Đồ án HCMUTE: Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo trộm qua SIM

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo trộm qua sim, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Thị Mộng Linh
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Việt Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Cảnh Báo Trộm Qua SIM
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ GSM
• 2.2.1. Giới thiệu về GSM
• 2.2.2. Đặc điểm công nghệ GSM
• 2.3. TỔNG QUAN VỀ SIM
• 2.3.1. Giới thiệu về SIM
• 2.3.2. Đặc điểm của SIM
• 2.4. TẬP LỆNH AT
• 2.4.1. Các thuật ngữ
• 2.4.2. Cú pháp lệnh AT
• 2.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 2.5.1. Module Sim 900A
• 2.5.2. Các chân module sim 900A
• 2.5.3. Vi điều khiển pic 16F887

Tóm tắt

I. Giới thiệu Hệ thống Cảnh báo Trộm qua SIM tại HCMUTE

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo trộm qua SIM tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc phát triển một hệ thống an ninh nhỏ gọn, hiệu quả sử dụng công nghệ GSM để cảnh báo chủ nhà về các hoạt động đột nhập. Hệ thống kết hợp các thành phần phần cứng và phần mềm để đạt được mục tiêu này. Hệ thống cảnh báo trộm này được thiết kế để hoạt động ổn định, dễ sử dụng và có thể triển khai rộng rãi, đặc biệt hữu ích trong bối cảnh an toàn an ninh đang ngày càng được quan tâm.

1.1 Mục tiêu và Phạm vi Nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là xây dựng một hệ thống cảnh báo trộm qua SIM hoàn chỉnh, bao gồm cả phần cứng và phần mềm. Hệ thống sẽ gửi tin nhắn và gọi điện đến số điện thoại được chỉ định khi phát hiện hoạt động khả nghi. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế mạch điện tử, lập trình vi điều khiển, tích hợp module GSM, và phát triển giao diện người dùng. Hệ thống an ninh nhà ở này cần đảm bảo hoạt động ổn định, dễ sử dụng, và có khả năng ứng dụng thực tế. Thiết kế hệ thống bảo động bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp như module GSM báo trộm, cảm biến hồng ngoại, và vi điều khiển. Việc lập trình vi điều khiển nhằm xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển module GSM để gửi tin nhắn và gọi điện. Thiết kế điện tử HCMUTE trong đồ án này nhấn mạnh tính thực tiễn và khả năng tích hợp các công nghệ hiện đại.

1.2 Phương pháp Nghiên cứu

Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm các bước: nghiên cứu lý thuyết về công nghệ GSM, SIM, và các linh kiện điện tử; thiết kế mạch điện tử dựa trên sơ đồ khối; lập trình vi điều khiển sử dụng ngôn ngữ C; thực hiện thi công hệ thống bao gồm hàn mạch, lập trình, và kiểm thử; và cuối cùng là đánh giá hiệu quả của hệ thống. Thiết kế hệ thống an ninh sử dụng SIM đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành. Việc lựa chọn cảm biến báo động phù hợp, thiết kế mạch bảo vệ, và lập trình giao tiếp với module GSM là những khía cạnh quan trọng. Dự án tốt nghiệp HCMUTE này thể hiện khả năng ứng dụng kiến thức chuyên ngành vào giải quyết vấn đề thực tiễn.

II. Thiết kế và Thực hiện Hệ thống

Phần này trình bày chi tiết về thiết kế hệ thống cảnh báo trộm. Nó bao gồm việc lựa chọn các linh kiện, thiết kế mạch điện tử, và lập trình phần mềm. Hệ thống an ninh nhà ở này sử dụng vi điều khiển Arduino báo trộm hoặc ESP32 báo trộm để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển module GSM. Module GSM đảm nhiệm việc gửi tin nhắn và gọi điện thoại. Thiết kế phần mềm quản lý bảo trộm cho phép người dùng cài đặt và quản lý các số điện thoại nhận cảnh báo. Hệ thống báo trộm không dây hoặc hệ thống báo trộm có dây có thể được lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể.

2.1 Thiết kế Phần cứng

Thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn và kết nối các linh kiện điện tử như: module GSM, cảm biến hồng ngoại (cảm biến báo động), vi điều khiển, màn hình LCD, nguồn điện, và các linh kiện hỗ trợ khác. Thiết kế mạch báo trộm phải đảm bảo độ ổn định và độ tin cậy cao. Module GSM được chọn cần có khả năng tương thích với mạng di động tại Việt Nam. Cảm biến báo động cần có độ nhạy cao và phạm vi hoạt động rộng. Thiết kế điện tử HCMUTE trong đồ án này nhấn mạnh đến sự tối ưu hóa về kích thước và hiệu quả sử dụng năng lượng. Lập đặt hệ thống báo trộm đòi hỏi sự cẩn thận trong việc đấu nối các linh kiện và kiểm tra hoạt động của hệ thống. Thiết kế hệ thống báo động này cũng cần xem xét khả năng dự phòng nguồn điện.

