Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, vấn đề an toàn cháy nổ và kiểm soát môi trường đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng và các tổ chức. Sự biến động và gia tăng nhiệt độ bất thường có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường thiên nhiên, tác động trực tiếp tới sức khỏe con người, đồng thời là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến các sự cố hỏa hoạn trong các tòa nhà, nhà máy và khu dân cư. Trong bối cảnh đó, các hệ thống giám sát và cảnh báo nhiệt độ tự động đã ra đời nhằm giảm thiểu rủi ro.
Song song với nhu cầu thực tiễn, sự phát triển của hạ tầng Internet và công nghệ viễn thông vô tuyến đã mở ra giải pháp thu thập dữ liệu từ xa mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người tại hiện trường. Việc ứng dụng mạng truyền dữ liệu gói vô tuyến GPRS (General Packet Radio Service) trên nền tảng mạng thông tin di động toàn cầu GSM cho phép xây dựng các trạm quan trắc nhiệt độ không dây với chi phí hợp lý, phạm vi phủ sóng rộng và khả năng truyền dữ liệu liên tục lên máy chủ mạng (Web Server). Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu GPRS" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thu thập và cảnh báo dữ liệu môi trường từ xa.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về kiến trúc, nguyên lý hoạt động của mạng thông tin di động GSM và dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GPRS.
- Nghiên cứu bộ giao thức truyền thông liên mạng TCP/IP, bao gồm cấu trúc phân tầng, nguyên tắc đánh địa chỉ IP và cơ chế truyền dữ liệu của giao thức TCP.
- Khảo sát chi tiết các phần cứng chuyên dụng: module truyền thông SIM900/SIM900A, vi điều khiển 8-bit PIC16F887, cảm biến nhiệt độ số DS18B20 và màn hình hiển thị LCD 16x02.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và chế tạo mô hình phần cứng hoàn chỉnh cho hệ thống đo nhiệt độ từ xa.
- Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm điều khiển cho vi điều khiển PIC16F887; sử dụng tập lệnh AT Command để điều khiển module SIM900 kết nối mạng GPRS, truyền dữ liệu nhiệt độ theo thời gian thực lên máy chủ web (Thingspeak.com).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng và chương trình điều khiển phục vụ việc đo lường nhiệt độ môi trường, xử lý tín hiệu và truyền thông dữ liệu không dây qua mạng GPRS và giao thức TCP/IP.
- Phạm vi không gian: Đồ án được thực hiện và thử nghiệm tại Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Vinh, tỉnh Nghệ An.
- Phạm vi thời gian: Đồ án hoàn thành vào tháng 05 năm 2016.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án dựa trên các khung lý thuyết nền tảng về mạng thông tin di động, giao thức mạng máy tính và kỹ thuật vi điều khiển nhúng:
- Kiến trúc mạng GSM và GPRS: Chuẩn hóa bởi Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI), sử dụng các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Công nghệ GPRS (mạng di động 2.5G) mở rộng mạng GSM bằng cách bổ sung kỹ thuật chuyển mạch gói để truyền dữ liệu trên các khe thời gian vô tuyến.
- Bộ giao thức TCP/IP: Mô hình mạng 4 tầng tiêu chuẩn (Tầng liên kết, Tầng Internet, Tầng giao vận, Tầng ứng dụng) phát triển từ các công trình nghiên cứu của DARPA. Đồ án khai thác cơ chế định tuyến gói tin IP (Internet Protocol) và cơ chế thiết lập liên kết tin cậy hướng kết nối của giao thức TCP (Transmission Control Protocol) để truyền dữ liệu lên Web Server qua cổng dịch vụ (Port 80).
- Giao tiếp phần cứng nhúng: Chuẩn truyền thông 1 dây (1-Wire bus) của Dallas Semiconductor cho cảm biến nhiệt độ và chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART/USART giữa vi điều khiển và modem không dây.
Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo kỹ thuật:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích tài liệu kỹ thuật về các giao thức mạng GSM/GPRS, cấu trúc gói tin IP/TCP, tập lệnh AT Command chuẩn và mở rộng của modem GSM.
- Phương pháp thiết kế và chế tạo kỹ thuật: Thiết kế cấu trúc phân khối chức năng của hệ thống (khối nguồn, khối vi điều khiển trung tâm, khối cảm biến, khối truyền thông GPRS, khối hiển thị LCD), thiết kế mạch in và lắp ráp phần cứng vật lý.
