Реферат за темою випускної роботи

Увага! Даний реферат відноситься до ще не завершеної роботи. Орієнтовна дата завершення: червень 2018 р. Звертайтеся до автора після зазначеної дати для отримання остаточного варіанту.

Содержание

• 1. Актуальність теми
• 2. Мета та задачі дослідження, заплановані результати
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1 Огляд міжнародних джерел
• 3.2 Огляд національних джерел
• 3.3 Огляд локальних джерел
• 4. Проектування універсального GSM‐контролера
• 4.1 Структурна схема та основні елементи контролера
• 4.2 Опис принципу роботи
• 4.2.1 Режим Конфігурація
• 4.2.2 Режим Сигналізація
• 4.2.3 Режим Контроль
• 4.2.4 Режим Управління
• Висновки
• Список джерел

Вступ

У зв'язку з тим, що на сьогоднішній день мобільні телефони і смартфони набули широкого поширення, і в якості передавального середовища використовується стільниковий зв'язок, стандарт GSM широко застосовується для віддаленого доступу до автоматизованих систем управління технологічними процесами (АСУ ТП), а саме до програмованих логічних контролерів (ПЛК). Такий доступ дозволяє здійснювати віддалений моніторинг даних на входах, управління станами на виходах контролера, коригування конфігурабельних параметрів програми ПЛК, змінювати налаштування системи управління та економію на виїзді фахівця на об'єкт впровадження автоматизованих систем управління технологічним процесом. Стандарт стільникового зв'язку GSM передбачає передачу не лише голосу, а й даних, причому достовірність і надійність при обміні інформацією, високі швидкості, а також можливість організації віддаленого контролю і отримання відповідної реакції на поточну ситуацію відповідають основним вимогам, які в різних галузях промисловості висувають інженери розробники АСУ ТП. Зважаючи на це технології і базові рішення на основі стільникового зв'язку викликали інтерес у фахівців і керівників підприємств і комерційних структур [1].

1. Актуальність теми

На сьогоднішній день GSM‐контролери мають широку поширеність і затребуваність в автоматизованих системах управління, в системах розумного будинку, в системах пожежної та охоронної сигналізації, в системах контролю доступу та ін., котрі побудовані на базі кількох контролерів, які використовують функції або оповіщення, або моніторингу, або управління. Найбільш актуальними і затребуваними є універсальні GSM‐контролери. Універсальність означає, що на базі одного GSM‐контролера можна побудувати систему з функціями й оповіщення, й моніторингу й управління віддаленими об'єктами, а також з можливістю завдання (за допомогою ПК) й віддаленого змінення (через GSM‐канал зв'язку) налаштувань контролера. Фактично в універсальному GSM‐контролері об'єднані всі основні функції GSM‐контролерів, з яких складаються вище наведені системи.

2. Мета та задачі дослідження, заплановані результати

Метою дослідження є вдосконалення універсального GSM‐контролера для задач сигналізації, контролю, управління систем автоматизації з використанням віддаленого доступу через канал стільникового зв'язку GSM.

Задачі дослідження:

1. огляд і аналіз існуючих GSM‐систем віддаленого управління;
2. визначення необхідних АТ-команд і тестування їх на сумісність з модемом;
3. розробка технічного завдання;
4. розробка структурної та принципової схеми контролера;
5. розробка програмного забезпечення;
6. польові випробування контролера.

В рамках магістерської роботи планується виготовлення пристрою - універсального GSM‐контролера, в якому повинні бути реалізовані режими роботи Сигналізація, Контроль, Управління і Конфігурація, їх функції та підфункції, а також можливість використання користувачем одного, двох або всіх трьох режимів одночасно. Повинна бути реалізована можливість використання режиму Конфігурація як через GSM, так і через USB, використовуючи спеціально розроблене ПЗ на ПК. У таблиці 2.1 наведені функції і підфункції режимів роботи контролера.

