Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn sms ứng dụng cho ngôi nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

621.38

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
ĐIỆN QUA TIN NHẮN SMS ỨNG DỤNG CHO
NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Người hướng dẫn:

ThS. Lê Văn Chương

Sinh viên thực hiện:

Đặng Hữu Sang

Lớp:

51K - ĐTVT

NGHỆ AN - 2015

Nghệ An, 11-2012

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN......................................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................10
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...............................................11
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH .................................12
1.1 Khái niệm .......................................................................................................12
1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển trong và ngồi nước ...................................14
1.3 Một số sản phẩm thương mại.........................................................................15
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG GSM VÀ
TIN NHẮN SMS.......................................................................................................17
2.1 Tổng quan về công nghệ GSM ......................................................................17
2.1.1 Giới thiệu về công nghệ GSM ................................................................17
2.1.2 Đặc điểm của công nghệ GSM ...............................................................17
2.1.3 Cấu trúc mạng GSM ...............................................................................18
2.1.4 Sự hình thành và phát triển GSM ở Việt Nam .......................................22
2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS ..........................................................................23
2.2.1 Giới thiệu về tin nhắn SMS ....................................................................23
2.2.2 Cấu trúc của 1 tin nhắn ...........................................................................25
2.2.3 Tin nhắn chuỗi-tin nhắn SMS dài ...........................................................25
2.2.4 SMS Center/SMSC .................................................................................26
2.2.5 Nhắn tin SMS quốc tế.............................................................................26
2.2.6 SMS gateway ..........................................................................................27
1


CHƯƠNG 3: VI DIỀU KHIỂN PIC16F877A VÀ MODUL SIM900A ..................28

3.1 Giới thiệu chung ............................................................................................28
3.2 Vi điều khiển PIC16F877A ...........................................................................30
3.2.1 Cấu trúc tổng quát PIC16F877A ............................................................31
3.2.2 Bộ Nhớ PIC 16F877A ............................................................................32
3.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A ...................................................35
3.2.4 Các bộ định thời .....................................................................................37
3.2.5 Ngắt của PIC16F877A ...........................................................................40
3.2.6 Các thanh ghi đặc biệt ............................................................................41
3.2.7 Ngăn nhớ stack .......................................................................................43
3.3 Giới thiệu về chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 .........................................43
3.3.1 USART ...................................................................................................44
3.3.2 USART bất đồng bộ ...............................................................................45
3.3.3 IC Max232 ..............................................................................................46
3.4 Modul SIM900A ............................................................................................47
3.4.1 Giới thiệu module SIM900A ..................................................................47
3.4.2 Sơ đồ chân và chức năng từng chân của module SIM900A ..................48
3.4.3 Kết nối giữa Module SIM900A và vi điều khiển ...................................51
3.5 Khảo sát tập lệnh AT của SIMCOM .............................................................51
3.5.1 Các thuật ngữ liên quan: .........................................................................51
3.5.2 Các chế độ hoạt động của module SIM900A .........................................51
3.5.3 Khởi tạo cấu hình mặc định cho modem ................................................54
3.5.4 Lệnh Gửi tin nhắn SMS ..........................................................................57
3.5.5 Lệnh Đọc tin nhắn SMS .........................................................................58
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỨNG DỤNG CHO NGÔI
NHÀ THÔNG MINH ...............................................................................................60
2


4.1 Yêu cầu thiết kế .............................................................................................60
4.2 Sơ đồ khối của hệ thống.................................................................................60

4.2.1 Chức năng của từng khối ........................................................................61
4.2.2 Nguyên lý hoạt động ..............................................................................61
4.3 Thiết kế và thi công phần cứng ......................................................................62
4.3.1 Khối Modul SIM900A ...........................................................................62
4.3.2 Khối xử lý PIC16F877A ........................................................................63
4.3.3 Khối điều khiển công suất ......................................................................64
4.3.4 Khối hiện thị LCD ..................................................................................66
4.3.5 Khối nguồn nuôi .....................................................................................66
4.3.6 Sơ đồ mạch in .........................................................................................67
4.4 Thiết kế và thi công phần mềm ......................................................................68
4.4.1 Giới thiệu về phần mềm PIC C Compiler ..............................................68
4.4.2 Một số hàm thư viện PIC C Compiler ....................................................68
4.4.3 Sơ đồ thuật toán ......................................................................................69
KẾT LUẬN ...............................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................72
PHỤ LỤC ..................................................................................................................73

3


LỜI CẢM ƠN
Thấm thốt thì thời gian học tại trường đã gần hết, chúng em sắp phải nói lời
chia tay với ngơi trường mến u của mình rồi. Với chúng em quãng thời gian học
tại trường là một khoảng thời gian không thể nào quên trong cuộc đời sinh viên
mỗi chúng em. Ở ngôi trường này, em đã được tiếp thu, học tập được biết bao nhiêu
là kiến thức bổ ích. Tất cả những kiến thức đó sẽ trở thành hành trang quý báu cho
em, để em vững bước trên con đường sự nghiệp của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tồn thể q thầy cơ trong trường, thầy
cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông, đã tận tình giảng dạy chúng em trong suốt khóa
học qua, đặc biệt là thầy giáo ThS. Lê Văn Chương, người đã trực tiếp hướng dẫn,

