NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt độ cho trạm viễn thông
Nhiệm vụ đồ án thực hiện từ tổng quát đến chi tiết phần giao tiếp giữa vi
điều khiển với module SIM, cảm biến nhiệt độ nhằm thực hiện các mục tiêu giám
sát nhiệt độ cho một hệ thống trạm viễn thông ở xa qua mạng GSM thông qua kiến
thức đã học và ứng dụng thực tiễn.
Nội dung đồ án gồm:
- Tổng quan
- Nghiên cứu về vi điều khiển và module SIM 900
- Thiết kế hệ thống
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

Phạm Ngọc Quý

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan về nội dung của đồ án ”Thiết kế hệ thống giám sát nhiệt
độ cho trạm viễn thông” là do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của cô
giáo Ths.Mạc Thị Phượng. Mọi trích dẫn và tài liệu mà tôi tham khảo đều được ghi
rõ nguồn gốc.
Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật của trường Đại học Công nghệ
thông tin và Truyền thông.
Thái Nguyên, tháng 6 năm 2016
Sinh viên

Phạm Ngọc Quý

ii

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ....................................................................................2
1.1 Giới thiệu chung về trạm viễn thông...............................................................2
1.2 Tổng quan về mạng di động của Vietel...........................................................6
1.2.1 Cấu trúc mạng ..........................................................................................6
1.2.2 Chức năng của các thành phần trong mạng di động ..................................7
1.2.3. Xử lý các cuộc gọi qua mạng di động....................................................10
1.2.4. Kết luận chương I..................................................................................12
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG...............................13
2.1 Vi điều khiển PIC 16F877A .........................................................................13
2.1.1. Mô tả cấu trúc .......................................................................................13
2.1.2. Sự tổ chức bộ nhớ PIC 16F877A...........................................................15
2.1.3. Các cổng vào/ra....................................................................................18
2.1.4. Các bộ Timer của chip...........................................................................20
2.2 Công nghệ GSM và module Sim900 ............................................................23
2.2.1. Khái quát về công nghệ GSM................................................................23
2.2.2. Giới thiệu về công nghệ GSM ...............................................................24
2.2.3. Đặc điểm của công nghệ GSM ..............................................................24
2.2.4. Cấu trúc của mạng GSM .......................................................................25
2.2.5. Giới thiệu về tin nhắn SMS ...................................................................27
2.2.6. Cơ sở lý thuyết về SIM900....................................................................30
2.2.7. Đặc điểm của module sim900................................................................30
2.2.8. Sơ đồ chân module sim900....................................................................31

iv


2.2.9. Phần cứng của module sim900 ..............................................................35
2.2.10. Tập lệnh AT của module sim900.........................................................37
2.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ........................................................................40

Hình 2.3. Sơ đồ khối chức năng của PIC 16F877A................................................17
Hình 2.4. cấu trúc mạng GSM ...............................................................................25
Hình 2.5. Các thành phần mạng GSM....................................................................26
Hình 2.6. Hình ảnh thực tế module sim900............................................................31
Hình 2.7. Sơ đồ chân của module sim900 ..............................................................32
Hình 2.8. Mạch nguồn sử dụng chip LM2596........................................................35
Hình 2.9. Module simcard .....................................................................................35
Hình 2.10. Mô tả chức năng chân ..........................................................................36
Hình 2.11. mạch đèn báo thông tin trạng thái.........................................................36
Hình 2.12. Cảm biến nhiệt độ DS18B20................................................................40
Hình 2.13. Hình dáng của loại LCD thông dụng ....................................................41
Hình 2.14. Sơ đồ chân của LCD ............................................................................41
Hình 2.15. Sơ đồ khối của HD44780 .....................................................................43
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống .........................................................................48
Hình 3.2. module nguồn BUCK cung cấp cho SIM900..........................................49
Hình 3.3. Module Sim900 .....................................................................................50
Hình 3.4. Màn hình LCD16x2 ...............................................................................50
Hình 3.5. Khối vi điều khiển..................................................................................51
Hình 3.6. Sơ đồ mạch in của mạch vi điều khiển ...................................................51
Hình 3.7. Sơ đồ mạch in của cảm biến nhiệt ..........................................................52
Hình 3.8. Mạch thực tế ..........................................................................................55
Hình 3.9. Kết quả gửi về điện thoại qua tin nhắn SMS ..........................................56
vi


THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AC

Address Counter


Thiết bị điều khiển trạm gốc

BSS

Base Station Subsystem

Phân hệ trạm gốc

BTS

Base Tranceiver Station

Trạm thu phát gốc

CGRAM

Character Generator RAM

CGROM

Character Generator ROM

Chứa các mẫu kí tự

CRBT

Colour Ringback Tone

Hệ thống nhạc chuông chờ.