Таблиця 2.1 — Функції і підфункції режимів роботи універсального GSM‐контролера

3. Огляд досліджень та розробок

Робіт, присвячених розробці та дослідженню GSM‐контролерів, GSM‐пристроїв і систем віддаленого управління через GSM‐канал зв'язку, досить багато як в міжнародному просторі, так й в національному та локальному сегментах.

3.1 Огляд міжнародних джерел

У статті A Smart Home System Design Based on GSM авторів Rongrong Zhang, Xiaoping Zou, Wenhui Huang, Qimu-Surong описується система управління розумним будинком через GSM‐канал зв'язку за допомогою відправки коротких повідомлень з мобільного телефону. У даній системі, побудованої на одному GSM‐контролері, реалізована тільки функція віддаленого управління за допомогою відправок SMS-повідомлень (функції оповіщення та моніторингу не були передбачені) [2].

У статті Олександра Єлісєєва (м Вільнюс, Литва) Універсальний модульний контролер з ядром ARM9 описам вбудовуємий багатофункціональний контролер з GPS- та GSM‐модулями, розроблений для інтернет-додатків. Даний контролер розроблявся для мобільних систем, таких як транспортні засоби або носимі пристрої, але також може бути застосований для стаціонарних систем, наприклад, розумний будинок, системи моніторингу для метеостанцій, систем малих гідроелектростанцій тощо. Універсальність обумовлюється широким діапазоном застосування контролера [3].

3.2 Огляд національних джерел

Стаття RIT35 - сучасні GSM‐системи моніторингу Олександра Мінаєва та Юлії Ващенко описує системи моніторингу різних об'єктів, побудованих на базі уніфікованих блоків RIT35 з гнучким набором модулів і використанням GSM‐зв'язку. У даній системі реалізована функція сповіщення користувача SMS-повідомленням при спрацьовуванні будь-якого датчика або при виході контрольованого аналогового параметра за встановлені межі [4].

У статті Мікроконтроллерні система безпеки з використанням GSM‐каналу описується пристрій, призначений для забезпечення безпеки квартир, дачних будиночків, гаражів та інших об'єктів. Система призначена для автоматичного контролю стану об'єкту, що охороняється. При несанкціонованому розтині або виникненні пожежі на об'єкті система сповіщає власника об'єкта по мобільному телефону та формує звукові та світлові сигнали, що привертають увагу до об'єкту, що охороняється [5].

3.3 Огляд локальних джерел

У статті Система сигналізації автомобіля на базі GSM / GPS / FPGA технологій авторів Грудінін А.А., Похомова А.А. та ін. наводиться опис автономного модуля, в якому реалізована функція визначення локальних координат об'єкту по сигналу користувача (засобами мобільного зв'язку) і відправка координат користувачеві SMS-повідомленням [6].

4. Проектування універсального GSM‐контролера

4.1 Структурна схема та основні елементи контролера

Структурна схема універсального GSM‐контролера представлена на рис. 4.1. Як видно з рисунка, розроблювальний GSM‐контролер складається з блоку живлення, мікроконтролера, GSM‐модему, DTMF‐декодера та модулів аналогових/дискретних входів і виводів.

В даному пристрої використовується мікроконтролер фірми ATMEL ATmega8L, в якості каналоутворюючого обладнання використовується GSM‐модем фірми SIMCom SIM900, а DTMF‐декодер BT8870 - фірми Altech corporation. Універсальний GSM‐контролер володіє двома дискретними і двома аналоговими входами, а також двома дискретними і двома аналоговими виходами.

4.2 Опис принципу роботи

4.2.1 Режим Конфігурація

Перед першим запуском пристрою необхідно провести початкову ініціалізацію параметрів контролера, що здійснюється функціями і підфункції режиму Конфігурація. Ініціалізація параметрів здійснюється за допомогою спеціального ПО, розробленого для режиму Конфігурація. На рисунку 4.2 представлено вікно ПО, в якому представлено вибрати номери користувачів режиму Конфігурація.

За допомогою даного ПЗ також можна змінювати вже задані значення параметрів універсального GSM‐контролера. Обов'язковим для завдання параметром є номер телефону користувача.

