ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2006
Michal Pravda
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra teorie obvodů
GSM zabezpečení LCD projektorů v učebnách
červen 2006
Michal Pravda Vedoucí práce:
Ing. Zdeněk Horčík
Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci zpracoval sám s přispěním vedoucího práce a konzultanta a používal jsem pouze literaturu v práci uvedenou. Dále prohlašuji, že nemám námitek proti půjčování nebo zveřejňování mé diplomové práce nebo její části se souhlasem katedry.
Datum: 28.6. 2006
………………..…………………… podpis studenta
Anotace: Cílem této bakalářské práce je navrhnout a realizovat spolehlivé zabezpečovací zařízení projektorů, které bude využívat mobilní sítě GSM. V Bakalářské práci se budu věnovat jednotlivým oblastem, kterými jsem prošel během návrhu aplikace. V úvodu práce se zabývám možnostmi zabezpečení jednotlivých typů projektorů. Hlavní část je věnována návrhu hardwaru, kde jsou rozebrány jednotlivé bloky zařízení a popsána jejich funkce. Na konci práce se dozvíte o způsobu komunikace s mobilním telefonem a je zde také popsána činnost mikroprocesoru. Funkčnost celého zařízení spočívá ve správné reakci na vstupní čidla a na komunikaci s mobilním telefonem.
Summary: The main target of this work is to design and implement a reliable safety appliance for data projectors using GSM technology. In my Bachelor's work I applied individual domains which I had to know for realization of this work. In the introduction of this work I describe possibilities of different type data projectors securing. The main part of my work is dedicated to hardware design , where single part are analyzed and their function explained. It is followed by a description of communication between GSM telephone and microprocessor. The function of the microprocessor is explained on the end my work. The function of my device consists of relevant reaction to entrance sensors and communication with the mobile phone.
Obsah 1 Zadání..........................................................................................................................8 2 Teoretické zpracování..................................................................................................9 2.1 Základní požadavky a informace..........................................................................9 2.2 Popis současného stavu ...................................................................................10 2.3 Očekávané útoky................................................................................................10 2.4 Možnosti zabezpečení projektorů.......................................................................10 2.4.1 Viditelné mechanické zabezpečení..............................................................11 2.4.2 Skryté mechanické zabezpečení.................................................................11 2.4.3 Elektronické zabezpečení............................................................................11 2.4.4 Kombinace mechanického a elektronického zabezpečení..........................12 2.5 Možnosti zabezpečení vlastního poplašného zařízení........................................12 2.5.1 Přerušení napájení .....................................................................................12 2.5.2 Přerušení kabelů od snímačů......................................................................12 2.5.3 Přerušení kabelů ke komunikačnímu modulu.............................................13 2.5.4 Mechanické zničení komunikačního modulu nebo řídící jednotky...............13 2.6 Návrh koncepce zařízení....................................................................................13 3 Výběr hardwaru..........................................................................................................15 3.1 Snímače.............................................................................................................16 3.1.1 Výběr vhodného snímače............................................................................16 3.1.2 Realizace vlastního otřesového snímače....................................................17 3.2 Signalizační obvody ...........................................................................................18 3.3 Hlavní modul - detailní popis jednotlivých bloků ................................................19 3.3.1 Napájecí zdroj..............................................................................................19 3.3.2 Nabíjecí obvod a záložní baterie..................................................................20 3.3.3 Blok pro komunikaci v síti GSM...................................................................22 3.3.4 Mikroprocesor..............................................................................................23 3.3.5 Vstupní obvod..............................................................................................24 3.3.6 Výstupní obvod............................................................................................25 4 Modul pro komunikaci v síti GSM..............................................................................26 4.1 Výběr mobilního telefonu....................................................................................27 4.2 Komunikace s mobilním telefonem.....................................................................27 4.3 AT příkazy..........................................................................................................28 7
4.4 Posílání a příjem SMS........................................................................................30 4.4.1 PDU formát pro SMS..................................................................................30 5 Požadavky na programové vybavení.........................................................................33 5.1 Inicializace procesoru..........................................................................................34 5.2 Hlavní program...................................................................................................34 5.3 Modul komunikace..............................................................................................36 6 Závěr..........................................................................................................................38 7 Použité materiály a literatura.....................................................................................41 8 Přílohy........................................................................................................................42
8
1 Zadání 1. Proveďte rozbor možných metod zabezpečení projektorů v učebnách s GSM komunikací v případě neoprávněné manipulace. 2. Navrhněte způsob komunikace GSM hlásiče s ohledem na cenu provozu a spolehlivost předání informace. 3. Navrhněte potřebné obvody pro obsluhu mobilního telefonu, ověřte jejich funkci, vytvořte potřebné programové vybavení tak, aby byla zajištěna co nejvyšší spolehlivost a komfort použití výsledného zařízení.
9
2 Teoretické zpracování 2.1 Základní požadavky a informace Jak je ze zadání patrné, cílem bakalářské práce je navrhnout a vyrobit zařízení, které bude reagovat na nějaké vnější podněty a po vyhodnocení provede předem definovanou akci (spustí alarm, vyšle zprávu). Požadavky na naše zařízení jsou následující: - spolehlivost zařízení - výrobní náklady co nejnižší - minimální údržba - odolnost proti neoprávněné manipulaci a úmyslnému poškození - nízké provozní náklady
2.2 Popis současného stavu V současné době jsou v učebnách instalovány datové projektory, které jsou jen minimálně zajištěné proti odcizení (jsou zajištěny pouze polohou). V nedávné době došlo k odcizení jednoho projektoru, které nás přimělo zamyslet se nad zabezpečením jednotlivých projektorů. Ve škole je nainstalováno mnoho různých typů projektorů na různých místech. Pro potřeby této práce jsem je rozdělil na následující kategorie. Projektor kategorie A je trvale namontován na vertikálních tyčích ukotvených ve stropě. Je tedy pro potencionálního útočníka hůře dostupný. Projektor kategorie B je zpravidla trvale položen na stole, někdy bývá přišroubován. Tento typ je pro útočníka snáze dostupný a lze předpokládat, že bude častěji terčem pokusů o odcizení. Projektor kategorie C není trvale instalován, vyučující si ho přináší pouze na potřebnou dobu. U tohoto typu nepředpokládám zabezpečování.
2.3 Očekávané útoky Z předchozího odstavce je vidět, že lze předpokládat pokus o odcizení projektorů kategorie B nebo A. Kategorie B je více ohrožena z důvodu snadnějšího přístupu, 10
útočník nemusí používat pomůcky a odcizení lze provést za kratší dobu. Vzhledem k tomu, že učebny navštěvují převážně studenti, lze předpokládat, že se nebudou pokoušet projektor pouze zničit. Protože u potenciálních útočníků lze předpokládat značné technické znalosti, mohlo by dojít k pokusům o vyřazení nebo oklamání zabezpečovacího zařízení.
