Реферат по теме выпускной работы

Внимание! Данный реферат относится к еще не завершенной работе. Примерная дата завершения: Июнь 2018 г. Обращайтесь к автору после указанной даты для получения окончательного варианта.

Содержание

• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обзор международных источников
• 3.2 Обзор национальных источников
• 3.3 Обзор локальных источников
• 4. Проектирование универсального GSM‐контроллера
• 4.1 Структурная схема и основные элементы контроллера
• 4.2 Описание принципа работы
• 4.2.1 Режим Конфигурирование
• 4.2.2 Режим Сигнализация
• 4.2.3 Режим Контроль
• 4.2.4 Режим Управление
• Выводы
• Список источников

Введение

В связи с тем, что на сегодняшний день мобильные телефоны и смартфоны получили широкое распространение, и в качестве передающей среды используется сотовая связь, стандарт GSM широко применяется для удаленного доступа к автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУ ТП), а именно к программируемым логическим контроллерам (ПЛК). Такой доступ позволяет осуществлять удаленный мониторинг данных на входах, управление состояниями на выходах контроллера, корректировку конфигурируемых параметров программы ПЛК, изменение настроек системы управления и экономию на выезде специалиста на объект внедрения автоматизированных систем управления технологическим процессом. Стандарт сотовой связи GSM предусматривает передачу не только голоса, но и данных, причём достоверность и надёжность при обмене информацией, высокие скорости, а также возможность организации удалённого контроля и получение ответной реакции на текущую ситуацию соответствуют основным требованиям, которые в различных отраслях промышленности выдвигают инженеры-разработчики АСУ ТП. Ввиду этого технологии и базовые решения на основе сотовой связи вызвали интерес у специалистов и руководителей предприятий и коммерческих структур [1].

1. Актуальность темы

На сегодняшний день GSM‐контроллеры имеют широкую распространенность и востребованность в автоматизированных системах управления, в системах умного дома, в системах пожарной и охранной сигнализации, в системах контроля доступа и др., которые построены на базе нескольких контроллеров, использующих функции либо оповещения, либо мониторинга, либо управления. Наиболее актуальными и востребованными являются универсальные GSM‐контроллеры. Универсальность означает, что на базе одного GSM‐контроллера можно построить систему с функциями и оповещения, и мониторинга и управления удаленными объектами, а также с возможностью задания (с помощью ПК) и удаленного изменения (через GSM‐канал связи) настроек контроллера. Фактически в универсальном GSM‐контроллере объединены все основные функции GSM‐контроллеров, из которых состоят выше приведенные системы.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является совершенствование универсального GSM‐контроллера для задач сигнализации, контроля, управления систем автоматизации с использованием удаленного доступа через канал сотовой связи GSM.

Задачи исследования:

1. обзор и анализ существующих GSM‐систем удаленного управления;
2. определение необходимых АТ-команд и тестирование их на совместимость с модемом;
3. разработка технического задания;
4. разработка структурной и принципиальной схемы контроллера;
5. разработка программного обеспечения;
6. полевые испытания контроллера.

В рамках магистерской работы планируется изготовление устройства – универсального GSM‐контроллера, в котором должны быть реализованы режимы работы Сигнализация, Контроль, Управление и Конфигурирование, их функции и подфункции, а также возможность использования пользователем одного, двух или всех трех режимов одновременно. Должна быть реализована возможность использования режима Конфигурирование как через GSM, так и через USB, используя специально разработанное ПО на ПК. В таблице 2.1 приведены функции и подфункции режимов работы контроллера.

Таблица 2.1 — Функции и подфункции режимов работы универсального GSM‐контроллера

3. Обзор исследований и разработок

Работ, посвященных разработке и исследованию GSM‐контроллеров, GSM‐устройств и систем удаленного управления через GSM‐канал связи, достаточно много как в международном пространстве, так и в национальном и локальном сегментах.

3.1 Обзор международных источников

В статье A Smart Home System Design Based on GSM авторов Rongrong Zhang, Xiaoping Zou, Wenhui Huang, Qimu-Surong описывается система управления умным домом через GSM‐канал связи посредством отправки коротких сообщений с мобильного телефона. В данной системе, построенной на одном GSM‐контроллере, реализована только функция удаленного управления посредством отправок SMS-сообщений (функции оповещения и мониторинга не были предусмотрены) [2].

В статье Александра Елисеева (г. Вильнюс, Литва) Универсальный модульный контроллер с ядром ARM9 описан встраиваемый многофункциональный контроллер с GPS- и GSM‐модулями, разработанный для интернет-приложений. Данный контроллер разрабатывался для мобильных систем, таких как транспортные средства или носимые устройства, но также может быть применен для стационарных систем, например, умный дом, системы мониторинга для метеостанций, систем малых гидроэлектростанций и т.д. Универсальность обуславливается широким диапазоном применения контроллера [3].