động viên, chỉ bảo nhiệt tình giúp em hoàn thành đề tài đồ án này đúng thời gian
quy định.
Bên cạnh đó, gia đình, cũng là nguồn động viên to lớn về vật chất lẫn tinh
thần giúp em thêm tự tin để hoàn thành đồ án. Xin gửi lời biết ơn vơ vàn tới gia
đình, thầy cơ, bạn bè trong suốt thời gian làm đồ án.
Cuối cùng là lời cảm ơn đến các bạn cùng lớp đã có những giúp đỡ kịp thời,
những đóng góp ý kiến thật lịng, giúp cho đồ án hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, ngày 20 tháng 1 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Đặng Hữu Sang

4


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, thế giới của chúng ta đã
và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Trong sự phát triển đó, khái
niệm về ngơi nhà thơng minh đã ra đời. Ngôi nhà thông là một giải pháp điều khiển
tích hợp cho các căn hộ cao cấp, tích hợp các thiết bị điện tử, nghe nhìn, truyền
thơng thành một hệ thống hoàn chỉnh và thống nhất.
Một trong những ứng dụng rất quan trọng và khá đặc trưng của công nghệ
điện tử là kỹ thuật tự động điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều
khiển các thiết bị từ xa, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực của đời sống.
Hiện nay, do nhu cầu sử dụng các hệ thống, thiết bị tự động của người dân ngày
càng tăng. Đồng thời, mạng điện thoại di động phát triển rộng khắp và các thiết bị
điện thoại di động ngày càng có mức giá phù hợp với người dân. Đó là những mặt
thuận lợi của việc hình thành ý tưởng điều khiển các thiết bị bằng cách sử dụng tin
nhắn SMS. Đây là một hình thức điều khiển thiết bị thuận lợi, tiết kiệm được nhiều

thời gian cho việc điều khiển thiết bị, và đặc biệt là tiết kiệm được chi phí khá cao.
Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế nêu trên, em đã quyết định tìm hiểu
và thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin nhắn SMS
ứng dụng cho ngôi nhà thông minh”. Hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà từ xa
thông qua tin nhắn SMS nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người. Đề
tài lấy cơ sở là tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị. Việc sử dụng tin nhắn SMS để
điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh và cơ động
cao (nghĩa là ở chỗ nào có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể điều
khiển thiết bị được). Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng
cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.
Cấu trúc của đồ án, ngoài phần mở đầu, phần kết luận và các tài liệu tham khảo
thì phần nội dung đồ án có bốn chương chính sau đây:
Chương 1: Khái niệm về ngơi nhà thơng minh
Ở chương này, trình bày một số khái niệm về ngôi nhà thông minh và một số
chức năng chính thường được sử dụng trong ngơi nhà thơng minh. Ngồi ra, cịn có
một số sản phẩm được thương mại hóa của ngơi nhà thơng minh.
5


Chương 2: Tổng quan về hệ thống thông tin di động GSM và tin nhắn
SMS
Chương 2 giới thiệu về một số khái niệm, thành phần và cấu trúc cơ bản của
mạng thông tin di động GSM và tin nhắn SMS. Tìm hiểu về mạng thơng tin di động
GSM
Chương 3: Vi điều khiển PIC16F877A và Modul Sim900A
Trong chương này chủ yếu trình bày về cấu trúc phần cứng của vi điều khiển
PIC16F877A và Modul Sim900A, bao nguyên lý hoạt động và các lệnh dùng để điều
khiển
Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển ứng dụng cho ngôi nhà thông
minh

Chương 4 này có thể nói là chương quan trọng nhất của đồ án, chương 4 là kết
quả của việc vận dụng các kiến thức lý thuyết của các chương trên để thiết kế nên
một hệ thống hồn chỉnh.
Trong q trình thực hiện đề tài, do còn hạn chế về thời gian cũng như lượng
kiến thức của người thực hiện mà đề tài cịn có nhiều thiếu sót. Vì vậy, rất mong sự
đóng góp ý kiến của thầy cơ cũng như các bạn sinh viên.
Nghệ An, ngày 20 tháng 1 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Đặng Hữu Sang

6


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Với những tiến bộ về khoa học kỹ thuật hiện đại, khái niệm về ngôi nhà thông
minh khơng cịn là mới mẻ nữa, những ứng dụng khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực
này đã làm cho cuộc sống con người trở nên tiện nghi hơn. Tuy nhiên, đó là trên thế
giới cịn ở Việt Nam thì những ứng dụng vẫn chưa được ứng dụng vào thực tiễn
nhiều hoặc có thì đang ở mức độ nghiên cứu và thí nghiệm. Cho nên nhận thức
được tầm quan trọng và sự cần thiết của vấn đề này đối với thực tế. Từ đó em đã
quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điện qua tin
nhắn SMS ứng dụng cho ngôi nhà thông minh” để làm đồ án tốt nghiệp. Với hệ
thống này thì chúng ta sẽ thực hiện được một số chức năng điều khiển và giám sát
từ xa thông qua tin nhắn SMS của mạng điện thoại di động GSM. Bên cạnh việc
điều khiển từ xa thì hệ thống cũng được thiết kế thêm một số chức năng để thuận
tiện cho việc điều khiển khi chúng ta đang ở nhà mà không cần phải gửi tin nhắn
SMS gây ra lãng phí.