2.4 Možnosti zabezpečení projektorů V oblasti zabezpečení projektorů se lze poučit ze zkušeností se zabezpečováním automobilů. Nabízí se následující metody: - viditelné mechanické zabezpečení - skryté mechanické zabezpečení - elektronické zabezpečení - kombinace mechanického a elektronického zabezpečení
2.4.1 Viditelné mechanické zabezpečení Jeho hlavním úkolem je přesvědčit útočníka, aby se do útoku raději vůbec nepouštěl, a když už se pustí, může očekávat prodloužení doby potřebné k odcizení. Toto zabezpečení musí být dostatečně robustní, což ale někdy nemusí vyhovovat při používání chráněného předmětu. Viditelným mechanickým zabezpečením může být uzamykatelný kryt nebo třmen, připevnění přístroje k podložce pomocí zajištěných šroubů a podobně. Toto zabezpečení se jeví jako vhodný doplněk k elektronickému zabezpečení.
2.4.2 Skryté mechanické zabezpečení Jeho hlavním úkolem je znemožnit nebo ztížit provedení útoku použitím mechanické zábrany k jejímuž odstranění je nutné použít speciální nástroje nebo mít zvláštní znalosti. Při útoku dochází k prodloužení jeho doby, neboť se útočníkovi nedaří zábranu překonat. Útočníka pak tato situace znejistí a může to vést až k přerušení útoku. Tímto zabezpečením mohou být šrouby na speciální nástroje nebo kryty s ukrytými zámky nebo šrouby. Výroba tohoto zabezpečení je dražší než u viditelného zabezpečení. 11
2.4.3 Elektronické zabezpečení Jeho hlavním úkolem je předání informace o útoku. Podle toho, jak se informace předává a po jakou dobu, lze rozlišovat následující zařízení: - poplašné zařízení, které má za úkol vyvolat poplach přímo na místě útoku a tím přivolat
pozornost ostatních osob v okolí. Toto zařízení je vhodné pro předměty
s nižší cenou, které se nacházejí v místech, kde se pohybuje větší množství osob. - poplašné zařízení, které má za úkol oznámit útok na jiném místě (u majitele, na stanovišti ochranky, policii, PCO) přičemž se útočník nemusí dozvědět o aktivaci zařízení. I toto zařízení může vyhlásit poplach na místě útoku. - zařízení, které má za úkol monitorovat pohyb odcizeného předmětu (například pomocí GPS a GSM). V tomto případě by se útočník neměl dozvědět o existenci tohoto zařízení, aby je nedokázal eliminovat. Zařízení nemá zabránit odcizení, ale má umožnit dohledání odcizené věci. Toto zařízení je nejdražší, proto se používá k zabezpečení drahých předmětů, u kterých je potřeba jejich vrácení majiteli velká.
2.4.4 Kombinace mechanického a elektronického zabezpečení Tato kombinace se používá, protože umožňuje zvýšení ochrany kombinací dvou jednodušších metod zabezpečení. Kombinace elektronického poplašného zařízení a mechanického zabezpečení dostává útočníka do časového stresu – poplašné zařízení způsobí poplach a mechanická zábrana neumožňuje rychlé odcizení zařízení a útěk.
2.5 Možnosti zabezpečení vlastního poplašného zařízení Při pokusu o vyřazení nebo oklamání poplašného zařízení, má útočník následující možnosti: - přerušení napájení - přerušení kabelů od snímačů - přerušení kabelů ke komunikačnímu modulu - mechanické zničení komunikačního modulu nebo řídící jednotky 12
2.5.1 Přerušení napájení První krokem, který útočník provede při objevení zabezpečovacího zařízení, je zpravidla pokus o odpojení napájecího přívodu. Proto je třeba zajistit záložní zdroj. Jako záložní zdroj se ve většině případů používá akumulátorová baterie a v mém zařízení tomu nebude jinak. Napájecí přívody od baterie je třeba dobře mechanicky zajistit proti násilnému rozpojení. Když dojde k rozpojení, tak zabezpečovací zařízení přestane plnit svojí funkci. Proto je výhodné umístit tuto baterii s veškerými elektronickými obvody do jedné, mechanicky odolné skříně.
2.5.2 Přerušení kabelů od snímačů Další možností jak vyřadit z činnosti zabezpečovací zařízení je přerušení přívodů od snímačů k hlavnímu modulu. Při přerušení kabelu dojde k odpojení napájení (u aktivního snímače), nebo k rozpojení obvodu (u pasivního snímače). Z toho vyplývá, že klidový stav snímače (kdy nebude vyvolán poplach) bude při připojeném napětí nebo spojeném obvodu. Při aktivaci snímače dojde k rozpojení a hlavní modul zajistí vyvolání poplachu. Při přerušení kabelů ke snímači dojde také k rozpojení a bude také vyvolán poplach.
2.5.3 Přerušení kabelů ke komunikačnímu modulu Při přerušení datového kabelu od hlavního modulu ke komunikačnímu modulu dojde k vyřazení zabezpečovacího zařízení. Hlavní modul nebude moci předat komunikačnímu modulu zprávu, aby uskutečnil telefonní hovor nebo poslal SMS. Je třeba dobře mechanicky zabezpečit datové kabely. Optimální by bylo umístění komunikačního modulu do skříně k hlavnímu modulu. Pokud přece jen dojde k přerušení datových kabelů, je třeba zajistit vyvolání alarmu jiným způsobem. Kontrolu připojeného kabelu lze opět zajistit kontrolou vodivosti obvodu smyčky, která je do kabelu přidána. Jednou z variant, jak oznámit nefunkčnost komunikace, je vyvolat zvukový poplach.
13
2.5.4 Mechanické zničení komunikačního modulu nebo řídící jednotky Mechanickému zničení lze předejít robustní konstrukcí krytu a dobrým bezpečnostním zámkem. Dále je třeba umístit zařízení na takové místo, kam se nebude moci útočník dostat nebo bude mít nevhodnou polohu pro svou činnost. Dobrým umístěním je například strop nebo nějaká skříňka, aby pachatel o zařízení nevěděl.
2.6 Návrh koncepce zařízení Podle možností a cenových nároků jednotlivých zařízení a ceny chráněných přístrojů se jeví jako použitelná zabezpečení kombinace viditelného mechanického zabezpečení a elektronického poplašného zařízení se současným dálkovým přenosem informace o útoku. Jak jsem již dříve uvedl, mechanické zabezpečení má za úkol útočníka odradit a zdržet ho v jeho činnosti. Elektronické zařízení má za úkol současně oznámit, že k útoku došlo. Oznámení je nejlépe provést silným akustickým signálem, který upozorní okolí, že se děje něco nestandardního. Současně zařízení vyšle informaci o útoku určené osobě, která může učinit další opatření k zabránění útoku. Moje první myšlenka jak zabezpečit projektory se kromě poplašného zařízení ubírá k GSM komunikaci. Navrhuji k projektoru připojit zabezpečovací zařízení s otřesovým čidlem, které pomocí mobilního telefonu bude schopno předat SMS zprávu nebo provést volání na předem určené číslo. Pro ověření funkce poplašného zařízení jsem dostal přidělen projektor typu A, který je umístěn v učebně 413. Umístění projektoru je na obrázku 2.1.