3.2 Обзор национальных источников

Статья RIT35 – современные GSM‐системы мониторинга Александра Минаева и Юлии Ващенко описывает системы мониторинга различных объектов, построенных на базе унифицированных блоков RIT35 с гибким набором модулей и использованием GSM‐связи. В данной системе реализована функция оповещения пользователя SMS-сообщением при срабатывании какого-либо датчика или при выходе контролируемого аналогового параметра за установленные пределы [4].

В статье Микроконтроллерная система безопасности с использованием GSM‐канала описывается устройство, предназначеное для обеспечения безопасности квартир, дачных домиков, гаражей и других объектов. Система предназначена для автоматического контроля состояния охраняемого объекта. При несанкционированном вскрытии или возникновении пожара на объекте система извещает хозяина объекта по мобильному телефону и формирует звуковые и световые сигналы, привлекающие внимание к охраняемому объекту [5].

3.3 Обзор локальных источников

В статье Система сигнализации автомобиля на базе GSM/GPS/FPGA технологий авторов Грудинина А.А., Похомова А.А. и др. приводится описание автономного модуля, в котором реализована функция определения локальных координат объекта по сигналу пользователя (средствами мобильной связи) и отправка координат пользователю SMS-сообщением [6].

4. Проектирование универсального GSM‐контроллера

4.1 Структурная схема и основные элементы контроллера

Структурная схема универсального GSM‐контроллера представлена на рис. 4.1. Как видно из рисунка, разрабатываемый GSM‐контроллер состоит из блока питания, микроконтроллера, GSM‐модема, DTMF‐декодера и модулей аналоговых/дискретных входов и выводов.

В данном разрабатываемом устройстве используется микроконтроллер фирмы ATMEL ATmega8L, в качестве каналообразующего оборудования используется GSM‐модем фирмы SIMCom SIM900, а DTMF‐декодер BT8870 - фирмы Altech corporation. Универсальный GSM‐контроллер обладает двумя дискретными и двумя аналоговыми входами, а также двумя дискретными и двумя аналоговыми выходами.

4.2 Описание принципа работы

4.2.1 Режим Конфигурирование

Перед первым запуском устройства необходимо произвести начальную инициализацию параметров контроллера, осуществляемую функциями и подфункциями режима Конфигурирование. Инициализация параметров осуществляется с помощью специального ПО, разработанного для режима Конфигурирование. На рисунке 4.2 представлено окно ПО, в котором представлено задание номеров пользователей режима Конфигурирование.

С помощью данного ПО также можно изменять уже заданные значения параметров универсального GSM‐контроллера. Данные параметры определяют дальнейшую работу контроллера. Например, какие режимы будут работать, какие входы и выходы будут использоваться в каждом режиме, на какой номер телефона будут приходить оповещения и т.д. Обязательным для задания параметром являются номер телефона пользователя, поскольку без него задание остальных параметров становится невозможным: без номера пользователя контроллеру некому будет отправлять оповещения или принимать SMS-сообщения и звонки, что делает универсальный GSM‐контроллер бесполезным устройством.

Параметры передаются от ПК к контроллеру по интерфейсу UART в виде специальных команд, вид которых следующий:

\[режим работы][пробел][название команды][пробел][параметры].

Символ \ указывает на прием команды, а символ . – на конец приема команды. После символа \ указывается название режима, которое определяет функцию режима Конфигурирование. Название команды определяет подфункцию функции или только функцию (если отсутствуют подфункции) режима. В качестве параметра указывается значения 0 или 1 (за исключением функций Добавление и изменение номера пользователя, Изменение пароля доступа к заданию параметров настроек и подфункции Задание периода изменения скважности). На рисунке 4.3 показан пример команды включения/выключения режима Управление, а на рисунке 4.4 – пример изменения номера оповещения.

После приема команды параметр записывается в ячейку энергонезависимой памяти микроконтроллера EEPROM по адресу, определяемому командой, после чего считывается и, в соответствии со значением параметра, производится настройка. Например, на рисунке 4.3 показана команда включения/выключения режима Управления с параметром 1. В результате приема данной команды параметр 1 запишется в третью (03h) ячейку памяти EEPROM, затем будет считан по данному адресу, и установится флаг активации режима Управление.

После начальной инициализации параметров контроллера (при последующих включениях устройства) в главной функции ПО микроконтроллера после промежуточных настроек (настройки рабочих и управляющих регистров, флагов, ячеек памяти SRAM и т.д.), следует выполнение функций и подфункций по сохраненным в EEPROM значениям параметров. Это избавляет пользователя от необходимости после каждого включения задавать одинаковые настройки.