Center
GPRS

General Packet Radio Services

Dịch vụ dữ liệu di động dạng gói

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn

Communication

cầu

HLR

Home Location Register

Bộ đăng ký vị trí thường trú

ICSP

In Circuit Serial Programming

Chương trình trên mạch điện nối
tiếp



Thiết bị di động

MGW

Media gateway

Cổng giao tiếp đa phương tiện

MO

Mobile Originated

Chiều tin nhắn gửi đi từ điện thoại

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSC

Mobile Service Switching Center Tổng đài di động

MT

Mobile Terminated

Chiều tin nhắn đến điện thoại

Máy tính thông minh khả trình

Computer
PLMN

Public Land Mobile Network

Mạng di động mặt đất.

PSPDN

Packet Switched Public Data

Mạng số liệu công cộng chuyển

Network

mạch gói.

Public Switched Telephone

Mạng điện thoại chuyển mạch công

Network

cộng.

RNC

Radio Network Controller


Chuẩn giao tiếp nối tiếp

STP

Signaling Tranfer Point

Điểm trung chuyển báo hiệu

ULR

Uniform Resource Locator

Bộ ghi định vị tạm trú.

VLR

Visitor Location Register

Bộ ghi định vị khách

PSTN

viii


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng trong
tất cả các lĩnh vực của cuộc sống. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật để giám sát an
ninh, nhiệt độ là rất cần thiết. Hiện nay có rất nhiều ứng dụng đã được ứng dụng

180C đến 250C nhằm đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và tăng tuổi thọ thiết bị.
Trạm vệ tinh: Được đặt ở trung tâm huyện, thị xã là một phần hoạt động
theo dung lượng chi phối của trạm HOST nó cũng bao gồm các thiết bị truyền dẫn,
thiết bị chuyển mạch, thiết bị truy nhập từ xa. các thiết bị này thường đặt chung một
phòng và bổ sung các thiết bị đính kèm như hệ thống nguồn, accu, máy nổ, máy
điều hòa để duy trì nhiệt độ ở mức độ ổn định khoảng 180C đến 250C nhằm đảm
bảo thiết bị hoạt động ổn định và tăng tuổi thọ thiết bị.
Trạm BTS: Được đặt ở mọi nơi trong thành phố, thị xã, thị trấn, vùng nông
thôn nó bao gồm thiết bị thu phát sóng di động, cột an ten, thiết bị cung cấp nguồn,
điều hòa không khí, hệ thống dây dẫn… Mô hình kết cấu trạm như hình 1.4

2


Hình 1.1. Mô hình chung của một trạm viễn thông

Hình 1.2. Mô hình của một trạm Host

3


Hình 1.3. Mô hình bên trong một trạm vệ tinh

Hình 1.4. Mô hình một trạm BTS
BTS là một cơ sở hạ tầng viễn thông được sử dụng nhằm tạo thông tin liên
lạc không dây giữa các thiết bị thuê bao viễn thông và nhà điều hành mạng. Các
thiết bị thuê bao có thể là điện thoại di động, thiết bị internet không dây trong khi
các nhà điều hành mạng có thể là mạng di động GSM, CDMA hay hệ thống TDMA
cơ bản.
Một BTS điển hình bao gồm: một trạm thu phát (TRX) nhằm xử lý việc


Điều khiển tự động đóng ngắt, chuyển nguồn từ máy phát điện sang điện

lưới và ngược lại.

5


-

Điều khiển tự động chuyển tải sang sử dụng điện lưới khi phát hiện điện

lưới được cung cấp trở lại.Điều khiển tự động đề máy phát điện.
-

Số lần đề lại không quá 08 lần, cho phép cài đặt thủ công.

