Đồ Án Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển từ xa qua mạng internet và gsm

MỤC LỤC TRANG
CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP. 9
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9
1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀI. 10
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 10
1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 10
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11
1.6 KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU 11
1.7 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. 12
CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC HỆ THỐNG GSM . 14
2.1 CÁC THÀNH PHẦN MẠNG GSM . 14
2.1.1 CẤU HÌNH CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG GSM . 14
2.1.2 CHỨC NĂNG CỦA CÁC KHỐI. 15
2.2 BĂNG TẦN SỬ DỤNG TRONG GSM . 19
2.2.1 GSM 900. 19
2.2.2 GSM 1800. 20
2.2.3 GSM 1900. 21
2.3 CÁC THỦ TỤC TRONG GSM . 21
2.3.1 CẬP NHẬT VỊ TRÍ. 21
2.3.2 THỦ TỤC TÌM GỌI. 25
2.3.3 THỦ TỤC KHỞI XƯỚNG CUỘC GỌI. 25
2.3.4 THỦ TỤC NHẬN CUỘC GỌI. 26
2.3.5 CHUYỂN GIAO (HANDOVER). 27
2.4 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH THIẾT LẬP CUỘC GỌI TRONG MẠNG GSM 28
2.4.1 TRẠM DI DỘNG MS THỰC HIỆN CUỘC GỌI. 28
2.4.2 MS NHẬN CUỘC GỌI. 30
CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ TIN NHẮN SMS. 33
3.1 GIỚI THIỆU VỀ SMS. 33
3.2 TIN NHẮN SMS CHUỖI/ TIN NHẮN SMS DÀI. 33
3.3 ĐIỀU GÌ LÀM CHO TIN NHẮN SMS TRỞ LÊN RỘNG KHẮP. 34
3.4 SMS CENTRE/SMSC 35
3.5 NHẮN TIN SMS QUỐC TẾ 35
3.6 SMS GATEWAY 36
3.7 MÃ NGUỒN MỞ VÀ PHẦN MỀM SMS GATEWAY 38
CHƯƠNG 4 BỘ GIAO THỨC TCP/IP. 39
4.1 GIỚI THIỆU 39
4.2 TỔNG QUÁT VỀ TCP/IP. 39
4.2.1.TẦNG GIAO DIỆN MẠNG (NETWORK INTERFACE LAYER). 39
4.2.2 TẦNG LIÊN MẠNG (INTERNET LAYER). 40
4.2.3 TẦNG GIAO VẬN (TRANSPORT LAYER). 40
4.2.4 TẦNG ỨNG DỤNG (APPLICATION LAYER). 40
4.3 ĐỊA CHỈ IP. 41
4.4 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC VÀ ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43
4.4.1 ĐỊA CHỈ IP PUBLIC 43
4.4.2 ĐỊA CHỈ IP PRIVATE 43
4.5 LỚP ĐỊA CHỈ. 44
4.6 SUBNET MASK 46
4.7 DEFAULT GATEWAY 47
4.8 CHIA SUBNET 47
4.9 SUPERNETTING 49
4.10 CIDR (CLASSLES INTER-DOMAIN ROUTING) – ĐỊNH TUYẾN LIÊN VÙNG KHÔNG PHÂN LỚP. 50
4.11 VARIABLE LENGTH SUNET MASKS (SUBNET MASKS CÓ CHIỀU DÀI THAY ĐỔI) 51
4.12 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC TCP/IP VÀ INTERNET 55
4.12.1 ĐỊA CHỈ VẬT LÝ HAY CÒN GỌI LÀ ĐỊA CHỈ MAC 59
4.12.2 SAP. 60
4.12.3 ĐỊA CHỈ MẠNG( NETWORK ADDRESS). 60
4.12.4 PROTOCOL ID 62
4.12.5 PORT 62
4.12.6 USERNAME 62
4.13 CÁCH MỞ PORT CHO MODEM . 66
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 70
5.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 70
5.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA GSM MODULE 71
5.3 KHỐI ĐIỀU KHIỂN VÀ GIAO TIẾP. 72
5.3.1 SƠ ĐỒ KHỐI. 72
5.3.2 CHIP ARM STM32F103. 72
5.3.3 KHỐI MAX232. 85
5.3.4 KHỐI NGUỒN 5V SỬ DỤNG IC 7805. 86
5.3.5 KHỐI NGUỒN 3.3V SỬ DỤNG IC 1117. 87
5.4 KHỐI GSM MODULE SIM300CZ 88
5.4.1 SƠ ĐỒ KHỐI. 88
5.4.2 KHỐI MODULE SIM300CZ 88
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 118
6.1 SẢN PHẨM . 118
6.2 KẾT NỐI VÀ SỬ DỤNG HỆ THỐNG 122
6.2.1 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ. 122
6.2.2 SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐỂ ĐỊNH VỊ ĐỐI TƯỢNG 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO 127
CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP1.1 ĐẶT VẤN ĐỀNgày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự bùng nổ trong lĩnh vực Công nghệ thông tin và Viễn thông đã tạo ra bước ngoặc quan trọng đáp ứng nhu cầu của con người, biến những đòi hỏi tưởng chừng như không tưởng trước đây thành hiện thực.