ABSTRACT

With the advances of modern science and technology, the concept of smart
homes is not new anymore, the application of science and technology in this field
has made people's lives become more comfortable. However,this is only in other
countries in the world, these applications in Viet Nam have not been applied in
practice commonly or just in doing research and experiment. Therefore, i have
decided to choose the topic "Designing control system electrical equipment via
SMS app for smart homes" as my thesis. This system will take some
responsibilities for controlling and remote observing via SMS message of GSM
mobile network. With this system, we will perform a number of functions
controlled and monitored remotely via SMS of GSM mobile network. Besides the
remote control, the system is also designed to add some functionality to facilitate
the control when we're at home without having to send SMS causing waste.

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hình ảnh ngơi nhà thơng minh ..................................................................16
Hình 2.1 Cấu trúc của mạng GSM ............................................................................18
Hình 2.2 Các thành phần của mạng GSM .................................................................19
Hình 2.3 Cấu trúc của một tin nhắn SMS .................................................................25
Hình 2.4 SMS getway ...............................................................................................27
Hình 3.1 Sơ đồ chân vi điều khiển PIC16F877A......................................................30
Hình 3.2 Sơ đồ khối PIC16F877A ............................................................................31
Hình 3.3 Sơ đồ bộ nhớ chương trình .........................................................................33
Hình 3.4 Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu ..................................................................................34
Hình 3.5 Sơ đồ khối của time0 ..................................................................................37
Hình 3.6 Sơ đồ khối của time1 ..................................................................................38
Hình 3.7 Sơ đồ khối của time2 ..................................................................................39
Hình 3.8 Sơ đồ các ngắt trong PIC16F877A ............................................................40

Hình 3.9 IC Max232 và sơ đồ bên trong ...................................................................46
Hình 3.10 Modul Sim900A .......................................................................................48
Hình 3.11 Sơ đồ chân của Module Sim900A ...........................................................48
Hình 3.12 Kết nối giữa Breakout SIM900 và vi điều khiển .....................................51
Hình 3.13 Chế độ nghỉ của SIM900A .......................................................................51
Hình 3. 14 Chế độ hoạt động bình thường của Modul Sim900A .............................52
Hình 3.15 Lệnh xóa tin nhắn trong Sim ....................................................................53
Hình 3.16 Thiết lập cấu hình mặc định cho modem .................................................54
Hình 3.17 Lệnh gửi tin nhắn SMS ............................................................................57
Hình 3.18 Lệnh đọc tin nhắn SMS ............................................................................59
Hình 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống .............................................................................60
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý khối Modul Sim900A .....................................................63
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển PIC16F877A .....................................64
Hình 4.4 Sơ đồ ngun lý khối điều khiển cơng suất ...............................................65
Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối hiện thị LCD ...........................................................66
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ......................................................................66
8


Hình 4.7 Sơ đồ mạch in .............................................................................................67
Hình 4.8 Sơ đồ thuật toán..........................................................................................69

9


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Bảng chọn bank thanh ghi .........................................................................33
Bảng 3.2 Các thông số của chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 ...............................44
Bảng 3.3 Tốc độ baud của BRG................................................................................45
Bảng 3.4 Chức năng từng chân modul SIM900A .....................................................49