 Ở chế độ MANUAL:
-

Điều khiển nhân công, cho phép nhân công vận hành đóng ngắt, chuyển

nguồn từ máy phát điện sang điện lưới và ngược lại.
-

Thiết lập được thời gian trễ đề, chờ khi điện áp cấp từ máy phát điện hoặc

điện lưới ổn định mới tiến hành chuyển đổi nguồn.
-



-

Trung tính lưới - máy phát: tách riêng

1.2 Tổng quan về mạng di động của Vietel
1.2.1 Cấu trúc mạng
Mạng di động của có thể chia làm 4 lớp sau:
- Lớp người dùng: Gồm thiết bị đầu cuối người dùng, thiết bị di động…
- Lớp truy nhập: Gồm các trạm BTS, BSC(2G), NodeB.
- Lớp lõi: Gồm có khối chuyển mạch MSC+MGW(media gateway), các nút
hỗ trợ.
- Lớp ứng dụng: Các chương trình ứng dụng trên mạng di động như
OCS, SMS,MCA, BGM…
Sơ đồ cấu trúc mạng di động được thể hiện sơ lược qua mô hình cấu trúc hình 1.6.

6


Hình 1.6. Cấu trúc mạng di động Vietel
1.2.2 Chức năng của các thành phần trong mạng di động
1.2.2.1. Lớp người dùng
Thiết bị di động và đầu cuối người dùng
- ME (mạng 2G): Đây là máy điện thoại di động, kết nối với BTS qua giao
diện Um.
- UE (mạng 3G): Đây không chỉ là điện thoại di động mà còn có thể là các
thiết bị đầu cuối truy nhập internet như modem (Dcom 3G, homegateway), kết nối
với NodeB qua giao diện Uu.
1.2.2.2 Lớp truy nhập
* BTS (mạng 2G)

vào RNC.
- RNC kết nối với nhau qua giao diện Iub. RNC được nối đến lớp lõi bằng
hai kết nối, một kết nối tới MGW –MSC Server bằng giao diện Iu-CS(luồng thoại)
và một kết nối đến SGSN bằng giao diện Iu-PS (luồng data).
1.2.2.3. Lớp lõi
* MSC (MGW + MSC Server)
MSC có trách nhiệm kết nối và giám sát cuộc gọi đến MS và từ MS đi. Có
nhiều chức năng được thực hiện trong MSC như:
- Quản lý di động.
- Quản lý chuyển giao.
- Xử lý cuộc gọi.

8


- Xử lý tính cước.
- Tương tác mạng (IWF –Internet Working Functions): G -MSC
Các MSC có giao diện kết nối với các BSC, RNC qua các luồng STM1 hoặc
các luồng GE(IP), Giao diện báo hiệu của MSC với BSC sử dụng giao thức BSSAP.
Giao diện kết nối MSC với các thành phần mạng core khác như MSC khác, STP,
HLR,GMSC... bằng các giao diện IP trên mạng MPBN, các giao thức sử dụng gồm
SCCP,ISUP, MAP, CAP của báo hiệu số 7.
*SGSN
Là nút chính trong miền chuyển mạch gói, chịu trách nhiệm cho tất cả các
kết nối PS của tất cả các thuê bao. SGSN chứa thông tin đăng ký thuê bao và thông
tin vị trí thuê bao. Kết nối đến BSC qua giao diện Iu-CS dành cho thoại, kết nối đến
RNC qua giao diện Iu-PS, kết nối với HLR/Auc qua giao diện Gr (sử dụng báo
hiệu MAP) và kết nối với GGSN qua giao diện Gn+.
*GGSN
Là một nút cổng dữ liệu giữa mạng PS kết nối với mạng internet, các dữ liệu