Параметри передаються від ПК до контролера по інтерфейсу UART у вигляді спеціальних команд, вид яких наступний:

\[режим роботи][пробіл][назва команди][пробіл][параметри].

Символ \ вказує на прийом команди, а символ . - на кінець прийому команди. Після символу \ вказується назва режиму, яке визначає функцію режиму Конфігурація. Назва команди визначає подфункцию функції або тільки функцію (якщо відсутні подфункции) режиму. В якості параметра вказується значення 0 або 1 (за винятком функцій Додавання і зміна номера користувача, Зміна пароля доступу до завдання параметрів налаштувань і підфункції Завдання періоду зміни шпаруватості). На рисунке 4.3 показано приклад команди увімкнення / вимкнення режиму Управління, а на рисунку 4.4 - приклад зміни номера оповіщення.

Після початкової ініціалізації параметрів контролера (при наступних увімкнень пристрою) в головній функції ПО мікроконтролера після проміжних налаштувань (налаштування робочих і керуючих регістрів, прапорів, елементів пам'яті SRAM і т.д.), слідує виконання функцій і підфункцій по збереженим в EEPROM значенням параметрів. Це позбавляє користувача від необхідності після кожного увімкнення задавати однакові настройки.

Змінювати значення параметрів можна і за допомогою каналу GSM. Шаблон команд для режимів Сигналізація, Контроль і Управління аналогічний попереднім командам, але для режиму Конфігурація має інший вигляд:

\[пароль доступу][пробіл][режим роботи][пробіл][назва команди][пробіл][параметри].

Пароль доступу необхідний для забезпечення безпеки доступу до налаштувань контролера.

4.2.2 Режим Сигналізація

Принцип роботи даного режиму полягає:

1. в постійному виконанні функції Перевірка станів входів контролера в кожен тактовий цикл мікроконтролера, якщо він не зайнятий іншою операцією;
2. у виконанні функції Оповіщення користувача про зміну станів входів.

Підфункція Перевірка наявності активного рівня на дискретному вході перевіряє наявність на контакті мікроконтролера, до якого підключений дискретний вхід, логічного нуля (активного рівня). Підфункція Перевірка досягнення або переходу за встановлені межі діапазону сигналізації аналогового входу порівнює значення регістра ADCH зі значеннями меж діапазонів, заданих користувачем. Якщо на одному дискретному вході з'явився активний рівень, або сталося досягнення / перехід за встановлені межі на одному аналоговому вході, то формується SMS-повідомлення, в тексті якого міститься номер і назва входу і його стан, або здійснюється дзвінок на перший (за замовчуванням) номер користувача. Система продовжує сповіщати користувача кожні три хвилини до тих пір, поки він не зробить дзвінок на модем, і контролер не збавить цей дзвінок (після перевірки номера телефону), після чого формується SMS-повідомлення з текстом User notified і відправляється користувачеві з метою підтвердити , що оповіщення припинені. На рисунке 4.5 продемонстрована робота режиму Сигналізація.

Спосіб оповіщення можна вибрати, використовуючи підфункцію Вибір типу оповіщення в функції Налаштування режиму Сигналізація в режимі Конфігурація. За замовчуванням вибрано оповіщення SMS-повідомленнями.

SMS-повідомлення формуються АТ-командою “AT+CMGS=< номер користувача >”, у відповідь на яку модем видає символ >, після чого формується текст повідомлення. Наприклад, АТ-команда

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

формує і відправляє SMS-повідомлення на номер телефону +380123456789 з текстом, що вказує на другий аналоговий вхід і його поточне значення. Дзвінок здійснюється АТ-командою "ATD <номер користувача>;", а скидається командою "ATH".

4.2.3 Режим Контроль

Принцип роботи режиму Контроль полягає в почерговому виконанні двох функцій: Отримання поточного стану аналогових і дискретних входів контролера за запитом користувача і Інформування користувача про поточний стан аналогових і дискретних входів. Перша функція починає своє виконання за запитом користувача, тобто після отримання контролером SMS-повідомлення від номера користувача, або після відповіді на дзвінок і прийому DTMF‐команди. Текст SMS-повідомлення є текстом команди такого вигляду:

?CONDITION[пробіл][тип входу][пробіл][номер входу]

Символ ? вказує на прийом команди режиму Контроль.