14
obr. 2.1 Z obrázku jsou patrné následující možnosti instalace poplašného zařízení: –
bude patrně výhodnější umístit poplašné zařízení přímo k projektoru, ušetří se tím přívodní kabely ke snímačům
–
napájení 230 VAC bude možno odebírat z napájení projektoru
–
snímače bude možno umístit přímo do poplašného zařízení
–
mezi držákem a projektorem je poměrně malý prostor cca 115 x 95 x 35 mm, zařízení musí být malé Při návrhu nesmíme opomenout následující požadavek:
Zařízení samo o sobě nesmí ohrožovat obsluhu a též ani chráněný předmět. Proto se musíme zabývat i oblastí návrhu ochrany před úrazem elektrickým proudem a požární bezpečností.
15
3 Výběr hardwaru Celé zařízení se bude skládat z hlavního modulu, ke kterému bude připojen modul pro komunikaci v síti GSM, snímačů a signalizačních zařízení. Blokové schéma zařízení
obr. 3.1
3.1 Snímače Snímače, které budou monitorovat danou oblast (projektor) by měly odpovídat článku 2.5.2. Mají za úkol změnit svůj stav v okamžiku útoku na chráněný objekt. Výhodné je použít pasivní snímače, které nepotřebují napájení, jsou jednoduché a levné. Mohou být tvořeny kontaktem, který je ovládán mechanicky nebo magnetem. Takovýto snímač může reagovat na sejmutí chráněného objektu například z podložky nebo na jeho naklonění a podobně. Další možností je opět použití přidaného vodiče do kabelu, který je nutno odpojit, aby bylo možno chráněný objekt odnést. Pokud bych chtěl použít aktivní snímače, například indukční snímače, kapacitní snímače, optické snímače nebo snímače na bázi RFID, je nutno dořešit způsob jejich
16
napájení. Je také třeba vzít v úvahu jejich několikanásobně vyšší cenu (řádově 1000 až 2000 Kč) oproti pasivním snímačům.
3.1.1 Výběr vhodného snímače V našem případě máme několik možností, jak snímač realizovat. Úplně nejjednodušší a nejlevnější řešení je použití kontaktu, který bude rozpojen nebo spojen. K realizaci rozpojovacího kontaktu můžeme použít jazýčkových spínačů ovládaných magnetem. Ty jsou běžně dostupné (cena je podle typu v desítkách Kč/kus) a existují i v zalisovaném provedení, které jsou přímo určené pro montáž na povrch předmětu. Ještě jednodušší realizace rozpojovacího kontaktu je použití tenkého drátu, který bude při manipulaci s projektorem přetržen. Toto zabezpečení má jednu nevýhodu. Při přetržení drátku je nutná instalace nového spoje. V našem případě to ale tolik vadit nebude, protože nepředpokládám, že k pokusu o ukradení projektoru bude docházet příliš často. U tohoto typu zabezpečení můžeme nalézt ještě další nevýhodu. Když dojde k rozpojení kontaktu nebo k přetržení drátku, tak už bude projektor nejspíš odmontován a na dopadení zloděje už tolik času není. Další možností, jak zabezpečit projektor, je použití čidel. Na trhu je možné nalézt několik variant otřesových nebo polohových čidel. Každé čidlo je charakterizováno různými vlastnostmi a také svojí cenou. Cena těchto čidel není zrovna příliš nízká (pohybují se od cca 170 do 1000 Kč), ale splňují náročnější požadavky nastavení a snímání. Jednou z hlavních vlastností čidel je nastavení jejich citlivosti a filtrace falešných otřesů tak, aby nedocházelo k vyvolávání poplachu při náhodných otřesech. V našem zařízení bychom mohli využít otřesového čidla, které by vyhlásilo poplach, když by někdo začal s projektorem manipulovat. Sériově vyráběná otřesová čidla pro svojí práci potřebují napájecí napětí 12 V DC (zpravidla pracují v rozsahu 9 V až 16 V), a proto je nutné toto napětí zajistit pro případ připojení čidla k našemu zařízení. Řešení pomocí otřesového čidla, jako hlavního obvodu pro zabezpečení projektoru, se mi zdá jako nejlepší varianta, ale vzhledem k jeho vysoké ceně a potřebě vyššího napájecího napětí se pokusím vytvořit vlastní jednoduché zařízení, které bude na tomto principu pracovat. V případě, že by toto zařízení nefungovalo dostatečně, bude možné připojit koupené otřesové čidlo.
17
3.1.2 Realizace vlastního otřesového snímače Otřesové snímače se nejčastěji vyrábějí na dvou základních principech: –
mechanický snímač používá zpravidla pružinku se závažím - je jednoduché, ale složitější na nastavení
–
zvukový snímač používá zpravidla piezoelektrický člen – je složitější, ale má lepší možnosti nastavení Nakonec jsem se rozhodl ověřit oba principy.
Jednoduché mechanické otřesové čidlo by mělo mít nastavitelnou citlivost na úroveň otřesů. Otřesové čidlo je znázorněno na obrázku 3.2.
obr. 3.2 Jak je vidět na zjednodušeném obrázku, otřesové čidlo se skládá z drátku (pružinky), který bude na jedné straně pevně připájen a na druhé straně může mít nějaké závažíčko (například kuličku cínu). Velikost tohoto závažíčka nebo přihnutí kontaktních drátků bude udávat citlivost čidla. Toto závažíčko se při otřesu bude pohybovat a bude narážet buď do desky plošného spoje a nebo do drátků, které budou zaletovány v plošném spoji. Při nárazu dojde k sepnutí a vstupní obvody toto sepnutí zaznamenají a předají mikroprocesoru. Vyhodnocení zda se má vyvolat poplach nebo zda šlo jen o zatřesení projektoru vlivem vnějších vlivů už bude záležet jen na mikroprocesoru. Program by měl eliminovat krátkodobé jednorázové otřesy, jako poplach by měl vyhodnotit trvalé otřesy (trvající alespoň 2 s). Složitější otřesové čidlo s piezoelektrickým členem by mělo mít nastavitelnou citlivost na úroveň otřesů a též obvod pro potlačení krátkých zákmitů a šumů. Obvod je znázorněn na obrázku 3.3. Jedná se o výřez ze schématu, které je uvedeno v příloze.
18
obr. 3.3
3.2 Signalizační obvody Signalizační obvody mají za úkol oznámit změnu stavu chráněného zařízení a tím uvědomit obsluhu nebo okolní osoby o útoku. Mohou být tvořeny sirénou, zvonkem, signalizačním světlem a podobně. Závisí to na tom, jakým způsobem a komu chceme událost oznámit.
3.3 Hlavní modul - detailní popis jednotlivých bloků Hlavní modul je sestaven z menších bloků, které můžete vidět na blokovém schématu. Prvním blokem je napájecí zdroj, který dodává proud do celého zařízení. Dalším blokem je nabíjecí obvod spolu s baterií. K baterii jsou připojeny další obvody, které hlídají velikost napětí na baterii a teplotu baterie při nabíjení. Mikroprocesor obsluhuje všechna zařízení, která jsou k němu připojena. Blok pro komunikaci v síti GSM zajišťuje spojení s uživatelem a předává informace mikroprocesoru. Vstupní obvod bude zaznamenávat informace od čidel. Blok výstupních obvodů zatím nebude využit, ale pro univerzálnost našeho zařízení je zde také implementován.