2.2 Lập trình Phần mềm

Phần mềm được lập trình trên vi điều khiển để xử lý tín hiệu từ cảm biến, điều khiển module GSM, và hiển thị thông tin trên màn hình LCD. Ngôn ngữ lập trình sử dụng là C. Phần mềm quản lý bảo trộm cho phép người dùng cấu hình các thông số hệ thống, bao gồm các số điện thoại nhận cảnh báo và mật khẩu. Ứng dụng bảo trộm cần được thiết kế với giao diện thân thiện với người dùng. Vi điều khiển PIC 16F887 hoặc các loại vi điều khiển khác có thể được sử dụng. Lập trình hệ thống báo trộm đòi hỏi kiến thức sâu rộng về vi điều khiển và giao tiếp với module GSM. Việc lập trình module GSM sử dụng tập lệnh AT commands là rất quan trọng. Phần mềm lập trình CCS có thể được sử dụng trong quá trình lập trình.

III. Kết quả và Đánh giá

Phần này trình bày kết quả thực nghiệm của hệ thống cảnh báo trộm qua SIM. Hiệu quả của hệ thống được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ chính xác, độ tin cậy, và khả năng sử dụng. Mô hình hệ thống báo trộm đã được xây dựng và thử nghiệm. Giải pháp phòng chống trộm cắp này được đánh giá trên nhiều phương diện. So sánh các hệ thống báo trộm khác nhau sẽ giúp đánh giá hiệu quả của đồ án tốt nghiệp. Hướng dẫn thiết kế hệ thống báo trộm cũng sẽ là một phần quan trọng trong kết luận.

3.1 Kết quả Thử nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Hệ thống phản hồi nhanh chóng và chính xác khi có hoạt động đột nhập. Tin nhắn và cuộc gọi cảnh báo được gửi đến đúng các số điện thoại được chỉ định. Ứng dụng IoT trong an ninh được thể hiện rõ ràng trong hệ thống. Hệ thống bảo mật nhà ở này đã chứng minh được hiệu quả trong việc cảnh báo đột nhập. An ninh nhà thông minh là mục tiêu hướng đến của nhiều giải pháp hiện đại, bao gồm cả hệ thống này. Thiết kế hệ thống mạng cũng là một khía cạnh cần lưu ý khi triển khai hệ thống trên diện rộng. Hệ thống báo trộm IoT có thể là một hướng phát triển trong tương lai.

3.2 Nhận xét và Đề xuất

Hệ thống được đánh giá cao về độ tin cậy, tính đơn giản, và hiệu quả chi phí. Tuy nhiên, một số hạn chế cần được khắc phục trong các phiên bản sau, ví dụ như phạm vi hoạt động của cảm biến, thời gian phản hồi, và khả năng tích hợp với các hệ thống an ninh khác. Hệ thống cảnh báo trộm này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ. An toàn an ninh là một vấn đề quan trọng, và hệ thống này đóng góp vào việc nâng cao an ninh cho người dân. Học viện kỹ thuật mật mã HCMUTE có thể đóng góp nhiều hơn vào việc phát triển các hệ thống an ninh tiên tiến. Thiết kế hệ thống nhúng là một lĩnh vực có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống an ninh hiện đại. Phát triển hệ thống IoT sẽ làm tăng khả năng quản lý và giám sát từ xa của hệ thống.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tình hình an ninh trật tự và tội phạm trộm cắp tài sản nhà ở tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội diễn biến phức tạp với thủ đoạn ngày càng tinh vi. Các biện pháp bảo vệ truyền thống như khóa cơ, két sắt đơn thuần hoặc hệ thống camera quan sát thụ động bộc lộ hạn chế khi chủ nhà vắng mặt, không thể tiếp nhận cảnh báo tức thời để can thiệp kịp thời. Cùng với sự phát triển hơn 20 năm của hạ tầng mạng viễn thông di động tại Việt Nam với độ phủ sóng rộng khắp và chi phí dịch vụ hợp lý, việc kết hợp công nghệ mạng GSM (Global System for Mobile communication) vào hệ thống an ninh gia đình là giải pháp kỹ thuật có tính thực tiễn cao.

Đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo trộm qua SIM" được thực hiện tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Việt Hùng.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:

1. Xây dựng một hệ thống phần cứng hoàn chỉnh có khả năng phát hiện xâm nhập và tự động cảnh báo từ xa thông qua hình thức gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp qua mạng GSM.
2. Thiết lập cơ chế bảo mật và giao tiếp tại chỗ: cho phép cài đặt, lưu trữ 2 số thuê bao nhận tin nhắn/cuộc gọi cảnh báo trong bộ nhớ EEPROM; thao tác quản trị (nhập, đổi, xóa số điện thoại, bật/tắt báo động) thực hiện qua bàn phím ma trận và màn hình LCD, được bảo vệ bằng mật khẩu người dùng.
3. Tích hợp cơ chế đếm lùi thời gian trễ 99 giây khi phát hiện người lạ đi vào vùng quét cảm biến; nếu không có người nhập đúng mật khẩu để giải trừ thì hệ thống lập tức kích hoạt chuông báo động, đồng thời gửi tin nhắn SMS và gọi điện đến các số thuê bao đã lưu.
4. Tích hợp khối xử lý phụ hỗ trợ truyền dẫn hình ảnh: gửi đường dẫn (URL) truy cập máy chủ web qua tin nhắn SMS để chủ nhà xem trực tiếp hình ảnh, chụp ảnh hoặc quay video từ xa.
5. Thiết kế khối nguồn dự phòng có khả năng tự động chuyển đổi nguồn cấp giữa điện lưới 220VAC (qua adapter 12VDC) và bình ắc quy dự phòng nhằm duy trì hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố mất điện hoặc bị kẻ gian cắt đường dây điện.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể gồm 5 nội dung:

• Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ truyền thông GSM và cơ chế hoạt động của thẻ SIM (Subscriber Identity Module).
• Nội dung 2: Nghiên cứu tập lệnh AT (ATtention Command) trong điều khiển module viễn thông.
• Nội dung 3: Khảo sát và lựa chọn linh kiện phần cứng: vi điều khiển PIC16F887, module GSM Sim900A, cảm biến chuyển động hồng ngoại thụ động PIR, cặp IC mã hóa/giải mã RF PT2262/PT2272, màn hình LCD 20x4, máy tính nhúng Raspberry Pi 2, module Camera Pi V2 8MP và linh kiện bán dẫn công suất (IC nguồn MIC29302, Diode MBRS340, Transistor 2N3904).
• Nội dung 4: Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình C trên trình biên dịch CCS C (PIC C Compiler) và cấu hình máy chủ Web Raspberry Pi Cam.
• Nội dung 5: Thi công mạch thực tế, đóng gói mô hình, đo đạc thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động và đề xuất hướng phát triển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phần cứng nhúng cảnh báo an ninh kết hợp truyền thông di động và quan sát hình ảnh qua mạng.
• Phạm vi không gian: Hệ thống cảm biến không dây kết nối với bộ xử lý trung tâm trong phạm vi gia đình, vùng phủ sóng mạng viễn thông di động mặt đất và mạng cục bộ kết nối Raspberry Pi.
• Phạm vi chức năng: Giới hạn ở việc phát hiện chuyển động của vật thể phát xạ nhiệt qua cảm biến PIR, truyền tín hiệu không dây RF 315MHz về khối xử lý PIC16F887, kích hoạt module Sim900A gọi/nhắn tin, đếm thời gian 99 giây, chuyển mạch nguồn tự động và phát luồng video cơ bản qua Raspberry Pi 2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống được xây dựng dựa trên các nền tảng lý thuyết và công nghệ kỹ thuật sau:

• Công nghệ GSM và SIM: Mạng thông tin di động số thế hệ thứ hai (2G) hoạt động trên các băng tần tiêu chuẩn (850MHz, 900MHz, 1800MHz, 1900MHz), sử dụng cấu trúc mạng tế bào để truyền thoại và dữ liệu số. Thẻ SIM lưu trữ thông tin nhận dạng thuê bao quốc tế (IMSI - International Mobile Subscriber Identity) và khóa xác thực. Dịch vụ tin nhắn ngắn SMS cho phép truyền tải gói dữ liệu văn bản tối đa 140 byte (1120 bit).
• Tập lệnh AT chuẩn: Hệ thống giao tiếp giữa thiết bị đầu cuối TE (vi điều khiển PIC16F887) và modem MT (module Sim900A) thông qua giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART với định dạng khung truyền chuẩn kết thúc bằng ký tự <CR> (Carriage Return - 0x0D) và nhận phản hồi từ modem dưới dạng chuỗi OK, ERROR, +CMS ERROR.
• Vi điều khiển PIC16F887: Vi điều khiển 8-bit cấu trúc RISC (35 lệnh), kiến trúc Harvard với bus lệnh 14-bit và bus dữ liệu 8-bit riêng biệt, tần số dao động thạch anh ngoài 20MHz. Vi điều khiển tích hợp bộ nhớ chương trình Flash 8K từ (word), SRAM 368 byte, EEPROM 256 byte phục vụ lưu trữ số điện thoại không bị mất khi mất nguồn, khối định thời Timer, các cổng xuất nhập (Port A, B, C, D, E) và khối truyền thông nối tiếp đa năng USART.
• Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR): Hoạt động theo nguyên lý cảm nhận bức xạ nhiệt hồng ngoại từ cơ thể sống thông qua lăng kính Fresnel 23mm hội tụ năng lượng lên cặp tế bào nhiệt điện, khuếch đại bằng transistor FET và so sánh điện áp để đưa ra tín hiệu logic (mức cao 3.3V khi có chuyển động, mức thấp 0V khi tĩnh) trong góc quét hình nón nhỏ hơn 100 độ, tầm xa 7 mét.
• Truyền thông vô tuyến RF: Sử dụng cặp IC chuyên dụng PT2262 (mã hóa tại bộ phát) và PT2272T4 (giải mã tại bộ thu) tần số sóng mang 315MHz, mã hóa 12-bit (gồm 8 bit địa chỉ thiết lập bằng phần cứng và 4 bit dữ liệu) với điện trở dao động $R_{osc}$ phối hợp.
• Máy tính nhúng Raspberry Pi 2 và Camera Pi V2: Bộ xử lý lõi tứ Broadcom BCM2836 ARM Cortex-A7 900MHz, RAM 1GB, hệ điều hành nhúng trên thẻ nhớ MicroSD kết hợp camera 8 megapixel (cảm biến Sony IMX219) kết nối qua giao tiếp MIPI CSI-2 để chụp ảnh, quay video chuẩn Full HD 1080p và phân phối luồng qua giao diện web.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm: phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu kỹ thuật (datasheet linh kiện); phương pháp thiết kế phân tầng theo khối chức năng (khối nguồn, khối cảm biến đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối thực thi GSM, khối hiển thị/bàn phím, khối chuông báo, khối xử lý phụ); phương pháp tính toán tham số giải tích mạch điện tử; phương pháp thi công thực nghiệm mạch in (PCB) và lắp ráp mô hình vật lý; phương pháp lập trình điều khiển nhúng cấu trúc theo lưu đồ thuật toán.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống được tổ chức thành 7 khối chức năng phối hợp hoạt động chặt chẽ:

