MỞ ĐẦU Đối với các nƣớc phát triển, việc nghiên cứu và triển khai ứng dụng hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa theo xu hƣớng tự động hóa đạt nhiều kết quả rất khả quan. Tại Việt Nam, mặc dù đã có những xu hƣớng tự động hóa quá trình điều khiển các thiết bị điện từ xa bằng cách sử dụng tin nhắn SMS, xong cho tới thời điểm này quy trình tự động hóa vẫn còn rời rạc, đơn lẻ, chƣa thành hệ thống. Với những luận cứ trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG TIN NHẮN SMS VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC CƠ ĐIỆN TỬ” với mục đích thiết kế, chế tạo một hệ thống điều khiển thiết bị điện từ xa bằng tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu tự động hóa quá trình điều khiển. Việc sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị điện có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, có tính cơ động cao (ở đâu có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể điều khiển thiết bị đƣợc).
Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tƣợng khác nhau trong dân dụng cũng nhƣ trong công nghiệp. Hệ thống bao gồm một mô-đun điều khiển trung tâm (Master) và các mô-đun điều khiển tầng (Slave) với mạng giao tiếp truyền thông RS485 Modbus-RTU, mô-đun công suất để điều khiển đóng/ngắt các thiết bị điện. Cấu trúc luận văn bao gồm 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 2: Thiết kế và thi công phần cứng hệ thống Chƣơng 3: Thiết kế phần mềm điều khiển Chƣơng 4: Thử nghiệm hệ thống và đánh giá kết quả Để thực hiện đề tài luận văn tác giả đã chọn phƣơng pháp tham khảo tài liệu, tƣ liệu, trao đổi ý kiến với các đồng nghiệp để thống kê, phân tích, thiết kế hệ thống; thử nghiệm và đánh giá kết quả với mục tiêu là lựa chọn đƣợc mô hình hệ thống tự động điều khiển thiết bị điện từ xa thích hợp có thể ứng dụng trong điều khiển thực tế. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1.
Công nghệ mạng cơ sở 1. Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM GSM là một chuẩn toàn cầu cho viễn thông kỹ thuật số; là công nghệ không dây thuộc thế hệ 2G có cấu trúc mạng tế bào, cung cấp dịch vụ truyền âm thanh và chuyển giao dữ liệu chất lƣợng cao với các băng tần khác nhau (400Mhz, 900Mhz, 1800Mhz, 1900Mhz) và đƣợc Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) quy định. Công nghệ GSM cho phép các thuê bao sử dụng phƣơng thức giao tiếp với chi phí thấp hơn đó là dịch vụ tin nhắn SMS. Ngoài ra, công nghệ GSM đƣợc xây dựng trên cơ sở hệ thống mở nên có thể dễ dàng kết nối thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau.
Cấu trúc mạng GSM Cấu trúc cơ bản của mạng GSM đƣợc mô tả nhƣ Hình 1.1 dƣới đây: Giao diện Um Giao diện Abis Giao diện A OMC MS HLR BSS VLR TRX MS AuC BSC MSC BTS NSS MS EIR PSTN Hình 1. Cấu trúc tổng quan mạng GSM Hệ thống GSM đƣợc chia thành hệ thống chuyển mạch (NSS), hệ thống trạm gốc (BSS) và trạm di động (MS). Mạng GSM đƣợc thực hiện nhƣ một mạng gồm nhiều ô vô tuyến đặt cạnh nhau để cùng đảm bảo toàn bộ vùng phục vụ đƣợc phủ sóng. Mỗi ô có một trạm vô tuyến gốc (BTS) làm việc ở một tập hợp các kênh vô tuyến.
Các kênh này khác với các kênh đƣợc sử dụng ở các ô lân cận để tránh hiện tƣợng nhiễu giao thoa. Một bộ điều khiển trạm gốc (BSC) điều khiển một nhóm BTS. Chức năng chuyển giao và điều khiển công suất đƣợc điều khiển bởi các BSC. Một trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động (MSC) điều khiển một số BSC.
Ngoài ra, MSC 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com còn điều khiển các cuộc gọi đến và từ mạng chuyển mạch điện thoại công cộng (PSTN), mạng số liên kết đa dịch vụ (ISDN), mạng di động mặt đất công cộng (PDN) và các mạng riêng khác. Trạm di động MS Trạm di động (MS) có thể là thiết bị đặt trong ôtô, thiết bị xách tay hay cầm tay. Thiết bị cầm tay là loại thiết bị trạm di động phổ biến nhất. Ngoài chức năng xử lý vô tuyến chung và giao diện vô tuyến, MS còn phải cung cấp giao diện với ngƣời sử dụng (micro, loa, màn hiển thị, bàn phím để quản lý cuộc gọi) hoặc giao diện với một số các thiết bị khác (giao diện với máy tính cá nhân, FAX).
Hiện nay các nhà sản xuất đang cố gắng sản xuất các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để đấu nối với trạm di động. Quá trình lựa chọn các thiết bị đầu cuối hãy còn để mở cho các nhà sản xuất. Các chức năng chính của MS: - Kết nối trạm di động thực hiện các chức năng liên quan đến truyền dẫn ở giao diện vô tuyến. - Bộ thích ứng đầu cuối làm việc nhƣ một cửa nối thông thiết bị đầu cuối với kết nối di động.