19
3.3.1 Napájecí zdroj Napájecí zdroj zajišťuje dostatečnou a konstantní úroveň napětí. Na trhu je možné zakoupit různé druhy napájecích zdrojů. Vyrábějí se zdroje přímo do zásuvky, který jsem chtěl pro naší aplikaci také použít, ale vzhledem k nedostupnosti zásuvky v okolí projektoru jsem se rozhodl navrhnout zdroj přímo v zařízení. Zdroj je tvořen transformátorem, usměrňovačem (Graetzův můstek), který je následován filtrem a spínaným stabilizátorem napájení pro mikroprocesor. Velikost napětí za filtrem je 12 V, které slouží pro nabíjení záložní baterie a také případně jako napájecí napětí pro přídavná zařízení (čidla a výstupní obvody). Velikost napětí pro mikroprocesor je 5 V. Protože může dojít k výpadku napětí 230 V AC jak při přerušení dodávky proudu, tak i při přerušení napájecího kabelu při krádeži projektoru, považuji za důležité tento stav oznámit obsluze, proto je součástí zdroje i signalizace přítomnosti síťového napájení. Napájecí zdroj a přívod napětí 230 V AC jsou určující součásti z hlediska bezpečnosti před úrazem elektrickým proudem a též i požární bezpečnosti. Proto je třeba konkrétnímu výběru jednotlivých součástí věnovat patřičnou pozornost. Všechny použité součásti a díly musí vyhovovat platným normám a musí být na nich uvedena schvalovací značka zkušebny. Jde o síťový přívodní kabel, zásuvky, zástrčky a o síťový transformátor. Použitím těchto schválených součástí a dílů zajistím, že použité součásti byly kontrolovány nejen z hlediska elektrické pevnosti, ale také i z hlediska požární bezpečnosti (šíření plamene, samozhášivost a podobně). Z hlediska bezpečnosti před úrazem elektrickým proudem se bude jednat o zařízení třídy II dle ČSN 33 2000-4-41 Elektrotechnické předpisy - Elektrická zařízení Část 4: Bezpečnost - Kapitola 41: Ochrana před úrazem elektrickým proudem - vydání 2000. To znamená, že všechny živé i neživé části jsou od napětí 230 V AC odděleny s izolační pevností 3750 V (mají zesílenou izolaci). Použitím napětí 9 V na sekundární straně transformátoru, kterým budeme napájet celé zařízení, zajistíme bezpečnost obvodů snímačů (budou pracovat s malým napětím). Transformátor tedy musí být oddělovací. Protože transformátor je na plošném spoji, musí zároveň i deska plošného spoje zajistit dostatečnou izolační mezeru mezi vývody primární a sekundární strany transformátoru. Požadované povrchové vzdálenosti jsou opět uvedeny v normách například ČSN EN 61010-1 Bezpečnostní požadavky na elektrická měřicí řídící a laboratorní zařízení, část 1: Všeobecné požadavky. V této normě vybereme v tabulkách hodnotu povrchové cesty pro efektivní napětí do 300 V – je to 6,5 mm. To znamená, že 20
v okolí přívodů 230 V AC nesmí být pokládány žádné spoje obvodu nízkého napětí v menší vzdálenosti. Výřez napájecího zdroje ze schéma zapojení, které je uvedeno v příloze, je zobrazeno na obrázku 3.4.
obr. 3.4
3.3.2 Nabíjecí obvod a záložní baterie Tento blok zajišťuje správné nabíjení záložní baterie a snímá velikost napětí na baterii a její teplotu. Velikost napětí na baterii je zjišťována dvěma komparátory. Jeden komparátor vyhodnocuje stav, kdy je baterie nabitá, a druhý komparátor vyhodnocuje stav, kdy je baterie vybitá. Velikost teploty baterie zajišťuje termistor, který bude na baterii pevně připevněn. Snímání teploty je zde důležité hlavně při nabíjení baterie, kdy dochází k velkému teplotnímu nárůstu. Z hlediska požární bezpečnosti je tento obvod velice důležitý. Pokud dojde k překročení teploty, která je nastavena děličem a vyhodnocuje ji komparátor, dojde k odpojení baterie. Odpojení baterie zajišťuje výkonový optočlen, kdy dojde k odpojení baterie od společného vodiče GND. Odpojení může také provést mikroprocesor. Tato možnost je zde navržena proto, aby při dlouhém odpojení sítě, kdy už baterie nebude schopná dodávat energii, mikroprocesor vypnul zařízení. Důvodem je možnost zničení baterie úplným vybitím. K odpojení baterie by mělo docházet ve stavu, kdy je baterie vybitá a není přítomno napětí 230 V AC, aby
21
mohla být dobíjena. Kdy se bude baterie nabíjet určuje mikroprocesor v závislosti na vyhodnocení výstupů od komparátorů. Zapnutí nabíjení je realizováno přes další optočlen, který připojí baterii na napájecí zdroj. Záložní akumulátor bude NiCd se jmenovitým napětím 4,8 V. Schéma zapojení je na obrázku 3.5. Jedná se zase o výřez z celkového schématu.
obr. 3.5
.
3.3.3 Blok pro komunikaci v síti GSM Modul pro komunikaci lze řešit dvěma způsoby. Buď lze použít speciální GSM modul a nebo běžný mobilní telefon, který umožňuje datový přenos. GSM modul je zařízení, které obsahuje řídící jednotku a GSM telefon – to vše v prostorově úsporném provedení, které je přímo určeno k zastavění do aplikace. Oproti mobilnímu telefonu má zpravidla i více vstupů, umožňuje více funkcí, má ale i vyšší cenu. 22
Vzhledem k požadovaným funkcím a snaze o nízkou cenu jsem navrhl použití staršího mobilního telefonu (nejsou žádné požadavky na „luxusní“ funkce, stačí, aby telefon měl vnitřní modem). Mobilní telefon bude komunikovat s modulem pomocí AT příkazů a bude provádět nějakou akci. V našem případě bude možno provádět následující akce: –
na základě vyvolaného alarmu buď dojde k vytočení telefonního čísla a nebo
bude odeslána SMS na nějaké předem určené telefonní číslo –
na základě zprávy přijaté komunikačním modulem může být alarm dálkově
blokován nebo může být ovládán jeden z výstupních obvodů –
na základě informace o stavu vnitřní baterie mobilního telefonu bude řízeno
nabíjení této baterie Telefon umožňuje uložit zprávy na SIM kartu. Toho můžeme využít i v našem zařízení. Pro kontrolu zda v příchozí SMS je uveden správný kód můžeme načíst SMS z telefonu a porovnat příchozí a uloženou SMS. Tímto ušetříme paměť v mikroprocesoru.