10


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
GSM

Global System For Mobile

Hệ thống thơng tin di động tồn cầu

Communications
SMS

Short Message Service

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SIM

Subscriber Identity Modules

Thẻ nhớ thông minh

3GPP

Third Generation Partnership

Dự án đối tác thế hệ thứ 3

Project
ETSI

European Telecommunications

Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu

Standards Institute
TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

SMSC

Short Message Service Center

Trung tâm tin nhắn

WAP

Wireless Application Protocol

Giao thức ứng dụng khơng dây

PIC

Programable Intelligent

Máy tính khả trình thơng minh

Computer
CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lý trung tâm

RISC

Reduced Instruction Set

Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa

Computer
CISC

Complex Instruction Set

Máy tính với tập lệnh phức tạp

Computer

SFR

Special Function Register

Thanh ghi có chức năng đặc biệt

GPR

General Purpose Register

Thanh ghi mục đích chung

UART

Univerdal Asynchronous

Chuẩn truyền thông nối tiếp

Reciever Transmitter
NRZ

None Return to Zero

Mã nhị phân NRZ 0 trở về 0

MAC

Media Access Control

Giao thức mạng

2G

Second generation

Hệ thống thông tin di động thứ 2

11


CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH

1.1 Khái niệm
Với sự phát triển của khoa học công nghệ ngay nay, gần như mọi thứ xung
quanh chúng ta đều trở nên thông minh: Điện thoại thông minh (Smart Phone) cho
đến ti vi thơng minh, điều hịa thơng minh, hệ thống điện thơng minh, vv..Tất cả tạo
nên tiện ích lý thú cho cuộc sống, giúp con người kiểm soát được mọi hoạt động,
giải phóng sức lao động, tiết kiệm được năng lượng và thời gian.. Từ đó bạn rất dễ
để làm quen với khái niệm “nhà thông minh”.
Nhà thông minh hoặc hệ thống nhà thông minh là một ngôi nhà được trang bị
hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn chiếu sáng, nhiệt độ, truyền
thông đa phương tiện, an ninh, rèm cửa, cửa và nhiều tính năng khác nhằm mục
đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an tồn và góp phần sử dụng hợp lý
các nguồn tài nguyên. Một ngôi nhà được coi là “thông minh” bởi vì hệ thống máy
tính của nó có thể theo dõi rất nhiều khía cạnh của cuộc sống thường ngày.
Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà thơng minh là một hệ thống kiểm
soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết kiệm điện và phù hợp với khung
cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho các bữa tiệc tối. Hệ thống cũng
có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát nhiệt độ, hệ thống camera giám
sát, hệ thống khóa cửa tự động, hệ thống phịng ngừa trộm.

Nhà thơng minh ngồi ra cịn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ thống
điều khiển giải trí tại gia – loa công suất khác nhau, hệ thống điện thoại, liên lạc nội
bộ, hệ thống tưới nước…
Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ các thiết bị trong nhà được kết
nối với nhau để hệ thống máy tính trung tâm có thể theo dõi các trạng thái và ra các
quyết định điều khiển phù hợp. Công nghệ nhà thông minh ngày càng trở nên tinh
vi. Các tín hiệu được mã hóa được gửi đi qua hệ thống dây dẫn, mạng không dây
đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia dụng và
thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà. Sự tự động hóa của ngơi nhà đặc biệt có ích cho
người lớn tuổi và người tàn tật, những người muốn sống tự lập.

12


Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngơi nhà và chủ nhân của
nó rất nhiều lợi ích, tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá nhân
đã đem lại cho chúng ta 30 năm qua bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian, tiền
bạc và năng lượng.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm
biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng hoặc do cử chỉ), các bộ điều khiển hoặc máy chủ
và các thiết bị chấp hành khác. Nhờ hệ thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy
chủ có thể theo dõi các trạng thái bên trong ngồi nhà để đưa ra các quyết định điều
khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo môi trường sống tốt
nhất cho con người.
Ngoài ra, cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử cá nhân như máy tính
bảng và điện thoại thông minh cùng hạ tầng thông tin ngày càng tiên tiến như
internet hoặc các mạng thông tin di động 3G, 4G, ngày nay cac hệ thống nhà thông
minh còn cung cấp khả năng tương tác với người sử dụng thông qua các thiết bị
điện tử cá nhân cho phép con người có thể giám sát và điều khiển ngơi nhà từ bất cứ
đâu.

Đã có nhiều nỗ lực để tiêu chuẩn hóa các dạng phần cứng, phần mềm, điện tử
và giao diện giao tiếp cần thiết để xây dựng hệ thống nhà thông minh. Một số tiêu
chuẩn sử dụng thêm dây dẫn liên lạc và điều khiển, một số truyên dẫn thông tin
ngay trên hệ thống dây điện sẵn có trong ngơi nhà, một số sử dụng tín hiệu ở tần số
vô tuyến điện và một số sử dụng kết hợp đồng thời các giải pháp truyền dẫn khác
nhau.
Hiện nay, trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư vẫn đang tiếp tục sáng tạo
để tạo ra nhiều tiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hố về việc triển khai
lắp đặt một ngơi nhà thơng minh. Trong tương lai, ngơi nhà thơng minh có thể có
khả năng “tư duy” để tự điều chỉnh các thiết bị một cách phù hợp và cịn có khả
năng giao tiếp với con người.
Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của nhà
giàu. Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của cơng nghệ vi điện tử và chi phí ngày
càng giảm của chúng, chi phí của các thiết bị điện tử thông minh cũng đã giảm đáng
kể cho phép các công nghệ điều khiển thơng minh có thể được ứng dụng rộng rãi.
13


Với sự phát triển vũ bảo của công nghệ thông tin, internet, cùng với việc chi
phí cho hệ thống nhà thông minh đã giảm xuống cùng với nhu cầu ngày càng cao
của con người, hiện nay nhà thông minh được xem là một lĩnh vực có dư địa phát
triển rất lớn.
1.2 Tình hình nghiên cứu phát triển trong và ngồi nước
a. Trong nước
Ở phạm vi trong nước, vấn đề điều khiển từ xa luôn được các nhà khoa học
quan tâm với mong muốn ứng dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào đời sống
để cuộc sống trở công nghệ hơn, hiện đại hơn. Nhưng kết quả đang ở mức điều
khiển bằng hồng ngoại hoặc qua đường dây điện thoại cịn điều khiển bằng SMS thì
đang cịn rất hạn chế chỉ đang ở mức nghiên cứu sản phẩm ứng dụng cịn ít.
Tóm lại, việc nghiên cứu sử dụng tin nhắn SMS để điều khiển thiết bị hiện nay