DTMF‐команда формується з двотональних багаточастотних сигналів DTMF, відповідних клавішам клавіатури телефону. За допомогою DTMF декодера BT8870 двотональний багаточастотний сигнал декодується в двійковий код, який перевіряється мікроконтролером. Вид DTMF‐команди наступний:

*[режим роботи][функція][підфункція]#

Символ * вказує на прийом команди, а символ # - на кінець прийому команди. В поле режим роботи вказуються цифри від 1 до 4, що відповідають режимам роботи контролера:

• 1 – режим Конфігурація;
• 2 – режим Сигналізація;
• 3 – режим Контроль;
• 4 – режим Управління.

В полі функція вказується номер функції даного режиму, а в полі підфункція - номер підфункції даної функції. Номери функцій і підфункцій вказані в таблиці 4.1. Даний вид DTMF‐команд використовується у всіх інших режимах за винятком режиму Конфігурація, оскільки для цього режиму DTMF‐команди не застосовуються. На малюнку 4.6 показаний приклад DTMF‐команди для отримання поточного стану дискретного входу.

Після прийому даної DTMF‐команди, або SMS-повідомлення з текстом "? CONDITION DIS 1", починається виконання другої функції режиму Контроль - Інформування користувача про поточний стан аналогових і дискретних входів. Суть даної функції полягає у формуванні та відправці SMS-повідомлення користувачу з текстом такого вигляду:

[номер входу][пробіл][тип входу][дефіс][стан входу]

Для попередньої команди текст повідомлення наступний: "1 DIS INPUT-OFF".

Для аналогових входів у полі стан входу вказується поточне значення входу, отримане з регістра ADCH.

Якщо у функції відсутні подфункции, то в полі подфункции вводиться цифра 0.

4.2.4 Режим Управління

Принцип роботи даного режиму полягає у виконанні функції Зміни стану виходів по команді користувача і її подфункций. Виконання даної функції починається, як і в режимі Контроль, з запиту користувача у вигляді SMS-повідомлення або DTMF‐команди. Застосування DTMF‐команд в режимі Управління можливо тільки для підфункції Зміна стану дискретних виходів за допомогою DTMF‐команд. Вид тексту SMS-повідомлення наступний:

!CHANGE[пробіл][номер виходу][пробіл][тип виходу][дефис][стан]

Символ ! вказує на прийом команди режиму Управління. В полі стан вказуються ON або OFF для дискретних виходів. Ці слова позначають включення або виключення виходу.

Аналогові виходи являють собою ШІМ (широтна-імпульсна модуляція), які діляться на два підтипи: з постійною і змінною прогальністью. Підтип вибирається в підфункції Вибір типу прогальності в функції Налаштування режиму Управління режиму Конфігурація.

У разі вибору підтип з постійною прогальністью, то користувач за допомогою SMS-повідомлень може змінити величину прогальності, вказавши в полі стан тексту повідомлення нове значення. У разі вибору підтипу зі змінною прогальністью, то користувач вказує в даному полі значення періоду зміни (коефіцієнт заповнення) прогальності в процентах.

Висновки

Аналіз джерел показав, що тема дослідження і розробки універсального GSM‐контролера актуальна не тільки в міжнародному, а й національному і локальному наукових спільнотах.

Були висунуті вимоги до універсального GSM‐контролеру і описані принципи роботи режимів контролера і його функцій і підфункцій, а також була приведена структурна схема універсального GSM‐контролера, продемонстровані тексти SMS-повідомлень і DTMF‐команд.

Подальша робота буде спрямована на вдосконалення та доопрацювання програмного забезпечення на ПК і мікроконтролер, розробку принципової схеми пристрою, додавання можливості застосування DTMF‐команд в режимі Управління для аналогових виходів.

Список джерел

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/.