3.3.4 Mikroprocesor Centrálním prvkem celého zařízení je mikroprocesor (též se používá název mikrořadič). Po zapnutí a vlastní inicializaci naváže komunikaci s mobilním telefonem a pak už bude jenom čekat, až dojde k nějaké změně na vstupu a nebo k nějakému řídícímu signálu od mobilního telefonu (třeba k příchozímu hovoru). Na trhu existuje několik výrobců, které vyrábějí mikroprocesory. Mezi největší výrobce patří společnosti Atmel, Microchip, Motorola a další. Procesory se různě liší, ale základní vybavení (například ALU, paměti, registry, čítače, časovače, watchdog) je zachováno u všech typů. Hlavními ukazateli ve výběru procesoru je velikost paměti, počet a typ vstupních nebo výstupních bran (počet vývodů procesoru které můžeme využít) a výpočetní výkon. V naší aplikaci není potřeba velký výpočetní výkon ani velký počet bran, a proto nám postačí menší mikroprocesor. Použil jsem mikroprocesor od firmy Microchip s typovým označením PIC16F84. Má 13 datových vývodů pro připojení všech okolních bloků. Paměť programu tohoto mikroprocesoru je typu FLASH a má velikost 1024 slov. Tento procesor je velice oblíben a pro svoji univerzálnost je používán ve velkém množství aplikací. Je tudíž běžně 23
dostupný v řadě variant. Program pro procesor bude psán v assembleru. Mikroprocesory PIC patří k procesorům typu RISC, což znamená, že mají redukovanou sadu instrukcí. Při psaní programového kódu je tedy nutné složitější operace nahradit větším počtem jednoduchých instrukcí. Mikroprocesor pracuje v rozsahu napájecího napětí od 2 do 5,5 V. Zvolil jsem standardní napájecí napětí 5 V. Na hlavním modulu bude také umístěn stabilizátor a jednoduchý usměrňující obvod. Pro řízení kmitočtu použijeme krystal. Získáme tím vyšší stabilitu kmitočtů generovaných mikroprocesorem (například pro komunikaci s mobilním telefonem, kde potřebujeme zajistit komunikační rychlost 19200 Bd). Resetovací obvod zajišťuje správné zapnutí mikroprocesoru. Funkce zařízení bude indikována zelenou svítící diodou na výstupu RA3. Jestli bude LED dioda blikat nebo svítit, bude záležet jen na programu. Je dobré, aby dioda blikala, a tím jsme si jisti, že je procesor ve funkčním stavu. K procesoru jsou na jednotlivé porty připojeny tyto obvody: –
komunikační modul je připojen na vývody RA0 (signál RxD) a RA1 (signál TxD)
–
nabíjení baterie mobilního telefonu bude řídit RA4
–
kontrolní obvody pro snímání stavu nabití baterie jsou připojeny na RB0 a RB1
–
obvod odpojení baterie je připojen na RB2
–
obvod zapnutí nabíjení baterie je připojen na RA2
–
obvod pro snímání přítomnosti síťového napájení je na RB3
–
vstupní obvod je připojen na RB4
–
vnitřní otřesová čidla jsou připojena na RB5 a RB6
–
výstupní obvod je připojen na RB7
24
3.3.5 Vstupní obvod Vstupní obvod byl navržen pro připojení pasivního snímače, který bude reagovat na vnější vlivy. Výřez vstupního obvodu je uveden na obrázku 3.6
obr. 3.6 Optočlen zajišťuje oddělení jednotlivých obvodů. Je-li snímač ve stavu sepnuto, bude procházet odporem R37 a diodami proud. Dioda v optočlenu otevře tranzistor a na vstup mikroprocesoru se dostane 0 V (logická 0). Když snímač bude aktivován nebo bude odpojen (dojde k rozpojení obvodu), nebude protékat diodou žádný proud, tranzistor se neotevře a na vstupu procesoru bude 5 V (log 1). Procesor může začít s vyhlášením poplachu. Velikost odporu R37 bude záviset na odporu kabelů ke snímači. Proud tekoucí snímačem nesmí být příliš malý a měl by být přibližně 10 mA.
25
3.3.6 Výstupní obvod Na výstupní obvod lze připojit signalizační zařízení, nebo můžeme výstupní obvod využít k ovládání dalšího zařízení. Výřez výstupního obvodu z hlavního schématu je uveden na obrázku 3.7.
obr. 3.7 Výstupní obvod bude tvořen tranzistorem, který je sepnut, pokud se na výstupu procesoru objeví logická jednička. Po otevření tranzistoru dojde k sepnutí relé a zároveň se rozsvítí LED. Když dojde k uzavření tranzistoru, na cívce relé se indukuje napětí, a proto je zde zapojena dioda D2. Z hlediska indukovaného napětí je dioda polarizována v propustném směru a v okamžiku rozepnutí tranzistoru přes ní poteče vybíjecí proud z cívky relé. Tím je chráněn tranzistor T1 proti přepětí. Použitím relé s přepínacím kontaktem získám možnost ovládání signalizačního obvodu jak spínacím, tak i rozpínacím kontaktem. Použití relé je výhodné, protože je zajištěno galvanické oddělení signalizačního obvodu a hlavní jednotky.
26
4 Modul pro komunikaci v síti GSM
4.1 Výběr mobilního telefonu V naší aplikaci
potřebujeme telefon, který bude mít vestavěný hardwarový
modem a bude tedy rozumět AT příkazům. Pomocí těchto příkazů budeme moci s telefonem komunikovat a zadávat mu různé příkazy, jako například vytoč číslo xxx. Tento způsob komunikace je jedním z nejlepších řešení, jak obsluhovat mobilní telefon. Na trhu existuje veliké množství různých typů mobilních telefonů. Snažil jsem se vybírat ze starších a levných telefonů, ale bohužel většina levných telefonů hardwarový modem nemá. Jedním z osvědčených starších telefonů, který AT příkazům rozumí je mobilní telefon Siemens C35. Tento telefon se už nevyrábí, ale protože jich bylo vyrobeno veliké množství, je dostupný v bazarech a jeho cena není příliš vysoká.
4.2 Komunikace s mobilním telefonem Jak již bylo řečeno, komunikace bude probíhat pomocí AT příkazů, které budou důkladněji rozebrány dále. Mikroprocesor komunikuje s mobilním telefonem sériově, což znamená, že po jednom vodiči odesílá data do telefonu (TxD) a po druhém přijímá data z telefonu (RxD). Mikroprocesor vysílá každý znak (písmeno) zvlášť a tvoří jeden byte (bajt). Každý byte je přenášen jako posloupnost bitů a je tvořen start bitem, osmi datovými bity a jedním stop bitem. Doba trvání přenosu jednotlivých bitů je přesně dána přenosovou rychlostí. Přenosová rychlost u telefonu Siemens C35 je 19200 Bd (baudů). Dobu přenosu jednoho bitu spočítáme takto: Tb(s) = 1/přenosová rychlost (Bd) Na lince je v klidovém stavu logická 1. Start bit má logickou úroveň 0. Stop bit má Logickou úroveň 1. Posloupnost bitů je naznačena na obrázku 4.1.