tại Việt Nam đang còn mới mẻ và chưa đi vào thực tiễn ứng dụng nhiều hầu hết các
nghiên cứu đều là nghiên cứu tự phát của cá nhân hoặc là của nhóm nghiên cứu
muốn tìm hiểu về cơng nghệ này, vẫn chưa phải là một hoạt động nghiên cứu mang
tính chuyên nghiệp để có thể đưa ra sản phẩm ứng dụng cụ thể. Ở Việt Nam GSM
đã trở thành công nghệ mà có hơn 95% dân số chọn dùng, sự tăng trưởng rất nhanh
chóng của ba nhà mạng di dộng là VinaPhone, MobiFone và Viettel với số lượng
thuê bao ngày phát triển lên tới hàng trăm nghàn thuê bao và các dịch vụ về SMS
cũng tăng lên rất mạnh. Điều này là một thuận lợi cho việc nghiên cứu và phát triển
các ứng dụng trong điều khiển tự động hóa.
b. Ngồi nước
Trên thế giới hiện nay việc điều khiển thiết bị từ mạng điện thoại di động
khơng cịn là mới mẻ nữa vì được ứng dụng hầu hết trong các nhà máy xí nghiệp.
Kỹ thuật GSM có khả năng truyền tin wireless với phạm vi rất rộng và đảm bảo tính
tin cậy cao. Chính vì vậy, người dùng có thể gửi tin nhắn SMS để điều khiển các
thiết bị từ xa. Việc điều khiển là rất đơn giản người dùng chỉ cần sử dụng bất kỳ loại
điện thoại của mình để theo dõi và kiểm sốt những ứng dụng trong cơng, nơng
nghiệp hoặc các thiết bị sinh hoạt trong gia đình bằng cách gửi tin nhắn SMS.

14


1.3 Một số sản phẩm thương mại
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm về nhà thơng minh nhưng mới
đây nhất Bkav đã cho ra mắt nhà thông minh SmartHome. Sản phẩm nhà thông
minh của Bkav được tham gia triển lãm lớn nhất thế giới về công nghệ điện tử, tiêu
dùng Consumer Electronics Show - CES 2015 đã khai mạc tại tiểu bang Nevada
(Mỹ) ngày 8/1/2015, với sự có mặt của hơn 3.600 cơng ty cơng nghệ trên toàn cầu.
Một bất ngờ lớn tại sự kiện là sự xuất hiện của giải pháp nhà thông minh Bkav
SmartHome đến từ Việt Nam.
Bkav SmartHome, một giải pháp nhà thông minh hoàn chỉnh được sản xuất

hoàn toàn bởi Việt Nam. Bkav SmartHome là hệ thống nhà thơng minh hồn chỉnh,
kết nối tất cả các thiết bị trong ngôi nhà thành một hệ thống mạng, để có thể điều
khiển chúng theo các kịch bản thông minh, bao gồm: hệ thống đèn chiếu sáng, rèm
cửa, điều hoà nhiệt độ, ti vi, dàn âm thanh, cảm biến mơi trường, chng cửa có
hình, camera an ninh, hàng rào điện tử, cảnh báo rị rỉ khí gas... Trên thực tế sử
dụng nhà thông minh, người dùng thường xuyên phát sinh nhu cầu và thay đổi kịch
bản sử dụng theo thời gian, hoàn cảnh. Hệ thống nhà thông minh Bkav SmartHome
sẽ tự học lại các thay đổi và cập nhật các kịch bản cho phù hợp. Người dùng không
chỉ điều khiển ngôi nhà trực tiếp trên Smartphone, máy tính bảng bằng giao diện
trực quan 3D mà cịn có thể điều khiển bằng giọng nói thơng qua cơng nghệ trợ lý
ảo.

 Các chức năng chính thường sử dụng trong nhà thông minh:
 Điều khiển chiếu sáng (on/off, dimmer, scence, timer, logic,...)
 Điều khiển mành, rèm, cửa cổng
 Hệ thống an ninh, báo động, báo cháy
 Điều khiển điều hòa, máy lạnh
 Hệ thống âm thanh đa vùng
 Camera, chng hình
 Hệ thống bảo vệ nguồn điện
 Giải pháp nhà thơng minh tồn diện
 Điều khiển bật tắt đèn bằng Remote
 Quản lí cả ngơi nhà trên điện thoại
15


 Lập lịch, hẹn giờ bật tắt các thiết bị
 Điều khiển LED trang trí 16 triệu màu
 Cảm biến an ninh, chống trộm
 Các tiện ích và ứng dụng khác

Một số hãng chuyên sản xuất và tích hợp sản phẩm nhà thông minh nổi tiếng
trên thế giới như: HAI, Dynalite Philips, ELK, ABB, Control4...
Và hiện tại 1 số công ty Việt Nam cũng đã có kinh nghiệm về nhà thông minh:
Asel ( www.asel.vn ), BKAV , GAMMA ....\

 Một số hình ảnh của nhà thơng minh:

Hình 1.1 Hình ảnh ngôi nhà thông minh
16


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG GSM
VÀ TIN NHẮN SMS

2.1 Tổng quan về công nghệ GSM
2.1.1 Giới thiệu về công nghệ GSM
Hệ thống thông tin di động toàn cầu (viết tắt: GSM: Global System For
Mobile Communications) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động. Dịch
vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ. Các
mạng thơng tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy
điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau có thể sử dụng được nhiều
nơi trên thế giới. GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên
thế giới. Khả năng phát sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ
biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều
vùng trên thế giới. GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc
độ, chất lượng cuộc gọi. Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai
(second generation, 2G). GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd
Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế
chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt, giá thành thấp. Thuận lợi đối với nhà
điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng. GSM cho

phép nhà điều hành mạng triển khai các dịch vụ ở mọi nơi, vì thế người sử dụng có
thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới.
2.1.2 Đặc điểm của công nghệ GSM
 Cho phép gủi và nhận những mẫu tin nhắn văn bản bằng kí tự dài đến 126 kí
tự.
 Cho phép chuyển giao và nhận dữ liệu, Fax giữa các mạng GSM với tốc độ
hiện hành lên đến 9.600 bps.
 Tính phủ sóng cao: Cơng nghệ GSM khơng chỉ cho phép chuyển giao trong

tồn mạng mà cịn chuyển giao giữa các mạng GSM trên tồn cầu mà khơng có
một sự thay đổi, điều chỉnh nào. Đây là một tính năng nổi bật nhất của cơng nghệ
GSM (dịch vụ roaming).

17


 Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division
Multiplexing) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate.
 Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2 watts đối với băng
tần GSM 850/900Mhz và tối đa là 1 watts đối với băng tần GSM 1800/1900Mhz.
 Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hố âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1khz
đó là mã hố 6 và 13kbps gọi là Full rate (13kbps) và haft rate (6kbps).
2.1.3 Cấu trúc mạng GSM
a. Cấu trúc tổng quát

Hình 2.1 Cấu trúc của mạng GSM
 Hệ thống GSM được chia thành nhiều hệ thống con như sau:
 Phân hệ chuyển mạch NSS (Network Switching Subsystem).
 Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem).
 Phân hệ bảo dưỡng và khai thác OSS (Operation Subsystem).

 Trạm di động MS (Mobile Station).
b. Các thành phần của mạng GSM
 AUC(): Trung tâm nhận thực
 VLR(): Thanh ghi định vị tạm trú
 HLR(): Thanh ghi định vị thường trú
 EIR(): Thanh ghi nhận dạng thiết bị
 MSC(): Trung tâm chuyển mạch di động
 BSC(): Bộ điều khiển trạm gốc
18


 BTS(): Trạm thu phát gốc
 NSS(): Phân hệ chuyển mạch
 BSS(): Phân hệ trạm gốc
 MS(): Trạm di động
 OSS(): Phân hệ khai thác bảo dưỡng
 PSPDN(): Mạng số liệu cơng cộng chuyển mạch gói
 CSPDN(): Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh
 PSTN(): Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng
 PLMN(): Mạng di động mặt đất
 ISDN(): Mạng số tích hợp đa dịch vụ

Hình 2.2 Các thành phần của mạng GSM

19


 Phân hệ chuyển mạch NSS
Phân hệ chuyển mạch bao gồm các chức năng chuyển mạch chính của mạng
GSM cũng như các cơ sở dữ liệu cần thiết cho số liệu thuê bao và quản lý di động

của thuê bao. Chứa năng chính của hệ thống chuyển mạch là quản lý thông tin di
động giữa những người sử dụng mạng GSM và các mạng khác.
 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC
MSC là một tổng đài thực hiện tất cả các chức năng chuyển mạch và báo hiệu
của MS nằm trong vùng địa lý do MSC quản lý. MSC khác với một tổng đài cố
định là nó phải thực hiện thêm ít nhất hai thủ tục:
- Thủ tục đăng ký
- Thủ tục chuyển giao
MSC một mặt giao tiếp với BSS, mặt khác giao tiếp với mạng ngoài. MSC
làm nhiệm vụ giao tiếp với mạng ngoài được gọi là MSC cổng (GMSC), có chức
năng tương tác IWF (Inter Working Function) để thích ứng với các đặc điểm truyền
dẫn GMS và các mạng ngoài. Phân hệ chuyển mạnh giao tiếp với mạng ngoài để sử
dụng khả năng truyền tải của các mạng này cho việc truyền tải số liệu của người sử
dụng hoặc báo hiệu giữa các phần tử của mạng GSM.
 Thanh ghi định vị thường trú HLR
HLR là một cơ sở dữ liệu quan trọng trong mạng có chức năng quản lý thuê
bao. Một PLMN có thể có một hoặc nhiều HLR phụ thuộc vào lượng thuê bao.
 Trung tâm nhận thực AUC
AUC kết nối với HLR, cung cấp các tthơng số hợp thức hóa và các khóa mã
để đảm bảo chức năng bảo mật.
 Thanh ghi định vị tạm trú VLR
VLR là cơ sở dữ liệu lớn thứ hai trong mạng, lưu trữ tạm thời số liệu thuê bao
hiện đang nằm trong vùng phục vụ của MSC tương ứng và lưu trữ số liệu về vị trí
của thuê bao. Khi MS vào một vùng định vị mới, nó phải thực hiện thủ tục đăng ký.
MSC quản lý vùng này sẽ tiếp nhận đăng ký của MS và truyền số nhận dạng vùng
định vị (LAI) nơi có mặt thuê bao tới VLR. Một VLR có thể phụ trách một hoặc
nhiều vùng MSC.