- Phương pháp phát triển phần mềm nhúng: Thiết kế lưu đồ thuật toán, lập trình vi điều khiển PIC16F887 bằng ngôn ngữ C, thiết lập cấu hình giao tiếp nối tiếp UART, chuyển đổi dữ liệu cảm biến và điều khiển module SIM900 gửi bản tin HTTP GET lên máy chủ.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Lắp ráp mạch thực tế, cấp nguồn, đo kiểm tín hiệu đọc từ cảm biến DS18B20, kiểm tra chuỗi dữ liệu phản hồi từ module SIM900 qua cổng UART và kiểm tra việc hiển thị đồ thị nhiệt độ trên trang web Thingspeak.com.
Nguồn dữ liệu của đồ án gồm: tài liệu đặc tả chuẩn GSM/GPRS của ETSI; datasheet vi điều khiển PIC16F887 của hãng Microchip Technology; tài liệu kỹ thuật module SIM900 của SIMCom; datasheet cảm biến nhiệt độ DS18B20 của Dallas Semiconductor/Maxim Integrated; và nền tảng dịch vụ đám mây Thingspeak.
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Tổng quan về hệ thống GSM và GPRS
Chương I trình bày lịch sử hình thành, kiến trúc phân tầng và nguyên lý hoạt động của hệ thống mạng di động toàn cầu GSM và dịch vụ vô tuyến gói GPRS. Mạng GSM được khởi xướng từ năm 1982 bởi Hiệp hội Bưu chính Viễn thông Châu Âu (CEPT) tại băng tần 900 MHz, lựa chọn kỹ thuật TDMA/FDMA vào năm 1986 và chuyển giao cho ETSI phát triển đặc tả vào năm 1989. Mạng GSM được chia thành hai phân hệ chính: Phân hệ chuyển mạch (SS - Switching System) quản lý cuộc gọi/thuê bao và Phân hệ trạm gốc (BSS - Base Station System) phụ trách truyền thông vô tuyến, cùng với Trung tâm vận hành và bảo trì (OMC).
Kiến trúc địa lý của mạng GSM gồm các đơn vị: Ô (Cell) với mã định danh CGI (Cell Global Identity), Vùng định vị (Location Area - LA) quản lý bằng mã LAI trong bộ ghi định vị tạm trú (VLR), Vùng phục vụ của Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) và Vùng phục vụ của nhà khai thác. Mạng GSM vận hành trên các băng tần chính: 900 MHz (P-GSM), 1800 MHz (E-GSM) và 1900 MHz (chuẩn PCS tại Mỹ).
Công nghệ GPRS (mạng thế hệ 2.5G) được tiêu chuẩn hóa vào năm 1993, phát triển trên hạ tầng GSM nhằm chuyển đổi từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói. GPRS cho phép chia sẻ tài nguyên vô tuyến động và duy trì kết nối liên tục ("always-on"). Người dùng chỉ trả phí cho dung lượng dữ liệu truyền/nhận thực tế thay vì thời gian duy trì kết nối.
Tốc độ truyền dữ liệu trong GPRS phụ thuộc vào 4 lược đồ mã hóa kênh (Coding Schemes - CS):
| Lược đồ mã hóa |
Tỷ lệ mã (Code Rate) |
Tốc độ trên 1 khe thời gian (kbit/s) |
Tốc độ trên 8 khe thời gian (kbit/s) |
| CS-1 |
1/2 |
9,05 |
72,4 |
| CS-2 |
2/3 |
13,40 |
107,2 |
| CS-3 |
3/4 |
15,60 |
124,8 |
| CS-4 |
1 |
21,40 |
171,2 |
Về mặt lý thuyết, GPRS đạt tốc độ tối đa 171,2 kbit/s trên 8 khe thời gian (khung TDMA). Trên thực tế, giới hạn tốc độ truyền thông thường ở mức 115 kbit/s, và phần lớn ứng dụng thực tế hoạt động ở khoảng 30 - 40 kbit/s.