1. Khối nguồn cung cấp: Nhận điện áp từ Adapter 12VDC/220VAC hoặc nguồn Ắc quy dự phòng 12V, tự động chuyển mạch nguồn không ngắt quãng qua diode Schottky MBRS340 (chịu tải 3A, sụt áp thấp) và hạ áp ổn định về 5VDC qua IC ổn áp tuyến tính điện áp rơi cực thấp MIC29302 (dòng đỉnh 3A) để nuôi toàn bộ mạch điều khiển và module Sim900A.
2. Khối cảm biến không dây (Khối đầu vào): Bao gồm cảm biến chuyển động PIR và module phát RF PT2262 hoạt động ở tần số 315MHz.
3. Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC16F887 đóng vai trò trung tâm điều phối toàn bộ thuật toán quét phím, hiển thị LCD, đếm lùi thời gian, kiểm tra mật khẩu, ghi/đọc EEPROM và giao tiếp UART với Sim900A.
4. Khối thực thi: Module Sim900A kết nối với PIC16F887 qua giao tiếp UART (chân RC6/TX và RC7/RX) thông qua cầu phân áp hạ mức điện áp từ 5V xuống 4V.
5. Khối hiển thị: Màn hình Text LCD 20x4 kết nối vi điều khiển theo chế độ 4-bit dữ liệu (D4–D7) và các chân điều khiển RS, Enable; chân R/W và D0–D3 nối mass.
6. Khối bàn phím: Ma trận 12 phím bấm (các phím số 0–9, phím VIEW và phím OFF) có điện trở thanh kéo lên 10kΩ kết nối vào các chân GPIO của PIC16F887.
7. Khối chuông cảnh báo: Còi báo động (Buzzer 5VDC, dòng tiêu thụ $I_L = 460\text{ mA}$) được điều khiển đóng/ngắt bằng Transistor BJT 2N3904 (dòng $I_C \ge 500\text{ mA}$) qua điện trở định thiên cực gốc $R_{10} = 1\text{ k}\Omega$ và diode bảo vệ dập xung ngược 1N4148.
8. Khối xử lý phụ: Raspberry Pi 2 kết nối Camera Pi V2 8MP chạy máy chủ web cục bộ lưu trữ hình ảnh/video.

STT	Tên linh kiện	Thông số kỹ thuật chính	Số lượng	Vai trò trong hệ thống
1	PIC16F887	8-bit RISC, 40 chân, Flash 8K, DIP-40	1	Bộ vi điều khiển xử lý trung tâm
2	Module Sim900A	GSM/GPRS 900/1800MHz, UART, 3.8V–4.0V	1	Gửi tin nhắn SMS và thực hiện cuộc gọi khẩn
3	Cảm biến PIR	DC 4.5V–20V, góc quét < 100°, tầm xa 7m	1	Phát hiện bức xạ hồng ngoại từ người
4	Cặp Module RF	Tần số 315MHz, PT2262 (phát) / PT2272T4 (thu)	1 bộ	Truyền nhận tín hiệu cảnh báo không dây
5	Raspberry Pi 2	Broadcom BCM2836 900MHz, RAM 1GB	1	Máy tính nhúng xử lý phụ, lưu trữ web server
6	Camera Pi V2	8 Megapixel, Sony IMX219, quay HD 1080p	1	Ghi hình, truyền luồng video qua giao diện web
7	Text LCD 20x4	HD44780, hiển thị ký tự ASCII, nguồn 5V	1	Giao diện hiển thị hướng dẫn và cài đặt
8	IC nguồn MIC29302	Điện áp ra điều chỉnh, dòng tải định mức 3A	1	Ổn áp nguồn 5V/4V công suất cao
9	Diode MBRS340	Schottky Diode, 3A, sụt áp thuận thấp	1	Chống ngược cực, mạch chuyển nguồn tự động
10	BJT 2N3904	NPN, TO-92, điều khiển đóng cắt tải	1	Đóng ngắt còi báo động 5V/460mA
11	Buzzer	Còi báo 5VDC, $I_L = 460\text{ mA}$	1	Phát âm thanh cảnh báo tại chỗ

Tính toán tham số phần cứng

• Mạch chia điện áp thích ứng tín hiệu UART: Mức logic ngõ ra của PIC16F887 là 5V, trong khi chân RXD của module Sim900A làm việc ở mức tối đa 4V. Tác giả sử dụng mạch phân áp định luật Thevenin gồm điện trở nối tiếp $R_3 = 1\text{ k}\Omega$ và điện trở phân áp xuống mass $R_4 = 2.2\text{ k}\Omega$. Điện áp đưa vào module Sim900A đạt: $$V_{RXD} = 5\text{ V} \times \frac{2.2\text{ k}\Omega}{1\text{ k}\Omega + 2.2\text{ k}\Omega} \approx 3.44\text{ V} \text{ (nằm trong ngưỡng an toàn 3.3V - 4V)}.$$
• Mạch phân cực BJT lái còi: Buzzer 5V có dòng $I_L = 460\text{ mA}$. Transistor 2N3904 hoạt động ở chế độ bão hòa, với $\beta \approx 100$, dòng cực gốc bão hòa cần thiết $I_B \ge \frac{I_C}{\beta} = \frac{460\text{ mA}}{100} = 4.6\text{ mA}$. Điện áp kích mức cao từ chân RB1 của PIC là $V_{OH} \approx 5\text{ V}$. Điện trở định thiên $R_{10}$ được tính chọn: $$R_{10} = \frac{V_{OH} - V_{BE}}{I_B} = \frac{5\text{ V} - 0.7\text{ V}}{4.6\text{ mA}} \approx 934,\Omega \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } R_{10} = 1\text{ k}\Omega.$$