Изменять значения параметров можно и с помощью канала GSM. Шаблон команд для режимов Сигнализация, Контроль и Управления аналогичен предыдущим командам, но для режима Конфигурирование имеет другой вид:

\[пароль доступа][пробел][режим работы][пробел][название команды][пробел][параметры].

Пароль доступа необходим для обеспечения безопасности доступа к настройкам контроллера. Остальные поля аналогичны полям команд других режимов работы.

4.2.2 Режим Сигнализация

Принцип работы данного режима заключается:

1. в постоянном исполнении функции Проверка состояний входов контроллера в каждый тактовый цикл микроконтроллера, если он не занят другой операцией;
2. в выполнении функции Оповещение пользователя об изменении состояний входов.

Подфункция Проверка наличия активного уровня на дискретном входе проверяет наличие на контакте микроконтроллера, к которому подключен дискретный вход, логического нуля (активного уровня). Подфункция Проверка достижения или перехода за установленные границы диапазона сигнализации аналогового входа сравнивает значение регистра ADCH со значениями границ диапазонов, заданных пользователем. Если на одном дискретном входе появился активный уровень, либо произошло достижение/переход за установленные границы на одном аналоговом входе, то формируется SMS-сообщение, в тексте которого содержится номер и название входа и его состояние, либо совершается звонок на первый (по умолчанию) номер пользователя. Система продолжает оповещать пользователя каждые три минуты до тех пор, пока он не совершит звонок на модем, и контроллер не сбросит этот звонок (после проверки номера телефона), после чего формируется SMS-сообщение с текстом User notified и отправляется пользователю с целью подтвердить, что оповещения прекращены. На рисунке 4.5 продемонстрировано работа режима Сигнализация.

Способ оповещения можно выбрать, используя подфункцию Выбор типа оповещения в функции Настройка режима Сигнализация в режиме Конфигурирование. По умолчанию выбрано оповещение SMS-сообщениями.

SMS-сообщения формируются АТ-командой “AT+CMGS=<номер пользователя>”, в ответ на которую модем выдает символ >, после чего формируется текст сообщения. Например, АТ-команда

AT+CMGS=+380123456789
>2 analog’s input is changed value 127!

формирует и отправляет SMS-сообщение на номер телефона +380123456789 с текстом, указывающим на второй аналоговый вход и его текущее значение. Звонок совершается АТ-командой “ATD<номер пользователя>;”, а сбрасывается командой “ATH”.

4.2.3 Режим Контроль

Принцип работы режима Контроль заключается в поочередном выполнении двух функций: Получение текущего состояния аналоговых и дискретных входов контроллера по запросу пользователя и Информирование пользователя о текущем состоянии аналоговых и дискретных входов. Первая функция начинает свое выполнение по запросу пользователя, т.е. после получения контроллером SMS-сообщения от номера пользователя, или после ответа на звонок и приема DTMF‐команды. Текст SMS-сообщения представляет собой текст команды следующего вида:

?CONDITION[пробел][тип входа][пробел][номер входа]

Символ ? указывает на прием команды режима Контроль.

DTMF‐команда формируется из двухтональных многочастотных сигналов DTMF, соответствующих клавишам клавиатуры телефона. С помощью DTMF декодера BT8870 двухтональный многочастотный сигнал декодируется в двоичный код, который проверяется микроконтроллером. Вид DTMF‐команды следующий:

*[режим работы][функция][подфункция]#

Символ * указывает на прием команды, а символ # – на конец приема команды. В поле режим работы указываются цифры от 1 до 4, соответствующие режимам работы контроллера:

• 1 – режим Конфигурирование;
• 2 – режим Сигнализация;
• 3 – режим Контроль;
• 4 – режим Управление.

В поле функция указывается номер функции данного режима, а в поле подфункция – номер подфункции данной функции. Номера функций и подфункций указаны в таблице 4.1. Данный вид DTMF‐команд используется во всех остальных режимах за исключением режима Конфигурирование, поскольку для этого режима DTMF‐команды не применяются. На рисунке 4.6 показан пример DTMF‐команды для получения текущего состояния дискретного входа.

После приема данной DTMF‐команды, или SMS-сообщения с текстом “?CONDITION DIS 1”, начинается выполнение второй функции режима Контроль – Информирование пользователя о текущем состоянии аналоговых и дискретных входов. Суть данной функции заключается в формировании и отправке SMS-сообщения пользователю с текстом следующего вида:

[номер входа][пробел][тип входа][дефис][состояние входа]

Для предыдущей команды текст сообщения следующий: "1 DIS INPUT-OFF”.

Для аналоговых входов в поле состояние входа указывается текущее значение входа, полученное из регистра ADCH.