27
obr. 4.1 Každý znak musí být převeden na posloupnost jedniček a nul. Při kódování jednotlivých znaků se využívá ASCII tabulky. ASCII tabulka je pevně definovaná a každému znaku je zde přiřazeno číslo v hexadecimální podobě. Při posílání nějakého znaku dojde k převedení hexadecimálního čísla do binárního čísla a jednotlivé jedničky a nuly jsou postupně odeslány do telefonu.
4.3 AT příkazy AT příkazy jsou normou definované povely původně vyvinuté pro ovládání modemů. S příchodem mobilních telefonů se rozšířily i na ně. Je ovšem třeba podotknout, že ne každý výrobce zabuduje do svých produktů kompletní podporu AT příkazů. Některé mobily také nemusí mít vestavěný HW modem, a proto se nedají ovládat "přímo" bez SW modemu, který musí být instalovaný v počítači. Popis vybraných základních AT příkazů, které jsou využity v našem programu. AT příkaz do
Odpověď z MT
popis
MT AT
OK
Základní příkaz, který otestuje komunikaci s mobilním telefonem.
ATA
OK
Příkaz pro vyzvednutí příchozího hovoru. Příchozí hovor je oznamován od MT znaky RING.
28
Pokud na MT žádný hovor OK
nepřichází tak MT odešle ERROR. Dojde ke zrušení probíhajícího
ATD77712345
OK
hovoru. Telefon vytočí telefonní číslo
6; AT+CPBR=1,2
+CPBR:
777123456 Vyčte z mobilního telefonu seznam
1,"931123456",129,"JA"
telefonních čísel od pozice 1 do
+CPBR:
pozice 2
ATH
2,"9501234567",129,"TY" OK AT+CMGL=0
+CMGL:1,0,,26
Číslo v příkazu udává typ čtených
079124602009999
zpráv. Pro telefon SIEMENS:
0040C9124606021
0 - přijaté, nečtené zprávy (default)
436500002050020
1 - přijaté, přečtené zprávy
243610808576D0C
2 - uložené, neodeslané zprávy
37BB6963
3 - uložené, odeslané zprávy
OK
4 - všechny zprávy Následující znaky představují kódovanou zprávu a další
AT+CMGR=1
+CMGR:1,,26
informace. Načte z paměti telefonu SMS na 1
079124602009999
pozici
0040C9124606021 436500002050020 243610808576D0C 37BB6963 AT+CBC
OK +CBC: 0,40
Zjistí stav nabití baterie telefonu. První číslo udává v jakém stavu je
OK
baterie např. zda je baterie nabíjena. Druhé číslo vyjadřuje nabití baterie v procentech.
29
Příkaz znamená Enter a musí být uveden za každým příkazem. Pokud odpověď od telefonu bude ERROR, tak telefon daný AT příkaz nezná. Struktura odpovědi od mobilního telefonu je tato: OK To znamená, že na začátku každé odpovědi je odeslán znak (Carriage return), což představuje ENTER a znak (Line feed), který představuje odřádkování. Dále jsou odeslány znaky odpovědi od telefonu a na konci následuje znova Enter a odřádkování. AT příkazů existuje mnohem více, než jsem uvedl v předchozí tabulce. Tabulka je zde uvedena jen pro představu, jak AT příkazy vypadají. Pomocí AT příkazů můžeme také simulovat stisknutí jednotlivých tlačítek.
4.4 Posílání a příjem SMS
SMS je v telefonu uložena ve formátu PDU (Protocol Description Unit). Formát PDU představuje jakousi kompresi dat. PDU řetězec obsahuje nejen zprávu, ale také mnoho dalších informací o odesílateli, telefonní číslo SMS centra, časové značky atd. Před odesláním příkazu čtení SMS je třeba udat, z jaké paměti se má SMS číst. Pokud má telefon paměť jenom jednu a to paměť na SIM kartě, nemusíme tuto paměť specifikovat. Po odeslání AT příkazu AT+CMGL=1 dostaneme od telefonu výpis všech SMS v PDU formátu. Odpověď vypadá například takto: +CMGL: 1,1,,25 0791246080006518240C9124705789241700006050715160140006C226ADA58D01 Telefon ve výpisu oznamuje typ příkazu +CMGL:. První jednička znamená, že se jedná o SMS uloženou na první pozici v paměti, druhá jednička nám říká, že jde o zprávu přečtenou a přijatou a poslední číslo udává počet bytů ve zprávě.
4.4.1 PDU formát pro SMS
V předchozím odstavci jste si mohli všimnout, jak vypadá PDU formát. Na první pohled jsou to jenom hexadecimální čísla, a proto zde popíšu, co jaká část znamená.
30
0791246080006518240C9124705789241700006050715160140004CF4F29C0E 07 Toto číslo udává délku SMSC informace. V tomto případě 7 oktetů (91 + 246080006518). 91 Udává formát následujícího telefonního čísla:
91 - mezinárodní formát 81 - národní formát
246080006518 Toto číslo je zakódované a představuje telefonní číslo SMS centra. Kódování je provedeno tak, že jednotlivé dvojice čísel jsou navzájem prohozené. Pokud vyjde počet čísel v tel. čísle lichý, je doplněný znakem "F" (před swapem). Uvedené číslo je 420608005681. 24 První oktet rámce. Stavové informace zprávy. 0C Udává délku telefonního čísla odesílatele (12 čísel). Případný doplňující znak "F" v tel. čísle se do tohoto součtu nezapočítává. 91 Typ čísla odesílatele (neznámé, ISDN, Data, ...) 247057892417 Číslo odesílatele, které je zakódováno prohozením čísel. Tel. číslo je 420775984271 00 Byte PID - určuje v kterém protokolu či v jakém formátu je SMS zpráva doručena. Například:
00h - obyčejná SMS zpráva (implicitní hodnota) 01h - telex 02h - fax (skupina 3) 03h - fax (skupina 4) 04h - normální telefon (tj. konverze do hlasu)
00 DCS (Data Coding Scheme) určuje kódovací schéma dat. Například:
00h - 7 bitová výchozí abeceda F6h - 8 bitové datové kódování dle Class 2 31
60507151601400 SCTS - definuje datum doručení SMS do SMS Centra. Jednotlivé dvojice čísel, zleva doprava určují: rok, měsíc, den, hodinu, minutu, sekundu, časovou zónu. Čísla ve dvojicích jsou opět prohozena. Pro ukázku platí: 17.05.2006, 15:06:41. Údaj v poslední dvojici čísel určuje rozdíl ve čtvrt hodinách mezi místním časem a GTM (Greenwich Main Time). 04 UDL - udává počet znaků v následující zprávě před jejím zakódováním. To znamená, že pokud je použito výchozí 7 - bitové kódování tak může být počet bytů menší než počet znaků, které udává UDL. Při 8 - bitovém kódování je počet bytů a znaků ve zprávě totožný. CF4F29C0E Tento řetězec obsahuje vlastní data (zprávu). Dekóduje se následujícím způsobem. Uvedená data obsahují, jak si ukážeme, zprávu "test". Řetězec rozdělíme na dvojice znaků, která tímto představují čísla v šestnáctkové soustavě. Tato jednotlivá čísla převedeme na jejich binární hodnotu. Kde je to potřeba, doplníme hodnotou "0" počet znaků do osmi (na nejvyšší váze tj. vlevo). Potom provedeme následující operaci: 1. u prvního byte (zleva) vyjmeme první bit a vložíme ho na konec druhého byte 2. z druhého byte vyjmeme první dva bity a vložíme je na konec třetího byte 3. z třetího byte vyjmeme první tři bity a vložíme na konec čtvrtého byte 4. atd. Dále převedeme výsledná binární čísla do šestnáctkové soustavy a potom pomocí ASCII tabulky na "obecné" znaky. Celý postup je uveden v následující tabulce. F4
F2
9C
0E
11110100
11110010
10011100
00001110
1110100
1100101
1110011
1110100
0000
74
65
73
74
0
t
e
s
t
32
5 Požadavky na programové vybavení O jednotlivých funkcích zařízení jsem se zmínil již v minulých kapitolách. V této kapitole chci zpracovat souhrn požadavků na programové vybavení, které bude výše uvedené funkce zajišťovat. Celý program bude sestaven z jednotlivých modulů: –
inicializace Bude probíhat po resetu procesoru. Zajistí nastavení všech bran do klidového stavu, nastavení watchdogu a nastavení generování časových intervalů.