Quy trình điều khiển và giải thuật

1. Khi cấp nguồn, hệ thống khởi tạo các cổng GPIO, thiết lập giao tiếp LCD theo chế độ 4-bit, kích hoạt module Sim900A và kiểm tra kết nối sóng mạng viễn thông.
2. Hệ thống kiểm tra trạng thái hoạt động:
   • Nếu hệ thống đang ở chế độ ON (bật giám sát): Khi cảm biến PIR phát hiện có người lạ di chuyển trong phạm vi quét, tín hiệu mức cao truyền qua module phát PT2262 về module thu PT2272T4, kích hoạt ngắt/đọc chân RB2 của PIC16F887.
   • PIC16F887 kích hoạt bộ đếm lùi thời gian trễ 99 giây hiển thị trên LCD. Người dùng trong khoảng thời gian này phải nhập đúng mật khẩu 4 chữ số.
   • Nếu nhập đúng mật khẩu: Hệ thống giải trừ trạng thái báo động, ngừng đếm lùi và còi không kêu.
   • Nếu nhập sai mật khẩu quá số lần quy định hoặc hết 99 giây không nhập mật khẩu: Vi điều khiển lập tức xuất tín hiệu chân RB1 lên mức cao kích còi Buzzer kêu liên tục; đồng thời truyền chuỗi lệnh AT qua cổng USART điều khiển module Sim900A gửi tin nhắn SMS chứa đường link web camera và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp lần lượt đến 2 số điện thoại thuê bao đã cài đặt.
3. Thao tác cài đặt hệ thống: Khi nhấn phím VIEW, người dùng phải nhập mật khẩu xác thực. Nếu mật khẩu trùng khớp, hệ thống mở menu cho phép kiểm tra, nhập mới, thay đổi hoặc xóa 2 số điện thoại thuê bao (dữ liệu được ghi trực tiếp vào bộ nhớ EEPROM nội của PIC16F887). Nhấn phím OFF kèm mật khẩu để tắt chế độ giám sát khi chủ nhà có mặt ở nhà.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu bảo vệ an ninh nhà ở tự động, chi phí thấp, tận dụng sự phổ cập của mạng di động tại Việt Nam. Tác giả xác định mục tiêu thiết kế hệ thống báo trộm tích hợp gọi điện, nhắn tin cảnh báo qua SIM, lưu trữ 2 số điện thoại, đếm lùi 99 giây, tự chuyển nguồn ắc quy dự phòng và hỗ trợ quan sát hình ảnh web camera qua Raspberry Pi 2. Chương này cũng phân định rõ 5 nội dung nghiên cứu lý thuyết/thực nghiệm, xác định giới hạn kỹ thuật của đề tài và bố cục tổng thể gồm 6 chương của khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung khảo cứu cơ sở lý thuyết phần cứng và chuẩn giao thức:

• Tổng quan công nghệ GSM, mạng tế bào 2G, các dải tần 900/1800MHz, cấu trúc thẻ SIM và dịch vụ tin nhắn SMS (tối đa 140 byte).
• Cú pháp tập lệnh AT Command trong giao tiếp vi điều khiển với modem GSM.
• Thông số kỹ thuật chi tiết của các linh kiện chính: Module Sim900A (kích thước 24x24mm, điện áp 3.8V–4V, dòng nghỉ 1.5mA), vi điều khiển PIC16F887 (8-bit, 40 chân, bộ nhớ 8K Flash, 368 byte RAM, 256 byte EEPROM), Text LCD 20x4 chip HD44780, cảm biến chuyển động PIR (tầm quét 7m, góc < 100°), cặp IC thu phát RF PT2262/PT2272 tần số 315MHz, diode Schottky MBRS340, máy tính nhúng Raspberry Pi 2 (chip BCM2836 900MHz, 1GB RAM) và Camera Pi V2 8MP (cảm biến Sony IMX219).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa sơ đồ khối tổng quát và sơ đồ nguyên lý từng khối mạch:

• Khối nguồn cung cấp tích hợp mạch chuyển nguồn tự động giữa adapter 12V và ắc quy, sử dụng IC MIC29302 tính toán điện trở chia áp ngõ ra theo công thức: $$R_{11} = R_{12} \times \left(\frac{V_o}{1.24} - 1\right),$$ kết hợp hệ thống tụ lọc phẳng và tụ khử nhiễu (220µF, 1000µF, 100nF).
• Khối xử lý trung tâm PIC16F887 ghép nối mạch dao động thạch anh 20MHz, nút nhấn reset, cầu phân áp Thevenin ($R_3 = 1\text{ k}\Omega$, $R_4 = 2.2\text{ k}\Omega$) bảo vệ ngõ vào Sim900A, biến trở 500Ω chỉnh độ tương phản LCD $V_{EE}$.
• Mạch thu RF kết nối chân RB2 qua diode 1N4148; mạch điều khiển còi báo dùng Transistor 2N3904 với $R_{10} = 1\text{ k}\Omega$, $R_9 = 100,\Omega$ và diode dập xung ngược.
• Khối cảm biến không dây dùng cảm biến PIR kích mức logic 3.3V cho IC phát PT2262 truyền dữ liệu vô tuyến.

