê Tấn Vàng_Lớp: CCVT06A 3 Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS AUC: Trung tâm nhận thực. VLR: Bộ ghi định vị tạm trú. HLR: Bộ ghi định vị thường trú. EIR: Bộ ghi nhận dạng thiết bị.

MSC: Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ mạng. 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 dịch vụ tích hợp.

OMC: Trung tâm khai thác và bảo dưỡng.4 Sử phát triển của hệ thống thông tin di động ở Việt Nam Hệ thống GSM đã vào Việt Nam từ năm 1993. Hiện, ba nhà cung cấp di động hệ thống GSM lớn nhất của Việt Nam là VinaPhone, MobiFone và Viettel Mobile, 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 hệ thống 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. TỔNG QUÁT VỀ TIN NHẮN SMS 1.1 Giới thiệu về SMS SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một công nghệ cho phép gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau. SMS xuất hiện đầu tiên ở Châu âu SVTH: Lê Tấn Vàng_Lớp: CCVT06A 4 Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS vào năm 1991.

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 ký tự nếu như mã hóa ký tự 7 bit được sử dụng (mã hóa ký tự 7 bit thì phù hợp với mã hóa các ký tự latin chẳng hạn như các ký tự alphabet của tiếng Anh).

+ 70 ký tự nếu như mã hóa ký tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (các tin nhắn SMS không chứa các ký tự latin như ký tự chữ Trung Quốc phải sử dụng mã hóa ký 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: - Các tin nhắn SMS có thể được gửi và đọc tại bất kỳ thời điểm nào. 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 đang tắt nguồn. Nếu như không chắc cho một cuộc gọi nào đó thì bạn có thể gửi một tin nhắn SVTH: Lê Tấn Vàng_Lớp: CCVT06A 5 Thiết kế mạch tự động cân bằng nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua tin nhắn SMS 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, thự 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. Nói như vậy là do: Thứ nhất, tin nhắn SMS được hỗ trợ 100% bởi các điện thoại có sử dụng hệ thống 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.