Cần sử dụng bộ thích ứng đầu cuối khi giao diện ngoài trạm di động tuân theo tiêu chuẩn ISDN để đấu nối đầu cuối. Hệ thống trạm cơ sở BSS Có thể nói, BSS là một hệ thống các thiết bị đặc thù riêng cho các tính chất tổ ong vô tuyến của GSM. Hệ thống BSS giao diện trực tiếp với các trạm di động thông qua giao diện vô tuyến. Vì thế nó bao gồm các thiết bị phát và thu đƣờng truyền vô tuyến và quản lý các chức năng này.
Mặt khác, BSS thực hiện giao diện với các tổng đài NSS. Nhƣ vậy, hệ thống BSS thực hiện chức năng kết nối các MS với tổng đài và nhờ vậy sẽ kết nối những ngƣời sử dụng các trạm di động với những ngƣời sử dụng mạng viễn thông khác. BSC BSC BSC Chain Ring Star Hình 1. Sơ đồ đấu nối BSS Trạm thu phát cơ sở BTS Một trạm BTS bao gồm các bộ thu phát và xử lý tín hiệu đặc thù cho giao diện vô tuyến.
Có thể coi BTS là các mô-đem vô tuyến phức tạp mà trong nó có một bộ phận quan trọng là bộ chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ (TRAU). Bộ phận này thực 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hiện việc mã hoá và giải mã tiếng đặc thù cho hệ thống di động, thích ứng tốc độ cho quá trình truyền dữ liệu. TRAU là một bộ phận của BTS nhƣng trên thực tế nó có thể đặt cách xa BTS và thậm chí trong nhiều trƣờng hợp nó có thể đƣợc đặt giữa BSC và MSC. Các chức năng chính của BTS bao gồm: Biến đổi truyền dẫn (dây dẫn–vô tuyến); các phép đo vô tuyến; phân tập anten, mật mã; nhảy tần; truyền dẫn không liên tục; đồng bộ thời gian; giám sát và kiểm tra.
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 xa BTS và MS. Các lệnh này chủ yếu là các lệnh ấn định, giải phóng kênh vô tuyến và quản lý chuyển giao. Một phía BSC đƣợc nối với BTS và một phía nối với MSC của NSS. Vai trò chủ yếu của BSC là quản lý các kênh ở giao diện vô tuyến và chuyển giao.
Một BSC trung bình có thể quản lý tới vài chục BTS phụ thuộc vào lƣu lƣợng của các BTS này. Giao diện giữa BSC với MSC đƣợc gọi là giao diện A, còn giao diện với BTS đƣợc gọi là giao diện Abis. Các chức năng chính của BSC bao gồm: Giám sát các trạm vô tuyến gốc; quản lý mạng vô tuyến; điều khiển nối thông đến các máy di động; định vị và chuyển giao; quản lý tìm và gọi; khai thác vào bảo dƣỡng BSS; quản lý mạng truyền dẫn; chức năng chuyển đổi máy; mã hoá tiếng. Hệ thống chuyển mạch NSS Hệ thống chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của GSM cũng nhƣ các cơ sở dữ liệu cần thiết cho thuê bao và quản lý di động của thuê bao.
Nó quản lý thông tin giữa những ngƣời sử dụng GSM với nhau và với mạng khác. PSTN/ISDN VLR MSC GMSC SS7 Network AuC EIR HLR Hình 1. Tổng quan về NSS Trung tâm chuyển mạch các nghiệp vụ di động MSC Chức năng chuyển mạch ở NSS đƣợc thực hiện bởi MSC. Nhiệm vụ chính của MSC là điều phối việc thiết lập cuộc gọi đến những ngƣời sử dụng mạng GSM.
Một 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mặt, MSC giao tiếp với hệ thống con BSC, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài thông qua GMSC. Để đảm bảo thông tin cho những ngƣời sử dụng mạng GSM giao tiếp với mạng ngoài đòi hỏi cổng phải thích ứng. Hệ thống NSS cũng cần giao tiếp với mạng ngoài để sử dụng các khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của ngƣời sử dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM. Trung tâm MSC thƣờng là một tổng đài lớn có khả năng điều khiển và quản lý một số bộ điều khiển trạm gốc (BSC).
Để kết nối MSC với một số mạng khác cần phải thích ứng các đặc điểm truyền dẫn của GSM với các mạng này. Các thích ứng này đƣợc gọi là các chức năng tƣơng tác. Bộ ghi địa chỉ thường trú HLR Ngoài MSC, hệ thống NSS còn bao gồm các cơ sở dữ liệu. Các thông tin liên quan tới việc cung cấp các dịch vụ viễn thông đƣợc lƣu trữ ở HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện thời của thuê bao.
HLR cũng chứa các thông tin liên quan đến vị trí hiện thời của thuê bao. Thông thƣờng HLR là một máy tính đứng riêng không có khả năng chuyển mạch nhƣng có khả năng quản lý hàng trăm nghìn thuê bao. Một chức năng con của HLR là nhận dạng trung tâm nhận thực AuC mà nhiệm vụ của trung tâm này là quản lý an toàn số liệu của các thuê bao đƣợc phép. Bộ ghi địa chỉ tạm trú VLR VLR là cơ sở dữ liệu thứ hai trong mạng GSM.
Nó đƣợc nối với một hay nhiều MSC và có nhiệm vụ lƣu giữ tạm thời số liệu thuê bao của các thuê bao hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tƣơng ứng và đồng thời lƣu giữ số liệu về vị trí của các thuê bao nói trên ở mức độ chính xác hơn HLR. Mỗi MSC có một VLR. Ngay khi MS lƣu động vào một vùng MSC mới, VLR liên kết với MSC sẽ yêu cầu số liệu về MS này từ HLR. Đồng thời HLR sẽ đƣợc thông báo là MS đang ở vùng phục vụ nào.