Với nhu cầu thông tin ngày càng tăng của con người, mạng viễn thông đã ra đời để đáp ứng nhu cầu đó. Hiện nay, mạng viễn thông đã trở nên phổ biến trên toàn cầu và gần gũi với con người, không chỉ đáp ứng nhu cầu trao đổi thông tin đơn thuần (nghe gọi, nhắn tin) mà chúng càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực. Với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ và ứng dụng việc thông tin qua mạng viễn thông ngày tiện lợi, tiết kiệm thời gian, đảm bảo an toàn và tiết kiệm được chi phí sử dụng. Với chất lượng mạng viễn thông như hiện nay đã tạo điều kiện cho các ứng dụng về điều khiển từ xa ra đời và càng ngày càng được ứng dụng rộng rãi.
Xã hội loài người phát triển đòi hỏi con người phải hoạt động trong các môi trường phức tạp và nguy hiểm hơn, khi đó điều khiển từ xa trở nên một yêu cầu tất yếu. Từ những robot làm việc trong các hầm mỏ, nhà máy điện hạt nhân, dưới đáy đại dương, robot chiến trường hay các robot khám phá các hành tinh xa xôi đều là các thành tựu công nghệ về điều khiển từ xa.
Với sự phát triển của mạng Internet và công nghệ robot, ngành y khoa đã thực hiện được một việc không tưởng đó là “phẫu thuật tim từ xa qua mạng Internet”. Bác sĩ chuyên gia tim mạch người Mỹ Andre Ng đã thực hiện thành công ca phẫu thuật tim từ xa đầu tiên của thế giới tại Bệnh viện Glenfield ở Leicester thuộc Vương quốc Anh. Bằng cách sử dụng thao tác trên bộ điều khiển Remote Catheter được chế tạo bởi công ty Catheter Robotics ở New Jersey, United States.
Với điều kiện cơ sở vật chất hiện có ở nước ta và nhu cầu thực tế. Thì ứng dụng điều khiển các thiết bị từ xa qua mạng Internet và mạng điện thoại di động GSM là rất khả thi. Ứng dụng này sẽ giúp người điều khiển các thể quản lý và điều khiển các thiết bị một cách nhanh chóng, chính xác, hiệu quả mà không bị giới hạn về khoảng cách chỉ cần nơi đó có mạng Internet hoặc mạng di động phủ sóng.
Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm thực hiện đề tài đã quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài “ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA MẠNG INTERNET VÀ GSM”
Với đề tài trên nhóm đề tài đã thực hiện việc điều khiển từ xa theo ba hướng hướng chính:

1. Điều khiển trực tiếp qua cáp USB kết nối giữa máy tính có cài phần mềm ứng dụng SMS Controller Kit và KIT điều khiển. Cho phép điều khiển thiết bị qua phần mềm với khoản cách ngắn.
2. Điều khiển Kit điều khiển thông qua Socket mạng Internet/LAN giữa các máy tính có cài phần mềm SMS Controller Kit.
3. Điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS từ bất kỳ thuê bao di động nào. KIT điều khiển sẽ nhận tin nhắn SMS theo cấu trúc cho trước. Phân tích yêu cầu điều khiển và thực hiện điều khiển thiết bị.