–
hlavní program Bude zajišťovat správu jednotlivých programových modulů v závislosti na výsledcích předchozích operací a datech získaných od jednotlivých modulů.
–
modul obsluhy vstupů Bude zajišťovat dohlížení na jednotlivé vstupy a vyhodnocování jejich změn. Při tom musí eliminovat následky poruch, které se mohou projevovat jako krátkodobé změny stavů vstupů. Výsledky své činnosti bude předávat hlavnímu modulu pomocí proměnných ukládaných do registrů (nebo paměti).
–
modul obsluhy výstupů Bude zajišťovat ovládání jednotlivých výstupů v závislosti na požadavcích hlavního programu. Parametry požadovaných činností bude přebírat od
hlavního modulu
prostřednictvím proměnných ukládaných do registrů (nebo paměti).
–
modul komunikace Bude zajišťovat komunikaci s mobilním telefonem. Bude provádět obsluhu jednotlivých vodičů TxD a RxD. Data pro odeslání bude odebírat z paměti a do paměti bude ukládat data přijatá od mobilního telefonu.
–
modul obsluhy příchozího volání Bude zpracovávat požadavky od mobilního telefonu a na základě těchto požadavků
33
bude provádět jednotlivé příkazy. Bude umět přijmout telefonní hovor a dekódovat příchozí SMS podle které se budou nastavovat výstupní obvody. Parametry nastavení jednotlivých výstupů budou předány z hlavního modulu opět pomocí proměnných, ukládaných do registrů.
–
modul obsluhy odchozího volání Na základě požadavku od vstupního a hlavního modulu odešle SMS nebo vytáčí telefonní číslo. To bude prováděno pomocí AT příkazů, které budou předány modulu komunikace a ten se postará o jejich odeslání do mobilního telefonu. Jednotlivé požadavky se budou předávat modulu komunikace ukládáním do paměti.
–
modul obsluhy dobíjení baterie mobilního telefonu Bude zjišťovat aktuální stav nabití baterie prostřednictvím dotazu k mobilnímu telefonu, vyhodnocovat jeho odpověď a na základě tohoto vyhodnocení bude vydávat požadavek na ovládání výstupního obvodu, který bude zabezpečovat dobíjení baterie telefonu.
5.1 Inicializace procesoru Při resetu procesoru dochází na začátku programu k nastavení jednotlivých bran. První nastavení spočívá v určení, jaké porty budou vstupní, a jaké výstupní. Toto nastavení závisí na připojení buď vstupních, nebo výstupních obvodů. Dále jsou při inicializaci nastaveny hlavní registry. Jedná se o registr OPTION, kde se nastavují vlastnosti čítače a portů a registr INTCON, ve kterém se nastavují jednotlivá přerušení. Po zablikání kontrolní diody, která signalizuje rozběhnutí procesoru, přichází na řadu hlavní program.
5.2 Hlavní program Základní struktura hlavního programu je uvedena na obrázku 5.1. Na začátku programu je prováděn test, zda je připojen mobilní telefon. Mohlo by se stát, že mobilní telefon bude připojen, ale vypnut. Proto se během testování provádí pokus o zapnutí telefonu. 34
S T A RT
Inici ali zace
Je m obi lní telefon připoj en?
NE
Zapnout m obi l pokud j e vypnut a poč ká se 10s
ANO K om uni kace s m obil ním tel efonem
Prováděj test vst. sním ač ů a příchozího volání po dobu cca 1s
P odprogram test baterie tel efonu
P odprogram test zál ožní bateri e
ANO NE
Je m obi lní telefon připoj en?
P odprogram při jatá S M S
Prováděj test vst. sním ač ů a příchozího volání po dobu cca 1s
obr. 5.1 Po připojení telefonu probíhá nastavení telefonu, které obsahuje zapnutí identifikace volajícího a vypnutí vyzvánění telefonu. Zapnutí identifikace volajícího zajistí zobrazení (poslání pomocí AT příkazu) telefonního čísla při příchozím hovoru. Pokud mikroprocesor detekuje přicházející hovor, načte si do paměti telefonní číslo volajícího a potom je provedeno porovnání telefonních čísel. Telefonní číslo je porovnáváno s prvními čtyřmi čísly, která jsou uložena na prvních pozicích na SIM kartě. Pokud je telefonní číslo shodné s jedním ze čtyř čísel, je provedeno zapnutí (vypnutí) relé. Následně je pak provedeno zpětné prozvonění na telefonní číslo, ze kterého bylo voláno. Po nastavení telefonu dochází k testování jednotlivých vstupů a zároveň je 35
kontrolováno, zda nepřichází nějaký AT příkaz od mobilního telefonu (např. příchozí hovor). Toto testování se provádí pořád dokola po dobu přibližně jedné sekundy. Dále jsou provedeny testy baterií, které zkontrolují velikost napětí, popřípadě zapnou nabíjení baterie. Velikost nabití záložní baterie je snímána pomocí komparátorů, které předávají informaci mikroprocesoru. Nabití baterie mobilního telefonu je kontrolována pomocí AT příkazů. Mikroprocesor pošle dotaz na nabití baterie a telefon v odpovědi uvede procentuální nabití baterie. Po zkontrolování baterií jsou zase testovány vstupní obvody. Pak mikroprocesor zkontroluje zda nepřišla nějaká SMS zpráva a pokud ano, tak provede načtení SMS zprávy do paměti a porovná jí s SMS zprávou, která bude uložena na první pozici na SIM kartě. Pokud budou SMS stejné, tak lze provést například vyřazení vstupních obvodů nebo nějakou jinou operaci.