20

Các thông tin cần thiết lập và nhận một cuộc gọi của MS được lưu trong cơ sở
dữ liệu của VLR. Đối với một số dịch vụ hỗ trợ, VLR có thể truy vấn các thơng tin
từ HLR. IMSI (nhận dạng máy di động quốc tế), MSISDN (ISDN của máy di
động), số chuyển vùng của thuê bao MS (MSRN), số nhận dạng thuê bao di động
tam thời (TMSI), số nhận dạng thuê bao di động nội bộ (LMSI) và vùng định vị nơi
đăng ký MS. VLR cũng chứa các thông số gán cho mỗi MS và được nhận từ VLR.
 Thanh ghi nhận dạng thiết bị EIR
Thực thể chức năng này chứa một hoặc nhiều có sở dữ liệu lưu trũ các IMEI
(số nhận dạng thiết bị) sử dụng trong hệ thống GSM. EIR được nối với MSC qua
một đường báo hiệu, nhờ vậy MSC có thể kiểm tra sự hợp lệ của thiết bị.
 Trung tâm chuyển mạch dịch vụ cổng GMSC
Để thiết lập một cuộc gọi phải định tuyến đến tổng đài mà khơng cần biết vị trí
hiện thời của th bao. GMSC có nhiệm vụ lấy thơng tin về vị trí của thuê bao và
định tuyến cuộc gọi đến tổng đài đang quản lý thuê bao ở thời điểm hiện thời.
GMSC có giao diện báo hiệu số 7 để có thể tương tác với các phần tử khác của hệ
thống chuyển mạch.

 Phân hệ trạm gốc BSS
BSS thực hiện kết nối các MS với các tổng đài, do đó liên kết người sử dụng
máy di động với những người sử dụng dịch vụ viễn thông khác. BSS cũng phải
được điều khiển nên được kết nối vơi OSS.
 Trạm thu phát gốc BTS
BTS giao diện với MS xử lý các tín hiệu đặc thù cho giao diện vo tuyến. một
bộ phận quan trọng của BTS là TRAU (khối chuyển đổi mã và thích ứng tốc độ).
 Bộ điều khiển trạm gốc BSC
BSC có nhiệm vụ quản lý tất cả giao diện vô tuyến thông qua các lệnh điều
khiển từ BTS và MS như ấn định, giải phóng kênh vơ tuyến và quản lý chuyển giao.
Một BSC có thể quản lý phụ thuộc vào lưu lượng của BTS.

 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS
OSS thực hiện chức năng khai thác, bảo dưỡng và quản lý toàn bộ hệ thống.

 Trạm di động MS

21


MS là thiết bị đầu cuối chứa các chức năng vô tuyến chung, xử lý giao diện vo
tuyến và cung cấp các giao diện với người dùng (màn hình, loa, bàn phím…). Một
trạm di động gồm hai phần chính:
- ME (Mobile Equipment – thiết bị di động): là phần cứng được dùng để thuê
bao truy nhập vào mạng. ME chứa kết cuối di động (MT) phụ thuộc vào ứng dụng
và các dịch vụ, có thể kết hợp các nhóm chức năng thích ứng đầu cuối (TA) và thiết
bị đầu cuối (TE) khác nhau.
- SIM (Subscriber Identily Module – modul nhận dạng thuê bao): gắn chặt với
người dùng trong vai trò một thuê bao duy nhất, có thể làm việc với nhiều ME khác
nhau. SIM là một card điện tử thông minh được gắn vào ME để nhận dạng thuê bao
và tin tức bảo vệ loại dịch vụ mà thuê bao đăng ký. SIM có phần cứng và phần mềm
cần thiết với bộ nhớ có thể lưu trữ thơng tin. Có hai loại thông tin là thông tin cố
định và thông tin thay đổi:
- Thông tin cố định
+ Số nhận dạng thuê bao MSISDN, IMSI. Thuê bao sẽ được kiểm tra tính hợp
lệ trước khi truy nhập vào mạng thơng qua số nhận dạng IMSI được thực hiện bởi
trung tâm nhận thực AUC.
+ Mã khóa cá nhân
- Thơng tin thay đổi
+ Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI
+ Số hiệu nhận dạng thuê bao tam thời TMSI
Một số TMSI sẽ tương ứng với một IMSI được cấp phát tạm thời để tăng tính

bảo mật cho qua trình báo hiệu giữa MS và hệ thống. TMSI sẽ thay đổi khi MS cập
nhật lại vị trí.
2.1.4 Sự hình thành và phát triển GSM ở Việt Nam
Công nghệ GSM đã vào Việt Nam từ năm 1993. Hiện, ba nhà cung cấp di
động công nghệ GSM lớn nhất của Việt Nam là VinaPhone, MobiFone và Viettel,
cũng là những nhà cung cấp chiếm thị phần nhiều nhất trên thị trường với số lượng
thuê bao mới tăng chóng mặt trong thời gian vừa qua. Hiện nay có đến hơn 85%
người dùng hiện nay đang là khách hàng của các nhà cung cấp dịch vụ theo công
nghệ GSM. Cho tới thời điểm này, thị trường thông tin di động của Việt Nam đã có
22


khoảng 70 triệu thuê bao di động. Khi mà ba đại gia di động của Việt Nam là
VinaPhone, MobiFone và Viettel đều tăng trưởng rất nóng với số lượng thuê bao
mỗi ngày phát triển được lên tới hàng trăm ngàn thuê bao. Trạm nguồn gửi khung
tới một số trạm nhất định chứ không phải là tất cả. Địa chỉ MAC đích của khung là
địa chỉ đặc biệt mà chỉ các trạm trong cùng nhóm mới chấp nhận các khung gửi tới
địa chỉ này.
2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS
2.2.1 Giới thiệu về tin nhắn SMS
SMS là từ viết tắt của Short Message Service. Đó là một cơng nghệ cho phép
gửi và nhận các tin nhắn giữa các điện thoại với nhau. SMS xuất hiện đầu tiên ở
Châu Âu vào năm 1992. Ở thời điểm đó, nó bao gồm cả các chuẩn về GSM (Global
System for Mobile Communications). Một thời gian sau đó, nó phát triển sang
cơng nghệ wireless như CDMA và TDMA. Các chuẩn GSM và SMS có nguồn gốc
phát triển bởi ETSI. ETSI là chữ viết tắt của European Telecommunications
Standards Institute. Ngày nay thì 3GPP (Third Generation Partnership Project) đang
giữ vai trị kiểm sốt về sự phát triển và duy trì các chuẩn GSM và SMS.
Như đã nói ở trên về tên đầy đủ của SMS là Short Message Service, từ cụm từ
đó, có thể thấy được là dữ liệu có thể được lưu giữ bởi một tin nhắn SMS là rất giới

hạn. Một tin nhắn SMS có thể chứa tối đa là 140 byte (1120 bit) dữ liệu. Vì vậy,
một tin nhắn SMS chỉ có thể chứa :
 160 kí tự nếu như mã hóa kí tự 7 bit được sử dụng (mã hóa kí tự 7 bit thì phù
hợp với mã hóa các kí tự Latin chẳng hạn như các kí tự Alphabet của tiếng Anh).
 70 kí tự nếu như mã hóa kí tự 16 bit Unicode UCS2 được sử dụng (các tin
nhắn SMS không chứa các kí tự Latin như kí tự chữ Trung Quốc phải sử dụng
mã hóa kí tự 16 bit).
Tin nhắn SMS dạng text hỗ trợ nhiều ngơn ngữ khác nhau. Nó có thể hoạt
động tốt với nhiều ngơn ngữ mà có hỗ trợ mã Unicode, bao gồm cả Arabic, Trung
Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc. Bên cạnh gửi tin nhắn dạng text thì tin nhắn SMS
cịn có thể mang các dữ liệu dạng binary. Nó cịn cho phép gửi nhạc chng, hình
ảnh cùng nhiều tiện ích khác … tới một điện thoại khác.

23


Một trong những ưu điểm nổi trội của SMS đó là nó được hỗ trợ bởi các điện
thoại có sử dụng GSM hoàn toàn. Hầu hết tất cả các tiện ích cộng thêm gồm cả dịch
vụ gửi tin nhắn giá rẻ được cung cấp, sử dụng thơng qua sóng mang wireless.
Không giống như SMS, các công nghệ mobile như WAP và mobile Java thì khơng
được hỗ trợ trên nhiều model điện thoại.
 Sử dụng tin nhắn SMS ngày càng phát triển và trở lên rộng khắp:
 Ngày nay, hầu hết mọi người đều có điện thoại di động của riêng mình và
mang nó theo người hầu như cả ngày. Với một điện thoại di động, bạn có thể gửi
và đọc các tin nhắn SMS bất cứ lúc nào bạn muốn, sẽ khơng gặp khó khăn gì khi
bạn đang ở trong văn phòng hay trên xe bus hay ở nhà…
 Tin nhắn SMS có thể được gửi tới các điện thoại mà tắt nguồn.
 Nếu như không chắc cho một cuộc gọi nào đó thì bạn có thể gửi một tin nhắn
SMS đến bạn của bạn thậm chí khi người đó tắt nguồn máy điện thoại trong lúc
bạn gửi tin nhắn đó. Hệ thống SMS của mạng điện thoại sẽ lưu trữ tin nhắn đó rồi

sau đó gửi nó tới người bạn đó khi điện thoại của người bạn này mở nguồn.
 Các tin nhắn SMS ít gây phiền phức trong khi bạn vẫn có thể giữ liên lạc với
người khác.
Việc đọc và viết các tin nhắn SMS không gây ra ồn ào. Trong khi đó, bạn phải
chạy ra ngồi khỏi rạp hát, thư viện hay một nơi nào đó để thực hiện một cuộc điện
thoại hay trả lời một cuộc gọi. Bạn không cần phải làm như vậy nếu như tin nhắn
SMS được sử dụng.
 Các điện thoại di động và chúng có thể được thay đổi giữa các sóng mang
Wireless khác nhau.
Tin nhắn SMS là một công nghệ rất thành công và trưởng thành. Tất cả các
điện thoại mobile ngày nay đều có hỗ trợ nó. Bạn khơng chỉ có thể trao đổi các tin
nhắn SMS đối với người sử dụng mobile ở cùng một nhà cung cấp dịch vụ mạng
sóng mang wireless, mà đồng thời bạn cũng có thể trao đổi nó với người sử dụng
khác ở các nhà cung cấp dịch vụ khác.
 SMS là một công nghệ phù hợp với các ứng dụng Wireless sử dụng cùng với
nó.

24