| Ứng dụng số liệu |
Tốc độ yêu cầu (kbit/s) |
Ứng dụng số liệu |
Tốc độ yêu cầu (kbit/s) |
| Đo xa (Telemetry) |
2,4 |
Báo điện tử (Electronic Newspapers) |
28,8 |
| Dịch vụ kỹ thuật (Service Engineering) |
9,6 |
Thư điện tử (Email) |
28,8 |
| Quản lý đội xe (Fleet Management) |
9,6 |
Hội nghị truyền hình (Video Conference) |
28,8 |
| Fax nhóm 3 (Fax – Group 3) |
14,4 |
Truy cập cơ sở dữ liệu (Database Access) |
28,8 |
| Thương mại điện tử/Ngân hàng |
14,4 |
Truyền dữ liệu số UDI (Data Transfer) |
64,0 |
| Video tốc độ chậm (Slow Video) |
19,2 |
Trò chơi nhiều người (Multi-User games) |
64,0 |
| Duyệt web (Internet Browsing) |
28,8 |
Nghe nhìn MPEG-4 (Audio Visual) |
64,0 |
Để hỗ trợ GPRS, cấu trúc mạng GSM bổ sung các thành phần mạng lõi:
- Trạm di động (MS - Mobile Station): Chia thành 3 cấp: Cấp A (hoạt động đồng thời cả dịch vụ thoại GSM và dữ liệu GPRS); Cấp B (tự động chuyển đổi giữa GSM và GPRS, không đồng thời); Cấp C (chỉ hoạt động ở chế độ dữ liệu GPRS).
- Khối điều khiển gói (PCU - Packet Control Unit): Bổ sung tại BSS để xử lý các lớp MAC/RLC và tách luồng dữ liệu gói khỏi luồng thoại.
- Nút phục vụ thuê bao GPRS (SGSN - Serving GPRS Support Node): Chuyển tiếp các gói IP, quản lý vị trí, xác thực và mã hóa dữ liệu theo thuật toán GEA.
- Nút định tuyến GPRS (GGSN - Gateway GPRS Support Node): Đóng vai trò bộ định tuyến kết nối mạng GPRS với các mạng gói ngoài (Internet, X.25), cấp phát địa chỉ IP và phối hợp tính cước. GGSN và SGSN trao đổi dữ liệu thông qua giao thức đường hầm GTP (GPRS Tunnel Protocol) trên nền TCP/IP.
Chương II: Giao thức TCP/IP
Chương II tổng kết lịch sử phát triển, cấu trúc phân tầng và nguyên lý hoạt động của bộ giao thức TCP/IP. Khởi nguồn từ các nghiên cứu của DARPA vào đầu thập niên 1970 và công trình của Vinton Cerf cùng Robert Kahn (1973), bộ giao thức TCP/IP đã thay thế giao thức NCP và được chuẩn hóa trên toàn mạng ARPANET vào ngày 01/01/1983.
Mô hình TCP/IP gồm 4 tầng chức năng:
- Tầng ứng dụng (Application Layer): Cung cấp các tiến trình và ứng dụng cho người dùng như HTTP, DNS, FTP, SMTP, TELNET, SNMP...
- Tầng giao vận (Transport Layer): Đảm bảo luồng dữ liệu giữa hai máy trạm thông qua hai giao thức chính: TCP (hướng liên kết, cung cấp truyền dữ liệu tin cậy qua cơ chế phân đoạn, báo nhận ACK, timeout) và UDP (không liên kết, truyền nhanh không đảm bảo tính tin cậy).
- Tầng Internet (Internet/Network Layer): Xử lý việc truyền gói tin qua liên mạng với giao thức chính là IP, cùng các giao thức phụ trợ: ICMP (điều khiển thông điệp), IGMP (quản lý nhóm), ARP (phân giải địa chỉ IP sang MAC) và RARP (phân giải địa chỉ MAC sang IP).
- Tầng liên kết (Link Layer): Tầng thấp nhất, quản lý giao tiếp vật lý và truyền dẫn dữ liệu qua các môi trường Ethernet, Wi-Fi, PPP, Token Ring...
Địa chỉ IPv4 có độ dài 32 bit, chia thành 4 octet biểu diễn dưới dạng số thập phân có dấu chấm, gồm hai phần: địa chỉ mạng (netid) và địa chỉ máy (hostid). Cấu trúc địa chỉ được phân chia thành các lớp:
- Lớp A: 1 byte netid (bit đầu là 0), 3 byte hostid; hỗ trợ tối đa 126 mạng và 16 triệu host/mạng.
- Lớp B: 2 byte netid (bit đầu là 10), 2 byte hostid; hỗ trợ 16.384 mạng và 65.534 host/mạng.