Ngoài ra hệ thống còn có các chức năng phụ giống như một chiếc di động như nhận và thực hiện cuộc gọi và nhắn tin.
1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐỀ TÀIHiện nay, đất nước ta đang tiến hành công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Đứng trước bối cảnh bùng nổ khoa học công nghệ hiện nay. Việt Nam đã thực hiện chủ trương “đi tắc đón đầu” về khoa học công nghệ, tạo tiền đề cho các lĩnh vực khác phát triển. Và Việt Nam đang trở thành nơi đầy tiềm năng về phát triển khoa học công nghệ và điện tử. Đặc biệt là nơi phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực Công nghệ thông tin, điện tử viễn thông và tự động hóa.
Trong lĩnh vực điện tử thì ứng dụng điều khiển từ xa đã khá phổ biến, chẳng hạn như: điều khiển bằng tia hồng ngoại, sóng vô tuyến, sóng siêu âm . tuy nhiên những phương pháp này hạn chế về điều kiện môi trường, địa hình và phạm vi điều khiển hẹp.
Do đó, đề tài này không những là một yêu cầu từ thực tế khách quan mà có vai trò đặc biệt quan trọng trong hiện tại và tương lai. Ưu điểm rất dễ nhận thấy của đề tài là khắc phục các hạn chế về khoảng cách, rất thông dụng dễ dàng thực hiện với các thiết bị gần gũi với con người, sẽ góp phần tăng hiệu suất thiết bị, giảm tổn hao về thời gian và chi phí. Đặt biệt là nó rất phù hợp với phong cách làm việc ngày càng hiện đại và năng động trong thời kỳ khoa học công nghệ hiện nay.
Vì vậy, việc thực hiện đề tài là một nhu cầu hết sức cần thiết và đó cũng là lý do nhóm thực hiện quyết định chọn đề tài này.
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨUDo điều kiện thời gian và kinh phí có hạn, kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế nên phạm vi đề tài của nhóm thực hiện gồm các nội dung như sau:
- Sử dụng module SIM300CZ để thiết lập giao tiếp với mạng di động GSM và GPRS.
- Dùng chip ARM STM32F103x làm chip điều khiển thiết bị và giao tiếp với phần mềm quản lý .
- Sử dụng Socket mạng và tin nhắn để phục vụ cho việc điều khiển từ xa.
1.4 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Đồ án được nghiên cứu và thực hiện với mục đích áp dụng những kiến thức đã được học trong nhà trường để thiết kế, tạo ra một hệ thống điều khiển tự động từ xa bằng tin nhắn SMS và qua mạng Internet hoàn chỉnh.
- Tìm hiều về hệ thống điện thoại di động GSM hiện nay. Nghiên cứu và sử dụng các module GSM/GPRS phổ biến hiện nay (Ví dụ như các module SIMxxx). Module nhóm thực hiện nghiên cứu và sử dụng là module SIM300CZ của hãng SIMCom.
- Nghiên cứu và sử dụng chip vi điều khiển ARM Cortex M3. Chip mà nhóm đã tiến hành nghiên cứu và sử dụng là chip STM32F103 của hãng STMicroelectronics.
- Nghiên cứu và lập trình socket trên Java. Sản phẩm của nhóm là phần mềm giao tiếp điều khiển SMS Controller Kit. Có khả năng giao tiếp với KIT điều khiển qua cổng USB và giao tiếp Socket với máy tính khác qua mạng Internet với chuẩn giao tiếp TCP/IP.
- Nghiên cứu lập trình Driver cho hệ thống. Mà cụ thể ở đây là lập trình driver cho cổng USB.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

• Phương pháp đọc và nghiên cứu tài liệu: Chủ yếu là các tài liệu có kiến thức liên hệ đến kỹ thuật điện tử, ngoại vi và vi xử lý, các phương thức giao tiếp.
• Phân tích công trình liên quan.
• Phương pháp thực nghiệm: Kết nối phần cứng (board) giao tiếp USB, Cổng COM, socket. Dùng module khảo sát đo đạt vị trí sau đó gửi về server qua kết nối Internet và GPRS