Chương 4: Thi công

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình hiện thực hóa hệ thống từ bản vẽ thiết kế đến sản phẩm hoàn chỉnh:

• Lập bảng danh mục linh kiện cơ bản phục vụ thi công mạch in.
• Quy trình vẽ mạch in (PCB Layout), gia công bo mạch, hàn linh kiện và quy trình đo kiểm nguội (kiểm tra chạm chập, ngắn mạch) cũng như kiểm tra điện áp cấp (5V tại chân 11, 32 của PIC16F887; 3.8V cấp cho Sim900A).
• Lắp ráp bộ điều khiển trung tâm trong hộp bảo vệ, lắp ráp bộ cảm biến không dây PIR - RF và ghép nối module Raspberry Pi 2 với Camera Pi V2 qua cáp dẹp Ribbon CSI-2.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết: lưu đồ chương trình chính, chương trình menu cài đặt, lưu đồ đọc quét ma trận phím, lưu đồ nhắn tin và gọi điện cảnh báo, lưu đồ kiểm tra mật khẩu bảo mật, lưu đồ nhập và lưu 2 số điện thoại. Lập trình vi điều khiển bằng phần mềm PIC C Compiler (CCS C) và sử dụng phần mềm IPScan dò tìm IP để cấu hình máy chủ Web Raspberry Pi Cam.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 trình bày hình ảnh mô hình thực tế của hệ thống sau thi công hoàn thiện, bao gồm giao diện tương tác LCD 20x4 khi nhập mật khẩu, các giao diện chức năng phím VIEW, OFF, giao diện web camera hiển thị hình ảnh từ xa và ảnh chụp tin nhắn SMS, cuộc gọi cảnh báo thực tế trên điện thoại di động của người dùng khi có người xâm nhập. Tác giả tổng kết đánh giá hệ thống vận hành đúng trình tự thiết kế: cảm biến PIR nhạy, đường truyền RF 315MHz ổn định, Sim900A gửi SMS và quay số cuộc gọi chính xác đến 2 thuê bao khi hết thời gian đếm lùi 99 giây, việc chuyển đổi nguồn điện lưới - ắc quy diễn ra tự động không làm gián đoạn hệ thống.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đối chiếu kết quả thực nghiệm với mục tiêu đề ra ban đầu, tổng kết các ưu điểm và thẳng thắn chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại của hệ thống. Đồng thời, chương này đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng tính năng kỹ thuật nhằm hoàn thiện hệ thống hướng tới khả năng ứng dụng thực tế thương mại.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

• Thi công hoàn chỉnh phần cứng bo mạch xử lý trung tâm, mạch nguồn tự động chuyển đổi ắc quy và khối cảm biến không dây.
• Hệ thống thực hiện chính xác chu trình cảnh báo: phát hiện thân nhiệt qua PIR, kích hoạt chuông báo, đếm lùi 99 giây hiển thị trên LCD 20x4, cho phép người dùng nhập mật khẩu 4 số để hủy cảnh báo.
• Module Sim900A hoạt động ổn định trên mạng di động, gửi tin nhắn SMS cảnh báo kèm đường link truy cập web camera và thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến đúng 2 số điện thoại được thiết lập trong EEPROM.
• Bàn phím 12 nút thực hiện đầy đủ các chức năng xem, thêm, sửa, xóa số điện thoại và chuyển trạng thái hoạt động (ON/OFF) với cơ chế bảo mật bằng mật khẩu người dùng.
• Raspberry Pi 2 và Camera Pi V2 (8MP Sony IMX219) thiết lập thành công giao diện web cục bộ cho phép xem trực tiếp, chụp ảnh và ghi video khi truy cập qua địa chỉ IP.
• Mạch nguồn tự động kích hoạt chế độ sử dụng bình ắc quy khi ngắt điện lưới 220VAC và tự phục hồi nạp/sử dụng điện lưới khi có điện trở lại mà không làm vi điều khiển bị khởi động lại (reset).