Если у функции отсутствуют подфункции, то в поле подфункции вводится цифра 0.

4.2.4 Режим Управление

Принцип работы данного режима заключается в выполнении функции Изменения состояния выходов по команде пользователя и ее подфункций. Выполнение данной функции начинается, как и в режиме Контроль, с запроса пользователя в виде SMS-сообщения или DTMF‐команды. Применение DTMF‐команд в режиме Управление возможно только для подфункции Изменение состояния дискретных выходов с помощью DTMF‐команд. Вид текста SMS-сообщения следующий:

!CHANGE[пробел][номер выхода][пробел][тип выхода][дефис][состояние]

Символ ! указывает на прием команды режима Управление. В поле состояние указываются ON или OFF для дискретных выходов. Эти слова обозначают включение или выключение выхода.

Аналоговые выходы представляют из себя ШИМ (широтная-импульсная модуляция), которые делятся на два подтипа: с постоянной и с переменной скважностью. Подтип выбирается в подфункции Выбор типа скважности в функции Настройка режима Управление режима Конфигурирование.

Если выбран подтип с постоянной скважностью, то пользователь с помощью SMS-сообщений может изменить величину скважности, указав в поле состояние текста сообщения новое значение. Если выбран подтип с переменной скважностью, то пользователь указывает в данном поле значение периода изменения (коэффициент заполнения) скважности в процентах.

Выводы

Анализ источников показал, что тема исследования и разработки универсального GSM‐контроллера актуальна не только в международном, но и национальном и локальном научных сообществах.

Были выдвинуты требования к универсальному GSM‐контроллеру и описаны принципы работы режимов контроллера и его функций и подфункций, а также была приведена структурная схема универсального GSM‐контроллера, продемонстрированы тексты SMS-сообщений и DTMF‐команд.

Дальнейшая работа будет направлена на совершенствование и доработку программного обеспечения на ПК и микроконтроллер, разработку принципиальной схемы устройства, добавление возможности применения DTMF‐команд в режиме Управление для аналоговых выходов.

Список источников

1. Применение GSM/GPRS‐технологий для построения эффективных АСУ ТП // http://genisys.ge. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://genisys.ge/ru/news/применение-gsmGPRS‐технологий-для-построения-эффективных-асу-тп
2. Rongrong Zhang A Smart Home System Design Based on GSM / Zhang Rongrong, Zou Xiaoping, Huang Wenhui, Surong Qimu // Communications and Network. – 2013. – Vol.5, No.1B. – С. 25 – 28.
3. Елисеев А. Универсальный модульный контролер с ядром ARM9 / А. Елисеев // Современная электроника. – 2011. - №2. – С. 54 – 63.
4. Минаев А., Ващенко Ю. RIT35 — современные GSM системы мониторинга / А. Минаев, Ю. Ващенко // Современная электроника. – 2006. - №9. – С. 42 – 43.
5. Вальпа О. Микроконтроллерная система безопасности с использованием GSM‐канала / О. Вальпа // Современная электроника. – 2007. - №9. – С. 34 – 37.
6. Грудинин А. А. Система сигнализации автомобиля на базе GSM/GPS/FPGA технологий: статья из сборника / А. А. Грудинин, , А. А. Похомов, К. В. Медведев, А.И. Медгаус, Е. Ю. Зинченко. – Д.: ДонНТУ, 2010. – 17 с.
7. Применение GSM‐канала в системах охраны (Часть 1) // daily.sec.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://daily.sec.ru/2010/03/22/AI-Avramchuk-Primenenie-GSM‐kanala-v-sistemah-ohrani-CHast-1.html.
8. Применение GSM‐канала в системах охраны (Часть 3) // daily.sec.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=24828.
9. AVR. Учебный курс. Передача данных через UART // Easy Electronics [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://easyelectronics.ru/avr-uchebnyj-kurs-peredacha-dannyx-cherez-uart.html.
10. UART. Применение в электронных проектах // GetChip [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.getchip.net/posts/044-uart-primenenie-v-ehlektronnykh-proektakh/.
11. Управление GSM модулем с AVR // Geek Times [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://geektimes.ru/post/255530/.
12. Мясищев А. А. Удаленное управление устройствами с помощью микроконтроллера Atmega8 и мобильного телефона, поддерживающего AT команды. Технология GSM умный дом // Практика для студентов [Электронный ресурс].– Режим доступа: http://webstm32.sytes.net/user-files/lab/lab2_avr_gsm.htm.
13. AVR. Учебный курс. Использование ШИМ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://easyelectronics.ru/avr-uchebnyj-kurs-ispolzovanie-shim.html.
14. AT-команды GSM модема SIM900 // alex_exe.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://alex-exe.ru/radio/wireless/GSM‐sim900-at-command/.