hiệu trực tiếp vớinhau tạo ra một mạng mesh phức tạp, STP sẽ đóng vai trò node
trung tâm trongmạng báo hiệu, quản lý mạng báo hiệu trong sáng hơn.
*) Mạng CS cho các cuộc gọi về thoại: UE; NodeB; RNC; MSC server.
*) Mạng PS cho các cuộc gọi về data: UE; NodeB; RNC; SGSN; GGSN;
Mạng internet.
1.2.2.4. Lớp ứng dụng
Thực hiện chức năng là giao diện kết nối giữa các mạng khác nhau, cung cấp
các dịch vụ trên nền di động như: OCS, MCA, BGM, CRBT.
- OCS: Hệ thống tính cước thuê bao trả trước.
- SMSC: Hệ thống tin nhắn.
- MCA (Misscall Alert System): Hệ thống cảnh báo cuộc gọi nhỡ.
- BGM (Background Music): Hệ thống nhạc nền.
- CRBT (Colour Ringback Tone): Hệ thống nhạc chuông chờ.
1.2.3. Xử lý các cuộc gọi qua mạng di động
1.2.3.1. Cuộc gọi từ MS
(1)
(2)

BTS

VLR
BSC

MSC

Hình 1.7. Mô tả hoạt động xử lý gọi từ MS đến các thuê bao trong mạng GSM
10


Giả sử MS đang hoạt động ở trạng thái rỗi, người sử dụng quay tất cả các


- Sau khi thuê bao A nhấc máy bắt đầu quá trình trao đổi thông tin giữa thuê
bao A và mạng để kiểm tra SIM và cách thức mã hoá trên đường truyền vô tuyến.
Sau đó VLR tạo ra TMSI và mạng tiến hành nối mạch.
- Khi cuộc gọi kết thúc, các kênh truyền dẫn logic và các số liệu liên quan
chứa trong các phần tử của mạng được giải phóng và MSC ghi các số liệu về cước
vào băng từ hoặc đĩa cứng.
(1)

TĐNH

(2)

(3)

GMSC

HLR
1 2

3

4 5

6

7 8

9


Mỗi trạm viễn thông đều có cách bố trí các thiết bị ở các vị trí cũng như thành phần
thiết bị khác nhau, có trạm dung lượng lớn thì số lượng các card trong thiết bị bố trí
mật độ lớn hơn, trạm dung lượng nhỏ số lượng card ít. Tuy nhiên tất cả các trạm
đều phải thực hiện tính năng chung của nhà mạng là đảm bảo thiết bị hoạt động ổn
định và cung ứng các tính năng phục vụ các dịch vụ viễn thông cho khách hang do
đó để tiết kiệm nhân lực và tự động hóa quản lý hệ thống, đối với các trạm ở xa và
có dung lượng ít chỉ cần theo dõi từ xa qua mạng mà không cần bố trí nhân lực trực
trạm. Để đảm bảo điều này cần có một hệ thống theo dõi, giám sát từ xa và thông
báo các thông số không đạt chuẩn về trạm chủ.
12


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Vi điều khiển PIC 16F877A
Giới thiệu về vi điều khiển PIC:
PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”,tạm dịch là “máy tính
thông minh khả trình” của hãng Microchip. Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới sử
dụng PIC khá rộng rãi. Các tính năng đa dạng họ vi điều khiển PIC cũng như các
công cụ hỗ trợ lập trình cho họ vi điều khiển PIC không ngừng được cải tiến và phát
triển và đã tạo ra những ứng dụng vượt trội của PIC so với các họ vi điều khiển
khác.
Các kí hiệu của họ vi điều khiển PIC:
PIC 12xxxx: độ dài lệnh 12 bit
PIC 16xxxx: độ dài lệnh 14 bit
PIC 18xxxx: độ dài lệnh 16 bit
C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)
F: PIC có bộ nhớ Flash
LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
LV: Tương tự như LF
Bên cạnh đó có một số vi điều khiển có kí hiệu 16Fxxx là EEPROM, nếu có

Hình 2.1. Sơ đồ các chân của PIC 16F877A

14


2.1.2. Sự tổ chức bộ nhớ PIC 16F877A
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương
trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory).
Tổ chức bộ nhớ chương trình FLASH và Stack nhớ
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung
lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page0
đến page 3). Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192
lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit).
Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương
trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h
(Reset vector). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h
(Interrupt vector).
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa
bởi bộ đếm chương trình. Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau.

15


Hình 2.2. Bản đồ bộ nhớ chương trình và các ngăn xếp.

16


Hình 2.3. Sơ đồ khối chức năng của PIC 16F877A