- Lớp C: 3 byte netid (bit đầu là 110), 1 byte hostid; hỗ trợ hơn 2 triệu mạng và 254 host/mạng.
- Lớp D: Dành riêng cho kỹ thuật Multicast (bit đầu là 1110).
- Lớp E: Dành cho mục đích dự phòng và nghiên cứu tương lai (bit đầu là 11110).
Đối với giao thức TCP, các cổng dịch vụ (Port 16-bit) kết hợp với địa chỉ IP tạo thành Socket duy nhất để nhận diện tiến trình kết nối.
| Số hiệu cổng (Port) |
Dịch vụ tương ứng |
Số hiệu cổng (Port) |
Dịch vụ tương ứng |
| 20 |
ftp-data (Truyền dữ liệu FTP) |
25 |
SMTP (Truyền thư điện tử) |
| 21 |
ftp (Điều khiển FTP) |
37 |
Time (Thời gian chuẩn) |
| 23 |
Telnet (Truy cập từ xa) |
53 |
Name Server / DNS (Phân giải tên miền) |
| 7 |
Echo |
102 |
ISO-TSAP |
| 9 |
Discard |
111 |
Sun RPC |
| 11 |
Systat |
139 |
NetBIOS Session source |
| 13 |
Daytime |
160 – 223 |
Dành riêng (Reserved) |
Cấu trúc đoạn dữ liệu (Segment) của giao thức TCP bao gồm các trường: Cổng nguồn (Source Port - 16 bit), Cổng đích (Destination Port - 16 bit), Số tuần tự (Sequence Number - 32 bit), Số xác nhận (Acknowledgment Number - 32 bit), Vùng dự phòng (Reserved - 6 bit), các bit điều khiển (URG, ACK, PSH, RST, SYN, FIN), Checksum kiểm soát lỗi (16 bit), Con trỏ khẩn (Urgent Pointer - 16 bit), trường Tùy chọn (Options) và Vùng đệm dữ liệu (TCP Data với kích thước ngầm định 536 byte).
Chương III: Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu GPRS
Chương III đi sâu vào việc khảo sát chi tiết linh kiện phần cứng, thiết kế các khối mạch và xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống giám sát nhiệt độ.
Hệ thống được tổ chức thành 4 khối chức năng chính:
- Khối xử lý trung tâm (Vi điều khiển PIC16F887): Vi điều khiển 8-bit họ PIC với cấu trúc 40 chân, tích hợp khối số học logic ALU, dao động nội, bộ nhớ EEPROM nội 256 byte, bộ chuyển đổi ADC 10-bit và khối truyền thông nối tiếp nâng cao USART.
- Khối đo nhiệt độ (Cảm biến DS18B20): Cảm biến đo nhiệt độ số giao tiếp theo chuẩn 1-Wire. Cảm biến hỗ trợ dải đo từ -55°C đến +125°C với sai số ±0.5°C trong khoảng -10°C đến +85°C. Độ phân giải đo có thể lập trình từ 9 đến 12 bit, thời gian chuyển đổi tối đa là 750 ms (đối với chế độ 12 bit). Mỗi chip DS18B20 được khắc mã định danh nhị phân 64-bit ROM duy nhất bằng tia laser.
- Khối truyền thông GPRS (Module SIM900/SIM900A): Modem GSM/GPRS 4 băng tần (GSM 850 MHz, EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz, PCS 1900 MHz), điện áp hoạt động từ 3,4V đến 4,5V, tích hợp sẵn ngăn xếp TCP/IP. Module hỗ trợ tốc độ tải xuống GPRS tối đa 85,6 kbps và tải lên 42,8 kbps theo các lược đồ mã hóa CS-1 đến CS-4.
- Khối hiển thị (LCD 16x02): Màn hình hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự dùng để hiển thị giá trị nhiệt độ và trạng thái hoạt động của hệ thống tại chỗ.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa được thiết kế và thi công theo mô hình phần cứng - phần mềm nhúng hoàn chỉnh.
1. Kiến trúc phần cứng và sơ đồ kết nối
Toàn bộ phần cứng được ghép nối qua các khối chức năng:
- Kết nối vi điều khiển và cảm biến: Cảm biến DS18B20 được kết nối với vi điều khiển PIC16F887 qua 1 chân I/O số theo chuẩn 1-Wire, sử dụng điện trở kéo lên nguồn dương (Pull-up resistor) nhằm đảm bảo mức logic đường truyền.
- Kết nối vi điều khiển và Module SIM900: Vi điều khiển PIC16F887 giao tiếp với module SIM900 theo chuẩn nối tiếp UART bất đồng bộ qua hai chân truyền nhận: chân
RC6/TX (chân 25 của PIC16F887) nối với chân nhận dữ liệu RXD của module SIM900, và chân RC7/RX (chân 26 của PIC16F887) nối với chân truyền dữ liệu TXD của module SIM900.
- Giao diện chân Breakout Module SIM900 (20 chân): Module SIM900 trong đồ án được thiết kế dưới dạng mạch Breakout với sơ đồ phân bố chân:
| Chân số |
Ký hiệu chân |
Chức năng chi tiết |
Chân số |
Ký hiệu chân |
Chức năng chi tiết |
| 1 |
ON/OFF |
Kích xung mức cao 1s để bật/tắt module |
2 |
RTS |
Tín hiệu yêu cầu gửi (Request to Send) |
| 3 |
LED |
Đầu ra chỉ báo trạng thái kết nối mạng |
4 |
CTS |
Tín hiệu sẵn sàng nhận (Clear to Send) |
| 5 |
VRTC |
Đầu vào cấp nguồn pin dự phòng |
6 |
DCD |
Phát hiện sóng mang dữ liệu (Data Carrier Detect) |
| 7 |
ADC |
Đầu vào chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số |
8 |
RI |
Báo hiệu có cuộc gọi đến (Ring Indicator) |
| 9 |
SPK1N |
Tín hiệu âm thanh ra loa (âm) |
10 |
DTR |
Chân đầu cuối dữ liệu (Data Terminal Ready) |
| 11 |
SPK1P |
Tín hiệu âm thanh ra loa (dương) |
12 |
TXD |
Chân truyền dữ liệu nối tiếp UART |
| 13 |
MIC1N |
Chân đầu vào Micro (âm) |
14 |
RXD |
Chân nhận dữ liệu nối tiếp UART |
| 15 |
MIC1P |
Chân đầu vào Micro (dương) |
16 |
RST |
Chân Reset khởi động lại module |
| 17, 19 |
VCC |
Chân nguồn dương cấp cho module (3,4V - 4,5V) |
18, 20 |
GND |
Chân nối đất (Mass) |
2. Quy trình phần mềm và lập trình tập lệnh AT Command
Chương trình nạp vào vi điều khiển PIC16F887 thực hiện chu trình lặp:
- Khởi động và cấu hình modem: Kích chân ON/OFF để bật module SIM900; quan sát đèn LED Status chuyển từ nhấp nháy nhanh (đang tìm mạng) sang nhấp nháy chậm sau khoảng 10 giây (báo hiệu module đã kết nối mạng GSM/GPRS thành công).
- Đọc dữ liệu nhiệt độ: PIC16F887 gửi tín hiệu khởi động (Reset Pulse), kiểm tra tín hiệu hiện diện (Presence Pulse) từ cảm biến DS18B20, sau đó phát lệnh chuyển đổi nhiệt độ (Convert T) và đọc dữ liệu từ bộ nhớ đệm (Scratchpad) qua bus 1-Wire.
- Hiển thị tại chỗ: Giá trị nhiệt độ đo được xử lý và xuất trực tiếp lên màn hình LCD 16x02.
- Thiết lập kết nối TCP và gửi dữ liệu lên Web Server:
- PIC16F887 gửi lệnh mở kết nối TCP tới máy chủ qua cổng 80:
AT+CIPSTART="TCP","184.149","80"<CR><LF>
Module SIM900 trả về phản hồi xác nhận: OK và CONNECT OK.
- Gửi lệnh yêu cầu truyền dữ liệu:
AT+CIPSEND<CR><LF>
Sau khi module SIM900 trả về ký tự nhắc lệnh >>, PIC16F887 gửi chuỗi truy vấn HTTP GET tới kênh Thingspeak:
GET /update?key=M5VCLAK68RKSYHGU&field1=[Gia_tri_nhiet_do]
Module phản hồi SEND OK xxxx (với xxxx là số thứ tự của lần gửi thành công lên máy chủ).
- Hiển thị giao diện Web: Nền tảng Thingspeak.com tiếp nhận bản tin HTTP GET, giải mã giá trị nhiệt độ và tự động cập nhật biểu đồ trực quan theo trục thời gian thực.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Chế tạo thành công phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện mô hình trạm đo gồm mạch vi điều khiển PIC16F887, mạch Breakout module SIM900, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và khối hiển thị LCD 16x02; các khối hoạt động ổn định và phối hợp chính xác.
- Thu thập dữ liệu chính xác: Thực hiện thành công việc giao tiếp 1-Wire bus giữa PIC16F887 và DS18B20, giải mã dữ liệu nhiệt độ nhị phân 9 - 12 bit, hoạt động ổn định trong dải đo tiêu chuẩn từ -55°C đến +125°C.
- Truyền thông vô tuyến qua GPRS: Khởi tạo và điều khiển thành công module SIM900 bằng tập lệnh AT Command qua cổng UART; thiết lập kết nối TCP/IP qua cổng 80 và truyền dữ liệu nhiệt độ môi trường lên Web Server Thingspeak.com theo phương thức HTTP GET.
- Giám sát trực quan: Màn hình LCD 16x02 hiển thị chính xác giá trị nhiệt độ tại chỗ, đồng thời trang web Thingspeak cập nhật biểu đồ dữ liệu nhiệt độ từ xa theo thời gian thực mà không cần người dùng thao tác trực tiếp tại hiện trường.
Đóng góp của đồ án:
- Hiện thực hóa mô hình đo lường và cảnh báo môi trường không dây ứng dụng công nghệ viễn thông 2.5G GPRS kết hợp với vi điều khiển nhúng giá thành thấp.
- Cung cấp tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về cách thức điều khiển modem SIM900 bằng tập lệnh AT Command để thực hiện các kết nối mạng dữ liệu gói TCP/IP.
- Đặt nền tảng thực tiễn cho việc phát triển các hệ thống giám sát từ xa phục vụ công tác an toàn phòng cháy chữa cháy trong các tòa nhà và cơ sở hạ tầng công nghiệp.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đồ án:
- Hệ thống mới chỉ thử nghiệm giám sát một thông số môi trường duy nhất là nhiệt độ thông qua một cảm biến DS18B20 đơn lẻ, chưa tích hợp thêm các đầu đo cảnh báo khác như khói, khí gas hoặc ngọn lửa.
- Mô hình truyền dữ liệu lên Web Server Thingspeak theo chu kỳ cố định, chưa xây dựng tính năng tự động kích hoạt cuộc gọi khẩn cấp hoặc gửi tin nhắn SMS cảnh báo tức thời khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép.
- Thời gian thực hiện và điều kiện thử nghiệm còn giới hạn ở quy mô mô hình trong phòng thí nghiệm.
Hướng nghiên cứu tiếp:
- Tận dụng tính năng định danh 64-bit ROM duy nhất của DS18B20 để kết nối nhiều cảm biến nhiệt độ trên cùng một đường truyền 1-Wire, phục vụ giám sát nhiệt độ đa điểm trong không gian lớn.
- Mở rộng tích hợp các cảm biến cảnh báo môi trường khác (cảm biến phát hiện nồng độ khói, cảm biến ngọn lửa) để hoàn thiện hệ thống phòng cháy chữa cháy toàn diện.
- Phát triển thêm khối lệnh AT Command quản lý tin nhắn SMS (
AT+CMGS) và cuộc gọi thoại để hệ thống có khả năng tự động gửi cảnh báo khẩn cấp trực tiếp đến số điện thoại của người quản lý khi phát hiện sự cố.
- Xây dựng giao diện web và ứng dụng di động chuyên biệt có tính năng phân quyền quản trị, bảo mật luồng truyền và lưu trữ dữ liệu tập trung.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho:
- Đối tượng tham khảo: Giảng viên, sinh viên các chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính, Công nghệ Thông tin; các kỹ sư và nhà phát triển quan tâm đến thiết kế hệ thống nhúng và ứng dụng IoT (Internet of Things) truyền dữ liệu không dây qua mạng di động.
- Các phần nội dung nổi bật đáng tham khảo:
- Cấu trúc sơ đồ chân, đặc tính kỹ thuật và phương thức kết nối chân mạch Breakout của Module SIM900.
- Hướng dẫn thực hành chi tiết việc sử dụng tập lệnh AT Command (lệnh
AT+CIPSTART, AT+CIPSEND) để khởi tạo kết nối TCP và đẩy dữ liệu HTTP GET lên máy chủ đám mây.
- Quy trình cấu hình và thuật toán giao tiếp chuẩn 1-Wire bus giữa vi điều khiển PIC16F887 và cảm biến nhiệt độ DS18B20.
- Hệ thống hóa lý thuyết về kiến trúc mạng viễn thông GSM/GPRS và mô hình mạng phân tầng TCP/IP.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống sử dụng những linh kiện phần cứng chính nào để thực hiện việc đo và truyền dữ liệu nhiệt độ từ xa?
Hệ thống gồm 4 thành phần phần cứng chính: Vi điều khiển PIC16F887 (Microchip) loại 40 chân làm khối xử lý trung tâm; Cảm biến nhiệt độ số DS18B20 (giao tiếp 1-Wire); Module viễn thông SIM900/SIM900A gắn thẻ SIM kết nối mạng GPRS; Màn hình LCD 16x02 dùng để hiển thị giá trị nhiệt độ và trạng thái kết nối tại chỗ.
2. Vi điều khiển PIC16F887 giao tiếp với module SIM900 và truyền dữ liệu lên Web Server qua các tập lệnh AT nào?
Vi điều khiển giao tiếp với module SIM900 qua chuẩn nối tiếp UART (chân RC6/TX và RC7/RX). Để gửi dữ liệu lên Web Server Thingspeak.com, PIC gửi lệnh khởi tạo kết nối TCP: AT+CIPSTART="TCP","184.149","80". Sau khi kết nối thành công, lệnh AT+CIPSEND được sử dụng để mở luồng truyền, và chuỗi dữ liệu HTTP GET request có dạng GET /update?key=M5VCLAK68RKSYHGU&field1=[nhiệt_độ] được gửi đi để cập nhật giá trị lên máy chủ.
3. Cảm biến DS18B20 trong đồ án có các thông số kỹ thuật và đặc điểm giao tiếp nổi bật nào?
DS18B20 giao tiếp qua giao diện 1 dây (1-Wire bus), dải đo nhiệt độ từ -55°C đến +125°C với sai số ±0.5°C trong khoảng -10°C đến +85°C. Cảm biến hỗ trợ độ phân giải lập trình từ 9 đến 12 bit (thời gian chuyển đổi tối đa 750 ms ở 12 bit), hoạt động với nguồn cấp từ 3,5V và mỗi chip sở hữu mã nhận diện 64-bit ROM duy nhất được khắc bằng laser.
4. Mạng dữ liệu GPRS đạt tốc độ truyền dữ liệu tối đa là bao nhiêu và phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Theo lý thuyết, GPRS đạt tốc độ tối đa là 171,2 kbit/s khi sử dụng đồng thời 8 khe thời gian trên khung TDMA với lược đồ mã hóa CS-4 (21,4 kbit/s mỗi khe). Tốc độ thực tế phụ thuộc vào điều kiện vô tuyến, lược đồ mã hóa kênh (CS-1 đến CS-4), khả năng phân phối đa khe thời gian của thiết bị di động (Class MS), và thường đạt mức giới hạn thực tế khoảng 115 kbit/s (hoặc thông dụng ở mức 30 - 40 kbit/s).
5. Mô hình TCP/IP được phân tích trong đồ án gồm những tầng nào và giao thức nào đảm nhiệm truyền gói tin không liên kết?
Mô hình TCP/IP gồm 4 tầng chức năng: Tầng liên kết, Tầng Internet (Tầng mạng), Tầng giao vận và Tầng ứng dụng. Giao thức IP (Internet Protocol) tại Tầng Internet đảm nhiệm việc kết nối mạng và truyền gói tin datagram theo phương thức không liên kết (connectionless).
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát nhiệt độ từ xa thông qua mạng dữ liệu GPRS" của sinh viên Hoàng Bảo Như đã hoàn thành việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình phần cứng - phần mềm nhúng hoàn chỉnh. Bằng sự kết hợp giữa vi điều khiển PIC16F887, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và module SIM900, hệ thống đã hiện thực hóa giải pháp thu thập dữ liệu nhiệt độ môi trường và truyền tải tự động lên nền tảng Web Server thông qua mạng dữ liệu gói GPRS và bộ giao thức TCP/IP. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ viễn thông di động không dây trong các bài toán đo lường và cảnh báo an toàn từ xa, đồng thời tạo cơ sở kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các hệ thống quan trắc đa thông số trong tương lai.