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

• Xây dựng thành công giải pháp an ninh kết hợp đa phương thức: cảnh báo âm thanh tại chỗ (còi Buzzer), cảnh báo tầm xa độc lập mạng Internet (cuộc gọi và SMS qua mạng GSM) và xác minh trực quan từ xa qua máy chủ web nhúng (Raspberry Pi Camera).
• Triển khai thành công cấu trúc cảm biến không dây dùng sóng RF 315MHz giúp việc bố trí cảm biến PIR tại các vị trí cửa ra vào linh hoạt, không cần đi dây phức tạp về tủ trung tâm.
• Đảm bảo tính liên tục của hệ thống an ninh nhờ khối nguồn tích hợp chuyển đổi ắc quy tự động, loại bỏ nguy cơ vô hiệu hóa hệ thống khi kẻ gian cố tình cắt nguồn điện sinh hoạt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

• Độ trễ truyền thông: Tốc độ gửi tin nhắn và thực hiện cuộc gọi của module GSM phụ thuộc vào chất lượng sóng mạng viễn thông tại khu vực lắp đặt.
• Khả năng giám sát hình ảnh từ xa qua Internet: Khối web camera trên Raspberry Pi 2 mới chỉ dừng lại ở việc truy cập trong mạng cục bộ (LAN) hoặc yêu cầu cấu hình mở cổng NAT/DDNS phức tạp trên router gia đình để truy cập từ ngoài Internet, văn bản chưa tích hợp giải pháp truyền luồng dữ liệu đám mây (cloud) tự động.
• Số lượng cảm biến: Mô hình thử nghiệm mới tích hợp 01 bộ cảm biến PIR không dây, chưa mở rộng nhiều vùng giám sát đồng thời (nhiều zone).

Hướng phát triển đề tài

• Mở rộng hỗ trợ kết nối nhiều cảm biến đầu vào thuộc các chủng loại khác nhau: cảm biến từ gắn cửa, cảm biến rung chấn, cảm biến khói - nhiệt báo cháy, cảm biến vỡ kính để tạo thành hệ thống an ninh đa vùng toàn diện.
• Nghiên cứu giải pháp truyền hình ảnh trực tiếp qua giao thức mạng di động (GPRS/3G/4G) gửi thẳng hình ảnh đối tượng xâm nhập đính kèm trong tin nhắn đa phương tiện (MMS) hoặc ứng dụng di động thay vì phụ thuộc vào máy chủ web cục bộ của Raspberry Pi.
• Phát triển ứng dụng trên điện thoại thông minh (Android/iOS) kết nối qua Internet để giám sát trạng thái, điều khiển bật/tắt thiết bị và nhận thông báo đẩy (push notification) trực quan hơn so với giao tiếp SMS truyền thống.
• Tối ưu hóa kích thước mạch in, đóng gói sản phẩm theo tiêu chuẩn công nghiệp nhằm nâng cao tính thẩm mỹ và độ bền cơ học khi triển khai thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Máy tính và Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống nhúng, vi điều khiển PIC và truyền thông GSM.
• Kỹ sư và người nghiên cứu phát triển các thiết bị IoT/M2M: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch nguồn dòng cao MIC29302, giải pháp chuyển nguồn dự phòng ắc quy tự động dùng Diode Schottky, mạch phân áp bảo vệ giao tiếp UART giữa vi điều khiển 5V và module SIM 3.8V.
• Phần đáng tham khảo nhất trong đồ án bao gồm:
  • Bản vẽ nguyên lý chi tiết và phương pháp tính toán tầng công suất lái còi báo động tại Chương 3.
  • Toàn bộ hệ thống lưu đồ thuật toán điều khiển (lưu đồ chính, lưu đồ menu, lưu đồ giao tiếp Sim900A, lưu đồ quét phím và lưu trữ EEPROM) tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Khi cảm biến PIR phát hiện có chuyển động, hệ thống xử lý thời gian trễ cảnh báo như thế nào trước khi kích hoạt gọi điện và nhắn tin?
Trả lời: Khi cảm biến PIR gửi tín hiệu qua sóng RF về vi điều khiển, hệ thống kích hoạt bộ đếm ngược 99 giây hiển thị trên màn hình LCD 20x4. Trong 99 giây này, nếu chủ nhà nhập đúng mật khẩu thì trạng thái báo động sẽ được giải trừ. Nếu nhập sai mật khẩu hoặc hết 99 giây không có người nhập mật khẩu, vi điều khiển sẽ kích hoạt còi Buzzer kêu liên tục, đồng thời gửi chuỗi lệnh AT sang module Sim900A để gửi tin nhắn SMS chứa liên kết camera và quay số gọi điện lần lượt đến 2 số thuê bao đã cài đặt trước.

Câu hỏi 2: Cầu phân áp giữa vi điều khiển PIC16F887 và module Sim900A được tính toán với giá trị linh kiện nào để bảo vệ cổng giao tiếp?
Trả lời: Cổng UART của PIC16F887 xuất mức điện áp 5V, trong khi chân nhận tín hiệu RXD của module Sim900A chỉ chịu được mức điện áp từ 3.3V đến 4V. Tác giả sử dụng cầu phân áp gồm điện trở nối tiếp $R_3 = 1\text{ k}\Omega$ và điện trở nối đất $R_4 = 2.2\text{ k}\Omega$. Điện áp sau phân áp đạt khoảng 3.44V, đảm bảo an toàn cho module Sim900A không bị hỏng hóc do quá áp.

Câu hỏi 3: Bộ nhớ nào của vi điều khiển được sử dụng để lưu trữ 2 số điện thoại thuê bao cảnh báo và tính năng này có ưu điểm gì?
Trả lời: Hai số điện thoại thuê bao được lưu trữ trong bộ nhớ EEPROM nội dung lượng 256 byte của vi điều khiển PIC16F887. Việc lưu trong EEPROM giúp các số điện thoại không bị mất đi khi hệ thống bị ngắt toàn bộ nguồn điện hoặc khi chuyển đổi nguồn nuôi.