5.3 Modul komunikace Tento modul zajišťuje komunikaci s mobilním telefonem a je jednou z nejdůležitější částí celého programu. Zajišťuje příjem a odesílání jednotlivých bitů, a proto ho zde popíšu důkladněji. Kousek zdrojového kódu, který načte přicházející byte je uveden na následujících řádkách. ctibyte c1
c2 c3 c4
c5 c6
bsf c clrf rxdat rrf rxdat,1 btfsc rx ;test na start bit goto c1 movlw 6 ;časování 26us (Tbit/2) movwf citac decfsz citac,1 goto c2 movlw 13 ;časování 52us (Tbit) movwf citac decfsz citac,1 goto c4 btfsc rx ;vzorkování RX goto c5 bcf c goto c6 bsf c rrf rxdat,1 btfss c ;test na konec byte goto c3 36
c7
movlw 7 ;časování 52us (Tbit)-čas pro doběhnutí byte movwf citac decfsz citac,1 goto c7 return ;přijatá data jsou uložena v RXDAT Na začátku je vynulován registr RXDAT, do kterého budeme ukládat jednotlivé
přijaté bity. Ukládání budeme provádět pomocí rotace, která využívá příznaku přenosu c (Carry), přes který rotace probíhá. Dále je testován vstup Rx na START bit. Když přijde START bit, což je logická 0 tak se nastaví čítač zpoždění tak, aby běžel přibližně 26 µs. Tato doba je polovinou délky trvání jednoho bitu na vstupu Rx a je zde použita proto, abychom příchozí znak četli uprostřed. Následně se provede zpoždění 52 µs, kterým se dostaneme na první bit, který načteme. Nastavení čítače zpoždění na požadovanou hodnotu v µs je provedeno následovně. Doba jednoho cyklu v mikroprocesoru je 4*1/fosc. Čítač je nastaven na hodnotu 13 a instrukce dekrementace a skoku, které jsou provedeny během jednoho opakování, zabírají 3 cykly. Výsledná hodnota se rovná 4 * 1/3579000 * 13 * 3 = 43,6 µs. K této hodnotě musíme ještě přičíst další zpoždění, které je vytvořeno nastavením čítače a ukládáním načteného bitu. Délka těchto operací je přibližně 8 µs. Konec příchozích bitů je detekován, když se po rotaci registru rxdat dostane do příznaku c logická 1. Ta tam byla na začátku nastavena právě z tohoto důvodu. Následně se provede zpoždění 52 µs, které slouží pro doběhnutí posledního bitu, a pak je proveden návrat z podprogramu. Přijatá data jsou uložena v registru RXDAT.
37
6 Závěr Cílem mé bakalářské práce bylo navrhnout a vyrobit zabezpečovací zařízení pro datové projektory, které předává informaci o poplachu pomocí mobilního telefonu. Možnosti zabezpečení jednotlivých typů projektorů jsou popsány v kapitole 2 Teoretické zpracování. Nejvhodnější variantou zabezpečení projektorů je kombinace mechanického a elektronického zabezpečovacího zařízení. Kompletní schéma zařízení můžete nalézt v příloze. Jednotlivé bloky celého zařízení jsou popsány v kapitole 3 Výběr hardwaru. Nejdůležitější naměřené parametry jsou uvedeny v následující tabulce: Nabíjecí proud mobilního telefonu
200mA
Nabíjecí proud záložní baterie
75mA
Odběr zařízení z baterie
18mA
Zapnutí nabíjení záložní baterie
při 4,75V
Vypnutí nabíjení záložní baterie
při 5,44V
Při návrhu a výrobě zařízení jsem se snažil o minimalizaci celého zařízení, a proto jsem hodně využíval miniaturních součástek (SMD součástek). Výsledkem mé práce je oboustranná deska plošného spoje, která má rozměry 112 x 75 mm. Návrh plošného spoje je uveden v příloze. Oživení celého zařízení nebylo příliš jednoduché.
Nejprve jsem se zabýval
nastavením otřesových čidel, která spouští alarm při určité velikosti příchozích vibrací. Při porovnání obou dvou čidel je znatelně lepší čidlo piezoelektrické. Reaguje na mnohem menší otřesy než čidlo mechanické. Při jemném poklepání na zařízení generuje piezoelektrické čidlo impulsy, které jsou uvedeny na obrázku 6.1. Při testování jsem zkoušel, zda čidlo reaguje na hlas či šum v místnosti, ale nezaznamenal jsem žádnou reakci.
38
obr. 6.1 Citlivost tohoto čidla je závislá na velikosti zesílení operačního zesilovače a dá se jemně nastavit pomocí trimru R46. Kapacita zapojená ve zpětné vazbě operačního zesilovače má za úkol potlačit nízké úrovně vibrací. Tato kapacita snižuje citlivost zařízení na krátké impulsy. Mechanické čidlo není schopné reagovat na krátké impulsy, ale reaguje na delší mechanické pohyby. Sepnutí mechanického čidla vypadalo na osciloskopu takto:
obr. 6.2 Dále je nutné správně nastavit jednotlivé komparátory. V průběhu nastavování a testování jsem narazil na problém s velikostí napájecího napětí. Když je zařízení napájeno ze zdroje, je velikost napájecího napětí větší než když je zařízení napájeno ze záložní baterie. Pokles velikosti napětí záložní baterie má vliv na změnu úrovně napětí přiváděné do komparátoru, která byla nastavena při napájení ze zdroje. 39
Komunikace s mobilním telefonem je prováděna pomocí AT příkazů. Pro správný příjem a odesílání jednotlivých bitů bylo nutné zajistit přesné časování. O toto časování se stará mikroprocesor. Příklad zdrojového kódu, který načte přicházející byte, je uveden v kapitole 5.3 Modul komunikace. Zabezpečovací zařízení provádí oznámení poplachu prozvoněním předem určených čísel, které jsou uloženy na prvních čtyřech místech na SIM kartě. Dále je možné ovládat výstupní obvod pomocí prozvonění telefonního čísla zařízení. Toto ovládání smí provádět jen první čtyři čísla na SIM kartě a pokud vše proběhne v pořádku je provedeno zpětné prozvonění.
40
7 Použité materiály a literatura Internet: www stránky HW serveru, http://www.hw.cz www stánky MCU serveru, http://www.mcu.cz www stránky firmy Microchip, http://www.microchip.com www stránky zabývající se výrobou GSM bran, http://www.bramo.pcsvet.net Časopisy: Detektor otřesů pro zabezpečovací zařízení, Amatérské radio řady A, č. 2/2005 , str. 22 Detektor otřesů, Amatérské radio řady A, č. 7/2004, str. 3 Detektor otřesů, Amatérské radio řady A, č. 3/2004, str. 5 Normy: ČSN EN 61010-1 Bezpečnostní požadavky na elektrická měřicí řídící a laboratorní zařízení, část 1: Všeobecné požadavky. ČSN 33 2000-4-41 Elektrotechnické předpisy - Elektrická zařízení - Část 4: Bezpečnost - Kapitola 41: Ochrana před úrazem elektrickým proudem - vydání 2000 Firemní literatura Microchip: MICROCHIP TECHNICAL LIBRARY CD-ROM 2001 Datasheet PIC16F84A Katalogy součástek: GM Electronic 2005 ECOM 2005 FK Technics 2002
41
8 Přílohy Schéma zařízení:
42