Câu hỏi 4: Khối xử lý phụ sử dụng phần cứng và cảm biến camera nào để phục vụ chức năng truyền hình ảnh?
Trả lời: Khối xử lý phụ sử dụng máy tính nhúng Raspberry Pi 2 (bộ vi xử lý Broadcom BCM2836 lõi tứ 900MHz, RAM 1GB) kết nối với Camera Raspberry Pi V2 (độ phân giải 8 Megapixel, sử dụng cảm biến ảnh Sony IMX219) thông qua cổng giao tiếp 15-pin MIPI CSI-2.

Câu hỏi 5: Khối nguồn xử lý tình huống mất điện lưới hoặc bị cắt dây điện như thế nào?
Trả lời: Khối nguồn kết hợp song song nguồn điện lưới 220VAC qua adapter 12V và nguồn ắc quy dự phòng 12V thông qua diode Schottky MBRS340 và IC ổn áp MIC29302. Khi mất điện lưới, mạch tự động chuyển sang lấy dòng từ ắc quy dự phòng mà không gây sụt áp làm reset vi điều khiển; khi có điện trở lại, mạch tự động cấp nguồn trực tiếp từ adapter.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo trộm qua SIM" của nhóm sinh viên Nguyễn Thị Mộng Linh và Dương Thị Hoài Duyên đã giải quyết trọn vẹn bài toán an ninh nhà ở tự động bằng việc kết hợp vi điều khiển PIC16F887, cảm biến chuyển động PIR không dây RF và module viễn thông Sim900A. Hệ thống hoạt động chính xác với quy trình đếm lùi 99 giây bảo mật bằng mật khẩu, tự động gửi tin nhắn SMS, thực hiện cuộc gọi khẩn cấp đến 2 số điện thoại cài đặt trong EEPROM, hỗ trợ giám sát hình ảnh qua Raspberry Pi 2 và duy trì hoạt động liên tục nhờ bộ nguồn chuyển mạch ắc quy tự động. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, tài liệu thiết kế phần cứng và giải thuật điều khiển rõ ràng, là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện tử - Viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan: Ở chương này, nhóm giới thiệu tình hình nghiên cứu, mục tiêu, giới hạn đề tài và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết :Nhóm trình bày những lý thuyết liên quan đến phần cứng hệ thống, những giao thức sử dụng trong đề tài và những linh kiện được sử dụng.  Tổng quan đặc điểm về GSM, SIM  Tập lệnh AT dùng trong truyền nhận dữ liệu giữa module sim và điện thoại  Giới thiệu các linh kiện được sử dụng cho đồ án Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán: Chương này sẽ trình bày cách giải quyết vấn đề, các mẫu thiết kế để thực hiện mục tiêu đề tài:  Phân tích hệ thống, những yêu cầu mà nhóm đã đặt ra từ ban đầu, xây dựng lên sơ đồ khối tổng quát, từ đó nhóm phân tích và thiết kế sơ đồ chi tiết.  Thiết kế phần cứng hệ thống: dựa trên những yêu cầu đã đặt ra và sơ đồ khối, nhóm thiết kế phần cứng hệ thống, những tính toán trong thiết kế.

Chương 4: Thi công :  Tiến hành thi công hệ thống.  Đóng gói và thi công mô hình.  Lập trình hệ thống và lập trình mô phỏng.  Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác.

Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá:  Tóm tắt ngắn gọn các kết quả đạt được sau khi thi công.  Đưa ra nhận xét và đánh giá cho kết quả đạt được. Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển:  Đối chiếu kết quả với mục tiêu ban đầu để đánh giá hoạt động của hệ thống.  Nhìn nhận những ưu điểm của hệ thống so với các đề tài trước.

 Những nhược điểm cần khắc phục.  Hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 3 do an Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Từ mô hình tổng quan xây dựng được, nhóm lần lượt tìm hiểu những nội dung lý thuyết liên quan.  Tìm hiểu mạng GSM.

Hệ thống hoạt động theo hình thức gửi dữ liệu dưới dạng tin nhắn và gọi điện, đây là một dịch vụ được cung cấp bởi GSM.  Tìm hiểu về tin nhắn và gọi điện bằng SIM bao gồm cấu trúc và đặc điểm của SIM. Khi muốn gửi tin nhắn từ module GSM đến điện thoại cần sử dụng lệnh trong tập lệnh AT. Vì vậy, việc tìm hiểu tập lệnh AT là cần thiết cho quá trình lập trình cho VĐK.

Bên cạnh những nội dung lý thuyết liên quan về GSM và SIM để thực hiện bước tiếp theo là tính toán và thiết kế mạch cần tìm hiểu về các linh kiện được sử dụng. cho phần cứng. Nội dung tìm hiểu của chương bao gồm các linh kiện là: - Module Sim 900A - PIC 16F887 - Cảm biến PIR - LCD 20x4 - Module thu phát RF - Diode MBRS340 - Raspberry pi 2 - Camera Pi V2 Nội dung tìm hiểu được của chương này chủ yếu dựa vào datasheet được cung cấp bởi nhà sản xuất.2 TỔNG QUAN VỀ GSM 2.1 Giới thiệu về GSM GSM 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, 4 do an 900Mhz, 1800Mhz và 1900Mhz, được tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ( ETSI ) quy định [1]. Mặt thuận lợi to lớn của công nghệ 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 gọi và tin nhắn SMS [1].2 Đặc điểm công nghệ GSM GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới.